Тема: "Трансформаторы" Работа однофазного трансформатора вхолостую (стр. 6 )

Магнитопровод трансформаторов собирается из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,35 — 0,5 мм, между которыми есть изоляционная прослойка в виде лака, окалины или клея. Потери электрической энергии в магнитопроводе невелики и, следовательно, невелик и ток Iа, обусловленный этими потерями. Воздушный зазор магнитопровода, определяемый качеством обработки отдельных листов и качеством сборки, относительно невелик. Листы слоев магнитопровода собираются внахлестку: последующий слой перекрывает воздушные промежутки в стыках листов предыдущего слоя, что приводит к существенному уменьшению эквивалентного воздушного зазора магнитопровода трансформатора (подробнее — в § 8.12). По этой причине намагничивающий ток Iр трансформатора и ток холостого хода трансформатора, равный

I10 = √Iр2 + Ia2,

невелики. Ток холостого хода составляет всего 5 — 10% номинального значения.

Необходимо отметить, что ток Iа значительно меньше Iр. Поэтому при анализе работы и в расчетных формулах часто принимают

I10 ≈ Iр.

Рис. 8.3. Кривая намагничивания трансформаторной стали

Следует обратить внимание на то, что петля перемагничивания электротехнической стали магнитопроводов трансформаторов относительно «узкая» (рис. 8.3) и значение амплитуды магнитной индукции Вm для обычных трансформаторов выбирается в пределах 1,2—1,6 Тл, что соответствует примерно точке кривой намагничивания, лежащей на «колене», поэтому в пределах изменения В от В = 0 до В = Вm зависимость тока от магнитной индукции примерно линейная. Поскольку магнитный поток и, следовательно, магнитная индукция изменяются синусоидально, намагничивающий ток также будет изменяться по закону, близкому к синусоидальному. В дальнейшем будем считать, что ток холостого хода изменяется по синусоидальному закону. На рис. 8.4 изображены схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) трансформатора при холостом ходе (Е2 на рисунке не показана). В схеме замещения r0 — активное сопротивление, потери мощности в котором равны потерям мощности в магнитопроводе трансформатора, х0 — индуктивное сопротивление первичной обмотки, обусловленное основным магнитным потоком, r1 — активное сопротивление первичной обмотки, x1 — индуктивное сопротивление первичной обмотки, обусловленное потоками рассеяния. Уравнение электрического состояния первичной цепи трансформатора при холостом ходе

(8.6)

U1 = - E10 + I10r1 + jI10x1.

Напряжение на выводах вторичной обмотки при холостом ходе трансформатора

U20 = E2.

Рис. 8.4. Схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) холостого хода трансформатора

Рис. 8.5. Схема опыта холостого хода трансформатора

Опыт холостого хода. Для выяснения соответствия действи­тельных значений тока холостого хода, потерь мощности в магнитопроводе и коэффициента трансформации расчетным данным вновь спроектированного и изготовленного трансформатора проводят опыт холостого хода. Этот опыт иногда проводят для выяснения указанных выше параметров трансформаторов, паспортные данные которых отсутствуют. Схема опыта холостого хода изображена на рис. 8.5. В соответствии с паспортными данными трансформатора устанавливают напряжение на первичной обмотке, равное номинальному значению, после чего записывают показания приборов. Амперметр измеряет ток холостого хода I10, ваттметр — потери мощности в трансформаторе ДР0 ≈ ДРст. Отношение показаний вольтметров равно коэффициенту трансформации трансформатора n ≈ U1/U2. Поскольку ток холостого хода и активное сопротивление первичной обмотки малы, потери в ней незначительны и намного меньше потерь в магнитопроводе трансформатора. По этой причине можно считать, что ваттметр измеряет мощность потерь в магнитопроводе трансформатора. На основании опытных данных можно определить r0, x0, z0, а также значения тока Iр и Iа. Если пренебречь r1 и х1 (так как r1 << r0 и х1 << х0), то

r0 = ДP0/I210; z0 = U1/I10;

ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Создание трехфазных трансформаторов относится к периоду 1889 — 1891 гг. Первые промышленные образцы трансформаторов созданы выдающимся русским электротехником -Добровольским.

Трехфазный трансформатор состоит из трех однофазных, магнитопроводы которых объединены в один общий трехстержневой (рис. 8.17, д). Действительно, если три однофазных двухобмоточных трансформатора расположить, как изображено на рис. 8.17, а, а их первичные обмотки соединить звездой (рис. 8.17, б) и подключить к трехфазной сети, то в них возникнут токи холостого хода. Токи будут иметь одинаковое значение, но будут сдвинуты относительно друг друга на 120° (рис. 8.17, в). Магнитные потоки, создаваемые токами, также будут сдвинуты на 120°. Сумма магнитных потоков, так же как и токов, будет равна нулю. Если объединить три стержня ABC однофазных трансформаторов в один, то в этом стержне магнитного потока не будет и надобность в нем отпадает. В результате образуется трехфазный трансформатор (рис. 8.17, г). Однако изготовление такого трансформатора технически и технологически затруднено. Действительно, гораздо удобнее расположить стержни магнитопровода в одной плоскости, как изображено на рис. 8.17, д. По существу ничего не изменится. Однако при этом немного уменьшится длина магнитопровода для среднего стержня В. Это несколько нарушит симметрию магнитопровода трансформатора и приведет к тому, что намагничивающий ток (ток холостого хода) обмотки среднего стержня В будет несколько меньше, чем обмоток стержней А и С. Однако асимметрия не имеет практического значения.

Рис. 8.17. К пояснению образования трехфазного трансформатора

Итак, трехфазный двухобмоточный трансформатор (рис. 8.17, д) имеет один трехстержневой магнитопровод с двумя обмотками на каждом из стержней. Каждая фаза трехстержневого трансформатора представляет собой по существу однофазный трансформатор. Поэтому анализ работы и расчет трехфазных трансформаторов при равномерной нагрузке каждой фазы аналогичны однофазным и схема замещения изображается для одной фазы.

Начала и концы первичных обмоток обозначаются большими буквами — соответственно АХ, BY, CZ, вторичных обмоток — малыми буквами ах, by, cz. Фазы вторичных обмоток, так же как и первичных, могут быть соединены звездой или треугольником.

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА ТРАНСФОРМАТОРОВ

Для преобразования электрической энергии высокого напряжения на территории отдельных промышленных предприятий, цехов или рядом с ними устанавливаются трансформаторы, понижающие напряжение до 220, 380 или 500 В, при котором работают большинство потребителей.

С целью сокращения длины проводов низковольтных сетей, а они имеют значительное сечение, и бесперебойного снабжения электроэнергией приемников целесообразно устанавливать не один трансформатор на один цех или промышленное предприяие, а несколько и включить их параллельно. При аварийном выходе из строя или профилактическом ремонте одного из них остальные обеспечат электроэнергией приемники. С той же целью бесперебойного снабжения промышленных предприятий на электрических станциях устанавливаются несколько трансформаторов, включенных параллельно. На рис. 8.18, а изображена схема двух параллельно включенных трехфазных трансформаторов.

Рис. 8.18. Параллельное соединение трехфазных трансформаторов (а), векторные диаграммы (б) к пояснению группы соединения обмоток трансформатора Y/Y

Для нормальной работы параллельно включенных трансформаторов необходимо, чтобы при холостом ходе в их обмотках не возникало так называемых уравнительных токов — это будет при условии, если линейные напряжения первичных и вторичных обмоток трансформаторов соответственно одинаковы по модулю и вторичные линейные напряжения совпадают по фазе, т. е. Uab(1) = Uab(2). Действительно, из уравнения электрического состояния вторичной цепи параллельно включенных трансформаторов, составленного по второму закону Кирхгофа,

Ua(1) - Ub(1) + Ub(2) - Ua(2) - Iyp(Za(1) + Zb(1) + Za(2) + Zb(2)) = 0

вытекает, что

Iyp =	Uab(1) - Uab(2)	,
4Z

и если Uab(1) = Uab(2), то Iур = 0.

Указанные условия выполняются, если трансформаторы имеют одинаковые схемы соединения первичных и вторичных обмоток и схемы образованы одинаковым способом — звездой: нулевая точка выполнена путем объединения или концов (рис. 18. а), или начал обмоток; треугольником: начало обмотки фазы А соединено с концом обмотки фазы В, начало обмотки фазы В — с концом обмотки фазы С и начало обмотки фазы С — с концом обмотки фазы А (рис. 8.19, а), или конец обмотки фазы А с началом обмотки фазы В и т. д. Все это выражено в группе соединения трансформатора, указанной в его паспорте. Группа соединения определяется углом между векторами линейных напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора. В паспорте трансформатора группа соединений указывается не значением угла, а временем, которое будут показывать часы, когда угол между стрелками часов соответствует углу между линейными напряжениями первичной и вторичной обмоток.

Рис. 8.19. К пояснению группы соединения при соединении обмо­ток трансформатора Y/Д

Рис. 8.20. Упрощенная схема замещения двух параллельно включенных трансформаторов

Для этого совмещают вектор линейного напряжения первичной обмотки с минутной стрелкой часов и устанавливают ее на цифре 12, а вектор линейного напряжения вторичной обмотки совмещают с часовой стрелкой. Например, при соединении обмоток Y/Y, как изображено на рис. 8.18, а, векторы линейных напряжений совпадают (рис. 8.18, б) — это соответствует 12 часам. Группа соединения трансформатора 12, и на его паспорте будет написано Y/Y-12. Когда первичная обмотка соединена звездой, а вторичная — треугольником, как изображено на рис. 8.19, а, из векторной диаграммы рис. 8.19, б следует, что будет группа соединения 11.