Трансформаторы

2. Трансформаторы

2.1. Принцип действия и устройство трансформатора

Трансформатором называется статистический электромагнитный аппарат, преобразующий электрическую энергию переменного тока одной системы в электрическую энергию переменного тока другой системы с иными параметрами (с иным напряжением, током, числом фаз, частотной или формой кривой напряжения).

Трансформаторы применяют в системах передачи и распределения электрической энергии и в ряде специальных случаев – для регулирования напряжений, пуска в ход двигателей переменного тока и т.д. Очень широко используют трансформаторы в электропитающих устройствах предприятий связи, в выпрямительных и преобразовательных устройствах и т.д.

Принцип действия трансформатора основан на электромагнитном взаимодействии двух или, в общем случае, нескольких электрически несвязанных и неподвижных друг относительно друга обмоток. Если одну из обмоток присоединить к сети переменного тока, то под действием переменного магнитного поля в другой обмотке, магнитно связанной с первой, индукцируется ЭДС. При включении второй обмотки на какой либо приёмник энергии в цепи будет передаваться во вторую.

Обмотка трансформатора, связанная с сетью более высокого напряжения, называется обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотка, связанная с сетью  более низкого напряжения (НН).

Обмотка, включённая в сеть источника электрической энергии, из которой трансформатор потребляет преобразуемую им электрическую энергию, называется первичной; обмотка, включённая в сеть приёмника энергии, называется вторичной. Если первичной обмоткой трансформатора является обмотка высшего напряжения, вторичной – обмотка низшего напряжения, то такой трансформатор называется понижающим; если же первичная обмотка – обмотка низшего напряжения, а вторичная – высшего, то трансформатор называется повышающим.

Рекомендуемые материалы

Для улучшения магнитной связи между обмотками, служит стальной магнитопровод, собранный из пластин специальной электротехнической стали марок 1511, 1512, 3411, 3412, 3413 и др. в этом обозначении первая цифра показывает класс стали по структурному состоянию и виду прокатки:

1 – горячекатанная, изотропная,

2 – холоднокатанная изотропная,

3 – холоднокатанная изотропная с ребровой текстурой.

Вторая цифра показывает содержание кремния присадка которого делает сталь более хрупкой и увеличивает электрическое сопротивление. Третья цифра указывает группу по ОСНОВНОЙ нормируемой характеристике. 0 – удельные потери при магнитной индукции В=1,7 Тл и частоте тока f=50 Гц, 1- удельные потери при В=1,5 Тл и f=50 Гц, 6 и 7 – магнитная индукция в слабых и средних полях при напряжённости магнитного поля 0,4 А/М и 10 А/М соответственно. Четвёртая цифра – порядковый номер.

В магнитопроводе трансформатора выделяются потери, преобразуемой им энергии, которые складываются из потерь на гистерезис потерь на вихревые токи. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы трансформаторов собирают из отдельных пластин, изолированных одна от другой лаком или окалиной. Пластины магнитопровода  вырезаются из листов горячекатанной или из ленты холоднокатанной стали толщиной 0,5 или 0,35 мм при частоте тока в сети 50 Гц, а при более высокой частоте применяют пластины меньшей толщины. Потери на гистерезис и на вихревые токи определяются совместно, как потери в стали: Рст=Ргист+Рвх  по формуле Рст=рстGст, где рст – коэффициент удельных потерь, зависящих от марки стали, толщины стальных пластин, частоты тока и максимальной магнитной индукции, Вт/кг: Gст – масса магнитопровода, кг.

В зависимости от формы магнитопровода и расположения обмоток на нём однофазные трансформаторы разделяют на стержневые и броневые.

Стержневой магнитопровод (рис. 2.1,а) имеет два стержня, охватываемых обмотками. Часть магнитопровода, замыкающая магнитную цепь, называется ярмом. На каждом стержне помещается половина витков первичной и половина витков вторичной обмоток. Такое расположение обмоток на магнитопроводе обеспечивает лучшую магнитную связь между обмотками, чем при размещении первичной и вторичной обмоток на различных стержнях, как это условно изображается на схемах. Хорошая магнитная связь уменьшает потоки рассеяния, которые не участвуют в процессе передачи энергии из первичной сети во вторичную. Половины обмоток, помещённые на правом и левом стержнях магнитопровода, соединяются между собой параллельно или последовательно так, чтобы намагничивающие силы этих половин обмоток совпадали по направлению.

В трансформаторе броневого типа (рис 2.1,б) первичная и вторичная обмотки помещаются на среднем стержне магнитопровода. Таким образом, в этом трансформаторе обмотки частично охватываются (бронируются) ярмом. Магнитный поток, пронизывающий стержень сердечника, разветвляется на две части. Поэтому ярмо имеет поперечное сечение, вдвое меньшее сечения стержня.

Ленточные разрезные сердечники из холоднокатанной стали подобны стержневым (рис. 2.1,в) или броневым (рис. 2.1,г).

В настоящее время ленточные разрезные магнитопроводы трансформаторов изготовляются следующим образом: половины магнитопроводов изготовляются из полос холоднокатанной стали различной длинны так, что полосы укладываются в пакет ступенями. В специальных формах пакеты на прессе выгибаются в половины (верхние и нижние) магнитопровода и отжигаются для снятия остаточных механических напряжений. После пропитки в клеящем составе (для склейки отдельных листов) половины магнитопроводов подвергаются механической обработке (для фрезеровки стыков) и направляются на сборку.

Рис.2.1. Схемы устройства трансформаторов:

а – пластинчатый стержневой

б – пластинчатый броневой;

в – ленточный стержневой;

г – ленточный броневой.

При сборке трансформатора обмотки устанавливаются на магнитопроводе и половины магнитопроводов (верхняя и нижняя) составляются и стягиваются, причём предварительно места стыков покрываются специальным клеящим составом.

Трансформаторы больших и средних мощностей выполняют стержневыми, так как в броневых трансформаторах трудно изолировать обмотки высшего напряжения от магнитопровода.

Рис.2.2. Схема размещения обмоток на стержне магнитопровода

Трансформаторы малой мощности часто изготавливают броневыми. Броневой магнитопровод обладает рядом конструктивных достоинств: одна катушка вместо двух при стержневом магнитопроводе: более высокий коэффициент заполнения окна сердечника обмоточным проводом; частичная защита обмотки ярмом механических повреждений.

Для измерительных и лабораторных трансформаторов, а также при повышенной частоте применяются тороидальные магнитопроводы, достоинством которых является относительно малое магнитное сопротивление, почти полное отсутствие внешнего потока рассеяния и нечувствительность к внешним магнитным полям, независимо от их направления, при условии равномерного распределения обмоток трансформатора по окружности тороида. Обмотки таких трансформаторов наматываются на специальных станках челночного типа.

Обмоткам трансформатора придают преимущественно цилиндрическую форму, выполняя их при малых токах из круглого изолированного провода, а при больших токах из шин прямоугольного поперечного сечения. Ближе к стержню располагается обмотка низшего напряжения, так как её легче изолировать от него, чем обмотку высшего напряжения (рис. 2.2). Обмотка низшего напряжения изолируется от магнитопровода прослойкой из какого-либо изолированного материала. Такая же изолированная прокладка имеется между обмотками росшего и низшего напряжений. При цилиндрических обмотках мощных трансформаторов поперечному сечению стержня желательно придавать круглую форму, чтобы в площади, охватываемой обмотками, не оставалось воздушных промежутков. Чем меньше воздушные промежутки, тем меньше длина витков обмоток, а следовательно, и масса провода при заданной площади поперечного сечения стержня.

Так как магнитопровод набирается из тонких стальных листов,  то для получения стержня круглого сечения понадобилось бы большое число стальных листов различной ширины, а это потребовало бы изготовления множество штампов. Поэтому в трансформаторах большой мощности стержень имеет ступенчатое сечение с числом ступеней не более 9 – 10. Число ступеней сечения сердечника определяется числом углов в одной четверти круга. Для лучшего охлаждения в сердечнике и обмотках мощных трансформаторов устраиваются вентиляционные каналы. Широко используется масляное охлаждение.

Обмотки трансформаторов малой мощности изготовляют из медных проводов с эмалевой, волокнистой и комбинированной изоляцией. Провода с комбинированной изоляцией имеют более толстую изоляцию, чем провода с эмалевой изоляцией, и их применение целесообразно при сечении провода 0,5 мм² и более. При таких сечениях применение провода с эмалевой изоляцией нежелательно, так как при намотке на прямоугольные каркасы небольших размеров может произойти растрескивание и отслоение эмали на сгибах.

Обмотки трансформаторов малой мощности укладывают на каркасе, изготовленном из изоляционного материала: электрокартона, пропитанного в изолирующем лаке; гетинакса; пластмассы и других изоляционных материалов, обладающих нагревостойкостью и негигроскопичностью. Каркас состоит из гильзы, представляющей собой трубку прямоугольного, квадратного или круглого сечения. На концах гильзы укрепляются боковые щёки. При изготовлении каркаса из пластмассы его прессуют целиком.

При малых диаметрах провода может происходить «западание» витков из последующих рядов в нижележащие, в результате чего напряжение между отдельными витками может оказаться настолько большим, что вызовет пробой изоляции и выход трансформатора из строя. Для предотвращения «западания» после намотки каждого ряда. Укладывается прокладка из конденсаторной, телефонной и кабельной бумаги.

Поперечному сечению магнитопровода трансформатора малой мощности придают прямоугольную или квадратную форму.

Трансформаторы малых мощностей имеют естественное воздушное охлаждение, интенсивность которого для них вполне достаточна. Так как обмотки таких трансформаторов непосредственно соприкасаются с внешней средой (воздухом), то они подвергаются изменению температуры и могут также подвергаться механическим сотрясениям и ударом.

Для защиты трансформаторов от внешних воздействий применяется пропитка лаком, обволакивание, герметизации и окраска. В процессе пропитки лаком заполняются поры изоляционных материалов и промежутки между витками обмоток, слоями изоляции и механическую прочность, улучшает теплопроводность и защищает трансформатор от влаги, газов и паров. При обволакивании наносите: слой изоляционного материала на поверхность трансформатора, что дополнительно защищает трансформатор от внешних воздействий.

При герметизации трансформатор изолируется от окружающей среды оболочками, выполненными из обволакивающего материала, или герметичными металлическими кожухами.

2.2. Холостой ход трансформатора

При холостом ходе (х.х.) вторичная обмотка трансформатора разомкнута и ток в ней равен нулю (I2=0), а первичную обмотку включают в сеть переменного тока с номинальным напряжением U1. Под действием приложенного напряжения по первичной обмотки при номинальной нагрузке трансформатора. На схемах трансформатор изображается так, как показано на рис. 2.3,а, точка обозначает начало обмотки.

Рис.2.3. Трансформатор:

а - условное обозначение;

б - схема при х.х.

Магнитодвижущая сила (МДС) первичной обмотки трансформатора F0=w1I0, где (w1 – число последовательно соединённых витков первичной обмотки) возбуждает магнитное поле, большая часть линий которого замкнётся по магнитопроводу, образуя основной поток трансформатора Ф0 (рис. 2.3,б), специальный со всеми витками первичной и вторичной обмоток; меньшая часть магнитных линий замкнётся по немагнитной среде, образуя поток рассеяния ФSI, специальный только с витками первичной обмотки. Поток рассеяния индуктируе в первичной обмотке ЭДС рассеяния еSI=-w1dФSI/dt.

Основной поток индуктирует в первичной и вторичной обмотках ЭДС, равные: е1=-w1dФ0/dt и е2=-w2dФ0/dt, где w2 – число последолвательно соединённых витков вторичной обмотки.

Если основной магнитный поток во времени изменяется синусоидально, т.е. Ф0=Фтsinwt, то ЭДС первичной обмотки будет равна е1=w1wFтcoswt =w1wFтsin(wt-p/2).

Таким образом, ЭДС пенрвичной обмотки е1 изменяется во времени синусоидально, причём е1 отстаёт по фазе от Ф0 на четверть периода p/2.

Действующее значение ЭДС первичной обмотки

E1=Eт /Ö2=(2p/Ö2)w1f Fт=4,44w1fFт                                                    (2.1)

и вторичной обмотке E2=4,44wfFт. Отношение E1/E2 =w1/w2=п называется коэффициентом трансформации.

Первичная обмотка обладает активным сопротивление, так что падение напряжения в активном сопротивлении этой обмотки, которое очень мало по сравнению с ЭДС обмотки (I0R1 s1E1).

Уравнение равновесия ЭДС для первичной обмотки можно записать в следующем виде:

U1=-(E1+Es1)+I0R1                                                                                  (2.2)

Практически поток рассеяния много меньше основного потока трансформатора (Fs1<<Fт). Поэтому ЭДС рассеяния также очень мала по сравнению с ЭДС от основного потока (Еs1<<Е1). Если представить ЭДС рассеяния первичной обмотки в виде падения напряжения в индуктивном сопротивлении Х1 этой обмотки, обусловленным потоком рассеяния Fs1, т.е. - Еs1=+jI0X1, то уравнение равновесия ЭДС для первичной обмотки примет следующий вид:

U1= -E1+I6R1+jI0X1=-E1+I0Z1,                                  (2.3)

где Z1 – полное сопротивление первичной обмотки трансформатора.

На рис. 2.4. изображена векторная диограмма трансформатора при х.х. В положительном направлении отложен вектор амплитуды основного магнитного потока Fт. Вследствие потерь в стали магнитопровода ток х.х, возбуждающей магнитное поле; I0 опережает по фазе возбуждаемый им магнитный поток в сердечнике на некоторый угол a, называемый углом магнитного запаздывания. Таким образом, вектор тока х.х. может быть представлен геометрической суммой двух составляющих:

I0=Im+Ih,

где Im – намагничивающий ток, являющийся реактивной составляющей тока х.х., возбуждающей магнитное поле; Ih - активная составляющая тока х.х., расходуемая на потери в стали магнитопровода.

Векторы ЭДС первичной и вторичной обмоток Е1 и Е2 изобразятся повёрнутыми в сторону отставания на p¤2 относительно вектора магнитного потока Фm.

Для определения вектора приложенного напряжения U1 нужно построить геометрическую сумму векторов правой части уравнения равновесия ЭДС (2.3.), строим вектор – Е1, равный и противоположно направленный вектору Е1, из конца вектора – Е1 проводим вектор I0R1, параллельный вектору тока I0 и затем вектор +jI0X1, опережающий вектор тока I0 на p¤2. Геометрическая сумма этих трёх векторов представляет собой вектор приложенного напряжения U1.

Рис.2.4. Векторная диаграмма трансформатора при х.х..

Трансформатор при х.х. может быть представлен эквивалентной схемой, изображённой на рис. 2.5. На этой схеме Z0 – полное сопротивление вносимое стальным сердечником и равное Z0=(R0X0²+jR0²X0)/(R0²+X0²), где R0-ктивное сопротивление, эквивалентное потерям в стали; Х0 – индуктивное сопротивления первичной обмотки, обусловленное магнитным потоком Ф0.

Выше мы установили, что при синусоидальном напряжении первичной обмотки трансформатора основной магнитный поток будет также синусоидален. Если же первичное напряжение несинусоидально, то основной магнитный поток будет также несинусоидальным. Предположим, что к первичной обмотке трансформатора приложено напряжение, кривая изменения во времени которого имеет прямоугольную форму (рис. 2.6,а.). С такой формой кривой напряжения работают, например, трансформаторы в статистических преобразователях.

Рис.2.5. Эквивилентная схема трансформатора при х.х.

Пренебрегая падением напряжения в полном сопротивлении первичной обмотки трансформатора, можно считать, что в любой момент первичное напряжение u1 уравновешивается ЭДС e1, индуктируемой основным магнитным потоком Ф0 в сердечнике трансформатора, т.е. u1=-e1. Таким образом кривая ЭДС e1 имеет прямоугольную форму, являясь зеркальным отображением кривой u1 относительно оси времени.

Во вторичной обмотке трансформатора будет индуктироваться ЭДС e2, изменение во времени которой имееттакже прямоугольную форму. При этом величина (высота прямоугольника)

Рис.2.6. Изменение во авремени напряжения сети (а) и магнитного потока в магнитопроводе (б).

ЭДС e2 может быть больше или меньше величины напряжения первичной обмотки u1 в зависимости от соотношения чисел витков первичной и вторичной обмоток. Можно записать равенство u1=-e1=w1dФ0/dt. Так как в течении половины периода от 0 до t1 напряжение u1 постоянно, то dФ0/dt и постоянно, т.е. в этом интервалее магнитный поток линейно изменяется во времени. В момент t1 напряжение u1 изменит знак и в интервале t1–t2 вновь останется постоянным. Следовательно, также изменит знак и магнитый поток, который начнёт уменьшаться с равномерной скоростью. В интервале t1–t2 вновь возраст магнитный поток и т.д. Изменение магнитного потока Ф0 во времени показано на рис/ 2.6,б сплошной линией. Если материал магнитопровода ненасыщен, то магнитный поток прпорционален намагничивающему току, возбуждающему магнитное поле, так что кривая совпадает с зависимостью Ф0. При насыщении материала магнитопровода изменения магнитного потока вызываются большими изменениями намагничивающего тока и кривая будет иметь вид, показанный на рис/ 2.6,б штриховой линией.

2.3. Рабочий режим трансформатора

При работе трансформатора на какой-либо приёмник электрической энергии по его первичной обмотке протекает ток I1, и уравнение равновесия ЭДС для первичной обмотки примет следующий вид:

U1= -E1+I1R1+jI1Z1=-E1+jI1Z1.                                   (2.4)

Так как падение напряжения в полном сопротивлении первичной обмотки многоменьше ЭДС (I1Z1<<E1), то можно считать, что приложенное напряжение практически уравновешивается ЭДС первичной обмотки, т.е. U1 » -E1. Cледовательно, при неизменном напяжении сети будет практически неизменна ЭДС, а также магнитный поток Фm при любой нагрузке. При х.х. намагничивающая сила I0w1 возбуждает основной магнитный поток трансформатора Фm, который индуктирует в первичной и вторичной обмотках ЭДС Е1 и Е2. Если вторичную обмотку трансформатора замкнуть на какой либо приёмник энергии, то в этой обмотке возникнет ток I2. Магнитодвижущая сила вторичной обмотки I2w2 направлена встречна потоку, её создающему, т.е. МДС вторичной обмотки стремится уменьшить магнитный поток Фm. Но при уменьшении потока уменьшится и Е1, что ведёт к увеличению тока первичной обмотки I1 согласно (2.4). Ток I1 будет увеличиваться до значения, при котором МДС первичной обмотки скомпенсирует размагничивающее действие МДС вторичной обмотки. Таким образом, МДС первичной обмотки создаёт неизменный, практически не зависящий от нагрузки магнитный поток Фm, и компенсирует размагничивающее действие МДС вторичной обмотки трансформатора. Следовательно, можно записать уравнение равновесия магнитодвижущих сил в следующем виде:

I1w1+I2w2 =I0w1 или I1=Iо+(-I¢2),                               (2.5)

где I¢2=I2w2/w1=I2/п – ток вторичной обмотки трансформатора приведённый к первичной.

При построении векторных диаграмм и эквивалентных схем необходимо сравнивать величины, относящиеся к первичной и вторичной обмоткам, которые при коэффициенте трансформации, не равном единице, будут различными. Для удобства построения векторных диаграмм и возможности построения эквивалентных схем вторичную обмотку трансформатора приводит к виткам первичной, т.е. условно полагают, что вместо вторичной обмотки с числом витков w2, имеется обмотка с числом витков w2, равным числу витков первичной обмотки но так, чтобы мощности, потери энергии и фазовые углы между электрическими величинами оставались после приведения трансформатор; неизменными. Во вторичной обмотке трансформатора ЭДС пропорциональна числу витков, следовательно, ЭДС приведённой обмотки Е¢2=E2w1/w2=E1п=E1 напряжение приведенённой обмотки U¢2=nU2.

Приведённое значение вторичного тока найдём из условия постоянства полной мощности, т.е. полная мощность приведённой вторичной обмотки должна оставаться равной полной мощности действительной вторичной обмотки U¢2I¢2=U2I2, откуда I¢2=U2I2/U¢2=I2/n.

Активное сопротивление приведённой вторичной обмотки трансформатора найдём из условия постоянства потерь при приведении этой обмотки, т.е. (I¢2)²R¢2=I2² R2, откуда R¢2=nR2.

Индуктивное сопротивление, так же как и индуктивность, пропорциональна квадрату числа витков, следовательно, индуктивное сопротивление приведённой вторичной обмотки определиться в виде X¢2=n²X2.

На рис 2.7 показана векторная диаграмма для нагрузки активно-индуктивного (а) и активно-ёмкостного (б) характера. В положительном направлении горизонтальной оси изображён векор амплитуды основного потока трансформатора Фт. В сторону опережения относительно вектора Фт на угол aповёрнут вектор тока холостого хода и I0 в сторону отставания относительно вектора Фт на p/2 - векоры ЭДС первичной и приведённой обмоток Е1=Е¢2. В сторону отставания при индуктивном (а) и в сторорону опережения при ёмкостном (б) характере нагрузки на угол y2 повёрнут вектор приведённого вторичного тока I¢2 относительно векора Е2. Напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора при нагрузке найдётся как ЭДС вторичной обмотки минус падение напряжения в активном и индуктивном сопротивлениях этой обмотки, т.е. уравнегние равновесия ЭДС для вторичной обмотки трансформатора имеет следующий вид:

U2=E2–I2R2–jI2X2=E2–I2Z2                                          (2.6)

Или, после приведения вторичной обмотки к виткам первичной, запишем это уравнение в следующем виде:

U2¢=E2¢–I2¢R2¢–jI2¢X2¢=E2¢–I2¢Z2¢.                                     (2.7)

Следовательно, для определения векора напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора при нагрузке из конца вектора ЭДС E2¢ строим вектор - jI2¢X2¢, отстающий от вектора I2¢ на p/2 и за тем вектор – I2¢R2¢, параллельный и противоположно направленнный вектору тока I2¢. геометрическая сумма этих трёх порстроенных векторов согласно (2.7) определит приведённое вторичное напряжение трансформатора.

Для определения тока первичной обмотки нужно согласно уравнению МДС (2.5) построить геометрическую сумму векторов тока х.х. I0 и приведённого тока вторичной обмотки с обратным знаком - I2¢.

Для определения первичного напряжения воспользуемся уравнением (2.4). Строим вектор – Е1, равный и противоподложно направленный векору Е1, из конца которого строим вектор, параллельный вектору тока первичной обмотки, и затем вектор, опережающий вектор I2 на p/2. Геометрическая сумма трёх построенных векторов является вектором приложенного напряжения U1.

Из векторных диаграмм видно, что вторичное напоряжение зависит как от тока нагрузки трансформатора, так и от характера нагрузки, т.е. от угла Y2. при индуктивном характере нагрузки по абсолютному значению вторичное напряжение меньше, чем ЭДС (U2¢<E2¢), т.е. при нагрузке происходит понижение напряжения, при ёмкостном характере нагрузки по абсолютному значению вторичное напряжение больше, чем ЭДС (U2¢<E2¢), т.е. при нагрузке напряжение повышается.

При нагрузке трансформатор может быть представлен эквивалентной схемой, для определения которой введём следующие обозначения: E1=E2¢=-I0Z0 и U2¢=I2¢ZH¢, где ZH¢=n²ZH – сопротивлением нагрузки трансформатора, приведённое к первичной обмотке.

Подставив эти обозначения в (2.7), с учётом (2.5) получим I0=I1(Z2¢+ZH¢)/(Z0+Z2¢+ZH¢). Подставив значения Е1 и I0 в (2.4), получим U1=I1[Z1+(Z2¢+ZH¢)Z0 /(Z0+Z2¢+ZH¢)].

Рис.2.7. Векторная диаграмма трансформатора при нагрузке.

 а – активно-индуктивной, б - активно-ёмкостной.

Таким образом, трансформатор при нагрузке может быть представлен эквивалентным сопротивлением, равным

Zэ=Z1+Z0(Z2¢+ZH¢)/(Z0+Z2¢+ZH¢)                                     (2.8)

Это выражение показывает, что последовательно с полным сопротивлением первичной обмотки включены две параллельные ветви, одна из которых содержит сопротивление Z0, а другая – два последовательно включённых сопротивления Z2¢ и ZH¢. Эквивалентная схема трансформатора при нагрузке изображена на рис 2.8.

Рис.2.8. Эквивалентная схема трансфоорматора при нагрузке.

2.4. Опыт короткого замыкания трансформатора

Короткое замыкание (к.з.) трансформатора в эксплуатационных условиях является аварийным режимом, сопровождающимся очень большими бросками тока, что ведёт к чрезмерному нагреву обмоток трансформатора и созданию больших механических усилий, действующих на проводники обмоток.

Рис.2.9. Трансформатор при опыте к.з.:

а - эквивалегнтная схема;

б - векторная диаграмма.

При опыте к.з. вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко, а к первичной обмотке подводится такое пониженное напряжение, при котором в обмотках трансформатора протекают номинаьные токи. Это напряжение называется напряжением к.з. и измеряется оно в % от номинального, т.е. uk=100Uk/UH и составляет величину порядка uk=5,5-10,5 %.

При столь малом напряжении магнитный поток будет незначителен, следовательно, мал и намагничивающий ток, т. е. потому можно считать, что МДС первичной обмотки трансформатора идёт лишь на компенсацию МДС вторичной обмотки. Таким образом, пренебрегая намагничивающим током, уравнение магнитного равновесия можем записать в следующем виде: I1w1+I2w2=0, откуда  I1=-I¢2.

При опыте к.з. (ZH=0 и I0=0) эквивалентная схема трансформатора примет вид, изображённый на рис. 2.9,а. Из этой схемы видно, что полное сопротивление к.з. трансформатора

Zk=R1+jX1+R¢2+jX¢2=Rk+jXk,

где Rk =R1+R¢2 – активное сопротивление к.з.; Хк=Х1+Х¢2 – индуктивное сопротивление к.з. трансформатора.

При опыте к.з. трансформатора может быть записано следующее выражение: Uk=IZk=IRk+jIXk=Ua+Ux, где Ua и Ux активная и реактивная составляющие напряжения к.з. соответственно. На рис 2.9,б изображена векторная диаграмма трансформатора при опыте к.з. Опыт к.з. трансформатора позволяет определить напряжение к.з, потери в обмотках и сопротивление к.з. трансформатора.

2.5. Определение рабочих свойств трансформатора по данным опытов холостого хода и короткого замыкания

Свойства трансформатора при работе его под нагрузкой могут быть определены непосредственным его испытанием.

Если включить трансформатор на какую-либо нагрузку и изменить её, то по показаниям приборов можно определить, каким образом будет изменяться напряжение на зажимах вторичной обмотки и КПД трансформатора. Однако при испытании трансформатора под нагрузкой происходит большой расход электроэнергии и для создания активной. Индуктивной и ёмкостной нагрузки необходимо громоздкое оборудование (реостаты, индуктивные катушки и конденсаторы).

Все рабочие свойства трансформатора могут быть определены по данным опытов холостого хода (х.х.) и короткого замыкания, для проведения которых требуется сравнительно малая затрата энергии и отпадает надобность в громоздком нагрузочном оборудовании. Кроме того, такое определение рабочих свойств даёт высокую точность.

При опыте х.х. измеряют напряжение первичной и вторичной обмоток U1 и U2, ток холостого хода I0  и потребляемую при ходе мощности Р0. определяют коэффициент трансформации n, потери в стали Рст и сопротивления (полное, активное и реактивное) трансформатора при холостом ходе Z0, R0 и Х0. Эти величины расчитывают по следкующим формулам:

n=U1/U2

Рст=Р0

Z0=U1/I0; R0=U2 ²/Pcm ; X0=U1/ÖI0²–(Pcm/U1)²

При опыте к.з. приборами, включёнными в цепь первичной обмотки, измеряется напряжение к.з. Uk, ток в первичной обмотке, который устанавливается равный номинальному току Iн, и мощности Рк, потребляемая трансформатором при опыте. По данным опыта к.з. определяют потери в проводах обмоток Рпн при номинальном токе, сопротивление (полное, активное и реактивное) трансформатора при к.з. Zk, Rk и Xk, напряжение к.з. Uk, а также активную Uа и реактивную Uх состовляющие напряжения к.з.:

Рпн=Рк;

Zк=U1/Iн ; Rк=Рк /Iн² ; Xк =Zk² – Rk²

^{Uk=100IHZk/UH(%); Ua=100IHRk/UH(%); Uх=100IHХk/UH(%).}

Если опыт к.з. производится при холодном (неработавшем) трансформаторе, то активное и полное сопротивления к.з. следует привести к рабочей температуре, принимаемой 75°С.

При испытании трёхфазного трансформатора все величины определяются для одной фазы, и в приведённых выражениях подставляются фазные значения напряжений и токов, а также мощность для одной фазы.

Процентное понижение вторичного напряжения при любой нагрузке равно Du=b(Uacosj2+Uxsinj2), где b=I2/IH. Напряжение вторичной обмотки при нагрузке U2=U20(I-Du/100), где - напряжение при холостом ходе.

Таким образом, напряжение вторичной обмотки зависит не только от величины, но и от характера нагрузки. На рис. 2.10 показана внешняя характеристика трансформатора при активно-индуктивной и активно-ёмкостной нагрузках. Из этих характеристик видно, что при индуктивном характере нагрузки напряжение понижается, а при ёмкостном характере нагрузки (при достаточно больших фазных сдвигах) происходит повышение напряжения с ростом нагрузки.

Рис.2.10. Внешние характеристики трансформатора.

Коэффициент полезного действия трансформатора

.

где b=I/IH – отношение токпа при выбранноё нагрузке к номинальному; PH - номинальная мощность трансформатора.

Рис. 2.11. Зависимости КПД и потерь от нагрузки трансформатора.

Задаваясь значениями b  и cosj2, можно определить КПД трансформатора при любой нагрузке.

На рис. 2.11 построены зависимости P0, Рп и h от коэффициента нагрузки, откуда видно, что зависимость h=¦(b) имеет максимум. Взяв производную этой зависимости от b и приравняв её к нулю, определим коэффициент загрузки, соответствующий наибольшему значению КПД bт (вторая производная отрицательна). Таким образом,

[bтPHcosj2+P0+b²тPk]-[PHcosj2+2bтPk]bт=0.

Откуда P0 -b²тPk=0 и bт=ÖР0/Рк.

Следоватепльно, наибольший КПД будет при равенстве постоянных и переменных потерь, трансформатора (В и j) можно варьировать соотношение и постоянных переменных потерь и тем самым изменять коэффициент загрузки, соответствующий наибольшему значению КПД. Если трансформатор постоянно работает на номинальную нагрузку, то стремятся получить наибольший КПД при номинальном токе, т.е. bт=1,что является обычным в трансформаторах малой мощности. Если же трансформатор работает в режиме частых и значительных недогрузок (силовые, осветительные и другие трансформаторы), то желательно получить наибольший КПД при нагрузках меньше номинальных, т.е. bт<1.

2.6. Трёхфазные трансформаторы

Трёхфазные трансформаторы изготовляют главным образом стержневыми. Схема построения магнитопровода такого трансформатора изображена на рис. 2.12.

Рис.2.12. Схема построения трёхфазного трансформатора:

а – три однофазных трансформатора, в) стержневого трансформатора.

У тех одинаковых однофазных трансформаторов первичные и вторичные обмотки размещены на одном стержне, а второй стержень магнитопровода каждого трансформатора не имеет обмотки (рис. 2.12,а). если эти три трансформатора расположить так, чтобы стержни, не имеющие обмоток, находились рядом, то эти три стержня можно объединить в один О (рис. 2.12,б). Через объединённый стержень О замкнутся магнитные потоки трёх однофазных трансформаторов, которые равны по величине и сдвинуты по фазе на одну треть периода. Так как сумма трёх равных по амплитуде и сдвинутых по фазе на одну треть периода магнитных потоков равна нулю в любой момент времени, то объединенном стержне магнитного потока не будет и надобность в этом стержне отпадает. Таким образом, для магнитопровода достаточно иметь три стержня, которые по конструктивным соображениям располагаются в одной плоскости (рис. 2.12,в).

На каждом стержне размещают обмотки высшего и низшего напряжения одной фазы. Конструктивно обмотки трехфазных трансформаторов выполняют так же, как и однофазных. Начала фаз обмотки высшего напряжения обозначаются заглавными буквами А,В,С, а их концы – Х,Y,Z. Если обмотки высшего напряжения имеют выведенную нулевую точку, то этот зажим обозначается заглавной буквой О. Зажимы обмотки низшего напряжения обозначаются строчными буквами; a,b,c – начала фаз и x,y,z – концы фаз; о – вывод нулевой точки.

Схемы соединения обмоток трёхфазных трансформаторов и их условные обозначения показаны на рис. 2.13. При соединении обмоток в звезду (рис. 2.13,а) концы (или начала) всех фаз соединяются между собой, образуя нейтральную или нулевую точку, а свободные зажимы трёх фаз подключаются к проводам трёхфазной сети источника или потребителя энергии. При соединении в звезду может быть вывод нулевой точки.

При соединении обмоток трансформатора в треугольник (рис. 2.13,б) начало первой фазы соединяют с концом второй, начало второй фазы – с концом первой. Точки соединения начала одной фазы с концом другой подключают к проводам трёхфазной сети переменного тока.

Помимо двух основных схем (звезда итреугольники), иногда применяют схему соединения в зигзаг (рис. 2.13,б). В этой схеме фаза состоит из двух катушек, находящихся на различных стержнях и соединённых встречно, так что ЭДС фазы обмотки равна геометрической разности ЭДС этих катушек.

Рис.2.13. Схемы соединения обмоток трёхфазного трансформатора (звездой (а), треугольником (б), зигзагом (в)) и их условное обозначение.

Так же как магнтные потоки двух различных стержней, ЭДС катушек, составляющих одну фазу, сдвинуты на 1/3 периода по фазе. Поэтому при одинаковых затратах активных материалов и одинаковых потерях энергии ЭДС фазы при схеме зигзаг будет составлять Ö3/2 ЭДС фазы при схеме звезда или треугольник. Несмотря на неэкономичность схема соединения в зигзагах находит применение в выпрямительных и преобразовательных устройствах. При схеме зигзаг может быть выведена нулевая точка.

Группы треугольных трансформаторов являющихся в РФ стандартными, обозначают значками, приведенными на рис. 2.13, где числитель показывает схему соединения обмотки высшего напряжения, а знаменатель – схему соединения обмотки низшего напряжения, цифра – угол между векорами линейных ЭДС обмоток высшего и низшего напряжений, выраженный числом угловых едениц по 30°.

Так, первое обозначение группы показывает, что обмотки высшего и низшего напряжения сведены в звезду, причём обмотка низшего напряжения имеет выведенную нулевую точку и угол между векторами линейных ЭДС обмоток высшего и низшего напряжения равен 0-30°=0. Группы трёхфазных трансформаторов зависят от схем соединения обмоток, обозначения зажимов фаз обмоток высшего и низшего напряжения и направления намотки обмоток высшего и низшего напряжения одинаково, то их фазные ЭДС совпадают по фазе; если же обмотки имеют встречное направление наиотки, то ЭДС фаз высшего и низшего напряжения находятся в противофазе.

Разделение трёхфазных трансформаторов на группы необходимо для возможности их использования на совместной (параллельной) работе. При включении на параллельную работу трансформаторов различных групп будут возникать токи, много большие номинальных из-за несовпадения по фазе вторичных напряжений этих трансформаторов. В параллельной работе могут быть использованы только трансформаторы одной группы, имеющие одинаковые коэффициенты трансформации и напряжения к.з., а также трансформаторы, номинальные мощности которых не различаются черзмерно.

В стандартных группах обмотки высшего напряжения соединяют в звезду для уменьшения фазной ЭДС, которая окажется в Ö3 раз меньше, чем при соединении в треугольник, так как линейные напряжения для обеих схем одинаковы. Поэтому при соединении в звезду изоляция обмотки высшего напряжения проще и каждая фаза этой обмотки имеет меньшее число витков, чем при соединении в треугольник. Обмотки низшего напряжения преимущественно соединяют в треугольник, так как эта схема значительно менее чувствительна к несимметрии нагрузок, чем схема соединения в звезду. Достоинством схемы “звезда с нулём” является возможность получения двух (фазных и линейных) трёхфазных систем с различными напряжениями при четырёхпроводной сети.

Контрольные вопросы к разделу 2 “Трансформаторы”.

1. Конструкции трансформаторов.

2. Достоинства и недостатки броневолго, стержневого  и тороидлального трансформаторов.

3. Холостой ход торансформатора. Векторная диограмма и эквивалентная схема трансформатора в режиме холостого хода.

4. Опыт холостого хода трансформатора.

5. Рабочий режим трансформатора. Основное упрвление трансформатора.

15 Нагрузочная способность силовых трансформаторов - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

6. Векторная диаграмма трансформатора при активно-индуктивной и активно-ёмкостной нагрузках.

7. Эквивалентная схема трансформатора при нагрузке.

8. Опыт короткого замыкания трансформатора. Эквивалентнвя схема и векторные диаграммы трансформатора при опыте короткого замыкания.

9. Определение рабочих свойств и КПД трансформатора.

10.  Трёхфазные трансформаторы.

11.  Автотрансформаторы.