Режимом называется состояние трансформатора когда вторичная обмотка разомкнута

17. Режимы трансформатора.

В этом режиме вторичная обмотка разомкнута. Переключатель находится в положении 1. Ток потребляемый первичной цепью минимален и называется током холостого хода. Магнитное поле вокруг первичной обмотки называется магнитным полем холостого хода. Этот режим безвреден для трансформатора.

Рис.1.34. Режимы работы трансформатора

Режим нагрузки

Включим переключатель в положение 2, при этом трансформатор из режима холостого хода переходит в режим нагрузки. По вторичной обмотке протекает ток I₂, магнитный поток которого согласно закону Ленца направлен против магнитного поля первичной обмотки Φ. В результате этого магнитный поток Φ в первый момент уменьшается, что вызывает уменьшение э. д. с. самоиндукции Е₁в первичной обмотке трансформатора. Поскольку приложенное напряжение U₁(сети, генератора) при этом остается неизменным, то электрическое равновесие между напряжением и э. д. с. самоиндукции нарушается и происходит увеличение тока в первичной обмотке. Увеличение тока приводит к увеличению магнитного потока, что в свою очередь вызывает увеличение э. д. с. самоиндукции. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не восстановится электрическое равновесие между приложенным напряжением и э. д. с. самоиндукции. Но при этом ток первичной обмотки будет больше, чем при холостом ходе, т. е. суммарный магнитный поток первичной и вторичной обмоток трансформатора в режиме нагрузки равен магнитному потоку первичной обмотки в режиме холостого хода.

В режиме нагрузки, т. е. при появлении вторичного тока, первичный ток возрастает, во вторичной обмотке создается падение напряжения и вторичное напряжение уменьшается. При уменьшении нагрузки, т. е. при уменьшении вторичного тока, размагничивающее действие вторичной обмотки уменьшается, магнитный поток в сердечнике в первый момент возрастает и соответственно возрастает э. д. с. самоиндукции Е₁. Электрическое равновесие между U₁и Е1 нарушается, ток в первичной обмотке уменьшается, При этом происходит уменьшение магнитного потока и э. д. с. самоиндукции. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не восстановится временно нарушенное электрическое равновесие между U₁и Е₁, но при меньшем токе I₁.

Итак, уменьшение тока I₂приводит к уменьшению тока I₁, падение напряжения во вторичной обмотке трансформатора уменьшается и вторичное напряжение возрастает.

Режим короткого замыкания

Включим переключатель в положение 4. Сопротивление вторичной цепи практически будет равным нулю. Ток вторичной цепи будет максимальным, магнитное поле вторичной обмотки будет максимальным. Магнитное поле первичной обмотки уменьшится и станет минимальным, следовательно и индуктивное сопротивление первичной обмотки станет минимальным.Ток потребляемый первичной цепью возрастет до максимума. Такой режим называется режимом короткого замыкания. Этот режим опасен для трансформатора и всей цепи. Для защиты от КЗ устанавливают предохранители в первичной или во вторичной цепи.

Мощность развиваемая в первичной цепи равна произведению U₁·I₁во вторичной цепи U₂·I₂. Трансформатор выигрыша в мощности не дает так как всякое увеличение напряжения с помощью трансформатора сопровождается соответствующим уменьшением тока, т. е. во сколько раз трансформатор увеличит напряжение во столько раз он уменьшит величину тока во вторичной цепи. В понижающем трансформаторе во сколько раз трансформатор уменьшит напряжение во столько раз увеличит величину тока во вторичной цепи.

К. п. д.трансформатораэто отношение вторичной мощности P₂к первичной P₁( полезной мощности к потребляемой) выраженной в %.

η = Р₂/Р₁·100%

Например к. п. д. трансформатора 90% это значит что 90% энергии полученной первичной обмоткой от источника тока переходит во вторичную обмотку и 10% теряется в трансформаторе на активном сопротивлении трансформатора. Наличие потерь приводит к тому, что мощность выделяемая в нагрузке вторичной обмотки трансформатора, всегда меньше мощности, которую потребляет первичная обмотка.

Потери энергии в трансформаторе состоят из потерь в сердечнике и потерь в обмотках. К потерям в сердечнике относятся потери на магнитный гистерезис и потери на вихревые токи. Потери в обмотках обусловлены обычным нагревом обмоток током.

10. Трансформаторы

служащий для преобразования посредством магнитного поля электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока того же или иного напряжения при сохранении частоты тока.

повышающих трансформаторов — силовые трансформаторы (от единиц до нескольких сотен тысяч киловольт-ампер) и

понижающих трансформаторов — трансформаторы малой мощности

A0—300 ВА). Первые используют в сетях распределения электри-

ческой энергии, последние — в разных областях новой техники:

в радиоэлектронике, автоматике, реактивной технике и т. д.

Простейший однофазный трансформатор состоит из стального

сердечника (рис. 3-1) и двух обмоток — первичной с числом вит-

ков w1 и вторичной с числом витков w2.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА

;

Векторная диаграмма идеального трансформатора приведена на рисунке

ХОЛОСТОЙ РЕЖИМ ТРАНСФОРМАТОРА

Режим работы трансформатора, при котором его вторичная обмотка разомкнута, Рис. 1 , называют холостым режимом или холостым

ходом (трансформатор работает без нагрузки).

Именно такой режим работы был рассмотрен в предыдущем параграфе. Однако там мы пренебрегли нелинейностью кривой намагничивания стального сердечника, явлением гистерезиса и токами Фуко, действием потоков рассеяния магнитного поля и активным сопротивлением обмотки.

Нелинейность кривой намагничивания

Нелинейность зависимости первичного тока от магнитного

потока, из-за которой намагничивание сердечника заходит в об-

ласть магнитного насыщения, приводит к тому, что ток в первич-

ной обмотке становится несинусоидальным.

В соответствии с теоремой Фурье всякий периодический несинусоидальный ток может быть представлен бесконечным рядом, состоящим из постоянной

составляющей и суммы переменных составляющих с возрастающими кратными частотами и убывающими амплитудами. Их называют гармоническими составляющими или гармониками;

В зависимости от конкретной задачи такое разложение:

может не иметь постоянной составляющей;

начальные фазы гармоник могут быть равными нулю или отличаться на п;

может иметь только четные или только нечетные гармоники.

Так, несинусоидальный ток, получающийся в результате нелинейности кривой намагничивания сердечника трансформатора, в соответствии с теоремой Фурье может быть представлен в виде суммы двух первых нечетных гармоник (первой и третьей, рис. 3-4) или заменен «эквива-

лентной синусоидой» (см. рис. 3-3). Эквивалентный ток, сдвинутый по фазе относительно приложенного напряжения на —π, поддерживает магнитный поток и является чисто реактивным током. Его называют намагничивающим током .

Гистерезис также влияет на форму тока.

Как известно, в ферромагнетике, подвергнутом циклическому перемагничиванию, магнитный поток связан с током зависимостью, выражаемой петлей гистерезиса. В результате ток i в катушке (рис. 3-5) оказывается несинусоидальным и сдвинутым по фазе относительно потока на некоторый небольшой угол потерь (7°). Этот ток может быть представлен в виде суммы двух токов — намагничивающего тока Iн (реактивный ток) и тока от гистерезиса ir (активный ток). Появление тока Iг понятно из физической сущности явления гистерезиса: на перемагничивание сердечника затрачивается энергия, пропорциональная площади петли гистерезиса. Эта энергия идет на нагревание сердечника. Для уменьшения потерь на гистерезис сердечники электрических машин переменного тока изготавливают из специальной трансформаторной стали.

Вихревые токи, или токи Фуко, возникающие в проводниках, находящихся в переменных магнитных полях, возникают и в сердечниках трансформаторов. Замыкаясь в толще сердечника, эти Рис. 5 токи нагревают их, создавая потери энергии. Поскольку вихревые токи возникают в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока,то для уменьшения этих токов сердечники трансформаторов иабирают из отдельных изолированных друг от друга стальных пластин.

Потоки рассеяния в сердечнике трансформатора создаются той частью магнитного потока, которая замыкается не через магнитопровод, а через воздух в непосредственной близости от витков. Поскольку потоки рас-

сеяния Фр1 (рис. 3-6) замыкаются в основном через воздух, то их можно считать пропорциональными создающим их токам. Потоки рассеяния составляют лишь около 0,25% от основного магнитного потока трансформа-

Активное сопротивление первичной цепи создает потери за счет активного тока, нагревающего обмотку. Для уменьшения этих потерь обмотки машин

выполняют, как правило, из меди.

Для холостого режима трансформатора, с учтем все виды потерь, для первичной обмотки, на основании второго закона Кирхгофа можно составить следующее уравнение :

где ul _ подведенное напряжение; е1 — ЭДС самоиндукции в пер-

вичной обмотке, ер1 —ЭДС от потоков рассеяния.

Перепишем уравнение в векторной форме:

Построим векторную диаграмму:

Для построения в качестве основного возьмем вектор магнитного потока Фо (рис. 3-7). Из-за потерь на гистерезис и на вихревые токи этот поток отстает от создавшего его тока I1 на угол потерь б (5—7°). Кроме того, ток I1 создает еще поток рассеяния Фр1, замыкающийся через воздух и потому совпадающий по фазе с током I1. Поток Фо индуцирует в обмотках трансформатора ЭДС , отстающие от него по фазе на , а поток Фр1 также индуцирует в обмотке ЭДС рассеяния &р1, отстающую от него по фазе на — .

Выполнив геометрическое сложение векторов в соответствии с

уравнением C.8) и соединив концы векторов — ^ и Uu получим

треугольник внутреннего падения напряжения в первичной обмот-

ке, гипотенуза которого Uл = 101гх есть полное падение напряже-

ния в первичной обмотке от тока холостого хода, а катетыи

векторы падений напряжений соответственно на индуктивном и активном сопротивлениях.

Поэтому приложенное к первичной обмотке напряжение U1 уравно-

вешивается в основном ЭДС , тогда

где k — коэффициент трансформации (отношение высшего напряже-

На практике:

Режим холостого хода используется для определения:

коэффициента трансформации k и

потерь в трансформаторе на гистерезис и вихревые токи, на так называемые «потери в стали».

РАБОЧИЙ РЕЖИМ ТРАНСФОРМАТОРА

Режим работы трансформатора, при котором во вторичную

обмотку включена нагрузка, называют рабочим режимом или ре-

Но если во вторичную обмотку включить какую-нибудь нагрузку, в ней появится ток /2, возбуждающий в том же сердечнике свой магнитный поток Ф2 (рис. 3-8), размагничивающе действующий на сердечник (в

соответствии с законом Ленца).

Построим векторную диаграмму нагруженного трансформатора.

Построение начнем с основного магнитного потока в сердечнике Фо (рис 3-9). Он остается практически неизменным в процессе работы и отстает от тока холостого хода /01 на угол потерь на гистерезис δ (5—7°).

Характером и значением нагрузки во вторичной обмотке опреде-

ляется значение вторичного тока /2 и угол φ 2.

Для нахождения длины и положения вектора тока в первичной

обмотке 1г надо вектор тока холостого хода /01 сложить с век-

тором некоторого добавочного тока / 2 в этой же обмотке, обусло-

вленного нагрузкой трансформатора .

Вторичный ток î2 создает некоторый небольшой поток рассея-

ния Фр2, совпадающий с ним по фазе. Поток Фр2, в свою очередь,

индуцирует ЭДС рассеяния Εр2, отстающую от него по фазе на — π/2.

Ток î2 на индуктивном сопротивлении xL2 создает падение напряже-

Так как вторичная обмотка сама является источником тока, то

уравнение электрического равновесия для этой обмотки будет

2 Режимы работы трансформатора

1) номинальный режим работы – при номинальных значениях напряжения и токапервичной обмотки трансформатора;

2) рабочий режим, при котором напряжение первичной обмотки близко к номинальному , а токI₁ определяется нагрузкой трансформатора;

3) режим холостого хода – режим ненагруженного трансформатора, при котором цепь вторичной обмотки разомкнута (I₂=0) или подключена к приемнику с очень большим сопротивлением нагрузки (вольтметр);

4) режим короткого замыкания – режим трансформатора, при котором его вторичная обмотка замкнута накоротко (U₂=0) или подключена к приемнику с очень малым сопротивлением нагрузки (амперметр).

Режимы холостого хода и короткого замыкания возникают при авариях или их специально создают при опытных испытаниях трансформатора.

2.1 Режим нагрузки

В этом режиме напряжение первичной обмотки близко к номинальному , ток первичной обмоткиI₁ определяется нагрузкой трансформатора, а ток вторичной обмотки ее номинальным током .

По данным измерений аналитически определяют коэффициенты мощности и полезного действия трансформатора соответственно по формулам

и , (21)

где Р₁ – активная мощность первичной обмотки трансформатора, а мощность Р₂, которая отдается в цепь питания вторичной обмоткой трансформатора определяется как Р₂=Р₁— Р_ХХ-Р_КЗ.

Изменением (потерей) напряжения трансформатора называется арифметическая разность между вторичным напряжением трансформатора при холостом ходе и напряжением вторичной обмотки в режиме нагрузки

∆U= U_2ХХ— U₂.

Или в процентном выражении ∆U,%=. (22)

2.2 Опыт холостого хода

Для проведения опыта собирают электрическую цепь, в которой подводимое к первичной обмотке трансформатора напряжение изменяют в пределах от 0 до 1,1. Вторичная обмотка разомкнута, к ее зажимам присоединен вольтметр для измерения напряжения . Со стороны первичной обмотки измеряют напряжение, ток холостого ходаи мощность, которую потребляет трансформатор в режиме холостого хода .

По данным измерений можно построить зависимости и(рисунок 16).

Номинальные величины тока холостого хода и потерь мощности указываются в паспортных данных трансформатора (I_XX в процентах от номинального тока первичной обмотки, а потери холостого хода – в киловаттах). Значение этих параметров характеризует качество стали и сборки магнитопровода. В трансформаторах малой мощности I_ХХ ≤10%I_1НОМ , а у трансформаторов большой мощности он уменьшается до (2,5-3)%.

Рисунок 16 – Характеристики холостого хода

На основании этого опыта по показаниям измерительных приборов определяют коэффициент трансформации и мощности потерь в магнитопроводе трансформатора. Так как при холостом ходе ток, то потери мощности, затрачиваемые на нагрев обмоток, малы. МощностьР_ХХ, потребляемая в этом случае трансформатором идет на покрытие потерь в стали магнитопровода (они пропорциональны квадрату напряжения ).

Коэффициент мощности холостого хода трансформатора определяется

. (23)

Всё об энергетике

Трансформатор, как любое электромагнитное устройство, имеет несколько устойчивых режимов, в которых может (и должен) работать неограниченно долго.

Режимы работы трансформатора

Существует пять характерных режимов работы трансформатора:

Рабочий режим;
Номинальный режим;
Оптимальный режим;
Режим холостого хода;
Режим короткого замыкания;

Рабочий режим

Режим характеризуется следующими признаками:

Напряжение первичной обмотки близко к номинальному значению или равно ему \(\dot_1 ≈ \dot_\);
Ток первичной обмотки меньше своего номинального значения или равен ему \(\dot_1 ≤ \dot_1ном\).

В рабочем режиме эксплуатируются большинство трансформаторов. Например, силовые трансформаторы работают с напряжениями и токами обмоток отличными от номинальных. Так происходит из-за переменчивого характера их нагрузки.

Измерительные, импульсные, сварочные, разделительные, выпрямительные, вольтодобавочные и другие трансформаторы, также обычно эксплуатируются в рабочем режиме просто из-за того, что напряжение сети к которой они подключены отличается от номинального.

Номинальный режим работы

Характерные признаки режима:

Напряжение первичной обмотки равно номинальному \(\dot_1 = \dot_\);
Ток первичной обмотки равен номинальному \(\dot_1 = \dot_\).

Номинальный режим работы является частным случаем рабочего режима. В таком режиме могут работать все трансформаторы, но как правило, с б&#243льшими в сравнении с рабочим режимом потерями и как следствие, с меньшим КПД (коэффициентом полезного действия). Из-за этого при эксплуатации трансформатора его избегают.

Оптимальный режим работы

Режим характеризуется условием:

Где \(P_\) — потери холостого хода;
\(P_\) — потери короткого замыкания;
\(k_\) — коэффициент нагрузки трансформатора, определяемый по формуле:

Где \(P_2\) — ток нагрузки вторичной обмотки;
\(P_\) — номинальный ток вторичной обмотки.

В оптимальном режиме работы трансформатор работает с максимальным КПД, поэтому выражение (1) по существу представляет собой условие максимального КПД [2, с.308] (Смотри «Трансформаторы. Оптимальный режим работы»).

Режим холостого хода

Характерные признаки режима:

Вторичная обмотка трансформатора разомкнута или к ней подключена нагрузка с сопротивлением гораздо большим сопротивления номинальной нагрузки обмотки (1) трансформатора;
К первичной обмотке приложено напряжение \(\dot_ = \dot_\);
Ток вторичной обмотки \(\dot_2 ≈ 0\) (для трехфазного трансформатора — \(\dot_ ≈ \dot_ ≈ 0\).

На рисунке 1 изображена схема опыта холостого хода однофазного, а на рисунке 2 — трехфазного двухобмоточных трансформаторов.

Рисунок 1 — Схема опыта холостого хода однофазного двухобмоточного трансформатора

Рисунок 2 — Схема опыта холостого хода трехфазного двухобмоточного трансформатора

По существу в режиме холостого хода трансформатор представляет собой катушку на магнитопроводе, к которой подключен источник напряжения. Режим холостого хода является рабочим для трансформаторов напряжения. Кроме того, этот режим служит для определения тока \(i_х\), мощности \(ΔQ_хх\) холостого хода и ряда других параметров [2, c. 291][3, с. 207] (смотри «Опыт холостого хода трансформатора»).

Примечание:

Под сопротивлением номинальной нагрузки обмотки понимается величина \(R_\), равная отношению номинального напряжения обмотки \(U_\) к её номинальному току обмотки \(I_\)

Режим короткого замыкания

Режим короткого замыкания характеризуется:

Вторичная обмотка замкнута накоротко или к ней подключена нагрузка сопротивлением гораздо меньшим внутреннего сопротивления трансформатора;
К первичной обмотке приложена такая величина напряжения \(\dot_1\), что ток первичной обмотки равен её номинальному току \(\dot_1 = \dot_\)
Напряжение вторичной обмотки \(\dot_2 = 0\) (для трехфазного трансформатора — \(\dot_ = \dot_ = 0\).

Схема опыта короткого замыкания изображена на рисунке 3 для однофазного, а на рисунке 4 — для трехфазного двухобмоточных трансформаторов.

Рисунок 3 — Схема опыта короткого замыкания однофазного двухобмоточного трансформатора

Рисунок 4 — Схема опыта короткого замыкания трехфазного двухобмоточного трансформатора

Режим короткого замыкания является рабочим режимом для трансформаторов тока и сварочных трансформаторов, в тоже время являясь аварийным для других трансформаторов. Также он используется для определения напряжения \(u_к\), мощности \(ΔP_кз\) короткого замыкания и других параметров трансформатора [2, c. 294][3, с. 209] (смотри «Опыт короткого замыкания трансформатора»).

Список использованных источников

Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники: учебник / Л.А. Бессонов — Москва: Высшая школа, 1996 — 623 с.
Вольдек, А.И. Электрические машины: учебник для студентов вузов / А.И. Вольдек — СПб.: Энергия, 1978 — 832 с.
Касаткин А.С. Электротехника: учебное пособие для вузов / А.С. Касаткин, М.В. Немцов — Москва: Энергоатомиздат, 1995 — 240 с.

Статьи схожей тематики

Климатическое исполнение, категория установки. Климатические факторы. Расшифровка обозначений
Идеальный трансформатор. Уравнения работы
Трансформаторы, автотрансформаторы. Виды, назначение, особенности
Трансформаторы. Расшифровка наименований. Примеры