РАБОТА ТРАНСФОРМАТОРА ПРИ НАГРУЗКЕ




 

Работа трансформатора при нагрузке характеризуется нали­чием тока i2 во вторичной обмотке, изменение которого вызывает изменение тока i1 в первичной обмотке, поскольку первичная обмотка электромагнитно связана со вторичной (рнс.1.13).

Токи i1 и i2 создают первичную и вторичную МДС F1=i1∙ω1 и F2=i2∙ω2, совместным действием которых создается магнитное поле

       
   
 

 

 

Рис. 1.13 Действительные значения МДС обмоток трансформатора (а) н частичные системы МДС с вызываемыми ими полями (б, в)

 

трансформатора. С целью упрощения анализа электромагнитных процессов, происходящих в трансформаторе при нагрузке, магнит­ное поле как и при исследовании холостого хода, представим в виде иналожения двух полей: основного поля, или поля взаимной индукции и поля рассеивания или поля самоиндукции.

Для этого представим сумму МДС первичной и вторичной обмоток F1+F2 как МДС Fo некоторого намагничивающего тока, про­текающего по первичной обмотке:

(1.24)

Из (1.24)следует

i1 = io-i2*w2/w1 (1.25)

 

т. е. первичный ток трансформатора при нагрузке имеет как бы две
составляющие: намагничивающий ток io и ток i2*ω2/ ω1 обуслов­ленный нагрузкой. При холостом ходе, т. е. при i2=0, весь первич­ный ток i1= iо является намагничивающим. При нагрузке намагничивающее действие первичного тока i1 компенсируется составляющей,- i2*ω2/ ω1 вторичного тока i2. _
Теперь МДС первичной обмотки i1* ω1 можно представить в виде
суммы МДС iо* ω1 и МДС – i2* ω2

i1∙ ω1= io∙ ω1+(- i2∙ ω2)

 

МДС первичной обмотки iоω1 создает как основное магнитное поле (поле взаимной индукции), поток Ф которого замыкается по магнитопроводу трансформатора (рис. 1.13) и индуцирует в его первичной и вторичной обмотках ЭДС е1 и е2, так и поле рассеяния, поток Фσо которого замыкается в основном вне магнитопровода (рис. 1.13) и индуцирует в первичной обмотке ЭДС еσо.

Поток рассеяния Фs трансформатора целесообразно представить в виде суммы двух потоков, один из которых, Фs1, сцеплен только с витками первичной обмотки, а другой, Фs2, сцеплен только с витками вторичной обмотки (рис. 1.13),. Отметим, что чем ближе располагаются друг к другу первичная и вторичная обмотки, тем меньше поток рассеяния Фs. В пределе, если вообра­зить первичную и вторичную обмотки совмещенными, поток рас­сеяния Фs =0, поскольку МДС обмоток полностью компенсируют друг друга. Потоки рассеяния первичной Фs1 и вторичной Фs2 обмоток индуцируют в них ЭДС еs1 и еs2.

Таким образом, магнитное поле рассеяния в трансформаторе при нагрузке можно представить в виде двух полей: поля рассеяния, линии которого сцеплены только с первичной обмоткой и обра­зуют с ней потокосцеплення ys0 ,от тока i1-i0 и поля рассеяния линии которого сцеплены только со вторичной обмоткой и образуют с ней потокосцепления ys2 от тока i2. Так как потоки рассеяния Фs0, Фs1 и Фs2 замыкаются в основном в немаг­нитной среде, магнитная проницаемость которой m= const, то потокосцепления ys0 , ys1 и ys2 пропорциональны соответственно образующим их токам i0, i1-i0, i2. Следовательно,. индуктивности рассеяния обмоток, определяемые

Ls0=ys0/i0

Ls1=ys1/(i1- i0) (1.26)

Ls2=ys2/i2

 

являются постоянными для данного трансформатора параметрами, зависящими только от размеров немагнитных промежутков и чисел витков в обмотках.

Пренебрегая различием между Ls0 и Ls1 и предположив, что Ls0< Ls1 , запишем выражение для полного потокосцепления рассеяния первичной обмотки

ys0+ys1= Ls0i0+ Ls1(i1- i0)» Ls1i1»ys1

Уравнения напряжений для первичной и вторичной обмоток трансформатора при нагрузке согласно второму закону Кирхгофа имеют вид

u1+e1+es1= r1i1

e2+es2= r2i2+u2 (1.27)

 

В силовых трансформаторах при номинальном токе нагрузки падение напряжения в первичной обмотке не превышает 2—5% от U1 ном. Вследствие этого без большой погрешности можно принятьU1»E1=4.44f1w1Фm и считать, что при изменении тока нагрузки трансформатора от нуля до номинального значения основной маг­нитный поток Ф остается практически неизменным. Поэтому ЭДС е1 и e2 при нагрузке выражают через магнитный поток Ф, как и при холостом ходе, соответственно по (1.7) и (1.8).

ЭДС es1 и es2 индуцируются потоками рассеяния Фs1 и Фs2, ко­торые пропорциональны соответственно токам первичной i1 и вто­ричной i2 обмоток:

es1=-w1s1/dt=-dys1/dt=Ls1di1/dt

es2=-w2s2/dt=-dys2/dt=Ls1di2/dt (1.28)

Подставляя (1.7), (1.8) и (1.28) в (1.27), получим:

u1= dy10/dt+ Ls1di2/dt+i1r1= dy1/dt+ i1r1

u2= -dy20/dt- Ls2di2/dt-i2r2= dy2/dt- i2r2 (1.29)

где y1=y10+ys1= Фw1+ Фs1w1 и y2=y20+ys2= Фw2+ Фs2w2 — пол­ные потокосцеплеиия соответственно первичной и вторичной об­моток.

При постоянной магнитной проницаемости стали магнитопровода, т. е. без учета его насыщения, для потокосцеплений первичной y1 и вторичной y2 обмоток запишем:

y1=L1i1+M12i2

y2=L2i2+M21i1 (1.30)

где L1 и L2— полные индуктивности первичной и вторичной обмо­ток, соответствующие всему сцепленному с данной обмоткой потоку; M12= M21=M- взаимные индуктивности обмоток.

 

Подставляя (1.30) в (1.29), получим

u1=L1di1/dt+Mdi2/d t+i1r1 (1.31)

u2= -L2di2/d t-Mdi1/d t-i2r2

Уравнения (1.31) получили название дифференциальных урав­нений трансформатора. Они широко используются при исследова­нии переходных процессов, но неудобны для исследования рабоче­го процесса трансформатора в установившемся режиме. Для приведения этих уравнений к виду, удобному для анализа устано­вившихся процессов, для токов i1 и i2 , согласно (1.25), запишем

i1=i0-i2w2/w1 , i2=i0w1/w2 -i1w1/w2

Подставив эти выражения в (1.31), получим

u1=(L1-Mw1/w2) di1/dt+ Mw1/w2di0/dt+i1r1

u2=(L2-Mw2/w1) di2/dt- Mdi0/dt-i2r2

или

u1=k12Mdi0/dt+ Ls1di1/dt+i1r1

u2=-Mdi0/dt- Ls2di2/dt-i2r2

где k12=w1/w2 — коэффициент трансформации; Ls1= L1- Mw1/w2 и Ls2= L2- Mw2/w1 индуктивности рассеяния первичной и вторич­ной обмоток.

При синусоидальных напряжениях и токах, учитывая равенства

wLs1= w(L1- k12M)=x1

wk12M=x0 , r1+jx1= Z1

wLs1= w(L1- k21M)=x2 , r2+jx2= Z2

получим систему комплексных уравнений, характеризующих рабо­ту трансформатора при нагрузке:

(1.32)

Здесь

При насыщении магнитопровода намагничивающий ток i0 будет несинусоидальным. Как и при исследовании холостого хода, несинусоидальный ток i0 может быть заменен эквивалентным синусоидальным намагничивающим током с действующим значением активная составляющая которого связана с потеря­ми в стали магнитопровода. Эта замена позволяет записать урав­нения МДС (1.24) в комплексной форме:

(1.33)
а ЭДС первичной и вторичной обмоток — в виде

(1.34)

где Z0=r0+jx0 — комплексный коэффициент пропорциональности между током и ЭДС (см. § 1.4).

Если через Рн обозначить магнитные потери в стали магнитопровода от вихревых токов и гистерезиса, то

Pm=E1 ∙Ioa=Io2 r0

откуда r0=Pm/ Io2 — коэффициент пропорциональности между по­терями р стали магнитопровода и квадратом намагничивающего тока (см. § 1.4).

Таким образом, учитывая потери в стали, систему уравнений в комплексной форме при работе трансформатора под нагрузкой за­пишем в виде

 

 

 

Показать в формульном редакторе (1.35)

 

Уравнения (1.35) можно представить на комплексной плоскости в виде векторной диаграммы. Однако так как числовые значения первичных и вторичных напряжений и токов сильно отличаются друг от друга, то изображение их на векторной диаграмме в одном масштабе весьма неудобно. Кроме, того, непосредственное сумми­рование ЭДС или токов двух несоединенных электрических цепей, какими являются первичная и вторичная обмотки трансформатора, не представляется возможным из-за разного числа витков. Эти затруднения устраняются тем, что обмотки трансформатора приво­дят к одинаковому числу витков, либо к числу витков первичной обмотки, либо к числу витков вторичной обмотки. Обычно приводят вторичную обмотку к первичной.

Физический смысл приведения состоит в том, что вторичная обмотка с числом витков w2 заменяется обмоткой, у которой число витков w2= w1. При этом все параметры вторичной обмотки приводятся к числу витков первичной обмотки таким образом, чтобы физические процессы в приведенном трансформаторе оставались такими же, как в реальном. Все параметры, относящиеся к приве­денной вторичной обмотке, обозначают теми же символами, что и действительные, но со штрихом сверху: E'2, I'2, r'2, x'2, и т. д.

Для приведения вторичной обмотки трансформатора к первич­ной необходимо обеспечить:

1) равенство МДС приведенной и реальной вторичной обмотки:

I'2w`2= I2w2,откуда I2= I2w2/w1 =I2/k12,

2) равенство электромагнитных мощностей приведенной и ре­альной обмоток: E'2w`2= E2w2 откуда E'2= E2I2/ I'2=k12E2 , аналогично, из равенства полных мощностей U'2I`2= U2I2 получим U'2=k12U2

3) равенство потерь: I'22 r`2= I22 r2, откуда r`2=k212r2;

4) равенство углов между токами и ЭДС y=arcig(x/r): x'2/ r`2= x2/ r2 откуда x'2= k212 x2

С учетом сделанных преобразований запишем комплексные уравнения для приведенного трансформатора:

 

 

Показать в формульном редакторе

 

(1.36)

 

 

Векторные диаграммы, соответствующие (1.36), приведены на рис. 1.14.

Последовательность построения диаграммы зависит от того, какими параметрами задан режим работы трансформатора и значе­ния каких величин требуется найти путем графических построений.

Из приведенных на рис. 1.14 векторных диаграмм нетрудно заметить, что при постоянном первичном напряжении U1=const любое изменение тока нагрузки I`2 приводит не только к изменению первичного тока I1, но и к соответствующему изменению вторичного напряжения U2`. Так, при активной и активно-индуктивной нагрузках (рис. 1.14, а, б) увеличение тока I`2 вызовет некоторое уменьшение U2, а при активно-емкостной нагрузке (рис. 1.14, в)— некоторое его увеличение. Векторные диаграммы позволяют также рассмотреть процесс преобразования энергии в трансформаторе, который, как известно, в целях переменного тока ха­рактеризуется активной и реактивной мощностями.

Рассмотрим процесс преобразования активной мощности, потребляемой первичной обмоткой трансформатора из сети и определяемой по формуле

 

P1=U1I1cosj1

Заменим проекцию вектора напряжения U1 на вектор тока I1 суммой проек­ций вектора ЭДС E1 и вектора падения напряжения i1r1 (рис.1.14):

P1=(U1cosj1)i1=(E1cosy1+i1r1)I1=E1i1 cosy1+i12r1

где I12r1=P01— электрические потери в первичной обмотке; E1i1 cosy1 — мощность, передающаяся магнитному полю трансформатора. Если заменить проекцию тока I1 на направление ЭДС E1, то

E1I1 cosy1= E1I0 cosy0+ E1I2/ cosy2

 

 

 
 

 

Рис. 1.14. Векторные диаграммы трансформатора:

а —при активной нагрузке; б — при актнвно-индуктивной нагрузке;
в —при активно-емкостной нагрузке

 

Здесь E1I0 cosy0=E1Ioa=Pм— потери в стали трансформатора; E1I2cosy2=Pэм—электромагнитная мощность, которая передается электромагнитный пу­тем из первичной обмотки во вторичную.

Диаграмма преобразования активной мощности в трансформаторе представлена на

рис. 1.15, а.

Аналогично рассмотрим преобразование реактивной мощности в трансформаторе.

Реактивная мощность, поступающая в первичную обмотку,

Q1=(U1sinj1)I1=(E1 siny1+I1x1)I1=E1I1 siny1+Qs1

Здесь Qs1=I21r1—реактивная мощность для образования магнитного поля рассеяния первичной обмотки

 

Диаграмма преобразования реактив­ной мощности в трансформаторе пред­ставлена на рис. 1.15,б,.

Рис. 1.15. Диаграмма преобразована активной (а) и реактивной (б) мощностеи в трансформаторе

Напомним, что реактивная мощность
считается положительной (Q>0) при
отстающей от напряжения реактивной
составляющей тока и отрицательтой
(Q<0) при опережающей реактивной
составляющей тока. Тогда, при активно- емкостной нагрузке трансформатора Q2<0 и при Q1<0 реактивная мощность передается из вторичной обмотки в первичную. Если же Q1>0, то реактивная мощность потребляется трансформато­ром одновременно из первичной и вторичной цепей и идет на намагничивание магннтопровода.

 

СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ

Расчет характеристик транс­форматора в различных режимах

удобно производить с помощью электрической схемы замещения, в которой электромагнитные связи между первичной и вторичной обмотками заменяются на чисто электрические.

Действительно, если вторичную обмотку трансформатора привести к первичной, что в математическом отношении соответствует переходу от исходных реальных переменных

к новым (приведенным) переменным то все электрические величины параметры обмоток трансформатора будут приведены к одному (первичному) напряжению и трансформатор с его двумя электрически не соединенными, но магнитно связанными обмотками может быть представлен в виде одной электрической цепи (схемы замещения).

Эквивалентное сопротивление схемы замещения определим из системы уравнений (1.36). С учетом (1.36) и
шем уравнения (1.36J в следующем виде:

(1,37)

(1,38)

(1,39)

Подставив в (1.38) значение из (1.39), найдем (1.40)

Подставив (1.40) в (1.37), получим

Сопротивлению соответствует схема, представленная на рис. 1.16,а, которая называется Т-образной схемой замещения трансформатора.

рис. 1.16. Электрическая схема замещения трансформатора: а —с последовательным соединением активного в индуктивного сопротивлений намаг­ничивающего контура; б —с параллельным соединением активного в индуктивного со­противлений намагничивающего контура

В схеме замещения:

— активные сопротивления первичной и приведенной вторичной обмоток; — индуктивные сопротивления первичной и приведенной вторичной обмоток, обусловленные потоками рассеяния; —полное сопротивление намагничивающего контура.

Ток протекая по намагничивающему контуру, создает поток Ф взаимной индукции, сцепленный с первичной и вторичной обмотками и индуци­рующий в каждой из них ЭДС ; x0 — индуктивное сопротивление намаг­ничивающего контура; r0 —активное сопротивление намагничивающего контура.

В отличие от сопротивления сопротивлениеr0„ не имеет никакой связи ни с активным сопротивлением проводниковых материалов, ни с магнитным со­противлением среды. Это коэффициент пропорциональности между Р0 и .

В схеме замещения сопротивления принимаются по­стоянными, а сопротивление задается условием работы. При U1=const ЭДС изменяется мало, так как . Вследствие этого насыщение магнитопровода меняется так же ма­ло и можно приближенно считать, что = const. Потери в стали магнитопровода, равны

, при r0=const пропорциональны ,а следовательно, пропорциональны Ф2 или В2.

 

Параметры схемы замещения можно определить расчетным или опытным путем. Для опытного определения пара­метров схемы замещения проводят исследование режимов холостого хода и короткого замыкания трансформатора.

При опыте холостого хода вторичная обмотка разомкнута, а к первичной подводится регулируемое напряжение в пределах (0,2-1,2) U1ном (рис. 1.17). Построенные по данным измерения зависимости , и (рис, 1.18)
называют характеристиками холостого хода и объясняют следую­щим образом.

Рис. 1.17. Схема проведения опыта хо­
лостого хода и короткого замыкания
трансформатора

 

Кривая практически повторяет кривую намагничива­ния стали магнитопровода (см. рис. 1.6), так как Ф~U1 и намагничивающая (реактивная) составляющая тока I0 пропорциональна напряженности поля. Поэтому нелинейная зависимость, тока хо­лостого хода трансформатора от напряжения обусловлена насыщением стали магнитопровода.

Кривая зависимости близка к параболе, поскольку Р0~U12.

Коэффициент мощности с увеличением напряжения па­дает, так как при насыщении стали магнитопровода растет реак­тивная мощность.

По кривым на рис. 1.18 при U1=U1ном определяют значения I0 и Р0.

Расчетом находят эквивалентные входные параметры схемы замещения трансформатора при холостом ходе (рис. 1.19,а):

(1.42)

Из схемы замещения

 

Рис. 1.18. Характеристики холостого хода Рис. 1.19. Схемы замещения трансформатора при холостом ходе (а) и трансформатора коротком замыка­нии (б)

 

В трансформаторах Z0>>Z1, r0>>r1, x0>>x1. В результате можно счи­тать, что

(1.43)

Таким образом, из опыта холостого Хода определяют парамет­ры намагничивающего контура схемы замещения трансформатора.

При опыте холостого хода также определяют коэффициент трансформации:

k =

Выражение (1.43) показывает, что практически вся активная мощность, потребляемая из сети при холостом ходе, расходуется на потери в магнитопроводе трансформатора. Действительно, электрические потери в первичной обмотке при холостом ходе

относительно невелики, так как ток Iо при U1ном у силовых транс­форматоров не превышает 0,35-8% от Iн (см. табл. 11.5—11.7). В то же время потери Р0 определяются при U1=U1ном a Р0~U12 Следовательно, основными потерями при холостом ходе трансформатора являются потери в стали магнитопровода.

В современных силовых трансформаторах мощностью 10—1000000 кВ-А потери холостого хода составляют 1,5—0,05% и оказывают существенное влияние на значение годового КПД трансформатора, особенно работающего с сезонной нагрузкой. Это объясняется тем, что потери холостого хода, как будет показано в § 1.6, практически не зависят от нагрузки и имеют место все время, пока трансформатор включен в сеть, /

При опыте короткого замыкания вторичная обмотка замкнута накоротко, а к первичной через регулятор подводится пониженное напряжение, при котором токи в обмотках не превышают (1 + 1,2) Iном.

Если при замкнутой накоротко вторичной обмотке к первичнои подвести номинальное напряжение, то токи в обмотках во много раз превысят номинальные значения, резко возрастут действующие на обмотки электродинамические силы, а также потери в обмотках, в результате чего обмотки трансформатора могут быть разрушены. Таким образом, в реальных условиях эксплуатации режим корот­кого замыкания является аварийным.

Если же режим короткого замыкания создать при пониженном первичном напряжении, то он может быть использован, так же как и режим холостого хода, для исследования трансформатора.

С этой целью опыт короткого замыкания проводят при пони­женном напряжении. Его изменяют от нуля до значения, при кото­ром токи в обмотках становятся равными номинальным. Схема опыта приведена на рис. 1.17 (ключ К замкнут).

Построенные по данным опыта

зависимости , и

Рис. 1.20. Характеристики ко­роткого замыкания трансформа­тора

называют характери­стиками короткого замыкания и по­казаны на рис. 1.20. Они объясня­ются следующим образом. Так как опыт проводится при пониженном напряжении, то магнитопровод нена­сыщен и параметры схемы замещения постоянны. Поэтому зависи­мость будет линейна,,а —постоянным, — парабола.

Намагничивающий ток при опы­те короткого замыкания мал, так как U1= (0,02-7-0,1)U1ном, и им можно пренебречь. Тогда схема за­мещения при опыте короткого замыкания принимает вид, показан­ный на рис. 1.19,6.

Мощность, измеряемая ваттметром, при опыте короткого замы­кания в основном учитывает потери в металле обмоток:

откуда активное сопротивление , полное сопротивление обмоток zk^uk/i* индуктивное сопротивление , коэффициент мощности при коротком замыкании

 

Сопротивления r1 и r'2, х1 и x'2 отдельно опытным путем не определяются, но для силовых трансформаторов можно принять

.

При опыте короткого замыкания определяется весьма важная для эксплуатации трансформаторов величина — напряжение ко­роткого замыкания Uk. Под Uk понимают такое напряжение, которое необходимо подать на, одну из обмоток трансформатора при замкнутой другой, чтобы по обмоткам протекали номинальные токи. Напряжение короткого замыкания принято выражать в процентах от номинального напряжения:

100%.

В современных силовых трансформаторах uk=4,5-14,5% и имеет важное значение для оценки их эксплуатационных свойств. Оно оказывает непосредственное влияние на изменение вторичного напряжения трансформатора (см. § 1.6), определяет значение ударного и установившегося токов при коротком замыкании транс­форматора при номинальном напряжении (см. § 5.8) и в значи­тельной степени определяет распределение нагрузки между парал­лельно работающими трансформаторами (см. § 1.9). Большее uk вызывает большие колебания вторичного напряжения, но сильнее ограничивает токи короткого замыкания. Для силовых трансфор­маторов значения uk стандартизованы. Соответствующие данные приведены в табл. 11.5—11.10.

При коротком замыкании трансформатор описывается следую­щими уравнениями:

(1-44)

Учитывая, что , преобразуем первое уравнение (1.44) и подставим в него уравнение токов:

(1.45)

Уравнению (1.45) соответствует векторная диаграмма в режиме короткого замыкания (рис. 1.21), которую также называют тре­угольником короткого замыкания. При номинальном токе гипоте­нузой этого треугольника является напряжение короткого замыка­ния Uk, а катетами — активная и реактивная составляющие этого напряжения. Составляющие напряжения короткого замыкания так­же выражают в процентах от номинального напряжения:

(1.46)

 

 

Составляющую uka можно определить и по каталожным данным трансформатора, умножив числитель и знаменатель (1.46) на Iном:

 

 

Рис. 1.21. Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании

 

 

Из (1.48) нетрудно заметить, что по uka можно судить о процентном значении электрических потерь в обмотках трансформатора или потерь короткого замыка­ния при номинальных токах.

Потеря короткого замыкания Pk, как и потери холостого хода P0 , определя ют КПД трансформатора (см. § 1.6) и поэтому имеют важное эксплуатационное значение. В современных силовых трансформаторах Pk/P0= 2,5-3-6, причем мень­шее значение относится к трансформаторам большей мощности.

 

Уравнение (1.45) и векторная диаграмма (рис. 1.21) показы­вают, что Uk является функцией параметров трансформатора. Так, более мощные трансформаторы, имеющие, как правили, более высокие напряжения по сравнению с трансформаторами средних

мощностей, имеют и более высокое значение напряжения uk, как при увеличении мощности и напряжения увеличиваются размеры обмоток и изоляционные расстояния между ними, что ведет к увеличению потоков рассеяния, а следовательно, и параметров схемы замещения х1 и .

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-04-14 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: