Работа трансформатора под нагрузкой
В режиме нагрузки, в отличие от режима холостого хода, к вторичной обмотке трансформатора присоединяется потребитель электрической энергии. Таким образом, электрические цепи первичной и вторичной обмоток оказываются замкнутыми и в обоих обмотках протекаютпеременные токи. Переменные токи создают магнитодвижущие силы первичной и вторичной обмоток трансформатора. Амплитуды магнитодвижущих сил первичной и вторичной обмоток почти одинаковы. Амплитуда магнитодвижущей силы первичной обмотки всего на несколько процентов больше амплитуды магнитодвижущей силы вторичной обмотки.
Магнитодвижущая сила вторичной обмотки направлена таким образом, что почти полностью компенсирует магнитодвижущую силу первичной обмотки. Амплитуда суммарной магнитодвижущей силы, которая действует в магнитопроводе, составляет несколько процентов от магнитодвижущей силы одной из обмоток. Магнитный поток в магнитопроводе возбуждается под действием суммарной магнитодвижущей силы, поэтому амплитуда магнитного потока почти не зависит от токов в первичной и вторичной обмотках и приблизительно равняется амплитуде магнитного потока в режиме холостого хода.
Независимость амплитуды магнитного потока в магнитопроводе трансформатора от тока в нагрузке является важной характеристикой трансформатора и объясняет множество особенностей его работы.
Переменный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора, как и в режиме холостого хода, сцеплен со всеми витками первичной и вторичной обмоток, наводит в них электродвижущие силы.
Электродвижущая сила, наведенная переменным магнитным потоком в первичной обмотке, почти полностью компенсирует, как и в режиме холостого хода, приложенное к обмотке напряжение сети. Тем самым достигается ограничение амплитуды тока первичной обмотки до значений, не превышающих номинальные. Таким образом, первичная обмотка относительно электрической сети выступает как потребитель электрической энергии.
Переменный магнитный поток наводит также электродвижущую силу во вторичной обмотке. Амплитуда наведенной электродвижущей силы прямо пропорциональна количеству витков вторичной обмотки. Отношение амплитуды ЭДС первичной обмотки E1m к амплитуде ЭДС E2m вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации k = E1m / E2m. Коэффициент трансформации равняется отношению количества витков w1 первичной обмотки к количеству витков w2 вторичной обмотки:
k = w1 / w2
Набирая необходимое количество витков, можно с помощью трансформатора питать потребителей с разным номинальным напряжением.
Во вторичной обмотке, замкнутой на потребителя вторичной энергии, под действием электродвижущей силы протекает переменный ток, амплитуда которого определяется сопротивлением потребителя, включенного во вторичную обмотку. Вторичная обмотка относительно потребителя является генератором электрической энергии.
Таким образом, трансформатор передает энергию от сети к потребителю с помощью магнитного поля.
Режим нагрузки трансформатора
Векторные диаграммы при нагрузке строят по уравнениям (16). Вид векторной диаграммы зависит от характера нагрузки (рис. 14).
Векторная диаграмма а рис. 14 соответствует активно-индуктивной нагрузке, а векторная диаграмма б - активно-емкостной нагрузке.
Сопоставляя обе диаграммы, можно заключить, что при 
и 
увеличение активно-индуктивной нагрузки вызывает снижение напряжения 
, а при увеличении активно-емкостной нагрузки напряжение возрастает. Это объясняется тем, что при активно-индуктивной нагрузке происходит некоторое размагничивание трансформатора (поток Ф уменьшается, так как ток 
имеет составляющую, направленную навстречу току 
), а при активно-емкостной нагрузке трансформатор дополнительно намагничивается (поток Ф возрастает, так как ток имеет составляющую, совпадающую с ).
| Изменение напряжения трансформатора |
| При коротком замыкании в обмотках трансформатора протекают токи, вызывающие потери активной и реактивной мощности. Одновременно они создают активные и реактивные падения напряжения, в геометрической сумме равные напряжению короткого замыкания uк: uк = uа + uр, где uа — активное, uр — реактивное падение напряжения в обмотках или, как их еще называют, — активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания. Геометрически указанное равенство — это прямоугольный треугольник, гипотенузой которого является uк, а катетами — uа и uр, т. е. uк = √uа2 + uр2. Величина напряжения короткого замыкания во многом определяет еще один важный параметр — напряжение U2 вторичной обмотки, которое питает потребителей энергии. Действительно, падение напряжения в самом трансформаторе неизбежно уменьшает напряжение U2, причем это уменьшение, оказывается, зависит от составляющих uк и коэффициента мощности, т. е. cosφ2 нагрузки. Вообще, изменением напряжения (ΔU) трансформатора называют арифметическую разность между вторичным напряжением на зажимах при холостом ходе Е2 и напряжением на тех же зажимах U2 при нагрузке номинальным током. Изменение напряжения трансформатора определяется по следующей формуле: ΔU = uа cosφ2 + uр sinφ2 + 1/200 (uа sinφ2 - uр cosφ2)2. Из рассмотрения формулы можно сделать следующие выводы: 1. От величины напряжения короткого замыкания зависит напряжение вторичной обмотки, которое питает потребителей энергии. Чем выше рассеяние, тем при том же cosφ2 меньше питающее вторичное напряжение. 2. У трансформатора с определенной величиной uк падение напряжения тем меньше, чем ближе cosφ2 к 1, т. е. чем активнее нагрузка (при cosφ2 = 1 sinφ2 = 0 и в формуле остается только первый член uа % cosφ2). 3. Численные значения uк и uр близки и поэтому во многих случаях при значениях S>2500 кВА активной составляющей uа можно пренебречь, т. е. считать uа ≈ 0. |
12. Рис. 12-2. Магнитная цепь стержневого трехфазного трансформатора
Трехфазный трансформатор может быть образован из трех однофазных (рис. 12-1), если их обмотки определенным образом соединить между собой (например, обе обмотки звездой). Такой трансформатор называют трансформ
аторной группой или групповым трансформатором.
Рис. 12-1. Принципиальная схема трехфазной трансформаторной группы
Однако можно выполнить трехфазный трансформатор с общей магнитной системой для трех фаз с тремя стержнями, или так называемый трехстержневой трансформатор (рис. 12-2).
Группа из трех однофазных трансформаторов несколько дороже трехфазного трансформатора на ту же мощность, имеет несколько более низкий к. п. д. и занимает больше места, хотя каждый однофазный трансформатор группы (так называемая «фаза») меньше по габаритам и по весу, чем трехстержневой трансформатор на полную мощность группы, что имеет большое значение при установке и перевозке мощных единиц.
Кроме того, при группе однофазных трансформаторов в качестве резерва обычно достаточно иметь всего одну фазу (треть мощности группы), так как повреждение одновременно двух фаз трансформатора маловероятно. При трехфазном трансформаторе приходится иметь в резерве другой трансформатор на полную мощность. Таким образом, групповой трансформатор имеет преимущества при больших мощностях, где условия перевозки и надежность при эксплуатации имеют особенно важное значение. Наоборот, трансформаторы средней и особенно малой мощности выполняются главным образом как трехстержневые. У нас в стране трехстержневые трансформаторы стандартизованы на мощности до 60 000 кВА, а групповые — начиная с мощности 3 X 600 кВА и выше.
В отношении магнитной системы разница между групповым и трехстержневым трансформатором та, что магнитные цепи первого совершенно независимы друг от друга, тогда как у второго они связаны. Пути магнитного потока в каждом трансформаторе показаны на рис. 12-1 и 12-2 штриховыми линиями.
В групповом трансформаторе длины магнитных цепей всех трех фаз одинаковы, тогда как в трехстержневом — различны, причем магнитная проводимость для потоков крайних фаз меньше, чем для средней. Так как к фазам трансформатора подводятся нормально симметричные напряжения, т. е. равные по величине и сдвинутые на 120°, то э. д. с. Ех и, следовательно, магнитные потоки всех трех фаз тоже симметричны. Поэтому намагничивающие силы этих фаз и, ста лег быть, намагничивающие токи I0 трехстержневого трансформатора образуют несимметричную систему, а именно, токи двух крайних фаз А л С больше, чем ток средней фазы В. В групповом трансформаторе такой асимметрии нет, так как все три фазы имеют одинаковые магнитные цепи.
Асимметрия токов холостого хода трехстержневого трансформатора не имеет большого практического значения, так как уже при очень небольшой нагрузке она сглаживается.