Уравнения электрического состояния, схема замещения и векторная диаграмма реального однофазного трансформатора

Рис. 9.8

Составим схему замещения реального однофазного трансформатора (см. рис. 9.4, б), в которую идеализированный однофазный трансформатор входит как составная часть.

Схема замещения реального однофазного трансформатора показана на рис. 9.9, где Хргс1 - coZpac! и RB] — индуктивное сопротивление рассея-

Рис. 9.9

ния и активное сопротивление витков первичной обмотки; Храс2 = =

= coZ,pac2(Wi/w2)2 и ^'e2 = i?B2(wj/w2)2 — приведенные индуктивное сопротивление рассеяния и активное сопротивление витков вторичной обмотки. Схема замещения идеализированного однофазного трансформатора выделена на рис. 9.9 штриховой линией.

Схеме замещения реального однофазного трансформатора соответствуют уравнения, составленные по второму закону Кирхгофа:

где Zo61 = RBl + jXрас1 и Zo6, = Rb2 + jXpac2 — комплексные сопротивления, учитывающие активные сопротивления обмоток и их индуктивности рассеяния.

На рис. 9.10 приведена векторная диаграмма реального однофазного трансформатора. Ее построение аналогично построению диаграммы идеализированного трансформатора (см. рис. 9.8).

Из уравнений реального однофазного трансформатора и его векторной диаграммы следует, что отношение действующих значений напряжений между выводами вторичной U2 и первичной Ux обмоток не совпадает с отношением действующих значений ЭДС Е2 и Ех, индуцируемых в этих обмотках магнитным потоком Ф в магнитопро- воде. Действующие значения напряжений Z&JX и Zo62/2 называются полными внутренними падениями напряжений на первичной и вторичной обмотках трансформатора. Заметим, что приведенная векторная диаграмма показывает лишь качественные соотношения между величинами. В большинстве случаев треугольники внутренних падений напряжений малы и можно считать, что

Следует также отметить, что намагничивающий ток в реальном трансформаторе зависит от его нагрузки, т. е. от тока /,. Это объясняется тем, что при изменении нагрузки изменяются ток в первичной обмотке и ее полное внутреннее падение напряжения Zo6lIx. Однако

Рис. 9.10

в большинстве случаев падение напряжения Zo6Jl много меньше напряжения ?/,, и можно считать, что намагничивающий ток равен току холостого хода трансформатора / при токе /2 = 0.

Различают несколько режимов работы трансформатора, имеющего номинальную полную мощность Sом = 51ном =

  • номинальный режим, т. е. режим при номинальных значениях напряжения Ux - UlH0M и тока /, = /1ном первичной обмотки трансформатора;
  • рабочий режим, при котором напряжение первичной обмотки близко к номинальному значению или равно ему: Ul« UlH0M, а ток /, меньше своего номинального значения /,ном или равен ему и определяется нагрузкой трансформатора, т. е. током /2;
  • режим холостого хода, т. е. режим ненагруженного трансформатора, при котором цепь вторичной обмотки разомкнута (/2 = 0) или подключена к приемнику с большим сопротивлением нагрузки (например, к вольтметру);
  • режим короткого замыкания трансформатора, при котором его вторичная обмотка коротко замкнута (?/, = 0) или подключена к приемнику с малым сопротивлением нагрузки (например, к амперметру).

Режимы холостого хода и короткого замыкания специально создаются при испытании трансформатора.

В режиме холостого хода (рис. 9.11) трансформатор превращается в катушку с магнитопроводом, к обмотке которой с числом витков w, подключен источник синусоидального напряжения. Поэтому векторная диаграмма трансформатора при холостом ходе (рис. 9.12) подобна векторной диаграмме катушки с магнитопроводом (см. рис. 8.7), отличаясь от нее некоторыми обозначениями и дополнительно построенным вектором ЭДС вторичной обмотки Ё.

Опытом холостого хода называется испытание трансформатора при разомкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном первичном напряжении Ulx = UlH0M. На основании этого опыта по показаниям измерительных приборов определяют коэффициент трансформации и мощность потерь в магнитопроводе трансформатора. Опыт холостого хода является обязательным при заводском испытании трансформатора.

При номинальном первичном напряжении Ulx = ?/1ном ток холостого хода / составляет 2—8 % номинального первичного тока /1ном (тем меньше, чем больше номинальная полная мощность трансформатора), т. е. по (9.11) Ulx« Е. Кроме того, при разомкнутой цепи вторичной обмотки U2x = Е. Поэтому, измерив вольтметром первичное Ulx и вторичное U2x напряжения в режиме холостого хода, определяют коэффициент трансформации повышающего или понижающего трансформатора:

Коэффициент трансформации указывается на щитке трансформатора в виде отношения напряжений высшего к низшему в режиме холостого хода, например «6000/230 В».

Мощность потерь в трансформаторах в режиме холостого хода РХх складывается из мощности потерь в магнитопроводе, мощности потерь в проводах первичной обмотки (/?el/fx), а также мощности добавочных потерь (потери из-за вибрации листов стали в местах их стыков, в конструктивных деталях вследствие потока рассеяния и т. д.). При холостом ходе ток /«/1ном и мощность потерь в проводах ничтожна по сравнению с мощностью потерь в магнитопроводе (исключение составляют трансформаторы с номинальной полной мощностью меньше 1000 В - А). То же относится и к мощности добавочных потерь. Поэтому опыт холостого хода служит для определения мощности потерь в магнитопроводе трансформатора.

Мощность потерь в трансформаторе в режиме холостого хода мала и составляет 0,3—1,4 % его номинальной полной мощности (тем меньше, чем больше номинальная полная мощность трансформатора). Тем не менее мощность потерь в маг- нитопроводе имеет важное практическое значение, так как силовые трансформаторы редко отключаются от первичной сети.

Ток холостого хода /, как и ток катушки с магнитопроводом, состоит из реактивной /1рх и активной /1ах составляющих. В большинстве случаев активная составляющая /1а х меньше 10 % реактивной составляющей /1рх, и можно считать, что ток холостого хода отстает по фазе от первичного напряжения практически на угол Ф»я/2 (см. рис. 9.12).

При ограниченных возможностях охлаждения важно знать, как изменится режим холостого хода трансформатора при изменении первичного напряжения. Зависимости 4х=/(*4) и 4=/(<4) называются характеристиками холостого хода трансформатора (рис. 9.13). Сначала при повышении первичного напряжения С7 от нулевого значения магнитопровод не насыщен и ток 4 увеличивается пропорционально напряжению; затем начинает сказываться насыщение магнитопровода, например при 4х>0,84ном, и ток холостого хода 4 быстро нарастает.

Мощность потерь в магнитопро- воде при индукции больше 1 Тл пропорциональна квадрату амплитуды магнитного потока (8.11) и (8.12) и, учитывая (9.1) и Е» Ulx, квадрату действующего значения напряжения ?4-

Для большинства силовых трансформаторов допустимый верхний предел длительного повышения первичного напряжения в режиме холостого хода равен 1,Ш1н0мСледует различать режим короткого замыкания в эксплуатационных условиях и опыт короткого замыкания. Первый представляет собой аварийный режим, так как трансформатор сильно нагревается и перегрев может вызвать его разрушение.

Опытом короткого замыкания называется испытание трансформатора при короткозамкнутой цепи вторичной обмотки, пониженном первичном напряжении Z71kUlH0M и номинальном первичном токе /=/1ном- Этот опыт (рис. 9.14) служит для определения мощности потерь в проводах обмоток и треугольника внутреннего падения напряжений. Опыт короткого замыкания, как и опыт холостого хода, обязателен при заводских испытаниях.

В режиме короткого замыкания (Ц, = 0) ЭДС Е, индуцируемая во вторичной обмотке (9.11), равна сумме напряжений на активном сопротивлении и индуктивном сопротивлении рассеяния вторичной обмотки:

в то время как в рабочем режиме

В опыте короткого замыкания действующее значение ЭДС Есоставляет 2—5 % его значения в рабочем режиме. Пропорционально значению ЭДС уменьшается магнитный поток в магнитопроводе (9.1), а вместе с ним намагничивающий ток (9.4) и мощность потерь в магнитопроводе (8.11) и (8.12). Поэтому опыт короткого замыкания служит для определения мощности потерь в проводах первичной и вторичной обмоток:

или, полагая малым ток намагничивания,

Мощность потерь в трансформаторе в опыте короткого замыкания составляет 1—4 % его номинальной полной мощности (тем меньше, чем больше номинальная полная мощность трансформатора).

Из опыта короткого замыкания определяют:

полное сопротивление короткого замыкания трансформатора

активное сопротивление короткого замыкания трансформатора

На рис. 9.15, а и б построены треугольник сопротивлений и подобный ему треугольник внутреннего падения напряжений, стороны которого представляют в процентах номинального напряжения i7lH0M первичное напряжение в опыте короткого замыкания UlK и его активную и индуктивную составляющие:

Рис. 9.15

Рис. 9.14 Рис. 9.15

индуктивное сопротивление короткого замыкания трансформатора

Напряжение короткого замыкания ик является важным параметром трансформатора и указывается на его щитке. Оно определяет изменение вторичного напряжения нагруженного трансформатора (см. § 9.8).

Напряжение короткого замыкания составляет 5—10 % номинального первичного напряжения и тем больше, чем выше номинальные напряжения обмоток трансформатора. Это объясняется тем, что с увеличением толщины изоляции проводов возрастают потокосцеп- ления рассеяния, а следовательно, и индуктивные сопротивления рассеяния Храс1 и Jpac2.

Пренебрегая током холостого хода / в схеме замещения трансформатора на рис. 9.9 и определив параметры трансформатора RK и Хк из опыта короткого замыкания, получим упрощенную эквивалентную схему замещения трансформатора (рис. 9.16, а), для которой на рис. 9.16, б построена векторная диаграмма.

Опыт короткого замыкания служит также контрольным опытом для определения коэффициента трансформации. При коротком замы-

Рис. 9.16

кании в уравнении (9.5) составляющая /lxw, мала и ею можно пренебречь. Следовательно, коэффициенты трансформации повышающего и понижающего трансформаторов (9.13) равны:

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >