Режимы работы трансформаторов

СОДЕРЖАНИЕ:

Трансформаторы, их виды и назначение

Что такое трансформатор

Трансформатор представляет собой устройство, которое преобразовывает напряжение переменного тока (повышает или понижает). Состоит трансформатор из нескольких обмоток (двух или более), которые намотаны на общий ферромагнитный сердечник. Если трансформатор состоит только из одной обмотки, то он называется автотрансформатором. Современные трансформаторы тока бывают: стержневыми, броневыми или тороидальными. Все три типа трансформаторов имеют похожие характеристики, и надежность, но отличаются друг от друга способом изготовления.

В трансформаторах стержневого типа обмотка намотана на сердечник, а в трансформаторах стержневого типа обмотка включается в сердечник. В трансформаторе стержневого типа обмотки хорошо видны, а из сердечника видна только нижняя и верхняя часть. Сердечник броневого трансформатора скрывает в себе практически всю обмотку. Обмотки трансформатора стержневого типа расположены горизонтально, в то время как это расположение в броневом трансформаторе может быть как вертикальным, так и горизонтальным.

Независимо от типа трансформатора, в его состав входят такие три функциональные части: магнитная система трансформатора (магнитопровод), обмотки, а также система охлаждения.

Принцип работы трансформатора

В трансформаторе принято выделять первичную и вторичную обмотку. К первичной обмотке напряжение подводится, а от вторичной отводится. Действие трансформатора основано на законе Фарадея (законе электромагнитной индукции): изменяющийся во времени магнитной поток через площадку, ограниченную контуром, создает электродвижущую силу. Справедливо также обратное утверждение: изменяющийся электрический ток индуцирует изменяющееся магнитное поле.

В трансформаторе есть две обмотки: первичная и вторичная. Первичная обмотка получает запитку от внешнего источника, а с вторичной обмотки напряжение снимается. Переменный ток первичной обмотки создает в магнитопроводе переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создает ток во вторичной обмотке.

Режимы работы трансформатора

Существуют такие три режима работы трансформатора: холостой ход, режим короткого замыкания, рабочий режим. Трансформатор «на холостом ходу», когда выводы от вторичных обмоток никуда не подключены. Если сердечник трансформатора изготовлен из магнитомягкого материала, тогда ток холостого хода показывает, какие в трансформаторе происходят потери на перемагничивание сердечника и вихревые токи.

В режиме короткого замыкания выводы вторичной обмотки соединены между собой накоротко, а на первичную обмотку подают небольшое напряжение, с таким расчетом, чтобы ток короткого замыкания был равен номинальному току трансформатора. Величину потерь (мощность) можно посчитать, если напряжение во вторичной обмотке умножить на ток короткого замыкания. Такой режим трансформатора находит свое техническое применение в измерительных трансформаторах.

Если подключить нагрузку к вторичной обмотке, то в ней возникает ток, индуцирующий магнитный поток, направленный противоположно магнитному потоку в первичной обмотке. Теперь в первичной обмотке ЭДС источника питания и ЭДС индукции питания не равны, поэтому ток в первичной обмотке увеличивается до тех пор, пока магнитный поток не достигнет прежнего значения.

Для трансформатора в режиме активной нагрузки справедливо равенство:
U_2/U_1 =N_2/N_1 , где U2, U1 – мгновенные напряжения на концах вторичной и первичной обмоток, а N1, N2 – количество витков в первичной и вторичной обмотке. Если U2 > U1, трансформатор называется повышающим, в противном случае перед нами понижающий трансформатор. Любой трансформатор принято характеризовать числом k, где k – коэффициент трансформации.

Виды трансформаторов

В зависимости от своего применения и характеристик трансформаторы бывают нескольких видов. К примеру, в электрических сетях населенных пунктов, промышленных предприятий применяют трансформаторы силовые, основной задачей которых является понижение напряжения в сети до общепринятого – 220 В.

Если трансформатор предназначен для регулировки тока, он называется трансформатор тока, а если устройство регулирует напряжение – то это трансформатор напряжения. В обычных сетях применяются однофазные трансформаторы, в сетях на три провода (фаза, ноль, заземление) нужен трехфазный трансформатор.

Бытовой трансформатор, 220В предназначается для защиты бытовой техники от перепадов напряжения.

Сварочный трансформатор предназначен для разделения сварочной и силовой сети, для понижения напряжения в сети до нужной для сварки величины.

Масляный трансформатор предназначается для использования в сетях с напряжением выше 6 000 Вольт. Конструкция трансформатора включает в себя: магнитопровод, обмотки, бак, а также крышки с вводами. Магнитопровод состоит из 2 листов электротехнической стали, которые изолированы друг от друга, обмотки, как правило, делают из алюминиевого или медного провода. Регулировка напряжения производится с помощью ответвления, которое соединяется с переключателем.

Существует два вида переключения ответвлений: переключение под нагрузкой — РПН (регулирование под нагрузкой), а также без нагрузки, после того, как трансформатор отключен от внешней сети (ПБВ, или переключение без возбуждения). Большее распространение получил второй способ регулировки напряжения.

Говоря о видах трансформаторов, нельзя не рассказать об электронном трансформаторе. Электронный трансформатор представляет собой специализированный источник питания, который служит для преобразования напряжения 220В в 12 (24)В, при большой мощности. Электронный трансформатор намного меньше обычного, при тех же самых параметрах нагрузки.

Уравнения идеального трансформатора

Для того чтобы рассчитать основные характеристики трансформаторов, принято пользоваться простыми уравнениями, которые знает каждый современный школьник. Для этого используют понятие идеального трансформатора. Идеальным трансформатором называется такой трансформатор, в котором нет потерь энергии на нагрев обмоток и вихревые токи. В идеальном трансформаторе энергия первичной цепи превращается полностью в энергию магнитного поля, а затем – в энергию вторичной обмотки. Именно поэтому мы можем написать:
P1= I1*U1 = P2 = I2*U2,
где P1, P2 – мощности электрического тока в первичной и вторичной обмотке соответственно.

Магнитопровод трансформатора

Магнитопровод представляет собой пластины из электротехнической стали, которые концентрируют в себе магнитное поле трансформатора. Полностью собранная система с деталями, скрепляющими трансформатор в единое целое – это остов трансформатора. Та часть магнитопровода, на которой крепятся обмотки, называется стержнем трансформатора. Часть магнитопровода, которая не несет на себе обмотку и замыкает магнитную цепь, называется ярмом.

В трансформаторе стержни могут располагаться по-разному, поэтому выделяют такие четыре типа магнитопроводов (магнитных систем): плоская магнитная система, пространственная магнитная система, симметричная магнитная система, несимметричная магнитная система.

Обмотка трансформатора

Теперь поговорим об обмотке трансформатора. Основная часть обмотки – виток, который однократно обхватывает магнитопровод и в котором индуцируется магнитное поле. Под обмоткой понимают сумму витков, ЭДС всей обмотки равна сумме ЭДС в каждом витке.

В силовых трансформаторах обмотка обычно состоит из проводников, имеющих квадратное сечение. Такой проводник по-другому еще называется жилой. Проводник квадратного сечения используется для того, чтобы более эффективно использовать пространство внутри сердечника. В качестве изоляции каждой жилы может использоваться либо бумага, либо эмалевый лак. Две жилы могут быть соединены между собой, и иметь одну изоляцию – такая конструкция называется кабелем.

Обмотки бывают следующих типов: основные, регулирующие и вспомогательные. Основной называется обмотка, к которой подводится или от которой отводится ток (первичная и вторичная обмотка). Обмотка с выводами для регулирования коэффициента трансформации напряжения называется регулирующей.

Применение трансформаторов

Из курса школьной физики известно, что потери мощности в проводах прямо пропорциональны квадрату силы тока. Поэтому для передачи тока на большие расстояния напряжение повышают, а перед подачей потребителю наоборот, понижают. В первом случае нужны повышающие трансформаторы, а во втором – понижающие. Это основное применение трансформаторов.

Трансформаторы применяются также в схемах питания бытовых приборов. Например, в телевизорах применяют трансформаторы, имеющие несколько обмоток (для питания схем, транзисторов, кинескопа, и т.д.).

Схема трансформатора

  1. Изоляция трансформатора на основе безматричной вакуумной пропитки и работает в среде с высокой влажностью воздуха и в химически агрессивной атмосфере.
  2. Минимальное выделение энергии горения (например, 43 кг для трансформатора 1600 кВА соответствуют 1,1% веса). Другие изоляционные материалы являются практически негорючими, самозатухающими и не содержат каких-либо токсичных добавок.
  3. Устойчивость трансформатора к загрязнениям благодаря конвекционным самоочищающимся дискам обмотки.
  4. Большая длина утечки по поверхности дисков обмотки, которые создают эффект изоляционных барьеров.
  5. Устойчивость трансформатора к температурной ударной нагрузке даже при крайне низких температурах (-50°С).
  6. Керамические блоки прокладки (без возможности возгорания) между дисками обмотки.
  7. Изоляция проводников стекло-шелк.
  8. Безопасность эксплуатации трансформатора благодаря специальной структуре обмотки Воздействие напряжения на изоляцию никогда не превышает напряжение изоляции (не более 10 В). Частичные разряды в изоляции физически невозможны.
  9. Охлаждение трансформатора обеспечивается вертикальными и горизонтальным каналам охлаждения, а минимальная толщина изоляции обеспечивают возможность работы трансформатора при больших кратковременных перегрузках в защитном корпусе IP 45 без принудительного охлаждения.
  10. Изоляционный цилиндр сделан и практически негорючего и самозатухающего материала, армированного стекловолокном.
  11. Обмотка низкого напряжения из стандартного провода или фольги; в качестве материала обмотки используется медь.
  12. Динамическая устойчивость трансформатора к коротким замыканиям обеспечивается керамическими изоляторами.

Режимы работы и схема замещения трансформатора

Схема замещения трансформатора позволяет отдельно расчитывать цепи первичной и вторичных обмоток. В схему замещения трансформатора входят поля рассеивания магнитного потока, а вторичные цепи пересчитываются в первичную через коэффициенты трансформации.

Для составления схемы замещения возьмём трансформатор с двумя обмотками: первичной с количеством витков W1 для подключения к сети питания и вторичной с количеством витков W2 для подключения нагрузки. Его упрощенное устройство показано на рисунке 1.

Рисунок 1 Упрощенное устройство трансформатора

Принципиальная схема подключения нагрузки к источнику питания через трансформатор приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 Принципиальная схема подключения нагрузки через трансформатор

Для создания схемы замещения трансформатора нам потребуются три режима его работы: режим холостого хода (ХХ), рабочий режим (номинальный режим) и режим короткого замыкания (КЗ). Режимы холостого хода и короткого замыкания трансформатора позволяют определить значения элементов схемы замещения трасформатора. Рассмотрим работу трансформатора в этих режимах.

Режим холостого хода трансформатора (ХХ)

В этом режиме сопротивление нагрузки равно бесконечности, в результате чего можно не учитывать вторичную обмотку и трансформатор работает как обычная катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником. Кроме того, в режиме холостого хода трансформатора определяют его коэффициент трансформации. Схема замещения трасформатора в режиме холостого хода приведена на рисунке 3.

Каждый электрик должен знать:  Показатели качества электроэнергии в электрических сетях

Рисунок 3 Схемы замещения трансформатора для режима холостого хода:
а — последовательная схема замещения,
б — параллельная схема замещения

На эквивалентных схемах трансформатора, приведенных на рисунке 2, показаны:

Индуктивность первичной обмотки, которая вместе с потерями в сердечнике влияет на к.п.д. трансформатора, можно рассчитать по следующей формуле:

Параллельная эквивалентная схема трансформатора более удобна по сравнению с последовательной для построения векторной диаграммы напряжений и токов для реальной катушки индуктивности. Эта диаграмма приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 Векторная диаграмма напряжений и токов трансформатора в режиме холостого хода

Здесь δ — угол потерь в магнитопроводе
X1 — сопротивление индуктивности рассеяния LS1.

Обратите внимание, что в этом режиме работы трансформатора вектор ЭДС индуцированный в обмотке W2 (напряжение во вторичной обмотке) совпадает по фазе с eL, а напряжение U1, подаваемое на первичную обмотку трансформатора, является суммой э.д.с. на индуктивности первичной обмотки и падения напряжения на сопротивлениях индуктивности рассеивания и активного сопротивления первичной обмотки:

Это выражение можно записать немного иначе:

При правильном проектировании трансформатора потери на омическом сопротивлении первичной обмотки малы, поскольку ток холостого хода много меньше номинального. Тогда угол сдвига фаз между током и напряжением (I10 и U1) определяется потерями в магнитопроводе. Это позволяет из опыта холостого хода и найти угол потерь δ и рассчитать потери в сердечнике.

Трансформатор является обращаемым устройством (первичную и вторичную обмотки можно поменять местами!), поэтому для каждой из обмоток записываем основную формулу трансформаторной ЭДС.

Разделив уравнение (3) на (4), получим выражение для коэффициента трансформации:

Подведем итоги Режим работы трансформатора на холостом ходе позволяет определить:

Ток холостого хода I10 (для определения к.п.д.)

Режим короткого замыкания (КЗ)

Этот режим в условиях эксплуатации является аварийным. Он применяется только для экспериментального определения индуктивности рассеивания трансформатора. Измерения проводят в следующей последовательности. Входное напряжение устанавливают равным нулю. Замыкают выходные клеммы (). Плавно поднимают входное напряжение (U1) до тех пор, пока в обмотках не установятся номинальные токи. Величина называется напряжением короткого замыкания, является паспортной величиной трансформатора и обычно составляет 5. 10% от номинального напряжения U1ном. При этом, ток холостого хода I10 весьма мал по сравнению с номинальным и им можно пренебречь (считать равным нулю). Тогда эквивалентная схема трансформатора в режиме КЗ принимает вид, показанный на рисунке 5.

Рисунок 5 Эквивалентная схема трансформатора в режиме короткого замыкания

Ток холостого хода мы приняли равным нулю , поэтому в эквивалентной схеме трансформатора параллельная цепь Lr отсутствует. Входное сопротивление трансформатора полностью определяются индуктивностью рассеивания первичной и вторичной обмоток, а также их омическим сопротивлением:

Результирующее сопротивление — это сопротивление короткого замыкания трансформатора. Зная полное сопротивление короткого замыкания:

можно найти коэффициент передачи трансформатора, а в случае малой индуктивности рассеивания потери мощности в обмотках трансформатора.

Намагничивающая сила, создающая магнитный поток в сердечнике в режиме короткого замыкания (измерительный режим) практически равна нулю:

и если I10 = 0, то откуда находим отношение токов, а значит и коэффициент трансформации по току:

Знак минус в формуле (15) говорит о том, что магнитные потоки Ф1 и Ф2 направлены навстречу друг другу и взаимно компенсируются.

Рабочий режим (нагруженный или номинальный). Если к вторичной обмотке W2 подключить нагрузку Rн, то ее напряжение U2 вызовет ток нагрузки I2, как это показано на рисунке 1б. Токи I1 и I2 ориентированы различно относительно магнитного потока Ф. Ток I1 создает поток Ф1, а ток I2 создаёт поток Ф2 и стремится уменьшить поток Ф1. Иначе говоря, в магнитопроводе появляются магнитные потоки Ф1 и Ф2, которые на основании закона Ленца направлены встречно и их алгебраическая сумма даёт: — магнитный поток холостого хода трансформатора.

Отсюда можно записать уравнение намагничивающих сил (закон полного тока):

Видно, что изменение тока I2 обязательно приведёт к изменению тока I1. Нагрузка образует второй контур, в котором ЭДС вторичной обмотки е2 является источником энергии. При этом, справедливы уравнения:

где r2 — омическое сопротивление вторичной обмотки
х2 — сопротивление индуктивности рассеяния вторичной обмотки.

По закону Киргофа сумма токов (6) может быть обеспечена параллельным соединением электрических цепей, поэтому в рабочем режиме трансформатор можно представить эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 4.

Рисунок 4 Схема замещения трансформатора в рабочем режиме

Эквивалентная схема трансформатора в рабочем режиме, приведенная на рисунке 4 называется Т-образной схемой замещения или приведённым трансформатором. Приведение вторичной обмотки к первичной выполняется при условии равенства полных мощностей вторичных обмоток , или . Из этого равенства можно получить формулы пересчета в первичную обмотку напряжений и токов вторичной обмотки и из них получить приведенные значения сопротивлений нагрузки, вторичной обмотки и индуктивности рассеивания.

Токи и напряжения приводятся через коэффициент трансформации, а сопротивления — через квадрат коэффициента трансформации. Можно пересчитать вторичную цепь в первичную или наоборот.

Представление трансформатора в виде эквивалентной схемы позволяет методами теории цепей рассчитать любую, сколь угодно сложную схему с трансформаторами.

Если у трансформатора есть несколько вторичных обмоток, как показано на условно-графическом изображении трансформатора, приведенном на рисунке 6а, то пересчитанные сопротивления нагрузки на эквивалентной схеме соединяются параллельно и его эквивалентная схема принимает вид, показанный на рисунке 6б.

Рисунок 6 Схема замещения трансформатора с двумя вторичными обмотками

При этом значение импеданса (полного сопротивления) вторичных обмоток Z2 находится как сумма сопротивлений вторичных обмоток и сопротивления их индуктивностей рассеивания:

  1. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
  2. Схема замещения трансформатора
  3. Режимы работы трансформатора
  4. Параметры схемы замещения трансформатора

Вместе со статьей «Режимы работы и схема замещения трансформатора» читают:

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА

Общие сведения о старении изоляции

Продолжительное воздействие тепла, влаги, кислорода вызывает старение изоляционных материалов трансформатора, прежде всего тех, основой которых является целлюлоза (электроизоляционная бумага), а также и тех, где основой являются волокнистые текстильные материалы, пластмассы, тканевые материалы, эластомеры. Термические свойства диэлектриков, определяемые классом нагревостойкости, обусловливают срок службы трансформатора, который в зависимости от условий в процессе эксплуатации укорачивается или удлиняется. Важнейшим фактором, определяющим срок службы трансформатора, является режим работы.

Процесс старения материалов — необратимое изменение их физико-химических, механических свойств и структуры при эксплуатации и длительном хранении. Старение обусловливает изменение исходных электрических, механических и химических свойств материала. Однако степень снижения электрической прочности, вызванная процессом старения, не велика. В то же время возникающие при этом изменения механических характеристик изоляционных материалов (прочности на разрыв, числа выдерживаемых перегибов) делают трансформатор чувствительным к неизбежно возникающим при коротком замыкании перемещениям проводников, вызываемым динамическими усилиями, пропорциональными квадрату тока (чем и опасны токи КЗ).

Поэтому в трансформаторе с состарившейся изоляцией легко может возникнуть витковое замыкание. Степень снижения предела прочности изоляции при растяжении по сравнению с исходным его значением становится существенной уже после относительно непродолжительного времени старения, особенно если трансформатор работает достаточно часто и длительно с перегрузкой.

Время, по истечении которого изоляционный материал приходит в негодность, называется его сроком службы. Согласно закону Аррениуса, который показал, что константа скорости химической реакции меняется в зависимости от температуры по экспоненциальному закону, срок службы любого изоляционного материала определяется выражением

где С — число лет эксплуатации; А и В — постоянные, устанавливаемые экспериментально для изучаемого изоляционного материала — безразмерная величина, В измеряется в градусах Кельвина); Т — термодинамическая температура, К.

Для диапазона температур 80. 140 °С, имеющих место при эксплуатации трансформаторов с изоляцией класса А, для определения срока ее службы справедлива формула Монтзингера:

где D — постоянная, °С _| ; р — коэффициент; О — температура изоляции, принимаемая по наиболее нагретой точке, °С.

В рекомендациях Международной электротехнической комиссии (МЭК) по нагрузочной способности значение постоянной р, необходимое для определения срока службы, не указано, так как не было согласовано из-за расхождения во мнениях по физическим свойствам изношенного изоляционного материала (по современной научной терминологии — из-за свойств самоорганизации, фрактальности, ценологических, хаоса).

Однако существует единое мнение о том, что в диапазоне температур от 80 до 140 °С каждые 6 °С прироста температуры О вызывают сокращение срока службы изоляции вдвое, т.е. ее износ удваивается (шестиградусное правило старения изоляции). Это означает, что если в диапазоне 80. 140°С температуре О соответствует срок службы Е, то при температуре (в + 6) °С срок службы составит 0,5Е, т.е.

Откуда постоянная р, входящая в формулу Монтзингера будет равна 0,1155 °С -1 (чаше просто /> = 0,115).

Если в качестве базовой выбрана такая температура 6б, для которой срок службы принимается нормальным, то отношение этого срока к сроку службы, соответствующему любой другой температуре О, называемое относительным износом изоляции, обозначают через Обычно срок службы изоляции трансформатора определяют, ориентируясь на номинальную температуру в его наиболее нагретой точке, принимаемую равной 98 °С (эта температура связана с кипением воды при 100 °С). Заводы-изготовители могут указывать другую номинальную температуру в наиболее нагретой точке.

При нормальной нагрузке и максимальной температуре охлаждающей среды (среднесуточной температуре воздуха 30 °С и температуре воды у входа в охладитель 25 °С) максимально допустимые значения температуры верхних слоев масла не должны превышать:

  • 95 °С в трансформаторах (и реакторах), имеющих естественное масляное или дутьевое охлаждение;
  • 75 °С в трансформаторах (и реакторах), имеющих охлаждение с принудительной циркуляцией масла и воздуха (если завод-изготовитель не указывает другое значение);
  • 70 °С в трансформаторах, имеющих масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией масла (если не указано другое значение).

Используя формулу Монтзингера (4.1), находим

Пусть д6 = 98 °С. Эта температура соответствует температуре наиболее нагретой точки трансформатора вн нт при температуре охлаждающей среды 6 = 20 °С, превышении средней температуры обмотки ДО = 65 °С, осевом перепаде температуры масла в обмотке Д0о = 22 °С. Значения 66, Ои н т, 0о с, Д6, Д0о характеризуют некоторое нормальное состояние трансформатора в котором он может находиться, т.е. эксплуатироваться. Изменения значения температуры охлаждающей среды в, на другое значение изменит срок службы трансформатора.

Каждый электрик должен знать:  Классификация систем управления по алгоритму функционирования

Таким образом, трансформатор с температурой в наиболее нагретой точке, равной 98 °С, стареет нормально. Срок службы изоляции в этом случае составит десятки лет (20 и более). Следовательно, если принять 06 = 98 °С, получим окончательную формулу для расчета относительного износа изоляции при неизменной температуре О:

Расчет температуры наиболее нагретой точки трансформатора упрощен и справедлив, строго говоря, только для однородной обмотки (с одинаковыми катушками и охлаждающими каналами катушек), у которой превышения средней температуры каждой катушки над температурой прилегающих слоев масла одинаковы, а температура масла изменяется вдоль высоты обмотки по линейному закону.

Фактически это не так, что очевидно из рис. 4.1, где показаны температурные переходные процессы при наборе трансформатором

Рис. 4.1. Переходные процессы при наборе трансформатором нагрузки с 60 до 100 % и температуре воздуха 6 °С с dT2Jjdt = -0,0015 °С/с:

1 — изменение температуры масла в верхней части бака; 2 — изменение задаваемого уровня температуры на выходе адаптивного задатчика интенсивности Г2мд; 3 — изменение температуры наиболее нагретой точки; 4 — изменение перепада температуры по баку; 5— изменение расхода воздуха на охладитель; 6 — отводимая от трансформатора мощность на одну фазу нагрузки с 60 до 100% (который может происходить, например, при аварийных режимах).

Если при неизменной нагрузке в течение времени / температура охлаждающей среды $о с резко изменяется, то температура наиболее нагретой точки Он н т также изменяется, хотя и с некоторым запаздыванием, обусловленным тепловой постоянной времени трансформатора. В таких случаях при определении Онт необходимо исходить из эквивалентной температуры охлаждающей среды Оэ (а не из среднеарифметической), взятой за некоторый промежуток времени.

Эквивалентная температура охлаждающей среды определяется исходя из следующих допущений:

срок службы трансформатора зависит только от температуры наиболее нагретой точки дн нт;

изменение температуры охлаждающей среды влияет на изменение температуры наиболее нагретой точки таким же образом, как изменение нагрузки;

прирост температуры охлаждающей среды на 6 °С уменьшает срок службы изоляции вдвое, т.е. в такой же степени, как при возрастании температуры на 6°С из-за увеличения нагрузки.

При правильно организованной эксплуатации следует вести учет эквивалентной нагрузки трансформатора и эквивалентной температуры охлаждающего воздуха. Последняя для рассматриваемого

Рис. 4.2. Зависимость эквивалентной температуры 0Э от средней годовой температуры воздуха Ос г:

1 — летней; 2 — годовой; 3 — зимней

Рис. 4.3. Зависимость эквивалентных месячных температур 0ЭМ от средней годовой температуры воздуха 0СГ: I. XII — месяцы года

Рис. 4.4. Зависимость эквивалентных месячных температур 0ЭМ от средней месячной температуры воздуха Ъсм

периода набора нагрузки определяется по средней годовой температуре воздуха для данной местности 0СГ по рис. 4.2 . 4.4. Данные по средней годовой температуре воздуха приводятся в соответствующих метеорологических справочниках.

Онлайн журнал электрика

Статьи по электроремонту и электромонтажу

Режимы работы трансформатора

Зависимо от величины сопротивления нагрузки трансформатор может работать в 3-х режимах:

1. Холостой ход при сопротивлении нагрузки zн = ∞.

2. Куцее замыкание при zн = 0.

3. Нагрузочный режим при 0

Имея характеристики схемы замещения, можно рассматривать хоть какой режим работы трансформатора . Сами характеристики определяют на базе опытов холостого хода и недлинного замыкания. При холостом ходе вторичная обмотка трансформатора является разомкнутой.

Опыт холостого хода трансформатора проводят для определения коэффициента трансформации, мощности утрат в стали и характеристик намагничивающей ветки схемы замещения, проводят его обычно при номинальном напряжении первичной обмотки.

Для однофазового трансформатора на базе данных опыта холостого хода можно высчитать:

– процентное значение тока холостого хода

– активное сопротивление ветки намагничивания r0, определяемое из условия

– полное сопротивление ветки намагничивания

– индуктивное сопротивление ветки намагничивания

Нередко определяют также коэффициент мощности холостого хода:

В неких случаях опыт холостого хода проводят для нескольких значений напряжения первичной обмотки: от U1 ≈ 0,3U1н до U1 ≈ 1,1U1н. По приобретенным данным строят свойства холостого хода, которые представляют собой зависимость P0, z0, r0 и cosφ в функции от напряжения U1. Пользуясь чертами холостого хода, можно установить значения определяемых величин при любом значении напряжения U1.

Для определения напряжения недлинного замыкания, утрат в обмотках и сопротивлений rк и xк проводят опыт недлинного замыкания. При всем этом к первичной обмотке подводят такое пониженное напряжение, чтоб токи обмоток короткозамкнутого трансформатора были равны своим номинальным величинам, т. е. I1к = I1н, I2к = I2н. Напряжение на первичной обмотке, при котором отмеченные условия производятся, именуется номинальным напряжением недлинного замыкания Uкн.

Беря во внимание, что Uкн обычно составляет всего 5–10 % от U1н, поток взаимоиндукции сердечника трансформатора при опыте недлинного замыкания в 10-ки раз меньше, чем в номинальном режиме, и сталь трансформатора ненасыщенна. Потому потерями в стали третируют и считают, что вся подводимая к первичной обмотке мощность Pкн расходуется на нагрев обмоток и определяет величину активного сопротивления недлинного замыкания rк.

Во время проведения опыта определяют напряжение Uкн, ток I1к = I1н и мощность Pкн первичной обмотки. По этим данным можно найти:

– процентное напряжение недлинного замыкания

– активное сопротивление недлинного замыкания

– активные сопротивления первичной и приведенной вторичной обмоток, примерно равные половине сопротивления недлинного замыкания

– полное сопротивление недлинного замыкания

– индуктивное сопротивление недлинного замыкания

– индуктивное сопротивление первичной и приведенной вторичной обмоток, примерно равны половине индуктивного сопротивления недлинного замыкания

– сопротивления вторичной обмотки реального трансформатора:

– индуктивное, активное и полное процентные напряжения недлинного замыкания:

В нагрузочном режиме очень принципиально знать, как оказывают влияние характеристики нагрузки на КПД и изменение напряжения на зажимах вторичной обмотки.

Коэффициентом полезного деяния трансформатора именуется отношение активной мощности, передаваемой нагрузке, к активной мощности, подводимой к трансформатору.

КПД трансформатора имеет высочайшее значение. У силовых трансформаторов маленький мощности он составляет приблизительно 0,95, а у трансформаторов мощностью в несколько 10-ов тыщ киловольт-ампер доходит до 0,995.

Определение КПД по формуле с внедрением конкретно измеренных мощностей P1 и P2 даёт огромную погрешность. Удобнее эту формулу представить в другом виде:

где – сумма утрат в трансформаторе.

В трансформаторе имеются два вида утрат: магнитные утраты, вызванные прохождением магнитного потока по магнитопроводу, и электронные утраты, возникающие при протекании тока по обмоткам.

Потому что магнитный поток трансформатора при U1 = const и изменении вторичного тока от нуля до номинального фактически остаётся неизменным, то и магнитные потерив этом спектре нагрузок также можно принять неизменными и равными потерям холостого хода.

Электронные утраты в меди обмоток ∆Pм пропорциональны квадрату тока. Их комфортно выразить через утраты недлинного замыкания Pкн, приобретенные при номинальном токе,

Режимы работы трансформатора

Рассмотрим три основных режима работы трансформатора: режим холостого хода, режим короткого замыкания и режим работы под нагрузкой.

В режиме холостого хода сопротивление нагрузки равно бесконечности (работа при разомкнутой вторичной обмотке), следовательно, ток, протекающий во вторичной обмотке, равен нулю 2 = 0). В этом режиме потери на нагрев и потоки рассеяния во вторичной обмотке равны нулю. Так как активное сопротивление обмоток гораздо меньше электрического сопротивления материала маг- нитопровода Rai Rq Х’$2

Как работает трансформатор тока

В процессе эксплуатации энергетических систем довольно часто решаются вопросы, связанные с необходимостью каких-либо установленных электрических величин в аналогичные величины с измененными значениями в определенной пропорции. Такая возможность позволяет выполнять безопасные измерения, производить моделирование определенных процессов в электроустановках. Для этого необходимо знать, как работает трансформатор тока, действие которого основано на законе электромагнитной индукции, применяемого для электрических и магнитных полей.

В процессе работы выполняется преобразование первичной величины вектора тока, протекающего в силовой цепи, во вторичный ток с пониженным значением. Во время такого преобразования соблюдается пропорциональность по модулю и точная передача угла.

В каком режиме работает трансформатор тока

Работа трансформатора может осуществляться в нескольких режимах. Одним из них является режим холостого хода, при котором вторичная обмотка находится в разомкнутом состоянии. Потребление тока первичной цепью самое минимальное, поэтому он называется током холостого хода. Магнитное поле холостого хода образуется вокруг первичной обмотки. Данный режим считается абсолютно безвредным для трансформатора.

Основным является режим нагрузки, в который трансформатор переходит из режима холостого хода. Во вторичной обмотке начинается течение тока, создающего магнитный поток, направленный против магнитного поля в первичной обмотке. В первый момент значение этого магнитного потока уменьшается, что приводит к уменьшению ЭДС самоиндукции в первичной обмотке.

Поскольку внешнее напряжение, приложенное к генератору, не изменяется, это приводит к нарушению электрического равновесия между приложенным напряжением и ЭДС самоиндукции, а ток в первичной обмотке увеличивается. Соответственно увеличивается и магнитный поток, а также электродвижущая сила самоиндукции. Однако значение тока в первичной обмотке будет выше, чем в режиме холостого хода. Таким образом, сумма магнитных потоков первичной и вторичной обмоток в режиме нагрузки, будет равна магнитному потоку первичной обмотки трансформатора в режиме холостого хода.

В режиме нагрузки, когда появляется вторичный ток, происходит возрастание первичного тока. Это приводит к падению напряжения во вторичной обмотке и его уменьшению. В случае снижения нагрузки, при которой вторичный ток уменьшается, наступает уменьшение и размагничивающего действия вторичной обмотки. Наблюдается рост магнитного потока в сердечнике и соответствующий рост самоиндукции ЭДС. Данный процесс, касающийся электрического равновесия, продолжается до тех пор, пока оно полностью не восстановится.

Одним из основных считается и режим короткого замыкания, при котором во вторичной цепи будет практически нулевое сопротивление. Ток во вторичной цепи достигает максимального значения, магнитное поле во вторичной обмотке также будет иметь наивысший показатель. Одновременно, магнитное поле в первичной обмотке уменьшается и становится минимальным. Следовательно, происходит и снижение индуктивного сопротивления в этой обмотке. В то же время возрастает ток, потребляемый первичной цепью. Данная ситуация приводит к возникновению режима короткого замыкания, опасного не только для самого трансформатора, но и для всей цепи. Защита от короткого замыкания обеспечивается путем установки предохранителей в первичной или вторичной цепи.

Особенности работы трансформатора тока в разных условиях:

  • Режим работы приближается к короткому замыканию, поскольку сопротивление нагрузки, подключаемой совместно со вторичной обмоткой, имеет минимальное значение. Фактически, работа трансформатора тока происходит в режиме короткого замыкания.
  • Трансформатор тока своим режимом работы существенно отличается от других трансформаторных устройств. При изменении нагрузки в обычном трансформаторе, значение магнитного потока в сердечнике не изменяется при условии постоянно приложенного напряжения.
Каждый электрик должен знать:  Маркировка автоматических выключателей значение и расшифровка

В каком режиме работает измерительный трансформатор напряжения

Важнейшими элементами высоковольтных цепей являются измерительные трансформаторы напряжения. Данные устройства предназначены для понижения высокого напряжения, после чего пониженное напряжение может питать измерительные цепи, релейную защиту, автоматику и учет, а также другие элементы. Таким образом, трансформаторы напряжения позволяют измерять напряжение в высоковольтных сетях, от них поступает питание на катушки реле минимального напряжения, счетчики, ваттметры, фазометры, а также на аппаратуру, контролирующую состояние изоляции сети.

С помощью трансформатора осуществляется понижение высокого напряжения до стандартных значений. С их помощью происходит разделение измерительных цепей и релейной защиты с первичными цепями высокого напряжения. Подключение первичной обмотки производится к источнику входного напряжения сети, а вторичная обмотка соединяется параллельно с катушками реле и измерительных приборов. Работа трансформатора напряжения осуществляется в режиме, приближенном к холостому ходу. Это связано с высоким сопротивлением приборов, подключенных параллельно и низким током, потребляемым ими.

Для обеспечения нормальной работы вторичных цепей установка трансформаторов напряжения может выполняться не только на шинах подстанции, но и на каждой точке подключения. Перед началом электромонтажных работ необходимо осмотреть устройство, проверить целостность изоляции, исправность узлов и элементов. С целью дальнейшей безопасной эксплуатации трансформатора, его корпус и вторичная обмотка заземляется. В результате, создается защита от возможного перехода высокого напряжения во вторичные цепи в случае пробоя изоляции.

Каждый трансформатор обладает определенной номинальной погрешностью и классами точности, составляющими 0,2; 0,5; 1; 3. Уровень погрешности зависит от конструкции магнитопровода, размеров вторичной нагрузки и других факторов. Компенсировать погрешность напряжения можно, если уменьшить количество витков первичной обмотки и компенсировать угловую погрешность специальными компенсирующими обмотками.

Режимы работы трансформатора

Конструкция и принцип действия однофазного трансформатора.

Трансформатор –это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного (синусоидального) тока одного напряжения в переменный ток др. напряжения той же частоты.

По числу фаз трансформаторы подразделяются на однофазные и трехфазные. Каждая фаза трансформатора имеет первичную обмотку, к которой энергия подводится от источника и вторичную обмотку, с которой энергия поступает к потребителю. Конструкция: Однофазный трансформатор имеет замкнутый ферромагнитный сердечник, на который намотаны первичная и вторичная обмотки с числом витков W1 и W2. Для уменьшения вихревых токов ферромагнитный сердечник набирается из отдельных пластин электротехнической трансформаторной стали толщиной 0,35 или 0,5 мм.

Принцип действия: Работа трансформатора основана на законе электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток I1, который создает в сердечнике (магнитопроводе) переменный магнитный поток. Замыкаясь в сердечнике, этот поток сцепляется с первичной и вторичной обмотками и индуцирует в них ЭДС, пропорциональные числу витков W

Схема однофазного трансформатора

Уравнения трансформатора. Коэффициент трансформации.

В первичной обмотке ЭДС самоиндукции

во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции Активное и полное сопротивления первичной обмотки трансформатора обозначаются R1 и Z1, а вторичной -R2 и Z2.

Работа трансформатора в общем случае описывается системой уравнений:

W1I1 + W2I2 = W1I0, (3) где I – ток холостого хода.Соотношение ЭДС обмоток называется коэффициентом трансформации

Если , то вторичная ЭДС меньше первичной и трансформатор называ­ется понижающим, при – трансформатор повышающий.

Режимы работы трансформатора.

а) режим холостого хода-режим, при котором трансформатор представляет собой катушку с магнитопроводом, к обмотке которой подключен источник синусоидального напряжения. На основе этого режима создан опыт холостого хода-испытание трансформатора при разомкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном первичном напряжении. Этот опыт служит для определения коэффициента трансформации и мощности потерь в магнитопроводе трансформатора.

б)режим короткого замыкания — аварийный режим, так как трансформатор сильно нагревается и перегрев может вызвать его разрушение. На основе этого режима создан опыт короткого замыкания — испытание при короткозамкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном первичном токе. Служит для определения параметров трансформатора: мощность потерь в проводах, внутреннего падения напряжения.

Дата добавления: 2020-07-29 ; просмотров: 410 | Нарушение авторских прав

Режимы работы трансформаторов

Работа трансформатора сопряжена с разными режимами. Но не каждый из них влияет одинаково на состояние оборудования. Каждому режиму свойственна своя нагрузка, напряжение обмоток – а эти показатели влияют на температуру масла в баке, на температуру обмоток. Значительное влияние на работу оборудования оказывают условия окружающей среды.

Трансформаторы работают в режимах:

Нормальный для работы трансформатора режим

Исправный трансформатор работает в номинальном, оптимальном и режиме холостого хода.

Оптимальный и номинальный режимы

Номинальный и оптимальный режимы иначе называют рабочими. Так как в их случае величина напряжения и мощность приближены к номинальным значениям. На такие условия и рассчитан трансформатор.

При номинальном режиме на первичную обмотку трансформатора поступает ток и напряжение номинального значения. Но по факту такое бывает редко. Ведь электрическая сеть не обладает идеальной стабильностью: происходят скачки напряжения. Такие условия идеальны для работы самого устройства, а вот максимально эффективной работы при них не будет.

При оптимальном режиме трансформатор показывает максимум КПД. Чаще всего такое бывает, если нагрузка составляет около 50-70% от номинального показателя. Нынешние трансформаторы имеют на выходе коэффициент полезного действия от 90% и больше.

Как правило, режимы работы трансформатора меняются вместе с нагрузкой.

Режим холостого хода

При работе на холостом ходу напряжение в первичной обмотке есть, а вот вторичную не подключают к распределительной сети. Энергия идет в никуда, соответственно КПД в таком случае нулевой.

Когда нужно определить значение коэффициента трансформации оборудования, величину потерь в обмотках и сердечнике, характеристики намагничивающей ветви схемы замещения – трансформатор переводят в холостой режим. Для таких тестов первичную обмотку трансформатора подключают к номинальной нагрузке.

А трансформаторы напряжения в режиме холостого хода работают, а не только тестируются.

Трансформатор в режиме параллельной работы

Сразу два трансформатора целесообразно устанавливать в сетях потребителей энергии I и II категории. В таких комплектных подстанциях важно разместить оборудование так, чтобы нагрузка распределялась равномерно.

Как избежать перегрузки одного из трансформаторов:

  • нужно обеспечить одни и те же группы соединений обмоток в устройствах;
  • разница в коэффициенте трансформации не должна превышать 0,5 %;
  • соотношение номинальной мощности устройств должно быть не больше 1/3;
  • показатели напряжения КЗ должны иметь разницу не больше, чем 10 %;
  • обязательно проведите фазировку оборудования.

Режим перегрузок

Оборудование перегружается, если испытывает слишком большую нагрузку или воздействия слишком высокой температуры. Каждая модель трансформатора способна работать без сбоев при разной нагрузке и температуре. Кратковременное возрастание нагрузки предусмотрено производителем. Поэтому это не сказывается на его дальнейшей работе. Важно, чтобы такие сбои не были долговременными и регулярными. На допустимые перегрузки есть свои ГОСТ 14209-97.

Аварийный режим

Если подающая на оборудование мощность в несколько раз больше номинальных значений, наступает аварийный режим работы. Дальше давать работать оборудованию – просто опасно. Во многих моделях трансформаторов на такой случай предусмотрены автоматические выключатели. Если по какой-то причине автоматика не сработала, то отключите оборудование от нагрузки вручную.

Как распознать аварийный режим:

  • вы слышите разрозненный шум и треск из бака;
  • рабочая часть трансформатора слишком сильно нагревается;
  • из масляного бака вытекает масло.

Не редко наступление аварийного режима связано с коротким замыканием во вторичной обмотке. Это не касается трансформаторов тока и сварочных трансформаторов. Данное оборудование предназначено для работы в режиме КЗ.

Изменение напряжения во время КЗ влияет на работу оборудования и его срок службы в целом. Колебание напряжение выражают в процентах. Для средне мощных моделей это 5-7%, а для мощных – 6-12%.

Важно не давать оборудованию быть под нагрузкой при аварийном режиме. А перегрузки максимально ограничивать. Тогда трансформатор проработает весь гарантированный производителем срок.

Режимы работы трансформаторов

Для начала рассмотрим режимы работы всех силовых трансформаторов [4].

Различают несколько режимов работы трансформаторов.

Рабочий режим, при котором напряжение первичной обмотки близко к номинальному или равно ему, а ток определяется нагрузкой трансформатора.

Нагрузочным или рабочим называется режим работы трансформатора, при котором к первичной обмотке подведено напряжение U1, а к вторичной подключены потребители ZН (рисунок 10), так что I2 > 0.

Рисунок 10 — Нагрузочный режим однофазного трансформатора

Это основной режим, при котором вторичный ток изменяется в пределах 0

Трансформатор. Холостой и рабочий ход трансформатора. Передача и потребление электроэнергии

Электрический ток можно преобразовывать практически без потерь. На практике чаще всего требуется невысокое напряжение. Устройство, служащее для преобразования (повышения или понижения) переменного напряжения, называется трансформатором. Или трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.

Впервые трансформаторы были использованы в 1878 г. русским ученым П.Н.Яблочковым.

Простейший трансформатор состоит из сердечника 2 (магнитопровода) замкнутой формы, на который намотаны две обмотки: первичная 1 и вторичная 2. Сердечник собирают из множества тонких пластин ферромагнитного сплава для того, чтобы снизить воздействия вихревых токов внутри стали, возникающих при появлении магнитного поля.

Условное обозначение трансформатора

Принцип действия трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Первичная обмотка трансформатора подсоединяется к источнику переменного тока, а вторичная, соответственно, к потребителям электроэнергии. Протекающий по первичной обмотке ток создает переменный магнитный поток (Ф) в сердечнике трансформатора. В результате магнитной индукции переменный магнитный поток в сердечнике трансформатора создает в обмотке ЭДС индукции, в том числе и в первичной обмотке.

Напряжение на вторичной обмотке зависит от числа витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора:

U1 — напряжение на первичной обмотке трансформатора, В;

U2 — напряжение на вторичной обмотке трансформатора, В;

N1 — число витков на первичной обмотке;

N2 — число витков на вторичной обмотке;

K – коэффициент трансформации.

При k > 1 трансформатор будет понижающим, при k 2 через проводник (согласно закону Джоуля — Ленца). Чтобы уменьшить потери энергии, необходимо уменьшить силу тока в линии передачи. При данной мощности уменьшение силы тока возможно лишь при увеличении напряжения (P=UI). Для этого между генератором и линией электропередачи включают повышающий трансформатор, а понижающий трансформатор — между ЛЭП и потребителем электроэнергии.

В бытовых электроприборах (по технике безопасности) используются небольшие напряжения 220 и 380 В. У современных трансформаторов высокий КПД — свыше 99%.

Технологическая цепочка передачи электроэнергии

Добавить комментарий