Работа трансформатора под нагрузкой

Слайд № 27

    При работе трансформатора в режиме нагрузки (Z_н ≠ 0) во вторичной цепи под воздействием  появится ток . Основной магнитный поток Ф ₀ создается совместным действием МДС первичной и вторичной обмоток.

Результирующая МДС F _р равна их геометрической сумме.

    Справа на слайде № 27 приведена векторная диаграмма, соответствующая этому уравнению.

Кроме основного потока Ф ₀ обмотки трансформатора охватываются и потоками рассеивания Ф _1σ и Ф _2σ, которые создают в обмотках э.д.с. самоиндукции, характеризуемые соответствующими индуктивными сопротивлениями Х ₁ и Х ₂:

 и .

    С учетом активного сопротивления обмоток уравнения электрического состояния первичной и вторичной цепей имеют вид:

,

или

Внешняя характеристика трансформатора

Слайд № 28

    Рабочие свойства трансформатора характеризуются зависимостью напряжения на нагрузке U ₂ и к.п.д. η от тока I ₂.

    Зависимость U ₂ = f (I ₂) при различном характере нагрузки (активной, реактивной, емкостной) называется внешней характеристикой трансформатора.

    Внешняя характеристика трансформатора U ₂ = f (I ₂) и зависимость     η = f (I ₂) могут быть получены опытным путем или рассчитаны по эквивалентной схеме замещения. В последнем случае уравнение электрического состояния, полученное из Г-образной схемы замещения, имеет вид:

.

    Вид зависимости U ₂ = f (I ₂) определяется характером нагрузки.

Слайд № 28, слева вверху

    Так, при емкостном характере нагрузки (cos φ < 0) с ростом тока I ₂ напряжение U ₂ возрастает, а при индуктивном характере (cos φ > 0) падает.

    Коэффициент полезного действия трансформатора η равен отношению полезной активной мощности Р ₂ ко всей активной мощности, поступающей из сети:

η = Р ₂/ P ₁ = P ₂ /(P ₂+Δ P _c +Δ P _м),

где Δ P _c – потери в стали магнитопровода;

Δ P _м – потери мощности в обмотках.

    Полезная мощность трансформатора при любом характере нагрузки

Р ₂ = U ₂ I ₂cos φ ₂ = βS _нcos φ ₂,

где S _н – полная мощность трансформатора, В∙А;

β = I ₂/ I _2н – коэффициент нагрузки.

    Потери в стали Δ P _c не зависят от нагрузки и равны потерям холостого хода. Потери в обмотках Δ P _м пропорциональны квадрату тока

    После подстановки выражение для η будет иметь вид:

η = (β S _нcos φ ₂)/(βS _нcos φ ₂+ Δ Р _с + Δ Р _мн β ²)

    Зависимости ΔР_м, ΔР_с и η от коэффициента нагрузки β представлены на слайде (рис. 28).

Слайд № 28 справа внизу

    Зависимость η = f (β) имеет максимум. Посредством подбора параметров обмоток и магнитопровода для силовых трансформаторов выбирают η_max при β = 0,5÷0,7, так как они обычно работают большее время с недогрузкой.

Особенности трехфазных трансформаторов и автотрансформаторов

Трехфазные трансформаторы

Слайд № 29

              Конструктивно трехфазные трансформаторы выполняют стержневыми. На каждом из трех стержней размещают первичную и вторичную обмотки одной фазы. Результирующие МДС каждой фазы смещены друг относительно друга на 120°, сумма векторов магнитных потоков равна нулю (). Фазы первичной и вторичной обмоток могут соединяться в звезду (Y) и треугольник (Δ). Поэтому векторы линейных напряжений  и  могут не совпадать по фазе. Сдвиг по фазе указывается группой соединения обмоток (На слайде № 29 справа).

    Так, например, на Слайде № 29 справа вверху показана группа соединения Y/Y–0, где 0 указывает на совпадение фазы А вторичной обмотки с фазой А первичной.

    На Слайде № 29 справа внизу показана схема соединения Y/Δ–11, здесь 11 указывает, что вектор напряжения  первичной обмотки опережает по фазе вторичной обмотки на 30° и совпадает с положением часовой стрелки на цифре 11.

    В системах большой мощности трехфазные трансформаторов выполняются с использованием трех однофазных трансформаторов. Это вызвано тем, что трехфазный трансформатор большой мощности имеет такие большие габариты и массу, что его невозможно транспортировать доже специальным транспортными средствами (железнодорожным, морским, речным и автотранспортом).

    Для трехфазных трансформаторов эквивалентные схемы замещения изображаются для одной фазы и имеют такой же вид, как и для однофазного трансформатора. Параметры схемы замещения определяются из опытов холостого хода и короткого замыкания.

 

Автотрансформаторы

Слайд № 30

    Преобразование переменного напряжения может быть осуществлено с использованием автотрансформатора. Автотрансформатор в конструктивном отношении подобен обычному трансформатору: имеет замкнутый стальной магнитопровод, на котором размещены две обмотки, выполненные из медного провода различного сечения. В отличие от трансформатора обмотки автотрансформатора электрически соединены.

    У понижающего трансформатора обмотка вторичного напряжения является частью обмотки первичного напряжения. У повышающего трансформатора, наоборот, обмотка первичного напряжения является частью обмотки вторичного напряжения.

    Таким образом, в автотрансформаторе, кроме магнитной связи между первичной и вторичной обмотками, имеется и электрическая связь.

    Устройство и обозначение на схемах автотрансформатора представлено на Слайде № 30

    Электромагнитные процессы в автотрансформаторе ничем не отличаются от процессов в обычном трансформаторе.

    Преимуществом автотрансформатора перед трансформатором является более простое устройство, меньший расход меди, более высокий к.п.д., меньшие потери в обмотках и стали магнитопровода. Это объясняется тем, что в автотрансформаторе энергия из первичной сети во вторичную частично передается по электрической связи.

    Однако автотрансформатор по сравнению с трансформатором имеет существенные недостатки: он имеет малое сопротивление короткого замыкания, что обуславливает большой ток короткого замыкания, а электрическая связь между обмотками при высоком первичном напряжении опасна при прикосновении человека к проводам в цепи нагрузки.

    Преимущество автотрансформатора тем сильнее, чем меньше коэффициент трансформации. Поэтому автотрансформаторы применяются при небольших коэффициентах трансформации (n =1÷2).

    Автотрансформаторы низкого напряжения выполняются на небольшую мощность (до 7,5 кВА). Они имеют обмотку с одним сечением провода и могут использоваться как для повышения, так и для понижения напряжения.

    В лабораториях широко применяются автотрансформаторы низкого напряжения малой мощности (ЛАТР). Они имеют плавную регулировку выходного напряжения. В этих автотрансформаторах один зажим нагрузки выполнен в виде подвижного (скользящего контакта).