Трансформаторы. Данную тему целесообразно начинать с изучения электрической цепи однофазного тока, содержащей катушку со стальным сердечником

Данную тему целесообразно начинать с изучения электрической цепи однофазного тока, содержащей катушку со стальным сердечником, а затем переходить непосредственно к изучению трансформатора.

Рассматривая физические процессы, возникающие в трансформаторе, необходимо обратить особое внимание на то положение, что при изменении нагрузки трансформатора в широком диапазоне (от холостого хода до номинального режима) магнитный поток может считаться практически постоянно и равным магнитному потоку в режиме холостого хода. Это в свою очередь определяет постоянство потерь в стали, которые легко определяются из режима холостого хода.

При рассмотрении режима опыта короткого замыкания получается, что магнитный поток в сердечнике трансформатора настолько мал, что им можно пренебречь, а, следовательно, при этом режиме потери в стали трансформатора практически равны нулю, а потери в меди (в обмотках трансформатора) равны потерям при номинальной нагрузке трансформатора.

Величины токов, напряжений и мощностей, полученные из режимов

холостого хода и опыта короткого замыкания, позволяют определить основные параметры трансформатора.

В паспорте трехфазных трансформаторов дается номинальная мощность и мощность потерь всех трех фаз. Под номинальными напряжениями понимаются линейные напряжения на зажимах трансформатора в режиме холостого хода, а под номинальными токами – линейные токи независимо от схемы соединения обмоток.

После изучения настоящего раздела студенты должны:

1) знать основные элементы конструкции трансформатора; выражение для коэффициента трансформации; уравнения электрического и магнитного состояний трансформатора;

2) понимать назначения опытов холостого хода и короткого замыкании; сущность «приведения» параметров вторичной обмотки трансформатора к первичной; различие опыта короткого замыкания и режима короткого замыкания трансформатора; причины изменения напряжения на вторичной обмотке трансформатора; принципы построения векторных диаграмм для различных нагрузок;

3) уметь анализировать различные режимы работы трансформатора; читать паспорт трансформатора; включать приемники и электроизмерительные приборы для определения напряжений, токов и мощностей; предвидеть последствия коммутационных изменений в цепи нагрузки на электрическое состояние трансформатора.

Теория трансформатора полностью распространяется на автотрансформаторы и измерительные трансформаторы. Поэтому при их изучении следует обратить внимание на область их применения и особенности работы.

Задача. Для трехфазного трансформатора мощностью , соединение обмоток которого , известно: номинальное напряжение на зажимах первичной обмотки трансформатора В, напряжение холостого хода на зажимах вторичной обмотки трансформатора В, напряжение короткого замыкания , мощность короткого замыкания Вт, мощность холостого хода Вт, ток холостого хода .

Определить:

1) сопротивление обмоток трансформатора , , и ;

2) эквивалентное сопротивление (сопротивление намагничивающей цепи) и его составляющие и , которыми заменяется магнитная цепь трансформатора ;

3) угол магнитных потерь .

Построить характеристики трансформатора: 1) зависимость напряжения от нагрузки (внешняя характеристика), 2) зависимость коэффициента полезного действия от нагрузки, - коэффициент нагрузки трансформатора (коэффициент мощности нагрузки принять ).

Построить векторную диаграмму трансформатора при нагрузке, составляющей 0,8 от номинальной мощности трансформатора и .

Составить Т-образную схему замещения трансформатора.

Решение. Определяем номинальный ток первичной обмотки:

А.

Определяем ток холостого хода и cos :

А;

; .

Определяем угол магнитных потерь:

.

Определяем сопротивление обмоток.

1)Сопротивления короткого замыкания

Ом;

Ом;

Ом.

2)Сопротивления первичной обмотки:

Ом;

Ом.

3)Сопротивления вторичной обмотки:

Ом;

Ом,

где .

Определяем сопротивления намагничивающей цепи:

Ом;

Ом;

Ом.

Для построения внешней характеристики определяем потерю напряжения во вторичной обмотке трансформатора:

,

где , -соответственно активное и реактивное падения напряжений;

; ;

;

. (8)

Напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора определяем по формуле

(9)

Задаваясь различными значениями , по формулам (8) и (9) определяем напряжение (см. табл. 1).

Для построения зависимости расчет коэффициента полезного действия производим по формуле:

.

Таблица 1.

	№ п/п		, %	, В
	0,1	-	-	0,555
		0,025	-	-	0,757
		0,05	-	-	0,904
		0,1	0,507	397,97	0,924
		0,2	1,014	395,94	0,956
		0,3	1,521	393,92	0,965
		0,4	2,028	391,89	0,967
		0,5	2,535	389,86	0,969
		0,6	3,042	387,83	0,967
		0,7	3,549	385,8	0,966
		0,8	4,056	383,78	0,964
		0,9	4,563	381,75	0,963
			5,07	379,72	0,962

Рис.13

Результаты расчета сведены в табл. 1. Полученные характеристики показаны на рис. 13.

Определяем, при какой нагрузке трансформатор имеет максимальный

к. п. д.:

; .

Построение векторной диаграммы начнем с вектора фазного напряжения , величина которого для и будет равна

В.

Приведенное значение вторичного напряжения

В.

Вектор тока отстает по фазе вектора на задний угол и равен:

А; А.

Падения напряжения во вторичной обмотке:

А; В.

Электродвижущую силу находим из уравнения электрического состояния, составленного по второму закону Кирхгофа, для вторичной цепи:

.

Рис. 14

Вектор потока отстает от вектора на , а ток холостого хода опережает поток на угол потерь .

Ток в первичной обмотке трансформатора получаем из уравнения намагничивающих магнитодвижущих сил:

,

где .

Вектор напряжения первичной обмотки трансформатора определяем из уравнения электрического состояния, составленного по второму закону Кирхгофа для первичной цепи:

.

Током холостого хода можно пренебречь (так как он мал) и принять или определить по диаграмме. Тогда падения напряжений в первичной обмотке будут:

А; В.

Векторная диаграмма трансформатора приведена на рис. 14. Т-образная схема замещения трансформатора изображена на рис. 15.

Рис. 15