Принцип работы. Как первичная, так и вторичная обмотки трансформатора могут быть соединены любым из трёх способов, показанным выше

Как первичная, так и вторичная обмотки трансформатора могут быть соединены любым из трёх способов, показанным выше, в любых комбинациях. Конкретный способ и комбинация определяются назначением трансформатора.

15 Схема замещения трансформатора

Одним из средств изучения работы трансформатора является эквивалентная схема замещения, в которой магнитная связь между обмотками трансформатора замещена электрической связью, а параметры вторичной обмотки приведены к числу витков первичной.

Так как в приведенном трансформаторе k=1, то и –E₁=E₂. В результате точки a₁и a₂, b₁ и b₂ имеют одинаковый потенциал, поэтому на схеме их можно соединить, получив тем самым Т-образную схему замещения трансформатора.

Параметры r₁, x₁ – активное и индуктивное сопротивления первичной обмотки, соответственно.

r₂, x₂ – приведенные значения активного и индуктивного сопротивлений вторичной обмотки, соответственно.

Z_н – полное сопротивление нагрузки.

Магнитный поток не зависит от нагрузки, поэтому его представляют как индуктивное сопротивление xm, активное сопротивление rm, которое обусловлено магнитными потерями и протекающий через них ток холостого хода I₀. Эти параметры определяются в опыте холостого хода трансформатора.

Изменяя Z_н на схеме замещения, можно получить любой режим работы трансформатора. Например, при разомкнутой вторичной обмотке Z_н= ∞, что соответствует режиму холостого хода трансформатора, а при Z_н= 0 – режиму короткого замыкания. При любых других значениях Z_н – режим работы под нагрузкой. Режимы работы необходимы для определения параметров схемы замещения.

При практических расчетах, током холостого хода пренебрегают, тогда схема сводится к упрощенной.

Где r_экв=r₁+r₂’, x_экв=x₁+x₂’

16 Коэффициент трансформации трансформатора В основе работы каждого типа трансформаторов лежит принцип, связанный с электромагнитной индукцией. Стальные пластины, собранные в замкнутую раму различной формы, исполняют роль сердечника. На нем размещаются две обмотки (S1 иS2) с определенным количеством витков (W1 иW2). Обе обмотки обладают незначительным сопротивлением и большой индуктивностью. Одной из основных величин, характеризующих работу устройства, служит коэффициент трансформации трансформатора. Понятие коэффициента трансформации Если к обоим концам первичной обмотки S1 приложить переменное напряжение U1, то по обмотке будет проходить переменный ток I, намагничивающий сердечник и создающий в нем переменный магнитный поток. С постепенным нарастанием тока, наблюдается и рост магнитного потока в сердечнике. При этом, в витках катушки возбуждается электродвижущая сила самоиндукции. При достижении величины прилагаемого напряжения, прекращается увеличение тока в первичной обмотке. Переменный магнитный поток, который возникает в сердечнике, проходит и по виткам во вторичной обмотке, в которых возбуждается такая же электродвижущая сила, как и в первичной обмотке. Таким образом, соотношение напряжений на концах обмоток равно соотношению витков на первичной и вторичной обмотке. Это соотношение и представляет собой коэффициент трансформации трансформатора. Как повысить напряжение В случае необходимости повышения напряжения, во вторичной обмотке добавляется необходимое количество витков. Такое устройство становится повышающим трансформатором. Для того, чтобы сделать понижающий трансформатор, количество витков на вторичной обмотке, наоборот, уменьшается. В зависимости от первичной обмотки, один и тот же трансформатор может иметь либо повышающий, либо понижающий коэффициент трансформации. При разомкнутой вторичной обмотке, в ней отсутствует ток, и работа трансформатора происходит вхолостую. Потребление энергии становится минимальным, ее передача из первичной цепи во вторичную отсутствует. Во время нагрузки трансформатора происходит процесс непрерывной передачи электроэнергии во вторичную цепь из первичной обмотки. Согласно закону превращения и сохранения энергии в первичной и вторичной цепи мощность тока совершенно одинакова. Однако, на практике, это равенство не может быть сохранено, поскольку во время работы трансформатора возникают потери, хотя и в небольшом количестве. Таким образом, средний коэффициент трансформации будет находиться в пределах от 94 до 99%.

17 Схемы соединений обмоток трехфазных трансформаторов

Трехфазный трансформатор имеет две трехфазные обмотки - высшего (ВН) и низшего (НН) напряжения, в каждую из которых входят по три фазные обмотки, или фазы. Таким образом, трехфазный трансформатор имеет шесть независимых фазных обмоток и 12 выводов с соответствующими зажимами, причем начальные выводы фаз обмотки высшего напряжения обозначают буквами A, B, С, конечные выводы - X, Y, Z, а для аналогичных выводов фаз обмотки низшего напряжения применяют такие обозначения: a,b,c,x,y,z.

В большинстве случаев обмотки трехфазных трансформаторов соединяют либо в звезду -Y, либо в треугольник - Δ (рис. 1).

Выбор схемы соединений зависит от условий работы трансформатора. Например, в сетях с напряжением 35 кВ и более выгодно соединять обмотки в звезду и заземлять нулевую точку, так как при этом напряжение проводов линии передачи будет в √3 раз меньше линейного, что приводит к снижению стоимости изоляции.

Рис.1

Осветительные сети выгодно строить на высокое напряжение, но лампы накаливания с большим номинальным напряжением имеют малую световую отдачу. Поэтому их целесообразно питать от пониженного напряжения. В этих случаях обмотки трансформатора также выгодно соединять в звезду (Y), включая лампы на фазное напряжение.

С другой стороны, с точки зрения условий работы самого трансформатора, одну из его обмоток целесообразно включать в треугольник (Δ).

Фазный коэффициент трансформации трехфазного трансформатора находят, как соотношение фазных напряжений при холостом ходе:

nф = Uфвнх / Uфннх,

а линейный коэффициент трансформации, зависящий от фазного коэффициента трансформации и типа соединения фазных обмоток высшего и низшего напряжений трансформатора, по формуле:

nл = Uлвнх / Uлннх.

Если соединений фазных обмоток выполнено по схемам "звезда-звезда" (Y/Y) или "треугольник-треугольник" (Δ/Δ), то оба коэффициента трансформации одинаковы, т.е. nф = nл.

При соединении фаз обмоток трансформатора по схеме "звезда - треугольник" (Y/Δ) - nл = nф√3, а по схеме "треугольник-звезда" (Δ / Y) - nл = nф /√3

Группы соединений обмоток трансформатора

Группа соединений обмоток трансформатора характеризует взаимную ориентацию напряжений первичной и вторичной обмоток. Изменение взаимной ориентации этих напряжений осуществляется соответствующей перемаркировкой начал и концов обмоток.

Стандартные обозначения начал и концов обмоток высокого и низкого напряжения показаны на рис.1.

Рассмотрим вначале влияние маркировки на фазу вторичного напряжения по отношению к первичному на примере однофазного трансформатора (рис. 2 а).

Рис.2

Обе обмотки расположены на одном стержне и имеют одинаковое направление намотки. Будем считать верхние клеммы началами, а нижние - концами обмоток. Тогда ЭДС Ё1 и E2 будут совпадать по фазе и соответственно будут совпадать напряжение сети U1 и напряжение на нагрузке U2 (рис. 2 б). Если теперь во вторичной обмотке принять обратную маркировку зажимов (рис. 2 в), то по отношению к нагрузке ЭДС Е2 меняет фазу на 180°. Следовательно, и фаза напряжения U2 меняется на 180°.

Таким образом, в однофазных трансформаторах возможны две группы соединений, соответствующих углам сдвига 0 и 180°. На практике для удобства обозначения групп используют циферблат часов. Напряжение первичной обмотки U1 изображают минутной стрелкой, установленной постоянно на цифре 12, а часовая стрелка занимает различные положения в зависимости от угла сдвига между U1 и U2. Сдвиг 0° соответствует группе 0, а сдвиг 180° - группе 6 (рис. 3).

В трехфазных трансформаторах можно получить 12 различных групп соединений обмоток. Рассмотрим несколько примеров.

Пусть обмотки трансформатора соединены по схеме Y/Y (рис. 4). Обмотки, расположенные на одном стержне, будем располагать одну под другой.

Зажимы А и а соединим для совмещения потенциальных диаграмм. Зададим положение векторов напряжений первичной обмотки треугольником АВС. Положение векторов напряжений вторичной обмотки будет зависеть от маркировки зажимов. Для маркировки на рис. 4а, ЭДС соответствующих фаз первичной и вторичной обмоток совпадают, поэтому будут совпадать линейные и фазные напряжения первичной и вторичной обмоток (рис. 4, б). Схема имеет группу Y/Y - О.

Изменим маркировку зажимов вторичной обмотки на противоположную (рис. 5. а). При перемаркировке концов и начал вторичной обмотки фаза ЭДС меняется на 180°. Следовательно, номер группы меняется на 6. Данная схема имеет группу Y/Y - б.

На рис. 6 представлена схема, в которой по сравнению со схемой рис 4 выполнена круговая перемаркировка зажимов вторичной обмотки (а→b, b→c, с→a). При этом фазы соответствующих ЭДС вторичной обмотки сдвигаются на 120° и, следовательно, номер группы меняется на 4.

Рис. 6

Схемы соединений Y/Y позволяют получить четные номера групп, при соединении обмоток по схеме Y/Δ номера групп получаются нечетными. В качестве примера рассмотрим схему, представленную на рис. 7. В этой схеме фазные ЭДС вторичной обмотки совпадают с линейными, поэтому треугольник аbс поворачивается на 30° против часовой стрелки по отношению к треугольнику АВС. Но так как угол между линейными напряжениями первичной и вторичной обмоток отсчитывается по часовой стрелке, то группа будет иметь номер 11.

Из двенадцати возможных групп соединений обмоток трехфазных трансформаторов стандартизованы две: Y/Y - 0 и Y/Δ-11. Они, как правило, и применяются на практике.

18 Напряжение короткого замыкания — одна из основных характеристик силового трансформатора, по которой судят о возможности параллельной работы нескольких трансформаторов. Оно равно тому напряжению, которое надо приложить к обмотке высшего напряжения, чтобы в замкнутой накоротко обмотке низшего напряжения протекал номинальный ток. Напряжение короткого замыкания обозначают ек и указывают в паспорте силового трансформатора (в процентах номинального напряжения).

режим короткого замыкания.

В этом режиме сопротивление нагрузки равно нулю (Z_н = 0), выходное напряжение U₂ = 0.

В зависимости от условия возникновения различают эксплуатационное короткое замыкание и испытательное короткое замыкание трансформатора (опыт короткого замыкания).

Эксплуатационное короткое замыкание является аварийным, т.к. оно происходит при U₁ = U_ном, при этом ток в первичной и вторичной обмотках очень большой. Это приводит к выходу трансформатора из строя.

Опыт короткого замыкания проводит при U₁ << U_ном, чтобы токи I₁ и I₂ были номинальными. Так как U₁ < U_ном, то ток намагничивания будет мал и соответственно будет мал и магнитный поток в сердечнике. Можно считать, что потери в стали минимальны и ими пренебрегают. Отсюда следует, что общие потери в трансформаторе равны потерям на нагрев проводников обмоток. Эти потери называют потерями в меди Р_м.

ТО, опыт короткого замыкания проводится с целью определения мощности потерь в первичной и вторичной обмотках трансформатора, т.е на нагрев проводников (потерями в меди Р_м..) Δ Р_м=Р_кз.

Основной характеристикой режима короткого замыкания является характеристика короткого замыкания – зависимость I_1к и Р_1к от U₁.

Зависимость I₁ от U₁ является линейной, т.к. сталь сердечника магнитопровода трансформатора при коротком замыкании не насыщается вследствие малости магнитного потока Ф. Зависимость мощности Р от напряжения представляет собой параболу, т.к. Р_1к = r × I²_1к ≈ U²_1к.

19 Коэффициент мощности (cos φ, косинус фи), Полная (кажущаяся), активная и реактивная мощность электродвигателя=электромотора и не только его. Коэффициент мощности для трехфазного электродвигателя.

На шильдиках многих электромоторов (электродвигателей и др. устройств) указывают активную мощность в Вт и cosφ / или λ /или PF. Что тут к чему см. ниже.

Подразумеваем,что переменное напряжение в сети синусоидальное - обычное, хотя все рассуждения ниже верны и для всех гармоник по отдельности других периодических напряжений.

Полная, или кажущаяся мощность S (apparent power) измеряется в вольт-амперах (ВА или VA) и определяется произведением переменных напряжения и тока системы. Удобно считать, что полная мощность в цепи переменного тока выражается комплексным числом таким, что активная мощность является его действительной частью, реактивная мощность — мнимой.

угол φ -это угол между фазой напряжения и фазой тока, называемый еще сдвигом фаз, при этом, если ток отстаёт от напряжения, сдвиг фаз считается положительным, если опережает его, то отрицательным величина sin φ для значений φ от 0 до плюс 90° является положительной величиной. Величина sin φ для значений φ от 0 до -90° является отрицательной величиной если sin φ>0, то нагрузка имеет активно-индуктивный характер (электромоторы, трансформаторы, катушки...) - ток отстает от напряжения если sin φ<0, нагрузка имеет активно-ёмкостный характер - (конденсаторы...) - ток опережает напряжение Все соотношения между P, S и Q определяются теоремой Пифагора и элементарными тригонометрическими тождествами для прямоугольного треугольника

Активная мощность P (active power = real power =true power) измеряется в ваттах (Вт, W) и это та мощность, которая потребляется электрическим сопротивлением системы на тепло и полезную работу. Для сетей переменного тока:

P=U*I*cosφ, где U и I - действующие=эффективные=среднеквадратичные значения напряжения и тока, а φ- сдвиг фаз между ними

Реактивная мощность Q (reactive power) измеряется в вольт-амперах реактивных (вар, var) и это электромагнитная мощность, которая запасается и отдается обратно в сеть колебательным контуром системы. Реактивная мощность в идеале не выполняет работы, т.е. название вводит в заблуждение. Легко догадаться глядя на рисунок, что:

P=U*I*sinφ, где U и I - действующие=эффективные=среднеквадратичные значения напряжения и тока, а φ- сдвиг фаз между ними

Сама концепция активной и реактивной мощности актуальна для устройств (приемников) переменного тока. Она малоактуальна=никогда не упоминатеся для приемников постоянного тока в силу малости (мизерности) соответствующих эффектов, связанных только с переходными процессами при включении/выключении.

Любая система, как известно, имеет емкость и индуктивность = является неким колебательным контуром. Переменный ток в одной фазе накачивает электромагнитное поле этого контура энергией а в противоположной фазе эта энергия уходит обратно в генератор (в сеть). Это вызывает в РФ 3 проблемы (для поставщика энергии!)

Хотя теоретически, при нулевых сопротивлениях передачи, на выработку реактивной мощности не тратится мощность генератора, но практически для передачи реактивной мощности по сети требуется дополнительная, активная мощность генератора (потери передачи).

Сеть должна пропускать и активные и реактивные токи, т.е иметь запас по пропускным характеристикам.

Генератор мог бы, выдавая те же ток и напряжение, поставлять потребителю электроэнергии больше активной мощности.

попробуем догадаться, что делает поставщик электроэнергии? Правильно, пытается навязать Вам различные тарифы для разлиных значений cos φ. Что можно сделать: можно заказать компенсацию реактивной мощности (т.е. установку неких блоков конденсаторов или катушек), которые заставят реактивную нагрузку колебаться внутри Вашего предприятия/устройства. Стоит ли это делать? Зависит от стоимости установки, наценок за коэффициент мощности и очень даже часто не имеет экономического смысла. В некоторых странах качество питающего напряжения тоже может пострадать от избытка реактивной мощности, но в РФ проблема неактуальна в силу изначально очень низкго качества в питающей сети.

Естественно, хотелось бы ввести величину, которая характеризовала бы степень линейности нагрузки. И такая величина вводится под названием коэффициент мощности ("косинус фи", power factor, PF), как отношение активной мощности к полной, естественно сразу в 2-х видах, в РФ это:

λ=P/S*100% - то есть, если в %, то это лямбда, P в (Вт), S в (ВА)

cosφ=P/S - более распространенная величина, P в (Вт), S в (ВА)

Коэффициент мощности для трехфазного асинхронного (обычного) электродвигателя.

cosφ = P / (√3*U*I)

где

cosφ = косинус фи

√3 = квадратный корень из трех

P = активная мощность (Вт)

U = Напряжение (В)

I = Ток (А)

20 Условия параллельной работы трансформаторов:

а. группы соединений обмоток трансформаторов должны быть одинаковы;

б. равенство коэффициентов трансформации и одинаковые положения переключа

телей отпаек;

в. равенство напряжений короткого замыкания;

г. должна быть выполнена фазировка трансформаторов, то есть проверка совпадения фаз вторичных напряжений у двух трансформаторов, включаемых на параллельную работу.

Рассмотрим параллельную работу двух трансформаторов в случае невыполнения одного из условий.

а. Разные группы соединения означают сдвиг фаз векторов вторичных напряжений и возникновение результирующего напряжения ΔU, под действием которого по трансформаторам потечет ток (в отсутствие нагрузки), значительно превышающий номинальный. Максимального значения, равного току КЗ, он достигнет при сдвиге фаз 180 градусов, например для трансформаторов с группами 6 и 12.

б. Неравенство коэффициентов трансформации или разные положения переключателей отпаек означают разность модулей двух векторов вторичных напряжений, совпадающих по фазе. Это приведет также к появлению результирующего напряжения ΔU в контуре вторичных обмоток и к протеканию тока по трансформаторам на холостом ходу.

в. Неравенство напряжений короткого замыкания Uк означает неравенство внутренних сопротивлений трансформаторов. На холостом ходу ток будет отсутствовать, но нагрузка будет распределяться между трансформаторами обратно пропорционально их сопротивлениям. В результате трансформатор с меньшим Uк будет перегружен.

г. Выполнение фазировки трансформаторов.

Как правилофазировка выполняется на низшем напряжении трансформаторов. На обмотках напряжением до 1000 Вфазировка проводится вольтметром на соответствующее напряжение. Для получения замкнутого электрического контура фазируемые обмотки следует предварительно соединить между собой. У обмоток с заземленнойнейтралью такое соединение осуществляется через землю. У обмоток с изолированнойнейтралью перед фазировкой соединяют любые два вывода фазируемых обмоток. При фазировке трансформаторов с заземленными нейтралями (рис.4.8. а) измеряют напряжение между выводом а2 и тремя выводами а, в, с, затем между выводом в2 и этими же тремя выводами, и наконец между с2 и всё теми же тремя выводами.

При фазировке трансформаторов без нейтралей (рис.4.8. б) последовательно ставят перемычку сначала между выводами а2 – а и измеряют напряжение между выводами b2 – b и c2 – c, затем ставят перемычку между выводами b2 – b и замеряют напряжение между выводами а2 – а и с2 – с, и наконец ставят перемычку между выводами с2 – с и замеряют напряжение между выводами а2 – а и b2 – b.

Для параллельной работы трансформаторов соединяются те выводы между которыми нет напряжения.

Асинхронный двигатель в состоянии покоя можно сравнить с трансформатором, только здесь вместо первичной обмотки – провода статора, а вместо вторичной – обмотка ротора. Имеющееся на каждой фазной обмотке статора напряжение уравновешивается электродвижущей силой, индуцируемой магнитным полем. Благодаря ему, в роторе появляется напряжение. По закону Ленца, ток в роторной обмотке будет стремиться ослабить поле, которое его индуцировало. Однако ослабление поля уменьшит ЭДС в статоре, в результате чего нарушится электрическое равновесие, которое образует неуравновешенный переизбыток напряжения. Сила тока в статоре увеличивается, магнитное поле усиливается и равновесие восстанавливается.
Токи в статоре и роторе пропорциональны. Т.е. изменение напряжение в обмотке статора ведет за собой изменение напряжения в роторной обмотке. Когда двигатель начинает вращаться, магнитное поле с большой скоростью пересекает роторную обмотку, благодаря чему в ней индуцируется ЭДС. В статоре также возникает пусковой ток, который превышает номинальный (рабочий) приблизительно в 7 раз. Явление пускового толчка характерно для асинхронных двигателей. При увеличении скорости ротора, создаваемая им ЭДС постепенно падает, соответственно, уменьшаются и токи в обмотках ротора, статора. Когда двигатель набирает полные обороты, ток уменьшается до номинального. Если вал двигателя нагружать, то ток будет увеличиваться снова, тем самым увеличивая потребление мощности из сети.

Дата добавления: 2017-01-14