Принцип действия трансформатора
Пусть первичная обмотка 1 трансформатора (рис. 28) содержит W1
витков и подключена к источнику переменного тока при разомкнутом ключе К. Под действием напряжения источника тока в обмотке 1 появляется ток холостого хода. Ампер-витки создают основной переменный магнитный поток Ф, который замыкается по магнитопроводу трансформатора.
Магнитный поток Ф, пересекая витки обмоток 1 и 2, наводит в обеих обмотках переменные э. д. с.
Действующие значения э. д с. могут быть определены по формулам, В:
(34)
где Е1 и Е2—соответственно действующие значения э. д. с. обмоток 1 и 2, В.
1—частота источника переменного тока, Гц;
\1 и W2— соответственно числа витков обмоток 1 и 2;
Ф — основной магнитный поток, 3-с.
Если замкнуть ключ К, под действием э. д. с. Е2 по обмотке 2 потечет ток h, направленный противоположно току обмотки 1. Ампер-витки действуют встречно ампер-виткам обмотки 1. При нормальных режимах работы трансформатора поток Ф практически остается по стоянным, это обеспечивается за счет того, что с увеличением тока h увеличивается ток обмотки. С достаточной для практики точностью можно считать справедливым следующее равенство:
hWx = hW2. (35)
При разомкнутом ключе К напряжение на обмотке 2 равно э. д. с. этой обмотки; по мере нагрузки трансформатора напряжение обмотки U2 несколько уменьшается.
Холостой ход и короткое замыкание трансформатора
Холостой ход и короткое замыкание трансформатора являются весьма важными режимами его работы, определяющими эксплуатационные качества трансформатора. I
Холостой ход — это такой режим работы трансформатора, когда к одной из обмоток подводится номинальное напряжение, а вторая обмотка разомкнута. Рассмотрим холостой ход трехфазного трансформатора с магнитопроводом стержневого типа, обмотки которого соединены по схеме (рис. 29). Опыт проводится в такой последовательности. Включим рубильник Р и при помощи индукционного регулятора 1 установим номинальное линейное напряжение U1л на первичной обмотке трансформатора, наблюдая за показаниями вольтметра V1. Условимся считать первичной ту обмотку трансформатора, к которой подводится напряжение. Установив номинальное напряжение на первичной обмотке, зафиксируем показания приборов: амперметров— А1, А2, А3; ваттметров W1 и W2, вольтметра— V2.
Рис. 29. Схема опыта холостого хода трансформатора:
Амперметры А 1, А2, А3 покажут нам линейные токи холостого хода соответствующих фаз —
1—индукционный регулятор; 2 — трехфазный трансформатор.
Токи равны. Это явление объясняется тем, что длина средней магнитной силовой линии фазы В меньше, чем длины средних магнитных силовых линий фаз А и С (рис. 30), а потому провести магнитный поток по длине1 легче, чем по длинам 1А, 1С. За ток холостого хода трехфазного трансформатора принимают среднее арифметическое трех токов отдельных фаз А; В\ С:
(36)
ок холостого хода трансформаторов обычно не превышает 4-12% от номинального тока, причем меньшие Цифры относятся к трансформаторам большей мощности. Малая величина тока холостого хода трансформаторов объясняется отсутствием воздушных зазоров в магнитопроводе (в асинхронных двигателях ток холостого хода равен 20-f-60% от номинального). Иногда необходимо знать фазное значение тока холостого хода Фазный ток холостого хода определяется по следующим формулам:
при соединении обмоток звездой и зигзагом
(37)
где /оф и /0л—соответственно фазный и линейны токи холостого хода, А; при соединении обмоток треугольником
(38
При холостом ходе трансформатор не совершает полез ной работы, его к. п. д. равен нулю. Активная мощность которую при этом показывают ваттметры W1 и W2 цели ком рассеивается в виде тепла, идущего на нагрев магнитопровода и первичной обмотки трансформатора. Сле дует отметить, что для определения активной мощности при холостом ходе трансформатора необходимо один и ваттметров переключить и взять разницу показаний двух ваттметров. Как указывалось ранее, ток холосто го хода трансформатора мал, а потери в обмотке за висят от квадрата тока и составляют менее 2% от потери холостого хода. При холостом ходе трансформатора потерями в первичной обмотке пренебрегают и считают что потерями холостого хода являются потери в стали.
Рис. 30. Длины средних магнитных силовых линий трехстержневого трехфазного трансформатора.
При холостом ходе с большой степенью точности можно считать, что U= E.
Отношение э. д. с. первичной обмотки к э. д. с. вторичной об мотки называют коэффициентом трансформации. В трех фазных трансформаторах различают два коэффициент трансформации: коэффициент трансформации линейны э. д. с. и коэффициент транс формации фазных э. д. с.
Из опыта холостого хода (рис. 29) можно определить коэффициента трансформации по показаниям вольтметров.
Коэффициент трансформации линейных э.д. с.
(39)
где Е1л и Е2л — соответственно первичная и вторичная линейные э. д. с., В.
Коэффициент трансформации фазных э. д. с.
(40)
где Е1ф, Еф2 — соответственно фазные э. д. с. и напряжения первичной и вторичной обмоток, В.
Если обе обмотки трансформатора соединены одинаково, то коэффициенты трансформации фазных и линейных э.д.с. равны.
При холостом ходе трансформатора коэффициент мощности cos ф0 меньше 0,2.
Коэффициент мощности при холостом ходе можно определить по опытным данным с помощью формулы:
(41)
где Р0—мощность холостого хода, определенная с помощью ваттметров.
Однофазный трансформатор работает при холостом ходе, как одна фаза трехфазного.
Короткое замыкание — это такой режим работы трансформатора, когда вторичная обмотка замкнута, а к первичной обмотке подведено напряжение, обеспечивающее протекание номинальных токов по обеим обмоткам (испытательное короткое замыкание). При испытательном коротком замыкании к первичной обмотке подводится напряжение, равное 3,5-17% номинального. В процессе эксплуатации трансформатора возможно короткое замыкание вторичной обмотки при номинальном напряжении на первичной. Такой режим работы является аварийным, а короткое замыкание называется внезапным. При внезапном коротком замыкании токи в обмотках трансформатора в 10 и более раз больше номинальный. Если трансформатор при такое коротком замыкании не будет своевременно отключен от сети, то он выйдет из строя.
Рис. 31. Схема опыта короткого замыкания трансформатора: 1 — индукционный регулятор; 2 — трехфазный трансформатор.
В дальнейшем мы будем рассматривать только испытательное короткое замыкание.
Рассмотрим короткое замыкание трансформатора, обмотки которого соединены по схеме (рис. 31). Опыт нужно проводит в такой последовательности. Индукционный регулятор 1 поста вить в положение минимальной напряжения, включить рубильник Р и при помощи индукционной регулятора по показанию амперметра А1 или А2 установить номинальный ток трансформатора. При симметричном напряжении сети и исправном трансформаторе показания амперметров должны быть одинаковыми. При опыте короткого замыкания приборы показывают: перметры А1, А2, А3— линейны токи фаз с первичной стороне трансформатора; амперметр
Ац — линейный ток вторичной стороны; вольтметр V — напряжение короткого замыкания; ваттметры и W2 — активную мощность коротко го замыкания. При коротком замыкании трансформатор не совершает полезной работы, его к. п. д. равен нулю. Активная мощность короткого замыкания рассеивается в виде тепла, которое нагревает обмотки трансформатора. Потери в стали можно считать пропорциональными квадрату напряжения. Так как напряжение мало, то, следовательно, и потери в стали очень малы, и ими можно пренебречь.
При коротком замыкании считают, что активная мощность короткого замыкания является потерями в обмотках трансформатора.
При соединении обмотки в треугольник фазные и линейные напряжения одинаковы.
Обычно напряжение короткого замыкания выражают в процентах от номинального:
Ul и— номинальное линейное напряжение первичной обмотки, В.
V — показание вольтметра, В.
Схемы соединения обмоток и группы трансформаторов
Обмотки ВН или НН трехфазного трансформатора могут быть соединены звездой, треугольником или зигзагом, причем обмотка, соединенная звездой или зигзагом, может иметь нулевой вывод. Каждая из перечисленных схем соединения имеет условное обозначение.
Обмотка, соединенная звездой с нулевым выводом, обозначается ¥; обмотка, соединенная треугольником,— А, а обмотка, соединенная зигзагом с нулевым выводом, —У. Схема соединения обмоток ВН и НН записывав стся в виде дроби: в числителе ставится схема обмоток ВН, а в знаменателе — НН. Например, если обмотка В'г соединена звездой, а обмотка НН — звездой с нулевым выводом, то можно записать
При параллельной работе трансформаторов большей значение имеет группа трансформатора.
Силовые масляные трансформаторы имеют паспортные щитки со следующими данными: мощность транс форматора (ВА или кВА); линейные напряжения каждой обмотки на основных выводах и ответвлениях (В или кВ); линейные токи при номинальной мощности (А); частота (Гц); число фаз; схема и группа соединения обмоток; напряжение короткого замыкания, характеризуют падение напряжения в обмотках; режим работы транс форматора; способ охлаждения; завод-изготовитель масса трансформатора, масса масла; масса активной части.
