Файл: Лекции для курсов Электрические машины и аппараты.docx

Режимы работы трансформатора

Различают следующие режимы работы трансформатора:

• 
  Режим холостого хода
  
• 
  Рабочий режим
  
• 
  Режим короткого замыкания
  

24.1. Опыт холостого хода трансформатора
Холостым ходом трансформатораявляется такой предельный режим его работы, когда вторичная обмотка трансформатора разом­кнута и ток вторичной обмотки I₂ = 0. Опыт х. х. позволяет опреде­лить:

• 
  коэффициент трансформации,
  
• 
  токх. х. трансформатора,
  
• 
  потерих. х. трансформатора
  
• 
  сопротивления х. х. трансформатора.
  

При опыте х. х. первичную обмотку транс­форматора включают в сеть переменного тока с напряжением U₁(рис. 24.1).



Рис.24.1. Схема опыта холостого хода трансформатора.
Под действием приложенного напряжения по первич­ной обмотке протекает ток

I₁ = Iо. равный току х. х., который состав­ляет 5—10% номинального.

Для измерения тока х. х., приложенного кпервичной обмотке напряжении и потребляемой мощности в цепь первичной обмоткитрансформатора, включены измерительные приборы (амперметрА, вольтметр V и ваттметр W).

Вторичная обмотка трансформато­ра замкнута на вольтметр, сопротивление которого очень велико, так что ток вторичной обмотки I₂ = 0

Ток х. х. возбуждает в магнитопроводе трансформатора магнит­ный поток, который индуктирует э. д. с. как в первичной, так и во вторичной обмотках.

Действующие значения э. д. с. обмоток определяются по формулам:




Где: w₁, w₂- числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора;

Ф_max— амплитуда магнитного потока;

f— частота тока-
Так как во вторичной обмотке трансформатора тока нет и, сле­довательно, нет падения напряжения в сопротивлении этой обмот­ки, то э. д. с. E₂=U₂и определяется показанием вольтметра, вклю­ченного в эту обмотку.

---

В первичной обмотке протекает ток х. х., очень малый по срав­нению с номинальным, так что падение напряжения в сопротивле­нии первичной обмотки будет очень мало по сравнению с прило­женным напряжением.

Поэтому приложенное напряжение практи­чески уравновешивается э. д. с. первичной обмотки: U₁ = - E₁

Следовательно, э. д. с. первичной обмотки определяется показанием вольтметра, включенного в цепь первичной обмотки при опыте х. х.
24.2. Коэффициент трансформации
Коэффициентом трансформацииназывают отношение напря­жения обмотки ВН к напряжению обмотки НН при х. х.:
Для повышающего трансформатора:


Для трехфазного трансформатора различаются конструктивный и эксплуатационный коэффициенты трансформации.
а) Конструктив­ный коэффициент трансформацииk_копределяет соотношение чисел витков обмоток ВН и НН и равен отношению фазных напряжений.
б) Эксплуатационный коэффициент трансформацииk_эравен отношению линейных напряжений на стороне ВН и НН.
Если схемы соединения обмоток ВН и НН одинаковы (напри­мер, звезда — звезда или треугольник — треугольник), то отношение фазных и линейных напряжений также одинаковы, т. е. конструктивный и эксплуатационный коэффициенты трансформации равны (k_к= k_э).

Если же схемы соединения обмоток ВН и НН различны (звезда — треугольник или треугольник—звезда), то конструктив­ный и эксплуатационный коэффициенты трансформации отличают­ся в

При опыте х.х. помимо напряжений первичной и вторичной обмоток измеряются ток х. х.Iо и мощность Ро, потребляемая транс­форматором.
Ток х.х. в фазе обмотки трехфазного трансформа­тора Iо при соединении первичной обмотки в звезду равен измерен­ному току I (I₀=I),

при соединении первичной обмотки в тре­угольник—в 1,73 раза меньше измеренного ( ).

Мощность, потребляемая трансформатором при х. х.,Р_орасхо­дуется на покрытие потерь в стали за счет гистерезиса и вихревых токов (Рс=Ро), так как потери в проводах первичной обмотки ничтожно малы.

При испытании трехфазного трансформатора в этих выражениях следует иметь в виду фазные значения напряже­ния и тока, а также мощность, отнесенную к одной фазе,

---

(Ро — показания ваттметра).

Так как токи в фазах при х.х. трех­фазного трансформатора различны, то за значение тока х.х. ус­ловно принимают его среднее значение для трех фаз;

24.3. Рабочий режим трансформатора

При рабочем режиме трансформатора его вторичная обмотка замкнута на приемник электрической энергии и по вторичной обмотке протекает ток I₂, а по первичной ток I₁



Рис. 24.2. Схема работы трансформатора при нагрузке.
При холостом ходе намагничивающая сила I₀w₁ создает основной магнитный поток

Ф_о = Ф _макс.

Если вторичную обмотку замкнуть напотребитель, то во вторичной обмотке потечет ток I₂, а в первичной токI_1. Эти токи создают в обмотках намагничивающие силы: в первичной I₁w₁, во вторичной I₂w_2.
Поэтому уравнение равновесия намагничивающих сил имеет вид:


или


Где: - коэффициент трансформации

24.4. Режим короткого замыкания

Короткие замыкания в электрических установках возникают обычно вследствие каких-либо неисправностей в сетях (при меха­ническом повреждении изоляции, при ее электрическом пробое в результате перенапря­жении и др.) или приошибочных действиях эксплуатационного персона­ла.

Для трансформатора к. з. представляет собой серьезную опасность, так как при этом возникают очень большие токи.

При коротком замыкании вторичной обмотки ее полное сопротивление становится равным нулю (z=0) . Напряжение вторичной обмотки также становится равным нулю (U₂ = 0)

Уравнение равновесия э. д. с. первичной обмотки трансформато­ра при к.з. вторичной обмотки запишется в следующем виде:

или



Где: - полное сопротивление трансформатора при коротком замыкании.

Полное сопротивление трансформатора определяется по формуле:

---

Где: - активное сопротивление обмоток

- индуктивное сопротивление трансформатора
В обычных трансформаторах в режиме короткого замыкания имеет очень маленькую величину, поэтому ток короткого замыкания очень велик. Большой ток короткого замыкания, действуя продолжительное время, приводит к перегреву обмоток трансформатора, к выходу из строя изоляции обмоток и к пожару. Для исключения выхода из строя трансформаторов в них обязательно применяется защита, отключающая трансформатор при резком увеличении величины потребляемого тока.

Для сварочных трансформаторов режим короткого замыкания является рабочим режимом. Для того, чтобы получить возможность регулировки сварочного тока и не вывести из строя сварочный трансформатор используют метод изменения индуктивного сопротивления x_L. Подробно этот процесс описан в главе «Сварочный трансформатор».
24.5. Напряжение короткого замыкания.
Опыт к. з. производится при значительно пониженном напря­жении и является вторым предельным режимом работы трансфор­матора, который наряду с опытом х. х. позволяет определить пара­метры трансформатора при любой нагрузке.


Рис.24.3. Схема опыта короткого замыкания
При опыте к. з. вто­ричную обмотку трансформатора замыкают накоротко, а к первичной подводят такое пониженное U_к при котором в обмотках трансформатора протекают номинальные токи.

Это напряжение называют напряжением короткого замыкания,измеряется оно в

процентах от номинального:


Согласно ГОСТ напряжение к.з. =5,5- 10,5%.

Опыт к.з. позволяет определить напряжение U_к,потери в обмотках трансформатора Р_м и сопротивления к. з. трансформатора z_к, r_к и x_к.

При опыте к.з. полезная мощность трансформатора равна нулю, а потери в стали ничтожно малы, так как мал магнитный поток в сердечнике.

---

Поэтому мощность, потребляемая трансформатором при опыте к.з., расходуется на нагревание проводов обмоток:

---