Файл: Практическая работа 2 По дисциплине Электрические машины и аппараты Тема Трансформаторы Специальность 13. 02. 11 Юртаев В. Е. Тээ 21д проверил преподаватель Сидоренко С. Р.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.01.2024
Просмотров: 248
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
I0 =I/
). Мощность, потребляемая трансформатором при х.х., Р0 практически расходуется на покрытие потерь в стали за счет гистерезиса и вихревых токов (Рс = Р0), 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, Р0/3 (Р0 — 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; 
.
2.2. Ток холостого хода
При х.х. трансформатора под действием приложенного напряжения U1 в первичной обмотке протекает ток х.х. I0. Намагничивающая сила первичной обмотки
возбуждает переменное магнитное поле, большая часть магнитных линий которого замкнется через магнитопровод, образуя магнитный поток. Основной магнитный поток с амплитудой Фт пронизывает витки первичной и вторичной обмоток и индуктирует в этих обмотках э. д. с. Если бы между основным потоком и током х.х. существовала пропорциональность, то для создания синусоидального изменяющегося во времени магнитного потока потребовался бы также синусоидально-изменяющийся ток. Однако при сердечнике из магнитного материала вследствие насыщения магнитный поток не будет пропорционален току.
В магнитопроводе трансформатора при его работе выделяются потери на гистерезис и вихревые токи, называемые потерями в стали. В трансформаторах при частоте тока 50 Гц потери на гистерезис в несколько раз больше потерь на вихревые токи, так что потери в стали в основном определяются гистерезисными потерями. Положим, что для материала магнитопровода трансформатора магнитная характеристика, т. е. зависимость магнитного потока от тока х. х., представлена шлейфом петли гистерезиса (кривая 1 на рис. 2.2). Если приложенное к первичной обмотке напряжение синусоидально, то основной магнитный поток будет также изменяться синусоидально во времени (кривая 2). Каждому значению магнитного потока соответствуют различные значения тока х.х. согласно восходящей и нисходящей ветвям магнитной характеристики материала магнитопровода.
На рисунке показано определение одной точки кривой тока х.х. (кривая 3). Для произвольно выбранного момента времени t1 определим на временной диаграмме магнитный поток, значение которого отложим на восходящей ветви магнитной характеристики, а затем по магнитной характеристике определим ток х. х., необходимый для создания магнитного потока.
Рис. 2.2 Кривые магнитного потока и тока
Это значение тока отложим на временной диаграмме для момента t1. Так же могут быть определены значения тока х. х. для любых моментов времени. По найденным таким образом точкам на временной диаграмме можно построить кривую тока х.х. (кривая 3). Эта кривая несинусоидальна и опережает кривую магнитного потока (проходит через нулевые значения раньше) на некоторое время t0. Произведение этого отрезка времени на угловую скорость ???? равно углу гистерезисного опережения
. При построении векторных диаграмм несинусоидальный ток х. х. считается таким синусоидальным током, действующее значение которого равно действующему значению реального тока.
Таким образом, за счет потерь в стали ток х.х. опережает по фазе создаваемый им магнитный поток и на векторной диаграмме (рис. 2.3) изображается вектором I0, повернутым относительно вектора Фmax на угол
в сторону опережения.
Рис. 2.3 Векторная диаграмма напряжения, магнитного потока
Поэтому ток I0 может быть представлен в виде двух составляющих: реактивной составляющей Iµ, совпадающей с основным магнитным потоком, и активной составляющей Iα, параллельной вектору приложенного напряжения. Реактивная составляющая тока х. х. Iµ является намагничивающим током, создающим основной магнитный поток, и зависит от магнитного сопротивления магнитопровода. Чем большим будет магнитное сопротивление магнитопровода, тем большим окажется и намагничивающий ток. Активная составляющая тока х. х. Iα потребляется на покрытие потерь в стали и зависит от свойств материала магнитопровода, магнитной индукции и толщины стальных листов, из которых собран магнитопровод. Чем больше потери в стали магнитопровода, тем большей будет и активная составляющая тока х. х.
3. Рабочий процесс трансформатора
3.1. Опыт короткого замыкания трансформатора
Короткие замыкания в электрических установках возникают обычно вследствии каких-либо неисправностей в сетях (при механическом повреждении изоляции, при ее электрическом пробое в результате перенапряжений и др.) или при ошибочных действиях эксплуатационного персонала. Для трансформатора к. з. представляет собой серьезную опасность, так как при этом возникают очень большие токи. При к. з. зажимов вторичной обмотки сопротивление нагрузки zн = 0, и следовательно, напряжение на зажимах вторичной обмотки U2 = 0. Таким образом, напряжение U1, приложенное к первичной обмотке, будет уравновешено падением напряжения в полных сопротивлениях первичной и вторичной обмоток:
. Эквивалентная схема для одной фазы трансформатора при к. з. изображена на рис. 3.1, а. Уравнение равновесия э.д.с. первичной обмотки трансформатора при к.з. вторичной обмотки запишется в следующем виде: 
, где 
— ток к.з.
На рис. 3.1,б построена векторная диаграмма для одной фазы трансформатора при к.з.
Рис. 3.1. Эквивалентная схема (а) и векторная диаграмма (б) трансформатора при к. з.
Вертикально вверх направлен вектор тока к. з. Iк, параллельно ему — вектор напряжения в активном сопротивлении к. з. Iкrк. На
/2 повернут относительно вектора тока в сторону опережения вектор падения напряжения на индуктивном сопротивлении к. з. трансформатора jIкXк. Геометрическая сумма векторов Iкrк и jIкXк дает вектор приложенного к первичной обмотке напряжения U1, который оказался повернутым относительно вектора тока
Iк в сторону опережения на угол к. з.
к. Этот угол зависит от соотношения сопротивлений Хк и rк. Чем больше индуктивное сопротивление Хк и меньше активное rк, тем большим будет угол к. Таким образом, сила тока к. з. трансформатора 
Так как падение напряжения в полном сопротивлении обмоток трансформатора при номинальном токе Iном составляет несколько процентов от номинального напряжения, т. е. Iномzк
(0,05
0,07) U1, то ток Iк окажется больше номинального тока во столько раз, во сколько номинальное напряжение больше падения напряжения в полном сопротивлении обмоток при номинальном токе:
Отношение
называют кратностью тока короткого замыкания. Потери в проводах обмоток трансформатора пропорциональны току во второй степени (Рм = I2rк), так что в случае, когда ток к. з. окажется, например, в 20 раз больше номинального тока, потери в проводах обмоток будут в 400 раз больше (если не учитывать увеличения сопротивления обмоток от нагрева). Выделение большой мощности в проводах обмоток вызывает резкое повышение их температуры, вследствие которого возможно нарушение целости изоляции и выход трансформатора из строя. Поэтому все трансформаторы снабжены достаточно быстродействующей защитой, которая отключает трансформатор в случае его к. з., которое очень опасно. Если время, в течение которого трансформатор находится в режиме к. з., будет мало, то обмотки его не успевают нагреваться до температуры, опасной для изоляции. Как известно, между проводами, обтекаемыми током, возникает механическое взаимодействие. Если в двух параллельных проводах протекают токи, направленные в одну и ту же сторону, то эти провода притягиваются друг к другу, а если направления токов противоположны, то проводники отталкиваются.
В трансформаторе имеется очень много параллельных друг другу витков, каждый из которых можно рассматривать как отдельный провод. В витках какой-либо обмотки (первичной или вторичной) протекают токи одинакового направления, так что все витки одной обмотки взаимно притягиваются. Намагничивающие силы первичной и вторичной обмоток имеют встречное направление, поэтому обмотки стремятся оттолкнуться одна от другой. Механические силы, действующие на обмотки, зависят от конструкции обмоток, размещения витков и токов, протекающих в обмотках. В концентрических симметричных обмотках силы, действующие на обмотки, направлены перпендикулярно оси катушек (рис. 3.2,а); в дисковых чередующихся обмотках силы направлены параллельно оси катушек (рис. 3.2,б).
Рис. 3.2. Направление сил, действующих на концентрические симметричные (а) и дисковые (б) обмотки трансформатора
Так как силы, действующие на провода с током, зависят от произведения токов в проводах, то и силы Fдействующие на обмотки трансформаторов, при к. з. будут во много раз большими сил, которые возникают при номинальной нагрузке. Под действием очень больших механических сил обмотки трансформатора деформируются настолько, что может быть нарушена изоляция и резко уменьшена их электрическая прочность. Поэтому конструкция обмоток должна быть рассчитана на такую механическую прочность, которая противостояла бы силам, возникающим в первый момент от мгновенных токов Iк', превышающих установившиеся токи Iк примерно в два раза (Iк' =2Iк). 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. При опыте к. з. вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко, а к первичной подводят такое пониженное Uк, при котором в обмотках трансформатора протекают номинальные токи. Это напряжение называют напряжением короткого замыкания, измеряется оно в процентах от номинального:
Согласно ГОСТ 11677 — 75 напряжение к.з. u
). Мощность, потребляемая трансформатором при х.х., Р0 практически расходуется на покрытие потерь в стали за счет гистерезиса и вихревых токов (Рс = Р0), 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, Р0/3 (Р0 — 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; .2.2. Ток холостого хода
При х.х. трансформатора под действием приложенного напряжения U1 в первичной обмотке протекает ток х.х. I0. Намагничивающая сила первичной обмотки
возбуждает переменное магнитное поле, большая часть магнитных линий которого замкнется через магнитопровод, образуя магнитный поток. Основной магнитный поток с амплитудой Фт пронизывает витки первичной и вторичной обмоток и индуктирует в этих обмотках э. д. с. Если бы между основным потоком и током х.х. существовала пропорциональность, то для создания синусоидального изменяющегося во времени магнитного потока потребовался бы также синусоидально-изменяющийся ток. Однако при сердечнике из магнитного материала вследствие насыщения магнитный поток не будет пропорционален току.В магнитопроводе трансформатора при его работе выделяются потери на гистерезис и вихревые токи, называемые потерями в стали. В трансформаторах при частоте тока 50 Гц потери на гистерезис в несколько раз больше потерь на вихревые токи, так что потери в стали в основном определяются гистерезисными потерями. Положим, что для материала магнитопровода трансформатора магнитная характеристика, т. е. зависимость магнитного потока от тока х. х., представлена шлейфом петли гистерезиса (кривая 1 на рис. 2.2). Если приложенное к первичной обмотке напряжение синусоидально, то основной магнитный поток будет также изменяться синусоидально во времени (кривая 2). Каждому значению магнитного потока соответствуют различные значения тока х.х. согласно восходящей и нисходящей ветвям магнитной характеристики материала магнитопровода.
На рисунке показано определение одной точки кривой тока х.х. (кривая 3). Для произвольно выбранного момента времени t1 определим на временной диаграмме магнитный поток, значение которого отложим на восходящей ветви магнитной характеристики, а затем по магнитной характеристике определим ток х. х., необходимый для создания магнитного потока.
Рис. 2.2 Кривые магнитного потока и тока
Это значение тока отложим на временной диаграмме для момента t1. Так же могут быть определены значения тока х. х. для любых моментов времени. По найденным таким образом точкам на временной диаграмме можно построить кривую тока х.х. (кривая 3). Эта кривая несинусоидальна и опережает кривую магнитного потока (проходит через нулевые значения раньше) на некоторое время t0. Произведение этого отрезка времени на угловую скорость ???? равно углу гистерезисного опережения
. При построении векторных диаграмм несинусоидальный ток х. х. считается таким синусоидальным током, действующее значение которого равно действующему значению реального тока.Таким образом, за счет потерь в стали ток х.х. опережает по фазе создаваемый им магнитный поток и на векторной диаграмме (рис. 2.3) изображается вектором I0, повернутым относительно вектора Фmax на угол
в сторону опережения. Рис. 2.3 Векторная диаграмма напряжения, магнитного потока
Поэтому ток I0 может быть представлен в виде двух составляющих: реактивной составляющей Iµ, совпадающей с основным магнитным потоком, и активной составляющей Iα, параллельной вектору приложенного напряжения. Реактивная составляющая тока х. х. Iµ является намагничивающим током, создающим основной магнитный поток, и зависит от магнитного сопротивления магнитопровода. Чем большим будет магнитное сопротивление магнитопровода, тем большим окажется и намагничивающий ток. Активная составляющая тока х. х. Iα потребляется на покрытие потерь в стали и зависит от свойств материала магнитопровода, магнитной индукции и толщины стальных листов, из которых собран магнитопровод. Чем больше потери в стали магнитопровода, тем большей будет и активная составляющая тока х. х.
3. Рабочий процесс трансформатора
3.1. Опыт короткого замыкания трансформатора
Короткие замыкания в электрических установках возникают обычно вследствии каких-либо неисправностей в сетях (при механическом повреждении изоляции, при ее электрическом пробое в результате перенапряжений и др.) или при ошибочных действиях эксплуатационного персонала. Для трансформатора к. з. представляет собой серьезную опасность, так как при этом возникают очень большие токи. При к. з. зажимов вторичной обмотки сопротивление нагрузки zн = 0, и следовательно, напряжение на зажимах вторичной обмотки U2 = 0. Таким образом, напряжение U1, приложенное к первичной обмотке, будет уравновешено падением напряжения в полных сопротивлениях первичной и вторичной обмоток:
. Эквивалентная схема для одной фазы трансформатора при к. з. изображена на рис. 3.1, а. Уравнение равновесия э.д.с. первичной обмотки трансформатора при к.з. вторичной обмотки запишется в следующем виде: , где — ток к.з.На рис. 3.1,б построена векторная диаграмма для одной фазы трансформатора при к.з.
Рис. 3.1. Эквивалентная схема (а) и векторная диаграмма (б) трансформатора при к. з.
Вертикально вверх направлен вектор тока к. з. Iк, параллельно ему — вектор напряжения в активном сопротивлении к. з. Iкrк. На
/2 повернут относительно вектора тока в сторону опережения вектор падения напряжения на индуктивном сопротивлении к. з. трансформатора jIкXк. Геометрическая сумма векторов Iкrк и jIкXк дает вектор приложенного к первичной обмотке напряжения U1, который оказался повернутым относительно вектора тока
Iк в сторону опережения на угол к. з.
к. Этот угол зависит от соотношения сопротивлений Хк и rк. Чем больше индуктивное сопротивление Хк и меньше активное rк, тем большим будет угол к. Таким образом, сила тока к. з. трансформатора Так как падение напряжения в полном сопротивлении обмоток трансформатора при номинальном токе Iном составляет несколько процентов от номинального напряжения, т. е. Iномzк
(0,05 0,07) U1, то ток Iк окажется больше номинального тока во столько раз, во сколько номинальное напряжение больше падения напряжения в полном сопротивлении обмоток при номинальном токе: Отношение
называют кратностью тока короткого замыкания. Потери в проводах обмоток трансформатора пропорциональны току во второй степени (Рм = I2rк), так что в случае, когда ток к. з. окажется, например, в 20 раз больше номинального тока, потери в проводах обмоток будут в 400 раз больше (если не учитывать увеличения сопротивления обмоток от нагрева). Выделение большой мощности в проводах обмоток вызывает резкое повышение их температуры, вследствие которого возможно нарушение целости изоляции и выход трансформатора из строя. Поэтому все трансформаторы снабжены достаточно быстродействующей защитой, которая отключает трансформатор в случае его к. з., которое очень опасно. Если время, в течение которого трансформатор находится в режиме к. з., будет мало, то обмотки его не успевают нагреваться до температуры, опасной для изоляции. Как известно, между проводами, обтекаемыми током, возникает механическое взаимодействие. Если в двух параллельных проводах протекают токи, направленные в одну и ту же сторону, то эти провода притягиваются друг к другу, а если направления токов противоположны, то проводники отталкиваются.
В трансформаторе имеется очень много параллельных друг другу витков, каждый из которых можно рассматривать как отдельный провод. В витках какой-либо обмотки (первичной или вторичной) протекают токи одинакового направления, так что все витки одной обмотки взаимно притягиваются. Намагничивающие силы первичной и вторичной обмоток имеют встречное направление, поэтому обмотки стремятся оттолкнуться одна от другой. Механические силы, действующие на обмотки, зависят от конструкции обмоток, размещения витков и токов, протекающих в обмотках. В концентрических симметричных обмотках силы, действующие на обмотки, направлены перпендикулярно оси катушек (рис. 3.2,а); в дисковых чередующихся обмотках силы направлены параллельно оси катушек (рис. 3.2,б).
Рис. 3.2. Направление сил, действующих на концентрические симметричные (а) и дисковые (б) обмотки трансформатора
Так как силы, действующие на провода с током, зависят от произведения токов в проводах, то и силы Fдействующие на обмотки трансформаторов, при к. з. будут во много раз большими сил, которые возникают при номинальной нагрузке. Под действием очень больших механических сил обмотки трансформатора деформируются настолько, что может быть нарушена изоляция и резко уменьшена их электрическая прочность. Поэтому конструкция обмоток должна быть рассчитана на такую механическую прочность, которая противостояла бы силам, возникающим в первый момент от мгновенных токов Iк', превышающих установившиеся токи Iк примерно в два раза (Iк' =2Iк). 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. При опыте к. з. вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко, а к первичной подводят такое пониженное Uк, при котором в обмотках трансформатора протекают номинальные токи. Это напряжение называют напряжением короткого замыкания, измеряется оно в процентах от номинального:
Согласно ГОСТ 11677 — 75 напряжение к.з. u