|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Основные характеристики и режимы работы трансформаторов. Режимы работы трансформатора рефератОсновные характеристики и режимы работы трансформаторовНа щитках мощных трансформаторов обычно указываются: 1.Номинальные высшее и низшее напряжения, на которые рассчитан трансформатор в[ В]. 2.Номинальная полная мощность в [В*А]. 3.Токи,протекающие в обмотках при номинальной полной мощности [A]. Режимы работы трансформаторов – Режим повышающего трансформатора, когда U2 больше U1. – Режим понижающего трансформатора, когда U2 меньше U1. – Режим номинальный при номинальных значениях напряжений и токов в первичной обмотке. – Режим рабочий при номинальном напряжении в первичной обмотке. – Режим холостого хода, когда ток во вторичной обмотке равен нулю. – Режим короткого замыкания – напряжение вторичной обмотки рано нулю. Отношение э.д.с. первичной обмотки к э.д.с. во вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации. n1,2=W1/W2 (4.1) где W1– число витков первичной обмотки. W2– число витков вторичной обмотки. Приближенно коэффициент трансформации определяется как отношение напряжения в первичной обмотке к напряжению вторичной обмотки при опыте холостого хода. Маломощные трансформаторы могут использоваться как повышающие и как понижающие, поэтому в паспорте трансформатора коэффициент трансформации обозначается как отношение высшего напряжения к низшему напряжению. Коэффициент полезного действия трансформатора. КПД силовых электротехнических трансформаторов очень высок и обычно равен в номинальном режиме 0,98...0,99. Потери энергии в трансформаторах складываются из потерь в сердечнике и потерь в обмотках. Потери в сердечнике в свою очередь складываются из потерь на вихревые токи и потерь, связанных с явлением гистерезиса – нелинейной и неоднозначной зависимостью магнитной индукции В от напряженности Н магнитного поля. Для уменьшения потерь на вихревые токи 'сердечники трансформаторов набираются из тонких, и изолированных слоем лака стальных листов. Потери из-за гистерезиса зависят от качества (сорта) электротехнической стали, а также от частоты колебаний переменного напряжения и напряженности магнитного поля в сердечнике. Экспериментально потери в стали определяются из опыта холостого хода трансформатора, когда ток I2=0, а токI1имеет небольшую величину (единицы процентов от номинальной величины). При этом практически вся мощность, потребляемая трансформатором, расходуется на покрытие потерь в сердечнике трансформатора Р0=Рст. Потери в медных проводах определяются из опыта короткого замыкания, при котором токи в обеих обмотках имеют номинальное значение, а напряжение, подводимое к первичной обмотке, равно 1.2 процента от номинальной. 4.2.Трехфазные трансформаторыТрехфазные трансформаторы выпускаются на мощность до 60МВА. Начиная с 1800 кВА разрешается использовать вместо одного трехфазного трансформатора группы из трех однофазных трансформаторов, каждый из которых рассчитан на мощность 600кВА. Катушки индуктивности трехфазных трансформаторов как и однофазных располагаются в окнах электромагнитного сердечника из электротехнической стали с большим коэффициентом магнитной проницаемости. Коэффициенты трансформации также определяются отношением числа витков в первичной и вторичной обмотках. Варианты соединения первичных и вторичных обмоток трансформаторов определяются ГОСТ. Для трехфазных трансформаторов ГОСТ разрешает следующие группы включения обмоток: Группа 0-звезда/звезда с выведенной нулевой точкой; Группа 11 а -звезда /треугольник Группа 11 б -звезда (с выводом нулевой точки) /треугольник. Группы соединения обмоток трансформатора служат также для условного обозначения сдвига фаз вторичного напряжения по отношению к первичному. studfiles.net Режимы работы трансформатора и его характеристикиКоличество просмотров публикации Режимы работы трансформатора и его характеристики - 271 Устройство трансформаторов Холостой ход. При разомкнутой вторичной обмотке трансформатор работает в режиме холостого хода. Ток холостого хода I0, проходящий по первичной обмотке, имеет две составляющие: активную I0а и реактивную I0р. При этом
Реактивная составляющая принято называть намагничивающим током, который создает магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. Активная составляющая обеспечивает поступление в трансформатор электрической энергии, крайне важно й для компенсации потерь энергии в стали магнитопровода. Она невелика, в связи с этим ток холостого хода практически можно считать равным намагничивающему току I0≈ I0р. Магнитный поток трансформатора при холостом ходе зависит от намагничивающей силы первичной обмотки F0=I0w1и магнитного сопротивления магнитопровода, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ определяется, в основном, его поперечным сечением и магнитной проницаемостью стали. При проектировании трансформаторов магнитное сопротивление сердечника стремятся сделать малым, чтобы ток холостого хода мощных трансформаторов составлял 3-4%, а трансформаторов средней мощности 8-10%. В трансформаторах малой мощности ток I0 достигает 40-60% номинального тока. ЭДС, индуцированные в первичной и вторичной обмотках, пропорциональны скорости изменения магнитного потока
где В случае если магнитный поток изменяется по синусоидальному закону
Следовательно, ЭДС е1и е2 отстают от потока Ф на угол π/2. Действующие значения этих ЭДС
При холостом ходе падение напряжения в первичной обмотке мало, в связи с этим ЭДС е1практически равна напряжению и1противоположна ей по фазе, то есть Магнитный поток трансформатора можно определить
а так как Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, магнитный поток трансформатора определяется величиной приложенного напряжения U1частотой его изменения f и числом витков w1первичной обмотки. В случае если изменяется напряжение U1, то будут меняться ЭДС Е1магнитный поток Фти ток холостого хода. Зависимость ЭДС E1от тока холостого хода I0называется характеристикой холостого хода трансформатора. При малых напряжениях U1 и ЭДС Е1 магнитный поток трансформатора мал и для его создания требуется небольшой ток холостого хода. В этом случае магнитная система трансформатора ненасыщена и при увеличении напряжения U1ток I0 прямо пропорционален ЭДС Е1. Следовательно, начальная часть характеристики графически выражается прямой. При дальнейшем увеличении напряжения U1магнитная цепь трансформатора насыщается и ток I0 начинает расти быстрее, чем ЭДС Е1. Большое превышение напряжения свыше номинального недопустимо, так как резко увеличивается ток холостого хода. Нагрузочный режим. не зависит от нагрузки. Следовательно, результирующая намагничивающая сила, создаваемая при нагрузке токами i1и i2, должна оставаться такой же, как и при холостом ходе: или Первое уравнение принято называть уравнением равновесия намагничивающих сил трансформатора. В случае если поделить обе его части на w1, то получим Выражение Из последней формулы вытекает, что наличие тока I2 во вторичной обмотке трансформатора вызывает появление тока Обычно в силовых трансформаторах ток I0 составляет несколько процентов от номинального значения тока I1. По этой причине в режимах, близких к номинальной нагрузке, при приближенных расчетах можно считать, что Зависимость вторичного напряжения трансформатора от нагрузки можно определить, применяя второй закон Кирхгофа для контуров первичной и вторичной обмоток трансформатора. При этом можно написать следующие векторные уравнения: Активные падения напряжения При нагрузке трансформатора активные и реактивные падения напряжения изменяют вторичное напряжение U2. Для определения этого изменения вторичное напряжение обычно приводят к первичному, умножая его на коэффициент трансформации k12, т. е. Изменение напряжения ΔU представляет собой алгебраическую разность между значениями приведенного вторичного напряжения при холостом ходе и при нагрузке Выражение Δи% иногда называют относительной потерей напряжения. Изменение напряжения можно определить по внешней характеристике трансформатора, которая представляет собой графическую зависимость приведенного вторичного напряжения В трансформаторах средней и большой мощности реактивное падение напряжения обычно в несколько раз превосходит активное. По этой причине и реактивная нагрузка вызывает большее изменение напряжения, чем активная (изменение напряжения возрастает с уменьшением cosφ2, т. е. с увеличением угла сдвига фаз φ2 между током нагрузки I2 и напряжением U2). В трансформаторах малой мощности, напротив - активное падение напряжения обычно больше, чем реактивное, и изменение напряжения уменьшается при увеличении cosφ2. Обычно изменение напряжения при номинальном токе исходя из величины cosφ2 составляет от 2 до 6%. Короткое замыкание. В паспорте трансформатора указывают не изменение напряжения, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ различно для разных cosφ2, а результирующее падение напряжения в его обмотках при номинальном нагрузочном токе (в процентах от напряжения U1ном). Это падение напряжения ик% называют напряжением короткого замыкания, его можно определить опытным путем, в случае если питать трансформатор с замкнутой накоротко вторичной обмоткой от источника пониженного напряжения. В этом случае напряжение Uк будет равно такому напряжению U1при котором по обмоткам замкнутого накоротко трансформатора протекают номинальные токи. Напряжение короткого замыкания является весьма важным эксплуатационным показателем; величина его для трансформаторов средней мощности составляет 5-7%; для мощных трансформаторов – 6-12%. Зависимость изменения тока I1к в первичной обмотке от напряжения U1кпри коротком замыкании принято называть характеристикой короткого замыкания. Графически она представляет собой прямую линию. Отношение В случае если короткое замыкание происходит в процессе эксплуатации трансформатора при номинальном напряжении, то в обеих обмотках протекают большие токи, превышающие номинальное значение в 10-25 раз, при этом повышается температура обмоток между их витками и создаются большие механические усилия. Такое замыкание является аварийным и требует специальной защиты, которая должна отключить трансформатор в течение долей секунды. Ток короткого замыкания трансформатора в общем случае равен где I1ном – номинальный ток; ик – напряжение короткого замыкания, %. Для ограничения токов короткого замыкания мощные трансформаторы выполняют с повышенными значениями ик, т. е. с повышенным внутренним сопротивлением обмоток. referatwork.ru Реферат Трансформаторы уравнение обмотки рабочие режимы холостой ход конструкция магнитные материалы“Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники” Кафедра защиты информации РЕФЕРАТ на тему: «Трансформаторы: уравнение обмотки, рабочие режимы, холостой ход, конструкция, магнитные материалы, электрические провода и изоляция» МИНСК, 2009 Формула трансформатора. ЭДС. Уравнение равновесия для первичной обмотки Рисунок 1 - Трансформатор U1(t)= U1msin(ω1t) (1) ω1=2πf (2) Считаем, вторичная обмотка разомкнута (нет нагрузки). На первичную действует U1(t). В цепи возникает ток: U1(t)=U1 => i10 => F10= i10* W1 => h20=F10/lср => В10 =μ* h20 (электромагнитная индукция). => Qc* В10 = Ф10 => ψ= W1* Ф10 => Ф10S => ψ=W1* Ф10, где Ф10 – магнитный поток; Ф10S – поток рассеивания. Изменяющийся во времени магнитный поток приводит к возникновению ЭДС => =>-W1* должны уравновешиваться. Пока не будет уравновешено, этот процесс будет продолжаться. Приведенная зависимость электрических и магнитных процессов соответствует линейному режиму работы магнитопровода. В реальных трансформаторах такой режим является лишь приближением к реальности. В реальных трансформаторах необходимо считаться с неравенством «0» падения напряжения на сопротивлении проводов. В первичной обмотке трансформатора при i10 падение напряжения = r1*i10. В установившемся режиме для цепи первичной обмотки трансформатора справедливо уравнение равновесия: U1(t) + e10(t) + e10S(t)= i10(t)*r1 (5) U1(t)= -e10(t) - e10S(t) + i10(t)*r1 (6) Этому уравнению можно поставит в соответствие: Рассмотрим режим, соответствующий отсутствию тока во вторичной обмотке. В этом случае все магнитные процессы определяются только электрическими процессами в первичной обмотке => e20(t) – в режиме ХХ. n – коэффициент трансформации. Т.к. U1(t) – синусоидально, то и отклик в виде ЭДС, и падение напряжения, и Ф10 также изменются по гармоническому закону. Ф10(t)= Ф10m*sin(ωt) (10) =|cos(ωt)=-sin(ωt-π/2)|=2πfW1Ф10msin(ωt-π/2) (11) E10m=2πfW1 Ф10m (12) E10= E10m/ E10=√2*πfW1 Ф10m (14) E10=4,44*f*W1* Ф10m (15) Формула трансформатора ЭДС U1(t)≈-e10(t) (16) n= E10/ E20≈ U1/ U2 (17) Режим ХХ трансформатора Режим ХХ трансформатора рассмотрим на практическом режиме отключения нагрузки. В этом режиме путем проведения специальных измерений (опыт ХХ) могут быть оценены важные технико-эксплуатационные параметры трансформатора. Анализ режима ХХ позволяет выявить основные физические процессы в трансформаторе, знание которых важно для других режимов. Рисунок 2 – Электрическая схема трансформатора U1(t)хх= -е10(t)- е10S(t)+ i10(t)*r1 (18) В режиме ХХ трансформатор подключается под номинальное напряжение, то напряжение, при котором предусматривается работа трансформатора: Для дальнейшего рассмотрения и составления электрической модели трансформатора удобно ЭДС E10S за счет рассеяния трактовать как падение напряжения на чисто реактивном сопротивлении индуктивности рассеяния в цепи первичной обмотки jI10X0.Тогда: Для построения векторной диаграммы за точку отправления возьмем направление вектора магнитного потока Рисунок 3 – Пример векторной диаграммы При действии в магнитном проводнике переменного магнитного потока совершается работа по перемагничиванию реального магнитного материала (явление гистерезиса) и расходуется энергия на нагревание сердечника, возникающее в нем из-за появления вихревых токов (токов Фуко). В этой связи I10xx имеет две составляющих: - активную - составляющую в виде тока намагничивания Iμ, которую создает основной магнитный поток. Пользуясь представленным выше уравнением (20) и поясняющей его векторной диаграммой трансформатора на ХХ (Рисунок 3), можно поставить в соответствие следующую его схему замещения (эквивалентную схему, электрическую модель трансформатора). Рисунок 4 – Эквивалентная схема замещения трансформатора Приведенная эквивалентная схема является строгим электрическим аналогом реального трансформатора, если должным образом определены величины сопротивлений: r1, x1, r0, x0. Эта схема позволяет производить все электрические расчеты токов, U, P, углов запаздывания и т.д. Рабочий режим трансформатора: уравнение равновесия намагничивающих сил (УРНС) В рабочем режиме трансформатор подключен под полное номинальное напряжение. Рисунок 5 – Электрическая схема трансформатора E2=> I2=> F2 => Ф2↔Ф(t) => Совокупный магнитный поток и совокупная магнитная сила определяется как результат взаимодействия Ф1 и Ф2 и F1 и F2. Можно убедиться, что при любом рабочем режиме суммарная намагничивающая сила первичной и вторичной обмотки должна быть точно такой же как и в режиме ХХ. В таком случае, для рабочего режима трансформатора справедливо следующее уравнение равновесия намагничивающих сил (УРНС): F1+F2= F10 (23) I1*W1+ I2*W2=W1*I10 (I10 – ток ХХ) (24) Удобно найти из этого уравнения значение I1, выраженное через I2, и являющееся техническим параметром трансформатора I10 (ток ХХ). I1= I10- I2 (W1/W2) = I10- I′2 (25) где I′2= I2/n, где n=W1/W2. I1= I10- I′2 (УРНС). (26) УРНС позволяет наметить Т-образную схему замещения трансформаторов. Рис 7 – Т-образная схема замещения трансформатора Физические процессы в трансформаторе в рабочем режиме наглядно поясняет векторная диаграмма, соответствующая УРНС, которое удобно записать в форме: → → → I1*W1= W1*I10 - I2* W2 (27) Рисунок 8 – Векторная диаграмма работы трансформатора Рабочий режим трансформатора: эквивалентная схема При формировании эквивалентной схемы необходимо обеспечить ее преемственность в схеме замещения трансформатора для ХХ. Кроме того, поиск схемы замещения будем осуществлять с учетом выявленной ранее возможности построения Т-образной эквивалентной схемы трансформатора. Рисунок 9 – Эквивалентная схема трансформатора в рабочем режиме Эквивалентную схему можно построить, пользуясь следующими уравнениями: Рабочий режим трансформатора: векторная диаграмма при нагрузке индуктивного характера Рисунок 10 - Векторная диаграмма при нагрузке индуктивного характера Рабочий режим трансформатора: векторная диаграмма при емкостном характере нагрузки Рисунок 11 - Векторная диаграмма при емкостном характере нагрузки Изменится Элементы схемы замещения трансформатора оценивают по данным измерений, выполняемым при проведении специально организованных опытов ХХ и КЗ. Опыт холостого хода Рисунок 12 – Схема проведения опыта ХХ а) б) Рисунок 13 - Эквивалентная схема трансформатора на ХХ. Опыт КЗ В отличие от ХХ нельзя проводить при номинальном входном напряжении т.к. КЗ – аварийный режим. При проведении опыта КЗ: Рисунок 14 – Схема проведения опыта КЗ На входе действует малое напряжение При малом потоке потерями в стали можно пренебречь. (схема) Опыт КЗ существенно дополняет опыт ХХ, и вместе они дают возможность экономично, с требуемой точностью оценит параметры эквивалентной схемы транзистора. Конструкция, магнитные материалы, электрические провода и изоляция Основными элементами конструкции трансформаторов являются сердечник (магнитопровод) и обмотки: К элементам конструкции относятся также конструктивные детали, служащие для крепления сердечника и установки трансформаторов в блоках аппаратуры. Сердечники трансформаторов изготавливают из высоколегированных горячекатаных и повыщеннолегированйых холоднокатаных сталей. Марки электротехнических сталей, их магнитные свойства и удельные потери энергий определяет ГОCT 9925—61. При частоте тока сети 50 Гц для сердечников используют стали марок Э41, Э42, Э43 и Э310, Э320, Э33О при толщине стальных листов или ленты 0,5 и 0,35 мм. При повышенных частотах (400 Гц и выше) используют стали марок Э44, 345, Э46, Э47, 348, Э340 и Э370 с толщиной пластин или ленты 0,2; 0,15; 0,1; 0,08 и 0,05 мм. По конструктивному выполнению сердечники трансформаторов подразделяются на три основных типа: стержневые, броневые и тороидальные. Соответственно и трансформаторы в зависимости от конструкции сердечника подразделяются на три указанных выше типа. Сердечники мощных трансформаторов набираются из отдельных прямоугольных пластин трансформаторной стали. Сердечники трансформаторов малых мощностей выполняют либо наборными из штампованных пластин, либо ленточными. Пластины трансформаторной стали изолируются друг от друга лаком или окисной пленкой, т. е. «окалиной», для уменьшения потерь на вихревые токи. Сердечник стержневого трансформатора имеет два стержня, на которых располагаются обмотки. На каждом стержне сердечника помещается половина витков первичной и половина витков вторичной обмоток. Половины каждой обмотки соединяются между собой последовательно так, чтобы намагничивающие силы этих половин обмоток совпадали по направлению. Стержневые сердечники применяются для трансформаторов различной мощности. Основными достоинствами стержневого трансформатора являются: большая поверхность охлаждения обмотки; малая индуктивность рассеяния вследствие размещения половинного числа витков на каждой катушке и меньшей толщины намотки; меньший расход обмоточного провода, чем у броневого трансформатора, так как уменьшение намотки вызывает уменьшение средней длины витка обмотки; значительно меньшая, чем в броневом трансформаторе, чувствительность к внешним магнитным полям, так как знаки ЭДС помех, наводимых в обеих катушках трансформатора, противоположны и взаимно уничтожаются. а) б) в) г) д) Рисунок 15 – Конструкция трансформаторов: а и б — пластинчатые стержневой и броневой; в и г — ленточные стержневой и броневой; д — тороидальный В трансформаторе броневого типа первичная и вторичная обмотки помещаются на среднем стержне сердечника. Таким образом, в этом трансформаторе обмотки частично охватываются (бронируются) ярмом. Броневыми наиболее часто выолняются трансформаторы малой мощности. Броневой трансформатор обладает рядом конструктивных достоинств: наличием только одной катушки с обмотками вместо двух при стержневом сердечнике; более высоким коэффициентом заполнения окна сердечника обмоточным проводом; частичной защитой обмотки ярмом сердечника от механических повреждений. Сердечники маломощных стержневых и броневых трансформаторов выполняются соответственно из П-образных и Ш-образных пластин трансформаторной стали, а также из ленточных сердечников подковообразной формы. В некоторых случаях пластинчатые сердечники трансформаторов делают с уширенным ярмом для уменьшения намагничивающего тока. При этом сечение ярма делают у стержневого трансформатора больше сечения стержня, а у броневого — больше ПОЛОВИНЫ сечения стержня. Пластинчатые магнитопроводы трансформаторов собираются встык или внахлест. При сборе встык все пластины сердечника составляются вместе, располагаясь одинаково, и сердечник состоит из двух частей, которые затем скрепляются вместе. Сборка внахлест позволяет уменьшить магнитное сопротивление, но усложняет монтаж и демонтаж трансформатора. При сборке внахлест пластины чередуются так, чтобы у соседних пластин разрезы были с разных сторон сердечника. После сборки магнитопровода его стягивают болтами или шпильками. Стержневые и броневые магнитопроводы из ленточных сердечников собирают встык. Для получения возможно меньшего магнитного сопротивления в местах стыка сердечников их торцевые оверхности шлифуют. Обмотки и другие токоведущие части трансформатора изолируют. Изоляция должна обеспечивать надежную работу трансформатора в условиях его эксплуатации при значительных колебаниях температуры нагрева. В зависимости от нагревостойкости изоляционные материалы разделяются на семь классов (ГОСТ 8865-70) со следующими предельно допустимыми температурами: класс Y-90°С, A-105°С, E (AB)-120°С, B-130°С, F (BC)-155°С, H (CB)-180°С, и класс С – более 180°С. Изоляция обмоток должна выдерживать длительное воздействие переменного электрического поля, имеющегося в трансформаторе, и кратковременные перенапряжения, возникающие в условиях эксплуатации трансформатора. ЛИТЕРАТУРА
bukvasha.ru |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|