Определение потерь и кпд трансформатора

Потери активной мощности в трансформаторе подразделяются на электрические потери в обмотках и магнитные потери в магннто- проводе. Добавочные потери на вихревые токи в обмотках (см. § 12-3) включаются в электрические потерн. Кроме того, возникают потери на вихревые токи от полей рассеяния также в стенках бака и в кре¬пежных деталях. Так как эти потери пропорциональны квадрату тока, то они тоже относятся к электрическим потерям. Опытное значение активного сопротивления короткого замыкания гк учиты¬вает и эти добавочные потери.

Значение потерь определяется расчетным путем при проектиро¬вании трансформатора или опытным путем в готовом трансфор¬маторе.

Согласно ГОСТ 11677—75, магнитные потерн рш. определяются из опыта холостого хода (см. § 14-5).

Как было установлено в § 15-1, поток трансформатора при l/j = = const с изменением нагрузки несколько изменяется, в соответ¬ствии с чем изменяются также магнитные потери. Однако это изме¬нение относительно невелико, и поэтому при иг — Ula = const магнитные потери при всех нагрузках принимаются, согласно ГОСТ 11677—75, равными мощности холостого хода Р0 при этом напря¬жении.

Электрические потери рэл, включая добавочные, при номиналь¬ном токе принимаются равными мощности короткого замыкания Рк при этом же токе (см. § 14-5). Обычно в опыте короткого замыкания температура обмоток # отличается от 75° С, и поэтому мощность Рк приводится к 75° С, для чего опытное значение потерь множится при медных обмотках на коэффициент

Коэффициент полезного действия

определяется отношением мощности , отдаваемой трансформатором в нагрузку, к мощности, потребляемой из сети:

.

Коэффициент полезного действия характеризует эффективность преобразования напряжения в трансформаторе. При практических расчетах  вычисляют по формуле

, (2.20)

где — полные потери в трансформаторе.

Формула (2.20) менее чувствительна к погрешностям в определении ии поэтому позволяет получить более точное значение. Полезная мощность вычисляется по формуле

, (2.21)

где

— коэффициент нагрузки трансформатора.

Электрические потери в обмотках определяются из опыта короткого замыкания

, (2.22)

где — потери короткого замыкания при номинальном токе.

Потери в стали определяются из опыта холостого хода

. (2.23)

Они принимаются постоянными для всех рабочих режимов работы трансформатора, так как при ЭДСв рабочих режимах меняется незначительно.

Подставляя соотношения (2.21)(2.23) в формулу (2.20), получим

. (2.24)

Анализ этого выражения показывает, что  имеет максимальное значение при нагрузке, когда потери в обмотках равны потерям в стали,

.

Отсюда получаем оптимальное значение коэффициента нагрузки

.

В современных силовых трансформаторах отношение потерь , поэтому максимум имеет место при

(рис.2.21).

Из кривой видно, чтотрансформатор имеет практически постоянный коэффициент полезного действия в широком диапазоне изменения нагрузки от 0,5 до 1,0. При малых нагрузках  трансформатора резкого снижается.

2. Параллельная работа трансформатора при неодинаковых коэффициентах трансформации

3. Параллельная работа трансформатора при неодинаковых напряжениях кз

На трансформаторных подстанциях обычно устанавливается несколько параллельно работающих трансформаторов. Это обусловлено следующими причинами:

• условиями обеспечения надежности электроснабжения путем резервирования;

• 

  необходимостью расширения подстанции;

• уменьшением потерь при малых нагрузках путем отключения части параллельно работающих трансформаторов.

Параллельное включение трехфазных трансформаторов осуществляется по схеме, приведенной на рис. 2.29.

При параллельной работе трансформаторов возникает проблема обеспечения равномерного распределения нагрузки между ними. Равномерность распределения нагрузки обеспечивается в том случае, если трансформаторы имеют

• одинаковые группы соединения обмоток;

• равные коэффициенты трансформации;

• равные напряжения короткого замыкания.

Если первые два условия соблюдены, то вторичные ЭДС параллельно включенных трансформаторов будут равны по величине и по фазе и поэтому будут уравновешивать друг друга. В противном случае уже на холостом ходу возникает уравнительный ток . Этот ток, складываясь с током нагрузки, вызывает неравномерное распределение нагрузки, а также дополнительные потери и нагрев трансформаторов. При большой разнице ЭДС ток

может быть опасным для трансформаторов. Соблюдение третьего условия обеспечивает равномерное распределение токов между трансформаторами при нагрузке.

Анализ особенностей параллельной работы двух трансформаторов можно выполнить с помощью упрощенной схемы замещения (рис. 2.30). Трансформаторы в этой схеме представлены внутренними сопротивлениями и. В цепь второго трансформатора включен источник ЭДС

, учитывающий несоблюдение первых двух условий параллельной работы трансформаторов,

.

Если , то ток нагрузкираспределяется между трансформаторами обратно пропорционально их внутренним сопротивлениям:

; .

Если , то в замкнутом контуре, образованном сопротивлениямии, потечет уравнительный ток

,

вызывая неравномерное распределение тока нагрузки между трансформаторами:

;

.

Ввиду малого внутреннего сопротивления трансформатора уровень тока может быть весьма значительным. Например, при включении на параллельную работу трансформаторов с группами соединений обмотокY/Y-0 и Y/-11 вторичные ЭДС будут сдвинуты по отношению друг к другу на 30 (рис. 2.31). Принимая модули приведенных значений ЭДС иодинаковыми и равными 1о.е., найдем из рис. 2.31 модуль ЭДС

При модуль уравнительного тока, вызванного этой ЭДС, превысит пятикратное значение

,

что недопустимо. Поэтому на параллельную работу включаются трансформаторы только с одинаковыми группами соединений обмоток.

Если трансформаторы имеют разные коэффициенты трансформации, то величина ЭДС может быть приближенно вычислена по выражению

.

Примем для определенности , тогда ЭДСбудет находиться в противофазе с напряжением. Примодуль уравнительного тока, вызванного этой ЭДС, составит

,

а его фаза будет определяться аргументами комплексных сопротивлений и. Появление уравнительного тока приведет к уменьшению нагрузки первого трансформатора и ее увеличению у второго (рис. 2.32). Для того, чтобы не вызвать серьезного нарушения параллельной работы трансформаторов, различие в коэффициентах трансформации не должно превышать 0,5%. При равенстве коэффициентов трансформации, и ток нагрузки будет распределяться обратно пропорционально сопротивлениям:

.

В общем случае эти токи не совпадают по фазе. Однако фазовый сдвиг незначителен и его можно не учитывать, тогда

. (2.26)

Выразим сопротивления короткого замыкания через их значения в относительных единицах:

;

.

Подставим эти выражения в формулу (2.26):

.

Так как напряжения параллельно работающих трансформаторов одинаковы, отношения токов можно заменить отношением мощностей:

.

Если , то трансформаторы будут нагружаться пропорционально их номинальным мощностям. Очевидно, что при этом условия параллельной работы являются наилучшими. Если жене равны, то сильнее будет нагружаться тот трансформатор, у которогоменьше. Допускается включать на параллельную работу трансформаторы, у которыхотличается от среднеарифметического не более чем на10%.

КПД Трансформатора — Знаешь как

Отношение отдаваемой мощности Р₂ к получаемой Р₁, выраженное в единицах активной мощности, т. е. в ваттах или киловаттах, называют коэффициентом полезною действия η. Для трансформатора

η = (Р₂/P₁)100% = (P₂/(P₂ + P_ст + Р_о))100%

Потери в стали постоянны, а потери в обмотках пропорциональны квадрату тока или квадрату вторичной мощности S₂. Пусть S₂ : S_2H = Ʀ_нг, коэффициенту нагрузки трансформатора. Тогда, зная Р_ст и Р_о.н, можно для любой нагрузки трансформатора подсчитать к.п.д.:

η = P₂/P₁ = (Ʀ_нгS_2нcosφ₂)/(Ʀ_нгS_2нcosφ₂ + Р_ст + Ʀ²_нгР_о.н)

Зависимость к. п. д. от вторичной мощности, подсчитанная по этой формуле, показана на рис. 9-26.

Как указывалось ранее, к. п. д. трансформатора очень высок. Максимальное значение к. п. д. наступает при такой нагрузке, при которой потери в обмотках становятся равными потерям

в стали. Эта нагрузка устанавливается расчетом меньшей номинальной по экономическим соображениям. Она легко определяется, если взять приведенные в каталогах для трансформатора данные Р_х = Р_ст и Р_о.н = Р_к.н

Рис. 9-26. Кривая зависимости к. п. д. трансформатора от вторичной мощности.

Пример. Трансформатор мощностью Р_н = 560 ква, напряжением 35 и 10,5 кв имеет потери холостого хода при номинальном напряжении 3 350 вт и потери короткого замыкания при номинальных токах 9 400 вт. Найти ту нагрузку, при которой будет наибольший к. п. д.

НАГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Тепло, выделяющееся в обмотках и стали при работе трансформатора, повышает его температуру, вызывает старение изоляции и должно отводиться в окружающую среду. Допустимая температура установлена: для обмоток 105° С, для сердечника на поверхности 110° С и для верхних слоев масла 95° С при температуре окружающего воздуха 35° С.

Существуют трансформаторы с воздушным и масляным охлаждением. Мощные трансформаторы, как правило, выполняются с масляным охлаждением. Масло улучшает, охлаждение обмоток и защищает изоляцию от вредного действия воздуха. Для этого трансформатор помещают в стальной бак с минеральным маслом. Для трансформаторов небольшой мощности (20—30ква) бак делается гладким. Для трансформаторов большей мощности бак делают трубчатым, увеличивая тем самым поверхность охлаждения(рис. 9-27). Выводы обмоток сделаны через проходные изоляторы на крышке бака. Для трансформаторов очень большой мощности применяются баки с радиаторами.

Рис. 9-27. Внешний вид трансформатора с трубчатым баком.

При мощности, большей 100 ква, а для напряжений свыше 6 300 в и меньшей мощности бак снабжается масло-расширителем (1, рис. 9-27). Это резервуар, соединенный трубой с баком. Уровень масла в расширителе повышается при нагреве трансформатора и падает при охлаждении его. Емкость его такая, что при всех нагрузках и колебаниях температуры окружающего воздуха от —35° до + 35° С в нем есть масло. Контролируется уровень маслоуказателем. Маслорасширитель, уменьшая поверхность соприкосновения масла с воздухом, обеспечивает меньшее загрязнение и увлажнение масла. Трансформаторы при S≥ 1 000 ква снабжаются еще выхлопной трубой 2. Это стальная труба, соединенная с баком и закрытая сверху стеклянной мембраной. При аварийном состоянии трансформатора образующиеся при испарении масла газы выдавливают мембрану и выходят из бака, предохраняя его от разрыва.

 

Статья на тему КПД Трансформатора

Коэффициент полезного действия трансформатора | Электротехнический журнал

Как известно, преобразование электрической энергии в трансформаторе сопровождается потерями. Эти потери можно выразить через КПД – коэффициент полезного действия.

Где S_потерь – это мощность потерь, S_100% – это полная мощность трансформатора, S_{полезная} – это эффективная мощность трансформатора.

КПД – это коэффициент полезного действия, т.е. отношение преобразованной активной мощности к потребляемой. Соответственно по этому утверждению запишем формулу определения КПД трансформатора:

На самом деле, когда речь идёт о трансформаторе, формулы преобразования мощности всегда записывают через S, т.е. полную мощность P+Q (где P – активная мощность, Q – реактивная). В инженерных расчётах сумму активной и реактивной энергии всегда представляют в виде комплексного числа, в виде P+jQ, так как в действительности векторы Q и P отличаются друг от друга на определённый угол, а решение таких уравнений через комплексные числа полностью удовлетворяет ход и результаты расчётов.

Для практического определения КПД необходимо измерить мощности в первичной и вторичной обмотках, а в нагрузку подключить активное сопротивление, для обеспечения максимально коэффициента мощности (cosφ=1). Данная методика справедлива при измерении КПД тр-ра методом двух ваттметров, или методом непосредственных измерений. Так как если уменьшить значение коэффициента мощности, то измерение соотношений будет несколько не точным.

На что же тратиться энергия в трансформаторе при преобразовании? Потери в трансформаторе бывают двух видов. Первый – потери в меди трансформатора, т.е. в обмотках. Это потери на активном сопротивлении обмоток трансформатора. Энергия потерь рассеивается в виде тепла в окружающую среду. Второй вид потерь – это потери на перемагничивание сердечника трансформатора. Их ещё называют потерями в стали трансформатора. Т.е. это ничто иное, как потери на гестерезис и на вихревые токи, которые возникают в магнитопроводе. Для уменьшения влияния вихревых токов сердечник трансформатора шихтуют, то есть разделяют на изолированные друг от друга пластины, направленные вдоль протекания магнитного потока.

Благодаря шихтованному сердечнику современные промышленные трансформаторы имеют КПД 90%. КПД бытовых трансформаторов меньше, в зависимости от качества трансформаторной стали и правильности обмотки рознится от 60% и более.

Для определения потерь в стали трансформатора необходимо провести опыт холостого хода. На первичную обмотку подаётся номинальное напряжение, а вторичная остаётся не подключенной к нагрузке. Если измерить потребляемый ток, то можно вычислить мощность потерь. Так как на вторичной обмотке нет нагрузки, а сталь сердечника не насыщена, для переменного тока первичная обмотка будет представлять большое индуктивное сопротивление, влияние активного сопротивления при таком токе ничтожно мало, поэтому мы считаем, что весь потребляемый ток трансформатором в таком режиме будет током потерь в стали сердечника.

А для определения потерь в меди трансформатора необходимо провести опыт короткого замыкания. Для этого вторичная обмотка закорачивается, в разрыв цепи устанавливается амперметр. Напрямую или через трансформатор тока – зависит от величины протекающего тока. К первичной обмотке подключается регулируемый источник переменного тока, например ЛАТР (лабораторный автотрансформатор). Постепенно повышая значение напряжения на первичке, добиваются значения номинального тока во вторичной. Напряжение на первичной обмотке, при котором на вторичной устанавливается номинальный ток, называется напряжением короткого замыкания. Соответственно, через это значение находят действительный ток короткого замыкания трансформатора, определяют точный коэффициент трансформации, а так же вычисляют потери трансформатора в обмотках, так как сталь сердечника не насыщена, то в стали протекает малый магнитный поток, потерями в котором можно пренебречь.

Просмотров всего: 315, Просмотров за день: 1

Потери в трансформаторе: определение, расчет и формула

Трансформатор является прибором, который призван преобразовывать электроэнергию сети. Эта установка имеет две или больше обмоток. В процессе своей работы трансформаторы могут преобразовать частоту и напряжение тока, а также количество фаз сети.

В ходе выполнения заданных функций наблюдаются потери мощности в трансформаторе. Они влияют на исходную величину электричества, которую выдает на выходе прибор. Что собой представляют потери и КПД трансформатора, будет рассмотрено далее.

Устройство

Трансформатор представляет собой статический прибор. Он работает от электричества. В конструкции при этом отсутствуют подвижные детали. Поэтому рост затрат электроэнергии вследствие механических причин исключены.

При функционировании силовой аппаратуры затраты электроэнергии увеличиваются в нерабочее время. Это связано с ростом активных потерь холостого хода в стали. При этом наблюдается снижение нагрузки номинальной при увеличении энергии реактивного типа. Потери энергии, которые определяются в трансформаторе, относятся к активной мощности. Они появляются в магнитоприводе, на обмотках и прочих составляющих агрегата.

Понятие потерь

При работе установки часть мощности поступает на первичный контур. Она рассеивается в системе. Поэтому поступающая мощность в нагрузку определяется на меньшем уровне. Разница составляет суммарное снижение мощности в трансформаторе.

Существует два вида причин, из-за которых происходит рост потребление энергии оборудованием. На них влияют различные факторы. Их делят на такие виды:

1. Магнитные.
2. Электрические.

Их следует понимать, дабы иметь возможность снизить электрические потери в силовом трансформаторе.

Магнитные потери

В первом случае потери в стали магнитопривода состоят из вихревых токов и гистериза. Они прямо пропорциональны массе сердечника и его магнитной индукции. Само железо, из которого выполнен магнитопривод, влияет на эту характеристику. Поэтому сердечник изготавливают из электротехнической стали. Пластины делают тонкими. Между ними пролегает слой изоляции.

Также на снижение мощности трансформаторного устройства влияет частота тока. С ее повышением растут и магнитные потери. На этот показатель не влияет изменение нагрузки устройства.

Электрические потери

Снижение мощности может определяться в обмотках при их нагреве током. В сетях на такие затраты приходится 4-7% от общего количества потребляемой энергии. Они зависят от нескольких факторов. К ним относятся:

• Электрическая нагрузка системы.
• Конфигурация внутренних сетей, их длина и размер сечения.
• Режим работы.
• Средневзвешенный коэффициент мощности системы.
• Расположение компенсационных устройств.

Потери мощности в трансформаторах являются величиной переменной. На нее влияет показатель квадрата тока в контурах.

Методика расчета

Потери в трансформаторах можно рассчитать по определенной методике. Для этого потребуется получить ряд исходных характеристик работы трансформатора. Представленная далее методика применяется для двухобмоточных разновидностей. Для измерений потребуется получить следующие данные:

• Номинальный показатель мощности системы (НМ).
• Потери, определяемые при холостом ходе (ХХ) и номинальной нагрузке.
• Потери короткого замыкания (ПКЗ).
• Количество потребленной энергии за определенное количество времени (ПЭ).
• Полное количество отработанных часов за месяц (квартал) (ОЧ).
• Число отработанных часов при номинальном уровне нагрузки (НЧ).

Получив эти данные, измеряют коэффициент мощности (угол cos φ). Если же в системе отсутствует счетчик реактивной мощности, в расчет берется ее компенсация tg φ. Для этого происходит измерение тангенса угла диэлектрических потерь. Это значение переводят в коэффициент мощности.

Формула расчета

Коэффициент нагрузки в представленной методике будет определяться по следующей формуле:

К = Эа/НМ*ОЧ*cos φ, где Эа – количество активной электроэнергии.

Какие потери происходят в трансформаторе в период загрузки, можно просчитать по установленной методике. Для этого применяется формула:

П = ХХ * ОЧ * ПКЗ * К² * НЧ.

Расчет для трехобмоточных трансформаторов

Представленная выше методика применяется для оценки работы двухобмоточных трансформаторов. Для аппаратуры с тремя контурами необходимо учесть еще ряд данных. Они указываются производителем в паспорте.

В расчет включают номинальную мощность каждого контура, а также их потери короткого замыкания. При этом расчет будет производиться по следующей формуле:

Э = ЭСН + ЭНН, где Э – фактическое количество электричества, которое прошло через все контуры; ЭСН – электроэнергия контура среднего напряжения; ЭНН – электроэнергия низкого напряжения.

Пример расчета

Чтобы было проще понять представленную методику, следует рассмотреть расчет на конкретном примере. Например, необходимо определить увеличение потребления энергии в силовом трансформаторе 630 кВА. Исходные данные проще представить в виде таблицы.

Обозначение	Расшифровка	Значение
НН	Номинальное напряжение, кВ	6
Эа	Активная электроэнергия, потребляемая за месяц, кВи*ч	37106
НМ	Номинальная мощность, кВА	630
ПКЗ	Потери короткого замыкания трансформатора, кВт	7,6
ХХ	Потери холостого хода, кВт	1,31
ОЧ	Число отработанных часов под нагрузкой, ч	720
cos φ	Коэффициент мощности	0,9

На основе полученных данных можно произвести расчет. Результат измерения будет следующий:

К² = 4,3338

П = 0,38 кВТ*ч

% потерь составляет 0,001. Их общее число равняется 0,492%.

Измерение полезного действия

При расчете потерь определяется также показатель полезного действия. Он показывает соотношение мощности активного типа на входе и выходе. Этот показатель рассчитывают для замкнутой системы по следующей формуле:

КПД = М1/М2, где М1 и М2 – активная мощность трансформатора, определяемая измерением на входном и исходящем контуре.

Выходной показатель рассчитывается путем умножения номинальной мощности установки на коэффициент мощности (косинус угла j в квадрате). Его учитывают в приведенной выше формуле.

В трансформаторах 630 кВА, 1000 кВА и прочих мощных устройствах показатель КПД может составлять 0,98 или даже 0,99. Он показывает, насколько эффективно работает агрегат. Чем выше КПД, тем экономичнее расходуется электроэнергия. В этом случае затраты электроэнергии при работе оборудования будут минимальными.

Рассмотрев методику расчета потерь мощности трансформатора, короткого замыкания и холостого хода, можно определить экономичность работы аппаратуры, а также ее КПД. Методика расчета предполагает применять особый калькулятор или производить расчет в специальной компьютерной программе.

Потери мощности и кпд трансформатора

В трансформаторе теряется энергия в обмотках и в магнитопроводе. Потери мощности в обмотках равны

ΔР_м = I₁²r₁ + I₂²r₂ = I₁²r_к .

Потери мощности в магнитопроводе составляют

ΔРст = GBmnΔР10(	f	)1,3;
	50

(8,18)

n = 5,69lg	ΔР15	;
	ΔР10

где G— масса магнитопровода, кг; В_m — амплитуда магнитной индукции, Тл; ΔР₁₀ — удельные потери в стали, Вт/кг, при В_m = 1 Тл и f = 50 Гц; ΔР₁₅ — удельные потери в стали, Вт/кг, при В_m = 1,5 Тл и f = 50 Гц; f — частота тока в обмотках, Гц.

Потери в обмотках зависят от нагрузки, потери в магнитопроводе практически не зависят от нагрузки. Коэффициент полезного действия трансформатора равен

η =	P2	=	P2	.
	P1		P2 + ΔРм + ΔРст

где   Р₂ — мощность,   отдаваемая   трансформатором;   P₁ — потребляемая мощность.

Выразив активную мощность, отдаваемую  трансформатором, через полную мощность Р₂ = S₂cos φ₂, получим

η =	S2 cos φ2	.
	S2 cos φ2 + I12rк + ΔРст

Рис. 8.23. Зависимость КПД трансформатора от коэффи­циента загрузки

Выразив S₂ и I₂ через коэффициент загрузки трансформатора β, имеем М₂ = βI_2ном , что соответствует S₂ ≈ βS_ном , и так как U₂≈ U_2ном, получим

η =	βS2ном cos φ2	.
	βSном cos φ2 + ΔPкβ2 + ΔPст

(4.65a)

где ΔP_к = ΔP_ном = I²_1номr_к — потери мощности в обмотках при номинальной нагрузке; ΔP_ст — потери мощности в магнитопроводе при номинальном напряжении.

На рис. 8.23 изображены графики зависимости КПД от коэффициента загрузки трансформатора при различных значе­ниях cos φ₂.

Трансформаторы большой мощности при номинальной нагрузке и cos φ₂ = 1 обладают высоким КПД, доходящим до 0,98 — 0,99. Трансформаторы малой мощности имеют КПД примерно 0,82 — 0,9.

Конструктивное исполнение трансформаторов

Трансформаторы малой мощности до 50 — 1000 Вт применяются в радиоприемниках, телевизорах, магнитофонах, осциллографах, многих измерительных устройствах, системах регулирования и т. п. Они бывают однообмоточные, двухобмоточные и многообмоточные. На рис. 8.24 изображен трансформатор малой мощности.

Рис. 8.24. Однофазный трансформатор малой мощности:

1 — магнитопровод;  2 — каркас;  3 — первичная обмотка;  4 — изоляционная прокладка между первичной и вторичной обмотками;  5 — вторичная обмотка

Магнитопровод трансформатора может иметь Ш или П-образную форму (рис. 8.25, а, б).

Площадь сечения окна магнитопровода всегда имеет прямоугольную форму с соотношением сторон б/а = 1,5 ÷ 2,5 (см. рис. 8.24). При такой форме магнитопровод имеет наименьшую массу и, следовательно, меньше потери энергии в нем по сравнению с квадратной формой окна. Обмотка выполняется из медного провода круглого или прямоугольного сечения, чаще всего с эмалевой изоляцией. В отдельных случаях применяются и другие изоляционные материалы. Обмотка укладывается плотными рядами на заранее изготовленный каркас (рис. 8.25, в) из электрокартона, текстолита или пластмассы. Между отдельными обмотками прокладывается слой изоляции из бумаги, лакоткани или другого изоляционного материала. После изготовления обмоток производится сборка трансформатора. Если магнитопровод имеет П-образную форму (рис. 8.25, б), то часть пластины К вставляется в обмотку поочередно то сверху, то снизу, а в возникшие промежутки между ними сверху и снизу вставляются части пластины М. При такой сборке последующий слой перекрывает место стыка предыдущего слоя. Сборка магнитопровода трансформатора, имеющего Ш-образную форму магнитопровода (рис. 8.25, а), производится в том же порядке. Естественно, что в этом случае пластина К вставляется в обмотку своей средней частью.

Трансформатор с Ш-образным магнитопроводом называют бро­невым, поскольку его обмотки с двух сторон охвачены магнитопроводом. Сборка магнитопровода внахлестку — последующий слой перекрывает стыки (воздушные промежутки) предыдущего слоя — существенно уменьшает эквивалентный воздушный зазор магнитопровода, что приводит к значительному снижению тока холостого хода трансформатора.  Кроме  того,  такая  сборка   значительно повышает механическую прочность трансформатора и удобство крепления его магнитопровода.

Рис.   8 25.   Формы   магнитопроводов  трансформаторов   малой   мощности (а, б, г) и каркас катушки трансформатора (в)

Для придания магнитопроводу необходимой механической прочности и устранения «гудения» после сборки пластины магнитопровода стягиваются с помощью поперечных пластин и болтов.

Уменьшение эквивалентного воздушного зазора можно объяснить тем, что магнитный поток обходит воздушный промежуток стыка через рядом расположенные пластины, не имеющие в этом месте стыка (рис. 8.26). В последнее время стали широко применяться магнитопроводы из склеенных пластин, состоящие из двух половин (рис. 8.25, г). Поверхности соприкосновения каждой половины для уменьшения зазора шлифуются. Такие две части вставляются в обмотки и крепятся. Для уменьшения потоков рассеяния, а следовательно, индуктивных сопротивлений обмоток на каждом каркасе в случае П-образной формы (рис. 8.25, б, г) укладывается по половине витков первичной и вторичной обмоток. После сборки половины обмоток соединяются последовательно согласно. В трансформаторах с Ш-образной формой магнитопровода все обмотки находятся на одном каркасе. Трансформатор малой мощности имеет естественное воздушное охлаждение.

Для проведения всякого рода исследований иногда требуются трансформаторы малой мощности с отличными от стандартных на­пряжениями первичной и вторичной обмоток. В этом случае можно рассчитать и изготовить трансформатор своими силами. В качестве магнитопровода можно использовать магнитопровод старых не годных к употреблению трансформаторов.

Инженерам-машиностроителям едва ли придется обслуживать установки с трансформаторами средней и большой мощности. Поэтому здесь будет рассмотрено конструктивное исполнение трансформаторов средней (20 — 500 кВ•А) и большой (до 500000 — 1000000 кВ•А) мощности в самом общем виде.

Рис. 8.26. Расположение линий магнитного потока в месте стыка пластин магнитопровода

Рис. 8.27. К пояснению зависимости длины витка обмотки трансформатора от формы площади сечения стержня магнитопровода при одном и том же значении площади.

Окружность а’ соответствует прямоугольной форме сечения а; окружность б’ соответствует квадратной форме сечения б; окружность в’ соответствует крестообразной форме сечения в, окружность г’ соответствует ступенчатой форме сечения г

Рис. 8.28. Пластины магнитопровода трехфазного трансформатора

Рассмотрим конструктивное исполнение трехфазных трансформаторов. Форма магнитопроводов всех трансформаторов одинаковая — трехстержневая (см. рис. 8.17, д). Магнитопровод имеет три стержня, на которых располагаются первичные и вторичные обмотки трех фаз и два ярмаД, Е, объединяющие стержни в единый магнитопровод. Площадь   сечения   стержней   определяется   из   уравнения    U ≈ E = 4,44f_wB_mS_ст. Форма площади сечения, как вытекает из этой формулы, казалось бы, не оказывает никакого влияния на конструкцию и параметры трансформатора. Однако форма сечения существенно влияет на затраты меди для обмоток, массу, стоимость и параметры трансформатора. Сечения проводов обмоток трансформаторов средней и большой мощности исчисляются десятками и сотнями квадратных миллиметров: это шины квадратной или прямоугольной формы. На­мотать такой провод на сердечник с прямоугольной формой сечения, так чтобы он прилегал к сторонам сердечника, невозможно. При изги­бе провода под прямым углом произошла бы недопустимая дефор­мация провода, да и намотать обмотку значительно проще на шаблон с круглым сердечником, чем с прямоугольным. По этим причинам ка­тушки трансформаторов средней и большой мощности всегда круглые. Это определяет и форму сечения стержней трансформатора. Проще и дешевле изготовить магнитопровод с прямоугольной или квадрат­ной формой площади сечения (рис. 8.27, а, б). Однако при этом, как это видно из рис. 8.27, длина витка и, следовательно, затраты обмоточного материала будут гораздо больше, чем при крестовидной (рис. 8.27, в) и тем более при ступенчатой (рис. 8.27, г) форме площади сечения. Кро­ме того, между обмоткой и стержнем будут большие пустоты, в ре­зультате чего возникнут значительные потоки рассеивания и обмотки будут иметь недопустимо большие индуктивные сопротивления.

Рис. 8.29. Силовой трехфазный трансформатор ТМ-320/10: 1 — магнитопровод,  2 — обмотка высшего напряжения;  3 — обмотка низшего напряжения;  4 — стальной бак; заполненный трансформаторным маслом,  5 — проходные   изоляторы   для   вывода   концов   обмотки   высшего   напряжения;

6 — проходные изоляторы для вывода концов обмотки низшего напряжения;  7 — переключатель для изменения коэффициента трансформации;  8 — охлаждающие трубы;  9 — расширительный бачок;  10 — измеритель масла;  11 — заливочное отверстие с пробкой

Все это привело к тому, что по экономическим и техническим соображениям трансформаторы средней мощности выполняются с крестовидной, а большой мощности — со ступенчатой формой площади сечения стержней. Ярма имеют прямоугольную форму площади сечения. Магнитопровод собирается из отдельных тонких листов (0,35 — 0,5 мм) электротехнической стали внахлестку по тем же причинам, что и в трансформаторах малой мощности. Каждый слой магнитопровода состоит из отдельных листов (рис. 8.28), при сборке отдельные части последующего слоя располагаются так, что они перекрывают стыки листов предыдущего слоя. Магнитопровод с обмотками располагается в стальном баке, наполненном трансформаторным маслом. Трансформаторное масло выполняет роль охлаждающей среды и изолятора как между витками, так и между обмоткой и магнитопроводом.

Рис. 8.30. К пояснению изменения коэффициента трансформации трехфазного трансформатора

На рис. 8.29 изображен трансформатор мощностью 320 кВ • А. Бак трансформатора герметически закрыт, а изменение объема масла, вызванное колебаниями температуры, компенсируется маслорасширительным бачком 9. В магнитопроводе и обмотках трансформаторов образуются значительные потери энергии, нагревающие трансформатор. И если поверхность бака недостаточная, трансформатор будет перегреваться. Поэтому бак трансформаторов снабжается радиаторами в виде труб 8,существенно увеличивающими поверхность охлаждения. В трансформаторах большой мощности и этого недостаточно. Действительно, допустим, мощность трансформатора 270000 кВ • А и КПД 98%, следовательно, потери мощности в нем составляют 5400 кВт. Такие трансформаторы охлаждаются с помощью водяных маслоохладителей, через которые пропускается горячее масло трансформатора. Выводы концов обмоток трансформатора осуществляются с помощью проходных фарфоровых изоляторов 5, 6(рис. 8.29).

В условиях эксплуатации иногда значение напряжения первичной обмотки оказывается ниже нормального и тогда напряжение на вторичной (напряжение приемников) будет ниже номинального. Это существенно ухудшает их работу. Для поддержания вторичного напряжения в пределах номинального трансформаторы снабжаются устройством для изменения коэффициента трансформации. Обмотка высшего напряжения каждой фазы имеет три вывода (рис. 8.30), которые подключены к переключателю 7 (рис. 8.29). Переключатель может замыкать концы Х₁, Y₁, Z₁, или Х₂, Y₂, Z₂, или Х₃, Y₃, Z₃. В результате будет изменяться коэффициент трансформации и, следовательно, напряжение на вторичной обмотке при неизменном первичном. Следует заметить, что трансформаторы содержат большое количество трансформаторного масла (до нескольких десятков тонн) и представляют большую пожарную опасность. Для ограничения последствий возникшего пожара под трансформатором всегда есть бетонная маслосборная яма, накрытая сеткой, на которую насыпан гравий. В случае утечки и возгорания масла оно через гравий стекает в маслосборную яму, а пламя изза сетки и гравия в яму не проникает. Возникший пожар быстро ликвидируется.

8. Потери и коэффициент полезного действия трансформатора.

Потери энергии в трансформаторе складываются из двух основных составляю-

щих, соответственно двум основным составляющим его конструкции: электри-

ческие потери в электрических обмотках трансформатора и магнитные потери в

магнитопроводе.

Энергетическая диаграмма трансформатора

Здесь P1 – активная мощность, потребляемая трансформатором от источника;

P2 – активная мощность, отдаваемая трансформатором приемнику; ΔPЭл – элек-

трические потери в обмотках трансформатора; ΔРм – магнитные потери в маг-

нитопроводе трансформатора; ΔРдоп – дополнительные потери в остальных эле-

ментах конструкции, которые составляют до 10% всех потерь.

Электрические потери:

ΔPэл = ΔPэл.ном β2

Магнитные потери в трансформаторе ΔРм складываются из двух

составляющих – потерь на гистерезис ΔРГ и потерь от вихревых токов ΔРВТ:

ΔРм = ΔРГ + ΔРВТ .

Коэффициент полезного действия трансформатора определяется соотношением

потерь и полезной мощности:

В режиме холостого хода КПД трансформатора η = 0. Мощность холостого хо-

да P0 , потребляемая трансформатором в этом режиме, расходуется на компен-

сацию магнитных потерь. С увеличением нагрузки в достаточно небольшом

диапазоне (приблизительно β = 0,2) КПД достигает больших значений. В ос-

тальной части рабочего диапазона КПД трансформатора держится на высоком

уровне. В режимах, близких к номинальному, КПД трансформатора ηном = 0,9 – 0,98.

Трансформаторы(9-16)

9. Группы соединения обмоток трансформатора.

Трансформаторы делят на группы в зависимости от сдвига по фазе между линейными напряжениями, измеренными на одноименных зажимах.

На рис. 12-23 а, показаны обмотки однофазного трансформатора, намотанные по левой винтовой линии и называемые поэтому левыми, причем у обоих обмоток начала А, а находятся сверху, а концы Х, х – снизу. Будем считать э.д.с. положительной, если она действует от конца обмотки к ее началу, а обмотки сцепляются с одним и тем же потоком. Вследствие этого э.д.с. этих обмоток в каждый момент времени действует в одинаковых направлениях. Поэтому э.д.с. ЕА и Еа совпадают по фазе. встречное соединение согласное соединение 8 . Если же у одной из обмоток переменить начало и конец (рис. 12.23, б), то направление э.д.с., изменится на обратное, и э.д.с. ЕА и Еа будут иметь сдвиг на 180 . Такой же результат получится, если одну из обмоток выполнить «правой». Для обозначения сдвига фаз обмоток трансформатора векторы их линейных э.д.с. уподобляют стрелкам часового циферблата, причем вектор обмотки ВН принимают за минутную стрелку, направленную на цифру 12, а вектор э.д.с., обмотки НН принимают за часовую стрелку. Тогда на рис. 12.23,а часы будут показывать 0 или 12 часов, и такое соединение обмоток называют группой 0. На рис. 12.23, б часы будут показывать 6 ч, и такое соединение обмоток называют группой 6. В этих случаях соединения обозначаются I/I-0 и I/I-6. В России (СССР) стандартизованы и изготавливаются однофазные трансформаторы только с соединением I/I-0. В трехфазном трансформаторе при соединениях обмоток и э.д.с. как показано на рис. 12.24, а звезды фазных э.д.с. и треугольники линейных э.д.с., будут иметь вид на рис. 12.24 б. При этом одноименные векторы линейных э.д.с. (ЕАВ, Еаb) направлены одинаково, т.е. совпадают по фазе. Поэтому схема соединений обозначается Y/Y-0. Если на рис. 12.24 а, произвести перестановку фаз обмотки НН и разместить фазу «а» на среднем стержне, фазу «b» — на правом, а фазу «с» — на левом, то на векторной диаграмме НН (рис. 12-24, г) произойдет круговая перестановка фаз a, b, c по часовой стрелке. При этом получится группа соединений 4, а при обратной перестановке будет группа 8.Если переменить местами начала и концы обмоток, то получатся еще группы соединений 6, 10, 2. Таким образом, при соединении по схеме Y/Y возможно шесть групп соединений (0, 2, 4, 6, 8, 10), причем все они четные. Такие же группы соединений можно получить по схеме / . При соединении обмоток по схеме Y/ (рис. 12-25,а) векторные диаграммы э.д.с. обмоток ВН и НН будут иметь вид на рис. 12-25,б. При этом одноименные линейные э.д.с., например, ЕАВ и Еab будут сдвинуты на 30 и расположатся на циферблате по рис. 12-25, в, это соединение обмоток обозначается Y/ -11. При круговых перестановках фаз и при перемаркировке начал и концов одной из обмоток можно получить также другие нечетные группы 1, 3, 5, 7, 9. Большой разнобой в схемах и группах соединений трансформаторов нежелателен.Поэтому ГОСТ 11677-75 предусматривает изготовление трехфазных силовых трансформаторов со следующими группами: Y/Y0 – 0; /Y0 – 11; Y/ — 11; Y0/ — 11, а также Y – зигзаг – 11. При этом первым обозначено соединение обмотки ВН, вторым – НН, а индекс «0» указывает на то, что наружу выводится нулевая точка обмотки. Обозначения начал и концов обмоток трансформаторов приводится в таблице 12-1. Зажимы нулевой точки при соединении в звезду обозначаются 0, 0m, 0.

4.2. Режимы работы трансформатора. Коэффициент полезного действия трансформатора

Различают несколько режимов работы трансформатора:

1) номинальный режим, т.е. режим при номинальных (паспортных) значениях напряжения = и тока = первичной обмотки трансформатора;

2) рабочий режим, при котором напряжение первичной обмотки близко к номинальному значению или равно ему: , а ток ≤ при подключенной нагрузке;

3) режим холостого хода, при котором цепь вторичной обмотки разомкнута () или подключена к вольтметру, имеющему очень большое сопротивление нагрузки;

4) режим короткого замыкания, при котором вторичная обмотка коротко замкнута () или подключена к амперметру, имеющему очень малое сопротивление.

Коэффициент полезного действия трансформатора определяется отношением активной мощности на выходе трансформатора к активной мощности на его входе

η = / или η % = (/ ) ∙ 100% = (96-99)% . Поступившая от сети мощность может быть выражена через полезную мощность и мощность потерь в трансформаторе. Электрические потери в трансформаторе складываются из потерь в меди и потерь в стали . Потери в меди зависят от нагрева проводов обмоток. Потери в стали вызваны наличием гистирезиса и вихревых токов в сердечнике магнитопровода. Поэтому КПД трансформатора

η = , (4.7)

где потери в меди =R∙ I + R∙I— зависят от нагрузки и называются переменными потерями; потери в стали — определяются значением магнитного потока и называются постоянными потерями.

Основными потерями трансформатора являются потери в стали. Для их измерения в заводских испытаниях используют опыт холостого хода (рис.4.2).

Рис.4.2. Схема для измерения потерь мощности в стали трансформатора

Автотрансформатор TV1 питается сетевым напряжением . К первичной обмотке трансформатора TV2 подводится номинальное напряжение = U ном. В режиме холостого хода вторичная обмотка трансформатора разомкнута или включена на вольтметр V. Напряжение холостого хода U= E. Ток в первичной обмотке трансформатора = I (3-5)% Iном. Ваттметр W измеряет потери мощности в стали . Коэффициент трансформации трансформатора .Активное, полное и реактивное сопротивления первичной обмотки трансформатора определяются по формулам: , , .

Для измерения потерь мощности в меди используют опыт короткого замыкания (рис.4.3).

Рис.4.3. Схема для измерения потерь мощности в меди трансформатора

Вторичная обмотка трансформатора TV2 закорочена через амперметр А2 . С автотрансформатора TV1 первичная обмотка трансформатора TV2 питается напряжением = U (3-5)% Uном, при этом амперметр А1 должен показывать ток =Iном. Ваттметр W измеряет потери мощности в меди . Коэффициент трансформации трансформатора .Активное, полное и реактивное сопротивления первичной обмотки трансформатора определяются по формулам: , , .

Лекция 8

4.3. Трёхфазные трансформаторы

Конструкция трёхфазного трансформатора имеет трёхфазный магнитопровод, состоящий из листов электротехнической стали. На каждый стержень магнитопровода надевают изолированные цилиндры, на которые намотаны обмотки высшего и низшего напряжений, соединённых звездой или треугольником. На рис.4.4 показана схема трехфазного трансформатора, в котором фазы первичной обмотки соединены звездой, а вторичной обмотки — треугольником.

Принцип действия трёхфазного трансформатора аналогичен работе однофазного трансформатора. Так, в режиме холостого хода, при подаче на трёхфазную первичную обмотку линейных напряжений в фазах трансформатора появляются фазные напряжения. Фазные токи возбуждают в фазах переменные магнитные потоки, которые индуктируют мгновенные ЭДС в фазах первичной и вторичной обмоток трансформатора, направленных встречно.

При соединении звездой фаз первичной обмотки трансформатора соотношения между фазными и линейными напряжениями и токами выразятся ; . При соединении треугольником фаз вторичной обмотки трансформатора эти соотношения имеют вид =; .

Обмотки трёхфазных трансформаторов могут соединяться:

/ (/) ; / (/) ;

/ (/) ; / (/).

На рис.4.5 приведены обозначения таких схем.

Рис.4.4. Схема трёхфазного трансформатора

Рис.4.5. Схемы обозначения трёхфазных трансформаторов

Коэффициент трансформации трёхфазного трансформатора ктр можно определить с учётом введения понятия коэффициента трансформации эксплуатационного кэ.

Так, при соединениях/ и / Кэ = Ктр = ;

при соединении /Кэ =Ктр; при соединении / Кэ = .

Активная, реактивная и полная мощности трёхфазного трансформатора определяются по формулам:

P ==, (4.8)

Q ==, (4.9)

S= (4.10)

В мощных силовых трансформаторах применяется радиаторная система масляного охлаждения.

Маркировка трансформаторов производится буквами и числами.

Первая буква означает количество фаз: О – однофазные; Т – трёхфазные.

Вторая буква означает охлаждение: М – масляное; С – воздушное.

После буквенного шифра идут две цифры дробью, числитель — полная номинальная мощность (кВА), знаменатель — номинальное напряжение обмотки высшего напряжения (кВ). Например: ТС – 0,63/0,22 или TМ – 630/10.

На каждом трансформаторе имеется щиток, на котором указан тип трансформатора, сила линейного тока при номинальной мощности, частота сети, число фаз, схема и группа соединения обмоток.