Мощность потерь в трансформаторе

Работа электрического трансформатора в режиме холостого

Хода

Режим холостого хода – такой режим работы электрического транс-

форматора, при котором его вторичная цепь разомкнута, и ток в ней равен нулю (i₂ = 0) .

Под действием приложенного напряжения

u₁ по первичной обмотке

протекает ток i1x , возбуждающий в магнитопроводе магнитное поле Ф0 .

Большая часть магнитного потока замыкается в магнитопроводе. Однако небольшая часть этого потока замыкается вокруг витков только

первичной обмотки, образуя поток рассеяния

Ф S , и не индуктирует на-

пряжение взаимоиндукции u M 2

В первичной обмотке Ф₀

во вторичной обмотке. индуктирует напряжение

u S1 = 2pfL S1I1x = x LS1 × I1x ,

(6.8)

где

L S1

– индуктивность рассеяния первичной обмотки электрического трансформатора;

нием

x LS1 – индуктивное сопротивление рассеяния этой обмотки.

Кроме того, первичная обмотка обладает резистивным сопротивле-

r₁ . На рисунке 6.2 представлена схема замещения электрического

трансформатора с учетом резистивных сопротивлений

r1 и

r₂ первичной и

вторичной обмоток и их индуктивностей рассеяния

L S1 и

L S 2 .

Рисунок 6.2 – Схема замещения трансформатора в режиме холостого

хода

Составим уравнение для первичной цепи по II закону Кирхгофа в комплексной форме

U&1 = I&1x × r1 + U& L S1 + U& L1 .

(6.9)

На рисунке 6.3 представлена векторная диаграмма напряжений и то- ков, построенная в соответствии с (6.9).

Опытом холостого хода называется испытание электрического трансформатора при разомкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном

приложенном к первичной обмотке напряжении U1x = U1н .

U L1=U M 2

Ф0

Рисунок 6.3 – Векторная диаграмма напряжений и тока трансформа- тора в режиме холостого хода

Для проведения опыта холостого хода собирается электрическая цепь согласно схеме рисунка 6.4.

Рисунок 6.4 – Схема электрической цепи для проведения опыта холостого хода трансформатора

При

U1x

= U1н

ток

I1x

составляет 3…10 % от номинального первич-

ного тока

I1н . Следовательно, в формуле (6.9) слагаемыми U& L S1 =

jx S1 × I&1x

и U& r1 = r1 × I&1x

можно пренебречь. Тогда имеем:

U&1x = U& L1.

(6.10)

При разомкнутой цепи вторичной обмотки

U 2 x = U M 2 ,

(6.11)

поэтому, измерив вольтметром

PV1

первичное напряжение

U1x

и вольт-

метром

PV 2

– вторичное напряжение

U 2 x , определяют коэффициент

трансформации

K = U М 2 » U 2 x = w2 . U L1 U1x w1

(6.12)

Этот коэффициент указывается на щитках электрических трансфор- маторов как отношение высшего напряжения к низшему (например, К = 6000 / 230 ).

При холостом ходе

I1x << I1н

и мощность потерь в проводах первич-

ной обмотки (потери в меди)

P М 1

мала по сравнению с потерями на вихре-

вые токи (потери в стали)

P с . Поэтому в опыте холостого хода по показа-

ниям ваттметра pW определяют мощность потерь в магнитопроводе.

Опыт короткого замыкания

Необходимо различать опыт короткого замыкания и режим корот- кого замыкания, так как в последнем случае имеет место аварийный режим электрического трансформатора, при котором он сильно разогревается и может произойти сгорание трансформатора.

Опыт короткого замыкания – испытание электрического трансфор- матора при короткозамкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном то- ке в первичной обмотке

I1к = I1н .

(6.13)

Этот опыт проводится при аттестации электрического трансформа- тора для определения важнейших параметров:

- мощности потерь в проводах обмоток (потери в меди)

- внутреннего падения напряжения;

- коэффициента трансформации и др.

P М ;

Опыт короткого замыкания (рисунок 6.5), как и опыт холостого хода, обязателен при заводских испытаниях.

pA2

Рисунок 6.5 – Схема электрической цепи для проведения опыта ко- роткого замыкания трансформатора

В опыте короткого замыкания (U ₂ = 0 ) напряжение руемое во второй обмотке равно

U M 2к , индукти-

U& М 2к = I&2к × r2 + j × x S 2 × I&2к ,

(6.14)

где

I2к × r2

– напряжение на резистивном сопротивлении вторичной обмот- ки;

x S 2 × I2к

– напряжение на индуктивном сопротивлении рассеяния вто- ричной обмотки.

Напряжение первичной обмотки в опыте короткого замыкания

U1к

при токе

I1к

= I1н

составляет 5-10 % от номинального U₁н . Поэтому дейст-

вующее значение напряжения индукции

U M 2к

составляет лишь 2-5 % от

действующего значения U M 2

в рабочем (номинальном) режиме.

Пропорционально значению U M 2 уменьшается магнитный поток Ф0

в магнитопроводе, а вместе с ним и мощность потерь в магнитопроводе пропорциональная Ф02 .

P с ,

Следовательно, в опыте короткого замыкания почти вся мощность

трансформатора P₁к

равна мощности потерь в проводах первичной и вто-

ричной обмоток (потери в меди):

P1к = I ² × r + I ² × r » P . 1к 1 2к 2 M

(6.15)

Значение этой мощности определяется по показаниям ваттметра

рW1 (рисунок 6.5).

I1к

и I 2к

– токи в опыте короткого замыкания соответ-

ствующих обмоток трансформатора, определяемые по показаниям ампер-

метров

рА1 и

рА2 .

При коротком замыкании в уравнении (6.7) составляющая

I1x × w1

ничтожно мала, по сравнению с двумя другими составляющими, и ею можно пренебречь, следовательно

w1 × I1к

и коэффициент трансформации

» w2 × I 2к ,

K = w2 »

I1к .

I 2к

Таким образом, опыт короткого замыкания может служить для опре- деления коэффициента трансформации К .

Мощность потерь в трансформаторе

Отношение активной мощности

Р₂ на выходе трансформатора к

активной мощности

Р₁ на входе

h = Р2 / P1 или h(%) = (Р2 / P1 )×100 %

называется коэффициентом полезного действия трансформатора. Коэффи- циент полезного действия трансформатора зависит от режима работы.

При номинальных значениях напряжения

U1 = U1Н

и тока

I1 = I1Н

на первичной обмотке трансформатора и коэффициенте мощности прием-

ника cosj ₂ >0,8 коэффициент полезного действия очень высок и у мощных

электрических трансформаторов превышает 99 %.

По этой причине не применяется прямое определение коэффициента полезного действия трансформатора на основании непосредственного из-

мерения мощностей

Р1 и

Р₂ , так как для получения удовлетворительных

результатов нужно было бы измерять мощности

Р1 и

Р₂ с очень высокой

точностью (свыше 1 %), что практически трудно получить.

Но относительно просто можно определить коэффициент полезного действия методом косвенного измерения, основанного на прямом измере- нии мощности потерь в трансформаторе.

Так как мощность потерь действия трансформатора

DP = P1 - P2 , то коэффициент полезного

h = P2

= P1 - DP = 1 - DP = 1 - DP .

P2 + DP P1 P1 P2 + DP

Мощность потерь в электрических трансформаторах равна сумме

мощностей потерь в магнитопроводе

Р с (потери в стали) и в проводах об-

моток Р M

(потери в меди).

При номинальных значениях первичных напряжений U1 = U1н

и тока

I1 = I1н

мощности потерь в магнитопроводе и проводах обмоток практиче-

ски равны активным мощностям трансформатора в опытах холостого хода и короткого замыкания соответственно.

Автотрансформаторы

В ряде случаев при передаче электроэнергии требуется соединить через трансформатор электрические цепи, отношение номинальных на- пряжений которых не превышает два, например цепи высокого напряже- ния 110 и 220 кВ.

В подобных случаях экономически целесообразно вместо электро- трансформатора применить автотрансформатор, так как его коэффициент полезного действия выше, а габариты меньше, чем у электротрансформа- тора той же номинальной мощности.

Автотрансформатор отличается от электротрансформатора тем, что имеет лишь одну обмотку – обмотку высшего напряжения, а обмоткой низшего напряжения служит часть обмотки высшего напряжения (рису- нок 6.6).

Обмотка высокого напряжения автотрансформатора может быть первичной (рисунок 6.6,а) и вторичной (рисунок 6.6,б).

Напряжения и токи автотрансформатора связаны теми же прибли- женными соотношениями, что и в электротрансформаторе, если пренеб-

речь резистивными сопротивлениями обмоток ( r₁ = r₂

= 0 ) и индуктивны-

ми сопротивлениями потоков рассеяния ( x LS1 = x LS 2

= 0 )

U1 » w1 U 2 w2

» I1 .

Ток в общей части обмотки равен разности первичного ного токов (рисунок 6.6).

I&1

и вторич-

Если коэффициент трансформации лишь немного отличается от еди-

ницы, то действующие значения токов

I 2 и

I₁, и их фазы почти одинаковы

и их разность ( I ₂ - I₁) мала по сравнению с каждым из них.

Поэтому общую часть первичной и вторичной обмоток можно сде- лать из значительно более тонкого провода, то есть стоимость обмотки ав- тотрансформатора меньше, чем обмоток электротрансформатора и для ее размещения требуется меньше места.

Расчетная полная мощность общей части обмотки автотрансформа-

тора

S ¢ » U 2 (I 2 - I1 ) » U 2 I 2 (1 - w2 / w1 ).

Расчетная полная мощность остальной части обмотки

S ¢¢ » I1 (U1 - U 2 ) » U1I1 (1 - w2 / w1 ).

А так как приближенно U 2 × I2 » U1 × I1 , то S' » S" » S ат .

Расчетная полная мощность каждой из обмоток обычного трансфор- матора

S T » I 2U 2 » U1I1 .

Следовательно, при одной и той же полной мощности в сопротивле- нии нагрузки получается следующее соотношение между расчетными пол- ными мощностями автотрансформатора и электротрансформатора

S AT

S ЭТ

= 1 - w2 ,

то есть чем меньше различаются числа витков

w2 и

w₁ (коэффициент

трансформации форматор.

К близок к единице), тем выгоднее применять автотранс-

. .

I₁ I₂

a) б)

Рисунок 6.6 – Схема автотрансформаторов с первичной обмоткой высшего напряжения (а) и первичной обмоткой низ- шего напряжения (б)

Так как первичная и вторичная цепи автотрансформатора электриче- ски соединены, то при высоком напряжении на первичной стороне и большом коэффициенте трансформации (например, К =6000 В/220 В), при пользовании вторичным напряжением необходимо принимать дополни- тельные меры к обеспечению безопасности и усилению изоляции вторич- ной электрической цепи.

Широкое применение находят лабораторные маломощные авто-

трансформаторы (ЛАТРы), позволяющие изменениям положения точки а

(рисунок 6.6.) регулировать вторичное напряжение.

Дата добавления: 2021-11-30; просмотров: 17; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!