КАТУШКА С МАГНИТОПРОВОДОМ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 23 страница

Параметры элементов схемы замещения СиB_Lидеализирован­ного трансформатора при учете динамической петли гистерезиса маг­нитопровода зависят от частоты тока. Действительно, площадь ди­намической петли гистерезиса магнитопровода зависит от частоты намагничивающего тока (см. 8.4). Следовательно, и параметры эк­вивалентного эллипса, определяющие параметры схемы замещения идеализированного однофазного трансформатора, также зависят от частоты намагничивающего тока.

Рис. 9.7

 

 

 

На рис. 9.8 приведена векторная диаграмма идеализированного однофазного нагруженного трансформатора. Начальная фаза, рав­ная нулю, выбрана у вектора магнитного потока Ф в магнитопро­воде. Вектрр тока намагничивания /_1х опережает вектор магнитно­го потока Ф на угол потерь 6 так же, как и вектор тока / на вектор­ной диаграмме катушки (см. рис. 8.8). Векторы ЭДС и Е₂, ин­дуктируемых в первичной и вторичной обмотках идеализирован­ного трансформатора, как следует из (9.1), отстают по фазе от век­тора магнитного потока на угол тс/2. Длины векторов напряжений между выводами первичной обмотки {7_Х и вторичнсш обмоткиU₂равны соответственно длинам векторов ЭДС Е_г и Ё_ъ но, как сле­дует из (9.3), векторы напряжений опережают по фазе вектор Ф на угол тт/2.

При заданном комплексном сопротивлении нагрузки идеализи­рованного трансформатораZ_% = Z^Z.ф₂ по закону Ома определяет­ся ток во вторичной обмотке 1₂ — U₂/Z₂(на диаграмме построен ток /₂ при ф₂> 0, т. е. при индуктивном характере нагрузки) и ток в пер­вичной обмоткеi_x= i₂+ /_1х = (w₂/ гу^/з + /_1х.

9.5. Уравнения, схема замещения и векторная диаграмма реального однофазного трансформатора

Составим теперь схему замещения реального однофазного транс­форматора (см. рис. 9.4, б), в который идеализированный однофаз­ный трансформатор входит как составная часть.

Схема замещения реального однофазного трансформатора пока­зана на рис. 9.9, где Х_рас1 = u;L_paclи Д_в1 — индуктивное сопротивле­ние рассеяния и активное сопротивление витков цервичной обмот­ки; Х'_?ж2 =u;L_pac2=uL^wi/ w₂fиR'_q2=R_b2(w₁/ w₂)²- приведен­ные индуктивное сопротивление рассеяния и активное сопротивле­ние витков вторичной обмотки. Схема замещения идеализирован­ного однофазного трансформатора выделена на рис. 9.9 штриховой линией.

о-

о

Схеме замещения реального однофазного трансформатора соот­ветствуют уравнения, составленные по второму закону Кирхгофа:

U, = -Ё_г + Rj, + jX^h = -Ё_г + Z_o6l/_i;(9.11а)

U₂= -Ё₂ + Rj₂+jx_p._dc2i₂= -Ё₂ + Z_o62I_2j(9.116)

гдеZ_o6l=R_Bl+jX_p._dClиZ_o62=R_b2+jX_p._dc2- комплексные сопротив­ления, учитывающие активное сопротивление обмоток и индуктив­ности рассеяния.

На рис. 9.10 приведена векторная диаграмма реального однофаз­ного трансформатора. Ее построение аналогично построению диаг­раммы идеализированного трансформатора (см. рис. 9.8).

Из уравнений реального однофазного трансформатора и его век­торной диаграммы следует, что отношение действующих значений напряжений между выводами вторичной обмотки и между вывода­ми первичной обмотки не совпадает с отношением действующих значений ЭДС, индуктированных в этих обмотках магнитным по­током Ф в магнитопроводе. Действующие значения напряжений Д^Л иZ_Q621₂ называются полными внутренними падениями напряжений на первичной и вторичной обмотках трансформатора. Следует иметь в виду, что приведенная векторная диаграмма правильно показыва­ет лишь качественные соотношения между величинами. Практичес­ки в большинстве случаев треугольники внутреннего падения на­пряжения малы, т. е.U_x^ Е_х иU₂« Е_ъ и можно считать, что

 

(9.12)

^W1

Следует также отметить, что намагничивающий ток в реальном трансформаторе зависит от его нагрузки, т. е. от тока /₂. Это объяс­няется тем, что при изменении нагрузки изменяются ток в первич­ной обмотке и ее полное внутреннее падение напряженияZ_o6lI_vОд­нако в большинстве случаев падение напряжения много мень­ше напряжения питающей сети U_xи можно считать, что намагничи­вающий ток равен току холостого хода трансформатора /_1х при /₂ = 0.

Различают несколько режимов работы трансформатора, имеюще­го номинальную полную мощностьS_HOM= S_lHOM= С/_1ном/_1ном:

1) номинальный режим, т.е. режим при номинальных значениях напряженияU_x— С/_1ном и тока 1_Х = /_1ном первичной обмотки транс­форматора:

2) рабочий режим, при котором напряжение первичной обмотки близко к номинальному значению или равно ему:U_x« J7_lHOM, а ток 1_Х меньше своего номинального значения /_1ном или равен ему и опреде­ляется нагрузкой трансформатора, т. е. током /₂;

3) режим холостого хода, т. е. режим ненагруженного трансфор­матора, при котором цепь вторичной обмотки разомкнута (/₂ = 0) или подключена к приемнику с очень большим сопротивлением на­грузки (например, к вольтметру);

4) режим короткого замыкания трансформатора, при котором его вторичная обмотка коротко замкнута (U₂= 0) или подключена к при­емнику с очень малым сопротивлением нагрузки (например, к ам­перметру).

Режимы холостого хода и короткого замыкания специально со­здаются при испытании трансформатора.

9.6. Режим холостого хода трансформатора

В режиме холостого хода (рис. 9.11) трансформатор по существу превращается в катушку с магнитопроводом, к обмотке которой с числом витковw_lподключен источник синусоидального напряже­ния. Поэтому векторная диаграмма трансформатора при холостом ходе (рис. 9.12) подобна векторной диаграмме катушки с магнито­проводом (рис. 8.8), а отличается от последней лишь некоторыми обозначениями и дополнительно построенным вектором ЭДС вто­ричной обмотки Ё_2х.

Опытом холостого хода называется испытание трансформатора при разомкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном первич­ном напряженииU_lx= U_lHOM.На основании этого опыта по показа­ниям измерительных приборов определяют коэффициент трансфор­мации и мощность потерь в магнитопроводе трансформатора. Опыт
холостого хода является одним из двух обязательных контрольных опытов при заводском испытании готового трансформатора.

При номинальном первичном напряжении С/_1х =U_hHmток холос­того хода 1_1х составляет 3 —10 % номинального первичного тока 1_1иом (тем меньше, чем больше номинальная полная мощность трансфор­матора), т.е. по (9.11а) С/_1х ^ Е_1х. Кроме того, при разомкнутой цепи вторичной обмотки всегда С/_2х = Е_2х. Поэтому, измерив вольтметром и первичное С/_1х, и вторичноеU_2xнапряжения в режиме холостого хода, определяют коэффициент трансформации:

(9.13)

1х-

n_2l= w₂/w_i= Е_2х/Е_1х = U_2x/U_Y

Этот коэффициент указывается на щитках трансформаторов в виде отношения номинальных напряжений трансформатора при холостом ходе, например «6000/230 В» (как отношение высшего напряжения к низшему).

Мощность потерь в трансформаторах при холостом ходе склады­вается из мощности потерь в магнитопроводе и мощности потерь в проводах первичной обмотки (i2_BlJi_x).

При холостом ходе ток 1_1х<С 1_1шш и мощность потерь в проводах ничтожна по сравнению с мощностью потерь в магнитопроводе (ис­ключение составляют лишь трансформаторы, номинальная полная мощность которых меньше 1000 В • А). Поэтому опыт холостого хода служит также для определения мощности потерь в магнитопроводе трансформатора.

Мощность потерь в трансформаторе при холостом ходе мала. При номинальной полной мощности трансформаторов 5 — 50 кВ-А его

0 0,4 0,8 1,2Ulx/Uh Рис. 9.13

[ном

 

мощность потерь в режиме холостого хода составляет лишь 1,4 — 0,9 % номинальной, а при номинальной полной мощности 1 — 10 MB-А — только 0,5 — 0,3 %. Тем не менее мощность потерь в магнитопроводе имеет важное практическое значение, так как силовые трансформа­торы отключаются от первичной сети довольно редко.

Ток холостого хода 1_Хх1 как и ток катушки с магнитопроводом, состоит из реактивной /_1рх и активной /_1ах составляющих. После­дняя определяется потерями в магнитопроводе на гистерезис и вих­ревые токи, а также добавочными потерями[8].

Полезно иметь в виду, что в большинстве случаев активная со­ставляющая /_1ах меньше 0,1/_1рх, и поэтому можно считать, что ток холостого хода отстает по фазе от первичного напряжения практи­чески на четверть периода, т.е. ф_1х« -к/2 (рис. 9.12).

Опыт холостого хода при номинальном первичном напряжении U_lx= U_luOMявляется основным при испытании трансформатора. Од­нако в ряде случаев, например при ограниченных возможностях охлаждения, важно знать, как изменится режим холостого хода трансформатора при изменении первичного напряжения. Зависи­мости Р_1х = /(U_lx)и 1_1х =F( U_ix)называются характеристиками холостого хода трансформатора (рис. 9.13). При постепенном, на­чиная с нуля, повышении первичного напряженияU_lxсначала, пока магнитопровод не насыщен, ток /_1х увеличивается пропорциональ­но напряжению; затем начнет сказываться насыщение магнитопро­вода (например, приU_ix>0,8C/_lllOM) и ток холостого хода /_1х быст­ро нарастает.

Мощность потерь в магнитопроводе пропорциональна В² [см. (8.11) и (8.12)], следовательно, и Ф², а так как действующее значение ЭДС Е_1х пропорционально Ф = Ф_ш/>/2 [см. (9.1а)] и Е_1х « С/_1х, то Р_1х пропорциональна С/²_Х.

Для большинства трансформаторов допустимый верхний предел длительного повышения напряжения при холостом ходе С/_1х равен 1,1 £/_1иом, что следует иметь в виду при экспериментах с трансформа­торами.

9.7. Режим короткого замыкания трансформатора

Следует различать режим короткого замыкания в эксплуатаци­онных условиях и опыт короткого замыкания. Первый представля­ет собой аварийный режим трансформатора, так как трансформатор сильно нагревается и перегрев может вызвать его разрушение.

Опытом короткого замыкания называется испытание трансфор­матора при короткозамкнутой цепи вторичной обмотки и номиналь­ном первичном токе /_1кз = /i_hom-Этот опыт (рис. 9.14) служит для оп­ределения важнейших параметров трансформаторов: мощности по­терь в проводах, внутреннего падения напряжения и т. п. Опыт корот­кого замыкания, как и опыт холостого хода, обязателен при заводс­ких испытаниях. В режиме короткого замыкания (U₂= 0) ЭДС Е_2кз, индуктируемая во вторичной обмотке, как следует из второго закона Кирхгофа (9.116), равна сумме напряжений на активном сопротивле­нии и индуктивном сопротивлении рассеяния вторичной обмотки:

 

Напряжение первичной обмотки в опыте короткого замыкания С/_{1к з} при токе /_1кз = /_1ном равно примерно 5—10 % номинальногоU_lHOM. Поэтому действующее значение ЭДС Е₂ составляет лишь несколь­ко процентов (2 — 5 %) действующего значения ЭДС Е₂ в рабочем режиме. Пропорционально значению ЭДС уменьшается магнитный поток в магнитопроводе [см. (9.16)], а вместе с ним намагничиваю­щий ток и мощность потерь в магнитопроводе, пропорциональная Ф². Следовательно, можно считать, что при опыте короткого замы­кания вся мощность Р_ы трансформатора равна мощности потерь в проводах первичной й вторичной обмоток:

 

Так как намагничивающим током /_1х ввиду его относительной ма­лости можно пренебречь, то согласно (9.10а) /_1кз = 1_2кз и

 

(9.14)

С увеличением номинальной полной мощностиS_HOMтрансформа­тора активная мощность Р_{1к з} в опыте короткого замыкания относи­тельно убывает. При 5_ном = 5 — 20 кВ-А отношениеPi_K,₃/S_HOMравно 3,7 — 3 %, а приS_HOM= 320 — 5600 кВ • А это отношение равно 2 — 1 %.

и.

чс з.р

 

По мощнЪсти потерь в трансформаторе при коротком замыкании вторичной обмотки Р_1кз и номинальном значении первичного тока hк.з = Лном ^на основании (9.14) определяется активное сопротивле­ние короткого замыкания трансформатора:

Дез — Р1 К.З/"^1 к.з*                 (9.15)

Чтобы обеспечить минимальные размеры трансформатора, кон­структоры выбирают такие плотность тока в проводах и индукцию в магнитопроводе, которые соответствуют почти предельно допусти­мой температуре нагревания при работе трансформатора. По этой причине для определения мощности потерь в обмотках нагружен­ного трансформатора значение Д_кз, найденное из опыта короткого замыкания, должно быть соответственно пересчитано (приведено к температуре 75 °С) (см. табл. 1.1).

Индуктивное сопротивление короткого замыкания можно считать не зависящим от температуры. Поэтому оно определяется непосред­ственно из результатов опыта:

= л/^zk.3- Лк²з =yJ(U_1кз/ /_1к.з)²-Rl.3-                     (9.16)

Таким образом, полное сопротивление короткого замыкания, при­веденное к рабочей температуре 75 °С,

⁼V^K.3 75° ^— *к²,.                      (9.17)

На рис. 9.15, а и б построены треугольник сопротивлений и по­добный ему имеющий важное практическое значение основной тре­угольник короткого замыкания, катеты которого представляют в про­центах номинального напряжения С/_1ном активную и индуктивную составляющие первичного напряжения в опыте короткого замыка­нияU_{lK 3}.Эти составляющие определяются при номинальном токе в первичной обмотке 1_{1к з} = 1_Ыош т. е. катеты

ик,.а = ^Дк;^/1ном юо %; </к,.р = ^х;;^1ы™ юо %

и гипотенуза

u_k.₃= ^z^/ihom_{100 %}

Напряжение короткого замыкания и_{к з} является важным парамет­ром трансформатора, на основании которого определяются измене­ния вторичного напряжения нагруженного трансформатора (см. 9.8). Напряжение короткого замыкания указывается на щитке трансфор­матора.

Чем выше номинальные напряжения обмоток трансформатора, тем больше напряжениеu_KJ3,так как с увеличением толщины изоля-

 

ции проводов возрастают потокосцепления рассеяния, а следователь­но, и индуктивные сопротивления рассеяния Х_рас1 и Х_рас2. При но­минальной полной мощностиS_UOM= 5000 — 5600 кВ • А и номиналь­ном высшем напряжении 6,3 и 10 кВ напряжение и_кл = 5,5 %, а при номинальной мощности 3200 — 4200 кВ • А и номинальном высшем напряжении 35 кВ напряжение и_кз = 7%.

Опыт короткого замыкания может служить также контрольным опытом для определения коэффициента трансформации. При корот­ком замыкании в уравнении (9.4) составляющаяI_lxw_lничтожно мала по сравнению с двумя другими составляющими и ею можно пренеб­речь, следовательно,

Щ /ix~w₂/₂x                                (9.18)

и коэффициент трансформации

n_2l= w₂/w_l« /_1к,//_2к.₃.                              (9.19)

Пренебрегая током холостого хода трансформатора 1_1х и опреде­лив параметры трансформатора i?_K3и Х_кз из опыта короткого замы­кания, составим (рис. 9.16, а) упрощенную эквивалентную схему за­мещения трансформатора, для которой на рис. 9.16, б построена век­торная диаграмма.

9.8. Внешние характеристики трансформатора

Рассмотрим режим работы трансформатора при различных зна­чениях комплексного сопротивления нагрузкиZ₂= Z₂ Z tp₂- Если напряжение между выводами первичной обмотки трансформатора постоянно и равно номинальному значениюU_x= С/_1ном, то при изме­нении комплексного сопротивления нагрузки изменяются токи в обмотках трансформатора и /₂ и вторичное напряжениеU₂.

Чтобы определить изменение вторичного напряжения, его обыч­но приводят к числу витков первичной обмотки. Изменением напря­жения называется разность действующих значений приведенного вторичного напряженияU'₂= (w_l/w₂) U₂при холостом ходе и при заданном комплексном сопротивлении нагрузки. Первое из них практически равноU_luOM.Следовательно, изменение напряжения равно С/_1пом - U₂. Оно выражается обыкновенно в процентах номи­нального первичного напряжения и называется процентным изме­нением напряжения трансформатора:

---

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 348; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!