Лекция 2. Схема замещения, опыты холостого хода и короткого замыкания, потери и КПД Т. Внешняя характеристика трансформатора.
По виду охлаждения
По числу трансформируемых фаз
По числу обмоток
По конструкции обмоток
Магнитопровод
Стержневые магнитопроводы
Магнитопровод броневого типа
Трехфазный броневой трансформатор
Применение
Магнитопровод бронестержневого типа
Магнитопроводы бронестержневых трансформаторов: а — однофазного; б — трехфазного
Ленточные магнитопроводы
Обмотки
По расположению на магнитопроводе бывают концентрические и чередующиеся.
3. Схема замещения трансформатора
2.35M
Категория: ЭлектроникаЭлектроника

Схема замещения, опыты холостого хода и короткого замыкания, потери и КПД Т. Внешняя характеристика трансформатора

1. Лекция 2. Схема замещения, опыты холостого хода и короткого замыкания, потери и КПД Т. Внешняя характеристика трансформатора.

Цель лекции: изучить с помощью аналитического и графического
описания характеристик трансформатора схемы замещения, опыты
холостого хода и короткого замыкания, потери и КПД, внешнюю
характеристику трансформатора.
Вопросы:
1. Принцип действия трансформатора
2. Приведение параметров вторичной обмотки к первичной.
3. Схема замещения трансформатора.
4. Векторная
диаграмма
приведенного трансформатора
активно-реактивной нагрузки..
5. Режим холостого хода трансформатора.
6. Опыт холостого хода трансформатора.
7. Опыт короткого замыкания трансформатора.
8. Потери энергии в трансформаторе.
9. Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора
10. Внешняя характеристика трансформатора

2.

ТРАНСФОРМАТОРЫ
Трансформатор - это статическое электромагнитное устройство,
имеющее две или большее количество индуктивно связанных
обмоток и предназначенное для преобразования посредством
электромагнитной индукции одной (первичной) системы
переменного тока в другую (вторичную) систему переменного
тока, имеющую другие характеристики.
Состоит из двух или более электрически не связанных между
собой обмоток с изоляцией - размещены на замкнутом
магнитопроводе.
Магнитопровод с обмотками - активная часть трансформатора.
Вспомогательные элементы:
-корпус или герметичный бак,
-вводы с изоляторами,
-устройство регулирования напряжения,
-система охлаждения,
-измерительные и защитные устройства,
-крепежные элементы.

3.

4. По виду охлаждения

с воздушным (сухие трансформаторы)

5.

масляным (масляные трансформаторы)
охлаждением

6. По числу трансформируемых фаз

• однофазные
• многофазные

7. По числу обмоток

• двухобмоточные
• многообмоточные (одна первичная
и две или более вторичных
обмоток)

8. По конструкции обмоток

• концентрические
• чередующиеся

9. Магнитопровод

1.Проводит магнитный поток
2.На нём размещаются обмотки
• Магнитопровод изготавливают из тонких
листов электротехнической стали –
шихтованным - для ослабления вихревых
токов

10. Стержневые магнитопроводы

1-стержень
2-обмотка ВН и НН
3-ярмо

11. Магнитопровод броневого типа


Магнитопровод броневого
типа
В стержне магнитный
поток в два раза
больше ,чем в ярме, поэтому ярма делают
меньшего сечения.
• Однофазный трансформатор броневого типа

12. Трехфазный броневой трансформатор

13. Применение

• Сложные в изготовлении,
поэтому применяются в основном
в трансформаторах малой
мощности –
радиотрансформаторах.

14. Магнитопровод бронестержневого типа

• Исп-ся в тр-ах большой мощности
• + позволяет уменьшить высоту
магнитопровода, а значит высоту тр-ра
• - повышенный расход стали

15. Магнитопроводы бронестержневых трансформаторов: а — однофазного; б — трехфазного

16. Ленточные магнитопроводы

• Для малой мощности из стальной
ленты. Разрезают, насаживают
обмотки, затем скрепляют.

17. Обмотки

• Для средней и большой мощности
из проводов прямоугольного сечения,
изолированных х\б пряжей или
кабельной бумагой.

18. По расположению на магнитопроводе бывают концентрические и чередующиеся.

19.

• Концентрические обмотки размещают
на одном стержне – ближе к
магнитопроводу размещают обмотку НН,
так как она требует меньшей изоляции от
стержня. Дальше – высшего.
• Чередующиеся (дисковые) обмотки
выполняют в виде отдельных секций
(дисков). применяются реже, обычно в
трансформаторах спец. назначения.

20.

Принцип действия трансформатора
1 – первичная обмотка – к сети
2 – вторичная обмотка – нагрузка
3 – магнитопровод
u1 - переменное напряжение
i1 – переменный ток - создаёт переменное
магнитное поле с магнитодвижущей силой
(МДС) i1W1.
Ф 1 и Ф 2 - потоки рассеяния
L 1 и L 2 - индуктивности рассеяния
Рисунок 12
:
1-ой и 2-ой обмоток
ев = -dФ1/dt.
u1 е1 е 1 i1r1 ,

21.

Коэффициент трансформации:
kT
W1 e1 E1
W2 e2 E2
В режиме холостого хода U2=E2 а U1≈ E1 . Тогда
U 2 U1
W2 U1
.
W1 kT
kT
W1 U1
W2 U 2
W2>W1 (kT<1) - повышающий трансформатор
W2<W1 (kT>1) - понижающий трансформатор
Мощности S1 на первичной и S2 на вторичной стороне практически одинаковы
S1 = m1U1I1 ≈ S2 = m1U2I2
kT
W1 U1 I 2
W2 U 2 I1
Т.е., при уменьшении вторичного напряжения в kT раз по сравнению с первичным,
ток во вторичной обмотке увеличится в kT раз и наоборот.
Трансформатор изменяет сопротивление подключенной к нему нагрузки R в kT 2
раз относительно цепи источника питания:
P1
P2 m1I 22 R 2
R 2 2
kT R
2
m1I1 m1I1 m1I1
где Р1 – мощность, потребляемая трансформатором от источника питания;
Р2= m1I22R ≈P1 – мощность, потребляемая нагрузкой с сопротивлением R от
трансформатора.
Трансформатор может работать только в цепях переменного тока.

22.

Для полного описания режимов трансформатора
необходимо построение векторной диаграммы. Однако
совершенно
несоизмеримыми
для
построения
оказываются
векторы
электрических
величин
первичной и вторичной обмоток. Поэтому используют
следующий
прием:
реальный
трансформатор
искусственно заменяют другим, приведенным, у
которого число витков первичной и вторичной
обмоток одинаковы. При этом мощности, потери и
фазовые
соотношения
также
должны
быть
одинаковыми. Обычно параметры вторичной обмотки
приводят к первичной. Тогда из условий приведения
W2‘ = W1 получаем:

23.

2. Приведение параметров вторичной обмотки к первичной
Название
величин
Количество
витков
ЭДС
Напряжение
Сила тока
Активное
сопротивление
Индуктивное
сопротивление
Полное
сопротивление
Реальный
Т
W2
Приведенный Т
Формулы описывающие работу
приведенного трансформатора
W2 W1
1) U 1 E1 I 1 (r 1 jx1 );
.
.
.
2) U 2 E 2 I 2 (r 2 jx2 );
.
.
3) I 0 I 1 I 2 .
E2
E 2 E 2
W1
W2
U2
U 2 U 2
W1
W2
I2
r2
x2
z2
W2
I 2 I 2
W1
W
r2 r2 1
W2
2
W1
x2 x2
W2
2
W1
z 2 z 2
W2
2
.
.
.
Вместо реального
трансформатора мы
получаем энергетически
эквивалентный
трансформатор с
коэффициентом
трансформации К12 =1,
который называется
приведенный.

24. 3. Схема замещения трансформатора

Схема замещения вводится для упрощения анализа
электромагнитных процессов в трансформаторе, в которой
магнитная связь заменяется электрической.
Z1
I 1
Z 2
Х1
r1
I 0
U 1
r0
Z0
Х0
X 2
r2
I 2
Z н

25.

Обозначения:
r0

активное
сопротивление
учитывает
потери
в магнитопроводе (на вихревые токи и на гистерезис);
X0 – индуктивное сопротивление, учитывает намагниченность
материала сердечника и зависит от марки материала;
r1, r2 – учитывают потери на нагрев обмоток первичной и
вторичной цепей;
X1, X2 – индуктивности рассеяния основного потока в обмотках
первичной и вторичной цепей;
Упрощенная схема замещения
rэкв
U 1

rэкв r1 r2
Х экв
I I Z н
1
2
- полное
сопротивление
нагрузки
U 2
X экв X 1 X 2
Все параметры в схеме замещения, кроме
Z н , являются постоянными для данного
трансформатора, и могут быть определены из
опытов холостого хода и короткого замыкания.

26.

ELCUT — это компьютерная программа для проведения инженерного
анализа
и
двумерного
моделирования
методом
конечных
элементов (МКЭ) магнитных полей в электромагнитных устройствах.

27.

4. Векторная диаграмма приведенного
трансформатора активно-реактивной нагрузки
jI 1 X 1
U 1
I 1r1
E1
I 1
2
I 2
I 2 r2
U 2
2
E 1 E 2
jI 2 X 2
I 0
1) U 1 E1 I 1 (r 1 jx1 );
.
.
.
2) U 2 E 2 I 2 (r 2 jx2 );
.
.
3) I 0 I 1 I 2 .
.
I 2
Ф
.
.
Для построения вектора
I 2
X 2 X н
2 arctg
r2 rн
X н
2 arctg

28.

5. Режим холостого хода трансформатора
Под холостым ходом трансформатора понимается режим
его работы при разомкнутой вторичной обмотке.
ЭДС, индуктированная в первичной
обмотке трансформатора основным
магнитным потоком

e1 W1
dt
Основной
изменяется
закону
магнитный
поток
по синусоидальному
Ф Фт sin t
Фm - максимальное или
амплитудное значение основного
магнитного потока;
ω = 2 π f - угловая частота;
f - частота переменного напряжения.
Мгновенное значение ЭДС
е1 W1 Фт cos t
W1 Фт sin( t 900 )

29.

Магнитный поток рассеяния
индуктирует
в
первичной
E1т W1 Фт 2 f W1 Фт обмотке ЭДС рассеяния
Максимальное значение
Действующее значение ЭДС в
первичной обмотке
Е1т 2
E1
f W1 Фт
2
2
4,44 f W1 Фт
di1x
е1s L1s
dt
L1s - индуктивность рассеяния в
первичной обмотке.
уравнение
по
Для вторичной обмотки получаем Запишем
второму закону Кирхгофа для
аналогичную формулу
первичной обмотки
E2 4,44 f W2 Фт
е1 e1s U1 i1x r1
откуда
di1x
U1 e1 e1s i1x r1 e1 i1x r1 L1s
dt
(1)

30.

Запишем уравнение (1) в комплексной форме
U 1 Е 1 I 1x r1 j L1s I 1x Е 1 I 1x r1 jX1s I 1x
X1s L1s - индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки.
Работа Т в режиме холостого хода
векторная диаграмма
схема замещения
I 1х r1
E 1
I 1х
E 2
E 1
r1
jI 1x X 1s
U 1
U 1 I 1х
Х 1s
E 1
I 1а
I 1 р I 0
Ф т
В режиме холостого хода
U 2 х Е2
Коэффициент трансформации:
К тр
U1 Е1
Е1 W1
Е2 W2
(2)

31.

6. Опыт холостого хода трансформатора
I 1х
схема опыта
А
W
U 1н V1
I 2 0, U 2 х U 2 н ,
I 1х - ток холостого хода
V2 U 2 х P -потери при холостом ходу
х
U 1н- номинальное напряжение
Цель опыта определении: коэффициента трансформации KT , потерь
холостого хода Px , тока холостого хода I ,
параметров

намагничивающей ветви схемы замещения rм и xм ,Ом.
Коэффициент трансформации:
понижающий
К тр
U 1н
U 2н
повышающий
К тр
U 2н
U1н
Ток холостого хода в процентах от номинального определяется:
I x%
I1H
I x 100%
,
I1H
I1H
SH
,
U1
SH
- номинальная мощность
трансформатора, кВ*А.
- номинальный ток первичной обмотки трансформатора, А.

32.

Потери холостого хода определяться по ваттметру :
где P — потери в стали, Вт.
2
Px Pc I x r1,
c
Потери холостого хода равны потерям в стали.
Если потери холостого хода больше, чем паспортные — магнитная
система перегружена, если меньше — наоборот.
Схема замещения опыта холостого хода
r1
U 1
I х
Х1
Px
rм 2 r1 ,
Ix

Хм
Индуктивное сопротивление:

Активное сопротивление
намагничивающей ветви
2
2
zм rм .
r1
-определится из опыта
короткого замыкания
Полное сопротивление
намагничивающей ветви
U1
zм z1.
Ix

33.

7. Опыт короткого замыкания трансформатора
схема опыта
I 1к I 1ном
W А
U 1к V1
V2
Вторичная
обмотка
трансформатора
замкнута.
Напряжение увеличивается до
значения номинального тока.
Цель опыта — определение:
а) потерь короткого замыкания
По
потерям
короткого
замыкания можно судить о
оптимальной
плотности
тока в обмотках и
о
сечениях проводов:
- потери короткого
замыкания больше
нормы — сечение проводов
обмоток занижено,
- если меньше — наоборот
завышено.
трансформатора,

, Вт; (ваттметр)
б) напряжения короткого
замыкания U к , %;
в) параметров схемы замещения (Ом)
r1 r2 x1 x2
Потери
короткого
замыкания
трансформатора равны потерям в
обмотках.
2
2
Pк I1 r1 I 2 r2 .

34.

Схема замещения Т
в опыте короткого замыкания

Рк , ном
Хк

Pк , ном
2
I 1ном
Напряжение короткого
замыкания
U1к Z к I1ном
U1к
2
r2 I1ном


I1ном
Суммарное активное
сопротивление обеих обмоток
r1 r2'
2
r1I1ном
Полное сопротивление
I 1ном
U 1
Мощность потерь при коротком
замыкании и номинальных токах
составляет 5—8 %
U1ном
Реактивное сопротивление
Х к Х1 Х Z r
'
2
Значение
U к%
U к%
2
k
2
к
указано на щитке Т
Z к I1ном
100%
U1ном

35.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания
U а, к %
Pк , ном
rк I1ном
100%
100%
U1ном
S ном
Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания
U р ,к %
Процентные значения
соотношением:

Х к I1ном
100%
U1ном
напряжения
2
U a, к
связаны
2
U р, к
между
собой

36.

8. Потери энергии в трансформаторе.
1. Электрические потери (переменные потери) обусловлены
нагревом обмоток при прохождении по ним тока (потери в медных
проводах обмотки).
2
2
m - число фаз трансформатора
Рэл mI1 r1 m I 2 r2
эти потери определяются опытным путём, измеряя мощность
короткого замыкания при номинальных токах в обмотках
Рэл Pкн
2
β
- степень загрузки трансформатора
Рэл
I1
I2
,
I 2н
I1н
I1, I1н - реальный и номинальные
токи
первичной стороны трансформатора, А;
Потери в обмотках = потерям короткого замыкания.

37.

2. Магнитные потери (потери в стали) происходят в
магнитопроводе. Причина их лежит в систематическом
перемагничивании магнитопровода переменным магнитным
полем.
Рг
- потери вследствие гистерезиса;
Рмаг Рг Pв.т.
Pв.т. - потери вследствие вихревых токов.
Магнитные потери не зависят от нагрузки трансформатора.
Потери в стали = потерям холостого хода
Общие потери
Р Рхн Pкн
2
Рх.н. - определяется в опыте холостого хода;
Pк.н. - определяется в опыте короткого замыкания
Для практических расчетов
используется формула:
Pc , Pя — удельные
Px Kд ( Pc Gc Pя Gя ),
потери соответственно стержней и
магнитопровода, Вт/кг;
Gc , Gя — масса стержней и ярем магнитопровода, кг;
K д — коэффициент учитывающий дополнительные потери.
ярем

38.

9. Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора.
Коэффициент полезного действия трансформатора равен
отношению активной мощности на выходе вторичной обмотки к
активной мощности на входе первичной обмотки.
Р2
Р2
Р1 Р2 Р
мощность,
поступающая
из сети в
P1
cos 2 1
cos 2 0,8
первичную нагрузку
С учетом нагрузки трансформатора
P2 β I 2HU 2H cos 2 ,
η
β I 2H U 2H
I1
,
I1н
cos 2
β I 2H U 2H cos 2 β 2 Pк Px
Для силовых Т
оптимальный коэффициент
трансформации лежит в
окт
пределах 0,5-0,7
Рхн
Ркн
β
βокт
, P
Pмаг
Pэл
βокт
β

39.

10. Внешняя характеристика трансформатора
Внешняя характеристика Т - зависимость между вторичными
током и напряжением при изменении нагрузки, неизменном
значении первичного напряжения U1 и заданном коэффициенте
мощности cos φ2 во вторичной цепи.
U 2 ,%
100
U 2 ном
U
cos 2 1
cos 2 0,8
95
90
85
0,25
U2 - вторичное напряжение;
- величина нагрузки;
U - изменения напряжения.
0,5
0,75
1
Положения характеристик зависят от
мощности
и
характера
нагрузки
трансформатора

40.

Внешняя характеристика Т - зависимость выходного напряжения
от тока нагрузки с учетом его характера (активная - R, активноемкостная - RC, активно – индуктивная - RL).
Схема замещения трансформатора принимает вид:

U1
Хк
I 2

U 2
По второму закону Кирхгофа
запишем уравнение для схемы
замещения Т:
U 2 U1 IZ к U1 I ( jX к Rк )
U2
I const
I2

41.

Векторная диаграмма для фиксированного значения
тока нагрузки I const .
активная - R
активно –
индуктивная - RL
активноемкостная - RC
English     Русский Правила