Трансформаторы

I Трансформаторы.

Тема 1. Устройство трансформатора.

Определение: Трансформатор – статистический электромагнитный аппарат преобразующий систему переменного тока одного напряжения в систему переменного тока другого напряжения.

Назначение: трансформаторы служат для передачи и распределения электроэнергии потребителей.

Трансформаторы бывают: повышающие, понижающие однофазные, трех и многофазные. Силовые, измерительные, испытательные и ?.

Номинальные данные щитка: SH, квт, U1H/U2H, I1H/I2H, /, ?.

Активными элементами трансформатора являются

1. магнитопровод

2. обмотки

Магнитопроводы бывают:

1. Броневые

2. Стержневые

Для магнитопровода используется электротехническая сталь: горячекатаная и холоднокатаная.

Шихтовка железа стержневого трансформатора

Горячекатаная сталь Холоднокатаная сталь

Однофазный тр-р.

Трехфазный

Броневой трансформатор

Марка стали (пример).

1321

Первая цифра – по структурному состоянию и прокату

1. горячекатаная изотропная

2. холоднокатаная изотропная

3. холоднокатаная анизотропная с ребровой структурой.

Вторая цифра – содержание кремния

1. до 0,8 %

2. 1,8 – 2,8 %

3. 2,8 – 3,8 %

4. 3,8 – 4,8 %

Третья цифра – характеризует удельные потери

1. нормальные потери

2. низкие потери

3. пониженные потери

Четвертая цифра – порядковый номер типа стали.

2. Обмотки

а) дисковые у броневого трансформатора

б) цилиндрические

в) винтовые

г) непрерывные

Однослойные и многослойные

Магнитопровод с обмоткой помещается в бак с трансформатором маслом, которое служит для изоляции и охлаждения

Однофазные трансформаторы.

Тема 2. Холостой ход однофазного трансформатора.

1. Ток холостого хода.

При синусоидальном напряжении и потока, как холостого хода имеет несинусоидальную форму, за счет насыщения железа в области амплитуды потока.

Рассмотрим какие потоки и ЭДС в однофазном тр-ре.

Ф0  E1, E2 ФS1  E2S

ЭДС рассеяния

e1S = -LS(dl0/dt) = -LS = -Im lS cost

ЭДС рассеяния в комп. Форме (lS = x)

В первой обмотке три ЭДС – , ,

Фаза ЭДС

E1 = -W1(dФ/dt) = -W = W1Фm sin(t - /2), (W1Фm = E1m)

Действующие значения ЭДС обмотки

E1max = W1Фm = 2f1W1Фm

E1 =

E1 = 4,44 f1W1Фm

E2 = 4,44 f1W2Фm

E1/E2 = k U1/U2 = k

При x x

U2 = E2

U1  E1

Потери при x.x тра-ра.

Мощность потребляемая трансформатором при xx идет на покрытие в обмотках и стали.

P0 = p эл1 + Pмагн

pэл1 = 1  2% от P0

Поэтому, мощность при xx тра-ра идет в основном на покрытие потерь в стали. (гистерезис и вихревые токи)

pr = r(f/100)B2

Pосн мг

pb = вх(f/100)2B2

pдоб = 15  20% Pосн мг

Итак P0 = (1,15  1,2) Pмго

Схема замещения трансформатора при xолостом xоде.

Исследование работы трансформатора упрощается, если действительный тр-р, в котором обмотки связаны между собой электромагнитно заменить схемой элементы которой связаны между собой только электрически. Такая схема называется схемой замещения трансформатора. Схема замещения должна удовлетворять основным урвнениям ЭДС и МДС тра-ра.

Цепь ab - цепь намагничевания

zm, rm, xm параметры цепи намагн.

Определение параметров экспериментально zm, xm,rm.

P0, U, I0

z0 = ; r0 = ; x0 =

т. к. r1 U2II). В этом случае при холостом ходе сумма напряжений по контуру не равна нулю, а значит будет уравнительный ток.

Появится , .

Учтем для простоты только индуктивные сопротивления, т.к. активные малы, тогда

,  создает в обмотках потоки, которые создают ЭДС и которые выравнивают напряжение до U2 на шинах.

Диограмма при холостом ходе имеет вид.

Уравнительный ток будет существовать и при нагрузке. Он будет для каждого трансформатора складыватся с нагрузочным током геометрически. Из диограммы видно, что в том тр-ре, где кI меньше (напряжение больше) тр-р перегружен наоборот. Т.е. получается, что первый тр-р перегружен, а второй недогружен. Для того, чтобы разница в нагрузке была в допустимых пределах, часто предусматривают, чтобы разница в коэффициентах трансформации была не более 0,5% от их среднего значения.

, где  среднее геометрическое.

Если трансформатор меньшей мощности включается в парал-ую работу, то он должен иметь больший коэффициент трансформации.

Б. Параллельная работа трансформаторов при

неравенстве напряжений короткого замыкания.

Напряжения короткого замыкания .

Предположим, что UкI > UкII т.е. zкI > zкII, поэтому при одном и том же токе нагрузки падение напряжения IнzкI будет больше IнzкII. Поэтому внешняя характеристика тра-ра I будет расположена ниже.

Если возьмем внешние характеристики совместной работы тр-в, то увидим, что тр-р II будет перегружен, т.е. у трансформатора, где Uк больше, там ток меньше, а ток у которого Uк меньше, возьмет на себя большую нагрузку.

Так как при параллельной работе напряжение изменится у обоих трансформаторов на одинаковую величину U, то U = IIzкI = = IIIzII, откуда , т.е. распределение токов обратно пропорционально сопротивлениям короткого замыкания т.к. S=UI, при U = const, то S=I, тогда

;

если параллельная работа нескольких трансформаторов, то нагрузка каждого из них определяется.

,

где S = SномI + SномII + SномIII +…

Sx – нагрузка х трансформатора,

SномX, Uкх – номинальная мощность и напряжение короткого замыкания этого трансформатора

В. Параллельная работа трансформаторов

с различными группами соединения.

У трансформаторов имеющие одинаковые группы соединения вторичные ЭДС совпадают по фазе. У тр-ов с различными группами соединения вторичные ЭДС могут быть равными по величине, однако они всегда сдвинуты по фазе. Поэтому даже при совершенно одинаковых к-тах трансформации вл вторичных обмотках появится уравнительный ток.

Возьмем для примера 12 и 11 группу

E = 2E2Isin15 = 0,52E2I, тогда

, что составляет 26 от установившегося тока короткого замыкания, что примерно в 3-5 раз превысит номинальный ток.

Поэтому параллельная абота трансформаторов с различными группами соединения недопустима.

Тема 9. Переходные режимы трансформаторов.

Виды переходных трансформаторов.

При всяком изменении одной или нескольких величин, определяющих работу трансформаторов – напряжения, частоты, нагрузки и т.д., происходит переход от одного установившегося состояния к другому. Обычно этот переход длится очень короткое время, но он сопровождается опасными для тр-ра эффектами – большими механическими усилиями между обмотками, неравномерным распределением напряжения между витками тр-ре, нагрев обмоток и т.п.

Смотря по тому, какой фактор – ток или напряжение – определяем в основном переходный режим, различают две группы явлений

1. Явления сверхтоков

2. Явления пере напряжений

Исследование этих явлений имеет весьма важное эксплутационное значение.

Переходные процессы сверхтоков возникают при включении трансформаторов

а) в холостую

б) при коротком замыкании.

А. Переходный процесс при включении

трансформатора в холостую.

а) Включение трансформатора с ненасыщенной сталью.

Включение трансформатора с разомкнутой вторичной обмоткой представляет собою включение катушки со сталью в цепь синусоидального напряжения.

Предположим, что трансформатор включен в момент показанный на рис (0), где

U1 – мгновенное значение напряжения

U1m – амплитуда напряжения, тогда U1 = U1msin(t + 0), тогда уравнение ЭДС первичной обмотки может быть написано в виде , где

i0– ток включения х.х. тр-ра

i0r1 – составляющая напряжения уравнения противодействие ЭДС сопротивления

– составляющая напряжения, которая уравновешивает ЭДС самоиндукции, созданную основным потоком и потоком рассеяния. Решение этого дифференциального уравнения относительно i0 дается в ТОЭ в разделе “Теория переменного