Номинальные величины

Величины, соответствующие режиму работы трансформатора, для которого он предназначен заводом изготовителем, называются номинальными. Они указываются в каталогах и на табличке, прикрепленной к трансформатору.

Номинальной мощностью трансформатора является полная мощность, равная для однофазного трансформатора S_ном= U_1ном I_1ном, а для трехфазного . Так как КПД трансформаторов весьма велик, то принимают, что мощности обоих обмоток равны: S₂ = S₁= S_ном.

Под номинальными напряжениями понимают линейные напряжения каждой из обмоток. При U_1л.ном=const напряжение вторичной обмотки при номинальной мощности будет зависеть от характера нагрузки. Поэтому, чтобы избежать неопределённости, за номинальное вторичное напряжение принимается напряжение при холостом ходе, когда ток в этой обмотке равен нулю: I_{2 л}=0.

Номинальными токами трансформатора — первичным I_1л.ном и вторичным I_2л.ном — называются линейный токи, указанные на щитке и вычисленные по номинальным значениям мощности и напряжения. Кроме мощности, напряжения и токов па щитке указываются частота питающего напряжения, схема и группа соединений обмоток, напряжение короткого замыкания, режим работы (продолжительный, кратковременный), полная масса.

Глава вторая

ПРОЦЕССЫ В ТРАНСФОРМАТОРЕ ПРИ ХОЛОСТОМ ХОДЕ

2.1. Электродвижущие силы, токи и потери в трансформаторе при холостом ходе

Холостым ходом трансформатора называется такой режим работы, когда к первичной обмотке подводится напряжение, а вторичная обмотка разомкнута и ток в ней равен нулю.

Рассмотрим процессы, происходящие при холостом ходе в однофазном трансформаторе, схематически изображенном на рис. 2.1. Для наглядности первичная обмотка с числом витков w₁ и вторичная обмотка с числом витков w₂ расположены на разных стержнях.

Процессы, происходящие в однофазном трансформаторе, в основном аналогичны процессам, происходящим в любой из фаз трехфазного трансформатора.

Рис. 2.1. Схема однофазного трансформатора при холостом ходе

Ток I₁ протекающий в первичной обмотке при таком режиме, называется током холостого хода I₀. Реактивная составляющая этого тока создает магнитный поток Ф, который в основном будет замыкаться по магнитопроводу. Потоком вне магнитопровода можно пренебречь, вследст­вие того что магнитная проницаемость стали во много раз больше магнитной проницаемости воздуха. Так как магнитное сопротивление стального магнитопровода мало, то для создания потока Ф требуется небольшой реактивный ток.

Поток, сцепленный со всеми витками первичной и вторичной обмоток, при своем изменении будет наводить в них ЭДС. Предположим, что поток Ф изменяется во времени по синусоидальному закону

Ф = Ф_m sin ωt,

где Ф_m — амплитуда потока; ω=2πf₁ — угловая частота; t — время.

Мгновенные значения ЭДС, наведенные потоком в первичной и вторичной обмотках:

(2.1)

Амплитуды ЭДС обмоток

(2.2)

Тогда

Из (2.1) и (2.3) следует, что ЭДС, наводимые в обмотках трансформатора, отстают по фазе от потока на угол π/2.

Для практики наибольший интерес представляют действующие значения ЭДС

(2.3)

Значения наводимых в обмотках трансформатора ЭДС пропорциональны числу витков. Отношение этих величин

Е₁/Е₂ = w₁/w₂ = n_т (2.4)

носит название коэффициента трансформации и является одной из важных величин, характеризующих трансформатор.

Практически коэффициент трансформации определяется при холостом ходе измерением напряжений первичной и вторичной обмоток. Так как падение напряжения в первичной обмотке от тока I₀ мало, то можно принять U₁≈ Е₁, а напряжение вторичной обмотки при холостом ходе U₂=Е₂. Тогда

U₁/ U₂= w₁/w₂ = n_т (2.5)

Величины Е₁, U₁, w₁ относятся к обмотке ВН, а Е₂, U₂, w₂ к обмотке НН.

При определении п_Т для трехфазных трансформаторов принимают отношение фазных напряжений обмоток.

Для практических целей в трехфазных трансформаторах часто требуется знать коэффициент трансформации по линейным напряжениям обмоток, т.е.

n_л= U_л1/ U_л2

При его определении следует учитывать не только отношение витков, но и схему соединения обмоток.

Так, для трансформатора, имеющего схему соединения обмоток Д/У, будем иметь

n_л= U_л1/ U_л2= U₁/(√3 U₂)= w₁/(√3 w₂)

При холостом ходе трансформатор потребляет из сети активную мощность Р₀, которая идет на покрытие потерь в нем. Основные потери в трансформаторе имеют две составляющие: потери в обмотках и магнитные потери в магнитопроводе Р_м. Потери в обмотках при холостом ходе весьма малы, так как во вторичной обмотке тока нет, а по первичной протекает небольшой ток I₀. Поэтому с достаточной для практики точностью можно принимать, что при холостом ходе в трансформаторе имеются только магнитные потери в магнитопроводе Р₀≈Р_м. Эти потери возникают вследствие перемагничивания сердечника переменным магнитным потоком и состоят из потерь на гистерезис и потерь от вихревых токов. Активной мощности, потребляемой трансформатором при холостом ходе, будет соответствовать активная составляющая в токе I₀:

I_0a= Р₀/U₁ (2.6)

Таким образом, ток холостого хода будет иметь две составляющие — намагничивающую (реактивную) I_0р, создающую основной магнитный поток Ф и совпадающую с ним по фазе, и активную составляющую I_0a, опережаю­щую реактивную на 90°:

(2.7)

В трехфазном трансформаторе под Р₀ понимают магнитные потери во всем магнитопроводе, т. е. потери в трех фазах. Активную составляющую фазного значения тока I_0a для этого случая определяют как

I_0a= Р₀/(3U₁)

где U₁ — фазное напряжение первичной обмотки.

На рис. 2.2 изображена векторная диаграмма трансформатора при холостом ходе. Из-за малого падения напряжения в первичной обмотке от тока I₀ принято, что приложенное напряжение уравновешивается наведенной ЭДС (U₁≈ Е₁). Так как обычно I_0р >> I_0a, то угол φ₀ близок к π/2, соs φ₀ при холостом ходе имеет низкое значение и ток холостого хода является в основном реактивным током.

Потери Р₀ и ток I₀ являются важными характеристиками трансформатора. Снижение этих величин уменьшает потери энергии и потребление реактивного тока. Это достигается путем применения электротехнической стали с улучшенными магнитными свойствами — низким удельными потерями и низкой удельной намагничивающей мощностью. Снижению тока холостого хода способствует также применение шихтованных впереплет магнитопроводов.

В современных трансформаторах потери холостого хода составляют 0,1—2 % их номинальной мощности и ток холостого хода — 0,5—10 % номинального тока первичной обмотки. Большие числа относятся к трансформаторам малой мощности.

Рис. 2.2. Векторная диаграмма трансформатора при холостом ходе

2.2. Опыт холостого хода

Опыт холостого хода проводится для экспериментального определения потерь холостого хода Р_о, тока холостого хода I₀, соs φ₀ и коэффициента трансформации. Кроме того, из этого опыта можно определить сопротивление Z₁₂ схемы замещения (см. гл. 3). Схемы опыта для однофазно­го и трехфазного трансформаторов приведены на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схема соединения однофазного (а) и трехфазного (б) тран­сформаторов при опыте холостого хода

Одна обмотка подключается на синусоидальное напряжение U₁. В ее цепь включаются амперметры, вольтметры и ваттметры. Ко второй обмотке при опыте подключается вольтметр.

С помощью регулятора напряжения РН постепенно повышают напряжение U₁ от нуля до U₁= (1,14-1,2) U_1ном (U_1ном — номинальное значение первичного напряжения), при этом записывают показания всех приборов. По данным измерений строят зависимости I₀=f(U₁), Р_о=f(U₁) и соs φ₀ =f(U₁), Эти зависимости называют характеристиками холостого хода (рис. 2.4).

Для построения характеристик трехфазного трансформатора принимают средние значения U₁ и I₀. Мощность Р_о для трех фаз определяют по показаниям двух ваттметров: Р_о=. Р^’± Р^’’.

Рис. 2.4. Характеристики холостого хода

Из рис. 2.4 следует, что при возрастании напряжения ток холостого хода I₀ растет сначала линейно, а затем быстрее, чем U₁. Объясняется это тем, что с возрастанием U₁ увеличивается поток Ф_m в трансформаторе, так как . С возрастанием потока происходит насыщение магнитной цепи, что и вызывает более резкое увеличение намагничивающего тока.

Потери холостого хода Р_о изменяются примерно пропорционально U₁². Такой закон изменения Р₀ следует из того, что магнитные потери в сердечнике при f₁=const пропорциональны В², а так как В~Ф_т~U₁, то, следовательно, Р_о~ U₁².

Коэффициент мощности однофазного трансформатора

соs φ₀ = Р_о/(U₁ I₀),

трехфазного

соs φ₀ = Р_о/(3U₁ I₀).

С увеличением напряжения U₁ коэффициент мощности соs φ₀ уменьшается, так как ток I₀ растет быстрее U₁, и, следовательно, знаменатель дроби возрастает быстрее, чем числитель (Р₀~U₁²).

Наибольшее практическое значение имеют величины Р_о, I₀ и соs φ₀при U₁ = U_1ном. Коэффициент трансформации определяется по (2.5).

2.3. Группы соединения обмоток трансформатора

Для оценки сдвига фаз между ЭДС первичной и вторичной обмоток вводится понятие о группе соединения обмоток. Группа соединения обмоток зависит от маркировки выводов, а у трехфазных трансформаторов — еще и от схемы соединения фаз между собой.

Рассмотрим однофазный трансформатор. Его группа соединения будет зависеть от того, какой из выводов каждой из обмоток принят за начало (обозначения А или а) и какой — за конец (обозначения X или х). На рис. 2.5 изображен стержень с намотанными на нем двумя обмотками. Предположим, что они выполнены с одинаковым направлением намотки и имеют маркировку выводов, показанную на рис. 2.5, а. Обе обмотки сцеплены с одним и тем же потоком, поэтому ЭДС этих обмоток в любой мо­мент времени будут направлены в одинаковых направлениях — от начала к концу или наоборот, т.е. ЭДС будут совпадать по фазе. Если тот же трансформатор будет иметь обмотку, например, НН, у которой будут переставлены обозначения выводов по сравнению с предыдущим случаем (рис. 2.5, б), то тогда ЭДС обмоток для любого момента времени будут действовать в противоположных направлениях (на рис. 2.5, б); у обмотки ВН от конца к началу, а у НН от начала к концу). На векторной диаграмме векторы ЭДС должны быть изображены со сдвигом в 180°, т. е. в противофазе. Тот же результат получится, если на рис. 2.5, а одну из обмоток намотать в противоположную сторону.

Рис. 2.5. Определение группы соединений однофазного трансформатора

Принято сдвиг фаз между ЭДС характеризовать положением стрелок на циферблате часов, при этом вектор; ЭДС обмотки ВН мысленно совмещают с минутной стрелкой часов и постоянно устанавливают на цифре 12, а вектор ЭДС обмотки НН — с часовой стрелкой. Цифра, на которую будет ориентирована часовая стрелка, показывает группу соединения обмоток. В случае, изображенном на рис. 2.5, а, когда угол сдвига между векторами ЭДС равен 0° и оба они ориентированы на цифру 12, принимается, что часы будут показывать 0ч и трансформатор с такой маркировкой выводов будет иметь нулевую группу соединения. Положение векторов на рис. 2.5,б соответствует 6 ч, и трансформатор будет иметь 6-ю группу соединения обмоток.

Однофазные трансформаторы могут иметь только эти две группы соединения. Они обозначаются I/I-0 и I/I-6, что читается так «и-и-ноль», «и-и-шесть». Стандартной является группа 0.

В трехфазных трансформаторах может быть образовано 12 различных групп со сдвигом фаз между ЭДС от 0 до 330° через 30° что соответствует 12 цифрам часового циферблата. Группу соединения принято определять по углу сдвига фаз между одноименными линейными ЭДС. Для более удобной взаимной ориентировки векторов ЭДС выводы А и а обмоток будем считать электрически соединенными.

Определим группу соединения обмоток трансформатора, схема соединений обмоток которого показана на рис. 2.6, а. Предполагается, что обе обмотки имеют одинаковое направление намотки и одноименные фазы их располагаются на одном и том же стержне. Тогда векторы фазных ЭДС обмоток ВН и НН будут совпадать по фазе, как это показано на векторной диаграмме рис. 2.6, б.

Рис. 2.6. Схема нулевой группы соединения трёхфазного трансформатора.

Сдвиг между линейными ЭДС АВ и аb будет равен 0° (рис. 2.6, в), следовательно, рассматриваемая схема соединения обмоток принадлежит к группе 0. Полное обозначение схемы и группы У/У-0.

Если у одной из обмоток этого трансформатора (например, у обмотки НН) поменять маркировку начал и концов фаз (рис. 2.7), то тогда одноименные линейные ЭДС обмоток будут находиться в противофазе и трансформатор будет иметь 6-ю группу соединения обмоток. Векторы ли­нейных ЭДС АВ и аb сдвинуты на 180°, и при расположении их на циферблате часы будут показывать 6 ч. Обозначение У/У-6. Если у трансформатора, имеющего группу 0, произвести круговую перемаркировку фаз обмотки НН, как показано на рис. 2.8, то получим трансформатор с 4-й группой соединения обмоток. В этом случае вектор ЭДС фазы а обмотки НН будет иметь направление, совпадающее с направлением вектора ЭДС фазы В обмотки ВН, так как обмотки этих фаз располагаются на одном и том же стержне. Соответственно будут совпадать по направлению векторы ЭДС фаз b с С и с с А. Сдвиг по фазе между линейными ЭДС АВ и аb равен 120°, что на циферблате часов соответствует 4 ч. Если произвести ещё одну круговую перемаркировку фаз, то получим 8-ю группу соединения. Каждая круговая перемаркировка даёт изменение номера группы соединения на 4.

У трансформатора, имеющего 6-ю группу соединения обмоток (рис. 2.7), путём круговой перемаркировки фаз можно получить группы 10 и 2. Таким образом у трансформаторов при схеме соединения обмоток У/У можно получить только четные группы. Четные группы будут и у трансформатора, обе обмотки которого соединены в треугольник.

Рис. 2.7. Схема 6-й группы соединения трёхфазного трансформатора

Рис. 2.8. Схема 4-й группы соединения трёхфазного трансформатора

Нечетные группы получаются у трансформатора, одна обмотка которого соединена в звезду, а другая — в треугольник. На рис. 2.9 изображена схема трансформатора, обмотка ВН которого соединена в звезду, а обмотка НН в треугольник.

Рис. 2.9. Схема 11-й группы соединения трёхфазного трансформатора

При построении векторной диаграммы ЭДС обмотки, соединенной в треугольник, удобно обозначать не только начала, но и концы векторов в соответствии с началом и концом фазы. Ориентация векторов ЭДС на диаг­рамме производится согласно схеме соединения фаз между собой. Так, например, на схеме вывод а соединен с выводом у, и на векторной диаграмме точка а вектора должна быть совмещена с точкой у другого вектора и т.д. Как следует из рис. 2.8, рассматриваемый трансформатор имеет 11-ю группу соединения обмоток. Если у него произвести групповую перемаркировку фаз, то можно получить группы 3 и 7. Для практических целей большого разнообразия групп соединений, которые могут быть получены для трехфазных трансформаторов, не требуется. В СССР трехфазные трансформаторы выпускаются только с двумя группами соединений: 0 и 11.