Устройство и принцип работы трансформаторов

Дополнительные исходные величины

К данным параметрам относятся характеристики материалов и величины связанные с электрическим режимом и геометрией трансформатора.

К характеристикам материалов относятся удельные сопротивления ρ₂₀ и плотность магнитного и проводникового ρ_К материала.

Для горячекатаной стали ρ_С = 7,55, холоднокатаной стали ρ_С = 7,65, сплавов 50Н ρ_С = 8,2, 80НХС, 79НМ ρ_С = 8,5 г/см3, для меди ρ_К = 8,9, для алюминия 2,7 г/см3.

Температурный коэффициент увеличения сопротивления k_τ  показывает отношение сопротивления материала при рабочей температуре t_p к температуре при которой измерялся коэффициент ρ₂₀ (t = 20 ºС).

где α_ρ – температурный коэффициент сопротивления ТКС, α_ρ = 0,004 ºС-1,

t_c – температура среды,

τ_М – максимальный перегрев катушки трансформатора,

Γ – коэффициент перепада температур в катушке.

Кроме ТКС на величину сопротивления обмоток трансформатора оказывают влияние высокочастотные эффекты переменного напряжения, с которыми можно ознакомиться здесь. Однако они проявляют себя при диаметре толщине проводникового материала больше глубины скин-слоя.

Глубину скин-слоя можно определить по следующему выражению

где ρ – удельное сопротивление проводника, для меди ρ = 0,0172 Ом*мм2/м,

μ_α — абсолютная магнитная проницаемость проводника,  для меди μ_α = 4*π*10-7 Гн/м,

μ — относительная магнитная проницаемость проводника,  для меди μ ≈ 1,

f – частота переменного тока.

Предельная рабочая индукция B_S имеет различное значение для разных видов магнитного материала, например, для холоднокатаной стали B_S ≈ 1,6 Тл, горячекатаной B_S ≈ 1,25 Тл, 80НХС, 79НМ B_S = 0,6 Тл, 50Н B_S = 1,1…1,2 Тл, 2500НМС B_S = 0,2 Тл.

Тип трансформаторов ТВР и ТЕР. ТВР – трансформаторы вынужденного режима работы, когда индукцию в сердечнике В ограничена предельной рабочей индукцией B_S (В = B_S). ТЕР – трансформатор естественного режима работы, когда индукция в сердечнике В ограничивается потерями в сердечнике (В < B_S). Если во время расчёта ТВР соотношение потерь в трансформаторе ν оказалось больше оптимальных ν_о (ν > ν_о), то трансформатор необходимо пересчитать, как ТЕР. Иначе при расчёте ТЕР индукция в сердечнике получилась больше предельной (В > B_S), то необходимо пересчитать трансформатор как ТВР.

К ТВР, обычно, относятся трансформаторы промышленной частоты (50 Гц), кроме случаев заданного падения напряжения; трансформаторы с высоким перегревом; трансформаторы повторно-кратковременного режима работы, если нет ограничения по падению напряжения.

К ТЕР относят трансформаторы повышенной и высокой частоты (кроме малых на частоте до 500  Гц) и трансформаторы промышленной частоты (50 Гц) с небольшим перегревом.

Соотношение потерь в сердечнике ν = р_с/р_к рассмотренно в предыдущей статье.

Для ТЕР соотношение потерь составит ν = ν_о.

где β – соотношение площадей поверхностей охлаждения,

φ_i – геометрические изображения параметров сердечников, смотреть здесь.

Расчётный параметр Б необходим для определения величины перегрева трансформатора и определяется выражением

Относительный первичный ток i₁ рассмотрен в данной статье. При активной нагрузке трансформатора составляет

Реактивная составляющая i_r первичного тока вычисляется по выражению

где Н_е – эквивалентная напряженность магнитного поля (с учётом зазора),

l_C – длина средней магнитной линии сердечника,

ω – количество витков обмотки,

j₂ – плотность тока вторичной обмотки,

q₂ – сечение провода вторичной обмотки.

Так как параметры сердечника не известны до начала расчёта, то можно принять для типовых условий i₁ = 1,1, а параметр (1 + i₁) = 2,1.

Соотношение плотностей токов в обмотках ε = j₂/j₁. При заданном перегреве (τ = const) определяется выражением

При заданном падении напряжения (u = const)

где x, y – параметры геометрии.

Для типовых условий до начала расчёта можно принять ε = 0,75, εi₁ = 0,85, (1 + εi₁) = 1,85.

Коэффициент допустимого увеличения потерь q_p используется при расчёте трансформатора работающего в повторно-кратковременном режиме. Он зависит от отношения длительность работы t_H к длительности цикла t_Ц.

Определение коэффициента q_p.

Определение времени нагрева трансформатора.

Параметры геометрии x, y, z и геометрические изображения φ_i были введены в данной статье и определяются размерами сердечника трансформатора a, b, c, h.

Ориентировочные практические рекомендации для различных условий проектирования и типов трансформаторов приведены там же.

Коэффициенты загрузки трансформаторов на подстанциях

Характер нагрузки и вид ТП	Кз
При преобладании нагрузок 1 категории на двухтрансформаторных ТП	0,65
При преобладании нагрузки 2 категории на однотрансформаторных ТП и взаимном резервировании трансформаторов по связи вторичного напряжения	0,8
При преобладании нагрузок 2 категории и при наличии централизованного (складского) резерва трансформаторов, а также при нагрузке 3 категории	0,9 — 0,93

Коэффициенты загрузки в первых двух случаях определены исходя из необходимого взаимного резервирования при выходе из работы одного из трансформаторов с учетом допустимой перегрузки оставшегося в работе трансформатора, резервирующего аварийный.

Правилами устройства электроустановок (9) допускается перегрузка одного трансформатора до 140% в аварийном режиме продолжительностью до 5 суток, но не более 6 часов в сутки, т.е. при графиках средней плотности.

При выборе схем защиты цеховых трансформаторов предпочтение отдают наиболее простой схеме, обеспечивающей надежную работу трансформаторов.

Для контроля за работой трансформаторов и учета потребленной электроэнергии включаются следующие электроизмерительные приборы: вольтметр, амперметр, и расчетные и контрольные счетчики активной и реактивной энергии через соответствующие измерительные трансформаторы.

Расчетные счетчики устанавливаются:

— на вводе линии в подстанцию предприятия, если нет связи с другой подстанцией энергосистемы или нет другого потребителя на питающем напряжении;

— на высшем напряжении трансформаторов подстанции при наличии связи с другими подстанциями на питающем напряжении или при питании от нее других подстанций;

— на низшем напряжении трансформатора, если он на стороне высшего напряжения присоединен через выключатель нагрузки или разъединитель и плавкие предохранители. Контрольные счетчики обычно включают на низшем напряжении, что дешевле. Класс точности расчетных счетчиков не менее 2.0 при включении через измерительные трансформаторы класса 0.5; контрольных счетчиков — не менее 2.5, включаемых через измерительные трансформаторы класса 1.0.

6. Методика выбора числа и мощности трансформаторов цеховых трансформаторных подстанций

Выбор числа и мощности трансформаторов цеховых ТП производится на основании следующих исходных данных:

• расчетная нагрузка ЦТП за наиболее загруженную смену, кВА;

• категория надежности потребителей;

• экономическая плотность электрической нагрузки кВА/м2;

• величина реактивной нагрузки, кВАр;

• коэффициент загрузки в нормальном режиме Кз;

• коэффициент нагрузки в аварийном режиме Кав;

• допустимое число типогабаритов трансформаторов.

Следует иметь в виду, что при нагрузки в цехе меньшей 400 кВт целесообразно решить вопрос о ее объединении с нагрузкой рядом расположенного цеха, в остальных случаях (Рр > 400 кВт) в цехе рационально устанавливать собственную ТП.

Экономически целесообразная мощность трансформатора ТП может быть определена ориентировочно по плотности электрической нагрузки (табл. 4).

Таблица 4

Выбор мощности трансформатора

Типовые мощности трансформаторов стандартизированы.

Стандартные мощности трансформаторов
25	40	60	100	160	250	400	630	1000

Для расчета присоединенной к трансформатору мощности собираются и анализируются данные о подключенных к нему мощностях потребителей. Однозначно цифры сложить не получится, нужны данные о распределении нагрузок по времени. Потребление электроэнергии многоквартирным домом варьируется не только в течение суток, но и по временам года: зимой в квартирах работают электрообогреватели, летом – вентиляторы и кондиционеры. Типовые графики нагрузок и величины потребляемых мощностей для многоквартирных домов определяются из справочников.

Для расчета мощностей на промышленных предприятиях требуется знание принципов работы их технологического оборудования, порядок его включения в работу. Определяется режим максимальной загрузки, когда в работу включено наибольшее число потребителей (Sмакс). Но все потребители одновременно включиться не могут никогда. Но при расчетах требуется учитывать и возможное расширение производственных мощностей, а также – вероятность в дальнейшем подключения дополнительных потребителей к трансформатору.

Учитывая число трансформаторов на подстанции (N) мощность каждого рассчитывают по формуле, затем выбирают из таблицы ближайшее большее значение:

В этой формуле Кз – коэффициент загрузки трансформатора. Это отношение потребляемой мощности в максимальном режиме к номинальной мощности аппарата. Работа с необоснованно пониженным коэффициентом загрузки экономически не выгодна. Для потребителей, в зависимости от категории бесперебойности электроснабжения, рекомендуются коэффициенты:

Категория потребителей	Коэффициент загрузки
I	0,65-0,7
II	0,7-0,8
II	0,9-0,95

Из таблицы видно, что коэффициент загрузки учитывает взятия одним трансформатором дополнительной нагрузки, переходящей к нему при выходе из строя другого трансформатора или его питающей линии. Но он ограничивает перегрузку трансформатора, оставляя по мощности некоторый запас.

Систематические перегрузки трансформаторов возможны, но их время и величина ограничиваются требованиями заводов-изготовителей этих устройств. По правилам ПТЭЭП длительная перегрузка трансформаторов с масляным или синтетическим диэлектриком ограничивается до 5%.

Отдельно ПТЭЭП определяется длительность аварийных перегрузок в зависимости от их величины.

Для масляных трансформаторов:

Величина перегрузки, %	30	45	60	75	100
Длительность, мин	120	80	45	20	10

Для сухих трансформаторов:

Величина перегрузки, %	20	30	40	50	60
Длительность, мин	60	45	32	18	5

Из таблиц видно, что сухие трансформаторы к перегрузкам более критичны.

Разные виды трансформаторов и их коэффициенты

Хотя конструктивно преобразователи мало чем отличаются друг от друга, назначение их достаточно обширно. Существуют следующие виды трансформаторов, кроме рассмотренных:

• силовой;
• автотрансформатор;
• импульсный;
• сварочный;
• разделительный;
• согласующий;
• пик-трансформатор;
• сдвоенный дроссель;
• трансфлюксор;
• вращающийся;
• воздушный и масляный;
• трехфазный.

Особенностью автотрансформатора является отсутствие гальванической развязки, первичная и вторичная обмотка выполнены одним проводом, причем вторичная является частью первичной. Импульсный масштабирует короткие импульсные сигналы прямоугольной формы. Сварочный работает в режиме короткого замыкания. Разделительные используются там, где нужна особая безопасность по электротехнике: влажные помещения, помещения с большим количеством изделий из металла и подобное. Их k в основном равен 1.

Пик-трансформатор преобразует синусоидальное напряжение в импульсное. Сдвоенный дроссель – это две сдвоенные катушки, но по своим конструктивным особенностям относится к трансформаторам. Трансфлюксор содержит сердечник из магнитопровода, обладающего большой величиной остаточной намагниченности, что позволяет использовать его в качестве памяти. Вращающийся передает сигналы на вращающиеся объекты.

Воздушные и масляные трансформаторы отличаются способом охлаждения. Масляные применяются для масштабирования большой мощности. Трехфазные используются в трехфазной цепи.

Более подробную информацию можно узнать о коэффициенте трансформации трансформатора тока в таблице.

Номинальная вторичная нагрузка, В	3	5	10	15	20	30	40	50	60	75	100
Коэффициент, n	Номинальная предельная кратность
3000/5	37	31	25	20	17	13	11	9	8	6	5
4000/5	38	32	26	22	20	15	13	11	10	8	6
5000/5	38	29	25	22	20	16	14	12	11	10	8
6000/5	39	28	25	22	20	16	15	13	12	10	8
8000/5	38	21	20	19	18	14	14	13	12	11	9
10000/5	37	16	15	15	14	12	12	12	11	10	9
12000/5	39	20	19	18	18	12	15	14	13	12	11
14000/5	38	15	15	14	14	12	13	12	12	11	10
16000/5	36	15	14	13	13	12	10	10	10	9	9
18000/5	41	16	16	15	15	12	14	14	13	12	12

Почти у всех перечисленных приборов есть сердечник для передачи магнитного потока. Поток появляется благодаря движению электронов в каждом из витков обмотки, и силы токов не должны быть равны нулю. Коэффициент трансформации тока зависит и от вида сердечника:

Коэффициентом трансформации трансформаторов называется отношение напряжения обмотки высшего напряжения (ВН) к напряжению обмотки низшего напряжения (НН) при холостом ходе:

Где: Кл- коэффициент трансформации линейных напряжений;

U1 — линейное напряжение обмотки ВН;

U2 — линейное напряжение обмотки НН.

При определении коэффициента трансформации однородных трансформаторов или фазного коэффициента трансформации трехфазных

трансформаторов отношение напряжения можно приравнять к отношению чисел витков обмотки

где: Кф — фазный коэффициент трансформации;

U1ф,U2ф — фазные напряжения обмоток ВН и НН соответственно;

WI,W2 — число витков обмоток ВН и НН соответственно.

При измерении линейного коэффициента трансформации трехфазного трансформатора равенство отношения высшего и низшего линейных напряжения обмоток и соответственно числа витков ВН и НН сохраняется лишь при одинаковых группах соединения этих обмоток.

Если первичная и вторичная обмотки соединены по одинаковой схеме, например, обе в звезду, обе в треугольник и так далее, фазный и линейный коэффициенты трансформации равны друг другу. При различных схемах соединений обмоток, например, одной в звезду, а другой в треугольник, линейньй и фазный коэффициенты трансформации неодинаковы (они в данном случае отличаются друг от друга в 3 раз).

Определение коэффициента трансформации производится на всех ответвлениях обмоток и для вех фаз. Эти измерения, кроме проверки самого коэффициента трансформации дают возможность проверить также правильность установки переключателя напряжения на соответствующих ступенях, а также целостность обмоток.

Для определения коэффициента трансформации применяют метод двух вольтметров (рис.2)

Рис.2 Определение коэффициента трансформации.

Со стороны высокого напряжения (ВН) подводится трехфазовое напряжение 220 В и измеряется напряжение на вторичной обмотке.

Внимание! Напряжение подводится только к обмоткам ВН (А, В, С). Результаты измерений заносятся в таблицу 2. Пределы измерения вольтметров: PV1-250 В,PV2-15В

Пределы измерения вольтметров: PV1-250 В,PV2-15В

Результаты измерений заносятся в таблицу 2. Пределы измерения вольтметров: PV1-250 В,PV2-15В.

Примечание: В данной работе трансформатор имеет одно положение переключателя.

Коэффициент трансформации отдельных фаз, замеренных на одних и тех же ответвлениях не должен отличаться друг от друга более чем на 2%.

Лекция 15 Работа трансформатора под нагрузкой

План лекции

15.1. Векторная диаграмма трансформатора при активно-индуктивной нагрузке.

15.2. Внешняя характеристика трансформатора.

15.3. Коэффициент полезного действия трансформатора.

15.1. Векторная диаграмма трансформатора при активно-индуктивной нагрузке

Все параметры схемы замещения работающего трансформатора, за исключением , являются постоянными величинами и могут быть определены из опытов холостого хода и короткого замыкания.

По основным уравнениям эдс и токов можно построить векторную диаграмму, которая наглядно показывает соотношения между токами, эдс и напряжениями.

Она является графическим выражением основных уравнений приведенного трансформатора.

Векторная диаграмма трансформатора при активно-индуктивной нагрузке приведена на рис. 15.1.

Рис. 15.1. Векторная диаграмма транс­фор­матора при активно-индуктивной нагрузке

Порядок построения векторной диаграммы:

– проводится произвольно вектор магнитного потока ;

– построение векторов ианалогично диаграмме холостого хода;

– эдс отстают на 90 от магнитного потока Фm;

– определив величину тока , откладываем векторпод углом2, который находим по формуле ;

– согласно уравнению (13.13) строим вектор;

– по формуле (13.14) находим вектор;

– по формуле (13.15) получаем вектор.

По полученным данным можно построить внешнюю характеристику U2 =f(I2) и зависимостьcos1 =f(I2).

В случае активно-емкостной нагрузки вид диаграммы изменится при прежнем порядке построений. Ток опережает эдс по фазе на угол.

15.2. Внешняя характеристика трансформатора

Внешней характеристикой трансформатораназывают зависимостьU2 =f(I2) приU1 =const, cos2 =const(рис. 15.2).

Рис. 15.2. Внешние характеристики трансфор­ма­тора: 1 – нагрузка активно-емкостная; 2 –чисто активная; 3 – активно-индуктивная; 4 – внешняя характеристика сварочного трансформатора

У сварочного трансформатора U0св  70 В достаточное для зажигания дуги. При сварке Uсв = 0, а I2K= Iсв  300 А. Такая крутопадающая характеристика образуется за счет включения последовательно с вторичной обмоткой реактора (катушки с большой индуктивностью).

15.3. Коэффициент полезного действия трансформатора

Коэффициент полезного действия трансформатора определяется по формуле

, (15.1)

где P2 – мощность, отдаваемая (полезная) вторичной обмоткой; P1 – мощность подведенная (затраченная) к первичной обмотке.

Разность между подведенной и отдаваемой мощностями является потерями мощности:

. (15.2)

Потери мощности в трансформаторе делятся на магнитные и электрические.

Магнитные потери – это потери мощности в магнитопроводе на гистерезис и на вихревые токи.

–потери холостого хода (постоянные, см. подразд. 14.1).

Электрические потери – это потери, связанные с нагревом обмоток трансформатора:

–переменные потери, так как зависят от силы тока Рма (см. 14.7,а),

,

где  – коэффициент нагрузки.

Полезную мощность можно определить по формуле

, (15.3)

где m – число фаз,

при m = 1 .

Если , то

,

подставим значения потерь мощности

. (15.4)

Максимальное значение кпд соответствует такой нагрузке, когда магнитные потери равны электрическим потерям ,

откуда . (15.5)

Зависимость коэффициента полезного действия от коэффициента нагрузки  = f() представлена на рис. 15.3.

Рис. 15.3. Зависимость коэффициента полезного действия трансформатора от коэффициента нагрузки

Как правило у трансформаторов кпд очень высокий.

Потери энергии в трансформаторе. Эффективность и ее зависимость от нагрузки

При преобразовании электроэнергии часть энергии теряется в трансформаторе для покрытия потерь. Потери в трансформаторе делятся на электрические и магнитные.

Электрические потери. Они возникают из-за нагрева обмоток трансформатора при прохождении через них электрического тока. Мощность электрических потерь RE пропорциональна квадрату тока и определяется суммой электрических потерь в первичной обмотке RE1 и во вторичной обмотке RE2:

Re = Pz1 + Re2 = mI12r1 + mI’22r’2, (1.73)

где t – количество фаз трансформатора (для однофазного трансформатора t = 1, для трехфазного трансформатора t = 3).

Для трансформатора электрические потери определяются согласно (1.73), а для изготовленного трансформатора эти потери определяются экспериментально путем измерения мощности короткого замыкания при номинальных токах обмоток Pk.nom-.

где P – коэффициент нагрузки.

Электрические потери называют “переменными потерями”, поскольку они зависят от нагрузки трансформатора.

Магнитные потери. Они возникают в основном в магнитопроводе трансформатора. Эти потери вызваны систематическим перемагничиванием магнитопровода переменным магнитным полем. Это перемагничивание вызывает два типа магнитных потерь в магнитной цепи: гистерезисные потери RH, возникающие из-за энергии, необходимой для разрушения остаточного магнетизма в ферромагнитном материале магнитной цепи, и вихретоковые потери RHT, вызванные переменным магнитным полем в пластинах магнитной цепи:

Для уменьшения магнитных потерь магнитопровод трансформатора изготавливается из магнитно-мягкого ферромагнитного материала, например, тонких листов электротехнической стали. В этом случае магнитопровод изготавливается в виде пакетов тонких пластин (полос), изолированных с обеих сторон тонким слоем лака.

Магнитные потери из-за гистерезиса прямо пропорциональны частоте намагничивания магнитной цепи, т.е. частоте переменного тока (RG = f), а магнитные потери из-за вихревых токов пропорциональны квадрату этой частоты (RHT ≡ f2). Предполагается, что полные магнитные потери пропорциональны частоте тока ступени 1.3, т.е. PM = f1.3. Магнитные потери также зависят от магнитной индукции в стержнях и витках магнитопровода (PM ≡ V2) При постоянном первичном напряжении (U1 = const) магнитные потери постоянны, т.е. не зависят от нагрузки трансформатора.

Эффективность в зависимости от нагрузки.

Используя (2.57), можно построить график зависимости КПД от нагрузки (рис. 2.39, а). Когда β = 0, полезная мощность и КПД равны нулю. При увеличении мощности КПД возрастает, так как в энергетическом балансе уменьшается удельная величина магнитных потерь в стали, которые имеют постоянное значение. При определенном значении βopt кривая КПД достигает максимума, а затем начинает снижаться по мере увеличения нагрузки. Причиной этого является сильный рост электрических потерь в обмотках, которые увеличиваются пропорционально квадрату тока, т.е. пропорционально β2, в то время как полезная мощность P2 увеличивается только пропорционально β.

Максимальный КПД в трансформаторах большой мощности достигает очень высоких значений (0,98-0,99).

Рисунок 2.39: Зависимость КПД трансформатора η от нагрузки β

Оптимальный коэффициент нагрузки βopt, при котором КПД имеет максимальное значение, можно определить, выведя первую производную dη/dβ из уравнения (2.57) и приравняв ее к нулю. В этом случае

β2optPc = P0 или ΔPel = ΔPm

(2.58)

Поэтому КПД достигает максимума при такой нагрузке, при которой электрические потери в обмотках равны магнитным потерям в стали. Это условие (равенство постоянных и переменных потерь) также приблизительно верно для других типов электрических машин. Для серийно выпускаемых силовых трансформаторов

Конкретные значения βopt получаются при проектировании трансформаторов для минимальных эксплуатационных затрат (приобретение и эксплуатация). Наиболее вероятная нагрузка трансформатора соответствует β = 0,5 ÷ 0,7.

В трансформаторах максимальный КПД относительно невысок, т.е. остается высоким в довольно широком диапазоне изменения нагрузки (0,4

В трансформаторах малой мощности из-за относительного увеличения потерь КПД значительно ниже, чем в трансформаторах большой мощности. Для трансформаторов мощностью менее 50 Вт он составляет 0,6-0,8, а для 100-500 Вт – 0,90-0,92.

КПД = M1/M2, где M1 и M2 – активные мощности трансформатора, определяемые по результатам измерений на входной и выходной цепи.

Как кпд трансформатора зависит от коэффициента нагрузки?

Построим зависимость КПД от нагрузки. При β= 0 полезная мощность и КПД равны нулю. С увеличением отдаваемой мощности КПД увеличивается, так как уменьшается удельное значение магнитных потерь в стали, имеющих постоянное значение. При некотором значении (βопткривая КПД достигает максимума, после чего начинает уменьшаться с увеличением нагрузки. Причиной этого является сильное увеличение электрических потерь в обмотках, возрастающих пропорционально квадрату тока.

45. При каком условии КПД трансформатора максимален?

 Максимальное КПД в трансформаторах большой мощности достигает весьма высоких пределов (0,98…0,99).

βопт, при котором КПД имеет максимальное значение, можно определить, взяв первую производнуюdη/dβ по формуле и приравняв ее нулю. КПДимеет максимум когда электрические потери в обмотках равны магнитным потерям в стали.

46. Оптимальный коэффициент нагрузки, при котором КПД трансформатора максимален. Формула.

47. Какие схемы соединения обмоток применяются в 3-х фазных трансформаторах?

Трехфазные трансформаторы могут быть соединены по схемам «звезда», «звезда с выведенной нулевой точкой», «треугольник» или «зигзаг с выведенной нулевой точкой».

48. В чем особенность соединения «зигзаг»?

Особенностью схемы «зигзаг» является то, что каждую фазу обмотки разделяют на две равные части (полуфазы), которые располагают на разных стержнях магнитопровода и соединяют между собой последовательно и встречно. ЭДС фазы обмотки, соединенной в «зигзаг», равна геометрической разности ЭДС полуфаз, которые сдвинуты на 120º. Поэтому для достижения равенства фазных ЭДС обмотки, соединенной по схеме «звезда», и обмотки, соединенной по схеме «зигзаг», число витков последней должно быть увеличено в 2/(3)1/2~ 1,15 раза. Это является недостатком схемы «зигзаг», так как при таком соединении увеличивается расход обмоточного провода.

49. В каких трансформаторах применяется соединение обмоток «зигзаг»?

Первичная и вторичная обмотки трехфазных трансформаторов могут быть соединены по схемам «звезда», «звезда с выведенной нулевой точкой», «треугольник» или «зигзаг с выведенной нулевой точкой».

Схема соединения зигзаг

Каждая фаза состоит из 2ух одинаковых катушек, размещенных на разных стержнях и соединенных между собой встречно так, чтобы векторы индуцируемых в них ЭДС вычитались.

50. Группа соединения трансформатора. Определение.

Из лекций — ГРУППЫ СОЕДИНЕНИЙ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРОВ

Трансформаторы делят на группы в зависимости от сдвига по фазе между линейными напряжениями, измеренными на одноименных зажимах.

Однофазные трансформаторы. В них напряжения первич­ной и вторичной обмоток могут совпадать по фазе или быть сдвинутыми на 180о

Группы соединений обозна­чают целыми числами от 0 до 11. Номер группы определяют величиной угла, на который вектор линейного напряжения обмотки НН от­стает от вектора линей­ного напряжения обмотки ВН. Для определения номера группы этот угол следует разделить на 30°.

Для однофазных трансформаторов возможны только две группы соединений: нулевая и шестая.

В за­висимости от схемы соединения обмоток (У и Д) и порядка соединения их начал и концов получаются различные углы сдвига фаз между линейными напряжениями.

При соединении обмотки НН по схеме Zн, а обмотки ВН по схеме У фазные напряжения обмотки НН сдвинуты относительно соответствующих фазных напряжений обмотки ВН на угол 330°, т. е. при таком соединении имеем одиннадцатую группу. Это объясняется тем, что между векторами линейных напряжений имеется такой же угол.

Из инета — Определение группы соединения трехфазных трансформаторов

Группа соединения трансформатора характеризует сдвиг по фазе между векторами линейных напряжений первичной и вторичной обмоток. Группу соединения принято выражать числом, полученным от деления на 30 угла (в градусах), на который отстает вектор вторичного напряжения от соответствующего вектора первичного напряжения.

Трасформаторы силовые, напряжения, тока. Потери и КПД трансформатора

Трансформатор — это электромагнитный статический преобразователь с двумя или более неподвижными обмотками, которые превращают параметры переменного тока: напряжение, ток, частоту, количество фаз. Возможно также использование трансформаторов для преобразования синусоидального переменного тока в несинусоидальный. Преимущественное использование в электрических устройствах получили силовые трансформаторы, преобразующие напряжение переменного тока при неизменной частоте. Трансформаторы преобразования не только напряжения переменного тока, но и для частоты, количества фаз и т.д. называют трансформаторными устройствами специального назначения.

В этой главе рассматриваются силовые трансформаторы (для сокращения мы их будем называть трансформаторами) небольшой мощности (не более нескольких киловольт-ампер), получившие наибольшее применение в блоках электропитания устройств автоматики, вычислительной техники, в измерительных приборах, связи.

Трансформаторы делятся, в зависимости от:

— Количества фаз преобразовательной напряжения на однофазные и многофазные (как правило трехфазные);

— Количества обмоток, принадлежащих одной фазе трансформирующей напряжения на двохобмоточни и многообмоточные;

— Метода охлаждения, на сухие (с воздушным охлаждением) и масляные (погружены в металлический объем, заполненный трансформаторным маслом).

Рис.2.1.1. Электромагнитная схема однофазного двохобмоточного трансформатора

Рассмотрим однофазный двух обмоточный трансформатор. Его принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции. Однофазный двух обмоточный трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода и двух обмоток. Одна из обмоток — первичная — подключается к источнику переменного тока с напряжением U 1 и частотой f (рис.2.1.1). Переменный ток, проходящий по виткам этой обмотки, создает МРС, которая приводит в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток Ф. Запершись в магнитопроводе, этот поток сцепляется с витками обмоток трансформатора и индуцируется соответственно в первичной w 1 и вторичной w 2 обмотках ЭДС:

е 1 = w 1 dФ / dt; (2.1.1)

е 2 = w 2 dФ / dt. (2.1.2)

Если магнитный поток трансформатора — синусоидальная функция времени Ф = Ф max sinwt, что меняется с угловой частотой w = 2pf, то после подстановки его в (2.1.1) и (2.1.2), дифференцировки и преобразования, получим истинное значение ЭДС первичной и вторичной обмоток:

Е 1 = 4,44 fw 1 Ф max; (2.1.3)

Е 2 = 4,44 fw 2 Ф max. (2.1.4)

В режиме холостого хода трансформатора, когда ток во вторичной обмотке отсутствует (обмотка разомкнута), напряжение на выводах вторичной обмотки равно ЭДС вторичной обмотки Е 2 = U 20, а ЭДС первичной обмотки настолько незначительно отличается от первичного напряжения, что этой разницей можно пренебречь: Е 1 »U 1. тношение ЭДС обмотки высшего напряжения (ВН) до ЭДС обмотки низкого напряжения (НН) называют коэффициентом трансформации k. Для режима холостого хода трансформатора отношение указанных ЭДС практически равна отношению напряжений:

k = Е 1 / Е 2 = w 1 / w 2 »U 1 / U 20. (2.1.5)

Если w 2w 1 и U 2> U 1, то трансформатор называется повышающим. Один и тот же трансформатор в зависимости от того, к какой из обмоток подводится напряжение, может быть понижающим или повышающим.

Если на выводы вторичной обмотки трансформатора подключить нагрузку сопротивлением Z н, то в обмотке появится ток нагрузки I 2. При этом мощность на выходе трансформатора определяется произведением вторичного напряжения U 2 на ток нагрузки I 2. С некоторым приближением можно принять мощность на входе и выходе трансформатора одинаковыми, то есть U 1 I 1 »U 2 I 2. Из этого следует, что отношение токов в обмотках трансформатора обратно пропорционально отношению напряжений:

I 1 / I 2 »U 2 / U 1″ 1 / k. (2.1.6)

Таким образом, ток в обмотке низшего напряжения больше тока в обмотке высокого напряжения в k раз.

Если на выводе вторичной обмотки трансформатора подключить нагрузку сопротивлением r н, то, так как мощности на входе Р 1 = и 1 2 r н ¢ и выходе Р 2 = И 2 февраля r н трансформатора примерно одинаковые, из уравнения