Лекция 2. Схема замещения, опыты холостого хода и короткого замыкания, потери и

потери и КПД Т. Внешняя характеристика 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

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.

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.

– 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
и - индуктивности рассеяния 1-ой и 2-ой обмоток

:

ев = -dФ1/dt.

≈P1 – мощность, потребляемая нагрузкой с сопротивлением R от трансформатора.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока.

Коэффициент трансформации:

В режиме холостого хода U2=E2 а U1≈ E1 . Тогда

W2>W1 (kT<1) - повышающий трансформатор
W21) - понижающий трансформатор

Мощности S1 на первичной и S2 на вторичной стороне практически одинаковы

S1 = m1U1I1 ≈ S2 = m1U2I2

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:

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:

2. Приведение параметров вторичной обмотки к

первичной

Формулы описывающие работу приведенного трансформатора

Вместо реального трансформатора мы получаем энергетически эквивалентный трансформатор с коэффициентом трансформации К12 =1, который называется приведенный. 

процессов в трансформаторе, в которой магнитная связь заменяется электрической.

индуктивности рассеяния основного потока в обмотках первичной и вторичной цепей;
Упрощенная

схема замещения

(2.6б). В соответствии с этими уравнениями построена схема замещения трансформатора (рис. 2.9).

(2.6б). В соответствии с этими уравнениями построена схема замещения трансформатора (рис. 2.9).

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;

- полное сопротивление нагрузки

Все параметры в схеме замещения, кроме , являются постоянными для данного трансформатора, и могут быть определены из опытов холостого хода и короткого замыкания.

элементов (МКЭ) магнитных полей в электромагнитных устройствах.

его работы при разомкнутой вторичной обмотке.
ЭДС, индуктированная в первичной обмотке

трансформатора основным магнитным потоком

Основной магнитный поток изменяется по синусоидальному закону

Фm - максимальное или амплитудное значение основного магнитного потока;  ω = 2 π f - угловая частота;  f - частота переменного напряжения.

Мгновенное значение ЭДС

аналогичную формулу
Магнитный поток рассеяния индуктирует в первичной обмотке ЭДС рассеяния
 L1s -

индуктивность рассеяния в первичной обмотке.

Запишем уравнение по второму закону Кирхгофа для первичной обмотки

откуда

(1)

обмотки. 
Работа Т в режиме холостого хода
векторная диаграмма

схема замещения

В режиме холостого хода

Коэффициент трансформации:  

холостом ходу
схема опыта
Цель опыта определении: коэффициента трансформации

, потерь холостого хода  , тока холостого хода , параметров намагничивающей ветви схемы замещения и ,Ом.

- номинальное напряжение

Коэффициент трансформации:

понижающий

повышающий

Ток холостого хода в процентах от номинального определяется:

- номинальный ток первичной обмотки трансформатора, А.

- номинальная мощность трансформатора, кВ*А.

— потери в стали, Вт.
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

Активное сопротивление намагничивающей ветви

определится из опыта
короткого замыкания

Полное сопротивление намагничивающей ветви

Индуктивное сопротивление:

потерь короткого замыкания трансформатора, ,

Вт; (ваттметр)

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.

схема опыта

Вторичная обмотка трансформатора замкнута. Напряжение увеличивается до значения номинального тока.

Потери короткого замыкания трансформатора равны потерям в обмотках.

б) напряжения короткого замыкания , %;

в) параметров схемы замещения (Ом)

коротком замыкании и номинальных токах
Полное сопротивление
Суммарное активное сопротивление обеих обмоток
Реактивное

сопротивление

Напряжение короткого
замыкания

составляет 5—8 % 

Значение

указано на щитке Т 

напряжения связаны между собой соотношением:

нагревом обмоток при прохождении по ним тока (потери в медных

проводах обмотки).

- число фаз трансформатора

эти потери определяются опытным путём, измеряя мощность короткого замыкания при номинальных токах в обмотках

- степень загрузки трансформатора

Потери в обмотках = потерям короткого замыкания.

- реальный и номинальные токи первичной стороны трансформатора, А;

их лежит в систематическом перемагничивании магнитопровода переменным магнитным полем.
-

потери вследствие гистерезиса;

- потери вследствие вихревых токов.

Магнитные потери не зависят от нагрузки трансформатора.

Общие потери

- определяется в опыте холостого хода;

- определяется в опыте короткого замыкания

Потери в стали = потерям холостого хода

Для практических расчетов
используется формула:

— удельные потери соответственно стержней и ярем
магнитопровода, Вт/кг;

— масса стержней и ярем магнитопровода, кг;

— коэффициент учитывающий дополнительные потери.

отношению активной мощности на выходе вторичной обмотки к активной мощности

на входе первичной обмотки.

С учетом нагрузки трансформатора

Для силовых Т оптимальный коэффициент трансформации лежит в пределах 0,5-0,7  

мощность, поступающая из сети в
первичную нагрузку

и напряжением при изменении нагрузки, неизменном значении первичного напряжения U1 и заданном

коэффициенте мощности cos φ2 во вторичной цепи.

U2 - вторичное напряжение;

- величина нагрузки;

- изменения напряжения.

Положения характеристик зависят от мощности и характера нагрузки трансформатора

учетом его характера (активная - R, активно-  емкостная - RC, активно – индуктивная

- RL).
Схема замещения трансформатора принимает вид:

По второму закону Кирхгофа запишем уравнение для схемы замещения Т:

.
активно-  
емкостная - RC
активная

- R

активно –
индуктивная - RL