Энергетическая характеристика трансформатора, К.П.Д.

Ответ:Энергетическая диаграмма: При работе в трансформаторе возникают потери энергии. Коэффициентом полезного действия трансформатора(КПД) называют отношение отдаваемой мощности Р₂ к мощности Р₁ поступающей в первичную обмотку: η = P₂/P₁ = (U₂I₂ cos φ₂)/(U₁I₁ cos φ₁) или η = (Р₁ - ΔР)/Р₁ = 1 - ΔР/(Р₂ + ΔР), (2.49) где ΔР — суммарные потери в трансформаторе. Высокие значения КПД трансформаторов не позволяют определять его с достаточной степенью точности путем непосредственного измерения мощностей Р₁ и Р₂, поэтому его вычисляют косвенным методомпо значению потерь мощности.

Рис. 2.38. Энергетическая диаграмма трансформатора

Процесс преобразования энергии в трансформаторе характеризует энергетическая диаграмма (рис. 2.38). При передаче энергии из первичной обмотки во вторичную возникают электрические потери мощности в активных сопротивлениях первичной и вторичной обмоток ΔР_эл1 и ΔР_зл2, а также магнитные потери в стали магнитопровода ΔР_м (от вихревых токов и гистерезиса). Поэтому Р₂ = Р₁ - ΔР_эл1 - ΔР_эл2 - ΔР_м (2.50) и формулу (2.49) можно представить в виде

Величину Р_эм = Р₁ — ΔР_эл1 — ΔР_м, поступающую во вторичную обмотку, называют внутренней электромагнитной мощностью трансформатора. Она определяет габаритные размеры и массу трансформатора. Определение потерь мощности: Согласно требованиям ГОСТа потери мощности в трансформаторе определяют по данным опытов холостого хода и короткого замыкания. Полу­чаемый при этом результат имеет высокую точность, так как при указанных опытах трансформатор не отдает мощность нагрузке. Следовательно, вся мощность, поступающая в первичную обмотку, расходуется на компенсацию имеющихся в нем потерь.
При опыте холостого хода ток I₀ невелик и электрическими потерями мощности в первичной обмотке можно пренебречь. В то же время магнитный поток практически равен потоку при нагрузке, так как его величина определяется приложенным к трансформатору напряжением. Магнитные потери в стали пропорциональны квадрату значения магнитного потока. Следовательно, с достаточной точностью можно считать, что магнитные потери в стали магнитопровода равны мощности, потребляемой трансформатором при холостом ходе и номинальном первичном напряжении,т. е. ΔР_м ≈ Р₀. (2.52). Для определения суммарных электрических потерь согласно упрощенной схеме замещения (см. рис. 2.33,a) полагают, что 1'2 = 11. При этом ΔP_эл = ΔP_эл1 + ΔP_эл2 = I₁²R₁ + I'₂²R₂ ≈ I'₂² (R₁ + R'₂) ≈ I'₂²R_к, (2.53) или
ΔР_эл ≈ β²I'₂²_номR_к ≈ β²ΔP_эл.ном,(2.54) где ΔP_эл.ном - суммарные электрические потери при номинальной нагрузке. За расчетную температуру обмоток — условную температуру, к которой должны быть отнесены потери мощности ΔР_эл и напряжение и_к, принимают: для масляных и сухих трансформаторов с изоляцией классов нагревостойкости А, Е, В (см. § 12.1) температуру 75°С; для трансформаторов с изоляцией классов нагревостойкости F, Н — температуру 115 °С. Величину ΔР_эл.ном ≈ I'₂²_номR_к ≈ I₁²_номR_к можно с достаточной степенью точности принять равной мощности Р_к, потребляемой трансформатором приопыте короткого замыкания, который проводится при номинальном токе нагрузки. При этом магнитные потери в стали ΔР_мвесьма малы по сравнению с потерями ΔP_эл из-за сильного уменьшения напряжения U₁, a следовательно, и магнитного потока трансформатора и ими можно пренебречь. Таким образом,

ΔР_эл = β²P_к(2.55) Полные потери: ΔP = P_o + β²P_к (2.56). Подставляя полученные значения Р в (2.51) и учитывая, что Р₂ = U₂I₂cosφ₂ ≈ βS_номcosφ₂, находим

Эта формула рекомендуется ГОСТом для определения КПД трансформатора. Значения Ро иРк для силовых трансформаторов приведены в соответствующих стандартах и каталогах. Зависимость КПД от нагрузки: По (2.57) можно построить зависимость КПД от нагрузки (рис. 2.39, а). При β = 0 полезная мощность и КПД равны нулю. С увеличением отдаваемой мощности КПД увеличивается, так как в энергетическом балансе уменьшается удельное значение магнитных потерь в стали, имеющих постоянное значение. При некотором значении β_опт кривая КПД достигает максимума, после чего начинает уменьшаться с увеличением нагрузки. Причиной этого является сильное увеличение электрических потерь в обмотках, возрастающих пропорционально квадрату тока, т. е. пропорционально β², в то время как полезная мощность Р₂ возрастает только пропорционально β. Максимальное значение КПД в трансформаторах большой мощности достигает весьма высоких пределов (0,98—0,99).

Рис. 2.39. Зависимость КПД трансформаторов η от нагрузки β

Оптимальный коэффициент нагрузки β_опт, при котором КПД имеет максимальное значение, можно определить, взяв первую производную dη/dβ по формуле (2.57) и приравняв ее нулю. При этом

Следовательно, КПД имеет максимум при такой нагрузке, при которой электрические потери в обмотках равны магнитным потерям в стали. Это условие (равенство постоянных и переменных потерь) приближенно справедливо и для других типов электрических машин. Для серийных силовых трансформаторов β_опт = √P₀/P_к ≈ √0,2 ÷ 0,25 ≈ 0,45 ÷ 0,5(2.59). Указанные значения β_опт получены при проектировании трансформаторов на минимум приведенных затрат (на их приобретение и эксплуатацию). Наиболее вероятная нагрузка трансформатора соответствует β = 0,5 ÷ 0,7. В трансформаторах максимум КПД выражен сравнительно слабо, т. е. он сохраняет высокое значение в довольно широком диапазоне изменения нагрузки (0,4 < β < 1,5). При уменьшении cosφ₂ КПД снижается (рис. 2.39,6), так как возрастают токи 1₂ и I₁ при которых трансформатор имеет заданную мощность Р₂. В трансформаторах малой мощности в связи с относительным увеличением потерь КПД существенно меньше, чем в трансформаторах большой мощности.Его значение составляет 0,6—0,8 для трансформаторов, мощность которых менее 50 Вт; при мощности 100-500 Вт КПД равен 0,90-0,92.

8)Трёхфазный трансформатор, конструкция, схемы соединения, группы соединения.

Ответ:

Трансформирование в трехфазной цепи может быть осуществлено либо группой, состоящей из трех однофазных трансформаторов, либо одним трехфазным трансформатором. В обоих случаях обмотки фаз высшего и низшего напряжений могут соединяться звездой или треугольником. Соединение звездой обозначается знаком Y, а треугольником — . Если обе обмотки соединены звездой, то такое соединение обозначается Y/Y. В числителе указывается способ соединения обмоток фаз высшего напряжения, а в знаменателе — низшего напряжения. Начала фаз высшего напряжения обозначаются буквами A, В и С, а концы — буквами X,У, Z. Начала фаз низшего напряжения — буквами а, b и с, а их концы — буквами х, у, z. На рис. 2.17 показана схема трех однофазных трансформаторов при соединении , т.е. фазы высшего напряжения соединены звездой, а фазы низшего напряжения — треугольником. Устройство и особенности трехфазных трансформаторов:Обмотки трехфазного трансформатора расположены на стержнях так же, как и в однофазном трансформаторе, т.е. обмотки низшего напряжения НН размещаются ближе к стержню, а обмотки высшего напряжения ВН—на обмотках низшего напряжения. На рис. 2.18 показано соединение обмоток трехфазного трансформаторапосхеме (для наглядности обмотки расположены одна над другой).

Для правильного соединения обмоток необходимо разметить начала и концы фаз высшего напряжения (A, В, Си X,У, Z) и низшего напряжения (а, b, с и х, у, z) и придерживаться этой маркировки. Ошибка в маркировке одной из фаз или ошибка в соединении фаз может привести к тому, что ЭДС, наведенные в одноименных фазах, будут не совпадать по фазе, а будут сдвинуты относительно друг друга на 180°. В трехфазных трансформаторах, кроме гальванической связи фаз, есть и магнитная, так как магнитопроводы отдельных фаз объединены в общую магнитную систему (рис. 2.18). Такое объединение возможно благодаря тому, что магнитные потоки в отдельных фазах сдвинуты по фазе относительно друг друга на угол 120°. Если объединить стержни трех фаз (рис. 2.19, а) в один общий стержень (рис. 2.19,б), то сумма трех потоков в нем в любой момент времени равна нулю и, следовательно, стержень не нужен (рис. 2.19, в). Таким образом, магнитная система трехфазного трансформатора из шестистержневой модифицируется в трехстержневую (рис. 2.19, г и 2.18). Трехфазный трансформатор экономичнее, чем группа из трех однофазных.

Рис. 2.19

Группа соединений обмоток: На рис. 2.20, а, б показаны соединение обмоток Y/Y, т.е. звезда-звезда, и топографическая диаграмма фазных и линейных напряжений. Напряжения и , и и т.д. совпадают по фазе (считаем, что можно пренебречь активными падениями напряжений и ЭДС рассеяния обмоток). При другой схеме соединения обмоток Y/Y (рис. 2.21, а) напряжения и , и , и т.д. находятся в противофазе (рис. 2.21,б), т.е. сдвинуты по фазе относительно друг друга на угол 180°.

Угол сдвига фаз между линейными одноименными напряжениями определяет так называемую группу соединения обмоток. Этот угол записывается в соответствии с расположением стрелок часов. Если минутную стрелку направить к цифре 12 (0), а часовую к одной из цифр 1, 2, 3, … …, 11, 12 (0), то получим соответствующий угол или группу соединений. На рис. 2.20,вчасовая стрелка, как и минутная, показывает цифру 12(0) и группа (рис. 2.20, а) записывается так: Y/Y — 0, а на рис. 2.21, вчасовая стрелка направлена к цифре 6 и группа (рис. 2.21,а) записывается так: Y/Y — 6. Если обмотки трансформатора соединены по схеме, показанной на рис. 2.22,а, т.е. по схеме (вторичные обмотки соединены треугольником), то, как это видно из рис. 2.22,б и в, угол сдвига фаз между напряжениями и составляет 330°, поэтому группа соединений обмоток записывается так: . Номинальные данные трехфазных трансформаторов: Номинальные данные трехфазных трансформаторов указываются в паспорте и на специальном щитке трансформатора. К ним относятся , схема и группа соединений. Здесь — полная мощность трансформатора в номинальном режиме, , т.е. полная мощность трех фаз трансформатора: (см. гл. 3); – номинальные напряжения, т. е. линейные напряжения первичной и вторичной обмоток при любой схеме соединений в режиме холостого хода; —потери в режимах холостого хода и короткого замыкания в ваттах на три фазы; — напряжение короткого замыкания в процентах номинального напряжения; — ток холостого хода в процентах номинального тока; или — схема и группа соединений.