Электрические машины конспект лекций

путать с аварийным коротким замыканием, которое происходит во время работы трансформатора при полном первичном напряжении и является очень опасным для трансформатора вследствие больших токов в обмотках.

Вторичную обмотку замыкают накоротко (сопротивление Zí = 0), а к первичной посредством регулятора напряжения (РН) подводят пониженное напряжение Uê (ñì. ðèñ. 3.2, á) такой величины, при котором по обмоткам проходит номинальный ток Iíîì. В мощных силовых трансформаторах напряжение Uê обычно составляет 5–15 % от номинального.

Так как основной поток зависит от напряжения, приложенного к первичной обмотке трансформатора, а магнитные потери в стали пропорциональны квадрату индукции, т. е. квадрату магнитного потока, то ввиду малости Uê пренебрегают магнитными потерями в стали и током холостого хода. Параметры схемы определяют из следующих соотношений:

Разделить zê на составляющие z1 è z2 довольно трудно.

к действительности и не вносит ощутимых погрешностей в рас- четы. Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании показана на рис. 3.4, á.

Треугольник ABC, образуемый векторами активного, реактивного и полного падений напряжения, называют треугольником короткого замыкания.

Относительное напряжение короткого замыкания при номинальном токе в процентах от номинального напряжения

31

Рис. 3.4. Схема замещения трансформатора и его векторная диаграмма для режима короткого замыкания

Относительные значения активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания в процентах:

èëè

uê.à % uê % cos ê ;

uê.ð% uê % sin ê ;

По известной величине uê% можно определить установившийся ток короткого замыкания в реальных условиях эксплуатации (при номинальном напряжении):

Обычно в силовых трансформаторах большой и средней мощности величина uê % составляет 5–15 %. Поэтому ток короткого замыкания в них в 7–20 раз превышает номинальный. Как правило, чем больше мощность и напряжение силового трансформатора, тем выше напряжение короткого замыкания.

32

ВОПРОСЫ

3.2.1.Зависит ли величина полного сопротивления короткого замыкания zê от основного магнитного потока трансформатора Ф?

а) зависит; б) не зависит.

3.2.2.Каков будет установившийся первичный ток короткого замыкания трансформатора при номинальном напряжении, если напряжение короткого замыкания при номинальных токах

âобмотках U ê 10 %?

à) 10·I1íîì;

á) 5·I1íîì;

в) мало данных.

3.2.3. В каком соотношении находятся отношения E1íîì

U1íîì

è E1ê ?

U1ê

U1íîì U1ê

3.3.Изменение вторичного напряжения трансформатора при нагрузке

Из векторной диаграммы (см. рис. 2.2) видно, что с ростом нагрузки вторичное напряжение U2 будет уменьшаться вследствие увеличения падения напряжения в обмотках трансформатора. Разность между вторичными напряжениями при холостом ходе U20 и при нагрузке U2 называется изменением вторичного напряжения трансформатора:

U 2 U 20 U 2 .

Часто определяется относительное изменение вторичного напряжения:

33

U % U 20 U 2 100%.

U 20

Для приведенной вторичной обмотки

U 20 U1 .

Поэтому можно написать, что

Для определения U используем векторную диаграмму нагруженного трансформатора (см. рис. 2.2), преобразовав и упростив ее. Поскольку ток холостого хода I0 незначителен, то им можно пренебречь. Тогда I 2 I 1 , повернув нижнюю часть диаграммы на 180°, получим векторную диаграмму (рис. 3.5). Выделим на этой диаграмме прямоугольный треугольник AÂÑ. Катеты этого треугольника

AB r1 I 1 r2 I 2 r1 r2 I 1 rê I 1 ,

BC x1 I 1 x2 I 2 x1 x2 I 1 xê I 1 .

Гипотенуза

являющиеся соответственно суммарными активным, реактивным и полным сопротивлениями трансформатора, называются активным, реактивным и полным сопротивлениями короткого замыкания, а треугольник ÀBÑ — треугольником короткого замыкания.

34

Исключив из векторной диаграммы ненужные для нашей цели подробности и выполнив дополнительные построения, как показано на рис. 3.6, определим из полученного чертежа изменение вторичного напряжения:

U 2 U1 U 2 OC OA AF,

AF AD DF,

35

Принимая за коэффициент загрузки трансформатора вели-

В связи с тем, что на щитке и в паспорте трансформатора приводится uê в %, то уравнение (3.20) целесообразно представить с уч¸том (3.12) и (3.13) в виде

uê % cos( ê 2 ).

Интересно, что напряжение короткого замыкания в процентах номинального оказывается одинаковым, если его определять при замкнутой вторичной обмотке или при замкнутой первичной. Поэтому

Равенство относительных величин напряжения и сопротивления короткого замыкания очень наглядно и удобно для практических расчетов.

Выражение (3.24) показывает, что изменение вторичного напряжения при нагрузке трансформатора зависит от величины тока нагрузки, напряжения короткого замыкания и характера нагрузки. Найдем U из (3.24) для некоторых значений угла 2 , определяемого характером нагрузки, т. е. соотношением активных и реактивных составляющих в сопротивлении нагрузки при следующих углах:

36

Действительное (неприведенное) изменение вторичного напряжения

вторичное напряжение трансформатора при загрузке его током I 2 I 2íîì будет следующим:

U 2 U 20 U 2 .

37

3.4. Внешняя характеристика трансформатора

Зависимость напряжения на зажимах вторичной обмотки от тока нагрузки называется внешней характеристикой трансформатора. Внешняя характеристика снимается, рассчитывается и строится при U1 const è f const. Она показывает величину и изменение U2 при различных нагрузках. Поскольку U существенно зависит от cos 2 , внешние характеристики неодинаковы при разных характерах нагрузки (рис. 3.8). Внешние характеристики хорошо согласуются с графиком (см. рис. 3.7).

Рис. 3.8. Внешние характеристики трансформатора

Очевидно, что при активно-индуктивной ( 2 0) или чисто индуктивной нагрузке ( 2 90 ) напряжение U 2 снижается с ростом тока нагрузки I2 в большей мере, чем при активной нагрузке ( 2 0). При активно-емкостной ( 2 0) или чисто емкостной ( 2 90 ) нагрузке U 2 может оставаться постоянным или даже увеличиваться с ростом тока нагрузки.

ВОПРОСЫ

3.4.1. Который из двух трансформаторов, отличающихся друг от друга только величиной магнитного рассеяния, будет больше снижать вторичное напряжение при нагрузке?

а) величина магнитного рассеяния не влияет на изменение вторичного напряжения;

38

б) трансформатор с большим магнитным рассеянием;

в) трансформатор с меньшим рассеянием.

3.4.2. При каком значении угла 2 изменение вторичного напряжения трансформатора будет наибольшим (величина тока нагрузки неизменна)?

à) 2 arctg xê ; rê

á) 2 90 .

3.4.3. Может ли внешняя характеристика трансформатора быть прямой, параллельной оси абсцисс?

а) может; б) не может.

3.5. Регулирование напряжения трансформатора

Чтобы можно было регулировать вторичное напряжение трансформатора при значительных изменениях нагрузки или колебаниях первичного напряжения, обмотка высшего напряжения имеет три ответвления, соответствующих 95, 100 и 105 % номинального числа витков (рис. 3.9). Замыкая с помощью специального переключателя концы фазных обмоток x1, y1, z1, èëè x2, y2, z2, èëè x3, y3, z3, меняют число витков первичной обмотки w1, а следовательно, и коэффициент трансформации

k w1 . w2

Рис. 3.9. Схема регулирования вторичного напряжения трансформатора

39

С изменением k меняется и вторичное напряжение U2. Переключение числа витков производится при отключенном трансформаторе.

ВОПРОСЫ

3.5.1.Трансформатор работает с числом витков в фазе первичной обмотки (см. рис. 3.9), равным 100 %. Какое число витков надо взять, чтобы вторичное напряжение повысилось?

à) 105 %; á) 95 %.

3.5.2.Почему переключение числа витков для регулирования напряжения делается на стороне высшего напряжения?

3.5.3.У двух трансформаторов, работающих в режиме короткого замыкания, одинаковы P1ê è I1ê, но различны U1ê. Чем отличаются трансформаторы друг от друга?

à) rêI rêII ; á) xêI xêII .

3.5.4. Два трансформатора работают в режиме короткого замыкания и имеют одинаковые U1ê è I1ê, но различные Pê. Чем отличаются их параметры короткого замыкания?

à) rêI rêII , xêI xêII ; á) rêI rêII , xêI xêII ; â) rêI rêII , xêI xêII .

3.6. Коэффициент полезного действия трансформатора

Потери мощности в трансформаторе при его работе под нагрузкой состоят из потерь в стали, равных мощности холостого хода P0, и потерь в меди обмоток Pýë. При коэффициенте загрузки

40