Характеристики трансформаторов и способы регулирования напряжения

Холостым ходом трансформатора называется такой режим работы, когда к первичной обмотке подводится напряжение ?/_1? а вторичная обмотка разомкнута (/₂ = 0). Ток i_x — /₀, протекающий в первичной обмотке при таком режиме, называется током холостого хода. Реактивная составляющая этого тока создает магнитный поток Ф, который в основном замыкается по магнитопроводу.

Магнитный поток Ф, сцепленный со всеми витками первичной и вторичной обмоток, при своем изменении будет наводить в них ЭДС, которые будут отставать по фазе от магнитного потока на угол л/2.

Действующее значение ЭДС определяется по формулам

где / — частота переменного тока;

w — количество витков в соответствующей обмотке;

Ф,„ — амплитудное значение магнитного потока.

Из этого следует, что EJE₂ — Wj/w₂. При холостом ходе падение напряжения в первичной обмотке от тока /₀ мало, поэтому этим падением напряжения можно пренебречь и принять ~ Е_{, напряжение вторичной обмотки при холостом ходе U₂ — Е₂. Исходя из этого, можно записать:

Указанное отношение называется коэффициентом трансформации и является одной из важных величин, характеризующих трансформатор. Коэффициент трансформации определяется при холостом ходе измерением напряжений первичной и вторичной обмоток.

Обычно принимается отношение ВН к НИ. При определении п для трехфазных трансформаторов принимается отношение фазных напряжений обмоток.

В основные потери в трансформаторе входят 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 /₀. Поэтому с достаточной точностью можно сказать, что при холостом ходе в трансформаторе имеются только магнитные потери в магнитопроводе Pq » Р_м. Эти потери возникают из-за перемагни- чивания магнитопровода переменным магнитным потоком и состоят из потерь на гистерезис и вихревые токи. Активной мощности, потребляемой трансформатором при холостом ходе Р₀, соответствует активная составляющая тока холостого хода:

Потери Pq и ток /₀ являются важными характеристиками трансформатора. Снижение значений этих величин уменьшает потери энергии и потребление реактивного тока. Это достигается путем применения электротехнической стали с улучшенными магнитными свойствами — низкими удельными потерями и низкой удельной намагничивающей мощностью. Снижению тока холостого хода способствует также применение шихтованных в переплет магнитопро- водов, в которых исключаются в явном виде воздушные зазоры в контурах магнитных линий.

Опыт холостого хода проводят для экспериментального определения потерь холостого хода Pq, тока холостого хода /₀, cos(p₀ и коэффициента трансформации. Схемы соединений при опыте холостого хода однофазного и трехфазного трансформаторов приведены на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Схемы соединений однофазного (а) и трехфазного (б) трансформаторов при опыте холостого хода

Постепенно повышают подводимое напряжение от нуля до 1,1 — 1,2?/_1ном и записывают показания всех приборов. По данным измерений строят зависимости /₀ =/(С/₁);

Рис. 4.6. Характеристики холостого хода

^0 ⁼/(^i); ^cos(Po ⁼f(^ui>-^Эти зависимости называют характеристиками холостого хода (рис. 4.6).

Для трехфазного трансформатора значения U_x и /₀ при построении характеристик принимают средними для трех фаз. Мощность Р₀ трех фаз определяют по показаниям двух ваттметров: Р₀ = Р' ± Р" (знак «+» принимается при отклонении стрелок приборов в одну сторону, а знак «—» — при их отклонении в разные стороны).

Коротким замыканием называют режим работы трансформатора, при котором первичная обмотка подсоединена к сети, а выводы вторичной обмотки соединены накоротко (напряжение U₂ =0). Короткое замыкание при номинальном первичном напряжении является аварийным режимом, при котором токи в обмотках в 10—15 раз превышают номинальные и являются опасными для трансформатора.

В опыте короткого замыкания к трансформатору подводится пониженное напряжение t/,_K, значение которого выбирается так, чтобы токи в обмотках были равны номинальным или близки к ним. Напряжение U_]K номинальной частоты, которое следует подвести к выводам первичной обмотки трансформатора при замкнутой накоротко вторичной обмотке, чтобы в обеих обмотках установились номинальные токи, называется напряжением короткого замыкания. Оно обычно выражается в процентах номинального напряжения первичной обмотки и указывается в паспорте и на табличке трансформатора.

Опыт короткого замыкания имеет важное практическое значение, так как из него определяются потери и напряжение короткого замыкания, которое характеризует внутреннее сопротивление трансформатора. От значения напряжения короткого замыкания зависят падение напряжения в трансформаторе, внешние характеристики и ток короткого замыкания трансформатора.

В опыте короткого замыкания из сети потребляется активная мощность, которая идет на покрытие потерь внутри трансформатора. Потери, возникающие в трансформаторе при таком режиме, называются потерями короткого замыкания. Практическое значение эти потери имеют при номинальных токах в обмотках.

Потери короткого замыкания Р_к состоят из основных электрических потерь в обмотках и добавочных потерь от вихревых токов в обмотках и крепежных деталях. Добавочные потери обусловлены переменными магнитными полями рассеяния. Сопротивления этих элементов неодинаковы. Главную часть потерь короткого замыкания составляют основные потери в обмотках. Добавочные потери включаются в основные потери путем условного увеличения сопротивлений обмоток. Эквивалентные активные сопротивления первичной г, и вторичной г₂ обмоток обычно в 1,05—1,15 раза больше, чем сопротивления тех же обмоток, измеренные при постоянном токе.

Таким образом, потери короткого замыкания при номинальных токах в обмотках равны:

Согласно ГОСТ потери Р_к должны определяться по сопротивлениям а*! и г₂, приведенным к температуре 75 или 115 °С.

Магнитные потери в опыте короткого замыкания малы и ими пренебрегают. Потери короткого замыкания Р_к в 2,5—6 раз больше потерь холостого хода Р₀.

Опыт короткого замыкания проводят по схемам, приведенным на рис. 4.7. Напряжение, подводимое к первичной обмотке, плавно повышают от нуля до значения, при котором токи в обмотках будут равны номинальным. При этом записывают показания всех приборов.

Для того чтобы в процессе опыта не менялось сопротивление г_к из-за нагревания обмоток, опыт следует проводить быстро. Кроме того, целесообразно опыт проводить на трансформаторе, который до этого длительно не работал. В этом случае температуру обмоток можно принять равной температуре окружающей среды. По данным измерений строят зависимости:

Рис. 4.8. Характеристики короткого замыкания

Рис. 4.7. Схемы соединений однофазного (а) и трехфазного (б) трансформаторов при опыте короткого замыкания

Эти зависимости носят название характеристик короткого замыкания (рис. 4.8). Для трехфазных трансформаторов зависимости строятся для средних значений фазного тока и фазного напряжения. Мощность Р_к равна мощности трех фаз.

При колебаниях нагрузки трансформатора его вторичное напряжение Щ меняется. Изменение вторичного напряжения A U зависит не только от величины нагрузки трансформатора, но и от характера этой нагрузки (cos (р₂).

Зависимость вторичного напряжения U₂ трансформатора от нагрузки /₂ называют его внешней характеристикой. Напомним, что в силовых трансформаторах за номинальное вторичное напряжение принимают напряжение на зажимах вторичной обмотки в режиме холостого хода при номинальном первичном напряжении.

Рис. 4.9. Внешняя характеристика трансформатора

Вид внешней характеристики (рис. 4.9) зависит от характера нагрузки трансформатора (cos ф).

Способы регулирования напряжения трансформаторов. В процессе эксплуатации трансформаторов изменяют их коэффициент трансформации с целью:

• — стабилизации вторичного напряжения при изменении первичного напряжения и нагрузки. В этом случае обычно требуется изменять коэффициент трансформации в нешироких пределах;
• — регулирования вторичного напряжения в широких пределах в соответствии с требованием технологического процесса.

Для регулирования напряжения в узких пределах предусматривают переключающие устройства:

ПБВ — для переключения ответвлений от обмоток без возбуждения, т.е. после отключения всех обмоток от сети;

РПН — для переключения ответвлений от обмоток под нагрузкой без отключения обмоток от сети.

Коэффициент трансформации обычно изменяют ступенями. Первичная или вторичная обмотка имеет необходимое число ответвлений, которые переключаются соответствующим переключающим устройством. При переключении ответвлений изменяется число витков одной из обмоток и, следовательно, коэффициент трансформации k = W/w₂. При регулировании числа витков обмотки высшего напряжения (ОВН) переключающее устройство получается менее громоздким благодаря меньшим значениям тока, а регулирование можно осуществлять более точно благодаря большему числу витков ОВН. При регулировании напряжения в широких пределах обычно изменяют число витков обмотки низшего напряжения, так как значительное уменьшение числа витков ОВН при неизменном напряжении привело бы к значительному увеличению магнитного потока трансформатора и плохому использованию трансформатора, ОВН которого пришлось бы рассчитывать на напряжение, значительно большее номинального.

Ступенчатое регулирование напряжения выпрямительных устройств путем изменения коэффициента трансформации часто используют совместно с плавным фазовым управлением (путем изменения угла управления а тиристорами), благодаря чему улучшается коэффициент мощности выпрямителей.

Применяются следующие схемы плавного регулирования выходного напряжения трансформаторов:

• — путем изменения первичного напряжения с помощью магнитных усилителей;
• — путем подмагничивания магнитопровода трансформатора постоянным током (трансформаторы с подмагничиваемыми шунтами);
• — с помощью контактных щеток, скользящих по неизолированной части обмотки.

Первые два способа плавного регулирования находят применение в установках малой мощности; в выпрямительных устройствах наибольшее применение получило фазовое управление на базе тиристоров. Третий способ нашел применение в автотрансформаторах.

Вопросы регулирования напряжения на базе управляемых и неуправляемых тиристоров рассматриваются в курсе «Электронные преобразователи».

Автотрансформатор — это такой вид трансформатора, в котором, помимо магнитной связи между обмотками, имеется еще и электрическая связь. Обмотки обычного трансформатора можно включить по схеме автотрансформатора, для чего вывод Xобмотки соединяют

с выводом а обмотки w_ax (рис. 4.10, а). Если выводы Ах подключить к сети, а к выводам ах подключить нагрузку Z_H, то получим понижающий автотрансформатор. Если же выводы ах подключить к сети, а к выводам Ах подключить нагрузку Z_H, то получим повышающий автотрансформатор.

Широко распространены автотрансформаторы с переменным коэффициентом трансформации. В этом случае автотрансформатор

Рис. 4.10. Электромагнитная (а) и принципиальная (б) схемы автотрансформатора

снабжают устройством, позволяющим регулировать величину вторичного напряжения путем изменения числа витков w с помощью скользящего контакта (щетки) к (рис. 4.10, б), перемещаемого непосредственно по зачищенным от изоляции виткам обмотки. Такие автотрансформаторы служат регуляторами напряжения.