Основные определения, расчетные показатели и рабочие параметры трансформатора
Основные определения
Трансформатор, в магнитной системе которого создается однофазное магнитное поле, называется однофазным, если же создается трехфазное поле – то трехфазным. Обмотка, к которой подводится энергия (напряжение) преобразуемого переменного тока называется первичной; обмотка трансформатора, от которой отводится энергия преобразованного переменного тока, называется вторичной. Под обмоткой трансформатора понимают совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются электродвижущие силы, наведенные в витках с целью получения заданного напряжения. Обмотка трансформатора, к которой подводится электроэнергия преобразуемого или от которой отводится энергия преобразованного переменного тока, называется основной. Силовой трансформатор имеет не менее двух основных обмоток. Основная обмотка трансформатора, имеющая наибольшее номинальное напряжение, называется обмоткой высшего напряжения (ВН), наименьшее – обмоткой низшего напряжения (НН), а промежуточное между ними – обмоткой среднего напряжения (СН). Трансформатор с двумя гальванически не связанными обмотками (ВН и НН) называется двух-обмоточным, с тремя (ВН, СН и НН) – трех-обмоточным. Одна из этих обмоток является первичной, две другие – вторичными. Если у трансформатора первичной является обмотка НН, его называют повышающим, если ВН – понижающим.
Расчетные показатели
Индуцируемые в обмотках ЭДС выражаются в вольтах и могут быть определены по следующим формулам:
где f – частота переменного тока, Гц; w1 и w2 – количество витков соответственно первичной и вторичной обмоток; Fm – амплитудное (наибольшее) значение магнитного поля, Вб
Как видно из формулы, значения вторичной ЭДС Е2 и соответственно напряжения U2 зависят от числа витков вторичной обмотки. Увеличение числа витков вторичной обмотки приводит к увеличению вторичных ЭДС и напряжения и наоборот. При установленной в России промышленной частоте 50 Гц (стандарт) для подсчета индуцируемых в обмотках ЭДС на практике пользуются формулой:
,
где w – число витков; F – активное поперечное сечение стержня магнитной системы; B – магнитная индукция в стержне, Тл
При расчете трансформаторов также пользуются показателем ЭДС, индуцируемой в одном витке обмотки – е; она одинакова для любой обмотки трансформатора (первичной, вторичной), так как все витки сцеплены с одним и тем же основным магнитным полем:
Если известны е и F, то легко определить индукцию магнитной системы:
При работе трансформаторов падения напряжения в сопротивлениях их обмоток обычно очень малы, и можно считать, что напряжение первичной обмотки U1 равно ее ЭДС E1, а напряжение вторичной обмотки U2 равно ее ЭДС E2, т.е.
Отношение напряжения на зажимах обмотки высшего напряжения к напряжению на зажимах обмотки низшего напряжения в режиме холостого хода трансформатора называется коэффициентом трансформации К:
Рабочие параметры
Мощность одной фазы трехфазного трансформатора определяется по формуле:
где Uф и Iф – номинальное напряжение и ток одной фазы, соответственно в В и А
Мощность трехфазного трансформатора, выраженная через линейные напряжения и ток:
где – 1,33 – коэффициент, учитывающий соотношение между фазными и линейными значениями тока или напряжения в трехфазной системе, U – линейное значение напряжения, (В), I – линейное значение тока, (А)
Номинальное первичное напряжение – это напряжение, на которое рассчитана первичная обмотка трансформатора; номинальное вторичное напряжение – напряжение на зажимах вторичной обмотки, получающееся при холостом ходе трансформатора и номинальном напряжении на зажимах первичной обмотки. Номинальные токи определяются соответствующими номинальными значениями мощности и напряжения.
Высшее номинальное напряжение трансформатора – это наибольшее из номинальных напряжений обмоток трансформатора, а низшее номинальное напряжение – соответственно наименьшее из номинальных напряжений обмоток трансформатора.
Режим, при котором одна из обмоток трансформатора замкнута накоротко, а вторая находится под напряжением, называется коротким замыканием. Если короткое замыкание происходит в процессе эксплуатации трансформатора при номинальных напряжениях, в обмотках возникают токи короткого замыкания, в 5-20 раз (и более) превышающие номинальные. При этом резко повышается температура обмоток и в них возникают большие механические напряжения. Такое замыкание является аварийным и для предотвращения повреждения трансформатора применяется специальная защита, которая должна отключить трансформатор в течение долей секунды. Напряжение короткого замыкания выражается в процентах номинального напряжения:
где uк.з. – напряжение короткого замыкания в процентах, Uк.з — напряжение короткого замыкания в В, Uном. номинальное напряжение обмоток трансформатора.
Потери трансформатора – это активная мощность, расходуемая в магнитной системе, обмотках и других частях трансформатора при различных режимах работы. Потери холостого хода – это потребляемая трансформатором активная мощность в режиме холостого хода при номинальном напряжении и номинальной частоте первичной обмотки. При холостом ходе трансформатор не передает электроэнергию, так как вторичная обмотка разомкнута. Потребляемая им активная мощность тратится на нагревание стали магнитной системы от перемагничивания и вихревыми токами, а также частично первичной обмотки. Эти суммарные потери называют потерями холостого хода трансформатора.
Потери короткого замыкания – это потребляемая трансформатором активная мощность при опыте короткого замыкания, обусловленная потерями в активном сопротивлении первичной и вторичной обмоток и токоведущих частях трансформатора при прохождении номинального тока и добавочными потерями, вызванными полями рассеяния. Напряжение короткого замыкания, подводимое к трансформатору при опыте короткого замыкания, в зависимости от его конструкции и назначения в 5-20 раз меньше номинального, поэтому магнитное поле в магнитной системе незначительное, соответственно незначительны и потери в активной стали на перемагничивание. Ими пренебрегают, считая, что потребляемая мощность при коротком замыкании расходуется только на потери в активном сопротивлении обмоток и на добавочные потери, вызванные полями рассеяния (поля рассеяния наводят в обмотках вихревые токи).
Суммарные потери трансформатора при номинальной нагрузке составляют потери холостого хода и короткого замыкания. Зная эти потери и мощность, выдаваемую трансформатором в сеть, можно определить его КПД в процентах:
где Р2 – мощность, выдаваемая трансформатором в сеть, Рк.з. – потери короткого замыкания, Рх.х. – потери холостого хода (трансформаторы имеют сравнительно высокий КПД – 98,5 – 99,3%)
