ююб. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №2 По дисциплине_ Электрические машины и апп. Практическая работа 2 По дисциплине Электрические машины и аппараты Тема Трансформаторы Специальность 13. 02. 11 Юртаев В. Е. Тээ 21д проверил преподаватель Сидоренко С. Р

• Название: Практическая работа 2 По дисциплине Электрические машины и аппараты Тема Трансформаторы Специальность 13. 02. 11 Юртаев В. Е. Тээ 21д проверил преподаватель Сидоренко С. Р
• Дата: 14.04.2023
• Размер: 1.13 Mb.
• Имя файла: ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №2 По дисциплине_ Электрические машины и апп.docx
• Тип: Практическая работа; #1062360
• страница: 2 из 8

2. Холостой ход трансформатора

2.1. Опыт холостого хода трансформатора

Холостым ходом трансформатора является такой предельный режим его работы, когда вторичная обмотка трансформатора разомкнута и ток вторичной обмотки I₂ = 0. Опыт х. х. позволяет определить коэффициент трансформации, ток, потери и сопротивления х. х. трансформатора. При опыте х. х. первичную обмотку трансформатора включают в сеть переменного тока с напряжением Ui (рис. 2.1). Под действием приложенного напряжения по первичной обмотке протекает ток I₁ = I₀, равный току х. х., который составляет 5—10% номинального, а в трансформаторах малой мощности (десятки вольт-ампер) — >30%.

Для измерения тока х. х., приложенного к первичной обмотке напряжения и потребляемой мощности в цепь первичной обмотки трансформатора, включены измерительные приборы (амперметр А, вольтметр V и ваттметр W). Вторичная обмотка трансформатора замкнута на вольтметр, сопротивление которого очень велико, так что ток вторичной обмотки I₂ = 0.





Рис. 2.1. Схема опыта х. х. однофазного трансформатора

Ток х. х. возбуждает в магнитопроводе трансформатора магнитный поток, который индуктирует э. д. с. как в первичной, так и во вторичной обмотках. Действующие значения э. д. с. обмоток и , где и — числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора; — амплитуда магнитного потока; f — частота тока.

Так как во вторичной обмотке трансформатора тока нет и, следовательно, нет падения напряжения в сопротивлении этой обмотки, то э. д. с. Е₂ = U₂ и определяется показанием вольтметра, включенного в эту обмотку.

В первичной обмотке протекает ток х. х., очень малый по сравнению с номинальным, так что падение напряжения в сопротивлении первичной обмотки будет очень мало по сравнению с приложенным напряжением. Поэтому приложенное напряжение практически уравновешивается э. д. с. первичной обмотки: . Следовательно, э. д. с. первичной обмотки определяется показанием вольтметра, включенного в цепь первичной обмотки при опыте х. х.

Коэффициентом трансформации называют отношение напряжения обмотки ВН к напряжению обмотки НН при х.х.: k = U₂/U₁ = E₂/E_l = / .

Для большей точности измерения при опыте х.х. первичной обмоткой является обмотка НН, а вторичной — обмотка ВН, так как номинальный ток обмотки НН будет больше, чем номинальный ток обмотки ВН. Так как ток х.х. небольшой и составляет несколько процентов номинального тока, то, используя в качестве первичной обмотку НН, ток х. х. окажется больше и может быть измерен более точно, чем в случае использования обмотки ВН в качестве первичной.

Для трехфазного трансформатора различаются конструктивный и эксплуатационный коэффициенты трансформации. Конструктивный коэффициент трансформации определяет соотношение чисел витков обмоток ВН и НН и равен отношению фазных напряжений. Эксплуатационный коэффициент трансформации равен отношению линейных напряжений на стороне ВН и НН.

Если схемы соединения обмоток ВН и НН одинаковы (например, звезда — звезда или треугольник — треугольник), то отношение фазных и линейных напряжений также одинаковы, т. е. конструктивный и эксплуатационный коэффициенты трансформации равны (k_к — k_э). Если же схемы соединения обмоток ВН и НН различны (звезда — треугольник или треугольник — звезда), то конструктивный и эксплуатационный коэффициенты трансформации отличаются в раз.

При опыте х. х. помимо напряжений первичной и вторичной обмоток измеряются ток х. х. I₀ и мощность Р₀, потребляемая трансформатором. Ток х.х. в фазе обмотки трехфазного трансформатора I₀ при соединении первичной обмотки в звезду равен измеренному току I (I₀ =I), а при соединении первичной обмотки в треугольник — в раза меньше измеренного (I₀ =I/ ). Мощность, потребляемая трансформатором при х.х., Р₀ практически расходуется на покрытие потерь в стали за счет гистерезиса и вихревых токов (Р_с = Р₀), так как потери в проводах первичной обмотки ничтожно малы. При испытании трехфазного трансформатора в этих выражениях следует иметь в виду фазные значения напряжения и тока, а также мощность, отнесенную к одной фазе, Р₀/3 (Р₀ — показания ваттметра). Так как токи в фазах при х.х. трехфазного трансформатора различны, то за значение тока х.х. условно принимают его среднее значение для трех фаз; .

2.2. Ток холостого хода

При х.х. трансформатора под действием приложенного напряжения U₁ в первичной обмотке протекает ток х.х. I₀. Намагничивающая сила первичной обмотки возбуждает переменное магнитное поле, большая часть магнитных линий которого замкнется через магнитопровод, образуя магнитный поток. Основной магнитный поток с амплитудой Ф_т пронизывает витки первичной и вторичной обмоток и индуктирует в этих обмотках э. д. с. Если бы между основным потоком и током х.х. существовала пропорциональность, то для создания синусоидального изменяющегося во времени магнитного потока потребовался бы также синусоидально-изменяющийся ток. Однако при сердечнике из магнитного материала вследствие насыщения магнитный поток не будет пропорционален току.

В магнитопроводе трансформатора при его работе выделяются потери на гистерезис и вихревые токи, называемые потерями в стали. В трансформаторах при частоте тока 50 Гц потери на гистерезис в несколько раз больше потерь на вихревые токи, так что потери в стали в основном определяются гистерезисными потерями. Положим, что для материала магнитопровода трансформатора магнитная характеристика, т. е. зависимость магнитного потока от тока х. х., представлена шлейфом петли гистерезиса (кривая 1 на рис. 2.2). Если приложенное к первичной обмотке напряжение синусоидально, то основной магнитный поток будет также изменяться синусоидально во времени (кривая 2). Каждому значению магнитного потока соответствуют различные значения тока х.х. согласно восходящей и нисходящей ветвям магнитной характеристики материала магнитопровода. На рисунке показано определение одной точки кривой тока х.х. (кривая 3). Для произвольно выбранного момента времени t₁ определим на временной диаграмме магнитный поток, значение которого отложим на восходящей ветви магнитной характеристики, а затем по магнитной характеристике определим ток х. х., необходимый для создания магнитного потока.





Рис. 2.2 Кривые магнитного потока и тока

Это значение тока отложим на временной диаграмме для момента t₁. Так же могут быть определены значения тока х. х. для любых моментов времени. По найденным таким образом точкам на временной диаграмме можно построить кривую тока х.х. (кривая 3). Эта кривая несинусоидальна и опережает кривую магнитного потока (проходит через нулевые значения раньше) на некоторое время t₀. Произведение этого отрезка времени на угловую скорость 𝓌 равно углу гистерезисного опережения . При построении векторных диаграмм несинусоидальный ток х. х. считается таким синусоидальным током, действующее значение которого равно действующему значению реального тока.

Таким образом, за счет потерь в стали ток х.х. опережает по фазе создаваемый им магнитный поток и на векторной диаграмме (рис. 2.3) изображается вектором I₀, повернутым относительно вектора Ф_max на угол в сторону опережения.



Рис. 2.3 Векторная диаграмма напряжения, магнитного потока

Поэтому ток I₀ может быть представлен в виде двух составляющих: реактивной составляющей I_µ, совпадающей с основным магнитным потоком, и активной составляющей I_α, параллельной вектору приложенного напряжения. Реактивная составляющая тока х. х. I_µ является намагничивающим током, создающим основной магнитный поток, и зависит от магнитного сопротивления магнитопровода. Чем большим будет магнитное сопротивление магнитопровода, тем большим окажется и намагничивающий ток. Активная составляющая тока х. х. I_α потребляется на покрытие потерь в стали и зависит от свойств материала магнитопровода, магнитной индукции и толщины стальных листов, из которых собран магнитопровод. Чем больше потери в стали магнитопровода, тем большей будет и активная составляющая тока х. х.

3. Рабочий процесс трансформатора

3.1. Опыт короткого замыкания трансформатора

Короткие замыкания в электрических установках возникают обычно вследствии каких-либо неисправностей в сетях (при механическом повреждении изоляции, при ее электрическом пробое в результате перенапряжений и др.) или при ошибочных действиях эксплуатационного персонала. Для трансформатора к. з. представляет собой серьезную опасность, так как при этом возникают очень большие токи. При к. з. зажимов вторичной обмотки сопротивление нагрузки z_н = 0, и следовательно, напряжение на зажимах вторичной обмотки U₂ = 0. Таким образом, напряжение U₁, приложенное к первичной обмотке, будет уравновешено падением напряжения в полных сопротивлениях первичной и вторичной обмоток: . Эквивалентная схема для одной фазы трансформатора при к. з. изображена на рис. 3.1, а. Уравнение равновесия э.д.с. первичной обмотки трансформатора при к.з. вторичной обмотки запишется в следующем виде: , где — ток к.з.

На рис. 3.1,б построена векторная диаграмма для одной фазы трансформатора при к.з.



Рис. 3.1. Эквивалентная схема (а) и векторная диаграмма (б) трансформатора при к. з.

Вертикально вверх направлен вектор тока к. з. I_к, параллельно ему — вектор напряжения в активном сопротивлении к. з. I_кr_к. На /2 повернут относительно вектора тока в сторону опережения вектор падения напряжения на индуктивном сопротивлении к. з. трансформатора jI_кX_к. Геометрическая сумма векторов I_кr_к и jI_кX_к дает вектор приложенного к первичной обмотке напряжения U₁, который оказался повернутым относительно вектора тока I_к в сторону опережения на угол к. з. _к. Этот угол зависит от соотношения сопротивлений Х_к и r_к. Чем больше индуктивное сопротивление Х_к и меньше активное r_к, тем большим будет угол _к. Таким образом, сила тока к. з. трансформатора

Так как падение напряжения в полном сопротивлении обмоток трансформатора при номинальном токе I_ном составляет несколько процентов от номинального напряжения, т. е. I_номz_к (0,05 0,07) U₁, то ток I_к окажется больше номинального тока во столько раз, во сколько номинальное напряжение больше падения напряжения в полном сопротивлении обмоток при номинальном токе:



Отношение называют кратностью тока короткого замыкания. Потери в проводах обмоток трансформатора пропорциональны току во второй степени (Р_м = I²r_к), так что в случае, когда ток к. з. окажется, например, в 20 раз больше номинального тока, потери в проводах обмоток будут в 400 раз больше (если не учитывать увеличения сопротивления обмоток от нагрева). Выделение большой мощности в проводах обмоток вызывает резкое повышение их температуры, вследствие которого возможно нарушение целости изоляции и выход трансформатора из строя. Поэтому все трансформаторы снабжены достаточно быстродействующей защитой, которая отключает трансформатор в случае его к. з., которое очень опасно. Если время, в течение которого трансформатор находится в режиме к. з., будет мало, то обмотки его не успевают нагреваться до температуры, опасной для изоляции. Как известно, между проводами, обтекаемыми током, возникает механическое взаимодействие. Если в двух параллельных проводах протекают токи, направленные в одну и ту же сторону, то эти провода притягиваются друг к другу, а если направления токов противоположны, то проводники отталкиваются.

В трансформаторе имеется очень много параллельных друг другу витков, каждый из которых можно рассматривать как отдельный провод. В витках какой-либо обмотки (первичной или вторичной) протекают токи одинакового направления, так что все витки одной обмотки взаимно притягиваются. Намагничивающие силы первичной и вторичной обмоток имеют встречное направление, поэтому обмотки стремятся оттолкнуться одна от другой. Механические силы, действующие на обмотки, зависят от конструкции обмоток, размещения витков и токов, протекающих в обмотках. В концентрических симметричных обмотках силы, действующие на обмотки, направлены перпендикулярно оси катушек (рис. 3.2,а); в дисковых чередующихся обмотках силы направлены параллельно оси катушек (рис. 3.2,б).





Рис. 3.2. Направление сил, действующих на концентрические симметричные (а) и дисковые (б) обмотки трансформатора

Так как силы, действующие на провода с током, зависят от произведения токов в проводах, то и силы Fдействующие на обмотки трансформаторов, при к. з. будут во много раз большими сил, которые возникают при номинальной нагрузке. Под действием очень больших механических сил обмотки трансформатора деформируются настолько, что может быть нарушена изоляция и резко уменьшена их электрическая прочность. Поэтому конструкция обмоток должна быть рассчитана на такую механическую прочность, которая противостояла бы силам, возникающим в первый момент от мгновенных токов I_к', превышающих установившиеся токи I_к примерно в два раза (I_к' =2I_к). Опыт к. з. производится при значительно пониженном напряжении и является вторым предельным режимом работы трансформатора, который наряду с опытом х. х. позволяет определить пара­метры трансформатора при любой нагрузке. При опыте к. з. вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко, а к первичной подводят такое пониженное U_к, при котором в обмотках трансформатора протекают номинальные токи. Это напряжение называют напряжением короткого замыкания, измеряется оно в процентах от номинального:



Согласно ГОСТ 11677 — 75 напряжение к.з. u_к = 5,5 10,5%. При столь малом напряжении магнитный поток будет незначительным, а следовательно, мал и намагничивающий ток I_0к = 0. Поэтому мы можем считать, что н. с. первичной обмотки трансформатора идет лишь на компенсацию н. с. вторичной обмотки. Пренебрегая намагничивающим током при опыте к.з., ток первичной обмотки равен приведенному току вторичной обмотки с образным знаком: I₁ = I₂´

При опыте к.з. по обмоткам трансформатора (см. рис. 3.1,a) протекают номинальные токи и приложенное к первичной обмотке напряжение:

(3.1),

где I_ном — номинальный ток первичной обмотки; z_к, r_к, Х_к — соответственно полное, активное и реактивное сопротивления к. з.; , — соответственно активная и реактивная составляющие напряжения к. з.

На основании (3.1) может быть построена векторная диаграмма, которая примет вид треугольника напряжений (см. рис. 3.1,б). Такую векторную диаграмму называют треугольником короткого замыкания, а угол _к — углом короткого замыкания. Этот угол зависит от соотношения активного и реактивного сопротивлений к. з.

При опыте к.з. трансформатора для понижения напряжения используют индукционный регулятор, трансформатор и др. В цепь первичной обмотки включают амперметр А, вольтметр V и ваттметр W (рис. 3.3).



Рис. 3.3. Схема опыта к.з. трансформатора

Для большей точности измерения первичной обмоткой является обмотка высшего напряжения (ВН). Так как напряжение к. з. составляет всего несколько процентов от номинального, то для обмотки ВН оно будет представлять собой большую величину и может быть изменено с большей точностью, чем в случае, когда при опыте к.з. первичной обмоткой будет обмотка НН. Так же для большей точности измерения вторичная обмотка должна быть замкнута накоротко шиной с малым сопротивлением. Включение амперметров и других каких-либо приборов в цепь вторичной обмотки недопустимо, так как это снижает точность измерений.

Опыт к. з. позволяет определить напряжение U_K, потери в обмотках трансформатора Р_м и сопротивления к.з. трансформатора z_к, r_к, Х_к.

Напряжение U_к определится показанием вольтметра при номинальном токе трансформатора, потери в обмотках Р_м (потери в меди) — показанием ваттметра. При опыте к.з. полезная мощность трансформатора равна нулю, а потери в стали ничтожно малы, так как мал магнитный поток в сердечнике. Поэтому мощность, потребляемая трансформатором при опыте к. з., расходуется на нагревание проводов обмоток: , где I_ном — номинальный ток первичной обмотки. Сопротивления к. з.: активное r_к = Pк/I²_ном, полное z_к = U_к/I_ном индуктивное

Если опыт к.з. производят при «холодном» (неработающем) трансформаторе, то параметры к. з. надо привести к рабочей температуре 75°С, при изменении которой меняются активное сопротивление и потери в обмотках. Таким образом, приведенные к температуре 75°C активное сопротивление , где Т — температура обмотки при опыте к.з.; мощность потерь в обмотках ; полное сопротивление,

При температуре 75° С напряжение короткого замыкания , его активная и реактивная составляющие:

.

При испытаниях трехфазного трансформатора во всех выражениях должны быть подставлены фазные значения токов, напряжений и мощность для одной фазы.

Соотношение активных и реактивных сопротивлений и составляющих напряжения к.з. зависит от номинальной мощности трансформатора. У трансформаторов малой мощности (до нескольких кВ А) активное сопротивление больше реактивного (r_к > Х_к) и активная составляющая напряжения к. з. больше реактивной составляющей (и_а > и_х). Для трансформаторов больших мощностей (сотни и тысячи кВ А) имеет место обратное соотношение: r_к Х_к и и_а и_х

С увеличением номинальной мощности увеличиваются номинальные токи, а следовательно, и поперечные сечения проводов обмоток. Поэтому активное сопротивление, обратно пропорциональное сечению проводов, уменьшается так же, как и активная составляющая напряжения к. з.. Реактивная составляющая напряжения к.з. увеличивается с увеличением мощности трансформатора. Это объясняется тем, что реактивное сопротивление обмоток трансформатора обусловлено потоками рассеяния, магнитные линии которых замыкаются по немагнитной среде и сцеплены с проводами той обмотки, токами которой они создаются. Чем больше номинальная мощность трансформатора, тем больше поперечное сечение проводов обмоток и объем, занимаемый обмотками. Поэтому увеличиваются как потоки рассеяния, так и реактивная составляющая напряжения к. з. Реактивная составляющая напряжения к. з. зависит также от рабочих напряжений обмоток, повышается с увеличением напряжения. Так, например, для трансформатора с номинальной мощностью 180 кВ А при напряжении первичной я вторичной обмоток 35 и 3,15 кВ реактивная составляющая напряжения к. з. и_х = 3,8%, а при напряжении обмоток 35 и 10,5 кВ — и_х = 6%. У трансформатора номинальной мощности 20000 кВ А при напряжении обмоток 38,5 и 11 кВ и_х = 7,9%, а при напряжении обмоток 121 и 38,5 кВ и_х = 10,4%.

При повышении рабочих напряжений обмоток трансформатора увеличиваются изоляционные промежутки, потоки рассеяния и реактивные сопротивления обмоток.