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: 3 из 8

3.2. Коэффициент полезного действия трансформатора

В соответствии с законом сохранения энергии потребляемая трансформатором мощность Р₁ больше мощности, отданной им в нагрузку Р₂, так как при работе трансформатора (так же, как. и любого преобразователя энергии) часть преобразуемой им электрической энергии неизбежно теряется. При работе трансформатора на какую-либо нагрузку из питающей сети помимо полезной мощности Р₂ потребляется мощность, идущая на покрытие потерь в стали магнитопровода Р_с и в проводах обмоток (потери в меди) Р_м. Потери в стали магнитопровода на гистерезис и на вихревые токи зависят от частоты тока питающей сети и от магнитной индукции. Так как при работе трансформатора частота тока сети и амплитуда магнитной индукции неизменны (при условии постоянства приложенного напряжения), то потери в стали постоянны, не зависят от нагрузки трансформатора и равны потерям х.х.: Р_с = Р₀. Эти потери определяются из опыта х. х. трансформатора.

Коэффициент полезного действия трансформатора представляет собой отношение полезной мощности, отдаваемой трансформатором в нагрузку, к мощности, потребляемой им из первичной сети: η = P₂/P₁, или η = Р₂100%/P₁. Практически к. п. д. трансформаторов очень высок. Так, для трансформаторов малых мощностей (до 1000 В А) η = 85 95%, для трансформаторов больших мощностей η = 95 99,5%.

При любой величине и характере нагрузки трансформатора его полезная мощность

,

где коэффициент нагрузки трансформатора ( — ток первичной обмотки при выбранной нагрузке; — номинальный ток первичной обмотки); Р_2ном — номинальная мощность трансформатора.

Подведенная мощность определяется как сумма полезной мощности трансформатора и мощности потерь: Потери в меди Р_м зависят от тока (от нагрузки) и являются потерями переменными.

Эти потери пропорциональны квадрату тока, т. е. , где Р_м.ном – потери в меди при номинальном токе.

В зависимости от коэффициента нагрузки к. п. д. трансформатора

(3.2)

Однако при определении к. п. д. удобнее пользоваться несколько видоизмененным выражением:



.





Рис. 3.4. Зависимость к. п. д. и потерь трансформатора от коэффициента нагрузки

На рис. 3.4 построены зависимости η, Р₀ и Р_м от коэффициента нагрузки , откуда видно, что зависимость η = f( ) имеет максимум. Коэффициент нагрузки, соответствующий наибольшему значению к. п. д. , определится согласно общему правилу об экстремумах функции. Продифференцировав зависимость η = f( ) и приравняв производную нулю, получим

,

откуда

(3.3)

Следовательно, наибольший к. п. д. будет при такой нагрузке, при которой постоянные потери равны потерям переменным (Р₀ = Р_м). Потери постоянные — это потери в стали, зависящие от квадрата магнитной индукции (Р₀ В²). Потери переменные — это потери в меди обмоток трансформатора, зависящие от квадрата плотности тока (P_м j²). Выбирая различные значения электромагнитных нагрузок трансформатора (j и В), можно изменять соотношение потерь постоянных к переменных. При этом будет меняться и коэффициент нагрузки , соответствующий наибольшему значению к. п. д.

Если трансформатор имеет номинальную нагрузку в течение всего времени работы, то желательно получить наибольший к. п. д. при номинальном токе ( = 1), что является обычным в трансформаторах малой мощности. Если же трансформатор работает в режимах частых и значительных недогрузок, то желательно получить наибольший к. п. д. при нагрузках трансформатора меньше номинальных ( < 1). В этом случае желательно иметь наибольший к. п. д. при такой нагрузке, на которую большую часть времени работает трансформатор. Так, например, силовые трансформаторы имеют наибольший к. п. д. при = 0,5 0,6, поэтому при номинальной нагрузке они согласно стандарту имеют соотношение потерь: = 1 (0,5 0,6)² З 4.

Потери в стали определяются из опыта х. х., потери в обмотках — из опыта к. з. Номинальная мощность трансформатора указана на его щитке, в паспорте и каталоге. Задаваясь значениями и , можно вычислить к. п. д. трансформатора при любой нагрузке, не подвергая его непосредственным испытаниям.

3.3. Нагревание и охлаждение трансформаторов

При работе трансформаторов часть преобразуемой ими энергии теряется, поэтому полезная мощность меньше мощности потребляемой. Потеря энергии происходит как в магнитопроводе трансформатора, так и в его обмотках. Обмотки трансформатора нагреваются протекающими по ним токами. Потеря энергии в обмотках трансформатора Р_м пропорциональна квадрату плотности тока jи массе обмоточного провода G_м(P_м j²G_м). В магнитопроводе трансформатора возникают потери энергии за счет перемагничивания стали и вихревых токов. Потери в стали зависят от часто­ты, магнитной индукции, магнитных свойств материала и толщины стальных листов, из которых собран магнитопровод. Эти потери Р_с пропорциональны массе магнитопровода G_c и квадрату максимальной магнитной индукции В_тах в магнитопроводе (Р_с B²_maxG_c). Нельзя безгранично увеличивать электромагнитные нагрузки трансформатора: магнитную индукцию (так как при превышении известной меры намагничивающий ток может оказаться чрезмерно большим) и плотность тока (так как падение напряжения в сопротивлении обмоток при этом возрастает, понижая вторичное напряжение трансформатора при нагрузке). В еще большей мере электромагнитные нагрузки ограничены допустимыми потерями энергии в активных материалах трансформатора, т. е. в стали магнитопровода и в проводах обмоток. При увеличении магнитной индукции растут потери в стали, а при увеличении плотности тока — потери в проводах обмоток. Потери энергии, выделяющиеся в трансформаторе при его работе, превращаются в тепло и нагревают его. Это тепло излучается от поверхности трансформатора в окружающую среду. Охлаждаются нагретые части трансформатора за счет теплоизлучения, теплопроводности и конвекции. Тепло в окружающую среду отводится главным образом со свободных частей трансформатора (наружная цилиндрическая поверхность обмотки и поверхность ярма). Для увеличения поверхности охлаждения делают вентиляционные каналы как в магнитопроводе, так и в обмотках. Внутренние части магнитопровода и обмоток отдают свое тепло поверхностным частям благодаря теплопроводности. Количество тепла, излучаемого в окружающую среду, зависит как от поверхности охлаждения, так и от разности температур нагретых частей трансформатора и окружающей среды. Повышение температуры трансформатора сначала происходит быстро (рис. 3.5, а), так как мала разность температур трансформатора и окружающей среды.



Рис. 3.5. Изменение температуры трансформатора

Следовательно, количество тепла, излучаемого в окружающую среду, также мало и потеря энергии в трансформаторе расходуется в основном на его нагрев. По мере повышения температуры трансформатора увеличивается количество тепла, излучаемого' в окружающую среду и дальнейший нагрев трансформатора происходит медленнее. Температура повышается до определенного установившегося значения Т_уст, при котором количество тепла, выделяющегося в трансформаторе, полностью излучается в окружающую среду.

Если трансформатор после его работы на некоторое время отключить, то нагретые части начнут охлаждаться. Когда разность температур трансформатора и окружающей среды достаточно, велика, охлаждение трансформатора происходит быстро (рис. 3.5,б). По мере понижения температуры трансформатора разность температур его и окружающей среды уменьшается и процесс охлаждения замедляется.

Если при работе трансформатора в любой его точке произойдет нагрев до температуры, выше допустимой для материала, из которого он изготовлен, то трансформатор может выйти из строя. Таким образом электромагнитные нагрузки ограничиваются тем материалом, который наиболее чувствителен к нагреву.

Применяемые в трансформаторах изоляционные материалы по- разному реагируют на повышение температуры. Раньше других выходит из строя бумажная изоляция, наименее нагревостойкая из широко используемых в трансформаторостроении изоляционных материалов.

Трансформатор представляет собой неоднородное тело, и поэтому отдельные его части нагреваются в различной мере. Необходимо, чтобы температура наиболее нагретых частей не превышала допустимой. Нагрев трансформатора зависит от потерь энергии и от интенсивности охлаждения. Чем интенсивнее охлаждение трансформатора, тем больше будут допустимые потери энергии. Для трансформаторов различных мощностей условия охлаждения различны: чем больше номинальная мощность трансформатора, тем сложнее осуществить его охлаждение. Так, например, для трансформаторов малых мощностей (десятки или сотни вольтампер) естественное воздушное охлаждение оказывается достаточным, для трансформаторов больших мощностей (десятки, сотни, тысячи и т. д. киловольтампер) применяют специальные меры для повышения интенсивности охлаждения (масляное охлаждение, вентиляционные каналы, обдув бака и др.). Это объясняется следующим: с повышением номинальной мощности трансформатора увеличиваются его линейные размеры. Если для трансформаторов различных номинальных мощностей использовать одинаковые активные материалы (сталь магнитопровода и обмоточный провод) и допустить одинаковые электромагнитные нагрузки (магнитную индукцию и плотность тока), то потери энергии в трансформаторе будут пропорциональны массе активного материала G или его объему V Р G, т. е. третьей степени линейного размера l(V . Поверхность охлаждения S_oxл, т. е. l². Таким образом, с увеличением номинальной мощности трансформатора (с увеличением его размеров) потери энергии в нем увеличиваются в большей мере, чем поверхность охлаждения, т. е. количество тепла, выделяющегося в трансформаторе, увеличивается больше, чем количество тепла, излучаемого в окружающую среду. Чтобы избежать перегрева трансформаторов при увеличении их мощности, повышают интен­сивность их охлаждения.

В сухих трансформаторах наружные нагретые поверхности обмоток н магнитопровода отдают тепло омывающему их воздуху путем конвекции и излучения. В масляных трансформаторах тепловая энергия передается в окружающую среду через трансформаторное масло, заливаемое в бак с помещенным туда трансформаторам. Масло, омывающее магнитопровод и обмотки трансформатора, путем конвекции отводит выделяющееся в них тепло и отдает его стенкам бака. Частицы масла, уровень которого значительно выше верхнего уровня магнитопровода (рис. 3.6), соприкасаются с горячими наружными поверхностями обмоток и магнитопровода и нагреваются.





Рис. 3.6. Схема охлаждения масляного трансформатора

Нагретые частицы масла устремляются вверх и отдают свое тепло в окружающую среду через стенки и крышку бака. Охлажденные частицы масла движутся вниз, уступая место более нагретым. Внешняя поверхность стенок и крышки бака, омываемые воздухом, отдают тепло в окружающую среду путем конвекции и излучения. В некоторых случаях для повышения интенсивности теплопередачи применяют искусственную усиленную циркуляцию масла (или воздуха) с помощью насосов (или вентиляторов).

Трансформаторное масло — не только хорошая охлаждающая среда, но и хороший изоляционный материал, обеспечивающий высокую электрическую прочность трансформатора при сравнительно малых изоляционных промежутках. Это свойство трансформаторного масла позволяет создавать компактные конструкции обмоток и магнитопровода, а масляное охлаждение дает возможность применять сравнительно высокие электромагнитные нагрузки активных материалов и производить трансформаторы с относительно малым расходом этих материалов. Масляное охлаждение наиболее широко используют в силовых трансформаторах.

Трансформаторное масло в процессе эксплуатации загрязняется, увлажняется и ухудшает свои диэлектрические свойства, поэтому необходима его периодическая очистка, сушка и замена. Еще оно является горючим материалом, требующим установки в масляных трансформаторах специальных мер пожарной безопасности. Когда по соображениям пожарной опасности применение масляных трансформаторов недопустимо, используют трансформаторы сухие или с негорючими наполнителями (совол, совтол, пиранол, кварцевый кристаллический песок). Сухие трансформаторы имеют защитные кожухи с отверстиями, закрытыми сетками. Применение в качестве изоляции обмоток стекловолокна или асбеста дает возможность значительно повысить рабочую температуру обмоток и получить практически пожаробезопасную установку. Это свойство сухих трансформаторов позволяет устанавливать их внутри сухих помещений в тех случаях, когда обеспечение пожарной безопасности установки является решающим фактором. Так как в сухих трансформаторах охлаждающая среда — воздух, который возобновляется непрерывно, то исключаются старение масла и необходимость его периодической чистки и замены. Однако воздух — менее совершенная изолирующая и охлаждающая среда, чем транс­форматорное масло. Поэтому в сухих трансформаторах все изоляционные промежутки и вентиляционные каналы делают большими, чем в масляных. Электромагнитные нагрузки активных материалов в сухих трансформаторах приходится уменьшать по сравнению с электромагнитными нагрузками масляных трансформаторов, это увеличивает сечения проводов обмоток и магнитопровода, а следовательно, массу и стоимость активных материалов у сухих трансформаторов больше, чем у масляных.

Так как обмотки сухих трансформаторов непосредственно сопри­касаются с воздухом и увлажняются, сухие трансформаторы устанавливают только в сухих закрытых помещениях. Для уменьшения гидроскопичности обмотки пропитывают специальными лаками. Применение новых нагревостойких и негорючих изоляционных материалов, обладающих высокой теплопроводностью, дает возможность увеличить электромагнитные нагрузки и уменьшить стоимость активных материалов. В тепловом отношении трансформатор представляет собой неоднородное тело. Стальные листы магнитопровода обладают высокой теплопроводностью, а изоляционные прослойки между листами стали — малой. Обмотки также состоят из меди или алюминия с высокой теплопроводностью и изоляционного материала, плохо проводящего тепло. При работе трансформатора нагретые внутренние части магнитопровода и обмоток отдают тепло наружным поверхностям, от которых тепло отводится маслом или воздухом. Между нагретыми частями трансформатора и маслом (воздухом) устанавливается определенная разность температур, неодинаковая для различных точек по высоте.

При небольших мощностях (до 25 кВ А) не требуется особых охлаждающих устройств, поэтому трансформаторы помещают в гладкие баки, через стенки которых происходит теплоотдача. В более мощных масляных трансформаторах для увеличения охлаждающей поверхности широко применяют трубчатые баки (рис. 12.18,а). Стальные трубы диаметром 30>60 мм располагают вертикально, параллельно стенке бака. Концы труб изгибают и вваривают в верхнюю и нижнюю части стенки. Для увеличения поверхности охлаждения трубы на стенках бака располагают в два ряда. Применяют трубчатые баки, у которых трубы расположены в три и четыре ряда, а также баки с трубами овального сечения. В трансформаторах большой мощности (>1800 кВ А) трубы объединяют группами в отдельные охладители — радиаторы (рис. 3.7,б).



Рис 3.7 Трансформатор с трубчатым (а) и радиальным (б) баком

На гидроэлектростанциях, где имеется достаточное количество проточной воды, устанавливают трансформаторы с искусственным водомасляным охлаждением, в которых нагретое масло при помощи насоса пропускают через водяной маслоохладитель. В трансформаторах большой мощности для усиления процесса теплопередачи применяют обдувание каждого радиатора отдельными вентиляторами, а иногда — искусственное воздушно-масляное охлаждение, при котором нагретое масло при помощи насоса пропускается через вынесенный охладитель, обдуваемый воздухом.

В процессе работы трансформатора изменяется его температура, что приводит к изменению уровня масла. У трансформаторов мощностью до 75 кВ А допускаются колебания уровня масла внутри бака, у трансформаторов больших мощностей и высоких напряжений баки снабжают расширителями — цилиндрический сосуд из листовой стали, устанавливаемый под крышкой бака и соединяющийся с баком патрубком. Колебания уровня масла вследствие изменения температуры происходят лишь в расширителе. Применение расширителя уменьшает поверхность соприкосновения масла с воздухом, который вредно действует на масло, увлажняя и окисляя его. Влага и грязь, попадающие в расширитель из воздуха, собираются в нижней его части (в отстойнике) и удаляются через пробку.