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5.1 El principio de funcionamiento básico y la estructura del transformador.

5.1.1 El principio básico de funcionamiento del transformador.

El transformador tiene efecto de bloqueo de CC

Si el flujo magnético principal cambia según la ley del seno, es decir, φ(t)=φ.sinot, entonces cada física

El valor efectivo de la cantidad satisface la siguiente relación:


Ignorando la resistencia del devanado y la pérdida del núcleo, las potencias primaria y secundaria se conservan de la siguiente manera:

así tener

 

La relación de vueltas o relación de vueltas del transformador,

 

decir es la capacidad aparente.

Se puede ver que el transformador realiza la conversión de corriente mientras realiza la transformación de voltaje. además,

El transformador también puede realizar la función de transformación de impedancia.

 

La impedancia de carga en el lado secundario es:

 

Si observa el ZI desde el lado primario, su tamaño es:

 

La estructura de un transformador monofásico.

1- Columna central 2- Yugo de hierro 3- - Devanado de alta tensión 4- ~ Devanado de baja tensión

La estructura de un transformador trifásico.

Tomas para devanados de alta tensión de transformadores trifásicos

1-Columna de núcleo de hierro 2-Yugo de hierro

3- devanado de baja tensión 4- - devanado de alta tensión

 

1- Placa de identificación 2- Termómetro 3- Absorbedor de humedad 4- Indicador de nivel de aceite 5- Conservador de aceite 6- Paso de aire de seguridad 7- Relé de gas 8- Tubo de aceite de alta presión

9 tubo de aceite de baja presión 10 - interruptor de grifo 11 - núcleo del tanque de combustible 12 - válvula de drenaje de aceite 13 - batería 14 - placa de tierra 15 - - carro

5.2 Valores nominales del transformador

 

➢ Capacidad nominal o capacidad aparente Sn;

➢Tensión nominal Un

Corriente nominal Iv;

➢Frecuencia nominal fn;

➢Eficiencia nominal ηn ;

 

Tanto la tensión nominal como la corriente nominal se refieren al valor de línea (es decir, tensión de línea o corriente de línea)

Entre los datos nominales existe la siguiente relación:

 

 

 

En la fórmula, m representa el número de fases del transformador;


U1Nφ e I1Nφ representan los valores de fase de tensión nominal y corriente nominal, respectivamente.

Para transformadores monofásicos:

 

Para transformadores trifásicos:

 

5.3 Análisis del funcionamiento sin carga de transformadores

definición:

El estado sin carga del transformador se refiere al estado operativo en el que el devanado primario se aplica con voltaje de CA y el devanado secundario está abierto, es decir, el lado secundario está abierto (es decir, la corriente es cero).

 

5.3.1 Relación electromagnética de transformadores durante la operación sin carga

 

 

Escrito en forma fasorial como:

 

 

En conclusión:

La magnitud del potencial inducido en el devanado es proporcional a la frecuencia, el número de vueltas del devanado y la amplitud del flujo magnético; en fase, el potencial inducido en el devanado del transformador va a la zaga del flujo magnético principal.

Cuando se aplica la tensión nominal al devanado primario, la tensión de circuito abierto del devanado secundario se especifica como la tensión nominal del lado secundario, es decir, de esta forma, la relación de transformación del transformador se puede obtener como:

 

 

5.3.2 Equivalente de parámetros eléctricos del circuito magnético

La idea básica:

El problema del circuito magnético involucrado en el transformador se convierte en un problema de circuito y luego el transformador se calcula de acuerdo con la teoría del circuito unificado.

Para flujo de fuga:

 

Entonces X1δ o L1δ, se puede utilizar para reflejar el circuito magnético de fuga. (como una constante, ¿por qué?)

 

Para flujo principal:

Primero, se introduce el concepto de corriente de onda sinusoidal equivalente, y la corriente sin carga no sinusoidal se reemplaza por la corriente de onda sinusoidal equivalente.

 

 

 

 

(a) Diagrama fasorial              (b) Circuito equivalente           (c) Circuito equivalente

 

para un transformador ideal:

 

 

 

5.3.3 La ecuación de balance de voltaje sin carga, diagrama fasorial y diagrama de circuito equivalente del transformador

 

 

En conclusión:

El factor de potencia del lado primario es menor cuando el transformador funciona sin carga. por lo tanto,

Los transformadores generalmente no permiten la operación sin carga o con carga liviana.

5.4 Análisis del funcionamiento en carga del transformador

Después de cargar el transformador, la corriente en el lado secundario ya no es cero, lo que genera cambios en el proceso electromagnético dentro del núcleo.

 

 

5.4.1 La ecuación de equilibrio del potencial magnético cuando el transformador está bajo carga

 

 

5.4.1 La ecuación de equilibrio del potencial magnético cuando el transformador está bajo carga

 

Sin carga/carga

 

La fórmula anterior puede entenderse como: A medida que aumenta la corriente de carga, el potencial magnético (o corriente) correspondiente debe aumentarse en el lado primario para compensar el potencial magnético del lado secundario, a fin de mantener el flujo magnético o el potencial magnético sin cambios. -carga. Así que hay:

 

 

 

En conclusión:

Después de cargar el transformador, la corriente del lado primario aumenta. Cuanto mayor sea la carga (corriente) requerida en el lado secundario, mayor será la corriente suministrada en el lado primario. Es decir, el transformador puede considerarse como un equilibrio entre la oferta y la demanda.

 

5.4.2 Parámetros eléctricos equivalentes del circuito magnético de fuga secundario después de cargar el transformador

 

 

Se puede utilizar X₂δ o Ḯ₂ para reflejar la situación del circuito magnético de fuga del lado secundario.

5.4.3 Relación electromagnética cuando el transformador está bajo carga

 

 

 

5.5 Ecuaciones básicas, circuitos equivalentes y diagramas fasoriales de transformadores

5.5.1 La ecuación básica del transformador es equivalente a los diversos análisis y parámetros del apartado anterior, y la fase

Ecuaciones básicas de transformadores en forma cuantitativa

 

 

5.5.2 Circuito equivalente para funcionamiento con carga del transformador

 

De acuerdo con las ecuaciones básicas anteriores, se pueden realizar varios análisis y cálculos del transformador, pero los cálculos son relativamente engorrosos. En ingeniería, generalmente se convierte en un circuito equivalente para reemplazar el transformador real.

 

 

Los lados primario y secundario del circuito equivalente son eléctricamente independientes entre sí. Para simplificar el cálculo, el número de vueltas de bobinado en el lado secundario generalmente se incrementa de N a 1, de modo que cada cantidad física en el lado secundario cambie en consecuencia. Este proceso también se llama conversión.

 

El principio de conversión:

Antes y después de la conversión, la relación electromagnética debe mantenerse sin cambios, a saber:

(1) El potencial magnético antes y después de la conversión debe permanecer sin cambios;

(2) La energía eléctrica y la pérdida antes y después de la conversión deben permanecer sin cambios.


(1) Conversión de voltaje (convertir E ₁ igual que E₂)

 

 

(2) Conversión de corriente (para garantizar que el potencial magnético permanezca sin cambios)

 

(3) Conversión de impedancia (para garantizar que la relación de transferencia de energía permanezca sin cambios, incluida la potencia activa y reactiva)

Poder activo    

Poder reactivo

 

 

 

 

5.5.3 El diagrama fasorial cuando el transformador está bajo carga El diagrama fasorial no solo muestra la relación electromagnética del transformador, sino que también puede ver intuitivamente la relación de magnitud y fase de cada cantidad física en el transformador.

Suponiendo que se conocen los parámetros del circuito y se dan el tamaño y la fase de la carga, el diagrama fasorial se puede dibujar de acuerdo con varios pasos.

 

En conclusión:

Después de cargar el transformador, se reduce el ángulo del factor de potencia del lado primario y se mejora el factor de potencia.

5.6 Prueba y medición de los parámetros del circuito equivalente del transformador El circuito equivalente se puede utilizar para analizar el rendimiento operativo del transformador. Primero, se deben conocer los parámetros en el circuito equivalente.

 

Prueba sin carga -> relación de transformación k, impedancia de excitación

 

Prueba de cortocircuito → impedancia de cortocircuito

5.7 Cálculo de las características de funcionamiento en régimen permanente de los transformadores

5.7.1 Características externas y tasa de cambio de voltaje de los transformadores

Definición de características externas (que reflejan la calidad de la fuente de alimentación del transformador a la carga)

La curva de relación entre la tensión terminal del lado secundario del transformador y la corriente de carga del lado secundario en las condiciones de tensión de alimentación nominal y un factor de potencia de carga determinado.

Características externas típicas de los transformadores bajo diversas cargas.

 

Definición de tasa de cambio de voltaje:

Bajo la condición de voltaje nominal de la fuente de alimentación y cierto factor de potencia de carga, el porcentaje de voltaje del terminal del lado secundario cambia de sin carga a carga nominal, a saber:

 

 


 

 

∆u

Factores internos: xᶄ, rᶄ → parámetros estructurales del transformador

Factores externos: cosφ2, β-→carga específica, tamaño de la carga

 

 

Discusión: El transformador es generalmente rᶄ: mucho más pequeño que xᶄ consulte el Ejemplo (5-1)

◆Para carga resistiva pura, cosφ2=1, sinφ2=0, por lo que ∆u es pequeño;

◆Para cargas inductivas,

 cosφ2>0, senφ2>0, entonces ∆u>0,

es decir, con el aumento de la corriente de carga, el voltaje en el lado secundario disminuye mucho;

◆Para carga capacitiva, cosφ2>0, senφ2<0, si |rᶄ cosφ2|<| xᶄ senφ2|,entonces ∆u<0,

indicando que con el aumento de la corriente de carga I2, el voltaje en el lado secundario puede ser

puede subir

La aplicación de carga capacitiva en el voltaje terminal secundario del transformador:

(1) Compensar la potencia reactiva, mejorar el factor de potencia y reducir la pérdida de línea

(2) Aumente el voltaje de la red eléctrica de la fábrica para resolver el problema de la carga pesada de la fábrica y la caída del voltaje de la red eléctrica

5.7.2 Características de eficiencia de los transformadores.

La eficiencia de un transformador se define como:

 

 

Factores influyentes de η

Factores internos: parámetros estructurales del transformador, como parámetros de excitación y cortocircuito.

Factores externos: cosφ2, β naturaleza de la carga, tamaño de la carga

 

La característica de eficiencia se define como:

Bajo la condición de voltaje nominal y un cierto factor de potencia de carga,

η= f(I2)

(o η = f(β) ).

La eficiencia nominal del transformador es generalmente mayor

La mayoría de ellos están por encima del 95% y los grandes transformadores pueden alcanzar el 99%. El motor de CA tiene una parte giratoria, la eficiencia más baja.

 

 

Resolver para la eficiencia máxima del transformador:

 

 

5.8 Problemas especiales de transformadores trifásicos

Los capítulos anteriores tomaron como ejemplo un transformador monofásico para estudiar las ecuaciones básicas, los circuitos equivalentes y los métodos de cálculo del rendimiento del transformador, que también son aplicables a los transformadores trifásicos.

Los transformadores trifásicos también tienen sus propios problemas especiales:

➢Método de conexión

➢Estructura del circuito magnético

 

5.8.1 Método de conexión y grupo de conexión del transformador trifásico

(1) Método de conexión

 

(a) conexión estelar                           (b) conexión delta

Regulación:

Las letras mayúsculas (A, B, C, N) representan el cuadrado original;

letras minúsculas (x, y, z,n) en nombre del pagador;

 

(2) Grupos de enlace

En los transformadores trifásicos se suelen utilizar grupos para representar la diferencia de fase entre las tensiones primaria y secundaria del transformador trifásico: θ=(EABEab), que es un múltiplo de 30°, exactamente entre las horas del reloj Por lo tanto, la relación de fase entre los potenciales de alambre de devanado de alto y bajo voltaje del transformador trifásico generalmente se expresa mediante "notación de reloj", es decir, el número de grupo.

Cómo determinar el grupo:

Use el potencial EAB de la línea del lado alto como una manecilla larga, apuntando al potencial de la línea del lado bajo "12" en la esfera del reloj.

Eab es una aguja corta, y el número al que apunta es el número del grupo de conexión del transformador trifásico.

 

 

A. Grupo de conexión de transformador monofásico

El concepto del mismo nombre:

Cuando el mismo núcleo de hierro se enrolla con dos bobinas, para reflejar las dos bobinas en el mismo núcleo de hierro

La relación de dirección de bobinado entre las bobinas suele introducir el concepto de "extremo del mismo nombre".

El lado del mismo nombre dice:

Dos bobinas en el mismo núcleo están unidas por el mismo flujo magnético. Cuando el flujo magnético es alterno, si el potencial instantáneo inducido por un extremo de una bobina es positivo en relación con el otro extremo de la misma bobina, las dos terminales que son ambas positivas son Terminal del mismo nombre, que se representa por " *",

 

 

       (a) Serpenteando en la misma dirección                          (b) Bobinado en la dirección opuesta

 

Para transformadores monofásicos, el extremo de cabeza del devanado de alta tensión está marcado con A y el extremo de cola está marcado con X; el extremo de cabeza del devanado de bajo voltaje está marcado con una y el extremo de cola está marcado con una X.

Regulación:

La dirección positiva del potencial es desde el extremo de la cabeza hasta el extremo de la cola.

En el transformador se puede utilizar como cabecera el extremo con el mismo nombre, o como cabecera el extremo con el mismo nombre. Las figuras a y b a continuación muestran la relación de fase entre los potenciales primario y secundario en estos dos casos, respectivamente.

 

 

(a) El extremo con el mismo nombre está marcado como cabecera.                (b) El extremo con el mismo nombre está marcado como extremo de cabecera

 

Si se adopta el método de identificación en el que se marca el extremo con el mismo nombre como cabecera (ver Figura a), el grupo de transformadores monofásicos es I, i0; para yo, i6.

B. Grupo de conexión de transformador trifásico

A través de la relación de fase entre los potenciales primario y secundario del transformador monofásico (o los potenciales de fase primario y secundario del transformador trifásico), la relación de fase entre los potenciales primario y secundario del transformador trifásico puede ser aún mayor. determinado, es decir, el grupo de conexión.

(1) Transformador trifásico conexión Y/Y

 

 

(2) Transformador trifásico conexión Y/△

 

 

 

Pasos generales para determinar el grupo transformador trifásico:

(1) Dibuje el diagrama fasorial potencial del devanado lateral de alto voltaje;

(2) Haga coincidir el punto ay el punto A, y dibuje el potencial de fase del eje del devanado de bajo voltaje de acuerdo con la relación de fase entre los devanados de alto y bajo voltaje en la misma columna central.

(3) De acuerdo con el método de cableado del devanado de bajo voltaje, dibuje el diagrama fasorial potencial de las otras dos fases del devanado de bajo voltaje;

(4) Determine EB y E a partir de los diagramas fasoriales de potencial de los devanados de alta y baja tensión. Entre

Se obtiene la relación de fase del transformador trifásico y se obtiene el número de grupo de conexión del transformador trifásico.

Y/Y,△/△ un grupo par

Y/△,Y/△ una matriz impar

Hay cinco grupos de unión estándar de uso común:

Y, yn0, Y, d11, YN, d11, YN, y0, Y, y0, los tres primeros son los más utilizados.

5.8.2 Estructura del circuito magnético del transformador trifásico

 

Las características de los transformadores de grupo trifásicos: los circuitos magnéticos de cada fase son independientes entre sí.

 

Las características del transformador de núcleo trifásico: los circuitos magnéticos de cada fase están relacionados entre sí.

 

5.8.3 Coincidencia correcta de la conexión del devanado y la estructura del circuito magnético del transformador trifásico

 

El flujo de onda sinusoidal corresponde a la corriente de onda pico La corriente de onda sinusoidal corresponde al flujo de onda superior plana

En conclusión:

Para garantizar que la forma de onda del potencial de fase sea sinusoidal, el flujo magnético principal de cada fase debe cambiar de acuerdo con la ley sinusoidal. En este momento, se requiere que la corriente de excitación sea de onda pico, es decir, se debe asegurar el camino de la corriente del tercer armónico en la conexión del circuito. (¿por qué? )

 

 

Flujo de onda de cima plana - (derivación) - el potencial de la onda pico, si el pico es demasiado grande, puede romper el aislamiento del devanado.

 

Teniendo en cuenta que los circuitos magnéticos de cada fase del transformador de grupo son independientes entre sí, no están relacionados entre sí. El flujo magnético del tercer armónico contenido en el flujo magnético principal es el mismo que el flujo magnético de onda fundamental y circula en el circuito magnético principal de cada transformador de fase, lo que induce un potencial de tercer armónico de mayor amplitud en los devanados primario y secundario, lo que resulta en La forma de onda del potencial de fase es una onda de punta afilada (obtenida por la derivación del flujo magnético de la onda de punta plana). El pico del potencial de fase de onda pico puede romper el aislamiento del devanado.

Teniendo en cuenta que los circuitos magnéticos de cada fase del transformador central están relacionados entre sí, la fase del flujo magnético del tercer armónico en el flujo magnético principal de la onda superior plana trifásica es la misma y es imposible circular en el circuito magnético del núcleo de hierro principal. Se forma un circuito magnético cerrado, lo que hace que el potencial del tercer armónico inducido por el flujo magnético del tercer armónico en los devanados primario y secundario sea pequeño, y la forma de onda del potencial de fase aún se acerque a una onda sinusoidal.

 

 

En conclusión:

 

(1) El devanado trifásico del transformador de estructura de grupo trifásico no se puede conectar por Y/Y; .

(2) El devanado trifásico del transformador con estructura de núcleo trifásico se puede conectar en Y/Y, pero la capacidad no debe ser demasiado grande.

Un lado del devanado está conectado en un delta, y la corriente del tercer armónico tiene un camino. Por lo tanto, no importa si el circuito magnético es del tipo de grupo o del tipo de núcleo, los devanados trifásicos se pueden conectar mediante △/Y.

Un lado del devanado está conectado en Y, y la corriente del tercer armónico no puede fluir en él, pero el flujo magnético del tercer armónico generado por la corriente de onda sinusoidal inducirá la corriente del tercer armónico en el devanado secundario (conexión delta) (consulte la figura abajo). ), también puede garantizar que la forma de onda del flujo magnético principal sea casi sinusoidal, por lo que el potencial de fase inducida también es sinusoidal. Se puede ver que el efecto de la conexión triangular en el mismo lado primario es similar.

 

 

En conclusión:

Para devanados trifásicos conectados 0/Y (o Y/0), se puede utilizar para transformadores trifásicos de estructura de grupo o transformadores trifásicos de estructura de grupo.

En conclusión:

Para garantizar que el potencial de fase sea sinusoidal, es mejor utilizar una conexión delta en un lado del transformador trifásico.

5.9 Transformadores especiales en sistemas de arrastre eléctrico

5.9.1 Autotransformadores

 

(a) Diagrama esquemático de la estructura                           (b) Diagrama de cableado de bobinado

 

Características: Hay un devanado común entre los devanados laterales primario y secundario, lo que conduce no solo al acoplamiento magnético sino también a la conexión eléctrica entre los devanados laterales primario y secundario.

 

 

 

En conclusión:

La capacidad del autotransformador se compone de dos partes:

(1) Potencia electromagnética U2nIl2: es la potencia transmitida a la carga a través del acoplamiento electromagnético entre el devanado Aa y el devanado común ax;

(2) Potencia conducida U2nI1N: es la potencia eléctrica transmitida directamente a la carga a través del eje del devanado común.

 

➢Capacidad electromagnética< capacidad nominal

Tamaño pequeño, bajo consumo de hierro y cobre, alta eficiencia

➢Proporción pequeña

La corriente de la parte común es más pequeña que la clasificación del lado secundario

La brecha no es obvia, la economía se reduce.

➢Existe una conexión eléctrica directa, es necesario reforzar el aislamiento interno y la protección contra sobretensiones.

 

5.9.2 Transformador

Transformador de tensión: medición de alta tensión con medidor de baja tensión

 


Precauciones:

Un extremo del lado secundario debe estar conectado a tierra; (para garantizar la seguridad y evitar que la acumulación de carga estática afecte la lectura)

El lado secundario no debe cortocircuitarse, de lo contrario, el transformador de voltaje se quemará. (Puede aumentar la corriente si se puede reducir)


Transformador de corriente 1: mida una gran corriente con un amperímetro bajo

 


Precauciones:

➢ Un extremo del lado secundario debe estar conectado a tierra; (para garantizar la seguridad y evitar que la acumulación de carga estática afecte la lectura)

➢ El lado secundario no se puede abrir, de lo contrario, se inducirá un pico de voltaje más alto en el lado secundario debido a la gran cantidad de vueltas en el lado secundario, y se romperá el aislamiento del devanado del transformador. (El voltaje se puede aumentar si la corriente se puede reducir)

 

 

 

 


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