O lucrare care explică modelarea și analiza caracteristicilor transformatoarelor

5.1 Principiul de funcționare de bază și structura transformatorului

5.1.1 Principiul de bază al funcționării transformatorului

Transformatorul are efect de blocare a curentului continuu

Dacă fluxul magnetic principal se modifică conform legii sinusoidale, adică φ(t) = φ·sinot, atunci fiecare componentă fizică

Valoarea efectivă a mărimii satisface următoarea relație:

Ignorând rezistența înfășurării și pierderile în miez, puterile primare și secundare se conservă, după cum urmează:

astfel au

Raportul de transformare sau raportul de transformare al transformatorului,

să zicem că este capacitatea aparentă.

Se poate observa că transformatorul realizează conversia curentului în timp ce realizează transformarea tensiunii. De asemenea,

Transformatorul poate realiza, de asemenea, funcția de transformare a impedanței.

Impedanța de sarcină pe partea secundară este:

Dacă te uiți la ZI din partea principală, dimensiunea sa este:

Structura unui transformator monofazat

1- Coloană cu miez 2- Jug de fier 3- Înfășurare de înaltă tensiune 4- Înfășurare de joasă tensiune

Structura unui transformator trifazat

Prize pentru înfășurările de înaltă tensiune ale transformatoarelor trifazate

1-Coloană cu miez de fier 2-Jug de fier

3- înfășurare de joasă tensiune 4- înfășurare de înaltă tensiune

1- Plăcuță de identificare 2- Termometru 3- Absorbant de umiditate 4- Indicator nivel ulei 5- Conservator ulei 6- Pasaj de siguranță pentru aer 7- Releu de gaz 8- Conductă de ulei de înaltă presiune

9 conductă de ulei de joasă presiune 10 - comutator robinet 11 - miez rezervor combustibil 12 - supapă de golire ulei 13 - bobină 14 - placă de masă 15 - - cărucior

5.2 Valori nominale ale transformatoarelor

➢ Capacitatea nominală sau capacitatea aparentă Sn;

➢Tensiune nominală Un

Curent nominal Iv;

➢Frecvența nominală fn;

➢Randamentul nominal ηn ;

Atât tensiunea nominală, cât și curentul nominal se referă la valoarea liniei (adică tensiunea liniei sau curentul liniei)

Între datele evaluate există următoarea relație:

În formulă, m reprezintă numărul de faze ale transformatorului;

U1Nφ și I1Nφ reprezintă valorile de fază ale tensiunii nominale, respectiv curentului nominal.

Pentru transformatoare monofazate:

Pentru transformatoare trifazate:

5.3 Analiza funcționării transformatoarelor în gol

definiţie:

Starea de funcționare a transformatorului în gol se referă la starea în care înfășurarea primară este supusă tensiunii alternative, iar înfășurarea secundară este deschisă, adică partea secundară este deschisă (adică curentul este zero).

5.3.1 Relația electromagnetică a transformatoarelor în timpul funcționării în gol

Scris sub formă de fazoriu ca:

În concluzie:

Mărimea potențialului indus în înfășurare este proporțională cu frecvența, numărul de spire ale înfășurării și amplitudinea fluxului magnetic; în fază, potențialul indus în înfășurarea transformatorului este în urma fluxului magnetic principal.

Când tensiunea nominală este aplicată înfășurării primare, tensiunea în circuit deschis a înfășurării secundare este specificată ca tensiunea nominală a părții secundare, și anume, în acest fel, raportul de transformare al transformatorului poate fi obținut ca:

5.3.2 Echivalentul parametrilor electrici ai circuitului magnetic

Ideea de bază:

Problema circuitului magnetic implicată în transformator este convertită într-o problemă de circuit, iar apoi transformatorul este calculat conform teoriei circuitelor unificate.

Pentru fluxul de scurgere:

Atunci X1δ sau L1δ pot fi folosite pentru a reflecta circuitul magnetic de scurgere (ca o constantă, de ce?).

Pentru fluxul principal:

Mai întâi, este introdus conceptul de curent sinusoidal echivalent, iar curentul fără sarcină nesinusoidal este înlocuit cu curentul sinusoidal echivalent.

(a) Diagramă fazorială (b) Circuit echivalent (c) Circuit echivalent

pentru un transformator ideal:

5.3.3 Ecuația de echilibru a tensiunii în gol, diagrama fazorială și schema circuitului echivalent al transformatorului

În concluzie:

Factorul de putere al primarului este mai mic atunci când transformatorul funcționează fără sarcină. Prin urmare,

Transformatoarele, în general, nu permit funcționarea în gol sau cu sarcină ușoară.

5.4 Analiza funcționării transformatorului la sarcină

După ce transformatorul este încărcat, curentul pe partea secundară nu mai este zero, ceea ce duce la modificări ale procesului electromagnetic din interiorul miezului.

5.4.1 Ecuația de echilibru a potențialului magnetic atunci când transformatorul este sub sarcină

5.4.1 Ecuația de echilibru a potențialului magnetic atunci când transformatorul este sub sarcină

Fără sarcină/încărcare

Formula de mai sus poate fi înțeleasă astfel: Pe măsură ce curentul de sarcină crește, potențialul magnetic (sau curentul) corespunzător trebuie crescut pe partea primară pentru a compensa potențialul magnetic al părții secundare, astfel încât fluxul magnetic sau potențialul magnetic să se mențină neschimbat în gol. Prin urmare, există:

În concluzie:

După ce transformatorul este încărcat, curentul din primar crește. Cu cât sarcina (curentul) necesar pe partea secundară este mai mare, cu atât curentul furnizat pe partea primară este mai mare. Adică, transformatorul poate fi considerat un echilibru între cerere și ofertă.

5.4.2 Parametrii electrici echivalenți ai circuitului magnetic de scurgere secundară după încărcarea transformatorului

X₂δ sau Ḯ₂ pot fi utilizați pentru a reflecta situația circuitului magnetic de scurgere pe partea secundară.

5.4.3 Relația electromagnetică atunci când transformatorul este sub sarcină

5.5 Ecuații de bază, circuite echivalente și diagrame fazoriale ale transformatoarelor

5.5.1 Ecuația de bază a transformatorului este echivalentă cu diversele analize și parametri din secțiunea anterioară, iar ecuația de fază

Ecuațiile de bază ale transformatoarelor în formă cantitativă

5.5.2 Circuit echivalent pentru funcționarea la sarcină a transformatorului

Conform ecuațiilor de bază anterioare, se pot efectua diverse analize și calcule ale transformatorului, însă calculele sunt relativ greoaie. În inginerie, acesta este, în general, convertit într-un circuit echivalent pentru a înlocui transformatorul propriu-zis.

Părțile primare și secundare ale circuitului echivalent sunt independente electric una de cealaltă. Pentru a simplifica calculul, numărul de spire ale înfășurării pe partea secundară este de obicei crescut de la N la 1, astfel încât fiecare mărime fizică de pe partea secundară se va modifica în mod corespunzător. Acest proces se numește și conversie.

Principiul conversiei:

Înainte și după conversie, relația electromagnetică trebuie menținută neschimbată, și anume:

(1) Potențialul magnetic înainte și după conversie trebuie să rămână neschimbat;

(2) Puterea electrică și pierderile înainte și după conversie ar trebui să rămână neschimbate.

(1) Conversie de tensiune (convertiți E₁ la fel ca E₂)

(2) Conversia curentului (pentru a asigura că potențialul magnetic rămâne neschimbat)

(3) Conversia impedanței (pentru a asigura neschimbarea relației de transfer de energie, inclusiv a puterii active și reactive)

Putere activă

Putere reactivă

5.5.3 Diagrama fazorială când transformatorul este sub sarcină Diagrama fazorială nu numai că arată relația electromagnetică a transformatorului, dar permite și vizualizarea intuitivă a magnitudinii și a relației de fază a fiecărei mărimi fizice din transformator.

Presupunând că parametrii circuitului sunt cunoscuți și că sunt date dimensiunea și faza sarcinii, diagrama fazorială poate fi desenată conform mai multor etape.

În concluzie:

După ce transformatorul este încărcat, unghiul factorului de putere al părții primare este redus, iar factorul de putere este îmbunătățit.

5.6 Testarea și măsurarea parametrilor circuitului echivalent al transformatorului Circuitul echivalent poate fi utilizat pentru a analiza performanța de funcționare a transformatorului. În primul rând, parametrii din circuitul echivalent trebuie cunoscuți.

Test fără sarcină -> raport de transformare k, impedanță de excitație

Test de scurtcircuit → impedanță de scurtcircuit

5.7 Calculul caracteristicilor de funcționare în regim staționar ale transformatoarelor

5.7.1 Caracteristicile externe și rata de variație a tensiunii transformatoarelor

Definirea caracteristicilor externe (care reflectă calitatea alimentării cu energie a transformatorului către sarcină)

Curba relației dintre tensiunea la bornele secundare a transformatorului și curentul de sarcină al secundarului în condițiile tensiunii nominale de alimentare și a unui anumit factor de putere la sarcină.

Caracteristicile externe tipice ale transformatoarelor sub diferite sarcini

Definiția ratei de variație a tensiunii:

În condițiile tensiunii nominale de alimentare și a unui anumit factor de putere a sarcinii, procentul tensiunii la bornele secundare se modifică de la zero la sarcină nominală, și anume:

∆u

Factori interni: xᶄ, rᶄ → parametrii structurali ai transformatorului

Factori externi: cosφ2, β-→specific sarcinii, dimensiunea sarcinii

Discuție: Transformatorul este în general rᶄ: mult mai mic decât xᶄ, vă rugăm să consultați Exemplul (5-1)

◆Pentru sarcină rezistivă pură, cosφ2=1, sinφ2=0, deci ∆u este mic;

◆Pentru sarcini inductive,

cosφ²>0, sinφ²>0, deci ∆u>0,

adică, odată cu creșterea curentului de sarcină, tensiunea pe partea secundară scade foarte mult;

◆Pentru sarcină capacitivă, cosφ2>0, sinφ2<0, dacă |rᶄ cosφ2|<| xᶄ sinφ2|,Atunci ∆u<0,

indicând că odată cu creșterea curentului de sarcină I2, tensiunea pe partea secundară poate fi

se poate ridica.

Aplicarea sarcinii capacitive asupra tensiunii la bornele secundare ale transformatorului:

(1) Compensarea puterii reactive, îmbunătățirea factorului de putere și reducerea pierderilor de linie

(2) Creșterea tensiunii rețelei electrice a fabricii pentru a rezolva problema sarcinii mari din fabrică și a căderii de tensiune din rețeaua electrică

5.7.2 Caracteristicile de randament ale transformatoarelor.

Randamentul unui transformator este definit ca:

Factorii care influențează η

Factori interni: parametrii structurali ai transformatorului, cum ar fi parametrii de excitație și de scurtcircuit

Factori externi: cosφ2, natura sarcinii β, dimensiunea sarcinii

Caracteristica de eficiență este definită ca:

În condițiile tensiunii nominale și ale unui anumit factor de putere la sarcină,

η = f(I2)

(sau η = f(β)).

Randamentul nominal al transformatorului este în general mai mare

Majoritatea sunt peste 95%, iar transformatoarele mari pot ajunge la 99%. Motorul de curent alternativ are o parte rotativă, cu o eficiență mai mică.

Rezolvați eficiența maximă a transformatorului:

5.8 Probleme speciale ale transformatoarelor trifazate

Capitolele anterioare au luat ca exemplu un transformator monofazat pentru a studia ecuațiile de bază, circuitele echivalente și metodele de calcul al performanței transformatorului, care sunt aplicabile și transformatoarelor trifazate.

Transformatoarele trifazate au și ele propriile probleme speciale:

➢Metoda de conectare

➢Structura circuitului magnetic

5.8.1 Metoda de conectare și grupul de conectare al transformatorului trifazat

(1) Metoda de conectare

(a) conexiune stea (b) conexiune triunghi

Regulament:

Literele majuscule (A, B, C, N) reprezintă pătratul original;

litere mici (x, y, z, n) în numele părții plătitoare;

(2) Grupuri de legătură

În transformatoarele trifazate, grupurile sunt de obicei utilizate pentru a reprezenta diferența de fază dintre tensiunile primare și secundare ale transformatorului trifazat: θ=(EABEab), care este un multiplu de 30°, exact între orele de pe cadranul ceasului. Prin urmare, relația de fază dintre potențialele firelor de înfășurare de înaltă și joasă tensiune ale transformatorului trifazat este în general exprimată prin „notația ceasului”, adică numărul grupului.

Cum se determină grupul:

Folosește linia de potențial EAB de pe partea superioară ca pe un ac lung, indicând linia de potențial inferioară „12” de pe cadranul ceasului.

Eab este un ac scurt, iar numărul pe care îl indică este numărul grupului de conectare al transformatorului trifazat.

A. Grup de conectare al transformatorului monofazat

Conceptul cu același nume:

Când același miez de fier este înfășurat cu două spire, pentru a reflecta cele două spire pe același miez de fier

Relația de direcție a înfășurării dintre bobine introduce de obicei conceptul de „capăt cu același nume”.

Pe aceeași parte cu numele scrie:

Două bobine de pe același miez sunt legate prin același flux magnetic. Când fluxul magnetic este alternativ, dacă potențialul instantaneu indus de un capăt al unei bobine este pozitiv față de celălalt capăt al aceleiași bobine, cele două terminale care sunt ambele pozitive sunt... Este vorba de același nume terminal, care este reprezentat prin "*",

(a) Înfășurare în aceeași direcție (b) Înfășurare în direcția opusă

Pentru transformatoarele monofazate, capătul principal al înfășurării de înaltă tensiune este marcat cu A, iar capătul posterior este marcat cu X; capătul principal al înfășurării de joasă tensiune este marcat cu A, iar capătul posterior este marcat cu X.

Regulament:

Direcția pozitivă a potențialului este de la capătul principal la capătul posterior.

În transformator, capătul cu același nume poate fi utilizat ca capăt principal sau capătul cu același nume poate fi utilizat ca capăt principal. Figurile a și b de mai jos arată relația de fază dintre potențialele primar și respectiv secundar în aceste două cazuri.

(a) Capătul cu același nume este marcat ca capăt de antenă (b) Capătul cu același nume este marcat ca capăt de antenă

Dacă se adoptă metoda de identificare în care capătul cu același nume este marcat ca și capătul principal (vezi Figura a), grupul de transformatoare monofazate este I, i0; pentru I, i6.

B. Grup de conectare al transformatorului trifazat

Prin relația de fază dintre potențialele primar și secundar ale transformatorului monofazat (sau potențialele de fază primar și secundar ale transformatorului trifazat), se poate determina în continuare relația de fază dintre potențialele primar și secundar ale transformatorului trifazat, adică grupul de conectare.

(1) Conexiune Y/Y transformator trifazat

(2) Transformator trifazat cu conexiune Y/△

Pași generali pentru determinarea grupului de transformatoare trifazate:

(1) Desenați diagrama fazorială a potențialului înfășurării laterale de înaltă tensiune;

(2) Coincideți punctul a cu punctul A și desenați potențialul de fază al înfășurării de joasă tensiune ax în funcție de relația de fază dintre înfășurările de înaltă și joasă tensiune de pe aceeași coloană centrală.

(3) Conform metodei de cablare a înfășurării de joasă tensiune, desenați diagrama fazorială de potențial a celorlalte două faze ale înfășurării de joasă tensiune;

(4) Determinați EB și E din diagramele fazoriale de potențial ale înfășurărilor de înaltă și joasă tensiune dintre

Se obține relația de fază a transformatorului trifazat și se obține numărul grupului de conectare al transformatorului trifazat.

Y/Y,△/△ un grup par

Y/△,Y/△ o matrice impară

Există cinci grupuri de îmbinări standard utilizate în mod obișnuit:

Y, yn0, Y, d11, YN, d11, YN, y0, Y, y0, primele trei sunt cele mai frecvent utilizate.

5.8.2 Structura circuitului magnetic al transformatorului trifazat

Caracteristicile transformatoarelor de grup trifazate: circuitele magnetice ale fiecărei faze sunt independente unele de altele.

Caracteristicile transformatorului cu miez trifazat: circuitele magnetice ale fiecărei faze sunt legate între ele.

5.8.3 Potrivirea corectă a conexiunii înfășurărilor și a structurii circuitului magnetic al transformatorului trifazat

Fluxul undei sinusoidale corespunde curentului de vârf. Curentul undei sinusoidale corespunde fluxului undei plate.

în concluzie:

Pentru a asigura o formă de undă sinusoidală a potențialului de fază, fluxul magnetic principal al fiecărei faze trebuie să se modifice conform legii sinusoidale. În acest caz, este necesar ca curentul de excitație să fie o undă de vârf, adică trebuie asigurată calea curentului armonic de-a treia în conexiunea circuitului. (De ce?)

Fluxul undei plate - (derivare) - potențialul undei de vârf; dacă vârful este prea mare, poate deteriora izolația înfășurării.

Având în vedere că circuitele magnetice ale fiecărei faze a transformatorului de grup sunt independente unele de altele, acestea nu sunt corelate între ele. Fluxul magnetic al celei de-a treia armonice conținut în fluxul magnetic principal este același cu fluxul magnetic al undei fundamentale și circulă în circuitul magnetic principal al fiecărui transformator de fază, inducând astfel un potențial al celei de-a treia armonice de amplitudine mai mare în înfășurările primare și secundare, rezultând o formă de undă a potențialului de fază cu vârf ascuțit (obținută prin derivarea fluxului magnetic al undei cu vârf plat). Vârful potențialului de fază al undei de vârf poate deteriora izolația înfășurării.

Având în vedere că circuitele magnetice ale fiecărei faze a transformatorului cu miez sunt corelate între ele, faza fluxului magnetic al celei de-a treia armonice în fluxul magnetic principal al undei trifazate cu vârf plat este aceeași și este imposibil să circule în circuitul magnetic al miezului principal de fier. Se formează un circuit magnetic închis, ceea ce face ca potențialul celei de-a treia armonice indus de fluxul magnetic al celei de-a treia armonice în înfășurările primare și secundare să fie mic, iar forma de undă a potențialului de fază este încă apropiată de o undă sinusoidală.

în concluzie:

(1) Înfășurarea trifazată a transformatorului cu structură de grup trifazat nu poate fi conectată prin Y/Y;.

(2) Înfășurarea trifazată a transformatorului cu structură de miez trifazat poate fi conectată prin Y/Y, dar capacitatea nu trebuie să fie prea mare.

O parte a înfășurării este conectată în delta, iar curentul armonic al treilea are o cale. Prin urmare, indiferent dacă circuitul magnetic este de tip grup sau de tip miez, înfășurările trifazate pot fi conectate prin △/Y.

O parte a înfășurării este conectată în Y, iar curentul de a treia armonică nu poate circula în ea, dar fluxul magnetic de a treia armonică generat de curentul sinusoidal va induce curentul de a treia armonică în înfășurarea secundară (conexiune delta) (vezi figura de mai jos). ), se poate asigura, de asemenea, că forma de undă a fluxului magnetic principal este aproape sinusoidală, astfel încât potențialul de fază indus este, de asemenea, sinusoidal. Se poate observa că efectul conexiunii triunghiulare pe aceeași parte primară este similar.

în concluzie:

Pentru înfășurări trifazate conectate 0/Y (sau Y/0), poate fi utilizat pentru transformatoare trifazate cu structură de grup sau transformatoare trifazate cu structură de grup.

în concluzie:

Pentru a asigura o sinusoidalitate a potențialului de fază, este recomandat să se utilizeze o conexiune delta pe o parte a transformatorului trifazat.

5.9 Transformatoare speciale în sisteme electrice de tractare

5.9.1 Autotransformatoare

(a) Schema structurii (b) Schema de cablare a înfășurărilor

Caracteristici: Există o înfășurare comună între înfășurările primare și secundare, ceea ce duce nu numai la cuplarea magnetică, ci și la conexiunea electrică între înfășurările primare și secundare.

În concluzie:

Capacitatea autotransformatorului este alcătuită din două părți:

(1) Puterea electromagnetică U2nIl2: este puterea transmisă sarcinii prin cuplajul electromagnetic dintre înfășurarea Aa și înfășurarea comună ax;

(2) Putere condusă U2nI1N: este puterea electrică transmisă direct sarcinii prin înfășurarea comună ax.

➢Capacitate electromagnetică < capacitate nominală

Dimensiuni mici, consum redus de fier și cupru, eficiență ridicată

➢Raport mic

Curentul părții comune este mai mic decât curentul pe partea secundară

Decalajul nu este evident, economia este redusă

➢Există o conexiune electrică directă, izolația internă și protecția la supratensiune trebuie consolidate.

5.9.2 Transformator

Transformator de tensiune - măsurarea tensiunii înalte cu un voltmetru de joasă tensiune

Precauții:

Un capăt al laturii secundare trebuie să fie legat la pământ (pentru a asigura siguranța și a preveni acumularea de sarcină statică care să afecteze citirea)

Partea secundară nu trebuie scurtcircuitată, altfel transformatorul de tensiune se va arde. (Poate crește curentul dacă poate fi redus prin coborâre)

Transformator de curent 1 - Măsurați curentul mare cu un ampermetru de joasă intensitate

Precauții:

➢ Un capăt al laturii secundare trebuie legat la pământ (pentru a asigura siguranța și a preveni acumularea de sarcină statică care să afecteze citirea)

➢ Partea secundară nu poate fi deschisă, altfel se va induce un vârf de tensiune mai mare pe partea secundară din cauza numărului mare de spire de pe partea secundară, iar izolația înfășurării transformatorului se va deteriora. (Tensiunea poate fi crescută dacă curentul poate fi redus)