Članek, ki pojasnjuje modeliranje in analizo karakteristik transformatorjev

5.1 Osnovno načelo delovanja in struktura transformatorja

5.1.1 Osnovno načelo delovanja transformatorja

Transformator ima učinek blokiranja enosmernega toka

Če se glavni magnetni pretok spreminja po sinusnem zakonu, torej φ(t)=φ.sinot, potem vsaka fizična

Efektivna vrednost količine zadošča naslednjemu razmerju:

Če zanemarimo upornost navitja in izgube v jedru, se primarna in sekundarna moč ohranita, kot sledi:

torej imajo

Razmerje obratov ali razmerje obratov transformatorja,

recimo, da je to navidezna zmogljivost.

Vidimo lahko, da transformator hkrati izvaja pretvorbo toka in hkrati transformacijo napetosti.

Transformator lahko uresniči tudi funkcijo transformacije impedance.

Impedanca obremenitve na sekundarni strani je:

Če pogledate ZI s primarne strani, je njegova velikost:

Struktura enofaznega transformatorja

1- Steber jedra 2- Železni jaram 3- - Visokonapetostno navitje 4- ~ Nizkonapetostno navitje

Struktura trifaznega transformatorja

Odcepi za visokonapetostna navitja trifaznih transformatorjev

1-Železnega jedrnega stebra 2-Železni jarem

3- nizkonapetostno navitje 4- - visokonapetostno navitje

1- Tipska ploščica 2- Termometer 3- Absorber vlage 4- Merilnik nivoja olja 5- Konzervator olja 6- Varnostni zračni prehod 7- Plinski rele 8- Visokotlačna oljna cev

9 nizkotlačna oljna cev 10 - stikalo pipe 11 - jedro rezervoarja za gorivo 12 - ventil za izpust olja 13 - tuljava 14 - ozemljitvena plošča 15 - - voziček

5.2 Nazivne vrednosti transformatorjev

➢ Nazivna zmogljivost ali navidezna zmogljivost Sn;

➢Nazivna napetost Un

Nazivni tok Iv;

➢Nazivna frekvenca fn;

➢Nazivni izkoristek ηn ;

Nazivna napetost in nazivni tok se nanašata na omrežno vrednost (tj. omrežno napetost ali omrežni tok)

Med ocenjenimi podatki obstaja naslednja povezava:

V formuli m predstavlja število faz transformatorja;

U1Nφ in I1Nφ predstavljata fazni vrednosti nazivne napetosti oziroma nazivnega toka.

Za enofazne transformatorje:

Za trifazne transformatorje:

5.3 Analiza delovanja transformatorjev brez obremenitve

definicija:

Stanje brez obremenitve transformatorja se nanaša na obratovalno stanje, v katerem je primarno navitje priključeno na izmenično napetost, sekundarno navitje pa je odprto, torej je sekundarna stran odprta (tj. tok je nič).

5.3.1 Elektromagnetni odnos transformatorjev med delovanjem brez obremenitve

Zapisano v fazorski obliki kot:

Skratka:

Velikost induciranega potenciala v navitju je sorazmerna s frekvenco, številom zavojev navitja in amplitudo magnetnega pretoka; v fazi inducirani potencial v navitju transformatorja zaostaja za glavnim magnetnim pretokom.

Ko se na primarno navitje priključi nazivna napetost, se napetost odprtega tokokroga sekundarnega navitja določi kot nazivna napetost sekundarne strani, in sicer se na ta način lahko dobi transformacijsko razmerje transformatorja kot:

5.3.2 Ekvivalent električnih parametrov magnetnega vezja

Osnovna ideja:

Problem magnetnega vezja, ki je vključen v transformator, se pretvori v problem vezja, nato pa se transformator izračuna v skladu s teorijo enotnega vezja.

Za puščanje toka:

Potem se lahko X1δ ali L1δ uporabi za odraz uhajanja magnetnega tokokroga. (kot konstanta, zakaj?)

Za glavni tok:

Najprej je uveden koncept ekvivalentnega sinusnega toka, pri čemer je nesinusni tok prostega teka nadomeščen z ekvivalentnim sinusnim tokom.

(a) Fazorski diagram (b) Ekvivalentno vezje (c) Ekvivalentno vezje

za idealen transformator:

5.3.3 Enačba za ravnovesje napetosti v prostem teku, fazorski diagram in ekvivalentna shema vezja transformatorja

Skratka:

Faktor moči primarne strani je nižji, ko transformator deluje brez obremenitve. Zato

Transformatorji običajno ne omogočajo delovanja brez obremenitve ali z majhno obremenitvijo.

5.4 Analiza obremenitve transformatorja

Ko je transformator obremenjen, tok na sekundarni strani ni več nič, kar povzroči spremembe v elektromagnetnem procesu znotraj jedra.

5.4.1 Ravnovesna enačba magnetnega potenciala, ko je transformator pod obremenitvijo

5.4.1 Ravnovesna enačba magnetnega potenciala, ko je transformator pod obremenitvijo

Brez obremenitve/obremenitev

Zgornjo formulo lahko razumemo kot: Ko se tok obremenitve povečuje, je treba povečati ustrezni magnetni potencial (ali tok) na primarni strani, da se izravna magnetni potencial sekundarne strani in tako ohrani magnetni pretok ali magnetni potencial nespremenjen v prostem teku. Torej obstajajo:

Skratka:

Ko je transformator obremenjen, se tok na primarni strani poveča. Večja kot je obremenitev (tok) na sekundarni strani, večji je tok, ki se dovaja na primarni strani. To pomeni, da lahko transformator obravnavamo kot ravnovesje med ponudbo in povpraševanjem.

5.4.2 Ekvivalentni električni parametri sekundarnega uhajavnega magnetnega vezja po obremenitvi transformatorja

X₂δ ali Ḯ₂ se lahko uporabi za prikaz stanja magnetnega vezja na sekundarni strani.

5.4.3 Elektromagnetni odnos, ko je transformator pod obremenitvijo

5.5 Osnovne enačbe, nadomestna vezja in fazorski diagrami transformatorjev

5.5.1 Osnovna enačba transformatorja je enakovredna različnim analizam in parametrom v prejšnjem razdelku, faza

Osnovne enačbe transformatorja v kvantitativni obliki

5.5.2 Nadomestno vezje za delovanje z obremenitvijo transformatorja

V skladu s prejšnjimi osnovnimi enačbami je mogoče izvesti različne analize in izračune transformatorja, vendar so izračuni relativno okorni. V inženirstvu se običajno pretvori v ekvivalentno vezje, ki nadomesti dejanski transformator.

Primarna in sekundarna stran ekvivalentnega vezja sta električno neodvisni druga od druge. Za poenostavitev izračuna se število navitij na sekundarni strani običajno poveča z N na 1, tako da se vsaka fizikalna količina na sekundarni strani ustrezno spremeni. Ta postopek se imenuje tudi pretvorba.

Načelo pretvorbe:

Pred in po pretvorbi je treba elektromagnetni odnos ohraniti nespremenjen, in sicer:

(1) Magnetni potencial pred in po pretvorbi naj ostane nespremenjen;

(2) Električna moč in izgube pred in po pretvorbi naj ostanejo nespremenjene.

(1) Pretvorba napetosti (pretvori E ₁ enako kot E₂)

(2) Pretvorba toka (za zagotovitev, da magnetni potencial ostane nespremenjen)

(3) Pretvorba impedance (za zagotovitev, da razmerje med prenosom energije ostane nespremenjeno, vključno z aktivno in jalovo močjo)

Aktivna moč

Reaktivna moč

5.5.3 Fazorski diagram, ko je transformator pod obremenitvijo Fazorski diagram ne prikazuje le elektromagnetnega razmerja transformatorja, temveč omogoča tudi intuitivno prikaz velikosti in faznega razmerja vsake fizikalne količine v transformatorju.

Ob predpostavki, da so parametri vezja znani in da sta podana velikost in faza obremenitve, lahko fazorski diagram narišemo v več korakih.

Skratka:

Po obremenitvi transformatorja se kot faktorja moči primarne strani zmanjša in faktor moči se izboljša.

5.6 Preizkus in merjenje parametrov nadomestnega vezja transformatorja Z nadomestnim vezjem se lahko analizira delovanje transformatorja. Najprej je treba poznati parametre v nadomestnem vezju.

Preskus brez obremenitve -> transformacijsko razmerje k, vzbujevalna impedanca

Preizkus kratkega stika → impedanca kratkega stika

5.7 Izračun obratovalnih karakteristik transformatorjev v ustaljenem stanju

5.7.1 Zunanje značilnosti in hitrost spremembe napetosti transformatorjev

Opredelitev zunanjih značilnosti (ki odražajo kakovost napajanja transformatorja z obremenitvijo)

Krivulja razmerja med napetostjo na sponkah sekundarne strani transformatorja in obremenitvenim tokom sekundarne strani pri nazivni napajalni napetosti in določenem faktorju moči obremenitve.

Tipične zunanje značilnosti transformatorjev pri različnih obremenitvah

Definicija hitrosti spremembe napetosti:

Pod pogojem nazivne napetosti napajanja in določenega faktorja moči obremenitve se odstotek napetosti sekundarnih priključkov spremeni od stanja brez obremenitve do nazivne obremenitve, in sicer:

∆u

Notranji dejavniki: xᶄ, rᶄ → strukturni parametri transformatorja

Zunanji dejavniki: cosφ², β-→specifična obremenitev, velikost obremenitve

Razprava: Transformator je na splošno rᶄ: veliko manjši od xᶄ, glejte primer (5-1).

◆Za čisto uporovno obremenitev je cosφ² = 1, sinφ² = 0, zato je ∆u majhno;

◆Za induktivne obremenitve,

cosφ²>0, sinφ²>0, torej ∆u>0,

to pomeni, da se z naraščanjem obremenitvenega toka napetost na sekundarni strani močno zmanjša;

◆Za kapacitivno obremenitev je cosφ2>0, sinφ2<0, če je |rᶄ cosφ2|<| xᶄ sinφ2|, potem je ∆u<0,

kar kaže, da se lahko z naraščanjem obremenitvenega toka I2 napetost na sekundarni strani

lahko dvigne.

Uporaba kapacitivne obremenitve na sekundarni priključni napetosti transformatorja:

(1) Kompenzacija reaktivne moči, izboljšanje faktorja moči in zmanjšanje izgub v omrežju

(2) Povečajte napetost električnega omrežja tovarne, da rešite problem velike obremenitve tovarne in padca napetosti električnega omrežja

5.7.2 Karakteristike izkoristka transformatorjev.

Izkoristek transformatorja je opredeljen kot:

Vplivni dejavniki η

Notranji dejavniki: strukturni parametri transformatorja, kot so parametri vzbujanja in kratkega stika

Zunanji dejavniki: cosφ², β, vrsta obremenitve, velikost obremenitve

Karakteristika učinkovitosti je opredeljena kot:

Pod pogojem nazivne napetosti in določenega faktorja moči obremenitve,

η= f(I2)

(aliη = f(β)).

Nazivni izkoristek transformatorja je običajno višji

Večina jih je nad 95 %, veliki transformatorji pa lahko dosežejo 99 %. AC motor ima vrtljiv del, zato je učinkovitost nižja.

Rešite za največji izkoristek transformatorja:

5.8 Posebni problemi trifaznih transformatorjev

V prejšnjih poglavjih smo kot primer vzeli enofazni transformator za preučevanje osnovnih enačb, ekvivalentnih vezij in metod za izračun zmogljivosti transformatorja, ki veljajo tudi za trifazne transformatorje.

Trifazni transformatorji imajo tudi svoje posebne težave:

➢Način povezave

➢Struktura magnetnega vezja

5.8.1 Način priključitve in skupina priključitev trifaznega transformatorja

(1) Način povezave

(a) zvezdasta vezava (b) delta vezava

Uredba:

Velike črke (A, B, C, N) predstavljajo prvotni kvadrat;

male črke (x, y, z, n) v imenu plačnika;

(2) Povezovalne skupine

V trifaznih transformatorjih se skupine običajno uporabljajo za predstavitev fazne razlike med primarno in sekundarno napetostjo trifaznega transformatorja: θ=(EABEab), kar je večkratnik 30°, natančno med urama na številčnici. Zato se fazni odnos med potencialoma visokonapetostne in nizkonapetostne navitne žice trifaznega transformatorja običajno izrazi z "notacijo ure", to je s številko skupine.

Kako določiti skupino:

Uporabite potencial črte na visoki strani EAB kot dolgi kazalec, ki kaže na potencial črte na nizki strani "12" na številčnici ure.

Eab je kratka igla, številka, na katero kaže, pa je številka priključne skupine trifaznega transformatorja.

A. Priključna skupina enofaznega transformatorja

Istoimenski koncept:

Ko je isto železno jedro navito z dvema tuljavama, da se obe tuljavi odbijeta na istem železnem jedru

Razmerje smeri navijanja med tuljavami običajno uvaja koncept "konca z istim imenom".

Stran z istim imenom pravi:

Dve tuljavi na istem jedru sta povezani z enakim magnetnim pretokom. Če je magnetni pretok izmenični in je trenutni potencial, ki ga inducira en konec tuljave, pozitiven glede na drugi konec iste tuljave, sta oba priključka, ki sta oba pozitivna, pozitivna. Gre za istoimenski priključek, ki je predstavljen z "*".

(a) Navijanje v isto smer (b) Navijanje v nasprotno smer

Pri enofaznih transformatorjih je glavni konec visokonapetostnega navitja označen z A, zadnji konec pa z X; glavni konec nizkonapetostnega navitja je označen z a, zadnji konec pa z X.

Uredba:

Pozitivna smer potenciala je od glave do repa.

V transformatorju se lahko konec z istim imenom uporabi kot glavni konec ali pa se konec z istim imenom uporabi kot glavni konec. Spodnji sliki a in b prikazujeta fazno razmerje med primarnim in sekundarnim potencialom v teh dveh primerih.

(a) Konec z istim imenom je označen kot izhodišče (b) Konec z istim imenom je označen kot izhodišče

Če se uporabi metoda identifikacije, pri kateri je konec z istim imenom označen kot glavni konec (glej sliko a), je skupina enofaznih transformatorjev I, i0; za I, i6.

B. Priključna skupina trifaznega transformatorja

S faznim razmerjem med primarnim in sekundarnim potencialom enofaznega transformatorja (ali primarnim in sekundarnim faznim potencialom trifaznega transformatorja) je mogoče dodatno določiti fazno razmerje med primarnim in sekundarnim potencialom trifaznega transformatorja, to je priključno skupino.

(1) Trifazni transformator s priključkom Y/Y

(2) Trifazni transformator s priključkom Y/△

Splošni koraki za določitev skupine trifaznih transformatorjev:

(1) Narišite diagram potencialnih fazorjev navitja na strani visoke napetosti;

(2) Točki a in A se ujemata ter narišite fazni potencial nizkonapetostnega navitja ax glede na fazno razmerje med visokonapetostnim in nizkonapetostnim navitjem na istem jedrnem stebru.

(3) Glede na način ožičenja nizkonapetostnega navitja narišite diagram potencialnih fazorjev drugih dveh faz nizkonapetostnega navitja;

(4) Iz diagramov potencialnih fazorjev visokonapetostnih in nizkonapetostnih navitij določite EB in E med

Pridobljeno je fazno razmerje trifaznega transformatorja in številka priključne skupine trifaznega transformatorja.

Y/Y,△/△ soda skupina

Y/△,Y/△ liha tabela

Obstaja pet pogosto uporabljenih standardnih skupin za združevanje:

Y, yn0, Y, d11, YN, d11, YN, y0, Y, y0, prve tri so najpogosteje uporabljene.

5.8.2 Struktura magnetnega vezja trifaznega transformatorja

Značilnosti trifaznih skupinskih transformatorjev: magnetni tokokrogi vsake faze so neodvisni drug od drugega.

Značilnosti trifaznega transformatorja z jedrom: magnetna vezja vsake faze so med seboj povezana.

5.8.3 Pravilno ujemanje povezave navitja in strukture magnetnega vezja trifaznega transformatorja

Tok sinusnega vala ustreza toku vršnega vala. Tok sinusnega vala ustreza toku ravnega vrha vala.

zaključno:

Da bi zagotovili sinusoidno valovno obliko faznega potenciala, se mora glavni magnetni pretok vsake faze spreminjati po sinusoidnem zakonu. V tem primeru mora biti vzbujevalni tok vršni val, kar pomeni, da mora biti v vezju zagotovljena pot tretjega harmonika. (Zakaj?)

Pretok vala z ravnim vrhom - (izpeljava) - potencial vršnega vala, če je vrh prevelik, lahko poruši izolacijo navitja.

Glede na to, da so magnetna vezja vsake faze skupinskega transformatorja neodvisna drug od drugega, niso medsebojno povezana. Magnetni tok tretjega harmonika, ki ga vsebuje glavni magnetni tok, je enak magnetnemu toku osnovnega vala in kroži v glavnem magnetnem vezju vsakega faznega transformatorja, s čimer inducira potencial tretjega harmonika z višjo amplitudo v primarnem in sekundarnem navitju, kar ima za posledico... Valovna oblika faznega potenciala je val z ostrim vrhom (dobljen z izpeljavo magnetnega pretoka vala z ravnim vrhom). Vrh faznega potenciala vrha vala lahko poškoduje izolacijo navitja.

Glede na to, da so magnetni tokokrogi vsake faze jedrnega transformatorja medsebojno povezani, je faza tretjega harmoničnega magnetnega toka v glavnem magnetnem toku trifaznega vala z ravnim vrhom enaka in kroženje v magnetnem tokokrogu glavnega železnega jedra ni mogoče. Nastane zaprt magnetni tokokrog, zaradi česar je potencial tretjega harmonika, ki ga inducira magnetni tok tretjega harmonika v primarnem in sekundarnem navitju, majhen, oblika valovnega toka faznega potenciala pa je še vedno blizu sinusnemu valu.

zaključno:

(1) Trifaznega navitja trifaznega skupinskega transformatorja ni mogoče povezati z Y/Y;

(2) Trifazno navitje transformatorja s trifazno strukturo jedra je lahko Y/Y, vendar kapaciteta ne sme biti prevelika.

Ena stran navitja je vezana v trikotnik, tretji harmonik pa ima pot. Zato je mogoče trifazna navitja povezati z △/Y, ne glede na to, ali je magnetno vezje skupinskega ali jedrnega tipa.

Ena stran navitja je Y-povezana in tretji harmonik ne more teči vanjo, vendar bo tretji harmonik magnetnega toka, ki ga ustvarja sinusni tok, induciral tretji harmonik v sekundarnem navitju (delta povezava) (glejte spodnjo sliko). To lahko zagotovi tudi, da je glavna valovna oblika magnetnega toka blizu sinusoidi, zato je inducirani fazni potencial prav tako sinusoiden. Vidimo lahko, da je učinek trikotne povezave na isti primarni strani podoben.

zaključno:

Za trifazna navitja, povezana z 0/Y (ali Y/0), se lahko uporablja za trifazne transformatorje skupinske strukture ali trifazne transformatorje skupinske strukture.

zaključno:

Da bi zagotovili sinusni fazni potencial, je najbolje uporabiti delta povezavo na eni strani trifaznega transformatorja.

5.9 Posebni transformatorji v električnih vlečnih sistemih

5.9.1 Avtotransformatorji

(a) Shematski diagram strukture (b) Diagram ožičenja navitij

Značilnosti: Med primarnim in sekundarnim navitjem je skupno navitje, kar vodi ne le do magnetne sklopke, temveč tudi do električne povezave med primarnim in sekundarnim navitjem.

Skratka:

Zmogljivost avtotransformatorja je sestavljena iz dveh delov:

(1) Elektromagnetna moč U2nIl2: to je moč, ki se prenaša na obremenitev prek elektromagnetne sklopke med navitjem Aa in skupnim navitjem ax;

(2) Prevajana moč U2nI1N: to je električna moč, ki se neposredno prenaša na obremenitev prek skupnega navitja ax.

➢Elektromagnetna zmogljivost < nazivna zmogljivost

Majhna velikost, nizka poraba železa in bakra, visoka učinkovitost

➢Majhno razmerje

Tok skupnega dela je manjši od nazivnega toka sekundarne strani

Vrzel ni očitna, gospodarstvo se je zmanjšalo

➢Če obstaja neposredna električna povezava, je treba okrepiti notranjo izolacijo in zaščito pred prenapetostjo.

5.9.2 Transformator

Napetostni transformator - merjenje visoke napetosti z merilnikom nizke napetosti

Previdnostni ukrepi:

En konec sekundarne strani mora biti ozemljen (za zagotovitev varnosti in preprečevanje kopičenja statičnega naboja, ki bi vplival na odčitavanje).

Sekundarna stran ne sme biti kratkostična, sicer bo napetostni transformator pregorel. (Če ga je mogoče znižati, lahko poveča tok.)

Tokovni transformator 1 - Izmerite velik tok z nizkim ampermetrom

Previdnostni ukrepi:

➢ En konec sekundarne strani mora biti ozemljen (za zagotovitev varnosti in preprečevanje kopičenja statičnega naboja, ki bi vplival na odčitavanje)

➢ Sekundarne strani ni mogoče odpreti, sicer bo na sekundarni strani zaradi velikega števila ovojev na sekundarni strani prišlo do višje napetostne konice in izolacija navitja transformatorja bo prekinjena. (Napetost se lahko poveča, če se tok zmanjša.)