Расчетная работа № 13. Исследование однофазного трансформатора

Цель работы: исследование трансформатора в различных эксплуатационных режимах работы. Определение параметров упрощенной схемы замещения трансформатора.

13.1. Краткие сведения для подготовки к работе

Трансформатор представляет собой статический электромагнитный аппарат с двумя (или более) обмотками, предназначенный для преобразования напряжения или тока без изменения частоты. Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется с помощью переменного магнитного поля. Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника переменного тока, то по ней протекает ток I₁, который создает в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Этот магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней переменную ЭДС. В целях улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками, они размещаются на стальном сердечнике.

При изменении магнитного потока, сцепленного с каким-либо витком, в нем будет индуктироваться ЭДС, в соответствии с законом электромагнитной индукции определяющаяся по формуле:

(13.1)

Эта ЭДС создает в замкнутой электрической цепи индуктированный ток. Знак «-» в формуле (13.1) показывает что индуктированный ток препятствует изменению магнитного потока, создающего этот ток.

Если W₁ - число витков первичной, а W₂ - число витков вторичной обмотки, то ЭДС соответственно равны:

Магнитный поток, созданный в сердечнике трансформатора, синусоидально изменяется во времени:

,

где Φ_m - амплитуда магнитного потока.

Мгновенное значение ЭДС:

Максимальное значение:

Действующее значение ЭДС в первичной и во вторичной обмотках:

где f₁ - частота переменной ЭДС.

13.2. Программа работы

Набрать схему для исследования однофазного трансформатора в Matlab (рис. 13.1). Параметры трансформатора задаются преподавателем.

Рис. 13.1

13.2.1. Опыт холостого хода

При опыте холостого хода вторичная обмотка трансформатора разомкнута (рис. 13.1), поэтому ток во вторичной обмотке равен нулю. Сопротивление нагрузки равно бесконечности.

В первичной обмотке протекает ток холостого хода I_1x, представляющий собой малую величину по сравнению с током в нагрузочном режиме трансформатора. Данный ток I_1x создает магнитный поток в сердечнике трансформатора. На образование магнитного потока трансформатор потребляет реактивную мощность сети. Что же касается активной мощности, то она расходуется на покрытие активных потерь на гистерезис и на вихревые токи.

Из опыта холостого хода трансформатора определяют I_1x - ток холостого хода, а по показаниям амперметра и ваттметра - потери в стали сердечника P_ст . Коэффициент трансформации трансформатора определяют по формуле:

(13.2)

где К_Т - коэффициент трансформации, вычисляемый по формуле (13.2).

Таблица 13.1

U1x; B
I1x; A
U2x; B
KТ

13.2.2. Опыт короткого замыкания

При опыте короткого замыкания первичная обмотка трансформатора подключается к источнику переменного напряжения, а вторичная обмотка замыкается накоротко

Из этого опыта находят напряжение короткого замыкания U_1к , потери на нагревание обмоток P_к и сопротивления короткого замыкания Z_к , R_к , X_к - полное, активное и индуктивное. U_1к, I_1к, P_к - напряжение, ток и мощность в первичной цепи трансформатора.

(13.3)

Показания приборов записать в табл. 13.2;

Таблица 13.2

Измеренные величины			Расчетные величины
U1к B	I1к A	Pк Bт	Zк Ом	Rк Ом	Xк O]

13.2.3. Работа трансформатора под нагрузкой

Включить во вторичную обмотку трансформатора емкостную, индуктивную и активную нагрузку. Изменяя величину активного сопротивления нагрузки измерить напряжения и токи в обмотках и записать показания приборов в табл. 13.3 Количество измерений, для каждого типа нагрузки, должно быть не меньше семи.

Таблица 13.3

№		U1; B	I1; A	U2; B	I2; A
1	Емкостная нагрузка

По результатам опытов построить внешние характеристики трансформатора для емкостной, индуктивной и активной нагрузок.

13.3. Содержание отчета.

Отчет должен содержать:

• Данные согласно выбранному варианту.

• Модели исследуемых режимов работы трансформатора.

• Необходимые пояснения. Статические характеристики и временные диаграммы работы.

• Выводы.

Параметры трансформаторов

Тип	Pн	U1	U2	I2	Uвыпр	Iвыпр	Pх.х	Pк.з	Uк.з
	кВА	В	В	А	В	А	Вт	Вт	%
ТСП-10/0.7-УХЛ4/3	7,3	660	205	20,5	230	25	130	320	4,7
ТСП-16/0.7-УХЛ4/1	14,6	380	205	41	230	50	140	550	5,2
ТЗСП-16/0.7-УХЛ4/3	14,6	380	410	20,5	460	25	140	550	5,2
ТЗСП-16/0.7-УХЛ4/4	14,6	660	410	20,5	460	25	140	550	5,2
ТСП-25/0.7-УХЛ4/1	29,1	380	205	82	230	100	210	1100	5,5
ТСП-25/0.7-УХЛ4/2	29,1	500	205	82	230	100	210	1100	5,5
ТСП-25/0.7-УХЛ4/3	29,1	660	205	82	230	100	210	1100	5,5
ТСП-25/0.7-УХЛ4/4	29,1	380	410	41	460	50	1100	210	5,5
ТСП-25/0.7-УХЛ4/5	29,1	660	410	41	460	50	210	1100	5,5
ТСЗП-25/0.7-УХЛ4/6	29,1	380	205	82	230	100	210	1100	5,5
ТСЗП-25/0.7-УХЛ4/7	29,1	660	205	82	230	100	210	1100	5,5
ТСЗП-250/0.7УЗ/4	220	380	315	408	345	500	915	3400	4,4
ТСЗП-250/0.7УЗ/5	237	380	267	257	690	315	825	3400	4,4
ТСЗП-250/0.7УЗ/6	220	380	315	408	345	500	915	3400	4,4

Силовые трансформаторы различаются номинальной мощностью, классом напряжения, условиями и режимом работы, конструктивным исполнением. В зависимости от номинальной мощности и класса напряжения силовые трансформаторы условно подразделяются на группы (габариты), приведенные в таблице. Промышленностью выпускаются трансформаторы, предназначенные для работы в районах с умеренным, холодным и тропическим климатом, для установки на открытом воздухе и в помещении. Различают трансформаторы общего назначения и специальные: преобразовательные, электропечные и др. В зависимости от вида охлаждения различают сухие, масляные и трансформаторы с негорючим жидким диэлектриком.

Группы (габариты) силовых трансформаторов

Номер габарита	Диапазон мощностей, кВА	Класс напряжения, кВ
I	До 100	До 35
II	От 100 до 1000	До 35
III	От 1000 до 6300	До 35
IV	Свыше 6300	До 35
V	До 40000	От 35 до 110
VI	От 40000 до 80000	До 330
VII	От 80000 до 200000	До 330
VIII	Свыше 200000	До 330 и выше
VIII	Независимо от мощности для ЛЭП постоянного тока	Независимо от напряжения

Условное обозначение различных типов трансформаторов составляют по следующей структурной схеме:

х = х / х = хх

— Климатическое исполнение и категория размещения

—Год разработки конструкции (в период 19651985 гг.)

—Класс напряжения стороны ВН, кВ

—Номинальная мощность трансформатора, кВА

—Буквенная часть обозначения типа трансформатора

В буквенную часть обозначения типа трансформатора общего назначения могут входить следующие буквы:

А — автотрансформатор;

О или Т — однофазный или трехфазный трансформатор;

Р —расщепленная обмотка НН;

М — вид охлаждения трансформатора с естественной циркуляцией воздуха и естественная циркуляция масла;

ДЦ — принудительная циркуляция воздуха и масла;

Ц — принудительная циркуляция воды и масла;

НДЦ и НЦ — направленный поток масла в системах ДЦ и Ц;

Т (после обозначения вида охлаждения) — трехобмоточный трансформатор;

Н —трансформатор с устройством регулирования напряжения под нагрузкой (РПН);

С — исполнение трансформатора собственных нужд электростанций.

Для автотрансформаторов классов напряжения стороны СН или НН свыше 35 кВ после класса напряжения стороны ВН через косую черту указывают класс напряжения стороны СН или НН.

Номинальная мощность и класс напряжения указываются через дефис после буквенного обозначения в виде дроби, в числителе которой номинальная мощность в киловольт-амперах, в знаменателе класс напряжения в киловольтах. Примеры условных обозначений: ТМ1000/1074У1 трехфазный двухобмоточный трансформатор с естественным масляным охлаждением, номинальная мощность 1000 кВА, класс напряжения 10 кВ, конструкция 1974 г., для района с умеренным климатом, для установки на открытом воздухе; ТРДНС25000/3574Т1 трехфазный двухобмоточный трансформатор с расщепленной обмоткой НН, с принудительной циркуляцией воздуха в системе охлаждения, с РПН, для собственных нужд электростанций, номинальная мощность 25 МВА, класс напряжения 35 кВ, конструкция 1974 г., тропического исполнения, для установки на открытом воздухе; ТЦ1000000/50083ХЛ1 трехфазный двухобмоточный трансформатор с принудительной циркуляцией масла и воды в системе охлаждения, номинальная мощность 1000 МВА, класс напряжения 500 кВ, конструкция 1983 г., для районов с холодным климатом, для наружной установки.

Автотрансформаторы отличаются добавлением к обозначению трансформаторов буквы А, она может быть первой в буквенном обозначении или последней.

В автотрансформаторах, изготовленных по основному стандарту на трансформаторы ГОСТ 1167765, ГОСТ 1167775, ГОСТ 1167785, буква А стоит впереди всех символов, например: АОДЦТН417000/750/50073У1 однофазный трехобмоточный автотрансформатор номинальной (проходной) мощностью 417 МВА, класс напряжения ВН 750 кВ, СН 500 кВ, остальные символы расшифровываются так же, как и в предыдущих примерах.

В конце 50х годов, когда в СССР впервые появились мощные силовые автотрансформаторы 220/110, 400/220, 400/110, 500/220, 500110 кВ, и в начале 60х годов производили автотрансформаторы двух модификаций повышающей и понижающей. В обозначении повышающей модификации буква А стояла в конце буквенной части; в этих автотрансформаторах обмотку НН выполняли на повышенную мощность и располагали между обмотками СН и ВН, по точной терминологии между общей и последовательной обмотками.

Автотрансформаторы второй модификации понижающей, с буквой А впереди всех символов (как и в новых автотрансформаторах) служат для понижения напряжения, например с 220 до 110 кВ, или для связи сетей ВН и СН. Обмотка НН в них, как и в новых автотрансформаторах, расположена у стержня, имеет пониженную мощность и несет вспомогательные функции.

Пример обозначения повышающей модификации: ТДШТА120000/220, понижающей АТДШТ120000/220. (Буква Г обозначала грозоупорный, она отменена по мере внедрения ГОСТ 1167765, так как все трансформаторы и автотрансформаторы 110 кВ и выше имеют гарантированную стойкость при грозовых перенапряжениях.). В эксплуатации до сих пор встречаются автотрансформаторы обеих модификаций.

Основные данные и характеристики трансформатора указываются на заводском щитке, табличке. Щиток прикрепляется к баку трансформатора. На нем указаны следующие параметры: обозначение типа трансформатора; число фаз; частота, Гц; род установки (наружная или внутренняя); номинальная мощность, кВА, для трехобмоточных трансформаторов мощность каждой обмотки; схема и группа соединения обмоток; напряжения на номинальной ступени и напряжения ответвлений обмоток, кВ, номинальные токи, А; напряжение короткого замыкания в процентах (фактически измеренное); способ охлаждения трансформатора; полная масса трансформатора, масла и активной части, т.

13.4. Контрольные вопросы.

1. Как моделируется опыт холостого хода?

2. Как моделируется опыт короткого замыкания?

3. Как рассчитать активную мощность потребляемую трансформатором?

4. Как рассчитать реактивную мощность потребляемую трансформатором?

5. Как измерить и рассчитать к.п.д. трансформатора?

6. Как при моделировании трансформатора учесть насыщение его магнитной цепи?