Схема замещения и векторная диаграмма трансформатора

Схема замещения и векторная диаграмма трансформатора

Расчётную схему замещения измерительного ТН , как и для ТТ, обычно принимают Т-образной, приводя все величины к числу витков вторичной обмотки. Такая схема замещения может быть использована для рассмотрения работы ТН как в установившемся режиме, так и в переходном. Схема замещения измерительного ТН приведена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 Эквивалентная схема замещения измерительного ТН

На рисунке 1.6 приведена векторная диаграмма измерительного ТН, построенная с учётом выбранных направлений векторов . Построение векторной диаграммы удобнее начать с вектора потока намагничиванияФо, который является результатом взаимодействия потоков Ф1 и Ф2. Применительно к схеме замещения ТН можно считать, что поток Фо создаётся током намагничивания , который проходит по ветви намагничивания.

Ток намагничивания опережает поток намагничиванияФо на угол (угол потерь; угол γ весьма мал и им можно пренебречь).

С учётом выбранных направлений иU2 построим на векторной диаграмме вектор ЭДС – Е2 , который составляет с вектором Фо угол равный 90º.

Во вторичной цепи под действием ЭДС — Е2 протекает ток I2, отстающий от ЭДС — Е2 на угол φ

(1.8)

Рисунок 1.6 Векторная диаграмма измерительного трансформатора напряжения

Приведённый первичный ток равен геометрической сумме токовI2 и .

Вторичный ток I2, протекая по виткам вторичной обмотки (Z2) производит падение напряжения UW2, равное I2 ∙ Z2.

Вектор ЭДС — Е2 есть геометрическая сумма векторов напряжений U2 и UW2, т.е.

Вычтем геометрически из вектора — Е2 вектор I2 ∙ Z2 и получим искомый вектор U2.

Аналогично построим на векторной диаграмме вектор приведённого первичного напряжения , как геометрическую сумму векторов —Е2 и .

Из векторной диаграммы ТН следует, что, во-первых, вектор напряжения U2 сдвинут по фазе относительно вектора на угол δ, который является угловой погрешностью ТН, во-вторых, если пренебречь углом δ (так как он мал), то разницу в величинах напряженийиU2можно определять как алгебраическую разность

(1.11)

Из схемы замещения и векторной диаграммы ТН следует также, что выходное напряжение U2 меньше первичного приведённого на сумму падений напряжений в первичной обмотке от токаи во вторичной обмотке от токаI2, т.е.

, (1.12) где — вторичное напряжение идеального ТН.

Погрешность в работе измерительного ТН по напряжению fU принято оценивать в процентах

(1.13) Угловая погрешность ТН оценивается углом сдвига фаз (δ) между первичным и вторичным напряжениями.

Допустимые погрешности в работе ТН нормируются при номинальном первичном напряжении. Для ТН введена шкала классов точности 0,2; 0,5; 1; 3.

Один и тот же ТН может работать с погрешностью fU, которая соответствует тому или иному классу точности. Так, если значительно перегрузить ТН большим числом подключённых реле, то возрастут токи I2 и , что приведёт к увеличению падений напряжений на первичной и вторичной обмотках. Поэтому заводы-изготовители в технической документации на ТН указывают номинальную мощность, подразумевая под ней максимальную нагрузку (в В∙А), которую может питать данный ТН в гарантированном классе точности.

Читайте также:  Реле напряжения sven ovp 17p

Общие сведения

При расчете электрических цепей с трансформаторами их чаще всего заменяют Т- или Г-образной схемой замещения, приведенной к первичной или вторичной стороне. Наиболее точной является Т-образная схема замещения. Она изображена на рис. 7.4.1. Все сопротивления схемы приведены к первичной стороне.

G – активная проводимость, учитывающая потери на вихревые токи и перемагничивание сердечника;

В – реактивная проводимость, обусловленная основным магнитным потоком;

R1 – активное сопротивление первичной обмотки и R2 – вторичной обмотки, приведенное к первичной стороне (R2 = К 2 ТР R2);

XS1 и XS2 – реактивные сопротивления рассеяния обмоток (ХS2 = К 2 ТР XS2);

ZH – сопротивление нагрузки (ZH = К 2 ТР ZH).

Параметры схемы замещения трансформатора определяют по данным опытов холостого хода и короткого замыкания.

При опыте холостого хода к первичной обмотке подводят напряжение U1 X= U1 HОМ, измеряют P1 X, I1 X и U1 X. (Вместо P1 X можно измерить j1 X – угол сдвига фаз между входными напряжением и током).

Опыт короткого замыкания проводят при пониженном напряжении U1 K, при котором токи обмоток достигают номинальных значений I1 K = I1НОМ, I2 K » I2НОМ. Измеряют P (либо j), I,U, I.

Векторная диаграмма для схемы замещения строится исходя из уравнений, составленных по первому и второму законам Кирхгофа. В комплексной форме:

Можно предложить следующую последовательность при построении (рис. 7.4.2).

В произвольно выбранном направлении строим вектор напряжения на нагрузке U2 = КТР UН и под углом jН к нему вектор тока нагрузки I2 = IН / КТР (см. рис. 7.4.2). На рисунке принято j H>0. Из конца вектора U2 строим векторы R2 I2 (параллельно I2) и XS2 I2 (перпендикулярно I2). Полученная сумма равна напряжению U. Вектор магнитного потока Ф отстает от него на 90 о .

Далее под углом j к вектору U строим вектор I » I и находим вектор тока I1 как сумму I2 и I.

Затем от конца вектора U откладываем падения напряжений R1 I1 (параллельно I1) и XS1 I1 (перпендикулярно I1) и находим U1 как сумму этих трех векторов.

В лабораторной работе используются трансформаторы с разъемным сердечником и сменными катушками. Номинальные параметры этих трансформаторов при частоте 50 Гц приведены в табл. 7.4.1.

W UH, B IH, мА R, Ом SH, ВА
100 2,33 600 0,9 1,4
300 7 200 4,8 1,4
900 21 66,7 37 1,4

Экспериментальная часть

Задание

Проделайте опыты холостого хода и короткого замыкания, определите параметры Т-образной схемы замещения, сделайте измерения первичных и вторичных величин при заданной нагрузке и постройте векторную диаграмму.

Порядок выполнения работы

· Соберите трансформатор с числом витков W1 = 300, W2 = 100, 300 или 900 по указанию преподавателя.

· Соберите цепь по схеме (рис. 7.4.3), включив в нее вместо измерительных приборов соответствующие гнезда коннектора. Сопротивление RДОБ служит для ограничения тока в опыте короткого замыкания и в первом опыте нужно вставить вместо него перемычку.

· Включите виртуальные приборы для измерения двух токов и двух напряжений, а также для измерения углов между U1 и I1, U2 и I2.

Читайте также:  Пятна на лозе винограда

· Сделайте измерения при холостом ходе (RH = ¥) и запишите результаты в табл. 7.4.2. Замените измерители разности фаз на ваттметры и запишите в таблицу активные мощности.

· Проделайте опыт короткого замыкания. Для этого вставьте добавочное сопротивление RДОБ = 22 Ом и перемычку между выходными зажимами. Подберите более точно RДОБ так, чтобы ток I1 был примерно (с точностью ±5%) равен номинальному току (200 мА) обмотки 300 витков. Для этого можно использовать параллельное или последовательное соединение сопротивлений, имеющихся в наборе. Запишите результаты измерений.

· Замените RДОБ снова на перемычку и подберите сопротивление RН так, чтобы токи были близки к номинальным (с точностью ±20%). Сделайте измерения и запишите результаты в таблицу.

U1, B U2, B I1, мА I2, МА j1, град. j2, град. P1, Вт P2, Вт
Опыт х.х.
Опыт к.з.
Нагрузочный режим

· Сделайте расчет параметров Т-образной схемы замещения трансформатора и запишите результаты в табл. 7.4.3.

Из опыта х.х. Из опыта к.з.
КТР = U1 X / U2 X = … КТР = I2K / I1K = …
Y1X = I1X / U1X = … 1/Ом Z1K = U1K / I1K = … Ом
G = Y1X cos j 1X = … 1/Ом RK = Z1K cos j 1K = … Ом
B = Y1X sin j 1X = … 1/Ом XK = Z1K sin j 1K = … Ом

· Сделайте необходимые расчеты и постройте на рис. 7.4.4 векторную диаграмму в нагрузочном режиме. Сравните величину напряжения U1, полученную построением с измеренным значением.

R1 = R2 = RK/2 = Ом;

XS1 = XS2 = XK/2 = Ом;

I2 = I2 / KTP = мА;

U2 = U2 KTP = В;

R2 I2 = В;

XS2 I2 = В;

Трансформатор тока работает в режиме, близком к короткому замыканию, так как в его вторичную обмотку включаются приборы с малым сопротивлением. Полное

суммарное сопротивление Z=R + jX приборов и подводящих проводов является нагрузкой трансформатора тока.

На рис. 1 приведена векторная диаграмма трансформатора тока, построение которой начинают с вектора I2ω2 — магнитодвижущей силы (МДС) вторичной обмотки. Вектор напряжения U2 получают как сумму векторов напряжений I2R и I2Х на активном R и реактивном X сопротивлениях нагрузки при токе I2 во вторичной цепи трансформатора.

Рис. 1- Векторная диаграмма трансформатора тока

Электродвижущая сила Е2 наводимая во вторичной обмотке потоком Ф0 в магнитопроводе, получена в результате сложения вектора U2 с векторами I2R2 и I2Х2 напряжений на активном R2 сопротивлении вторичной обмотки и его реактивном сопротивлении Х2, обусловленном потоком рассеяния.

Вектор МДС I1ω1 получен путем сложения вектора МДС Iω1 с повернутым на 180° вектором МДС I2ω2, т. е.

Из векторной диаграммы и уравнения (1) можно сделать следующие выводы.

Токовую погрешность для одного значения I2 можно свести к нулю подбором числа витков ω2 вторичной обмотки. Для других значений тока I2 погрешность не будет равна нулю, так как ток I0 не пропорционален току I2.

На рис. 2, а, б даны схема и внешний вид универсального трансформатора типа УТТ-5М. Он имеет магнитопровод из пермаллоя и две обмотки: вторичную (выводы И1, И2) с номинальным током I2ном =5 А и первичную, состоящую из двух секций с номинальными токами 1 5 и 50 А. При измеряемых токах 100—600 А первичная обмотка создается витками гибкого провода, проходящими через окно в трансформаторе.

Читайте также:  Клапан отсекатель к 302

Рис. 2- Трансформатор тока типа УТТ-5М.

а — схема; б — внешний вид.

Принцип работы трансформатора тока

Демонстрацию процессов, происходящих при преобразованиях электрической энергии внутри трансформатора, поясняет схема.

Через силовую первичную обмотку с числом витков ω1 протекает ток I1, преодолевая ее полное сопротивление Z1. Вокруг этой катушки формируется магнитный поток Ф1, который улавливается магнитопроводом, расположенным перпендикулярно направлению вектора I1. Такая ориентация обеспечивает минимальные потери электрической энергии при ее преобразовании в магнитную.

Пересекая перпендикулярно расположенные витки обмотки ω2, поток Ф1 наводит в них электродвижущую силу Е2, под влиянием которой возникает во вторичной обмотке ток I2, преодолевающий полное сопротивление катушки Z2 и подключенной выходной нагрузки Zн. При этом на зажимах вторичной цепи образуется падение напряжения U2.

Величина К1, определяемая отношением векторов I1/I2, называется коэффициентом трансформации. Ее значение задается при проектировании устройств и замеряется в готовых конструкциях. Отличия показателей реальных моделей от расчетных значений оценивается метрологической характеристикой — классом точности трансформатора тока.

В реальной работе значения токов в обмотках не являются постоянными величинами. Поэтому коэффициент трансформации принято обозначать по номинальным значениям. Например, его выражение 1000/5 означает, что при рабочем первичном токе 1 килоампер во вторичных витках будет действовать нагрузка 5 ампер. По этим значениям и рассчитывается длительная эксплуатация этого трансформатора тока.

Магнитный поток Ф2 от вторичного тока I2 уменьшает значение потока Ф1 в магнитопроводе. При этом создаваемый в нем поток трансформатора Фт определяется геометрическим суммированием векторов Ф1 и Ф2.

Схемы замещения

Возможны три режима работы трансформатора: режим холостого хода (ХХ), рабочий режим (номинальный) и режим короткого замыкания (КЗ). Рассмотрим работу трансформатора в этих режимах.

Режим холостого хода. В этом режиме сопротивление нагрузки равно бесконечности, в результате чего трансформатор эквивалентен обычной катушке индуктивности с ферромагнитным сердечником. В режиме холостого хода трансформатор можно представить схемой замещения, приведенной рисунке 4.


Рисунок 4 Схема замещения трансформатора для режима холостого хода (а — последовательная, б — параллельная)

В эквивалентной схеме трансформатора, приведенной на рисунке 4:

r1 — активное сопротивление первичной обмотки
LS1 — индуктивность, характеризующая поток рассеивания первичной обмотки
r — сопротивление активных потерь в магнитопроводе
L — основная индуктивность первичной обмотки

(2)

Трансформатор является обращаемым устройством (первичную и вторичную обмотки можно поменять местами!), поэтому для каждой из обмоток записываемосновную формулу трансформаторной ЭДС.

(3)
(4)

Разделив уравнение (3) на (4), получим выражение для коэффициента трансформации:

(5)

В режиме холостого хода трансформатора как раз и определяют его коэффициент трансформации.

Последнее изменение этой страницы: 2016-07-16; Нарушение авторского права страницы

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector