Способы уменьшения потерь в трансформаторе

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 5Следующая ⇒

Мы уже видели, что кпд трансформатора достигает весьма высоких значений. Однако как бы ни был высок кпд, за время эксплуатации (20—25 лет) потери мощности, безвозвратно теряемые в трансформаторе, довольно значительны. Поэтому всемерное повышение эффективности, т.е. снижение потерь, остается одной из главных задач производства трансформаторов. Конечно, не все здесь зависит от рабочих, собирающих отдельные узлы или трансформатор в целом. Однако глубокие знания причин возникновения потерь и путей их снижения совершенно необходимы для успешного освоения и грамотного исполнения любых производственных операций при сборке.

Мы уже рассмотрели, где и почему возникают потери в трансформаторе. Посмотрим, какие пути существуют для уменьшения потерь в трансформаторах. Когда говорят о повышении кпд трансформатора, в первую очередь рассматривают возможность снижения потерь холостого хода — постоянных потерь трансформатора. Для уменьшения потерь в стали существует несколько путей. Первый— снижение величины магнитного потока Фо. Однако это самый невыгодный путь, так как для создания тех же эдс потребовалось бы увеличить число витков в обмотках, т.е. израсходовать больше медных или алюминиевых проводов.

Выгоднее использовать другой путь: не уменьшая магнитного потока, применять такие электротехнические стали, которые имели бы высокое сопротивление (для уменьшения вихревых токов) и пониженные потери на гистерезис. Еще один путь — выполнение магнитной системы из тонких изолированных пластин, что резко уменьшает потери от вихревых токов. Широкое использование конструкций магнитопроводов с косыми стыками пластин и без отверстия в активной стали также снижает потери холостого хода.

Однако для сборщика трансформатора особенно важно знать, как зависят потери в стали от качества выполнения им соответствующих производственных операций. Применяемая сейчас практически для всех трансформаторов холоднокатаная сталь весьма чувствительна к механическим воздействиям. Даже при резке и штамповке пластин происходит ухудшение магнитных свойств стали в зоне реза. Удары по стали, перегибы пластин, наклеп легко нарушают ориентацию кристаллов, увеличивают удельные потери и намагничивающую мощность. До сборки магнитопровода пластины стали обязательно проходят высокотемпературный отжиг в печах, восстанавливающий магнитные характеристики стали.

Однако при сборке магнитопровода, расшихтовке и повторной шихтовке его верхнего ярма сталь очень легко может вновь повредиться. Именно на этих операциях сборщик должен проявить особую осторожность и аккуратность при обращении с пластинами стали, не допуская механических повреждений. Чем осторожнее обращается сборщик с пластинами, тем меньше потери холостого хода в собранном трансформаторе.

Опыт показывает, что удельные потери в стали трансформатора в 1, 3—1, 5 раза выше, чем в исходном материале. В значительной степени это зависит от качества сборки. При хорошей сборке потери в магнитной системе трансформатора превышают потери в стали до начала ее механической обработки лишь на 25—30%.

Снижение потерь в обмотках от токов нагрузки трансформатора проще всего получить, увеличив сечение обмоточных проводов. Однако экономически это невыгодно, так как при этом неизбежно увеличиваются размеры не только обмоток, но и магнитопровода, т.е. увеличиваются масса активных материалов и потери холостого хода в трансформаторе. Поэтому размеры обмоточных проводов увеличивают редко, чаще всего, если этого требует механическая прочность обмоток.

Существуют и другие пути снижения потерь в обмотках. Мы уже знаем, что кроме нагрузочных в обмотках существуют добавочные потери. Эти потери не только уменьшают кпд трансформатора, снижая его эффективность, но и часто концентрируются в отдельных элементах конструкции трансформатора, вызывая их опасный нагрев. Такие нагревы возникают обычно в верхних и нижних витках (катушках) обмоток, в прессующих кольцах, яр-мовых балках и баке трансформатора.

Потоки рассеяния весьма «чувствительны» к магнитной симметрии обмоток. Достаточно даже незначительного смещения обмоток относительно друг друга, чтобы резко увеличить рассеяние. Такие смещения особенно часто происходят по высоте: одна из обмоток может быть неплотно насажена или несколько отличаться по высоте от другой. Это практически всегда нарушает магнитную симметрию и увеличивает рассеяние. Поэтому при насадке (монтаже) обмоток сборщик должен тщательно следить за их высотами, не допуская смещения обмоток, за равномерностью каналов между ними, за их строго концентрическим расположением на сердечнике.

Нарушение заданных промежутков между обмотками, отводами и баком, как правило, изменяет направление потоков рассеяния и нередко может вызвать опасные местные нагревы в баке или полке ярмовой балки.

Потери мощности и КПД трансформатора.

Трансформаторы нормируются не по активной, а по полной мощности, т.к. размеры трансформаторов при данной частоте определяется в основном номинальными напряжением и током. Номинальный, т.е. допустимый по нагреву, ток определяет собой сечение проводов обмоток трансформатора. От напряжения, приходящегося на один виток, зависят магнитный поток и размеры магнитопровода. Поэтому основной паспортной величиной является номинальная полная мощность S = U I. Потери энергии при трансформации бывают постоянные и переменные, зависящие от нагрузки. Постоянные потери мощности состоят из потерь в стальном магнитопроводе на гистерезис и вихревые токи. Потери в стали определяются значением потока и частотой и не зависят от нагрузки, т.к. при U = const и f = const амплитуда потока неизменна. Потери в стали можно принять равными активной мощности, потребляемой трансформатором на х.х.

Переменные потери - это потери в меди обмоток:

р_м = р_1м + р_2м= r₁ I₁² + r₂ I₂²,

т.к. I₂ ≈ I₁ (при I_о ≈ 0), то

p_м = (r₁ + r₂ ) I₁² = r_к I₁².

Отсюда вытекает, что потери в обмотках при I ₁ = I _1ном равны активной мощности в опыте к.з. для I _1ном. КПД трансформатора

h = P₂ /P₁ = (P₁ – p_с – p_м )/P₁ = 1 - (p_с + p_м )/P₁,

где Р₁ и Р₂ - потребляемая и отдаваемая активная мощность. На х.х. P₂ = 0 и

h = 0. С ростом Р₂ КПД растет, достигает максимального значения и затем начинает

уменьшаться. Уменьшение при больших нагрузках объясняется сильным увеличением потерь в обмотках, т.к. они растут пропорционально квадрату тока. Максимум КПД имеет место при р_с = р_м. Трансформатор конструируется так, чтобы h_max достигалось при наиболее вероятной нагрузке, равной (0, 5-0, 75) Р_2ном. h_ном при Р₂ = Р_2ном близко к максимальному h и достигает в больших трансформаторах 98-99%.

Рис. 32. КПД трансформатора в зависимости от нагрузки.

Группы соединения обмоток трансформатора

До сих пор при построении векторных диаграмм трансформатора считалось, что ЭДС фазы обмотки ВН и обмотки НН совпадают по фазе. Но это справедливо лишь при условии намотки первичной и вторичной обмоток трансформатора в одном направлении и одноименной маркировке выводов этих обмоток, как показано на рис. 2.1, а. Если же в трансформаторе изменить направление обмотки НН или же переставить обозначения ее выводов, то ЭДС окажется сдвинутой по фазе относительно ЭДС на 180° (рис. 10.1, б). Сдвиг фаз между ЭДС и принято выражать группой соединения. Так как этот сдвиг фаз может изменяться от 0 до 360°, а кратность сдвига составляет 30°, то для обозначения группы соединения принят ряд чисел: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 и 0.

Угол смещения вектора линейной ЭДС обмотки НН по отношению к вектору линейной ЭДС обмотки ВН определяют умножением числа, обозначающего группу соединения, на 30°. Угол смещения отсчитывают от вектора ЭДС обмотки ВН по часовой стрелке до вектора ЭДС обмотки НН. Например, группа соединения 5 указывает, что вектор ЭДС НН отстает по фазе от вектора ЭДС ВН на угол 5-30°= 150°.

Для лучшего понимания принятого обозначения групп соединения пользуются сравнением с часами. При этом вектор ЭДС обмотки ВН соответствует минутной стрелке, установленной на цифре 12, а вектор ЭДС обмотки НН — часовой стрелке (рис. 10.2). При этом необходимо иметь в виду, что совпадение по фазе векторов ЭДС и , эквивалентное совпадению стрелок часов на циферблате, обозначается группой 0 (а не 12). Кроме того, следует помнить, что за положительное направление вращения векторов ЭДС принято их вращение против часовой стрелки.

Таким образом, в однофазном трансформаторе возможны лишь две группы соединения: группа 0, соответствующая совпадению по фазе и , группа 6, соответствующая сдвигу фаз между и на 180°. Из этих групп ГОСТ предусматривает лишь группу 0, она обозначается I/I—0.

Рис. 10.1. Группы соединения обмоток однофазных трансформаторов:

а — группа I/I — 0; б—группа I/I — 6

Рис. 10.2. Сравнение положения стрелок часов с обозначением групп соединения.

Применением разных способов соединения обмоток в трехфазных трансформаторах можно создать 12 различных групп соединения рассмотрим в качестве примера схему соединений «звезда — звезда» (рис. 10.3, а). Векторные диаграммы ЭДС показывают, что сдвиг между линейными ЭДС и в данном случае равен нулю. В этом можно убедиться, совместив точки А и а при наложении векторных диаграмм ЭДС обмоток ВН и НН. Следовательно, при указанных схемах соединения обмоток имеет место группа 0; обозначается Y/Y—0. Если же на стороне НН в нулевую точку соединить зажимы а, b и с, а снимать ЭДС с зажимов х, y и z, то ЭДС изменит фазу на 180°и трансформатор будет принадлежать группе 6 (Y/Y —6) (рис. 10.3, б).

При соединении обмоток «звезда — треугольник», показанном на рис. 10.4, а, имеет место группа 11 (Y/Δ —11). Если же поменять местами начала и концы фазных обмоток НН, то вектор повернется на 180° и трансформатор будет относиться к группе 5 (Y/Δ —5) (рис. 10.4, б).

При одинаковых схемах соединения обмоток ВН и НН, например Y/Y и Δ /Δ , получают четные группы соединения, а при неодинаковых схемах, например Y/Δ или Δ /Y, — нечетные. Рассмотренные четыре группы соединения (0, 6, 11 и 5) называют основными. Из каждой основной группы соединения методом круговой перемаркировки выводов на одной стороне трансформатора, например на стороне НН (без изменения схемы соединения), можно получить по две производные группы. Например, если в трансформаторе с группой соединения Y/Y—О (рис.10.3, а) выводы обмотки НН перемаркировать и вместо последовательности аbспринять последовательность саb, то вектор ЭДС повернется на 120°, при этом получим группу соединения Y/Y—4. Если же выводы обмоток НН перемаркировать в последовательность bса, то вектор повернется еще на 120°, а всего на 240°; получим группу Y/Y— 8.

Рис.10.3.Схемы соединения обмоток и векторные диагрыммы: а-для группы Y/Y –0: б-для группы Y/Y-6

Рис. 10.4. Схемы соединения обмоток и векторные диаграммы:

⇐ Предыдущая 1 2 345 Следующая ⇒