47) Первичную и вторичную обмотку фазы трансформатора можно представить электрической схемой (рис.3.2).

В электрической схеме первичная и вторичная обмотки не связаны электрически. Воспользовавшись приведенной вторичной обмоткой можно преобразовать данную схему и объединить равнопотенциальные контуры и , т. е. соединить первичную и вторичную обмотки. Полученная схема (рис.3.3) называется Т – образной схемой замещения трансформатора.

На вход схемы замещения подают напряжение , к выходу ее подключают переменное сопротивление нагрузки , к которому приложено напряжение . Контур схемы замещения называют намагничивающим контуром. По намагничивающему контуру протекает ток холостого хода (намагничивающий ток) , который возбуждает в магнитопроводе трансформатора магнитный поток , наводящий в обмотках приведенного трансформатора ЭДС:

. (3.19)

Сопротивление взаимоиндукции намагничивающего контура в (3.19) обусловлено основным магнитным потоком и является коэффициентом пропорциональности между ЭДС обмоток приведенного трансформатора и током холостого хода. Активное сопротивление намагничивающего контура введено в схему замещения для учета магнитных потерь в магнитопроводе и является коэффициентом пропорциональности между реальными магнитными потерями и квадратом тока холостого хода:

(3.20)

Следует помнить, что активное сопротивление физического смысла не имеет. Оно не относится не к электрической, не к магнитной цепям реального трансформатора. Горизонтальная ветвь схемы замещения называется главной ветвью. По главной ветви протекает ток . В главной ветви: , активные сопротивления соответственно первичной и приведенной вторичной обмоток; , индуктивные сопротивления рассеяния первичной и приведенной вторичной обмоток;

полное сопротивление нагрузки, подключенной ко вторичной обмотке. Сопротивления намагничивающего контура и главной ветви называют параметрами схемы замещения трансформатора. Параметры схемы замещения можно считать постоянными только при небольших изменениях первичного напряжения в пределах . Это в первую очередь относиться к намагничивающему контуру с сопротивлением , параметры которого определяют в первую очередь ток . При увеличении напряжения происходит насыщение стали магнитопровода, а уменьшается, так как намагничивающий ток резко возрастает. При известных параметрах схемы замещения рассчитывают токи во всех ее ветвях и определяют энергетические величины трансформатора для любого режима нагрузки. Параметры схемы замещения определяют расчетным или опытным путем. В практике трансформатор остроения широко используются методы опытного определения параметров схемы замещения. Параметры схемы замещения опытным путем определяют по результатам опытов холостого хода и короткого замыкания.

48)Опыт холостого хода проводят с целью построения характеристик холостого хода и определения параметров намагничивающего контура схемы замещения.

Схема опыта для однофазного трансформатора приведена на рис. 1 Первичная обмотка подключается к синусоидальному напряжению через регулятор напряжения (РН), а вторичная обмотка разомкнута. Опыт проводят для ряда значений напряжения (обычно 5– 8), изменяя напряжение первичной обмотки от (малое насыщение стали магнитопровода) до (перевозбуждение трансформатора, сильное насыщение стали магнитопровода). В однофазном трансформаторе для каждого значения напряжения измеряют потребляемые первичной обмоткой ток и мощность и рассчитывают коэффициент мощности .

В трехфазном трансформаторе для каждой точки опыта определяют средние значения фазного тока , фазного напряжения , суммарную потребляемую мощность и рассчитывают коэффициент мощности . По результатам опыта строят характеристики холостого хода ,

49) Опыт короткого замыкания проводят с целью построения характеристик короткого замыкания, определения параметров главной ветви Т – образной схемы замещения и определения важной эксплутационной величины трансформатора – напряжения короткого замыкания.

Схема опыта для однофазного трансформатора приведена на рис. 3.4, б. Вторичная обмотка в опыте короткого замыкания замкнута накоротко, а к первичной через регулятор напряжения подводят пониженное напряжение при котором токи короткого замыкания в обмотках не превысят номинальные значения. Это напряжение значительно меньше номинального напряжения первичной обмотки . Если при закороченной вторичной обмотке к первичной подвести номинальное напряжение, то токи в обмотках в десятки раз превысят номинальные значения. Резко возрастут электрические потери в обмотках и электродинамические силы, действующие на обмотки. В результате чего обмотки трансформатора могут быть разрушены. Таким образом, в реальных условиях эксплуатации режим короткого замыкания является аварийным режимом. Поэтому опыт короткого замыкания проводят при пониженном напряжении. Напряжение изменяют от 0 до такого значения, чтобы ток первичной обмотки изменялся от до номинального значения . Обычно фиксируют 5 – 6 точек. В однофазном трансформаторе для каждого значения напряжения измеряют потребляемые первичной обмоткой ток и мощность и рассчитывают коэффициент мощности: . В трехфазном трансформаторе для каждой точки опыта определяют средние значения фазного тока короткого замыкания , фазного напряжения короткого замыкания , суммарную потребляемую мощность при коротком замыкании и рассчитывают коэффициент мощности

По результатам опыта строят характеристики короткого замыкания , .

50) Внешняя характеристика – это зависимость напряжения на выводах трансформатора от тока, протекающего через нагрузку, подключенную к этим выводам, т.е. зависимость U2=f(I2) при U1=const. При изменении нагрузки (тока I2) вторичное напряжение трансформатора изменяется. Это объясняется изменением падения напряжения на сопротивлении вторичной обмотки и изменением ЭДС E2'=E1 за счет изменения падения напряжения на сопротивлении первичной обмотки.     Значение нагрузки в трансформаторах определяют коэффициентом нагрузки: Kн=I2/I2ном ≈ I1/I1ном,   (1.30) характер нагрузки – углом 2 сдвига по фазе вторичных напряжения и тока. Точный расчет внешней характеристики можно выполнить по схеме замещения изменяя zн и определяя U2 и I2. Однако на практике часто пользуются формулой

U2= U20(1 - Δu/100),    (1.31)

где U20 - вторичное напряжение при холостом ходе; U2 -вторичное напряжение при данной нагрузке; a Δu - изменение вторичного напряжения, т.е. арифметическая разность между напряжением х.х. и напряжением при данной нагрузке в процентах от напряжения х.х.    Значение Δu рассчитывают по упрощенному выражению, которое можно получить из схемы замещения трансформатора при определенных допущениях: Δu=Kн(uкаcosφ2 + uкрsinφ2)   (1.32)

51)  КПД трансформатора называется отношение отдаваемой (полезной) электрической мощности P2 к потребляемой P1 :

η = P2/P1,   (1.34)

Мощность P1 обычно представляют в виде суммы мощности P2 и потерь в трансформаторе:

η = P2 / (P2 + ΔP2 + ΔP2   (1.35)

Активная мощность P2=S2cosφ2, где S2 – полная мощность. Поскольку выходное напряжение трансформатора слабо зависит от нагрузки, то коэффициент нагрузки (см. (1.30)) Kн= I2 / I2ном≈S2/Sном, где Sном - номинальное значение полной мощности; тогда P2=KнSномcosφ2. Электрические потери при произвольной нагрузке (см.1.10) можно выразить через коэффициент нагрузки и потери при номинальной нагрузке ΔPэ=Kн2 ΔPэном. Потери ΔPэном с достаточной степенью точности равны мощности Pк, потребляемой трансформатором в опыте к.з. ; магнитные потери ΔPм - мощности P0, потребляемой трансформатором в режиме х.х. Значения Pк и P0 приводятся в соответствующих стандартах и каталогах. С учетом вышеизложенного формула (1.35) принимает вид

η = KнSномcosφ2 / (KнSномcosφ2 + P0 + Kн2Pк)

При Kн=0 отдаваемая мощность P2 и КПД равны нулю. С ростом Kн возрастает мощность P2 при неизменном значении магнитных потерь (мощности P0) и КПД весьма быстро увеличивается. При некотором значении Kн.опт. КПД достигает максимума и затем начинает медленно уменьшаться. Причиной уменьшения КПД является увеличение электрических потерь, изменяющихся пропорционально квадрату тока, т.е. Kн2. Максимальное значение КПД мощных трансформаторов достигает 0,98-0,99, у трансформаторов мощностью в единицы В·А снижается до 0,6. Трансформаторы обычно проектируют так, чтобы оптимальный коэффициент нагрузки, при котором КПД достигает максимума, Kн.опт.≈ 0,5-0,7. При этом наиболее вероятному диапазону нагрузки трансформатора Kн=0,5–1 соответствует КПД, близкий к максимальному.    При уменьшении cosφ2 КПД снижается, т.к. уменьшается отдаваемая мощность P2 при неизменных электрических и магнитных потерях.

52) Магнитопровод такого трансформатора состоит из трех стержней, замыкаемых сверху и снизу ярмами. На каждый из стержней насаживают по одной первичной и вторичной обмотке. Первичные обмотки соединяют в звезду или треугольник, так же соединяют и вторичные обмотки. Стержень с обмотками представляет собой однофазный трансформатор. Поэтому все, что было сказано ранее об однофазном трансформаторе, целиком относится и к отдельной фазе трехфазного.

В каждом стержне трехфазного трансформатора возникает магнитный поток, созданный током первичной обмотки. Но каждая первичная обмотка принадлежит одной из фаз трехфазной системы. Поэтому протекающие по обмоткам токи, так же как и приложенные напряжения, являются трехфазными, следовательно, магнитные потоки тоже трехфазные.

До сих пор мы считали, что магнитный поток обязательно замыкается, т. е. пройдя по стержню, проходит обратный путь к началу того же стержня. Однако в трехфазном трансформаторе такого обратного пути нет, и в нем (при одинаковой нагрузке фаз) нет необходимости, как нет нужды и в нулевом проводе для тока при соединении в звезду.

Каждый из потоков циркулирует только по своему стержню, а все вместе они сходятся в серединах верхнего и нижнего ярем — точках Dи Е. В этих точках потоки складываются, но так как они сдвинуты по фазе друг относительно друга на угол 120°, то складываются геометрически. Как известно, геометрическая сумма таких величин равна нулю. Значит, каждый из магнитных потоков проходит только по своему стержню, не имеет обратного пути, а сумма всех трех потоков равна нулю. Потоки крайних фаз Л и С проходят не только по стержню, но и по половине верхнего и нижнего ярем. Поток средней фазы В проходит только по своему стержню. Поэтому и токи холостого хода крайних фаз всегда больше, чем ток холостого хода средней фазы.

53) Поскольку потери на нагревание провода пропорциональны квадрату тока, проходящего через провод, при передаче электроэнергии на большое расстояние выгодно использовать очень большие напряжения и небольшие токи. Из соображений безопасности и для уменьшения массы изоляции в быту желательно использовать не столь большие напряжения. Поэтому для наиболее выгодной транспортировки электроэнергии в электросети многократно применяют трансформаторы: сначала для повышения напряжения генераторов на электростанциях перед транспортировкой электроэнергии, а затем для понижения напряжения линии электропередач до приемлемого для потребителей уровня.

Поскольку в электрической сети три фазы, для преобразования напряжения применяют трёхфазные трансформаторы, или группу из трёх однофазных трансформаторов, соединённых в схему звезды или треугольника. У трёхфазного трансформатора сердечник для всех трёх фаз общий.

Несмотря на высокий КПД трансформатора (свыше 99 %), в очень мощных трансформаторах электросетей выделяется большая мощность в виде тепла (например, для типичной мощности блока электростанции 1 ГВт на трансформаторе может выделяться мощность до нескольких мегаватт). Поэтому трансформаторы электросетей используют специальную систему охлаждения: трансформатор помещается в баке, заполненном трансформаторным маслом или специальной негорючей жидкостью. Масло циркулирует под действием конвекции или принудительно между баком и мощным радиатором. Иногда масло охлаждают водой. «Сухие» трансформаторы используют при относительно малой мощности (до 16000 кВт).

54) Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора. Асинхронные машины — наиболее распространённые электрические машины. В основном они используются как электродвигатели и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую. Асинхронная машина имеет статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями являются обмотки и магнитопровод; все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жёсткость, охлаждение, возможность вращения и т. п.

Обмотка статора представляет собой трёхфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120 эл.град. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» и подключают к сети трёхфазного тока. Магнитопровод статора перемагничивается в процессе изменения (вращения) магнитного потока обмотки возбуждения, поэтому его изготавливают шихтованным (набранным из пластин) из электротехнической стали для обеспечения минимальных магнитных потерь.

По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из электротехнической стали и шихтованным.