Трансформатордың қысқа тұйықталу кезеңіндегі энергияның жоғалуын зерттеу

       Электр энергиясын трансформациялау кезінде жүктелмеген кернеу трансформаторында болатын электр физикалық процестер. Трансформациялау электр магниттік индукция заңына негізделген: Өзгермелі магнит өрісіндегі кез келген ток өткізіп денеде электр қозғаушы күш индукцияланады да, оны электр энергиясының көзіне айналдырады. Төменде 2-суретте көрсетілгендей, бірфазалы трансформатормен кернеуді трансформациялауға мысал келтіреміз. Онда бірінші орамаға оралым саны w₁ және оралым саны w₂ екінші орамасы бар трансформатордың әр магнитөткізгіштің өзекшесінде болатын физикалық процесс көрсетілген.

 

                                                                                  .          2-сурет. Кернеу трансформаторының жүктемесіз жүмысының негізгі  сұлбасы.

 Екінші  орама  ажыратулы   тұрған  кезде бірінші ораманы айнымалы кернеу U1 желісіне қосады. Ом заңы бойынша бірінші  орамада айнымалы ток I1  пайда  болады, ол Ф₁ магнит ағынын  туғызады. Тоқ пен магнит ағыны, бірінші  жуық  мәнінде синусоидалы деп саналады. Пайда болған магнит ағынының негізгі бөлігі  болат  магнитөткізгіште тұйықталады.

Бұл  магнит ағыны  негізгі  магнит  ағыны деп аталады да, Ф1 арқылы таңбаланады. Оның басқа бөлігі магнитөткізгішке соқпастан өткізгіштің айналасындағы ауа бойынша тұйықталады, магнит ағынының бұл бөлігі шашыранды ағын деп аталып, Ф₁₆ арқылы таңбаланады.

       Күш  трансформаторларында  негізгі магнит агыны Ф1, шашыранды магнит ағынынан  әлдеқайда көп, себебі болаттың магнитөткізгіштігі, ауадағыдан  әлдеқайда артық. Қазіргі трансформаторлардың шашыранды ағындары  өте  аз, ол негізгі агынның 0,5%-нан аспайды. Сондықтан трансформатордың  жұмысын  қарастырғанда  шашырау  ағынын  елемеуге болады.

         Негізгі   магнит  ағыны  уақытқа қарай өзгереді. (dФ\/dt) және Миткевич анықтаған  ереже  "Ом заңы"  бойынша  магнитөткізгіштің  бойымен айнала отырып, екінші  орамада  электр  магниттік  индукция  заңына сәйкес индукцияланады: ЭҚК:

                                  е₂ = -w₂ d Ф/dt                  (1.1.)

Тұрақты тоқтың  ағыны  уақытпен  бірге өзгермейді (dФ/d t=0), сондықтан ол  электр  қозғаушы күшті екінші орамада индукциялай  алмайды (е₂=- w₂ L₀=0). Сөйтіп, бірінші орамаға  қосылган  электр  энергия-сы  өзара  түрлену арқылы екінші орамада магниттік энергияға айналады. Трансформатордың екінші  орамасы ажыратулы болғандықтан, оның қыспаларындагы ЭҚК мен кернеу шама жағынан тең, бағыты бойынша қарама-қарсы. Демек бұл жағдайда:

                              e₂=U_2x                    (1.2.)

      Соған  байланысты  трансформатордың бірінші орамына  берілген кернеу U1 екінші ораманың қыспаларындагы U2  кернеу ретінде трансформацияланады.

      Трансформатордың  екінші орамындағы  кернеу U2-нің шамасы (1.1) және (1.2.) теңдеуінен көрінгендей  орам санына тәуелді. Бірінші орамадағы оралым санының екінші орамадағы оралым санына қатынасы трансформациялау  коэффициенттерімен сипатталады:

                                     W1\w2 =  к_т      (1.3)

Бұл  трансформатордың  бірінші  және екінші орамасындағы ЭҚК қатынасы болады. Бірінші орамадағы ЭҚК-ті өлшеу іс жүзінде мүмкін емес, ал көп жағдайда оралым саны көрсетілмегендіктен трансформациялау коэффициенті ретінде  кернеудің немесе  токтың  негізгі  мәнін  алады:

                                         к_т = U,/U₂  =I2 I1          (1.4;

Екі  орама бір магнитөткізгіште және магнит ағынында орналасқан, уақытқа қарай синусоидалық заң бойынша өзгере отарып, Ф=Фm, бұлардың әр-қайсысында ЭҚК индукцияланады:

        Алынған теңдеу  е1_:- және е₂- Ф магнит ағынынан π/2  бұрышына кешігеді, ал соған сәйкес олардың амплитудалық мәндері,

тең   болады.  

       Трансформатор  орамасындагы  индукцияланған  ЭҚК-тің  шамасы    көрсетілгендей   оралым  санына  w,  магнит  ағыны  жиілігінің  және  оның  амплитудасы   Ф -нің  өзгеруіне   тәуелді.

      Трансформатордың  магнитөткізгіштері  үшін  магнит индукциясының шамасының  шегі 1,0-ден  1,6  Теслаға  дейін  болғандықтан жүйедегі теңдеудегі Ф_т магнит агынын В_п индукциямен ауыстыру тиімдірек, онда:

                                                Е1 = 4,44 w,f В Q ;

                                          Е2 = 4,44 w,f В0„  (1.5)

мұндағы Q_c - трансформатордың  магнитөткізгіш өзегінің қимасы.

      Бұлай өзгерту  трансформатордың бірінші және  екінші орамасындағы ЭҚК-тің шамасын,  сондай-ақ, оның трансформация коэффициентін оңай есептеуге мүмкіндік береді:

                                          к_т =Е,/Е, =wjw₂          (1.6)

      Трансформатордың  бос жүріс кезіндегі орнықты жұмысының тәртібі бірінші ораманың электрлік тепе-теңдігімен өрнектеледі. Жалпы жагдайда трансформатор орамасына берілген кернеу онда негізгі ағыннан индукцияланған электр қозғаушы куш пен шашырау  ағынынан, орамадағы тоқтан кернеудің азаюынан  магнитөткізгіш  темірдегі құйынды тоқтан және гистерезис құбылысынан (темірдің артық магниттелуі) болатын магнит ағынындағы болаттың кедергісі арқылы  кернеудің жалған құлдырауынан құралған магнит шығынына пропорционал.

Электр  магниттік индукция заңына сәйкес трансформатордың  бірінші орамасында  екі  ЭҚК индукцияланады:

        -   негізгі  магнит  ағынынан  болатын   ЭҚК

                                       e_l  = -wdФ/dt         (1.7)

• шашырау магнит  ағынынан болатын  ЭҚК                                                                             

                                        е_и = -L_Jt di_l /dt₂      (l.8)

мұндагы L₁.— трансформатордың  бірінші  орамасында  шашырау ағынының индукциялығы, ол оның темір өзекшесі жоқ кездегі индукциялығына тең. Бірінші орамадағы тоқ оның омдық кедергісінде кернеуді төмендетеді, оның сандық мәні физика курсынан белгілі (R=l/У s немесе R=U/I) есептеу немесе эксперименталды жолмен жеңіл анықталады.

        Гистерезистік   құбылысты ескере отырып болаттың  электрлік кедергісін және соған   сәйкес кернеудің түсуін анықтау,  ферромагнитті денелердегі айнымалы  электр магниттік өрісті зерттеу  процесіне жататын  теориялық  күрделі мәселе. Электр желілері теория түрғысынан алып қарағанда трансформатордың бос жүріс жұмыс тәртібі активті-индуктивтік жүктеме болып табылады, оның толық қуатының активті бөлігі мынадай өрнекпен анықталады:

                                     P=U,I,cos<φ=I.²R,          (1.9)

      Ол  трансформатордың бірінші орамасы  мен магнитөткізгіштің болатындығы жылу ретінде бөлінеді,

                                    демек Р₁ = P_xl  + P_cm         (1.10)

мұндагы, Р1 ~  трансформатордың магнитөткізгіштеріндегі электр және магнит шығындар:

                                             Р    = Р   + Р            (1.11)

мұндағы, Р мен Р_гс~- болаттағы  құйынды  тоқтар (Фуко тогы) мен гистерезис құбылысынан (болаттың артық магниттелуі) болатын шығындар. Трансформаторда болатын физикалық нақтылы процестерді абструкциялай отырып, магнитөткізгіште қүйынды токтар мен гистерезис құбылысынан шығындарды  электрлік  және магниттік шығындарға  балап, эквивалентті электр кедергісін (1.12.) теңдеудегі R-ді  омдық кедергілердің R_t және магнитөткізгіштегі жалған  кедергінің R1-жиынтығы   ретінде  қарастырып, былай өрнектеуге болады:  

rj   мен  R_m активті қуат тұтынушы болғандықтан олардың жиынтық мәнін активті  кедергі  деп атайды, болған R әрпімен таңбаланатын омдық кедергіден ажырату үшін оны  латынның  г  әрпімен таңбалайды:

R_cm бос жүріс режимдегі  трансформатордың  магнитөткізгішіндегі және басқа металл құрылғы бөлігіндегі жылуға пропорционалды жалған кедергі.

r_lx - трансформатордың бос жүріс режимдегі әлектр энергиясын бірнеше ораманың магнитөткізгіші мен конструкциялық басқа қүрылғыларында бөлініп шыққан жылулардың қосындысына тең жылуға айналдыратын активті жалған кедергі.

       Болаттың  электр  кедергісін анықтау әдістемесі  төменде 1.5.2.-тармағында баяндалған. Сонымен, трансформатордың бос жүріс режимде баяндалған электрлік тепе-теңдігінің лездік мәні былай жазылады:

        -  бірінші орамада:

                                         _Uj  = - _е,  - e_t<s + i_tr_lx         (1.12)

       -    екінші  орамада:

                                               u,_x =e₂           (1.13)

ЭТН  (электр техникасының теориялық негіздері) курсында айтылған синусоидалы  өзгеретін  кешенді  амплитуда  теориясы түрғысынан қарасақ, трансформатордың  бос  жүріс режимде электрлік тепе-теңдіктің әсері білінеді.

                                           U_2y = E₂          (1.14)

 

      мұндағы

                    I, jx, = -E_ls         (1.15)

                    X_t = 2n fb_ie          (1.16)

      мұнда  IjL ji x = -E _1б - трансформатордың бірінші орамасында шашыранды  магнит арынынан  пайда болған ЭҚК әрекеттік мәні, оның сандық  мәні  кернеудің индуктивті шашыранды кедергісіне түсуіне тең. r_t — трансформатордың  бірінші орамасындары активті кедергі; х_:- трансформатордың бірінші орамасындағы  индуктивті шашыранды кедергі; / -қоректендіру көзіндегі тоқтың  (кернеудің) жиілігі, шашырандылықтың индуктивтік кедергісін анықтау әдістемесі 1.5.2. тармақта жазылған.

 Жүктелген трансформатормен (жүмыс тәртібі) электр энергиясын трансформациялаудың электр физикалық процесі.

Трансформатордың жұмыс тәртібі, жалпы алғанда, оның орамаларының бірін  қалыпты  кернеулі (немесе соган  жуық) тоқ  көзіне қосып, ал екінші ораманың қысқышына электр кедергісінің  шамасы орамадағы тоқ күші қалыпты  деңгейден  асып  кетпейтіндей  етіп тұтынушылармен жалғастырылған жағдай.

       Жұмысшы  тәртібінде болатын физикалық  жагдай (1.4-сурет) трансформаторлардың   жүктеусіз  істеп түрған  дағдыдан  өзгеше (1.3-сурет). Мұнда  екінші ораманың қысқыштарына тұтынушыларды  қосқаннан кейін онда і_г пайда болады да, Ф2 магнит  ағыны болатын  аз магнит өрісін туғызады.  Бірінші  орамадағы  сияқты  оның  бір бөлігі магнит өткізгіштермен  тұйықталып, ал шашырау тоғы Ф₂₅ ауа арқылы екінші ораманың орамдарының айналасында түйықталады. Негізгі магнит ағыны магнитөткізгіштермен тұйықталады, бірінші орамада тоқтан (1.3.1.) пайда болған  магнит ағынымен өзара байланысқа түседі.

       Ф₂ магнит ағыны Ф₁ магнит ағынынан туындағандықтан, Ленц ережесіне сәйкес Ф₁ магнит ағынының барлық өзгерістері қарсыласатын болады. Егер процесті магнит ағынының әсер етуші  мәні бойынша қарастыратын болсақ, Ф₂ магнит ағыны Ф магнит ағынына қарсы бағытталатын  болады (1.3-сурет).

       Екі ораманың магнитөткізгіші ортақ болғандықтан онда бір магнит ағыны Ф_м орнығады, ал трансформатор орамаларының әрқайсысында туындаган магнит ағындарының векторлық қосындысына тең:

Магнит ағынының қосындысы Ф_и Ф₁ мен Ф₂ магнит ағындарының алгебралық қосындысына тең емес, себебі олар уақыт жағынан сәйкес келмейді.

Жұмыс жағдайында магнитөткізгіш қаныққан күйде болады да, Фм магнит ағынын, кейбір рұқсат етілген ауытқу мен шамасы жағынан өзгеріссіз деп алуға болады.

 

                         

                             

                            

         3-сурет. Кернеу трансформаторының  жүктемемен жұмысының негізгі  сұлбасы

 

 

Бос жүріс және қысқа тұйықталу тәжірбиесі.

           Трансформаторды сынау үшін бос жүріс және қыска тұйыкталу тәжірибесі колданылады.

Қысқа тұйықталу (короткое замыкание) дегеніміз-ток жүріп тұрған әртүрлі фазалы екі немесе оданда көп өткізгіштердің бір-бірімен, болмаса  нольдік откізгішпен ешқандай кедергісіз түйісуі.

Қысқа тұйықталудың себептері  әртүрлі болуы мүмкін: жалаңаш ток өткізгіш желілердің бір-бірімен түйісіп қалуы, болмасаоқшаулағыштардың тозуы салдарынан бүлінуі және тағы да басқа себептер.

Қысқа тұйықталудың ең қауіпті  жағдайы-оның электр энергиясының  көзіне жақын жерде болған уақытында: егерде қысқа тұйықталу осындай ток көзінен шыға берісте болса, ток күшін шектейтінтек қана осы ток көзінің ішкі кедергісі болады.

Энерегетикалық жүйелерде  қысқа тұйықталу токтарының  күші жүздеген мың амперге дейін жетеді де мұндай токтарды ажырату бірталай қиындықтар туғызады. Ал тұрғын үйлердегі жарық жүйелеріндегі қысқа тұйықталу токтарының шамасы соншама үлкен болмайды, шамамен 30-100ампер. Дегенмен де өрт қауіпсіздігі тұрғысынан алып қарағанда ондай токтарды тез ажыратудың маңызы зор.

Егер трансформатордың бірінші реттік орамын айнымалы ток электр энергиясының көзіне қоссақ онда бұл орамда бос жүріс тогы жүреді. Үлкен қуатты трансформаторларда бос жүріс тоғі нақтылы (номинал) токтын 5—10-тей шамасына жетуі мүмкін. Куаты кіші трансформаторларда бұл ток нактылы токтың 25— 30%-дейін болуы мүмкін.