Ми вже бачили, що ккд трансформатора досягає досить високих значень. Однак як би не був високий ККД, за час експлуатації (20-25 років) втрати потужності, безповоротно втрачаються в трансформаторі, досить значні. Тому всебічне підвищення ефективності, тобто зниження втрат, залишається однією з головних задач виробництва трансформаторів. Звичайно, не все тут залежить від робочих, які збирають окремі вузли або транс-форматор в цілому. Однак глибокі знання причин виникнення втрат і шляхів їх зниження вкрай необхідні для успішного освоєння і грамотного виконання будь-яких виробничих операцій при складанні.
Ми вже розглянули, де і чому виникають втрати в трансформаторі. Подивимося, які шляхи існують для зменшення втрат в трансформаторах. Коли говорять про підвищення ккд трансформатора, в першу чергу розглядають можливість зниження втрат холостого ходу - постійних втрат трансформатора. Для зменшення втрат в стали існує кілька шляхів. Перший-зниження величини магнітного потоку Фо. Однак це самий невигідний шлях, так як для створення тих же ЕРС треба було б збільшити число витків в обмотках, тобто витратити біль-ше мідних або алюмінієвих проводів.
Вигідніше використовувати інший шлях: чи не зменшуючи магнітного потоку, застосовувати такі електротехнічні стали, які мали б високий опір (для зменшення вихрових струмів) і знижені втрати на гістерезис. Ще один шлях - виконання магнітної системи з тонких ізольованих пластин, що різко зменшує втрати від вихрових струмів. Широке використання конструкцій магнитопроводов з косими стиками пластин і без отвору в активній стали також знижує втрати холостого ходу.
Однак для збирача трансформатора особливо важливо знати, як залежать втрати в сталі від якості виконання ним відпо-чих виробничих операцій. Застосовувана зараз практично для всіх трансформаторів холоднокатана сталь дуже чутлива до механічних впливів. Навіть при різанні і штампуванні пластин відбувається погіршення магнітних властивостей стали в зоні різу. Удари по сталі, перегини пластин, наклеп легко порушують орієнтацію кристалів, збільшують питомі втрати і намагнічує потужність. До збірки муздрамтеатру пласти-ни стали обов'язково проходять високотемпературний відпал в печах, який відновлює магнітні властивості стали.
Однак при складанні муздрамтеатру, расшіхтовке і повторної шихтовці його верхнього ярма сталь дуже легко може знову призвести до пошкодження. Саме на цих операціях складальник повинен проявити особливу обережність і акуратність при поводженні з пластинами стали, не допускаючи механічних ушкоджень. Чим обережніше звертається складальник з пластинами, тим менше втрати холостого ходу в зібраному трансформаторі.
Досвід показує, що питомі втрати в сталі трансформатора в 1,3-1,5 рази вище, ніж у вихідному матеріалі. В значній мірі це залежить від якості збірки. При хорошій збірці втрати в магнітній системі трансформатора перевищують втрати в сталі до початку її механічної обробки лише на 25-30%.
Зниження втрат в обмотках від струмів навантаження трансформатор-ра найпростіше отримати, збільшивши перетин обмотувальних проводів. Однак економічно це невигідно, так як при цьому неминуче збільшуються розміри не тільки обмоток, а й муздрамтеатру, тобто збільшуються маса активних матеріалів і втрати холостого ходу в трансформаторі. Тому розміри обмотувальних проводів збільшують рідко, частіше за все, якщо цього вимагає механічна міцність обмоток.
Існують і інші шляхи зниження втрат в обмотках. Ми вже знаємо, що крім навантажувальних в обмотках існують додаткові втрати. Ці втрати не тільки зменшують ккд трансформатора, знижуючи його ефективність, але і часто концентруються в окремих елементах конструкції трансформатора, викликаючи їх небезпечний нагрів. Такі нагріви виникають зазвичай у верхніх і нижніх витках (котушках) обмоток, в пресуючих кільцях, яр-мових балках і баку трансформатора.
Потоки розсіювання вельми «чутливі» до магнітної симетрії обмоток. Досить навіть незначного зсуву обмоток відносно один одного, щоб різко збільшити розсіювання. Такі зміщення особливо часто відбуваються по висоті: одна з обмоток може бути нещільно насаджена або дещо відрізнятися по висоті від іншої. Це практично завжди порушує магнітну сіммет-рію і збільшує розсіювання. Тому при насадці (монтажі) обмоток складальник повинен ретельно стежити за їх висотами, не допускаючи зсуву обмоток, за рівномірністю каналів між ними, за їх строго концентричним розташуванням на осерді.
Порушення заданих проміжків між обмотками, відводами і баком, як правило, змінює напрямок потоків розсіювання і нерідко може викликати небезпечні місцеві нагріви в баку або полиці ярмова балки.
Втрати потужності і ККД трансформатора.
Трансформатори нормуються не по активній, а по повній потужності, тому що розміри трансформаторів при даній частоті визначається в основному номінальними напругою і струмом. Номінальний, тобто допустимий по нагріванню, ток визначає собою перетин проводів обмоток трансформатора. Від напруги, що припадає на один виток, залежать магнітний потік і розміри муздрамтеатру. Тому основний паспортної величиною є номінальна повна потужність S = U I. Втрати енергії при трансформації бувають постійні і змінні, що залежать від навантаження. Постійні втрати потужності складаються з втрат в сталевому муздрамтеатрі на гістерезис і вихрові струми. Втрати в стали визначаються значенням потоку і частотою і не залежать від навантаження, тому що пріU = const і f = const амплітуда потоку незмінна. Втрати в сталі можна прийняти рівними активної потужності, споживаної трансформатором на х.х.
Змінні втрати - це втрати в міді обмоток:
Звідси випливає, що втрати в обмотках при I1 = I1ном рівні активної потужності в досвіді к.з. для I1ном. ККД трансформатора
де Р1 і Р2 - споживана і віддається активна потужність. На х.х. P2 = 0 і
h = 0. З ростом Р2 ККД зростає, досягає максимального значення і потім починає
зменшуватися. Зменшення при великих навантаженнях пояснюється сильним збільшенням втрат в обмотках, тому що вони ростуть пропорційно квадрату струму. Максимум ККД має місце при рс = рм. Трансформатор конструюється так, щоб hmax досягалося при найбільш імовірною навантаженні, рівної (0,5-0,75) Р2ном. hном при Р2 = Р2ном близько до максимального h і досягає у великих трансформаторах 98-99%.
Мал. 32. ККД трансформатора в залежності від навантаження.
Групи з'єднання обмоток трансформатора
До сих пір при побудові векторних діаграм трансформатора вважалося, що ЕРС фази обмотки ВН і обмотки НН збігаються по фазі. Але це справедливо лише за умови намотування первинної і вторинної обмоток трансформатора в одному на-правлінні і однойменної маркування висновків цих обмоток, як показано на рис. 2.1, а. Якщо ж в транс-форматорів змінити напрямок обмотки НН або ж переставити позначення її висновків, то ЕРС виявиться зрушено по фазі щодо ЕРС на 180 ° (рис. 10.1, б). Зрушення фаз між ЕРС і прийнято виражати групою з'єднання. Так як цей зсув фаз може змінюватися від 0 до 360 °, а кратність зсуву становить 30 °, то для позначення групи з'єднання прийнятий ряд чисел: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 і 0.
Кут зсуву вектора лінійної ЕРС обмотки НН по відношенню до вектора лінійної ЕРС обмотки ВН визначають множенням числа, що позначає групу з'єднання, на 30 °. Кут зсуву отсчіти-ють від вектора ЕРС обмотки ВН за годинниковою стрілкою до вектора ЕРС обмотки НН. Наприклад, група з'єднання 5 вказує, що вектор ЕРС НН відстає по фазі від вектора ЕРС ВН на кут 5-30 ° = 150 °.
Для кращого розуміння прийнятого позначення груп з'єднання користуються порівнянням з годинником. При цьому вектор ЕРС обмотки ВН відповідає хвилинній стрілці, встановленої на цифрі 12, а вектор ЕРС обмотки НН - годинниковою стрілкою (рис. 10.2). При цьому необхідно мати на увазі, що збіг по фазі векторів ЕРС і, еквівалентну збігу стрілок годинника на циферблаті, позначення-чає групою 0 (а не 12). Крім того, слід пам'ятати, що за позитивний напрямок обертаючись-ня векторів ЕРС прийнято їх обертання проти часо-виття стрілки.
Таким чином, в однофазному трансформаторі можливі лише дві групи з'єднання: група 0, відповідна збігом по фазі і, група 6, відповідна зрушенню фаз між і на 180 °. З цих груп ГОСТ передбачає лише групу 0, вона позначення-чає I / I-0.
Мал. 10.1. Групи з'єднання обмоток однофазних трансформа-торів:
Мал. 10.2. Порівняння положення стрілок годинника з позначенням груп з'єднання.
Застосуванням різних способів з'єднання обмоток в трифазних трансформаторах можна створити 12 різних груп з'єднання розглянемо як приклад схему з'єднань «зірка - зірка» (рис. 10.3, а). Векторні діаграми ЕРС показують, що зрушення між лінійними ЕРС і в даному випадку дорівнює нулю. У цьому можна переконатися, поєднавши точки А і а при накладенні векторних діаграм ЕРС обмоток ВН і НН. Отже, при зазначених схемах з'єднання обмоток має місце група 0; позначається Y / Y-0. Якщо ж на боці НН в нульову точку з'єднати затискачі а, b і с, а знімати ЕРС з затискачів х, y і z, то ЕРС змінить фазу на 180 ° і трансфор-матора буде належати групі 6 (Y / Y -6) ( рис. 10.3, б).
При з'єднанні обмоток «зірка - трикутник», показаному на рис. 10.4, а, має місце група 11 (Y / # 916; -11). Якщо ж по-міняти місцями початку і кінці фазних обмоток НН, то вектор повернеться на 180 ° і трансформатор буде ставитися до групи 5 (Y / # 916; -5) (рис. 10.4, б).
При однакових схемах з'єднання обмоток ВН і НН, на-приклад Y / Y і # 916; / # 916; , Отримують парні групи з'єднання, а при неоднакових схемах, наприклад Y / # 916; або # 916; / Y, - непарні. Розглянуті чотири групи з'єднання (0, 6, 11 і 5) називають основними. З кожної основної групи з'єднання методом кругової перемаркировки висновків на одній стороні трансформатора, наприклад на стороні НН (без зміни схеми з'єднання), можна отримати по дві похідні групи. Наприклад, якщо в трансформаторі з групою з'єднання Y / Y-О (ріс.10.3, а) висновки обмотки НН перемаркувати і замість послідовності аbс прийняти послідовність саb, то вектор ЕРС повернеться на 120 °, при цьому отримаємо групу з'єднання Y / Y -4. Якщо ж висновки обмоток НН перемаркувати в послідовність bса, то вектор повернеться ще на 120 °, а всього на 240 °; отримаємо групу Y / Y- 8.
Ріс.10.3.Схеми з'єднання обмоток і векторні діагримми: а-для групи Y / Y -0: б-для групи Y / Y-6
Мал. 10.4. Схеми з'єднання обмоток і векторні діаграми: