Transformatora impedanse un sprieguma regulācija: formulas, procenti un efekti

Transformatora impedanse ietekmē gan spriegumu, kas pieejams slodzei, gan defekta strāvu, ko transformators var piegādāt. Sprieguma regulācija apraksta, cik daudz sekundārais spriegums mainās, pievienojot slodzi. Šo divu saistīto parametru izpratne ir svarīga, izvēloties transformatorus, pārbaudot sprieguma kritumu, novērtējot īsslēguma strāvu, novērtējot motora iedarbināšanu un plānojot paralēlo transformatoru darbību.

Katalogs

Transformatora ekvivalenta shēma un sprieguma regulācija

Transformatora impedanse tiek attēlota ar ekvivalentu sērijveida impedansi, kas saistīta ar vienu tinumu:

Z_eq = R_eq + jX_{_eq}

Tā lielums ir:

|Z_eq| = √(R_eq² + X_eq²)

kur:

R_eq = ekvivalenta tinuma pretestība

X_eq = noplūdes reaktance

Z_eq = ekvivalenta sērijveida impedanse, kas saistīta ar vienu tinumu

|Z_eq| = impedances lielums, ko izmanto procentuālas impedances aprēķiniem

Visām kvantitātēm jābūt sasaistītām ar to pašu transformatora pusi.

Attēls 1. Vienkāršots transformatora impedances un sprieguma krituma modelis

Visas kvantitātes attēlā 1 ir sekundāri saistītās vērtības, un magnētiskā filiāle ir izlaista. Reaktances sprieguma kritums ir jI₂X_eq.

E₂ = V₂ + I₂(R_eq + jX_eq)

kur sprieguma un strāvas kvantitātes ir fazoru veidā. Vienota vai kavēta jaudas koeficienta gadījumā V₂ parasti ir zemāka nekā E₂. Pietiekami vadoša slodze var radīt sprieguma pieaugumu un negatīvu regulāciju.

Transformatora sprieguma regulācija apraksta sekundārā pievienošanas sprieguma izmaiņas starp slodzes neesamību un norādīto slodzes stāvokli:

Sprieguma regulācija (%) = (V_NL − V_L) ÷ V_L × 100

kur:

V_NL = slodzes neesamības sekundārais spriegums

V_L = sekundārā pievienošanas spriegums noteiktā slodzes un jaudas koeficienta gadījumā

Salīdzinājums pieņem, ka primārais spriegums, frekvence, pievienojuma pozīcija un atsauces apstākļi ir vienādi.

Piemēram, ja sekundārais spriegums ir 240 V, kad nav slodzes, un 230 V, kad ir slodze:

Sprieguma regulācija = (240 − 230) ÷ 230 × 100

Sprieguma regulācija ≈ 4.35%

Transformatora impedanse un sprieguma regulācija ir savstarpēji saistīti, taču tie nav viens un tas pats parametrs.

Parametrs	Ko tas attēlo
Transformatora impedanse	Ekvivalentā pretestība un noplūdes reaktance, kas pretojas strāvai
Impedances проценти	Transformatora impedanse, izteikta attiecībā pret nominālajiem vērtībām
Sprieguma regulācija	Sekundārā sprieguma izmaiņas starp slodzes neesamību un norādīto slodzes stāvokli

Augstāka impedanse parasti rada lielāku iekšējo sprieguma kritumu, bet arī stiprāk ierobežo īsslēguma strāvu. Faktiskais sprieguma regulējums atkarīgs arī no slodzes strāvas un jaudas faktora.

Procentuāla impedanse un per-unit aprēķini

Transformatora impedanse parasti tiek specifikēta kā procents. Tas ir iegūts no sprieguma, kas nepieciešams, lai cirkulētu nominālo strāvu īsslēguma testā.

Pamata attiecība ir:

%Z = V_SC ÷ V_rated × 100

kur:

V_SC = īsslēguma vai impedances spriegums

V_rated = nominālais spriegums enerģizētajā tinumā

Piemēram, ja 400 V tinumam ir nepieciešami 20 V, lai radītu nominālo strāvu īsslēguma testā:

%Z = 20 ÷ 400 × 100

%Z = 5%

Tāpēc transformatoram ar 5% impedansi ir nepieciešami aptuveni 5% no tā nominālā sprieguma, lai cirkulētu nominālo strāvu norādītajos īsslēguma apstākļos.

Impedances bāze ir:

Z_base = V_rated² ÷ S_rated

Ekvivalenta impedanse ir:

|Z_eq| = (%Z ÷ 100) × Z_base

Trīsfāzu transformatoram, izmantojot kopējo trīsfāzu acīmredzamo jaudu un līnijas spriegumu:

Z_base = V_LL² ÷ S_3φ

Nominālā līnijas strāva ir:

I_rated = S_3φ ÷ (√3 × V_LL)

Spriegumam, acīmredzamajai jaudai un impedansei ir jāizmanto konsekventas vienības un jāattiecina uz to pašu transformatora pusi.

Augstāka vs. zemāka transformatora impedanse

Raksturojums	Zemāka %Z	Augstāka %Z
Iekšējais sprieguma kritums	Zemāks	Augstāks
Sprieguma regulējums	Parasti labāks	Parasti sliktāks
Pieejamā termināla īsslēguma strāva	Augstāka	Zemāka
Īsslēguma strāvas ierobežojums	Zemāks	Augstāks
Aizsardzības pienākums	Var būt augstāks	Var būt zemāks

Ne augsta, ne zema impedances vērtība automātiski nav labāka. Nepieciešamā vērtība ir atkarīga no sprieguma krituma robežām, īsslēguma strāvas līmeņiem, slodzes raksturlielumiem un sistēmas aizsardzības prasībām.

Īsslēguma strāva no transformatora impedances

Transformatora procentuālā impedanse var tikt izmantota, lai novērtētu termināla īsslēguma strāvu:

I_SC,sym ≈ I_rated × 100 ÷ %Z

Šī vienādojuma mērķis ir novērtēt simetrisko RMS strāvu skrūves īsslēgumam transformatora terminālos, kad augšējo avotu ārstē kā bezgalīgu barošanas avotu un barošanas kabeli neņem vērā.

Tā neaprēķina asimetrisko RMS strāvu, DC novirzi vai maksimuma radīšanas strāvu.

Transformatoram ar 5% impedansi:

I_SC,sym ≈ I_rated × 100 ÷ 5

I_SC,sym ≈ 20 × I_rated

Ja nominālā sekundārā strāva ir 100 A:

I_SC,sym ≈ 100 × 20

I_SC,sym ≈ 2,000 A

Tas ir tikai transformatora termināla novērtējums. Aprīkojuma darba pētījumam ir jāiekļauj avota impedanse, kabeļi, barošanas sliedes, motora ieguldījums, darba spriegums, transformatora impedances tolerance un transformatora X/R attiecība. Eaton norāda, ka impedances tolerance var būtiski mainīt maksimāli pieejamo strāvu.

Slodzes, jaudas faktors un sprieguma regulējums

Sprieguma regulējums ir atkarīgs no transformatora pretestības, noplūdes reaktances, slodzes strāvas un jaudas faktora.

Reaktances komponents var tikt novērtēts pēc:

%X = √(%Z² − %R²)

Slodzes frakcija ir:

k = I_load ÷ I_rated

Par kavējoja jaudas faktoru:

%VR ≈ k(%R cos φ + %X sin φ)

Par vadījoja jaudas faktoru:

%VR ≈ k(%R cos φ − %X sin φ)

kur:

%R = pretestības komponents procentos

%X = reaktances komponents procentos

φ = slodzes jaudas faktora leņķis

k = I_load ÷ I_rated

Apstrādāts piemērs

Par:

%Z = 5.0%

%R = 1.5%

Jaudas faktors = 0.8

Reaktances komponents ir:

%X = √(5.0² − 1.5²)

%X ≈ 4.77%

Pilnas slodzes un 0.8 kavējoja jaudas faktora gadījumā:

%VR ≈ 1.5(0.8) + 4.77(0.6)

%VR ≈ 4.06%

Pie 0.8 vadījoja jaudas faktora:

%VR ≈ 1.5(0.8) − 4.77(0.6)

%VR ≈ −1.66%

Slodzes nosacījums	Tipisks efekts
Vieglā slodze	Mazāks iekšējais sprieguma kritums
Pretestības slodze	Sprieguma kritumu galvenokārt ietekmē pretestība un slodzes strāva
Kavējoša induktīvā slodze	Noplūdes reaktance palielina sprieguma kritumu
Vadošā kapacitīvā slodze	Reaktīvā sastāvdaļa var samazināt sprieguma kritumu
Augsts motora starta strāvas	Var izraisīt pagaidu sekundārā sprieguma kritumu

Pietiekami vadoša slodze var radīt negatīvu sprieguma regulējumu, kur slodzes sekundārais spriegums ir augstāks nekā bezslodzes atsauce.

Transformatora īssavienojuma tests

Attēls 2. Īssavienojuma testa shēma transformatora impedances un slodzes zudumu mērīšanai nominālajā frekvencē

Ampermetrs norāda energizētā tinuma nominālo strāvu. Viens tinums ir identificēts kā energizētais tinums, kamēr otrs ir īsā savienojuma tinums.

%Z = V_SC ÷ V_rated,energizēts × 100

Transformatora procentuālā impedanse var noteikt, veicot īssavienojuma testu.

Viens tinums tiek īssavienots, kamēr uz energizētā tinuma tiek pielietots samazināts regulējams spriegums. Pielietotais spriegums tiek palielināts, līdz plūst nominālā strāva. Tā kā viens tinums ir īsā savienojuma stāvoklī, parasti ir nepieciešams tikai neliels procentuālais daļa no nominālā sprieguma.

Vienkāršota procedūra ir:

Īsmeģināt izvēlēto transformatora tinumu, izmantojot pareizi nominētu savienojumu.

Uz energizētā tinuma pielietot zemu regulējamu spriegumu.

Pakāpeniski palieliniet spriegumu, līdz plūst energizētā tinuma nominālā strāva.

Ierakstiet pielietoto spriegumu.

Aprēķiniet procentuālo impedanci.

Piemēram:

Nominālais energizētā tinuma spriegums = 480 V

Īssavienojuma spriegums nominālajā strāvā = 28.8 V

%Z = 28.8 ÷ 480 × 100

%Z = 6%

Testam jāizmanto pareizi nominēti instrumenti, vadītāji, aizsardzība un procedūras, jo nominālā tinuma strāva ir klātbūtnē, pat ja pielietotais spriegums ir salīdzinoši zems.

Transformatora izvēle, motora startēšana un paralēla darbība

Transformatora impedanci būtu jānovērtē kā daļu no pilnīgas elektrosistēmas, nevis kā izolētu nosaukuma plāksnes vērtību.

Izvēles pārbaude	Ko pārbaudīt
Transformatora kVA	Nepārtraukta slodze un gaidāmā maksimuma pieprasījums
Procentuālā impedanse	Ražotāja noteiktais %Z un attiecīgā tolerante
Slodzes sekundārais spriegums	Pieņemams spriegums normālajā un maksimālajā slodzes gadījumā
Kļūdas strāva	Iespējamā īssavienojuma strāva pie transformatora termināļiem
Ķēdes slēdža nominālie rādītāji	Pietiekama pārtraukšanas un pretestības spēja
Aizsardzības koordinācija	Fuse un slēdža darbība pie gaidāmām kļūdas strāvām
Slodzes jaudas koeficients	Faktiskais pretestības, induktīvās vai kapacitīvās uzvedības raksturs
Motora startēšana	Pagaidu sprieguma kritums pie ieplūdes
Paralēla darbība	Sprieguma attiecība, fāzes attiecība, impedanse un slodzes dalīšana
Barošanas vadītāja impedanse	Papildu kabeļu un barošanas joslu sprieguma kritums
Spriegumam jūtīgas slodzes	Minimālais un maksimālais pieļaujamais aprīkojuma spriegums

Paralēli Transformatori

Transformatori, kas darbojas paralēli, jābūt saderīgiem sprieguma attiecībām, polaritāti vai fāzes attiecībām un impedances raksturlielumiem.

Ja diviem transformatoriem ir būtiski atšķirīgas procentuālās impedances, zemo impedances vienība parasti nesīs lielāku slodzes daļu. Tā var kļūt pārslogota, pirms augsta impedances transformators sasniedz savu nominālo strāvu.

Transformatori ar atšķirīgām kVA nominālvērtībām var darboties paralēli, ja to sprieguma attiecības, fāzes attiecības, procentuālās impedances un citi paralēlie prasījumi nodrošina pieņemamu slodzes dalīšanu.

Motora un augstas ieplūdes slodzes

Motora startēšana var uzlikt vairākas reizes lielāku nekā parasto darbības strāvu transformatoram īsā laika periodā.

Šī strāva, kas plūst caur transformatora un barošanas ierīces impedanci, var izraisīt ievērojamu pagaidu sprieguma kritumu.

Motora slodzēm pārbaudiet:

Starta strāva, sprieguma kritums, motora griezes moments, paātrinājuma laiks un transformatora slodze.

Transformators, kas ir piemērots normālajai darbības strāvai, var tomēr radīt nepieņemamu sprieguma kritumu pie starta.

Testēšana un problēmu risināšana

Transformatora impedances saistītas problēmas parasti izpaužas kā pārmērīgs sprieguma kritums, slikta motora startēšana, negaidītu kļūdas strāvas līmeņu parādīšanās vai nevienmērīga slodzes dalīšana starp paralēliem transformatoriem.

Simptoms	Iespējamais cēlonis	Ieteicamā pārbaude
Sekundārais spriegums pārmēra samazinās pie slodzes	Augsta impedanse, pārslogošana, zems jaudas koeficients	Mērīt primāro un sekundāro spriegumu un slodzes strāvu
Motors grūtības uzsākt	Pārmērīgs starta strāvas sprieguma kritums	Ierakstīt sekundāro spriegumu startēšanas laikā
Kļūdas strāva augstāka nekā gaidīts	Faktiskais %Z zemāks nekā pieņemts vai avots spēcīgāks nekā gaidīts	Pārbaudiet transformatora datus un kļūdas strāvas aprēķinus
Kļūdas strāva zemāka nekā gaidīts	Papildu avots, padeves vai savienojuma pretestība	Pārbaudiet pilnu strāvas ceļu
Paralēlā transformatora pārslodze	Nevienmērīgas pretestības vai sprieguma attiecības	Salīdziniet transformatora reitingus un testu datus
Spriegums ir labs pie transformatora, bet zems pie iekārtas	Padeves sprieguma kritums	Mēriet spriegumu abās vietās slodzes laikā
Izeja stipri mainās ar slodzes jaudas faktoru	Noplūdes reaktīvā sprieguma kritums	Mēriet strāvu un jaudas faktoru
Transformators pārkarst	Pārslodze, harmoniskie viļņi, slikta dzesēšana vai pārmērīgas zaudējumi	Pārbaudiet strāvu, temperatūru, harmoniskos viļņus un ventilāciju

Atsevišķiet transformatora kritumu no padeves krituma

Zems spriegums pie slodzes automātiski nenozīmē, ka transformatora regulācija ir slikta.

Citi iespējamie iemesli ietver par maziem vadītājiem, garām kabeļu līnijām, vaļīgām terminālēm, augstas pretestības savienojumiem, zemu primāro spriegumu, nepareizām pieslēguma iestatījumiem, pārslodzes padevēm vai ne līdzsvarotu trīsfāžu slodzi.

Mēriet spriegumu gan transformatora sekundārajās termināļos, gan faktiskajā slodzē, kamēr strāva plūst. Tas palīdz atdalīt transformatora regulāciju no lejupvērsta vadu sprieguma krituma.

Pārbaudiet nosaukuma plāksnes pretestību pirms kļūdas aprēķiniem

Nesaprotiet standarta procentuālo pretestību, aprēķinot pieejamo kļūdas strāvu. Izmantojiet faktisko transformatora nosaukuma plāksni, ražotāja datus vai pārbaudītu testu vērtību, kad tas ir iespējams.

Pilnam īssavienojuma pētījumam jāiekļauj arī avota pretestība, vadītāju pretestība, slēgumi, motoru ieguldījums, ekspluatācijas spriegums, transformatora pretestības tolerances un X/R attiecība.

Secinājums

Transformatora pretestība pārstāv ekvivalentu pretestību un noplūdes reaktīvo pretestību, kas izraisa sprieguma kritumu un ierobežo kļūdas strāvu. Procentuālā pretestība nodrošina ērtu veidu, kā izteikt tās lielumu, kamēr sprieguma regulācija apraksta, cik daudz sekundārā termināļa spriegums mainās pie noteiktas slodzes un jaudas faktora. Zemāka pretestība parasti uzlabo slodzēta sprieguma veiktspēju, bet palielina potenciālo īssavienojuma strāvu. Augstāka pretestība nodrošina spēcīgāku kļūdas strāvas ierobežošanu, bet var palielināt sprieguma kritumu. Pareiza transformatora izvēle tādējādi prasa ņemt vērā procentuālo pretestību, sprieguma regulāciju, slodzes jaudas faktoru, motoru palaišanu, kļūdas strāvas līmeņus, paralēlo darbību un aizsardzības prasības.