Параллельная работа синхронных генераторов

• Название: Параллельная работа синхронных генераторов
• Дата: 17.05.2023
• Размер: 3.19 Mb.
• Имя файла: mashiny_2_chast_ (1).doc
• Тип: Документы; #1138650
• страница: 3 из 11

ГЛАВА VIII ТРАНСФОРМАТОРЫ

§ 8.1. Принцип действия трансформаторов

Трансформатором называется статический электромагнитный ап­парат переменного тока, посредством которого электрическая энер­гия одного напряжения преобразуется в электрическую энергию другого напряжения.

Трансформаторы имеют огромное значение для передачи и рас­пределения электрической энергии, так как передача этой энергии на большие расстояния возможна лишь при достаточно высоком напряжении и соответственно меньшем токе. В противном случае потери мощности на нагревание проводов ( ) были бы слишком большими.

Трансформаторы, у которых напряжение на выходе выше на­пряжения на входе, называются повышающими, а трансформаторы, у которых напряжение на выходе ниже напряжения на входе,—понижающими. Принцип дей­ствия трансформаторов осно­ван на явлении электромагнит­ной индукции.

Простейший трансформатор (рис. 8.1) представляет собой замкнутый стальной сердечник, на котором размещаются две или несколько обмоток с различным числом витков, сделанных из медной проволоки.

Обмотка, к которой подво­дится ток из сети, называется первичной, а обмотка, в кото­рой наводится э. д. с. взаимо­индукции, — вторичной. Если трансформатор повышающий, то его первичная обмотка

является обмоткой низшего напряжения (НН), а вторичная обмотка — обмоткой высшего напряжения (ВН). У понижающего трансформатора, наоборот, первичная обмотка — высшего напряжения, а вторичная — низшего напряжения.

При прохождении по первичной обмотке переменного тока

создается магнитный поток, который почти полностью замыкается в сердечнике трансформатора; лишь незначительная его часть за­мыкается вокруг первичной обмотки, главным образом в воздухе (это так называемый поток рассеяния). Ввиду его незначительности потоком рассеяния при дальнейших рассуждениях можно прене­бречь.

Основной (намагничивающий) магнитный поток Ф, сцепляю­щийся с витками обеих обмоток, наводит в них э. д. с, мгновен­ные значения которых:

в первичной обмотке

во вторичной обмотке

Так как переменное напряжение, приложенное к первичной обмотке трансформатора, синусоидально, то и магнитный поток Ф, и наводимые им э.д.с. также являются синусоидальной функцией времени, т. е. Ф=Ф_М . Подставляя в (8.1) и (8.2) значения магнитного потока, получаем









Но так как то мгновенные значения э.д.с.








Из уравнений (8.3) и (8.4) следует, что э. д. с. е₁ и е₂ отстают по фазе от намагничивающего потока Ф на угол ^п/_г, Максимальное значение э. д. с. Е_М= . Соответственно действующие значения э. д. с, наводимых в первичной и вторичной обмотках трансфор­матора,




Разделив первое выражение на второе, получаем (8.7)


Это отношение называется коэффициентом трансформации.

Э. д. с, наводимые в первичной и вторичной обмотках трансфор­матора, прямо пропорциональны количеству витков обмоток.

§ 8.2. Устройство трансформаторов

Т рансформатор (рис. 8.2, а, б) состоит из следующих основных частей: магнитолровода, обмоток (первичной и вторичной), вывод­ного устройства и кожуха или бака с расширителем.


Рис. 8.2. Силовой трансформатор:
а) — внешний вид: б) —выемная часть: 1 — термометр; 2—ВН выво­ды; З — НН выводы;

4 — расширитель б — бак с трубчатыми радиа­торами: в —катки; 7 —обмотки трансформатора

В целях уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод собирается в пакеты из отдельных листов трансформаторной стали толщиной 0,35 — 0,50 мм, изолированных друг от друга лаком или бумагой. Магни­топровод состоит из сердеч­ников, верхнего и нижнего ярма, замыкающих магнит­ную цепь (рис. 8.3, а и б). Листы пакета ярма и сер­дечника обычно собираются внахлестку, что снижает магнитное сопротивление магнитопровода. Листы спрес­совываются и стягиваются стяжными шпильками.



Различают магнитопроводы двух типов: стержневые и броне­вые. В стержневом магнитолроводе (рис. 8.4, а) имеются два стерж­ня и два ярма, замыкающие эти стержни. Обмотки располагаются на обоих стержнях. В броневом магнитопроводе один стержень (рис. 8.4, б). Стержневые магнитопроводы получили наибольшее распространение. Броневые магнитопроводы применяются преи­мущественно в трансформаторах малой мощности.


Обмотки трансформаторов могут быть концентрические (рис. 8.5, а) или чередующиеся (рис. 8.5, б). Для уменьшения по­токов рассеяния первичные и вторичные обмотки трансформаторов по возможности должны быть расположены ближе друг к другу.




Рис. 8.5. Обмотка трансформатора:

а) — концентрическая; б) чередующаяся



При концентрических обмотках одна обмотка располагается внутри другой, причем снаружи помещается обмотка высшего на­пряжения, так как обмотку низшего напряжения легче изолировать от заземленного сердечника.

При чередующейся обмотке первичная и вторичная обмотки разбиваются на ряд плоских секций, которые, чередуясь между собой, насаживаются на сердечник. Концентрические обмотки выс­шего и низшего напряжения отделяются друг от друга изолирую­щими цилиндрами, а при чередующейся обмотке — изолирующими дисками.

Обмотки изготовляются из медного провода прямоугольного или круглого сечения, большей частью с хлопчатобумажной изо­ляцией, пропитанной специальными изоляционными лаками.

Выводное устройство предназначается для присоединения обмоток трансформатора к внешним (первичной и вторичной) цепям. Для этого на крышке трансформатора монтируются специальные выводы высокого и низкого напряжения, находящиеся в проходных фарфо­ровых изоляторах.

По способу охлаждения трансформаторы разделяются на сухие и масляные. Сухие трансформаторы имеют воздушное охлаждение и обычно помещаются в кожух, изготовленный из тонкой листовой стали, который предохраняет трансформатор от механических по­вреждений.

Трансформаторы значительной мощности, а также трансформа­торы, включаемые в сети высокого напряжения, делаются с масля­ным охлаждением. В этом случае магнитопровод с обмотками по­мещают в бак, заполненный трансформаторным маслом. Это спо­собствует более интенсивному охлаждению трансформатора и в то же время повышает электрическую прочность изоляции обмо­ток. Обычно стенки бака делают ребристыми или снабжают радиа­торами (см. рис. 8.2). Это увеличивает поверхность охлажде­ния бака.

Трансформаторы можно классифицировать:

по числу фаз сети переменного тока — однофазные, трехфаз­ные и многофазные;

по числу обмоток — двухобмоточные, трехобмоточные и много­обмоточные;

по действию — повышающие и понижающие;

по назначению — силовые, измерительные и специального на­значения;

по месту установки — для внутренней и наружной установок;

по способу охлаждения — с естественным воздушным и с масляным охлаждениями. В свою очередь трансформаторы с масляным охлаждением могут быть с искусственным воздушным охлаждением и с принудительной циркуляцией масла.

Силовые трансформаторы применяются для преобразования напряжения в силовых и осветительных сетях.

Измерительные трансформаторы применяются в контрольно измерительных цепях для включения в сеть измерительных при­боров.

Они подразделяются на трансформаторы напряжения и трансформаторы тока.

Специальные трансформаторы представляют собой обширную группу разных по назначению трансформаторов, используемых в различных целях. Сюда относятся: автотрансформаторы, сварочные трансформаторы и трансформаторы для электрических печей, транс­форматоры для ртутных выпрямителей и т. д.

Трансформаторы характеризуются следующими номинальными величинами: первичным и вторичным напряжениями (в или /ев), мощностью (ква), токами первичной и вторичной обмоток (а), час­тотой переменного тока (гц).

При работе трансформатора масло циркулирует от нагретых частей обмоток к радиаторам и стенкам бака и, соприкасаясь с ними, охлаждается. В нижней части бака имеется кран для выпуска масла. В крышке трансформатора есть отверстие для заливки транс­форматорного масла. На крышке трансформатора устанавливается расширитель, соединенный с баком трубкой. Расширитель зна­чительно уменьшает поверхность соприкосновения масла с возду­хом, вследствие чего уменьшается и количество влаги, попадаю­щей в масло из воздуха. При изменении температуры масло в баке расширяется и переходит по соединительной трубке в расширитель, в результате чего давление масла в баке не повышается. Расши­ритель имеет масломерное стекло для наблюдения за уровнем масла. В нижней части расширителя находится пробка, через ко­торую периодически выпускается влага, попадающая из воздуха а масло и ухудшающая его качество. Температура масла контроли­руется с помощью термометра, установленного на крышке транс­форматора.

Трансформаторное масло представляет собой минеральное мас­ло, добываемое из нефти. Масло должно обладать высокими физико-химическими качествами. Оно не должно замерзать при низких температурах, так как наиболее распространенные силовые мас­ляные трансформаторы работают при температурах ±35° С. Очень важным физическим свойством трансформаторного масла является высокая электрическая прочность. В масле не должна содержаться влага и взвешенные частицы которые снижают электрическую прочность. Масло должно противостоять окислению под действием температуры при соприкосновении с воздухом и под влиянием каталитического действия меди выводов. Окисление снижает элек­трическую прочность масла и приводит к образованию смолистых осадков. Трансформаторное масло обладает способностью погло­щать влагу из воздуха, поэтому в процессе эксплуатации оно периодически проверяется на электрическую прочность и в случае не­обходимости подвергается сушке.
§ 8.3. Режимы холостого хода и работы трансформатора под нагрузкой

При работе трансформатора в режиме холостого хода его вто­ричная обмотка разомкнута. По первичной обмотке, включенной в цепь переменного тока, протекает ток холостого хода /₀, равный

2-10%. номинального тока. Произведение этого тока на число

витков Wtпервичной обмотки определяет м. д. с. первичной об­мотки, которая связана с максимальным магнитным потоком от­ношением



где R_M— магнитное сопротивление.


В то же время при постоянной частоте магнитный поток зависит только от величины э. д. с




о ткуда
В каждой электрической цепи в любой момент времени должно быть соблюдено равновесие напряжений: приложенное напряжение должно уравновешивать э. д. с. самоиндукции, наводимую в. пер­вичной обмотке трансформатора, и потерю напряжения в обмотке.

При холостом ходе падение напряжения I₀Z₁ очень мало, оно не превышает 0,5% от U₁ и им можно пренебречь, тогда

Для первичной цепи напряжение







т. е. подведенное к трансформатору напряжение U₁уравновеши­вается практически только э. д. с. E₁. Магнитный поток в этом случае



При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора э. д. с. на зажимах этой обмотки E₂=U₂₀, откуда





где U₂₀— напряжение на выводах вторичной обмотки трансфор­матора в режиме холостого хода; k— коэффициент трансформации.

Режим холостого хода позволяет определить величину магнит­ных потерь в магнитопроводе трансформатора. Потери в трансфор­маторе слагаются из потерь в стали на гистерезис и вихревые токи и потерь в меди. В современных трансформаторах потери в стали, в зависимости от мощности, составляют: при мощности трансфор­матора 5 ква 1,2—1,8%, при мощности 100 ква 0,6—0,9%, 'при большей мощности 0,2—0,5% номинальной мощности.







Рис. 8.6. Векторная диа­грамма холостого хода трансформатора
Рис.8.7 Опыт холостого хода трансформатора


Работа трансформатора в режиме холостого хода наглядно ха­рактеризуется векторной диаграммой (рис. 8.6). Вектор э. д. с. Е₁, наведенной магнитным потоком Ф, отстает от вектора магнит­ного потока Ф на 90° и откладывается вниз. Вследствие явления гистерезиса и вихревых токов магнитный поток отстает на неко­торый угол от тока холостого хода /₀. Угол называется углом магнитных потерь или углом магнитного запаздывания. Угол по­терь обычно невелик и угол сдвига фаз между током и напряжением приближается к 90°. Коэффициент мощности при холостом ходе мал ( ).

Ряд характерных для трансформатора величин: потери холос­того хода, ток холостого хода и коэффициент трансформации могут быть получены из опыта холостого хода. Опыт холостого хода проводят по схеме, приведенной на рис. 8.7, а; при этом по показаниям измерительных приборов определяют: напряжение первичной це­пи, ток холостого хода /₀ и мощность холостого хода Р₀.

Порядок измерений следующий. С помощью потенциал-регуля­тора ПР постепенно повышая напряжение, подводимое к первичной обмотке трансформатора Тр,от U₀=0,5 U_H до U₁= 1,2 U_H, делают ряд измерений величин тока, напряжения и мощности. По данным измерений строят кривые зависимостей /₀=/( U₁) (рис. 8.7, б) и P₀=f (U₁₎ (рис. 8.7, в). Зависимость P₀=f (U₁) имеет параболический характер, так как (, а при холос­том ходе E₁=U₁).

Значения P₀, I₀ и , соответствующие номинальному нап­ряжению, находят по построенным кривым. Ток холостого хода I₀ в трансформаторах большой мощности составляет 2—4% от I_H а в трансформаторах средней и малой мощности достигает 10%-40% от I_H.

При работе трансформатора под нагрузкой его вторичная обмотка замкнута на внешнее сопротивление, и по цепи проходит ток I₂. Ток вторичной обмотки I₂ создает в ней м. д. с, которая действует в том же магнитопроводе и направлена в соответствии с законом Ленца против м. д. с. первичной обмотки. Результирующий маг­нитный поток будет создаваться совместными действиями обеих м. д. с. Первичный ток намагничивает сердечник трансформатора, ток вторичной обмотки его размагничивает.

Однако уменьшение общего магнитного потока вызывает умень­шение э. д. с. E₁наводимой в первичной обмотке. С уменьшением этой э. д. с. увеличивается ток I₁величина которого ограничивается действием E₁а это вызывает увеличение, намагничивающего по­тока Ф до его прежней величины. Таким образом, намагничивающий магнитный поток при изменении нагрузки практически остается неизменным.

При работе трансформатора под нагрузкой магнитный поток Ф в сердечнике создается по закону полного тока магнитодвижущими силами обеих обмоток. Поэтому можно написать следующее урав­нение магнитодвижущих сил



откуда





При номинальных нагрузках ток I₀ мал и им можно прене­бречь, считая I₀≈0. Тогда,





или
Знак минус в формуле (8.9) указывает на действие тока I, против тока I₁. Из выражения (8.9) получаем




Токи в первичной и вторичной обмотках обратно пропорцио­нальны числу витков обмоток.

Напряжение U₁приложенное к первичной обмотке, при работе трансформатора под нагрузкой уравновешивается э. д. с. E₁ и падениями напряжения на сопротивлениях — активном I₁г₁ и реактивном (сопротивлении рассеяния) jI₁x₁. Таким образом




Соответственно напряжение, действующее на зажимах вторич­ной обмотки, определяется равенством




Приведенный трансформатор и схема замещения. Первичная и вторичная обмотки трансформатора обычно имеют различные параметры, определяемые величинами э. д. с, действующими в обмотках, и токами, протекающими в них. Эта разница тем больше, чем больше коэффициенты трансформации. Если исходить из дей­ствительных соотношений, то при коэффициентах трансформации k=15 или k=25
длины векторов э. д. с. E₁и E₂находились бы тоже в соотношении 1 : 15 или 1 : 25. Для облег­чения исследования работы трансформатора и электромагнитных процессов делается приведение параметров вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки. Полученные значения на­зываются приведенными.

Для получения приведенного значения вторичной э. д. с. E₂ надо изменить ее пропорционально коэффициенту трансформации, т. е.




При определении приведенного значения вторичного тока /₂ следует иметь в виду, что полная мощность вторичной обмотки должна оставаться неизменной, т. е. Е₂1_г=E₂'1₂', откуда





Таким образом, для получения приведенного значения вторичного тока надо ток I₂ умножить на величину, обратную коэффициенту трансформации.

Чтобы получить приведенные значения r₂' и x₂' , надо изменить сопротивления r₂и х₂прямо пропорционально квадрату коэффи­циента трансформации, что также определяется условием сохра­нения неизменной вторичной мощности, т. е.



откуда










В трансформаторах между первичным и вторичным контурами имеется только магнитная связь, прямой электрической связи нет. Это создает известные неудобства при расчетах. Практически более удобной для рассмотрения является электрическая схема замещения трансформатора, в которой магнитная связь между контурами заменена электрической.

Для приведенного трансформатора уравнения напряжений име­ют вид:

Так как E₁'= E₁то обе цепи трансформаторов можно пред­ставить в виде схемы, изображенной на рис. 8.8.

На этой схеме r₁ и r'₂представляют собой активные сопротивле­ния обмоток, а x₁=2пfL_S1 и x₂=2пfL_S2— их реактивные сопро­тивления рассеяния, изображенные в виде отдельных катушек: I₀— ток холостого хода, E₁— э. д. с, наводимая магнитным пото­ком Ф. Здесь реальные обмотки представлены в виде идеальных (без всякого рассеяния), объединен­ных в одну обмотку. Такое объе­динение возможно, так как потен­циалы начальных и конечных точек обмоток соответственно равны друг другу (E₁=E₂'), следовательно, рас­пределение токов не изменится. Эта объединенная обмотка имеет реактивное сопротивление х₀и активное r₀и называется намагни­чивающей ветвью. Очевидно, что






где


Величину r₀находим из равенства


По первому закону Кирхгофа



В конечном виде уравнение токов имеет вид





В случае работы трансформатора в режиме холостого хода /'₂=0 и /₁=/₀, т. е. вторичная сторона тран­сформатора в создании намагничива­ющего тока участия не принимает.

Векторная диаграмма (рис. 8.9). Для построения диаграммы вектор основного магнитного потока Ф от­кладывается в положительном на­правлении оси абсцисс. Создаваемые потоком э. д. с. E_tи Е_гпо направ­лению совпадают друг с другом и от­стают от магнитного потока на 90°.

Вектор тока холостого хода I₀. сдви­нут относительно вектора Ф_макc на угол потерь .


Рис. 8.9. Векторная диаграм­ма трансформатора с индук­тивной нагрузкой
Вектор тока I₂' отстает от вектора E₂' на угол , определяемый, характером активно-индуктивной нагруз­ки. Вектор первичного тока определяется в результате геомет­рического сложения: I₁=Io+(- I₂')- Вторая составляющая (/₂') первичного тока I₁ равна и противоположна по фазе вторичному току I₂'.

При построении вектора U₁ следует учитывать, что вектор активного падения напряжения I₁r₁совпадает по фазе с током I₁, а вектор индуктивного падения напряжения jI₁x₁опережает по фазе ток I₁ на 90°.