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: 5 из 11

§ 8.7. Принцип действия и устройство трехфазного трансформатора

Трансформация напряжения в трехфазных сетях может произ­водиться либо при помощи трех однофазных трансформаторов, со­единенных между собой в трансформаторную группу (рис. 8.16), либо посредством одного трехфазного трансформатора.

Трехфазный трансформатор состоит из трехстержневого сердеч­ника с обмотками высшего и низшего напряжений (рис. 8.17).

Т рехфазные обмотки трансформа­торов как первичная, так и вто­ричная могут быть соединены в треу­гольник или в звезду.



Обмотки высшего напряжения всегда выгодно соединять в звез­ду, так как в этом случае фазные обмотки рассчитываются на фаз­ное напряжение, в раза меньше линейного, что облегчает изо­ляцию обмоток. Наоборот, обмотки низшего напряжения выгодно соединять в треугольник, так как при этом соединении фазный ток в раза меньше линейного, что при больших нагрузках весьма существенно.

В табл. 8.1 даны отношения линейных напряжений при различ­ном соединении обмоток.

Наиболее распространенные способы соединения первичной и вторичной обмоток даны в табл. 8.2 в соответствии с ГОСТ 401-41. различные схемы соединения обмоток ВН и НН характеризуются смещением относительно друг друга векторов первичных и вто­ричных линейных э. д. с. У гол смещения векторов обозначается циф­рами от 1 до 12, которые входят в условное обозначение группы соединений обмоток. Каждая порядковая цифра соответствует уг­ловому смещению в 30° и при ее умножении на 30 дает угол смеще­ния в градусах.



В основу цифровых обозначений .углов смещения положен часо­вой циферблат. Вектор э. д. с. обмотки низшего напряжения со­ответствует часовой стрелке, а вектор э. д. с. обмотки высшего на­пряжения — минутной. Совпадение по фазе векторов э. д. с. мо­жет быть лишь при условии, что обе обмотки трансформатора (ВН и НН) имеют одинаковые схемы соединения, например, звезда — звезда, намотаны в одну сторону и имеют одинаковое обозначение зажимов. В этом случае угол сдвига фаз между векторами э. д. с. равен нулю (а=0) и трансформатор принадлежит к группе 12 (а=30°Х12=360°). Векторы э. д. с. первичной и вторичной обмоток совпадут по направлению подобно стрелкам часов, совпадающих на цифре 12.

Если вторичную обмотку намотать в обратном направлении от­носительно первичной или поменять местами у одной из обмоток ее начало и конец, то между векторами э. д. с. создастся сдвиг фаз 180° (30° X 6), и трансформатор будет иметь группу соединений 6 (Y/Y— 6). У однофазного трансформатора возможны только эти две группы соединений — 12 и 6.

У трехфазных трансформаторов группа соединений определяет­ся углом сдвига фаз между линейными значениями э. д. с. E₁ и Е₂. Всего может быть получено 12 групп соединений. Так, при соединении обмоток ВН и НН по схеме Y/ , одинаковом направ­лении их намотки и обозначении зажимов векторы линейных э. д. с. E₂сдвинуты относительно векторов линейных э. д. с. E₁на угол 330° (по направлению часовой стрелки) и группа соединений будет 11 (30° X 11=330°).

При встречной намотке обмоток ВН и НН или перемене местами начал и концов одной из обмоток получается группа 5(30°X5=150°).

. Основными группами соединений являются 12 для схемы соединений обмоток Y/Yи 11 для схемы соединений Y/ .

Способы соединения обмоток трансформаторов зависят в основ­ном от характера нагрузки. Так, соединение Y/Y₀-12 приме­няется при смешанной осветительно-силовой нагрузке. Трехфазные силовые потребители (электродвигатели, электронагревательные установки) включаются на линейное напряжение 380 (или 220) в, а осветительные потребители — на фазное напряжение 220 (или 127) в.

Когда вторичное линейное напряжение выше 400 в, применяется соединение обмоток Y/ -11. Для передачи электрической энер­гии на дальние расстояния применяется соединение Yo/ -11, что позволяет делать заземление системы на стороне высшего на­пряжения.

§ 8.8. Параллельная работа трансформаторов

Для лучшего маневрирования установленной мощностью транс­форматорных подстанций и более полной загрузки трансформаторов при суточных и сезонных изменениях нагрузки трансформаторы, как

и генераторы, могут вклю­чаться в параллельную ра­боту. При этом первичные обмотки всех трансформаторов подключаются к первич­ной питающей сети, а их вто­ричные обмотки — к вторич­ной цепи, т. е. к шинам трансформаторной подстан­ции (рис. 8.18).

В этом случае при мак­симальной нагрузке работа­ют все установленные трансформаторы, кроме резервных, предназначенных для замены работающих в случае их аварии или ремонта. При умень­шении нагрузки часть трансформаторов отключается.

На электрической схеме включения трансформаторов в парал­лельную работу стрелками показаны направления токов I_1I , , I_1II I_2I и I_2II первичной и вторичной обмотках трансформаторов и в первичной и вторичной цепях I_н1 и I_н2. Первичные и вторичные э. д. с. каждого трансформатора направлены навстречу друг другу. В то же время э. д. с. во вторичных обмотках всех параллельно ра­ботающих трансформаторов по отношению к внешней цепи дей­ствуют согласно.

Для параллельной работы трансформаторов необходимо со­блюдение следующих условий:

1) первичные и вторичные напряжения включаемых на парал­лельную работу трансформаторов должны быть соответственно равны:



Равенство первичных и вторичных напряжений по первому условию означает, что коэффициенты трансформации трансформато­ров будут равны, т. е. k₁=k_II=k_III=....==k_n;

2. 
   на параллельную работу должны включаться трансформа­торы с одинаковыми Группами соединений;
   
3. 
   активные и индуктивные составляющие напряжения корот­кого замыкания трансформаторов должны быть одинаковы:
   

u_К.З.1 = и_К.ЗII ⁼u_К.З.III =…. =u_К.З.n

u_К.З.I =u_К.З.аII=u_К.З.аIII =….u_к.з.а.n

u_К.З.Х1=u_{К.З.Х II} =u_{К.З.Х III}=….=u_К.З.Хn

При этом, однако, допускается различие в коэффициентах транс­формации при параллельной работе трансформаторов не более 0,5% от их среднего значения. Отклонение напряжений короткого замыкания допустимо в пределах ± 10%.

При одинаковых коэффициентах трансформации параллельно работающих трансформаторов в режиме холостого хода обеспечи­вается равенство их вторичных э. д. с. по амплитуде, а тождественность групп соединений трансформаторов обеспечивает совпадение их э. д. с. по фазе. При этих условиях во всех замкнутых контурах, образуемых вторичными обмотками трансформаторов при парал­лельном их включении, сумма э. д. с. будет равна нулю и уравни­тельного тока не будет.

При нарушении условия равенства коэффициентов трансформа­ции, несмотря на соблюдение всех остальных условий (U_II = U_III; u_К.ЗI=U_К.З.II и т. д.), под действием разности э. д. с. во вто­ричных цепях трансформаторов возникает уравнительный ток. Так как первичные и вторичные обмотки трансформаторов связаны между собой магнитными полями, то уравнительный ток I_уII во вторичном контуре вызовет появление уравнительного тока и в первичном контуре, образованном первичными обмотками транс­форматоров. При значительной разнице в коэффициентах трансфор­мации этот ток может достигать недопустимо больших значений и представлять опасность для работы трансформаторов.

При включении в параллельную работу трансформаторов с раз­ными напряжениями короткого замыкания, но с соблюдением пер­вого и второго условий, трансформаторы будут нагружаться непропорционально. Трансформатор с большим напряжением ко­роткого замыкания окажется недогруженным, а с меньшим напря­жением короткого замыкания — перегруженным. Нагрузка между трансформаторами распределится обратно пропорционально номи­нальным напряжениям короткого замыкания



Совершенно недопустима параллельная работа трансформаторов с разными группами соединений, так как при этом возникает в контуре вторичных обмоток результирующая э. д. с, которая соз­дает значительный по величине ток, вызывающий чрезмерный на­грев обмоток.

§ 8.9. Специализированные трансформаторы

Трехобмоточный трансформатор имеет три обмотки: первичную и две вторичных (рис. 8.19). По существу трехобмоточный трансфор­матор заменяет два трансформатора с напряжениями U₁/U₂и U₁/U₃. Трехобмоточные трансформаторы широко применяются в качестве силовых в трансформаторных подстанциях. Согласно ГОСТ 401-41 обмотки трехобмоточных силовых трансформаторов могут соединяться по схеме Y₀/Y₀/ -12-11 или Y₀/ / -11-11, а однофазных — по схеме 1/1/1-12-12. Различают обмотки трансформа­тора: высшего напряжения (ВН), среднего напряжения (СН) и низшего напряжения (НН). За номинальную мощность трансфор­матора принимается мощность его первичной, наиболее мощной обмотки.

Уравнение токов трехобмоточного трансформатора


Током холостого хода I₀ можно пренебречь, так как он обычно составляет не более 2,5—3,5% от тока нагрузки I_н,

тогда



Отсюда следует, что первичный ток трехобмоточного трансформа­тора равен геометрической сумме приведенных вторичных токов. Исходя из этого равенства и учитывая, что вторичные обмотки обычно не бывают одновременно длительно и полностью нагружены, номинальная мощность первичной обмотки, как правило, меньше суммарной мощности вторичных обмоток.






В соответствии с тем, что за номинальную мощность трехобмо­точного трансформатора принимается мощность наиболее мощной обмотки к ней приводятся напряжения короткого замыкания u_К.З.12, u_К.З13, u_К.З23, которые и указываются на щитке-паспорте трансформатора.

Так как трансформатор имеет три обмотки, то им соответствуют и три коэффициента трансформации:


Трехобмоточные трансформаторы, помимо силовых, широко ис­пользуются в радиотехнике, связи и системах автоматического уп­равления.
Автотрансформаторы. В отличие от обычных эти трансформато­ры имеют вместо двух обмоток высшего и низшего напряжения одну обмотку. Часть витков этой обмотки является общей для первичной и вторичной цепей трансформатора (рис. 8.20). Таким образом, первичная и вторичная обмотки автотрансформатора имеют между собой не только электромагнитную, но и электрическую связь. Обмотка автотрансформатора размещается на замкнутом магнитопроводе. Автотрансформаторы могут быть понижающие и по­вышающие, однофазные и трехфазные. Принцип действия авто­трансформатора тот же, что и обычного трансформатора. Между первичной и вторичной э. д. с. и числом витков обмоток действи­тельно соотношение



где k— коэффициент трансформации, отсюда U₂=U₁/k

Токи I₁ и I₂ относятся обратно пропорционально числу витков, т. е.






откуда

Токи первичной и вторичной обмоток сдвинуты по фазе относи­тельно друг друга на 180°. Так как первичный и вторичный контуры автотрансформатора связаны между собой электрически, то по общей части обмотки аВ протекают оба тока Ij и I₂ и результирующий ток

Если учесть, что у понижающего трансформатора I₂> I₁, то

I₁₂ равен геометрической сумме токов I₁ и I₂, т. е.

Для определения величины мощности, передаваемой из первичной цепи во вторичную, токи I₁₂ и I₁ выразим через ток I₂ и коэф­фициент трансформации (I₁=I₃/k) Тогда



Из равенства



получаем


Если все члены равенства умножить на величину вторичного напря­жения U₂, то получим уравнение мощности





где
электромагнитная мощность, т. е. та часть

мощности, которая поступает во вторичную цепь через магнитное поле;



электрическая мощность, поступающая во вторичную цепь непосредственно, благодаря наличию электрической связи между пер­вичным и вторичным контурами.

Как видно, магнитным путем в автотрансформаторе передается только часть мощности, что позволяет уменьшить сечение магнитопровода. сократить размеры

провода, сократить размеры трансформатора и облегчить его массу.

П ри увеличении коэффи­циента трансформации kэлек­трическая мощность умень­шается, а электромагнитная растет. Поэтому автотранс­форматоры применяют обыч­но при небольших коэффици­ентах трансформации к_а= 1,25 2.

Серьезным недостатком автотрансформаторов являет­ся наличие электрической связи между вторичной и пер­вичной цепью, в связи с чем

вичной цепью, в связи с чем вторичная цепь должна иметь такую же изоляцию по отно­шению к земле, как и первичная. Это также ограничивает величину коэффициента трансформации. По этой же причине автотрансфор­маторы нельзя использовать для преобразования высокого напря­жения в низкое. Автотрансформаторы нередко снабжаются устрой­ством, позволяющим плавно и в широких пределах регулировать вторичное напряжение. Применяются автотрансформаторы для регулирования напряжения при пуске синхронных и асинхронных двигателей, для осветительных установок и в ряде специальных схем, где требуется изменение напряжения в небольших пределах.

Измерительные трансформаторы применяются для расширения пределов измерения измерительных приборов, для обеспечения безопасности дежурного персонала, обслуживающего высоко­вольтные сети, для включения релейной аппаратуры.

Различают измерительные трансформаторы напряжения и тока.

Трансформаторы напряжения позволяют расширить пределы измерения вольтметра. Первичная обмотка трансформатора вклю­чается в сеть так же, как и вольтметр, между двумя линейными или фазным и нулевым проводами сети (рис. 8.21, а). Вторичная обмотка замыкается на вольтметр. Обмотка вольтметра имеет большое сопротивление, поэтому ток в ней мал и мощность трансформатора незначительна. Режим его работы приближается к режиму холостого хода. Это обеспечивает практически постоянное соотношение между первичным и вторичным напряжениями на зажимах трансформатора, равное его коэффициенту трансформации.

Следовательно, величина первичного напряжения определяется как произведение вторичного напряжения на коэффициент транс­формации, т. е. U₁=kU₂- Обычно шкалы вольтметров, предназна­ченных для включения через трансформаторы напряжения, гра­дуируются непосредственно на напряжение первичной цепи, т. е. с учетом коэффициента трансформации.

Вторичное напряжение трансформаторов, предназначенных для измерений в высоковольтных сетях, обычно рассчитано на 100 в. Для безопасности обслуживания трансформатора один конец его вторичной обмотки и кожух заземляются.

Трансформаторы тока позволяют расширить пределы измерения амперметров. Первичная обмотка трансформатора тока вклю­чается последовательно в линейный провод цепи (рис. 8.21, б). Вторичная обмотка замыкается на амперметр. Так как сопротив­ление обмотки амперметра мало, трансформатор практически ра­ботает в режиме короткого замыкания. По первичной обмотке транс­форматора протекает весь ток нагрузки. Число витков первичной обмотки очень мало, нередко применяются одновитковые трансфор­маторы. Вторичная обмотка, наоборот, имеет большое количество витков. Ток во вторичной обмотке меньше тока в первичной обмотке так как



Величина искомого первичного тока равна произведению вторич­ного тока на коэффициент трансформации. Чтобы обеспечить по­стоянство отношений токов, трансформаторы должны иметь малые значения индукции, т. е. небольшое насыщение. В противном случае резко возрастет намагничивающий ток, I₀ и отношение токов не будет удовлетворять вышеуказанному равенству. При этом воз­растет погрешность трансформатора. Трансформаторы тока рассчи­тываются на вторичный номинальный ток, равный 5 а.

Шкалы амперметров, включаемых в сеть через трансформаторы тока, градуируются непосредственно на ток нагрузки.

Сварочные трансформаторы подобны силовым трансформаторам. Их характерной особенностью является вторичное напряжение порядка 60—70 в и способность работать в режиме, близком к режиму короткого замыкания. Для регулирования величины свароч­ного тока в цепь сварочного трансформатора обычно включается реактор (рис. 8.22), представляющий собой реактивную катушку с раздвижным сердечником. Изменяя величину воздушного зазора, можно очень плавно ме­нять величину магнитно­го потока, т. е. величину индуктивного сопротивле­ния в цепи. Сварочные трансформаторы имеют круто падающую внеш­нюю характеристику.
Магнитные усилители. Магнитный усилитель яв­ляется статическим элект­ромагнитным аппаратом, широко применяемым в схемах автоматического регулирования. Принцип действия магнит­ных усилителей основан на использовании нелинейности кривой намагничивания ферромагнитных материалов, применяемых в ка­честве магнитопроводов усилителей. Простейший магнитный уси­литель представляет собой дроссель насыщения, состоящий из стального сердечника и двух обмоток; постоянного и перемен­ного и токов. Последовательно в обмотку переменного тока называемую рабочей, включено нагрузочное сопротивление Z(рис. 8.23, а). Обмотка постоянного тока является управляющей обмоткой w_y. Когда к управляющей обмотке прикладывается по­стоянное напряжение, дроссель переходит в область насыщения, и его магнитная проницаемость резко уменьшается.

Индуктивность катушки переменного тока со сталью прямо про­порциональна магнитной проницаемости, т. е.






где а — коэффициент про­порциональности.

Уменьшение магнитной проницаемости вызывает уменьшение индуктивнос­ти обмотки переменного тока и, следовательно, снижение полного сопро­тивления цепи (Zn=wL) и увеличение тока в нагру­зочном сопротивлении Z_H. Мощность, расходуемая -на нагрузочном сопротивле­нии, значительно превы­шает мощность, затрачиваемую в цепи постоянного тока, что и характеризует усилительное дей­ствие прибора. Посредством незначительных по мощности (току или напряжению) сигналов в обмотке управления можно управлять значительными мощностями в рабочей цепи. Для предотвращения наведения в обмотке постоянного тока встречной переменной э. д. с. обмотки переменного тока включаются так, чтобы их магнитные потоки в сердечнике, на котором расположена обмотка постоянного тока, были направлены навстречу друг другу.

Основной характеристикой магнитного усилителя является коэффициент усиления по мощности



где Р_ВЫХ — мощность выходная;

Р_У — мощность управления;

Р₀— мощность холостого хода, расходуемая на нагрузке при
отсутствии тока в обмотке управления. Обычно это
небольшая величина по сравнению с Р_ВЫХ при номи­нальной нагрузке. . .
Коэффициент усиления современных магнитных усилителей до­стигает 10⁶.

На рис. 8.24, а приведена статическая характеристика магнит­ного усилителя. Прямолинейный участок этой характеристики (ab) является рабочим участком.



Недостатком описанного усилителя является то, что он не реа­гирует на полярность сигнала. Между тем в схемах автоматического управления полярность сигнала часто имеет большое значение. В этом случае в магнитных усилителях применяют постоянное на­чальное подмагничивание (I_а) Такие усилители имеют две обмотки постоянного тока (рис. 8.23, б): одна для начального подмагничивания получающая питание от постоянного источника тока, и вторая — управляющая В этом случае при отсутствии управ­ляющего сигнала ток в обмотке переменного тока будет иметь не­которую постоянную величину, при появлении сигнала I_у величина переменного тока будет увеличиваться или уменьшаться в зависи­мости от полярности сигнала.

Постоянное подмагничивание магнитной цепи усилителя вызы­вает перемещение статической характеристики влево (рис. 8.24, б). На этой характеристике (рис. 8.24) точки а' и б' ограничивают рабочий участок, на котором при изменении тока управления от —I’_у до +I’_у можно получить разные значения тока в цепи на­грузки в пределах I_н1—I_н2.

Если необходимо, чтобы при отсутствии сигнала напряжение на выходе усилителя было равно нулю, а при изменении полярности управляющего сигнала обес­печивалось опрокидывание фазы.выходного напряжения на 180°, применяют диффе­ренциальные магнитные уси­лители (рис, .8.25). В диффе­ренциальном магнитном уси­лителе два одинаковых дросселя через нагрузочное сопротивление подключены к двум равным секциям вторич­ной обмотки трансформатора.

Н агрузочное сопротивле­ние Z включается между сред­ней точкой цепи обмоток пе­ременного тока и средней точкой вторичной обмотки трансформатора Тр. При таком включении ток на наг­рузочном сопротивлении ра­вен разности между токами в обмотках переменного тока первого и второго дросселей. Фаза тока соответствует фазе большего по величине тока. Обмотки постоянного подмагничивания и управляющие обмотки обоих дросселей соединены между собой последовательно. Однако в одном дросселе магнитные потоки об­моток подмагничивания и управляющей по направлению совпадают и складываются, в другом ( и ) — направлены навстречу и вычитаются. При отсутствии



сигнала ток в нагрузочном сопротивлении Z равен нулю. При появлении сигнала положитель­ной полярности в нагрузочном сопротивлении появляется ток. При перемене полярности управляющего сигнала происходит опроки­дывание фазы выходного напряжения на 180°.

С целью увеличения коэффициента усиления магнитных усили­телей применяют схемы усилителей с обратной связью. В этих схемах' обмотка начального подмагничивания получает питание от цепи переменного тока через полупроводниковый выпрямитель, собранный по мостовой схеме (рис. 8.26). При этом, даже при от­сутствии сигнала в управляющей обмотке, создается подмагничивание дросселя. При появлении сигнала подмагничивание усили­вается. Схемы магнитных усилителей с обратной связью значи­тельно более чувствительны к изменениям управляющего сигнала и для управления выходным током требуются значительно меньшие изменения тока управляющего сигнала. В этой схеме подмагничи­вание осуществляется посредством обмоток обратной связи w_oc(внешняя обратная связь).

На рис. 8.27 приведена принципиальная электрическая. схема дифференциального магнитного усилителя с внутренней оболочной связью. Здесь подмагничивание создается также за счет образования связи, которая возбуждается непосредственно в рабочих обмотках w_ocпеременного тока. Обе обмотки переменного тока соединены па­раллельно. Для создания обратной связи в цепи обмоток перемен­ного тока вводятся однополупериодные полупроводниковые выпря­мители. Выпрямители включены так, чтобы их постоянные состав­ляющие совпадали по направлению с постоянными составляющими тока в обмотке w_yуправляющего сигнала.

Магнитные усилители имеют широкое применение в схемах авто­матического управления. Они просты и надежны в эксплуатации допускают значительные перегрузки, могут работать при колебаниях напряжения в пределах от 20 до 30% номинального, не имеют подвижных частей, не чувствительны к вибрации и ударам, не тре­буют предварительной подготовки к работе, могут применяться в помещениях со значительной влажностью и пожаро - и взрыво­опасных, не требуют постоянного ухода и имеют большой срок

службы. Все это делает магнитные усилители очень удобными для использования их в судовых условиях. Недостатком магнитных уси­лителей является их некоторая инерционность.

Постоянная времени магнитных усилителей малой мощности и повышенной частоты имеет величину порядка сотых долей секун­ды. Однако у мощных усилителей постоянная времени при частоте 5Э гц может достигать нескольких секунд. Далее, вследствие нели­нейности кривой намагничивания насыщенных сердечников уси­лителей возможно некоторое искажение формы кривой тока нагрузки. Наконец, магнитные усилители при частоте тока 50 гц имеют значительную массу и габариты, что всегда нежелательно в судовых установках; с повышением же частоты они снижаются.