Курс лекций по электротехнике Барнаул, 2000

• Название: Курс лекций по электротехнике Барнаул, 2000
• Дата: 18.11.2022
• Размер: 1.86 Mb.
• Имя файла: e9247be.doc
• Тип: Курс лекций; #795504
• страница: 4 из 5

РАЗДЕЛ 4.ТРАНСФОРМАТОРЫ
4.1. НАЗНАЧЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменных напряжений и токов неизменной частоту при передаче электроэнергии от источника к потребителю.

Трансформация напряжений и токов необходима, прежде всего, для экономичной передача и распределения электроэнергии. Энергия большой мощности S= U 1 при небольшом значении напряжения может быть передана только при большом значении тока. Потери энергии в линии электропередачи определяются по формуле:



где R_n- сопротивление 1 км линии передачи, Ом/км',

L - длина линии км, а потери напряжения в этой же линии:



Следовательно, чем меньше ток, тем меньше потери мощности и напряжения в линях электропередачи. Это достигается повышением напряжения в линии. Чем выше напряжение, тем меньше значение тока, а значит меньше сечение проводов линии передачи. Поэтому в местах производства электрической энергии - на электрических станциях напряжение повышают до 35, ПО, 220, 330, 500, 750 кВ и выше, передают энергию по проводам к потребителю, где на понижающих подстанциях трансформируют до 3, 6, 10 кВ. Эти напряжения используют при питании мощных электродвигателей, других приемников, а также трансформаторов, понижающих напряжение до 500, 380, 220 В и ниже.
4.2. УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРА
Трансформатор состоят из сердечника (см. рис.4.1), собранного из отдельных листов электротехнической стали и двух обмоток - первичной с числом витков ω1и вторичной с числом витков ω2.

Обмотки обычно выполняют из медного провода круглого или прямоугольного сечения. Начала обмоток обозначают буквами А и а, концы X и х. Обмотки различают также по значению напряжения: обмотка высшего напряжения (BH), обмотка низшего напряжения (////). К первичной обмотке подключается генератор, ко вторичной -приемник.


Условное обозначение трансформатора приведено на рис.4.2

На табличке трансформатора указывается его номинальные величины: мощность S_H, первичное (U_1н и вторичное U_2н, напряжения, первичный I_1ни вторичный I2н токи, напряжение короткого замыкания U_ки частота fкоторые соответствуют номинальному тепловому режиму.


4.3. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
Переменное напряжение в подведенное к первичной обмотке трансформатора, вызывают в ней ток i₁, который возбуждает в сердечнике, являющимся магнитопроводом, переменный магнитный поток Ф. Часть потока замыкается вокруг первичной обмотки по сердечнику и по воздуху, образуя поле рассеяния.

Основной магнитный поток Ф наводит в обмотках э.д.с.



Э.д.с. e₂имеет такое же направление по отношению к началу вторичной обмотки, как в э.д.с. е₁, по отношению к первичной обмотке (на рис. 4.1 начала обмоток обозначены точками).

Для гармонически изменяющегося магнитного потока



где Ф и Ф_т - мгновенное и амплитудное значения потока. С учетом выражения магнитного потока формулы (4.3) примут следующий вид:





Действующие значения первичной и вторичной э.д.с.



Отношение э.д.с. первичной обмотки к э.д.с. вторичной обмотки, рапное отношению чисел витков этих обмоток, называется коэффициентом трансформации трансформатора



Таким образом, для повышения напряжения генератора необходимо выполнить условие ω2 > ω1. Трансформатор с таким соотношением витков называют повышающим. Если трансформатор понижающий, то для него ω1 > ω2.
4.4. ПОТЕРИ МОЩНОСТИ И КПД ТРАНСФОРМАТОРОВ
При трансформации электрической энергии в трансформаторе возникают потери мощности





Потерь мощности состоят из потерь в стальном сердечнике Р_сти потерь на нагрев обмоток P_м. Последние является переменными потерями, поскольку зависят от нагрузки, и определяются:



где R1 и R2активные сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора. КПД трансформатора



и составляет для мощных трансформаторов 98 - 99%.
4.5. РЕЖИМ ХОЛОСТОГО ХОДА ТРАНСФОРМАТОРА
Это такой режим при котором к первичной обмотке трансформатора подведено напряжение сети, а вторичная обмотка разомкнута.

Поскольку вторичная обмотка разомкнута, то ток в ней отсутствует. Ток первичной обмотки будет равен току холостого хода I₁ = I₀, которые составляет 2 - 10% от номинального тока первичной обмотки для силовых трансформаторов. Причем, чем больше мощность трансформатора, ток меньше ток холостого тока.

Вследствие малости тока I₁, можно считать, что



Учтивая, что в режиме холостого хода U20= E₂коэффициент трансформации трансформатора можно определить как



Определив потери на нагрей первичной обмотки по формуле



можно найти потери в стали сердечника



При проведении опыта холостого хода к первичной обмотке подводят напряжение, которое постепенно повышают от 0 до 1,1 U_n1, При этом снимают показания приборов, а затем строят характеристики холостого хода, представляющие собой зависимости тока I₀мощности Р_ои коэффициента мощности cosφот напряжения U₁Построенные характеристики используются для определения значения тока I_о и мощности Р_осоответствующих номинальному напряжению U_1н-
4.6. РЕЖИМ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
Различают короткое замыкание трансформатора в условиях эксплуатации и сопровождающиеся всплесками тока или разрушением обмоток трансформатора, и опыт короткого замыкания, проводимый для определения параметров короткого замыкания.

При опыте короткого замыкания вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко, а к первичной обмотке подводят пониженное напряжение, повышая его от нуля до некоторого значения U_K, при котором токи короткого замыкания равны номинальным токам. В этом случае снимают показания приборов и строят характеристики короткого замыкания:



Где I_1Кток короткого замыкания в первичной обмотке трансформатора;

Р_к- мощность потерь короткого замыкания при номинальных токах в обмоткам.

Напряжение короткого замыкания U_kобычно выражается в процентах от номинального напряжения первичной обмотки U_1н



и составляет 2..8 % от U_1н.

На рис. 4.3 приведена упрощенная схема замещения трансформатора i режиме короткого замыкания. Величины сопротивлений R_к



Х_к, Z_кназывают параметрами короткого замыкания. Их значения определяют из опыта короткого замыкания, При номинальных токах в обмотках измеряют ток I_1K, напряжение U_kи мощность Р_Kи рассчитывают значения


4.7. РАБОТА ТРАНСФОРМАТОРА ПОД НАГРУЗКОЙ
В режиме нагрузки первичная обмотка трансформатора включена на номинальное первичное напряжение, а ко вторичной обмотке подключен приемник (см рис.4.4). В этом случае можно выделить три потока: основной поток Ф , сцепленный с первичной и вторичной обмотками, поток рассеяния первичной обмотки Ф_рас1 и поток вторичной обмотки Ф_рас2.



Работа трансформатора под нагрузкой подчиняется тем же закономерностям, что и работа в режимах холостого хода и короткого замыкания. Эта закономерности выражаются в форме уравнений напряжения, э.д.с. и намагничивающих сил, или могут быть изображены с помощью векторных диаграмм.

Нагрузочный режим позволит построить внешние характеристики и определить КПД (η) трансформатора. С увеличением нагрузки изменяется напряжение на вторичной обмотке. Зависимость этого напряжения от нагрузки выражается графически внешними характеристиками трансформатора U₂= f (I₂). Вид внешней характеристики зависит от характера нагрузки и от величины коэффициента мощности cosφ₂. При активной и активно-индуктивной нагрузках внешние характеристики имеют падающий вид, при активно-емкостной нагрузке внешняя характеристика имеет восходящий вид (рис.4.5).




4.8. ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВА И РАБОТЫ ТРЕХФАЗНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Описание рабочих процессов относится как к однофазным, так и к трехфазным трансформаторам, в последнем случае—к одной фазе трансформатора, нагруженного симметрично. Трансформирование трехфазной системы токов может осуществляться трансформаторной группой — тремя однофазными трансформаторами, работающими как одни агрегат. Но можно объединить три однофазных трансформатора в один трехфазный аппарат и при этом достигнуть экономии материалов. Это было сделано изобретателем трехфазного трансформатора М. О. Доливо-Добровольским в 1891 г. Покажем наглядно, как создается экономия материала при построении трехфазного трансформатора. Представим себе три однофазных трансформатора (рис. 4.6а). Составляя сердечник для трехфазного трансформатора, оставим без изменения те части сердечников однофазных трансформаторов, на которых расположены обмотки, а свободные части этих трех сердечников соединим в один общий магнитопровод (рис. 4.6 б). Такое построение магнитной системы можно сопоставить с соединением трех электрических цепей звездой. Но в трехфазной системе при равномерной на грузке нейтральный провод не нужен; отказываясь от него, получаем экономию меди.



Нейтральному проводу в магнитной системе трехфазного трансформатора соответствует средний общий стержень. При наличии симметричной трехфазной системы магнитных потоков этот стержень не нужен и может быть удален (рис. 4.6в), так как алгебраическая сумма этих магнитных потоков всегда равна нулю. Магнитный поток в стальном сердечнике трансформатора можно считать прямо пропорциональным напряжению и отстающим от него по фазе почти на 90°. Три первичных напряжения трехфазной системы, следовательно, должны обусловливать три потока одинаковой амплитуды, сдвинутых по фазе по отношению друг к другу на одну треть периода (120°).

Показанный на рис. 4.6в симметричный сердечник неудобен для изготовления и в настоящее время заменен несимметричным магнитопроводом (рис. 4.6г), который, можно мыслить как выпрямленный вариант магнитопровода (рис. 4.6в) Симметричная

трехфазная система первичных напряжений трансформатора возбуждает и в каком несимметричном магнитопроводе симметричную систем) магнитных потоков. Но из-за неравенства магнитных сопротивлении намагничивающие токи отдельных фаз между собой не равны- Однако эта несимметрия намагничивающих токов для основных соотношений существенного значения не имеет. Физически в каждый данный момент магнитный поток одного стержня замыкается через два других стержня магнитопровода (рис. 4.7).

Отметим, что для фазных напряжений и токов при симметричной нагрузке справедливы те же отношения, что и для однофазного трансформатора. Эти условия нарушаются лишь в некоторых случаях при несимметричной нагрузке трехфазных трансформаторов.



Рис. 4.8.Трехфазный масляный трансформатор с трубчатым баком в частичном разрезе:

1 - катки, 2 — спускной кран для масла, 3 - изолирующий цилиндр, 4 — обмотка высшего напряжения, 5 — обмотка низшего напряжения, 6 — сердечник, 7 — термометр, 8, 9 — выводы низшего напряжении. 10 — выводы обмотки высшего напряжения. 11 — расширитель для масла, 12 — указатель уровня масла, 13 — радиаторы
Группа из трех однофазных трансформаторов дороже, чем трехфазный трансформатор той же мощности, занимает больше места, а кпд несколько ниже. Зато в качестве резерва на случай аварии или ремонта при такой группе достаточно иметь один однофазный трансформатор, так как маловероятно одновременное повреждение всех трех фаз трансформатора, а периодический ремонт их может осуществляться поочередно. Но при трехфазном трансформаторе в качестве резерва необходим второй трехфазный трансформатор. Таким образом, трехфазная группа обеспечивает большую надежность при эксплуатации; наконец, перевозка и установка трех однофазных трансформаторов при больших мощностях значительно проще перевозки и установки трехфазного трансформатора большой мощности.

Практически большинство трансформаторов малой и средней мощности выполняют трехфазными (рис. 4.8), а больших мощностей — с учетом конкретных условий установки. Трехфазные трансформаторы изготовляют мощностью до 60 000 кВА, но уже начиная с мощности 3 х 600 = 1800 кВА допускается применять трехфазные группы трехфазных трансформаторов.

Зажимы трехфазного трансформатора размечаются в порядке чередования фаз: на стороне высшего напряжения зажимы А, В, С —

начала обмоток, X, У, Z—их концы; на стороне низшего напряжения — соответственно а, b, с и х, у, z(см. рис. 4.6г).

Основными способами соединения обмоток трехфазного трансформатора являются соединения звездой и треугольником.

Самым простым и дешевым из них является соединение обеих обмоток трансформатора звездой, при котором каждая из обмоток и ее изоляция (при глухом заземлении нейтральной точки) должны быть рассчитаны только на фазное напряжение и линейный ток; так как число витков обмотки трансформатора прямо пропорционально напряжению, то, следовательно, соединение обмоток звездой требует в каждой из обмоток меньшего количества витков, но большего сечения проводников с изоляцией, рассчитанной лишь на фазное напряжение. Соединение обеих обмоток звездой широко применяют для трансформа торов небольшой и средней мощности (примерно до 1800 кВА). Соединение звездой является наиболее желательным для высокого напряжения, так как при нем изоляция обмоток рассчитывается лишь на фазное напряжение. Чем выше напряжение и меньше ток, тем относительно дороже обходится соединение обмоток треугольником.

Соединение обмоток треугольником конструктивно удобнее при больших токах. По этой причине соединение Y/Δшироко применяется для трансформаторов большой мощности в тех случаях, когда на стороне низшего напряжения не требуется нейтрального провода.

При трехфазной трансформации только отношение фазных напряжений U_1ф/U_2ф всегда приближенно равно отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток w1/w2, что же касается линейных напряжений, то их отношение зависит от способа

соединения обмоток трансформатора. При одинаковом способе соединения (У/У или Δ/Δ) отношение линейных напряжений также равно коэффициенту трансформации. Однако при различном способе соединения (У/Δи Δ/У) отношение линейных напряжений меньше или больше этого коэффициента в √3paз. Это дает возможность регулировать вторичное линейное напряжение трансформатора соответствующим изменением способа соединения его обмоток.