ююб. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №2 По дисциплине_ Электрические машины и апп. Практическая работа 2 По дисциплине Электрические машины и аппараты Тема Трансформаторы Специальность 13. 02. 11 Юртаев В. Е. Тээ 21д проверил преподаватель Сидоренко С. Р

• Название: Практическая работа 2 По дисциплине Электрические машины и аппараты Тема Трансформаторы Специальность 13. 02. 11 Юртаев В. Е. Тээ 21д проверил преподаватель Сидоренко С. Р
• Дата: 14.04.2023
• Размер: 1.13 Mb.
• Имя файла: ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №2 По дисциплине_ Электрические машины и апп.docx
• Тип: Практическая работа; #1062360
• страница: 4 из 8

4. Трехфазные трансформаторы

4. 1. Магнитопроводы трехфазных трансформаторов

Трехфазный трансформатор может быть составлен из трех одинаковых однофазных, тогда его называют групповым. Первичные обмотки трех однофазных трансформаторов соединяют между собой по одной из трехфазных схем, так же как и вторичные обмотки. Групповые трехфазные трансформаторы находят применение при очень больших мощностях (>3X630 кВ А). Это объясняется тем. что каждый однофазный трансформатор группы меньше по габаритам и весу, чем один трехфазный трансформатор на полную мощность группы. Кроме того, при групповом трансформаторе в качестве резерва достаточно иметь один однофазный трансформатор (треть мощности группы), в то время, как при одном трехфазном трансформаторе в резерве приходится устанавливать другой трансформатор на полную мощность.

Групповой трансформатор имеет известные преимущества при больших мощностях, когда условия транспорта и надежность при эксплуатации имеют особенно важное значение. Однако групповой трансформатор несколько дороже трехфазного на ту же мощность, занимает больше места и имеет меньший к. п. д.

На рис. 4.1, а изображено устройство выемной (активной) части трехфазного стержневого трансформатора с масляным охлаждением.

Над крышкой бака помещен расширитель 1. На крышке бака расположены выводы обмоток низшего 2 и высшего 3 напряжения, переключатель 4 для регулировки напряжения и газовое реле 5 для защиты трансформатора от перегрузок и коротких замыканий. Схема трехфазного трансформатора со связанной магнитной системой изображена на рис. 4.1, б





Рис. 4.1 Устройство выемной части стержневого трехфазного трансформатора (а) и схема устройства (б)

Получение такого магнитопровода можно представить себе следующим образом. Три одинаковых однофазных трансформатора выполнены так, что их первичные и вторичные обмотки размещены на одном стержне сердечника, а другой стержень магнитопровода каждого трансформатора не имеет обмотки. Если эти три трансформатора расположить так, чтобы стержни, не имеющие обмоток, находились рядом, то эти три стержня можно объединить в один — 0. Через объединенный стержень 0 будут замыкаться магнитные потоки трех однофазных трансформаторов, которые равны по величине и сдвинуты по фазе на одну треть периода. Так как сумма трех равных по амплитуде и сдвинутых по фазе на 1/3 периода магнитных потоков равна нулю в любой момент времени (Ф_А + Ф₀ + Фс = 0), то в объединенном стержне магнитного потока нет и надобность в этом стержне отпадает. Таким образом для магнитопровода достаточно иметь три стержня, которые по конструктивным соображениям располагаются в одной плоскости. На каждом стержне трехфазного транс­форматора размещаются обмотки высшего и низшего напряжения одной фазы. Стержни соединяются между собой ярмом сверху и снизу. Длина магнитных линий потока среднего стержня меньше, чем крайних стержней. Поэтому магнитный поток среднего стержня встречает на своем пути меньшее магнитное сопротивление, чем магнитные потоки крайних стержней. Следовательно, в фазе, обмотка которой помещена на среднем стержне, протекает меньший намагничивающий ток, чем в фазах, обмотки которых помещены на крайних стержнях.

В трехфазных трансформаторах так же, как и в однофазных, поперечное сечение ярма делают больше, чем стержня, для уменьшения намагничивающих токов.

4.2. Соединение обмоток трехфазных трансформаторов

Конструктивно обмотки трехфазных трансформаторов выполняются так же, как и однофазных. Начала фаз обмоток ВН обозначены прописными латинскими буквами А, В и С; концы фаз этих обмоток — X, YиZ. Если обмотка ВН имеет выведенную нулевую точку, то этот зажим обозначают 0.

Начала фаз обмоток НН обозначаются строчными латинскими буквами а, b, с, концы фаз — х, у, z, вывод нулевой точки — 0.

Обмотки трехфазных трансформаторов могут быть соединены в звезду (рис. 4.2, а), когда концы всех трех фаз соединены между собой, образуя общую нейтральную (нулевую) точку, а свободные начала трех фаз подключены к трем проводам сети источника или приемника электрической энергии переменного тока. При соединении обмоток в треугольник (рис. 4.2, б) начало первой фазы соединяется с концом второй, начало второй фазы — с концом третьей, начало третьей фазы — с концом первой. Точки соединения начала одной фазы с концом другой подключены к проводам трехфазной сети переменного тока.



Рис. 4.2. Схемы соединения обмоток трехфазного трансформатора

Помимо двух основных схем (звезда и треугольник) иногда применяют схему соединения в зигзаг (рис. 4.2, в). В этой схеме фаза состоит из двух катушек с одинаковым числом витков, находящихся на различных стержнях и соединенных встречно. Э. д. с. фазы обмотки, соединенной в зигзаг, равна геометрической разности э. д. с. двух катушек. Эти э. д. с. сдвинуты на 1/3 периода по фазе так же, как и магнитные потоки двух различных стержней, поэтому , где — э.д.с. фазы при соединении обмоток в зигзаг; Е_кат — э. д. с. одной катушки.

При соединении обмоток в треугольник или в звезду две катушки, входящие в одну фазу, будут соединены последовательно, так что э. д. с. фазы при схеме треугольник и звезда будут равны арифметической сумме э. д. с. катушек.

Следовательно, при одинаковых размерах и расходе обмоточного провода э. д. с. фазы при схеме зигзаг меньше, чем при схемах звезда и треугольник. Таким образом, схема соединения обмоток трехфазного трансформатора в зигзаг неэкономична и не нашла широкого практического применения. Эта схема используется в ртутных выпрямителях (отсутствует вынужденное намагничивание сердечника); в сложномостовых схемах выпрямления для преобразования симметричной трехфазной системы в 6-, 9-, 12- и т. д. фазную.

Схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов в звезду, треугольник и зигзаг соответственно обозначаются знаками .

Если обмотка имеет выведенную нулевую точку, то в соответствующем знаке обозначается нулевая точка и показывается вывод от нее, например: или .

4.3. Группы трехфазных трансформаторов

Группы трехфазных трансформаторов обозначаются знакам следующего вида: и

и т. д., где знак слева от черты показывает схему соединения обмоток ВН, знак справа от черты — схему соединения обмоток НН, цифра — угол между векторами линейных э. д. с. обмоток ВН и НН, выраженный числом угловых единиц по 30°.

Так, первое обозначение группы показывает, что обмотки высшего и низшего напряжения соединены в звезду, причем обмотка НН имеет выведенную нулевую точку, и угол между векторами линейных э. д. с. обмоток высшего и низшего напряжения равен 0X30 = 0°. Группы трехфазных трансформаторов зависят от схем соединения обмоток, обозначения зажимов фаз обмоток ВН и НН и направления намоток. Если направление намотки обмоток ВН и НН одинаково, то э. д. с., индуктируемые в фазах обмоток, совпадают по фазе; если же обмотки имеют встречное направление намотки,, то э. д. с. находятся в противофазе.

Предположим, что обмотки высшего и низшего напряжения соединены в звезду и имеют одинаковое направление намотки, что условно показано на рис. 4.3, а. Тогда э. д. с., индуктируемые в. фазах обмоток высшего и низшего напряжения, будут совпадать: векторы Е_а и Е_А, Е_b и Е_В, Е_с и Е_С параллельны.



Рис. 4.3. Схемы соединения обмоток и векторные диаграммы э. д. с. для трансформаторов: а — группа 0; группа 4

Векторы линейных э. д. с. соответствующих зажимов обмоток высшего и низшего напряжения (Ė_АВ и Ė_ab) оказались параллельны, т. е. угол между ними 0°, и трансформатор принадлежит группе 0. Если изменить обозначения зажимов обмоток НН, как показано на рис. 4.3, б, то при этом звезда фазных э. д. с. обмоток повернется на 120°. Векторы Ė_с и Ė_А, Ė_а и Ė_B, Ė_b и Ė_C будут параллельными, так как обмотки фаз с и А, а и В, bи С находятся на одних и тех же стержнях и сцеплены с одинаковыми потоками. Угол между векторами линейных э. д. с. Ė_АB и Ė_аb равен 120°, т. е. мы получили группу 4. Если произвести еще одно изменение обозначения зажимов обмоток НН, то векторы фазных и линейных э. д. с. обмоток НН повернутся еще на 120° по часовой стрелке и мы получим группу 8. Если обмотки НН намотать встречно обмоткам ВН или, что то же самое, изменить обозначения начал и концов фаз НН, то фазные э. д. с. обмоток высшего и низшего напряжения будут направлены встречно, и угол между векторами линейных э. д. с. Ė_АВ и Ė_аbравен 180°, т. е. мы получили группу 6. При встречном направлении намоток обмоток высшего и низшего напряжений мы можем также производить круговое смещение зажимов и получить при этом группу 10 и группу 2. Таким образом, при соединении обмоток звезда — звезда мы получим любую четную группу: 2, 4, 6, 8, 10, 0.

При соединении звезда — треугольник векторы фазных э. д. с. обмоток высшего и низшего напряжения, находящихся на одних стержнях сердечника, при согласном направлении намоток будут иметь одинаковое направление. При соединении обмоток треугольником линейные э. д. с. совпадают с фазными, при соединении звездой линейные э. д. с. смещены на 30° по фазе относительно фазных э. д. с. Поэтому для схемы, изображенной на рис. 13.4, треугольники линейных э. д. с. обмоток высшего и низшего напряжения будут смещены на 30° или +330°, т. е. мы получили группу 11, показанную на векторной диаграмме. При круговом смещении зажимов обмоток НН треугольник линейных э. д. с. будет поворачиваться на 120° или 240°, т. е. мы получим группы 3 и 7. При встречном на­правлении намоток обмоток НН можно получить группы 1, 5, 9. Таким образом, при схемах звезда — треугольник или треугольник — звезда может быть получена любая нечетная группа: 1, 3, 5, 7, 9, 11

В стандартных группах обмотки ВН соединены в звезду для уменьшения фазной э. д. с. Фазная э. д. с. при соединении обмоток звездой в УЗ раз меньше, чем при соединении треугольником, так как линейные напряжения для обеих схем одинаковы. Поэтому при соединении обмоток звездой проще изоляция обмотки ВН, которая имеет меньшее число витков, чем при соединении треугольником. Обмотки НН в стандартных схемах преимущественно соединяют в треугольник, так как такая схема соединения менее чувствительна к несимметрии нагрузок.

Достоинство схемы «звезда с нулем» — возможность получения двух различных напряжений при четырехпроводной сети. Проверяют группу трансформаторов при одном (обычно номинальном) напряжении обмоток, не переключая число витков.

Группу соединения обмоток трехфазного трансформатора можно определить по показаниям двух вольтметров (ГОСТ 3484—65). При этом соединяют электрически одноименные вводы обмоток ВН и НН (например А и а) на крышке испытуемого трансформатора. К одной из обмоток (НН или ВН) подводят трехфазное напряжение небольшой величины (100 или 200 В) и точным вольтметром (класса точности не ниже 0,5) измеряют поочередно напряжения между зажимами обмоток b— В, b— С, с — В и с — С. Измеренные напряжения сравнивают с расчетными, их совпадение означает правильность группы соединения.

4.4. Работа трансформатора при несимметричной нагрузке

При симметричных нагрузках и к.з. трехфазного трансформатора в его обмотках протекают токи, равные по величине и сдвинутые по фазе на 2 /3. В этом случае несимметрия магнитных цепей трехстержневого трансформатора не оказывает никакого влияния, так как она касается только весьма небольшого тока х.х. Поэтому при нагрузке и к. з. все три фазы трехфазного трансформатора находятся в одинаковых условиях.На практике часто возникают случаи несимметричной нагрузки, когда токи в разных фазах неодинаковы по величине и имеют различный фазный сдвиг относительно своих фазных напряжений. Такие несимметричные нагрузки возникают при включении сварочных трансформаторов, мощных однофазных электрических печей и др. Несимметрия нагрузок и к.з. различным образом воздействует на выходные параметры трансформатора при различных схемах соединения обмоток трансформатора. Предельный случай несимметрии нагрузки — несимметричное однофазное к.з., когда одна фаза трехфазного трансформатора короткозамкнута, а две другие фазы разомкнуты.

Однофазное к. з. для группы трансформатора в системе звезда — звезда изображено на рис. 4.4, а. Следовательно, ток в фазе а равен току короткого замыкания (I_a=I_к), а в фазах b и с тока нет (I_B = 0 и I_с = 0).




Рис. 4.4. Однофазное к. з. в системе звезда — звезда: а) схема соединения обмоток; б) — диаграмма э. д. с. при фиксированной нулевой точке; в) — диаграмма э. д. с, при фиксированных точках а, b, с

Так как первичная обмотка не имеет вывода нулевой точки, то ток в фазе А—X, соответствующий току I_к в фазе а—х, в качестве обратного провода использует фазы В и С. По отношению к фазе А эти обе обмотки находятся в одинаковых условиях и ток фазы А разветвляется в них пополам (I_B = I_C = 0,5I_A). Если ток фазы А направлен от начала к нулевой точке, то в фазах В и С токи направлены от нулевой точки к началам этих фаз.

В любом замкнутом контуре магнитной цепи существует равновесие н. с. В контуре, состоящем из стержней, на которых находятся А и В первичные и а и bвторичные обмотки фаз, уравнения равновесия н. с. имеет следующий вид: . Для двух других замкнутых магнитных контуров эти уравнения будут следующими: и . Помня, что , получим . Откуда

;

где i. На стержне с обмотками фаз А и а действует результирующая н.с.



направленная вверх (в том же направлении и такой же величины действуют н.с. и в двух других стержнях).

Таким образом во всех трех стержнях трансформатора действуют н.с., равные по величине и совпадающие по фазе, и возбуждают добавочные магнитные потоки Ф₀, также равные по величине и совпадающие по фазе. Этот добавочный магнитный поток в стержнях магнитопровода существует совместно с основным потоком, соответствующим трехфазному напряжению, приложенному к первичной обмотке. Для группового и трехстержневого трансформаторов действие добавочного потока будет различно.

Групповой трансформатор. В таком трансформаторе с несвязной магнитной системой добавочный магнитный поток может достигать значительной величины, так как он замыкается по сердечнику каждого из однофазных трансформаторов и встречает на своем пути относительно малое магнитное сопротивление.

Если пренебречь активным сопротивлением г_к, то ток /_к и добавочный магнитный поток Ф₀ в каждой обмотке будут отставать по фазе от э. д. с. Е_а на /2 (рис. 13.10, б). В фазе а э. д. с. Е₀ направлена встречно относительно основной э. д. с. Е_а и при к.з. равна ей, а в фазах b и с э. д. с. этих фаз геометрически складываются с Е_b, и Е_с. Если бы положение точки 0 было фиксировано, то мы получили бы новый треугольник э. д. с. ob'c', равный треугольнику abc и смещенный относительно последнего на величину Е₀. В действительности же приложенное напряжение сети фиксирует положение точек а, b и с на векторной диаграмме (рис. 13.10, в) и э. д. с. Е₀ добавочного магнитного потока смещает нулевую точку 0 относительно точек а, b и с в положение 0', совпадающее с точкой а. Таким образом результирующая э. д. с. короткозамкнутой фазы стала равной нулю, а э. д. с. двух других фаз оказалась равными линейным напряжениям, что может повести к выходу из строя приемников энергии, рассчитанных на фазное значение э. д. с.

Однофазное к.з. — предельный случай несимметрии токов в системе звезда — звезда с нулем, и при несимметрии нагрузки искажения э. д. с. в фазах проявляется меньше.

Трехстержневой трансформатор. В таком трансформаторе со связанной магнитной системой добавочные магнитные потоки Ф₀ не могут замкнуться по магнитопроводу, так как во всех стержнях имеют одинаковые значения и направления в любой момент времени. Поэтому они подобно потокам третьей гармоники х. х. (см. рис. 4.5) вынуждены замыкаться по немагнитной среде.



Рис. 4.5. Третьи гармонические потоки трехстержневого трансформатора

Так как этот путь имеет очень большое магнитное сопротивление, то добавочный магнитный поток Ф₀ и вызываемое им искажение фазных э. д. с. незначительны. Поэтому система звезда — звезда с нулем в трехстержневых трансформаторах находит относительно широкое применение, тогда как в групповом не применяется никогда. Если бы первичная обмотка трансформатора была соединена треугольником, то опасность возникновения добавочного потока отпала бы, так как из сети в первичной обмотке ток протекал бы только в той фазе, которая размещена на одном стержне с короткозамкнутой фазой вторичной обмотки, поэтому н.с. первичной и вторичной обмоток взаимно уравновешиваются.