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: 7 из 8

7. Трансформаторы специальных типов

7.1. Автотрансформаторы

Автотрансформатором называют статический электромагнитный аппарат, имеющий одну обмотку, часть которой принадлежит одновременно первичной и вторичной сети. Принципиальная схема понижающего автотрансформатора показана на рис. 7.1.





Рис. 7.1. Принципиальная схема понижающего автотрансформатора

Первичное напряжение подведено к зажимам А — X первичной обмотки с числом витков 𝓌₁. Вторичной обмоткой является часть первичной а — X с числом витков 𝓌₂. Пренебрегая падением напряжения в сопротивлениях первичной обмотки от тока х.х., мы можем определить напряжения первичной и вторичной обмоток: U₁ E₁= 4,44𝓌₁fФ; U₂ E₂= 4,44𝓌₂fФ. Отношение напряжения первичной и вторичной обмоток при холостом ходе называется коэффициентом трансформации автотрансформатора, т. е. U₁/U₂ = 𝓌₁/𝓌₂ = k.

Если вторичную обмотку автотрансформатора замкнуть на какой-либо приемник энергии, то во вторичной цепи потечет ток.

Пренебрегая потерями энергии в автотрансформаторе, мощность, потребляемую автотрансформатором из сети, можно принять равной мощности, отдаваемой во вторичную сеть: P = U₁I₁ = U₂I₂. Откуда I₁/I₂= 𝓌₂/𝓌₁ = 1/k.

Таким образом, основные соотношения трансформатора остаются без изменения в автотрансформаторах.

Из условия постоянства магнитного потока при неизменном напряжении сети U₁ мы можем записать уравнение равновесия намагничивающих сил автотрансформатора: I₁𝓌₁ + I₂𝓌₂ = I₀𝓌₁

По части обмотки а—X с числом витков 𝓌₂ протекает ток I₁₂, равный геометрической сумме токов первичной и вторичной цепи: I₁₂ = I₁ + I₂

Если пренебречь током х.х. за малостью, то можно считать, что токи I₁ и I₂ сдвинуты по фазе на 180°, и их геометрическая сумма равна арифметической разности, т. е. I₁₂ = I ₂ – I ₁ = I₂(1 – 1/k). В понижающем автотрансформаторе ток I₁₂ совпадает по направлению с током I₂, в повышающем — направлен противоположно.

Конструктивно автотрансформатор отличается от обычного трансформатора только электрическим соединением между обмотками. Его преимуществом перед трансформатором той же полезной мощности является меньший расход активных материалов (меди и стали), потери энергии и изменение напряжения при изменениях нагрузки, высокий к. п. д. Вес меди автотрансформатора примерно в k/(k 1) раз меньше веса трансформатора при одинаковых плотностях тока. Это объясняется тем, что у трансформатора на сердечнике имеется две обмотки — первичная с числом витков 𝓌₁, поперечное сечение провода которой рассчитано на ток I₁, и вторичная с числом витков 𝓌₂, поперечное сечение провода которой рассчитано на ток I₂. У автотрансформатора также две обмотки, но одна из них (часть А—а) имеет число витков (𝓌₁ 𝓌₂) из провода, поперечное сечение которого рассчитано на ток I₁ а другая (часть а—X) имеет число витков 𝓌₂ и сечение ее провода рассчитано на разность токов I₂ I₁=I₁₂. Поперечное сечение и масса стали магнитопровода автотрансформатора также меньше сечения и массы стали магнитопровода трансформатора. Это объясняется тем, что в трансформаторе энергия из первичной сети во вторичную передается магнитным путем вследствие электромагнитной связи между обмотками. В автотрансформаторе энергия из первичной сети во вторичную частично передается за счет электрического соединения первичной и вторичной сети, т. е. электрическим путем.

В процессе передачи этой части энергии магнитный поток не участвует, поэтому электромагнитная мощность у автотрансформатора меньше, чем у трансформатора. При активной нагрузке полезная мощность автотрансформатора: P₂ = U₂I₂. Имея в виду, что I₂ = I₁ + I₁₂ получим Р₂ = U₂I₁ + U₂I₁₂ = Р_эл + Р_эм, где Р_эл — мощность, передаваемая за счет электрической связи; Р_эм — электромагнитная мощность автотрансформатора, определяющая необходимый магнитный поток, сечение и массу стали магнитопровода. Эта мощность является расчетной или габаритной мощностью автотрансформатора.

Достоинства автотрансформаторов будут выражены тем больше, чем ближе коэффициент трансформации к единице. Поэтому автотрансформаторы применяют при небольших коэффициентах трансформации (k = 1 2).

Недостатки автотрансформаторов перед трансформаторами: малое сопротивление короткого замыкания, что обусловливает большую кратность тока к.з., возможность попадания ВН в сеть НН за счет электрической связи между этими сетями. Наличие электрической связи между сетью источника и приемника энергии делает невозможным применение автотрансформатора в случае, когда приемник энергии имеет заземленный полюс (в выпрями­тельных устройствах).

Очень часто автотрансформаторы применяют в установках высокого и низкого напряжения в случаях, когда возникает необходимость изменения напряжения на каком-либо участке сети в небольших пределах (до 50—100%). Применение обычных трансформаторов в этом случае нецелесообразно по экономическим соображениям. Включение двухобмоточного трансформатора по автотрансформаторной схеме (рис. 7.2) дает возможность повысить или понизить напряжение в сети.



Рис. 7.2. Схема включения двухобмоточного трансформатора по автотранспортной схеме

Первичная обмотка трансформатора подключена к сети с напряжением U₁ а вторичная с напряжением U₂ — последовательно в сеть с тем, чтобы напряжение этой обмотки добавлялось к напряжению U₁ и в сумме с ним создавало требуемое напряжение на выходе. При этом изоляция вторичной обмотки должна быть рассчитана на выходное напряжение U', а не на напряжение U₂, как в обычном трансформаторе. Полезная или проходная мощность автотрансформатора I₂U' = (U₁ + U₂)I₂. тогда как расчетная или габаритная мощность равна U₂I₂, т. е. расчетная мощность значительно меньше полезной.

Возможно выполнение четырех схем включения автотрансформатора, из которых две (рис. 7.2, а и б) применяются для повышения напряжения в сети (U' > U) и две (рис. 7.2, в и г) — для понижения. В последних двух схемах первичная обмотка имеет противоположное включение по сравнению со схемами, изображенными на рис. 7.2, а и б. Следовательно, вторичное напряжение U₂изменяет свою фазу, т. е. окажется направленным встречно приложенному напряжению U₁, так что напряжение на выходе U' по­нижается.

Автотрансформаторы применяют для связи высоковольтных сетей с близкими по величине напряжениями, например 154 и 220 кВ, 220 и 400 кВ, для пуска синхронных и асинхронных двигателей переменного тока. В трехфазных сетях применяют трехфазные автотрансформаторы, обмотки которых могут быть соединены в треугольник или звезду, последние наиболее распространены. В этом случае нулевую точку либо заземляют, либо присоединяют к нейтральному проводу.

7.2. Трехобмоточные трансформаторы

Если необходимо получить не одно напряжение, то вместо требующихся для этого нескольких отдельных двухобмоточных транс­форматоров с различными коэффициентами трансформации может быть использован один многообмоточный. Это позволяет упростить и удешевить трансформаторную подстанцию.

Процессы, происходящие в двухобмоточном трансформаторе, можно обобщить и вывести общие уравнения, описывающие процессы, происходящие в многообмоточном. Пусть трансформатор имеет п обмоток. Для такого n-обмоточного трансформатора справедливы уравнения равновесия э. д. с. и уравнение равновесия н.с. Обозначим через I₁, I_2, … I_n токи, протекающие в обмотках трансформатора, а через 𝓌₁, 𝓌₂,… 𝓌_n числа витков соответствующих обмоток. Согласно закону магнитного равновесия

I₁𝓌₁ + I₂𝓌₂ + I₃𝓌₃ + … + I_n𝓌_n =I₀𝓌₁ ,

т. е. сумма н.с. всех обмоток равна н.с. холостого хода. Намагничивающая сила первичной обмотки создает магнитный поток в магнитопроводе и компенсирует размагничивающее действие токов всех остальных обмоток.

Рассмотрим трехобмоточные трансформаторы, имеющие широкое распространение. Опыт холостого хода трехобмоточиого трансформатора, когда обе вторичные обмотки разомкнуты, ничем не отличается от опыта холостого хода обычного двухобмоточного трансформатора и дает возможность определить ток х.х. I₀, потери х.х. Р₀ и коэффициенты трансформации. Для данного случая мы получим два коэффициента трансформации k₁₂ и k₁₃ между первой и второй и между первой и третьей обмотками трансформатора (по общему правилу): k₁₂ = E₁/E₂= 𝓌₁/ 𝓌₂; k_l3=E₁/E₃ = 𝓌₁/ 𝓌₃. По этим коэффициентам можно определить третий k₂₃ между второй и третьей обмотками: k₂₃ = E₂/E₃= 𝓌₂/ 𝓌₃ = k_l3/ k_l2

Для определения параметров короткого замыкания производят три опыта короткого замыкания, а именно:

а) между обмотками 1 и 2 при разомкнутой обмотке 3;

б) между обмотками 1 и 3 при разомкнутой обмотке 2;

в) между обмотками 2 и 3 при разомкнутой обмотке 1.

Пусть r₁, r₂, r₃ — активные сопротивления; Х₁ Х₂, Х₃— индуктивные сопротивления соответствующих обмоток.

В двухобмоточных трансформаторах индуктивные сопротивления обмоток определяются потоками рассеяния этих же обмоток. В трехобмоточных трансформаторах индуктивные сопротивления обмоток определяются некоторыми эквивалентными потоками рассеяния, слагающимися из потока рассеяния данной обмотки и потоков рассеяния двух других обмоток.

Обозначим через r₂´, r₃´, Х₂´, Х₃´ активные и индуктивные сопротивления обмоток 2 и 3, приведенные к первичной, через r_к12, r_к13, r_к23, Х_к12, Х_к13, Х_к23 активные и индуктивные сопротивления к.з., полученные из трех опытов короткого замыкания.

Активные сопротивления к. з. ; ; В последнем равенстве, заменив k₂₃ через дробь k₁₃/ k₁₃ получим , где — активное сопротивление, полученное из опыта короткого замыкания между обмотками 2 и 3, приведенное к первичной обмотке. Из записанных трех уравнений мы определим три неизвестных сопротивления:

; ;

.

Совершенно аналогично получим выражения для индуктивных сопротивлений обмоток 1, 2, 3:

; ;

,

где Х'_к23 — индуктивное сопротивление, полученное из опыта короткого замыкания между обмотками 2 и 3, приведенное к первичной обмотке.

Для трехобмоточного трансформатора, так же как и для двухобмоточного, мы можем построить эквивалентную схему (рис. 7.3). Трехобмоточные трансформаторы, имеющие одну первичную и две вторичные обмотки, наиболее широко распространены.





Рис. 7.3. Эквивалентная схема трехобмоточного трансформатора

Его характерной особенностью является взаимное влияние между вторичными обмотками. Если изменится нагрузка в одной из обмоток (на пример, второй), то напряжение изменяется как в этой обмотке (U₂). так и в другой (U₃). Это объясняется тем, что изменение тока в какой-либо одной вторичной обмотке вызывает соответствующее изменение тока в первичной обмотке и вследствие изменения падения напряжения в полном сопротивлении первичной обмотки меняются как э. д.с., так и напряжения всех вторичных обмоток.

В конструктивном отношении трехобмоточные трансформаторы подобны двухобмоточным. На магнитопроводе трехобмоточного трансформатора помещают три обмотки — высшего (ВН), среднего (СН) и низшего напряжений (НН). На стержне магнитопровода обмотки могут располагаться различным образом (рис. 7.4). Ближе к стержню может быть расположена обмотка НН (а), СН (б) или ВН (в). Расположение обмотки ВН (в) близ стержня нецелесообразно, так как изоляция ее от магнитопровода представляет большую сложность. Также из конструктивных соображений не располагают обмотки ВН между обмотками СН и НН (г), так как при таком расположении требовалось бы изолировать обмотку ВН от двух других. При расположении обмотки ВН на периферии. (а и б) индуктивные сопротивления рассеяния и напряжения к.з. между обмотками ВН и какой-либо другой (СН и НН) будут меньше для той обмотки, которая расположена ближе к обмотке ВН.




Рис. 7.4. Размещение обмоток трехобмоточного трансформатора на магнитопроводе

Номинальной мощностью трехобмоточного трансформатора называют мощность его наиболее мощной обмотки, которой всегда является обмотка ВН. Изготовление трехобмоточного трансформатора в случае, когда мощность одной из вторичных обмоток его невелика, неэкономично. Поэтому мощности обмоток ВН, СН и НН трехобмоточного трансформатора в процентах от его номинальной обычно составляют: 1) 100, 100, 100; 2) 100, 100, 66, 7; 3) 100, 66,7,. 100; 4) 100, 66,7, 66,7.

Трехфазные трансформаторы также выполняют трехобмоточными либо с соединением обмоток ВН и СН в звезду, а обмотки НН в треугольник, либо с соединением обмотки ВН в звезду, а обмоток СН и НН в треугольник. Схемы соединения обмоток, диаграммы векторов фазных э. д. с. и условные обозначения трехфазных трехобмоточных трансформаторов приведены на рис. 7.5.

Трехобмоточные трансформаторы обычно строят на большие мощности 5600—31500 кВ А (трехфазные) и 5000—40000 кВ А (однофазные) при напряжении обмоток ВН—110—121 кВ, СН — 34,5—38,5 кВ и НН —3,15—15,75 кВ.




Рис. 7.5. Схемы соединения обмоток, диаграммы векторов фазных э. д. с. и условные обозначения трехфазных трехобмоточных трансформаторов

В некоторых случаях на крупных электрических станциях, когда возникает необходимость в работе двух (или трех) генераторов на общую линию электропередачи через один мощный повышающий трансформатор, применяют трехобмоточные трансформаторы с двумя первичными и одной вторичной обмотками. Иногда трансформаторы имеют две первичные обмотки с различными номинальными напряжениями.