Электр маш конспект. Трансформаторы основные теоретические сведения
 Скачать 0.96 Mb.
|
|
ТРАНСФОРМАТОРЫ 1.1. Основные теоретические сведения Трансформатор представляет собой электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте. Трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода, собранного из тонких, изолированных друг от друга листов электротехнической стали, на котором находятся две обмотки, выполненные изолированным медным проводом. На первичную обмотку подается напряжение сети, к зажимам вторичной присоединяется нагрузка. Переменный магнитный поток, возбужденный в магнитопроводе трансформатора, наводит в обеих обмотках действующие э.д.с.:  , ,где Фm - амплитуда магнитного потока; f - частота переменного тока; W1 и W2 - числа витков соответственно первичной и вторичной обмоток. Различают следующие режимы работы трансформатора: 1)режим холостого хода; 2)режим короткого замыкания; 3)режим нагрузки. Режим холостого хода. Режим холостого хода является таким предельным режимом, при котором вторичная обмотка разомкнута. Напряжение U20 на ее зажимах равно Е2. Опыт холостого хода дает возможность определить: 1)коэффициент трансформации:  ,где U1н - номинальное напряжение на первичной обмотке трансформатора; 2)ток холостого хода:  ,где I1н - номинальный ток трансформатора; 3)активную мощность Ро, которая представляет собой потери мощности при холостом ходе, идущие на затраты активной мощности на перемагничивание магнитопровода с частотой сети, а также на компенсацию размагничивающего действия вихревых токов, возникающих в толще листов магнитопровода трансформатора. Используя результаты опыта холостого хода и паспортные данные трансформатора можно определить параметры (Zo, Ro, Xo) схемы замещения (Рис. 1.1) трансформатора.  ,где Rо - активное сопротивление, потери мощности в котором равны потерям мощности в магнитопроводе трансформатора; Хо - индуктивное сопротивление первичной обмотки, обусловленное основным магнитным потоком; Zо - полное сопротивление; 0- угол сдвига по фазе между током и напряжением первичной обмотки в режиме холостого хода; - угол между током холостого хода и магнитным потоком в режиме холостого хода.  Рис. 1.1. 1.3. Режим короткого замыкания Режим короткого замыкания является другим предельным режимом работы трансформатора, при котором вторичная обмотка замкнута накоротко. Р  ис. 1.2. Различают короткое замыкание в процессе эксплуатации трансформатора и опытный режим короткого замыкания. При эксплуатационном коротком замыкании к первичной обмотке приложено полное напряжение сети и по обмоткам протекают токи значительно больше номинальных. В опытном режиме короткого замыкания на первичную обмотку подается такое пониженное напряжение короткого замыкания (U1к), при котором по вторичной обмотке протекает номинальный ток.  .Мощность Рк, определяемая из опыта короткого замыкания представляет собой электрические потери в активных сопротивлениях обоих обмоток трансформатора  ,где R1 и R2 - активные сопротивления первичной и вторичной обмоток трансфрматора. В опыте короткого замыкания определяют потери мощности в обмотках трансформатора и уточняют значение коэффициента трансформации. По результатам измерения и паспортным данным определяют параметры (R1, R’2, X1, X’2) схемы замещения трансформатора (Рис. 1.2. и Рис. 1.1.).  , ,где Rк и Хк - активное и реактивное сопротивления короткого замыкания трансформатора; R2’ и Х2’ - приведенные сопротивления вторичной обмотки трансформатора к первичной обмотке. Для приведенного трансформатора имеем:  1.4.Режим нагрузки В режиме нагрузки трансформатор нагружается в пределах от нуля до номинальной, одной из нагрузок: активной, активно-ндуктивной или ёмкостной. Уравнения электрического состояния этого режима:  , , ,где  и  - комплексы полных сопротивлений обмоток трансформатора.Зависимость U2 = f(I2) называется внешней характеристикой трансформатора (Рис. 1.3).  Рис. 1.3. Процентное изменение вторичного напряжения при переменной нагрузке определяют так:  ,где U2о и U2 - соответственно вторичные напряжения при холостом ходе и заданной нагрузке, определяемой вторичным током и коэффициентом мощности cosf2 нагрузки. Величину U2 можно рассчитать по формуле:  ,где  - коэффициент загрузки;Uа.к. - активная составляющая напряжения короткого замыкания трансформатора; Uр.к. - реактивная составляющая напряжения короткого замыкания трансформатора в процентах; cos2 - коэффициент мощности нагрузки.  , , где Sн - полная мощность трансформатора, ВА. 1.5. Коэффициент полезного действия трансформатора. По данным режима холостого хода, короткого замыкания и режима нагрузки трансформатора определяется к.п.д. трансформатора:  ,где Р2 = U2I2cos2 - активная полезная мощность, снимаемая с зажимов вторичной обмотки;  Р1 = U1I1cos1 - активная мощность, потребляемая трансформатором из сети; Зависимость = f(β) приведена на рис. 1.4. Рис. 1.4. mах - коэффициент загрузки трансформатора, при котором к.п.д. трансформатора достигает максимального значения:  1.6. Векторные диаграммы трансформатора На рис. 1.6. приведены векторные диаграммы нагруженного трансформатора с нагрузками: активной (Рис. 1.6.а) и активно-индуктивной (Рис.1.6.б).  Рис. 1.5.а. Рис. 1.5.б. .  Рис. 1.6.а. Рис. 1.6.б. 1.7. Трёхфазные трансформаторы. Группы соединения фазных обмоток Каждому типу фазных обмоток трехфазного трансформатора соответствует определенный угол смещения векторов линейных низших напряжений к соответствующим им векторам линейных высших напряжений. Сдвиг фаз между ЭДС ЁАХи Ёахпринято выражать группой соединения. Так как этот сдвиг фаз может изменяться от 0 до 360°, а кратность сдвига составляет 30°, то для обозначения группы соединения принят ряд чисел: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,10,11 и 0. Для трехфазных трансформаторов угол смещения вектора линейной ЭДС обмотки НН по отношению к вектору линейной ЭДС обмотки ВН определяют умножением числа, обозначающего группу соединения, на 30°. Угол смещения отсчитывают от вектора ЭДС обмотки ВН по часовой стрелке до вектора ЭДС обмотки НН. Например, группа соединения 5 указывает, что вектор линейной ЭДС обмоток НН отстает по фазе от вектора линейной ЭДС обмоток ВН на угол 5 • 30°= 150°. Применением разных способов соединения обмоток в трехфазных трансформаторах можно создать 12 различных групп соединения. При одинаковых схемах соединения обмоток ВН и НН, например Y/Y или Δ/Δ, получают четные группы соединения, а при неодинаковых схемах, например Y/Δ или Δ/Y, — нечетные. Четыре группы соединения 0, 6,11 и 5 называют основными. Соотношение и угол смещения между векторами линейных ЭДС обмоток НН по отношению к векторам линейных ЭДС обмоток ВН наглядно иллюстрируются с помощью топологических диаграмм (рис.2.1).  Рис. 2.1. Топографические диаграммы линейных напряжений нулевой (а), шестой (б), одиннадцатой (в) и пятой (г) групп соединения При изготовлении или в процессе эксплуатации трансформаторов иногда возникает необходимость в опытной проверке группы соединения. Существует несколько методов такой проверки, но наиболее распространены методы фазометра и вольтметра. Метод фазометра. Основан на непосредственном измерении угла фазового сдвига между соответствующими линейными напряжениями (ЭДС) обмоток ВН и НН с помощью фазометра ф, включенного по схеме, показанной на рис. 2.2, а. Параллельную обмотку фазометра Uподключают к стороне ВН, а последовательную обмотку I — к стороне НН. Для ограничения тока в последовательной обмотке ее включают через добавочное сопротивление гдоб. Затем трансформатор включают в сеть с симметричным трехфазным напряжением. Для удобства измерений желательно, чтобы фазометр имел полную (360°) шкалу.  Рис. 2.2. Проверка группы соединения Y/Y— 0 методами фазометра (а) и вольтметра (б) Метод вольтметра. Непосредственного измерения угла фазового сдвига между линейными напряжениями (ЭДС) этот метод не дает. Это косвенный метод и он основан на измерении вольтметром напряжений (ЭДС) между одноименными выводами обмоток ВН и НН. Если проверяют группу соединения Y/Y— 0 , то, соединив проводом выводы А и а, измеряют напряжение UbB (между выводами bи B) и UcC(между выводами с и С). Если предполагаемая группа соединения Y/Y—0 соответствует фактической, то напряжения  (2.1)где nл = UAB/ Uab— отношение линейных напряжений (ЭДС) обмоток ВН и НН, т.е. коэффициент трансформации линейных напряжений (ЭДС). Если проверяют группы соединения 6, 11 или 5, то для измеренных значений напряжений пользуются формулами: группа Y/Y- 6  (2.2) группа Y/A — 11  (2.3)группа Y/Д — 5  (2.4)где Uabи Uxy — линейные напряжения на выводах обмоток НН, В. Если условия равенства напряжений по результатам измерений и приводимым формулам не соблюдаются, то это свидетельствует о нарушениях в маркировке выводов трансформатора. 1.8. Параллельная работа трансформаторов Параллельная работа двух или нескольких трансформаторов состоит в параллельном соединении их обмоток, как на первичной так и на вторичной сторонах. При параллельном соединении одноименные зажимы трансформаторов присоединяют к одному и тому же проводу сети. Применение нескольких параллельно включенных трансформаторов вместо одного трансформатора суммарной мощности необходимо для обеспечения бесперебойного энергоснабжения в случае аварии в каком-либо трансформаторе или отключения его для ремонта. Это также целесообразно при работе трансформаторной подстанции с переменным графиком нагрузки, когда мощность нагрузки значительно меняется в различные часы суток. В этом случае при уменьшении нагрузки можно отключить один или несколько трансформаторов для того, чтобы нагрузка оставшихся включенными трансформаторов была близка к номинальной. В итоге эксплуатационные показатели работы трансформаторов (КПД и cosφ2) будут сохраняться достаточно высокими. Для того чтобы нагрузка между параллельно работающими трансформаторами распределялась пропорционально их номинальным мощностям, допускается параллельная работа двухобмоточных трансформаторов при следующих условиях: трансформаторы должны иметь одинаковые коэффициенты трансформации, т. е. при одинаковых первичных напряжениях вторичные напряжения трансформаторов должны быть равны; трансформаторы должны принадлежать к одной группе соединения; трансформаторы должны иметь одинаковые напряжения к.з.; схема соединений при включении трансформаторов должна обеспечивать одинаковый порядок следования фаз как на стороне ВН, так и на стороне НН. Помимо этого рекомендуется, чтобы отношение номинальных мощностей трансформаторов, включенных для параллельной работы, было не более чем 3:1. Нарушение первого и второго условий вызывает появление больших уравнительных токов между обмотками трансформаторов, что ведет к чрезмерному перегреву трансформаторов, т. е. делает их совместную работу невозможной. Что же касается третьего условия, то неравенство напряжений к.з. трансформаторов более чем на 10% от их среднего значения ведет к тому, что распределение нагрузки между трансформаторами становится в значительной степени непропорциональной их номинальным мощностям. Равенство коэффициентов трансформации и напряжений к.з. обеспечивается подбором трансформаторов по их паспортным данным. Коэффициенты трансформации n1 и n2 не должны различаться более чем на ± 0,5% от их среднего значения:  , (3.1)где  — среднее геометрическое значение коэффициентов трансформации.Напряжения к.з. ur1 и uk2 не должны различаться более, чем на ± 10% от их среднего значения:  , (3.2)где  среднее арифметическое значение напряжений к.з.Прежде чем подключить трансформаторы на параллельную работу, т. е. включить рубильник 3, при замкнутом рубильнике 1 (рис. 3.1) необходимо провести фазировку трансформаторов, т. е. проверку соответствия фаз вторичных ЭДС трансформаторов Tpl и Тр2. Для этого соединяют проводом одну пару противолежащих клемм рубильника 3 и вольтметром Vo измеряют напряжение между двумя несоединенными парами противолежащих клемм рубильника 3. Если вторичные напряжения трансформаторов равны, их группы соединения одинаковы и порядок следования фаз у них один и тот же, то показания вольтметра Vo равны нулю. В этом случае рубильник 3 можно замкнуть, т. е. включить трансформаторы на параллельную работу. Если же вольтметр Vo показывает некоторое напряжение, то необходимо выяснить, какое из условий параллельной работы нарушено (обычно это нарушение одинакового порядка следования фаз), устранить его и вновь провести фазировку трансформаторов.  Рис. 3.1. Схема включения трехфазных двухобмоточных трансформаторов на параллельную работу |