Трансформаторы. Учебное пособие. Кислицын А.Л., 2001. Учебное пособие по курсу Электромеханика
 Скачать 1.35 Mb.
|
|
11. Параметры и характеристики трансформаторов Предварительные замечания Полученная ранее электрическая схема замещения (см. рис. 14, б) по- зволяет с достаточной точностью исследовать свойства трансформаторов в любом режиме. Использование этой схемы для определения характеристик имеет наибольшее практическое значение для трансформаторов мощностью 50 кВ . А и выше, так как исследование таких трансформаторов методом не- посредственной нагрузки связано с некоторыми техническими трудностями: непроизводительный расход электроэнергии, необходимость в громоздких и дорогостоящих нагрузочных устройствах. Определение параметров схемы замещения Zj = /j + jx\; Z m = r m + jx m ; Z^ = r^ + jx'^ возможно либо расчетным путём (в процессе расчета трансформатора), либо опытным. Ниже излагается порядок определения параметров схемы замещения трансформатора опытным путем, сущность которого состоит в проведении двух опытов — холостого хода и короткого замыкания. Рис. 27. Схема опыта холостого хода: однофазный трансформатор (а); трехфазный трансформатор (б) Опыт холостого хода проводят по схеме, изображенной на рис. 27,а. Комплект электроизмерительных приборов, включенных в схему, дает воз- можность непосредственно измерить: напряжение t/j, подведенное к первичной обмотке; напряжение £/20 на вторичной обмотке; мощность холостого хода/о и ток холостого хода / 0 Обычно напряжение к первичной обмотке трансформатора при экспе- рименте подводят через регулятор напряжения РН, позволяющий постепенно Трансформаторы 40 41 Трансформаторы Трансфорл шторы 42 11.2. Опыт короткого замыкания Короткое замыкание трансформатора — это такой режим, когда вто- ричная обмотка замкнута накоротко ( Z H = 0), при этом вторичное напряжение (t/2 — 0). В условиях эксплуатации, когда к трансформатору подведено номинальное напряжение U\ HOM , короткое замыкание является аварийным режимом и представляет большую опасность для трансформатора. Рис. 30. Схема опыта КЗ: однофазный трансформатор (а), трехфазный трансформатор (б) Опыт КЗ имеет практическое значение тогда, когда вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко (рис. 30), а к первичной обмотке подводят пониженное напряжение, постепенно повышая его регу- лятором напряжения РН до не- которого значения U K HOM , при котором токи КЗ в обмотках трансформатора становятся равными номинальным токам: Лк = Лион и ^2к = ^2ном- В этом случае снимают показания приборов и строят характеристики КЗ: /1 К , COS(p K , P K в зависимости от U K (рис. 31). В случае трехфазного трансфор- матора значения фазных на- пряжений и токов будут средними для трех фаз: Трансформаторы 43 а Рис. 3 1 . Характеристика КЗ трехфазного трансформатора Трансформаторы 44 47 Трансформаторы Трансформаторы 49 Рис. 36. Зависимость АС/ от величины нагрузки (а) и коэффициента мощности нагрузки (б) трансформатора на зажимах вторичной обмотки при холостом ходу и номинальном первичном напряжении. Вид внешней характеристики (рис. 37) зависит от характера нагрузки трансформатора (COS^ 2 )- Внешняя характеристика трансформатора может быть построена путем расчета АС/ для разных значений /? и COS$> 2 (56). Рис. 37. Внешняя характеристика трансформатора 11.5. Потери и КПД трансформатора В процессе передачи энергии от первичной обмотки ко вторичной ак- тивная мощность /j, поступающая из сети, частично расходуется на элек- 2 трические потери, связанные с нагревом первичной обмотки Р э \ = 1\ г\. Ос- тавшаяся мощность посредством магнитного поля передается вторичной об- 50 Трансформаторы 52 Трансформаторы магнитные потери от нагрузки не зависят, а поэтому их называют постоян- ными. Электрические потери, т.е. потери в обмотках трансформатора, связанные с их нагревом, называют переменными, так как величина этих потерь прямо пропорциональна квадрату тока в обмотках. Как установлено, величина электрических потерь принимается равной потерям КЗ: 11.6. Параллельная работа трансформаторов Параллельной работой двух или нескольких трансформаторов называется работа при 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 (рис. 39, а). 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. Трансформаторы 53 Рис. 39. Включение трансформаторов на параллельную работу Это целесообразно при работе подстанции с переменным графиком на- грузки, например, когда мощность нагрузки значительно меняется в различные часы суток. В этом случае при уменьшении мощности нагрузки можно отключить один или несколько трансформаторов, для того чтобы нагрузка трансформаторов, оставшихся включенными, была близка к номинальной. В итоге эксплуатационные показатели работы трансформаторов (КПД и COS (P2 ) будут достаточно высокими. Трансформаторы 54 а т. е. трансформаторы нагружаются непропорционально их номинальным мощностям, что ведет к перегрузке одного трансформатора (с меньшим и к ) и недогрузке другого. Чтобы не допустить перегрузки трансформатора, необхо- димо снизить обитую нагрузку. Таким образом, неравенство напряжений КЗ не допускает полного использования параллельно работающих трансформаторов по мощности. Учитывая,что практически не всегда можно подобрать трансформаторы с одинаковыми напряжениями КЗ, допускается включение трансформаторов на параллельную работу при разнице напряжений КЗ не более чем 10% от их среднего арифметического значения. Разница в напряжениях КЗ трансформа- торов тем больше, чем больше эти трансформаторы отличаются друг от друга по мощности. Поэтому рекомендуется, чтобы отношение номинальных мощностей трансформаторов, включенных параллельно, было не более чем 3:1. Помимо соблюдения указанных трех условий необходимо перед вклю- чением трансформаторов на параллельную работу проверить порядок чередо- вания фаз, который должен быть одинаковым у всех трансформаторов. При соблюдении этого условия показания вольтметров У^и V^ равны нулю (см. рис. 39, б). Эти вольтметры должны быть рассчитаны на удвоенное на- пряжение сети. Общая нагрузка всех включенных на параллельную работу транс- форматоров не должна превышать суммарной номинальной мощности этих трансформаторов. Распределение нагрузки между параллельно работающими транс- форматорами определяется следующим образом: (66) 11.7. Трехобмоточные трансформаторы В трехобмоточном трансформаторе на каждую трансформируемую фазу приходятся три обмотки. За номинальную мощность такого трансформатора принимают номинальную мощность наиболее мощной его обмотки. Токи, напряжения и сопротивления других обмоток приводят к числу витков этой, наиболее мошной, обмотки. Принцип работы трехобмоточного трансформатора по существу не отличается от принципа работы обычного двухобмоточного трансформатора. Рис. 41. Трехобмоточный трансформатор с одной первичной и двумя вторичными об мотками-.принципиальная схема (а); расположение обмоток на стержне (б) Существуют Трехобмоточные трансформаторы с одной первичной и двумя вторичными обмотками и трансформаторы с двумя первичными и одной вторичной обмотками. Рассмотрим основные уравнения, эксплуатацию и область применения трехобмоточного трансформатора с одной первичной обмоткой, имеющего наибольшее распространение (рис. 41, а). Первичная (наиболее мощная) об- а 58 Трансформаторы мотка этого трансформатора является намагничивающей и создает в магни- топроводе магнитный поток, который сцепляется с двумя вторичными обмот- • • ками и наводит в них ЭДС Е^и ЕЗ - Аналогично двухобмоточному транс- форматору запишем для трехобмоточного трансформатора уравнение НС: Экономическую целесообразность применения трехобмоточных транс- форматоров можно объяснить тем, что, как это следует из (71), первичный ток трехобмоточного трансформатора равен не арифметической, а геометри- ческой сумме приведенных вторичных токов. Учитывая это равенство, а также и то, что нагрузка на вторичные обмотки достигает номинального значения не одновременно, первичную обмотку трехобмоточного трансформатора рассчитывают на мощность, меньшую суммы номинальных мощностей обеих вторичных обмоток. Еще одно достоинство трехобмоточных трансформаторов состоит в том, что он фактически заменяет два двухобмоточных. Обмотки трехобмоточного трансформатора располагаются на стержне обычно концентрически (рис. 41, б), при этом целесообразнее двустороннее расположение вторичных обмоток относительно первичной, тогда первичной является обмотка 2, а вторичными — 7 и 3. В этом случае взаимное влияние вторичных обмоток заметно ослабевает. Трансформаторы 59 На крупных электростанциях иногда применяют трехобмоточные трансформаторы с двумя первичными обмотками (к каждой из них под- ключается генератор) и одной вторичной (от нее отходит линия элек- тропередачи). Обычно это установки весьма большой мощности, а поэтому в них применяют однофазные трехобмоточные трансформаторы, соединенные в трансформаторную группу. 12. Несимметричные режимы работы и переходные процессы в трансформаторах Основные понятия Причинами несимметричных режимов могут быть неравномерная на- грузка по фазам от включения однофазных потребителей (нагревательные, осветительные установки и др.), обрыв провода, короткие замыкания. При исследовании несимметричных режимов трансформаторов и элек- трических машин переменного тока используют метод симметричных со- ставляющих. Сущность этого метода состоит в том, что каждый из векторов несимметричной трехфазной системы (ток или напряжение) раскладывают на сумму из трех векторов. Например, несимметричную трехфазную систему токов можно представить уравнениями: Эти слагаемые образуют систему токов нулевой последовательности (рис. 42, в). 60 Трансформаторы • • • Таким образом, при заданных векторах 1 а , /^ и 1 С трехфазной не- симметричной системы (рис. 42, г) по уравнениям (73), (81) и (82) можно оп- ределить векторы токов симметричных трехфазных систем нулевой, прямой и обратной последовательностей. 13. Переходные процессы в трансформаторах При переходе трансформатора из одного установившегося режима в другой возникают переходные процессы. Так как каждый установившийся режим характеризуется определенным значением энергии электромагнитных полей, то в течение переходного процесса происходит изменение энергии этих полей. Наибольший практический интерес представляют переходные процессы при включении трансформатора и коротком замыкании на зажимах вторичной обмотки. Магнитный поток переходного процесса — затухающий и постоянен по направлению. Наиболее бл агоприятный случай включения трансформатора в сеть будет при потоке остаточного магнетизма, направленном встречно ус- тановившемуся потоку, и при мгновенном значении первичного напряжения Ui = О. При этом магнитный поток установившийся Ф уст будет мак- симальным, так как он отстает по фазе от напряжения на угол приблизительно 90° (рис. 43, а). Магнитный поток Ф становится наибольшим 62 Трансформаторы Рис. 43. Графики переходных процессов при включении трансформатора (а) и оп- ределение тока включения трансформа- тора по кривой намагничивания (б) приблизительно через половину периода после включения трансформатора. Если магнитопровод трансформатора не насыщен, то в момент включения трансформатора в первичной обмотке появится намагничивающий ток, пропорциональный магнитному потоку. Если же магнитопровод трансформатора насыщен, то при включении трансформатора намагничивающей ток включения достигает более значительного броска. Из построений, сделанных на кривой намагничивания (рис. 43, б), видно, что при магнитном потоке, превышающем в два раза установившееся значение Ф — Ф уст , намагничивающий ток включения достигает величины, во много раз превышающей установившееся значение тока холостого хода (1\ вкл » IQ P }, при наиболее неблагоприятных условиях ток включения может в 6—8 раз превысить номинальное значение первичного тока. Так как длительность переходного процесса невелика и не превосходит нескольких периодов переменного тока, то ток включения не представляет опасности непосредственно для трансформатора. Но этот ток следует учитывать при регулировке аппаратуры защиты, чтобы в момент включения трансформатора не произошло его неправильного отключения от сети. Бросок тока включения следует также учитывать при наличии в цепи первичной об- мотки трансформатора чувствительных измерительных приборов. Во избежание поломки этих приборов нужно до включения трансформатора в сеть шунтировать их токовые обмотки. Внезапное короткое замыкание на зажимах вторичной обмотки трансформатора. Оно возникает из-за различных неисправностей: ме- ханического повреждения изоляции или ее электрического пробоя при пере- напряжениях, ошибочных действий обслуживающего персонала и др. Короткое замыкание — это аварийный режим, и может привести к разрушению трансформатора. При внезапном КЗ на зажимах вторичной обмотки в трансформатора возникает переходный процесс, который сопровождается возникновением большого мгновенного тока КЗ i K . Этот ток можно рассматривать как ре- Трансформаторы 63 Рис. 44. Графики переходных ппоиессов ппи внезапном КЗ 64 Трансформаторы зультирующий двух токов: установившегося тока КЗ 1 К уст и тока переходного процесса Г к уст постоянного по направлению, но убывающего по экспо- ненциальному закону: Наиболее неблагоприятные условия КЗ могут быть в момент, когда мгновенное значение первичного напряжения равно нулю (^=0). На рисунке 44 построена кривая тока КЗ i K для этого условия. Ток внезапного КЗ (ударный ток) может достигать двойного значения установившегося тока КЗ и в 20—40 раз превышать номинальное значение тока. Переходный процесс при внезапном КЗ у трансформаторов малой мощ- ности длится не более одного периода, а у трансформаторов большой мощности — 6—7 периодов. Затем трансформатор переходит в режим установившегося КЗ, при котором в обмотках протекают токи г к уст , величина которых хотя и меньше тока г к при переходном процессе, но все же во много раз пре- вышает номинальное значение тока. Через несколько секунд срабатывают защитные устройства, отключающие трансформатор от сети. Но несмотря на кратковременность процесса КЗ, он представляет собой значительную опас- ность для обмоток трансформатора: во-первых, чрезмерно большой ток КЗ резко повышает температуру обмотки, что может повредить ее изоляцию; во- вторых, резко увеличиваются электромагнитные силы в обмотках трансфор- матора. Величина электромагнитной силы, действующей на витки обмоток, оп- ределяется произведением магнитной индукции поля рассеяния В а на величину тока / в витке обмотки: где F—удельная электромагнитная сила, Н/м. Но с увеличением тока растет также и индукция поля рассеяния, поэто- ^ му сила растет пропорционально квадрату тока (F = i ). Так, если ток в витке / = 100 А и индукция Б^ОДтл, то F=0,l • 100 = 10 Н/м. Такая сила не вызывает заметных деформаций витков обмотки, но если при внезапном КЗ бросок тока достигнет значения i K , превышающего номи- нальный ток в 30 раз, то электромагнитная сила возрастет в 900 раз и станет равной 9000 Н/м. Такая сила может вызвать значительные механические раз- рушения в трансформаторе. Трансформаторы 65 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Каким образом можно уменьшить потери в стали трансформатора? 2. Увеличивается или уменьшается наводимая ЭДС во вторичной обмотке трансформатора при замене ферромагнитного сердечника на медный? 3. Изменится ли КПД трансформатора, если магнитопровод из электротехни- ческой стали заменить на магнитопровод изготовленный из листов обык- новенной стали? 4. Как доказать, что после приведения вторичной обмотки трансформатора к первичной магнитный поток, КПД, COS$> остались неизменными? 5. Как изменится ток трансформатора, работающего на активную нагрузку при переходе частоты сети 50 Гц на частоту 60 Гц? То же при работе на индуктивную нагрузку и на емкостную нагрузку? 6. Как изменятся характеристики трансформатора, если в первичную обмотку включить :а) реостат; б) индуктивность; в) емкость? 7. Как изменятся параметры и характеристики трансформатора,если увеличить сечение первичной обмотки? 8. Вследствие чего при увеличении нагрузки изменяется напряжение на вто- ричной обмотке трансформатора? 9. В каком случае с ростом нагрузки увеличивается напряжение во вторичной обмоткетрансформатора? 10.Почему при активной нагрузке трансформатора коэффициент мощности первичной цепи не равен единице? 11. При каких условиях ток включения силового трансформатора в сеть без нагрузки может превысить номинальное значение тока? 12.Первичную обмотку однофазного трансформатора уменьшили на несколько витков. Уменьшится или увеличится напряжение на выводах вторичной обмотки, если первичная обмотка включена под номинальное напряжение? 13.Первичную обмотку трехфазного трансформатора вместо соединения по схеме «треугольник», соединили по схеме «звезда». Как повлияет такое со- единение на ток холостого хода • на потери в стали и в меди - } на значение магнитной индукции? 14. Два трансформатора с номинальной нагрузкой и группами соединений YГУ-2 и Y/Y-4 ошибочно включили на параллельную работу. Во сколько раз изменится ток через трансформаторы, если Z K =0,1? 15.Определите самое неудачное сочетание групп двух трансформаторов при включении их на параллельную работу. 16.Какие группы соединения могут быть получены при одинаковой схеме со- единения ВН и НН? 66 Трансформаторы 17.Влияние конструкции трансформатора и схемы соединения обмоток трансформатора на токи и магнитные потоки третьей гармоники. 18.Почему с увеличением первичного напряжения, при опыте холостого хода, уменьшается COS$? трансформатора? 19.Может ли ток холостого хода трансформатора быть больше тока нагрузки? 20.Будет ли изменяться ток холостого хода и как при увеличении или умень- шении сечения стержней магнитопровода трансформатора? 21. Почему с ростом напряжения в режиме короткого замыкания ток растет прямолинейно, а мощность криволинейно? 22.Почему мощность холостого хода принимаем за магнитные потери, а мощность короткого замыкания за электрические потери? 23.При каких условиях КПД трансформатора является максимальным? 24. От чего зависит распределение нагрузки между параллельно работающими трансформаторами? 25.Почему у всех силовых трансформаторов имеются ответвления для регу- лирования напряжения? 26.Понятие «ударный ток» в режиме внезапного короткого замыкания транс- форматора, зависимость величины ударного тока от параметров транс- форматора. 27. Суть метода симметричных составляющих при анализе несимметричных режимов работы трансформатора. 74 Трансформаторы Решение Номинальный ток Трансформаторы 75 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1978. 2. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М.: Энергия, 1980. 3. Кацман М.М. Электрические машины. М.: Высшая школа, 1969. 4. Копылов И.П. Электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1986. 5. Токарев Б.Ф. Электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1990. 6. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы. М.: Энергия, 1970. Оглавление ПРЕДИСЛОВИЕ.................................................................................................................. 3 ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................... 4 1. Основные определения, принцип действия и классификация трансформаторов.... 6 2. Устройство трансформаторов ........................................................................................ 8 3. Основы рабочего процесса трансформатора................................................................ 13 4. Приведенный трансформатор ........................................................................................ 21 5. Электрическая схема замещения трансформатора...................................................... 24 6. Векторная диаграмма трансформатора......................................................................... 25 7. Трехфазный трансформатор........................................................................................... 28 8. Схемы обмоток трехфазных трансформаторов и группы соединения...................... 30 9. Явления, возникающие при намагничивании магнитопроводов трансформаторов................................................................................................................ 34 10. Влияние схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов на их работу в режиме холостого хода .................................................................................................... 36 И. Параметры и характеристики трансформаторов ....................................................... 39 12. Несимметричные режимы работы и переходные процессы в трансформаторах .. 59 13. Переходные процессы в трансформаторах ................................................................ 62 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ............................................................................................. 65 ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ......................................................................................... 67 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................................... 75 Учебное издание КИСЛИЦЫН Анатолий Леонидович Трансформаторы Учебное пособие Редактор Н.А. Евдокимова Компьютерную верстку выполнил А.В. Бугров Изд. лиц. 020640 от 22.10.97. Подписано в печать 05.12.2000 Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Усл.п.л.4,42. Уч.-изд.л. 4,40 • Тираж 150 экз. Заказ 4&ОО. Ульяновский государственный технический университет, 432027, Ульяновск, Сев. Венец, 32. Типография УлГТУ, 432027, г.Ульяновск, Сев. Венец, 32. |