Конструкция трансформаторов Трансформатор представляет собой линейный электромагнитный аппарат
 Скачать 1.16 Mb.
|
|
Конструкция трансформаторов Трансформатор представляет собой линейный электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования величин токов и напряжений без изменения частоты. Трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного сердечника, на котором размещены две или большее число обмоток. Обмотка, подключенная к источнику энергии, называется первичной. Обмотки, подключенные к сопротивлениям нагрузки, называются вторичными. Сердечник (магнитопровод) трансформатора изготавливают из листовой электротехнической стали, имеющей малые потери на перемагничивание и на вихревые токи. Отдельные листы стали изолируют слоем лака, после чего стягивают болтами. Такое устройство применяется для уменьшения вихревых токов, индуктируемых в стали переменным потоком. По конструкции сердечника различают два типа трансформатора: броневые и стержневые. На рис. 1 изображен броневой трансформатор, или трансформатор с Ш-образным сердечником, а на рис. 2 - стержневой трансформатор с П-образным сердечником.  2. Уравнения напряжений и магнитодвижущих сил двухобмоточного трансформатора в комплексной форме. Магнитный поток трансформатора (рис.1.1) можно представить в виде основного магнитного потока Ф , созданного совместным действием токов I1 и I2, и сцепляющегося с обеими обмотками, и потоков рассеяния Фσ1 и Фσ2 , каждый из которых создается только своим током (I1 Фσ1 и I2 Фσ2) и сцепляющихся только со своей обмоткой. Основной магнитный поток Ф наводит основные ЭДС Е 1 и Е2. Потоки рассеяния Фσ1 и Фσ2 наводят соответственно ЭДС рассеяния Еσ1 и Еσ2 (каждый поток - в своей обмотке). Потокосцепление рассеяния ψσ = L i , где i = Im sinωt, L - коэффициент самоиндукции обмотки.   Т-образная схема замещения двухобмоточного трансформатора.  Z1 = r1 + jx1 ; Z2’ = r2’ + jx2’ ; Zм = rм + jxм 4. Векторная диаграмма, соответствующая Т-образной схеме замещения трансформатора.  5. Режим холостого хода трансформатора. Режим холостого хода трансформатора имеет место, когда разомкнута цепь его вторичной обмотки, в обмотке нет тока и она не оказывает влияния на режим работы первичной обмотки.    Схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) холостого хода трансформатора 6. Режим короткого замыкания трансформатора. Режимом короткого замыкания трансформатора называется такой режим, когда выводы вторичной обмотки замкнуты токопроводом с сопротивлением, равным нулю (ZH = 0). Короткое замыкание трансформатора в условиях эксплуатации создает аварийный режим, так как вторичный ток, а следовательно, и первичный увеличиваются в несколько десятков раз по сравнению с номинальным. Поэтому в цепях с трансформаторами предусматривают защиту, которая при коротком замыкании автоматически отключает трансформатор.  где U1ном — номинальное первичное напряжение.    7. Паспортные параметры, определяемые из режимов холостого хода и короткого замыкания трансформатора. Номинальная мощность трансформатора Sном – электрическая полная мощность, определяемая произведением величин номинального первичного напряжения и номинального первичного тока, или произведением номинального вторичного напряжения и номинального вторичного тока: Sном = U1номI1ном = U2номI2ном .  Номинальное первичное напряжение U1ном – напряжение источника, к которому подключается трансформатор. Номинальное вторичное напряжение U2ном – напряжение на зажимах вторичной обмотки в режиме холостой ход при номинальном первичном напряжении. Соотношение номинальных первичного и вторичного напряжений определяет коэффициент трансформации: kТ = U1ном / U2ном Мощность холостого хода P0 – активная мощность, потребляемая трансформа- тором от источника в режиме холостой ход. Ток холостого хода i0 – первичный ток трансформатора в режиме холостого хо- да, выраженный в процентах по отношению к номинальному первичному току. Напряжение короткого замыкания uк – напряжение на первичной обмотке трансформатора в опыте короткого замыкания (см. далее), выраженное в про- центах по отношению к номинальному первичному напряжению. Мощность короткого замыкания Pк – активная мощность, потребляемая транс- форматором в опыте короткого замыкания (см. далее). Паспортные данные трансформатора определяются при его проектировании и разработке, уточняются при контрольных испытаниях и указываются в техни- ческом паспорте трансформатора. Для типовых трансформаторов серийного производства паспортные данные указываются в каталогах оборудования. 8. Потери и коэффициент полезного действия трансформатора. Потери энергии в трансформаторе складываются из двух основных составляю- щих, соответственно двум основным составляющим его конструкции: электри- ческие потери в электрических обмотках трансформатора и магнитные потери в магнитопроводе.  Энергетическая диаграмма трансформатора Здесь P1 – активная мощность, потребляемая трансформатором от источника; P2 – активная мощность, отдаваемая трансформатором приемнику; ΔPЭл – элек- трические потери в обмотках трансформатора; ΔРм – магнитные потери в маг- нитопроводе трансформатора; ΔРдоп – дополнительные потери в остальных эле- ментах конструкции, которые составляют до 10% всех потерь. Электрические потери: ΔPэл = ΔPэл.ном β2 Магнитные потери в трансформаторе ΔРм складываются из двух составляющих – потерь на гистерезис ΔРГ и потерь от вихревых токов ΔРВТ: ΔРм = ΔРГ + ΔРВТ . Коэффициент полезного действия трансформатора определяется соотношением потерь и полезной мощности:  В режиме холостого хода КПД трансформатора η = 0. Мощность холостого хо- да P0 , потребляемая трансформатором в этом режиме, расходуется на компен- сацию магнитных потерь. С увеличением нагрузки в достаточно небольшом диапазоне (приблизительно β = 0,2) КПД достигает больших значений. В ос- тальной части рабочего диапазона КПД трансформатора держится на высоком уровне. В режимах, близких к номинальному, КПД трансформатора ηном = 0,9 – 0,98.  Трансформаторы(9-16) 9. Группы соединения обмоток трансформатора. Трансформаторы делят на группы в зависимости от сдвига по фазе между линейными напряжениями, измеренными на одноименных зажимах. На рис. 12-23 а, показаны обмотки однофазного трансформатора, намотанные по левой винтовой линии и называемые поэтому левыми, причем у обоих обмоток начала А, а находятся сверху, а концы Х, х – снизу. Будем считать э.д.с. положительной, если она действует от конца обмотки к ее началу, а обмотки сцепляются с одним и тем же потоком. Вследствие этого э.д.с. этих обмоток в каждый момент времени действует в одинаковых направлениях. Поэтому э.д.с. ЕА и Еа совпадают по фазе.  встречное соединение согласное соединение 8 . Если же у одной из обмоток переменить начало и конец (рис. 12.23, б), то направление э.д.с., изменится на обратное, и э.д.с. ЕА и Еа будут иметь сдвиг на 180 . Такой же результат получится, если одну из обмоток выполнить «правой». Для обозначения сдвига фаз обмоток трансформатора векторы их линейных э.д.с. уподобляют стрелкам часового циферблата, причем вектор обмотки ВН принимают за минутную стрелку, направленную на цифру 12, а вектор э.д.с., обмотки НН принимают за часовую стрелку. Тогда на рис. 12.23,а часы будут показывать 0 или 12 часов, и такое соединение обмоток называют группой 0. На рис. 12.23, б часы будут показывать 6 ч, и такое соединение обмоток называют группой 6. В этих случаях соединения обозначаются I/I-0 и I/I-6. В России (СССР) стандартизованы и изготавливаются однофазные трансформаторы только с соединением I/I-0. В трехфазном трансформаторе при соединениях обмоток и э.д.с. как показано на рис. 12.24, а звезды фазных э.д.с. и треугольники линейных э.д.с., будут иметь вид на рис. 12.24 б. При этом одноименные векторы линейных э.д.с. (ЕАВ, Еаb) направлены одинаково, т.е. совпадают по фазе. Поэтому схема соединений обозначается Y/Y-0. Если на рис. 12.24 а, произвести перестановку фаз обмотки НН и разместить фазу «а» на среднем стержне, фазу «b» - на правом, а фазу «с» - на левом, то на векторной диаграмме НН (рис. 12-24, г) произойдет круговая перестановка фаз a, b, c по часовой стрелке. При этом получится группа соединений 4, а при обратной перестановке будет группа 8.  Если переменить местами начала и концы обмоток, то получатся еще группы соединений 6, 10, 2. Таким образом, при соединении по схеме Y/Y возможно шесть групп соединений (0, 2, 4, 6, 8, 10), причем все они четные. Такие же группы соединений можно получить по схеме / . При соединении обмоток по схеме Y/ (рис. 12-25,а) векторные диаграммы э.д.с. обмоток ВН и НН будут иметь вид на рис. 12-25,б. При этом одноименные линейные э.д.с., например, ЕАВ и Еab будут сдвинуты на 30 и расположатся на циферблате по рис. 12-25, в, это соединение обмоток обозначается Y/ -11. При круговых перестановках фаз и при перемаркировке начал и концов одной из обмоток можно получить также другие нечетные группы 1, 3, 5, 7, 9. Большой разнобой в схемах и группах соединений трансформаторов нежелателен.  Поэтому ГОСТ 11677-75 предусматривает изготовление трехфазных силовых трансформаторов со следующими группами: Y/Y0 – 0; /Y0 – 11; Y/ - 11; Y0/ - 11, а также Y – зигзаг – 11. При этом первым обозначено соединение обмотки ВН, вторым – НН, а индекс «0» указывает на то, что наружу выводится нулевая точка обмотки. Обозначения начал и концов обмоток трансформаторов приводится в таблице 12-1. Зажимы нулевой точки при соединении в звезду обозначаются 0, 0m, 0.10. Условия включения трансформаторв на параллельную работу. Для включения трансформаторов на параллельную работу согласно ГОСТ 11677-85 необходимо выполнить ряд условий : -1)группа соединений трансформаторов должна быть обязательно одинаковой , 2)коэффициенты трансформации трансформаторов должны быть одинаковыми (допускается отклонение не более 5%, а при к>3 не более 1%), 3)напряжение uK могут отличаться не более чем на 10%. При отличии напряжений uK распределение мощностей между трансформаторами определяется формулой  Мощности трансформаторов могут отличаться не более, чем в 3 раза. При несоблюдении всех этих условий возникают уравнительные токи в обмотках трансформаторов. 11. Несимметричная нагрузка трансформатора. На практике часто встречаются случаи, когда отдельные фазы нагружены несимметрично (неравномерное распределение осветительной нагрузки по фазам, подключение мощных однофазных приемников и т.д.). Случаются несимметричные короткие замыкания (однофазные на землю или на нулевой провод, и двухфазные). При анализе будем полагать, что трансформатор имеет симметричное устройство. Общим методом анализа несимметричных режимов является метод симметричных составляющих: трехфазная несимметричная система токов трех фаз İa, İb, İc разлагается на системы токов прямой (İa1, İb1, İc1), обратной (İa2, İb2, İc2) и нулевой последовательности (İa0, İb0, İc0). Векторы токов прямой последовательности равны по величине и чередуются со сдвигом по фазе на 120˚ в направлении движения часовой стрелки. Векторы токов обратной последовательности равны по значению, но чередуются по фазе со сдвигом по фазе на 120˚ против часовой стрелки. Векторы нулевой последовательности также равны по величине, но совпадают по фазе. При этом:  После алгебраических вычислений комплексных значений приведенных токов:  т.е. при наличии токов нулевой последовательности сумма токов трех фаз отлична от нуля. В обмотках, соединенных звездой, токи нулевой последовательности могут возникать только при наличии нулевого провода. 12. Трехобмоточные трансформаторы. На рис. 2.53 схематически показано устройство трехобмоточного трансформатора, в котором первичная обмотка 1 расположена между двумя вторичными обмотками 2 и 3. Такие трансформаторы применяют на электрических станциях и подстанциях для питания сетей с различными номинальными напряжениями. Очевидно, что в данном случае двум вторичным напряжениям U2 и U3, получаемым, например, от обмоток СН и НН, соответствуют два коэффициента трансформации: k1 2 = wB.H/wC.H; k1 3=wB.H/wH.H. (2.81)
Установившиеся процессы в обмотках трансформатора описываются уравнениями:
Если привести параметры обмоток 2 и 3 к первичной 1 (так же, как это делается для двухобмоточного трансформатора), то системе уравнений (2.82) будет соответствовать схема замещения, изображенная на рис. 2.54, а. От схемы замещения двухобмоточного трансформатора она отличается тем, что вторичная цепь имеет два луча. Очевидно, что при изменении нагрузки в одной из вторичных обмоток изменяются напряжения на обеих вторичных обмотках, т. е. имеется взаимное влияние вторичных обмоток. Это объясняется тем, что изменяется падение напряжения на сопротивлении Z1. схемы замещения, по которой проходит суммарный ток Í1. Векторная диаграмма для трехобмоточного трансформатора изображена да рис. 2.54, б. Параметры схемы замещения можно определить расчетным либо экспериментальным путем. Параметры намагничивающего контура находятся посредством опытов холостого хода так же, как и для двухобмоточного трансформатора. Следует провести три опыта короткого замыкания: а) при замкнутой накоротко обмотке 2 и разомкнутой обмотке 3; б) при замкнутой накоротко обмотке 3 и разомкнутой обмотке 2; в) при замкнутых накоротко обмотках 2 и 3.
Напряжения короткого замыкания определяются при токах, соответствующих номинальной мощности наиболее мощной (первичной) обмотки. В соответствии с указанными опытами имеем
Решаем систему уравнений (2.83):
Следует отметить, что полученные параметры схемы замещения справедливы только при указанном на рис. 2.53 расположении обмоток: первичная обмотка расположена между двумя крайними вторичными. При изменении расположения обмоток изменяются параметры схемы замещения, так как изменяются потоки рассеяния этих обмоток. Например, если в качестве первичной используется одна из крайних обмоток, а вторичной — другая крайняя обмотка, то их индуктивные сопротивления резко возрастают, так как возрастают соответствующие потоки рассеяния. Согласно ГОСТу силовые трехобмоточные трансформаторы выполняют на одну номинальную мощность для всех трех обмоток. |
