Изменение величины магнитного потока в одном направлении в течение неограниченного времени невозможно. Следовательно, невозможно получить в контуре постоянную по направлению ЭДС. В обмотке любой машины ЭДС и токи обязательно периодически изменяют направление. Таким образом, любая электрическая машина в принципе является машиной переменного тока.

2.ТРАНСФОРМАТОРЫ

2.1.Общие сведения о трансформаторах

Трансформатором называется статический индуктивный преобразователь, имеющий* две или больше индуктивно связанные взаимно неподвижные обмот­ ки и предназначенный для преобразования посредством электромагнитной ин­ дукции параметров электрической энергии переменного тока (напряжения, то­

ка, частоты, числа фаз).

Электрическая энергия переменного тока подводится к первичной обмотке трансформатора от сети с числом фаз т\, фазным напряжением U\ и частотой

f \ и передается во вторичную обмотку с числом фаз m2, фазным напряжением

U2 и частотой / j посредством магнитного поля. В большинстве случаев с по­

мощью трансформатора преобразуются только напряжение U2 *U\ и токи h * I \, без изменения частоты и числа фаз.

Обычно электрическое соединение между первичной и вторичной обмот­

ками в трансформаторе отсутствует и энергия из одной обмотки в другую пере­ дается только за счет магнитной связи между ними.

Трансформатор, имеющий две однофазные или многофазные электриче­ ски не связанные между собой обмотки (рис. 2.1, а или рис. 2.2), называется двухобмоточным; трансформатор, имеющий три или более (рис. 2.1, б) элек­

трически не связанные обмотки, - трехобмоточным или многообмоточным.

Рис. 2.1. Однофазные двухобмоточный (а) и трехобмоточный (б) трансформаторы:

1 - первичная обмотка; 2 - вторичная обмотка; 3 - вторичная обмотка; 4 - магнитопровод

Рис. 2.2. Трехфазный двухобмоточный трансформатор:

1 - катушки первичной трехфазной обмотки, собранной в звезду; 2 - катушки вторичной трехфазной обмотки, собранной в звезду; 3 - магнитопровод

Однофазная или многофазная обмотка, потребляющая энергию из сети, на­ зывается первичной. При направлениях преобразования энергии, показанных на рис. 2.1 и рис. 2.2, обмотки 1 - первичные.

Обмотка, отдающая энергию в сеть, называется вторичной (обмотки 2 и 3 на рис. 2.1, обмотка 2 на рис. 2.2). Многообмоточный трансформатор может иметь несколько первичных и вторичных обмоток (трансформатор на рис. 2 .1,6 имеет две вторичных обмотки 2 и 3).

Многофазные обмотки образуются из соединенных в звезду или много­ угольник фазных обмоток, число которых равно числу фаз сети. Каждая из фазных обмоток представляет собой многовитковую катушку, располагающую­ ся на отдельном стержне магнитопровода.

Взависимости от числа фаз различают однофазные (рис. 2.1, а, б), трех­

фазные (рис. 2.2) и многофазные трансформаторы.

Трансформатор как преобразователь электрической энергии находит ши­ рокое применение. С помощью трансформаторов производится передача элек­ трической энергии от электрических станций к потребителям. Уровень напря­ жения при этом должен многократно изменяться, поэтому суммарная установ­ ленная мощность трансформаторов в современных электрических системах в 5 + 7 раз превышает установленную мощность электрических генераторов.

Вместе потребления электроэнергии ее напряжение с помощью трансфор­ матора понижается до требуемого значения, соответствующего напряжению электроустановок потребителей. Передача электроэнергии высоких напряже­ ний вызвана стремлением максимально снизить потери в передающих сетях и уменьшить сечение проводов линий электропередачи. Упрощенная схема пере­ дачи и распределения электрической энергии показана на рис. 2.3.

Силовые трансформаторы характеризуются номинальными величинами, в

расчете на которые они изготавливаются.

Номинальные величины указываются на табличке, прикрепленной к трансформатору. К ним относятся мощность S, напряжение С'УСА, число фаз /и.

схема и группа соединений обмоток 17Д-11, напряжение короткого замыкания

ик%, способ охлаждения и другие величины.

Рис. 2.3. Упрощенная схема передачи и распределения электрической энергии:

Г -генератор электростанции; Т\ - повышающий трансформатор; 7 2 - понижающий

трансформатор

Под номинальными напряжениями понимаются линейные напряжения каж­ дой из обмоток на линейных выводах U\H и U2H •

Под номинальной мощностью трансформатора понимается полная мощ­ ность;

S\H ~ U\HI\H ~ Для однофазного трансформатора;

Si» = Я и и 1\н =Ъи\„ф1\нф - для трехфазного трансформатора.

В двухобмоточном трансформаторе номинальные мощности первичной ( ‘S'lw) и вторичной ($2к) обмоток одинаковы и равны номинальной мощности трансформатора $\н =S2H=S.

Номинальные токи определяются по номинальной мощности и номиналь­ ному напряжению обмотки;

5 1\н = - ~ — для однофазного;

ыъих„

В зависимости от соотношения между номинальными напряжениями пер­ вичной и вторичной обмоток различают трансформаторы понижающие и по­ вышающие.'В повышающем трансформаторе первичная обмотка является об­

моткой низшего напряжения (НН), вторичная - обмоткой высшего напряжения (ВН). В понижающем - наоборот. Например, трансформатор на рис. 2.2 будет повышающим, если U\H<U2H >и понижающим, если U\H>U2H •

Трансформаторы имеют обозначение, которое состоит из буквенной и цифровой частей.

Например, обозначение трансформатора ТДТНГ-20000/110 расшифровы­ вается так; трехфазный, с дутьевым (форсированным) охлаждением, трехобмо­ точный, с регулировкой напряжения под нагрузкой, с грозоупорной изоляцией, с номинальной мощностью 20000 кВт и классом напряжения обмоток ВН ПО кВ.

Отечественной промышленностью выпускаются силовые трансформаторы следующих стандартных мощностей: 10; 16; 25; 40 и 63 В -A с увеличением ка­ ждого из значений в 10; 100; 1000 и 10000 раз.

2.2.. Устройство трансформаторов

Трансформатор состоит-из двух основных частей: активной и конструк­ тивной.

На рис. 2.4 приведены конструктивные схемы наиболее часто изготовляе­ мых однофазных и трехфазных трансформаторов.

Части трансформатора, предназначенные для энергопреобразовательного процесса, - магнитопровод и обмотки - называются его активными частями.

Достаточно эффективное преобразование электрической энергии обеспе­ чивается только теми конструкциями, в которых обмотки охватываются замк­ нутыми магнитопроводами из ферромагнитного материала с высокой магнит­ ной проницаемостью. Для получения высокой магнитной проницаемости маг­ нитопровод не должен быть чрезмерно насыщен-; и индукция в нем при макси­ мальном магнитном потоке не должна превышать 1,4-5-1,6 Тл. Снижение потребляемой реактивной мощности достигается за счет уменьшения магнитных полей рассеяния, сцепленных только с первичной или только вторичной обмоткой.

Эти поля уменьшаются с сокращением промежутков между первичной и вторичной обмотками, и поэтому катушки обмоток каждой из фаз размещают на одном и том же участке магнитопровода, называемом стержнем (рис. 2.1,2.2).

При этом обмотки либо располагаются концентрически, либо разбиваются на отдельные, диски и размещаются на стержне в чередующемся порядке - дис­ ковая чередующаяся, обмотка. Из большого числа разновидностей концентриче­ ских обмоток наиболее-простой является цилиндрическая обмотка (рис. 2.5, б, в).

Магнитопровод трансформатора должен быть сконструирован таким обра­ зом, чтобы в нем были .ослаблены потери на вихревые токи и гистерезис, воз­ никающие при перемагничивании.

Магнитные системы встречаются в двух основных исполнениях: стержне­ вом и броневом. В трехфазном стержневом трансформаторе обмотки каждой из фаз размещаются на своем стержне (рис. 2.2, 2.5, а), стержни вместе с ярмами

образуют замкнутую, магнитную систему.

Магнитопровод однофазных броневых трансформаторов охватывает об­ мотку с двух сторон (рис. 2.1,2.4, б, д).

Магнитопровод и его конструктивные детали составляют остов трансфор­ матора (рис. 2.5, а).

Кроме активных элементов - обмоток и магнитопровода, трансформатор включает еще ряд важных частей, которые называются конструктивными и предназначены для создания электрической изоляции между обмотками, фик­ сации активных частей в пространстве, охлаждения активных частей и выпол­ нения других вспомогательных функций.

Расположение обмолгон на сердечнике трехфазного трансформатора

а)

Рис. 2.5. Обмотки трансформаторов

Рис. 2.6. Трехфазный двухобмоточный трансформатор с масляным охлаждением

Рис. 2.8. Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора

Делением индуцированных ЭДС получают коэффициент трансформации:

При холостом ходе U ix=E i и U\a E\, следовательно, коэффициент

трансформации с хорошим приближением может быть также определен по из­ вестным напряжениям на обмотках трансформатора при холостом ходе:

При нагрузке ЭДС вторичной цепи El вызывает ток / 2 , который опреде­

ляется значением полного сопротивления нагрузки. Фазу определяет характер полного сопротивления (активного, индуктивного и емкостного). Во вторичной обмотке возникает МДС IiW i 5 которая действует против МДС IxW \, Однако

врезультате этого уменьшается также ЭДС Е\ 5 вследствие чего возрастает ток

впервичной обмотке (напряжение на выводах первичной обмотки считаем не­ изменным).

Врежиме короткого замыкания выводы вторичной обмотки трансформа­ тора замкнуты проводником, обладающим практически нулевым сопротивле­ нием.

Исследование эксплуатационных свойств трансформаторов значительно упрощается при использовании схемы замещения. Допустим, активные сопро-

W\

тивления обмоток трансформатора с коэффициентом трансформации п = = 1

Известно, что коэффициент трансформации, исключая особые случаи, отли­ чается от единицы, поэтому данная схема замещения (рис. 2.9) не может быть использована. В таких случаях переменные и постоянные параметры одной из

Ток короткого замыкания при номинальном напряжении может быть равен 10-5-50 - кратному значению номинального тока. То напряжение первичной це­ пи, которое обеспечивает номинальный ток короткого замыкания трансформа­ тора, называют напряжением короткого замыкания U к.ном:

U WM

На векторной диаграмме короткого замыкания (Рк зависит от активных со­ противлений обмоток трансформатора и индуктивных сопротивлений рассея­ ния. Эти параметры можно считать постоянными, поэтому между первичным напряжением и током короткого замыкания существует линейная зависимость.

Таким образом, уравнение напряжений, полученное на основании схемы замещения, можно записать и для U K,HOM:

В соответствии с обозначениями рис. 2.12 коэффициент мощности при ко­ ротком замыкании определяется по выражению

2.4. Изменения напряжения вторичной обмотки трансформатора, зависящие от нагрузки

Если считать напряжение первичной обмотки трансформатора Ui неиз­ менным, то напряжение U 2 вторичной стороны будет изменяться в зависимо­

сти от величины и характера нагрузки.

Пренебрегая действием шунтирующей ветви схемы замещения, приходим к схеме рис. 2.13.

Рис. 2.13. Упрощенная схема замещения (а) и векторная диаграмма (б)

Уравнение напряжений, составленное с учетом положительных направле­ ний, показанных на рис. 2.13, будет следующее:

Рис. 2.14. Графики изменения вторичного напряжения U 2 = f ( l 2) (а)» U 2 = ^(ф2) (®)

Падение напряжения определяется как векторная разность Ui и U 2 :

AU = U i_ U 2 * IR cos^2+ 1Х Ч>2 ~ I(R С0$<Р2+ х sin ^2) ’

»

и соединенных между собой последовательно и встречно. При встречном

включении ЭДС фазы увеличивается в л/3 раз по сравнению с согласным их включением и во столько же раз будет больше ЭДС каждой части (рис. 2.16, б).

Рис. 2.16. Схема соединения обмотки в зигзаг (а), векторная диаграмма

для соединения «зигзаг» (б)

В трехфазной системе схемы соединений Y и Д образуют 12 групп соеди­ нений со сдвигом фаз линейных напряжений на 30°, что соответствует 12 циф­ рам циферблата часов.

Рассмотрим в качестве примера схему соединений "звезда - звезда" (рис. 2.17). Векторные диаграммы ЭДС показывают, что сдвиг между линей­

ными ЭДС Ei ^А в| и Ег (ав) в данном случае равен нулю. В этом можно убе­

диться, совместив точки А и а при наложении векторных диаграмм ЭДС обмо­ ток ВН и НН. Следовательно, при указанных схемах соединения обмоток имеет место группа 0 (обозначается: У / Y - 0 ) . Если же на стороне НН в нулевую точку соединить зажимы а, в и с, а с зажимов х, у и z снять ЭДС, то ЭДС Е2 (ав)

изменит фазу на 180° и трансформатор будет принадлежать группе 6 ( Y / Y - 6 ) . .

X

Рис. 2.17. Схемы соединения обмоток (а) и векторные диаграммы (б)

для группы соединения Y / Y - 0

При соединении обмоток "звезда - треугольник", показанном на рис. 2.18, трансформатор принадлежит к группе 11 (Y / Д -11). Если же поменять места­

ми начала и концы фазных обмоток НН, то вектор Ег (ав) повернется на 180° и

трансформатор будет относиться к группе 5 (Y / Д - 5).

Рис. 2.18. Схемы соединения обмоток (а) и векторные диаграммы (б)

для группы соединения Y / Д - 11

При одинаковых схемах соединения обмоток ВЫ и НН, например Y / Y и Д / Д , получают четные группы соединений, а при неодинаковых схемах, на­ пример Y / Д или Д / Y , - нечетные.

Группы соединений 0, 6, 11 и 5 называют основными. Из каждой основной группы соединений методом круговой перемаркировки выводов на одной сто­ роне трансформатора, например на стороне НН (без изменения схемы соедине­ ния), можно получить по две производные группы. Например, если в транс­ форматоре с группой соединения Y / Y - 0 (рис. 2.17) выводы обмотки НН пе­ ремаркировать и вместо последовательности авс принять последовательность

сав, то вектор ЭД С Еав повернется на 120° и группа соединения будет

Y / Y - 4. Если же выводы обмоток НН перемаркировать в последовательность

вса, то вектор Еав повернется еще на 120°, а всего на 240° и группа будет

Y / Y - 8 .

Аналогично от' основной группы 6 путем круговой перемаркировки полу­ чают производные группы 10 и 2; от основной группы И - производные груп­ пы 3 и 7; от основной группы 5 - производные группы 9 и 1.

Основные группы соединений имеют некоторое преимущество перед про­ изводными, так как предусматривают одноименную маркировку выводов обмо­ ток, расположенных на одном стержне, что уменьшает вероятность ошибочных присоединений. Однако не все группы соединений имеют практическое приме­ нение в трехфазных трансформаторах.

При изготовлении или в процессе эксплуатации трансформаторов иногда возникает необходимость в опытной проверке группы соединения, которую можно осуществить измерением напряжений между соответствующими зажи­ мами обмоток высшего и низшего напряжений. Для этого соединяют накоротко два одноименных зажима, например А ил, трансформатор подключают к сети и

измеряют напряжения U AB, UaB, U BB, UCC, U CB (рис. 2.19 для схемы

Y / A - 1 1 ) .

Рис. 2.19. Схема опытного определения группы соединения трансформатора

Напряжения U BB и U CC одинаковы (U BB = U CC) и должны быть равны значениям, которые определены расчетом по формулам, приведенным для каж­ дой группы соединений в таблице, составленной на основе векторных диаграмм линейных ЭДС. Затем проверяют измеренное при опыте напряжение U ев: бу­ дет ли оно равно напряжению U BB, больше или меньше его. Если для искомой группы соединений измеренные при опыте и рассчитанные по формулам таб­ лицы значения напряжений U BB и U CC одинаковы и соотношение напряжений UcB и U BB соответствует указанному в таблице, то группа соединений являет­ ся правильной.

Так, для группы Y / А -1 1 измеренные при опыте напряжения U Вв и U Сс должны быть равны напряжению, рассчитанному по формуле

U BB = UcC = U H H « ^ d ,

где U ни - линейное напряжение на зажимах обмотки низшего напряжения; К л - отношение линейных напряжений высшего к низшему.

Измеренное напряжение U св должно быть равно напряжению U Вв = U сС Одним из факторов, определяющих группу соединения трансформатора,

является маркировка обмоток, то есть условные обозначения их начал и концов. Правильные обозначения обмоток значительно облегчают выполнение схем со­ единения трансформаторов.

По условиям техники безопасности маркировку обмоток трансформаторов высокого напряжения нужно проверять при значительно пониженном напряже-

нии. По предлагаемому ниже способу сначала проверяют маркировку обмотки

высшего напряжения (рис. 2.20). Обмотку высшего напряжения, соединенную в звезду, подключают фазой ВУ к однофазному источнику переменного тока при пониженном напряжении и измеряют напряжения и ЭДС U BY, Е а х , E C Z , U A B , U B C .

Рис. 2.20. Схема проверки обозначений зажимов обмотки высшего напряжения трансформатора:

а- правильная маркировка; б - неправильная маркировка

Вэтом случае в крайних стержнях магнитный поток равен половине пото­ ка среднего стержня, следовательно, ЭДС, индуктированная в фазах АХ и C Z,

численно равна половине ЭДС фазы среднего стержня или половине напряже­

ния И в у, так как и в у ~ Е ву При правильной маркировке обмоток показания вольтметра, включенного между зажимами А и В или В и С, будут определяться

суммой ЭДС, индуктированных в обмотках средней (Еву) и крайней (Еах или

Ec z ) фаз. Численно напряжение U ав = U BC = ву (рис. 2.20, а).

Если маркировка обмоток неправильна, показания вольтметра, включенно­ го на зажимы А и В или В и С, будут определяться разностью тех же ЭДС, на­ пример по рис. 2.20, б 8U AB = 0,5UBy .

Маркировку обмоток низшего напряжения проверяют последова­ тельно для каждой фазы по схеме, изображенной на рис. 2.21.

А а

'V

X х

Рис. 2.21. Схема проверки обозначений зажимов обмотки низшего напряжения трансформатора

Фазу обмотки высшего напряжения при электрическом соединении ее на­ чала с началом обмотки этой же фазы низшей стороны подключают к источни­ ку переменного тока и измеряют напряжения и ЭДС: U AX, U x x , Е ах и т.д.

При правильном обозначении зажимов обмотки низшего напряжения по­ казания вольтметра, включенного, например, между зажимами Х и х , будут оп­ ределяться разностью ЭДС, индуктируемых в обмотках А Х и ах, т.е.

U XX = E AX —Еах ИТ.П.

Когда обозначения зажимов обмотки низшего напряжения обратны обо­ значениям, представленным в предыдущем случае, показания вольтметра будут огределяться суммой ЭДС, индуктируемых в обмотках.

2.5.2. Фазировка обмоток

Под фазировкой подразумевается согласование соединяемых фаз. Сфазированные междусобой обмотки правильно соединяются в звезду и треугольники.

Но фазировка самих обмоток еще не решает задач включения в сеть элек­ трооборудования, так как правильно сфазированный аппарат или электриче­ скую машину нужно еще сфазировать с сетью, к которой они присоединяются. Задача состоит в том, чтобы не только исключить короткие замыкания при со­ единении двух источников тока, но и не допустить между ними уравнительных токов, а в отношении электродвигателей - обеспечить необходимое направле­ ние вращения.

Рассмотрим два типичных случая присоединения трансформаторов 77, Т2

к сети. Трансформаторы имеют равные вторичные напряжения, одинаковые группы соединения и, значит, могут работать параллельно, но еще не сфазированы. Задача состоит в том, чтобы их сфазировать, т.е. выводы ah et и с\ транс­ форматора Т2 присоединить соответственно к шинам а, в к с.

На рис. 2.22 выводы а\, вi и с\ обозначены. Но при фазировке неизвестно, в

каком порядке они подходят к шинам. Поэтому прежде чем присоединить трансформатор 77 к шинам, необходимо произвести соответствующие измере­ ния, например с помощью вольтметра.

На рис. 2.22 вольтметр V включается поочередно между каждым выводом трансформатора а ь ви с\ и шинами а, в, с. Между разными фазами а\-в; а\-с; в\-а; в\~с\ с\-а\ с\-в вольтметр показывает напряжение. М ежду одинаковыми фазами а\-а, в\-в, с\-с напряжения нет, что свидетельствует о том, что они сфа-

зированы.