Способы соединения обмоток трехфазных трансформаторов и их обозначения

Работа трансформатора под нагрузкой

В режиме нагрузки, в отличие от режима холостого хода, к вторичной обмотке трансформатора присоединяется потребитель электрической энергии. Таким образом, электрические цепи первичной и вторичной обмоток оказываются замкнутыми и в обоих обмотках протекаютпеременные токи. Переменные токи создают магнитодвижущие силы первичной и вторичной обмоток трансформатора. Амплитуды магнитодвижущих сил первичной и вторичной обмоток почти одинаковы. Амплитуда магнитодвижущей силы первичной обмотки всего на несколько процентов больше амплитуды магнитодвижущей силы вторичной обмотки.

Магнитодвижущая сила вторичной обмотки направлена таким образом, что почти полностью компенсирует магнитодвижущую силу первичной обмотки. Амплитуда суммарной магнитодвижущей силы, которая действует в магнитопроводе, составляет несколько процентов от магнитодвижущей силы одной из обмоток. Магнитный поток в магнитопроводе возбуждается под действием суммарной магнитодвижущей силы, поэтому амплитуда магнитного потока почти не зависит от токов в первичной и вторичной обмотках и приблизительно равняется амплитуде магнитного потока в режиме холостого хода.

Независимость амплитуды магнитного потока в магнитопроводе трансформатора от тока в нагрузке является важной характеристикой трансформатора и объясняет множество особенностей его работы.

Переменный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора, как и в режиме холостого хода, сцеплен со всеми витками первичной и вторичной обмоток, наводит в них электродвижущие силы.

Электродвижущая сила, наведенная переменным магнитным потоком в первичной обмотке, почти полностью компенсирует, как и в режиме холостого хода, приложенное к обмотке напряжение сети. Тем самым достигается ограничение амплитуды тока первичной обмотки до значений, не превышающих номинальные. Таким образом, первичная обмотка относительно электрической сети выступает как потребитель электрической энергии.

Переменный магнитный поток наводит также электродвижущую силу во вторичной обмотке. Амплитуда наведенной электродвижущей силы прямо пропорциональна количеству витков вторичной обмотки. Отношение амплитуды ЭДС первичной обмотки E1m к амплитуде ЭДС E2m вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации k = E1m / E2m. Коэффициент трансформации равняется отношению количества витков w1 первичной обмотки к количеству витков w2 вторичной обмотки:

k = w1 / w2

Набирая необходимое количество витков, можно с помощью трансформатора питать потребителей с разным номинальным напряжением.

Во вторичной обмотке, замкнутой на потребителя вторичной энергии, под действием электродвижущей силы протекает переменный ток, амплитуда которого определяется сопротивлением потребителя, включенного во вторичную обмотку. Вторичная обмотка относительно потребителя является генератором электрической энергии.

Таким образом, трансформатор передает энергию от сети к потребителю с помощью магнитного поля.

 

Режим нагрузки трансформатора

Векторные диаграммы при нагрузке строят по уравнениям (16). Вид векторной диаграммы зависит от характера нагрузки (рис. 14).

Векторная диаграмма а рис. 14 соответствует активно-индуктивной нагрузке, а векторная диаграмма б - активно-емкостной нагрузке.
Сопоставляя обе диаграммы, можно заключить, что при и увеличение активно-индуктивной нагрузки вызывает снижение напряжения , а при увеличении активно-емкостной нагрузки напряжение возрастает. Это объясняется тем, что при активно-индуктивной нагрузке происходит некоторое размагничивание трансформатора (поток Ф уменьшается, так как ток имеет составляющую, направленную навстречу току ), а при активно-емкостной нагрузке трансформатор дополнительно намагничивается (поток Ф возрастает, так как ток имеет составляющую, совпадающую с ).

 

11

Изменение напряжения трансформатора

 

При коротком замыкании в обмотках трансформатора протекают токи, вызывающие потери активной и реактивной мощности. Одновременно они создают активные и реактивные падения напряжения, в геометрической сумме равные напряжению короткого замыкания uк: uк = uа + uр, где uа — активное, uр — реактивное падение напряжения в обмотках или, как их еще называют, — активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания. Геометрически указанное равенство — это прямоугольный треугольник, гипотенузой которого является uк, а катетами — uа и uр, т. е. uк = √uа2 + uр2. Величина напряжения короткого замыкания во многом определяет еще один важный параметр — напряжение U2 вторичной обмотки, которое питает потребителей энергии. Действительно, падение напряжения в самом трансформаторе неизбежно уменьшает напряжение U2, причем это уменьшение, оказывается, зависит от составляющих uк и коэффициента мощности, т. е. cosφ2 нагрузки. Вообще, изменением напряжения (ΔU) трансформатора называют арифметическую разность между вторичным напряжением на зажимах при холостом ходе Е2 и напряжением на тех же зажимах U2 при нагрузке номинальным током. Изменение напряжения трансформатора определяется по следующей формуле: ΔU = uа cosφ2 + uр sinφ2 + 1/200 (uа sinφ2 - uр cosφ2)2. Из рассмотрения формулы можно сделать следующие выводы: 1. От величины напряжения короткого замыкания зависит напряжение вторичной обмотки, которое питает потребителей энергии. Чем выше рассеяние, тем при том же cosφ2 меньше питающее вторичное напряжение. 2. У трансформатора с определенной величиной uк падение напряжения тем меньше, чем ближе cosφ2 к 1, т. е. чем активнее нагрузка (при cosφ2 = 1 sinφ2 = 0 и в формуле остается только первый член uа % cosφ2). 3. Численные значения uк и uр близки и поэтому во многих случаях при значениях S>2500 кВА активной составляющей uа можно пренебречь, т. е. считать uа ≈ 0.

12.Рис. 12-2. Магнитная цепь стержневого трехфазного трансформатора
Трехфазный трансформатор может быть образован из трех однофазных (рис. 12-1), если их обмотки определенным образом соединить между собой (например, обе обмотки звездой). Такой трансформатор называют трансформ

аторной группой или групповым трансформатором.

 

Рис. 12-1. Принципиальная схема трехфазной трансформаторной группы

Однако можно выполнить трехфазный трансформатор с общей магнитной системой для трех фаз с тремя стержнями, или так называемый трехстержневой трансформатор (рис. 12-2).


Группа из трех однофазных трансформаторов несколько дороже трехфазного трансформатора на ту же мощность, имеет несколько более низкий к. п. д. и занимает больше места, хотя каждый однофазный трансформатор группы (так называемая «фаза») меньше по габаритам и по весу, чем трехстержневой трансформатор на полную мощность группы, что имеет большое значение при установке и перевозке мощных единиц.

Кроме того, при группе однофазных трансформаторов в качестве резерва обычно достаточно иметь всего одну фазу (треть мощности группы), так как повреждение одновременно двух фаз трансформатора маловероятно. При трехфазном трансформаторе приходится иметь в резерве другой трансформатор на полную мощность. Таким образом, групповой трансформатор имеет преимущества при больших мощностях, где условия перевозки и надежность при эксплуатации имеют особенно важное значение. Наоборот, трансформаторы средней и особенно малой мощности выполняются главным образом как трехстержневые. У нас в стране трехстержневые трансформаторы стандартизованы на мощности до 60 000 кВА, а групповые — начиная с мощности 3 X 600 кВА и выше.
В отношении магнитной системы разница между групповым и трехстержневым трансформатором та, что магнитные цепи первого совершенно независимы друг от друга, тогда как у второго они связаны. Пути магнитного потока в каждом трансформаторе показаны на рис. 12-1 и 12-2 штриховыми линиями.
В групповом трансформаторе длины магнитных цепей всех трех фаз одинаковы, тогда как в трехстержневом — различны, причем магнитная проводимость для потоков крайних фаз меньше, чем для средней. Так как к фазам трансформатора подводятся нормально симметричные напряжения, т. е. равные по величине и сдвинутые на 120°, то э. д. с. Ех и, следовательно, магнитные потоки всех трех фаз тоже симметричны. Поэтому намагничивающие силы этих фаз и, ста лег быть, намагничивающие токи I0 трехстержневого трансформатора образуют несимметричную систему, а именно, токи двух крайних фаз А л С больше, чем ток средней фазы В. В групповом трансформаторе такой асимметрии нет, так как все три фазы имеют одинаковые магнитные цепи.
Асимметрия токов холостого хода трехстержневого трансформатора не имеет большого практического значения, так как уже при очень небольшой нагрузке она сглаживается.

Способы соединения обмоток трехфазных трансформаторов и их обозначения

Каждая из обмоток трансформатора как первичная, так и вторичная, может быть соединена звездой или треугольником. Кроме того, обмотка низшего напряжения масляных трансформаторов средней мощности может иметь соединение зигзаг, при котором каждая фаза вторичной обмотки располагается на двух различных стержнях, по половине общего количества витков на каждом стержне. При соединении звездой концы обмоток образуют общую точку (рис. 12-3, а). При соединении треугольником начало первой фазной обмотки соединяется с концом третьей, начало второй — с концом первой и начало третьей — с концом второй (рис. 12-4, а). В первом случае все начала, а во втором случае общие точки обмоток присоединяются к сети.
Следует отметить, что понятия начала и конца обмоток условны, однако они необходимы для правильного соединения фазных обмоток. В трехфазных трансформаторах положительному направлению тока от начала к концу обмотки должно соответствовать определенное направление магнитного потока в стержнях; в стержневых трансформаторах это направление должно быть одинаковым (рис. 12-2).

Рис. 12-3. Соединение обмоток звездой: а — схема, б — векторы э. д. с. Е1у в — вёкторы э. д. с. Е3, г — векторы напряжений и токов
Начала фазных обмоток высшего напряжения принято обозначать большими буквами А,.В и С, а концы их — буквами X, Y и Z, причем для обмотки фазы используются буквы АХ, BY и CZ.
Начала и концы обмоток низшего напряжения обозначаются соответственно малыми буквами: я, Ь, с и х, у, z. В дальнейшем, для краткости, каждой фазе приписывается буква начала ее обмотки

Рис. 12-4. Соединение обмоток треугольником: а — схема,
б — векторы э. д. с. Е1у в — векторы токов
Соединение обмоток в звезду обозначается знаком Y * соединение в треугольник — знаком Д, соединение зигзаг — знаком V*. Сначала указывают соединение обмотки высшего напряжения, а затем через наклонную черту — обмотки низшего напряжения. Для обозначения обмотки, соединенной в звезду с выведенной нулевой точкой, применяется знак Y* а для вывода нулевой точки обмоток — 0.

 


Таблица 12-1, Схема и группа соединения обмоток трехфазных двухобмоточных трансформаторов

 

 

13.Трансформатор — статическое электромагнитное устройство, в котором нет вращающихся частей и, следовательно, механических потерь. Все потери в трансформаторе — это потери активной мощности, возникающие в магнитной системе, обмотках и других частях трансформатора при различных режимах его работы. Рассмотрим эти потери.

Потери холостого хода

В режиме холостого хода потребляемая трансформатором активная мощность расходуется только на покрытие потерь в стали магнитопровода и в первичной обмотке от тока холостого хода (I20r1). Потери, возникающие при этом в магнитопроводе, называют магнитными и обозначают Рм. А суммарные потери в режиме холостого хода (при номинальных первичном напряжении и частоте) называют потерями холостого хода и обозначают Р0: Р0 = Рм + I20r1, где r1 — активное сопротивление первичной обмотки. Особенностью потерь холостого хода являются их постоянство и независимость от режима нагрузки трансформатора. Действительно, ток холостого хода I0 определяется геометрической суммой намагничивающей и активной составляющих. Ток Iнам создает основной поток Ф0, а активная составляющая Iа определяется только потерями в стали от гистерезиса и вихревых токов. Магнитный поток Ф0 остается постоянным, как бы ни менялся режим нагрузки (токи I1 и I2) трансформатора. Следовательно, и ток Iнам останется неизменным при любой нагрузке. Активная составляющая зависит только от магнитных потерь и для данногомагнитопровода, выполненного из определенной марки стали (при номинальных первичном напряжении и частоте), является также неизменной. Естественно, что и потери в первичной обмотке от протекания тока I0 останутся неизменными. Таким образом, при номинальных первичном напряжении и частоте потери холостого хода Р0 постоянны и не зависят от нагрузки трансформатора.

Основные потери в обмотках

При включении нагрузки из первичной обмотки во вторичную передается электромагнитная мощность; во вторичной обмотке появляется ток I2; одновременно в первичной обмотке возникает ток I1, который находится в прямой зависимости от нагрузки, т. е. от тока I2. При этом в обмотках теряется мощность, пропорциональная квадратам токов и сопротивлениям первичной и вторичной обмоток: Рнагр = I21r1 + I22r2, где I1 и I2 — токи нагрузки; r1 и r2 — сопротивления соответствующие обмоток. Естественно, что потери Рнагр непосредственно зависят от величины мощности, необходимой потребителю. Так, если в какой-либо момент потребляемая мощность составляет 0,7 номинальной, т. е. токи равны 0,7 своих номинальных значений, потери будут составлять 0,72 = 0,49, или только половину расчетных в номинальном режиме. А если учесть, что потребность в энергии в течение суток неодинакова, то очевидны значительные колебания нагрузочных потерь в обмотках, т. е. эти потери непостоянны и полностью зависят от режима нагрузки.

Добавочные потери в обмотках

Однако I1 и I2 — не единственные токи, протекающие в обмотках трансформатора. Кроме токов нагрузки в обмотках трансформаторов обнаруживаются еще и другие токи, которые замыкаются внутри отдельных проводов и между параллельными ветвями обмоток; эти токи в отличие от токов нагрузки не выходят за пределы обмоток. Токи, замыкающиеся внутри отдельных проводов, называют вихревыми (аналогично токам внутри пластин магнитной системы). Токи, замыкающиеся между параллельно соединенными обмотками или частями обмоток, называют циркулирующими. Эти токи вызываются полем рассеяния, т. е. той частью магнитного поля трансформатора, силовые линии которой сцепляются не со всеми, а только с частью витков обмоток и проходят главным образом в немагнитной среде (в воздухе, масле и т. п.). При расчете потерь в обмотках реальный ток, неравномерно распределяющийся по сечению проводов и между параллельными ветвями обмоток, обычно рассматривают как сумму трех токов: - тока нагрузки, равномерно распределяющегося по поперечному сечению и между параллельными ветвями; - циркулирующего тока, замыкающегося внутри контура, образованного параллельными ветвями; - вихревого тока, замыкающегося только в пределах каждого провода. При этом сумма потерь от трех указанных токов равна реальным потерям в обмотках трансформатора. Кроме потерь в обмотках поля рассеяния вызывают потери в стенках бака, прессующих кольцах, ярмовых балках и других элементах конструкции трансформатора. Добавочные потери снижают эффективность трансформатора; с ними ведется постоянная борьба с целью добиться их минимальной величины. Итак, в трансформаторе различают потери активной мощности, не зависящие от нагрузки (Р0); нагрузочные (Рнагр) и добавочные (Рдоб) потери, определяемые режимом работы (величиной нагрузки) трансформатора: ΣР = Р0 + Рнагр + Рдоб.

 

Постоянные и переменные потери. Уравнение баланса мощности в цепи с трансформатором

,

где – активная мощность, поступающая из сети питания (от источника); - активная мощность потребителей; – суммарная мощность потерь в трансформаторе; — мощность потерь в стали; — мощность потерь в проводах обмоток.

Мощность потерь в стали магнитопровода из-за гистерезиса и вихревых токов зависит от амплитуды магнитного потока , а так как , то мощность потерь в стали не изменяется, т. е. не зависит от нагрузки при постоянном значении напряжения питания . Эти потери составляют 1—2 % номинальной мощности. Мощность потерь в проводах обмоток зависит от нагрузки, так как

Зависимость потерь в стали и меди от коэффициента нагрузки показана на рис. 2.16.

Коэффициент полезного действия трансформатора. КПД трансформатора можно рассчитать по формуле

Так как коэффициент нагрузки и в опытах холостого хода и короткого замыкания было получено, что , а , то КПД

. (2.21)

Годовой КПД трансформатора. Если в течение года часть времени трансформатор работает в режиме холостого хода, то эксплуатационный или годовой КПД

, (2.22)

где — число часов в году; число часов работы трансформатора при постоянной нагрузке.

Если нагрузка трансформатора изменяется в течение суток так, что в течение времени коэффициент нагрузки составляет , в течение времени и т.д., то среднесуточный КПД

, где ( – активная мощность потребителей в течение времени );

— потери, в трансформаторе за сутки, т.е.

,

где

.

Зависимость КПД трансформатора от нагрузки. Из (2.21) можно найти значение нагрузки , при котором КПД максимален. Приравняв нулю производную , получим:

.

Это значит, что КПД максимален при равенстве мощностей потерь в проводах обмоток и в стали. Следовательно, оптимальный коэффициент нагрузки

.

Обычно для трансформатора и, значит, . Таким образом, наибольшее значение КПД трансформатора будет при нагрузке 70—50 % от номинальной.

Зависимость КПД от нагрузки, построенная согласно (2.21), показана на рис. 2.16. Общая номинальная мощность установленных силовых трансформаторов в 4-6 раз превышает мощность генераторов, поэтому КПД трансформаторов имеет важное значение для рационального использования энергетических ресурсов. Максимальный КПД силовых трансформаторов доходит до 99,5 %. .

 


Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 1055;