Методическая разработка урока – конференции по МДК 0101 «Электрические машины» по теме: «Трансформаторы»

Министерство образования Российской федерации

Департамент образования и науки Приморского края

Краевое государственное бюджетное

профессиональное образовательное учреждение

«Приморский многопрофильный колледж»

Трансформаторы

Методическая разработка

урока - конференции по МДК 0101 «Электрические машины»

Партизанск

2015

Трансформаторы

Г.И. Зиганшина - преподаватель электротехники и электрических машин КГБ ПОУ «ПМК»

В работе представлен материал для проведения конференции по МДК 0101 «Электрические машины» по теме «Трансформаторы». Материал предназначен для исследовательской работы, самостоятельной работы, изучения, лучшего усвоения, расширения кругозора, улучшения профессиональных знаний студентов.

Методическая разработка обсуждена на методическом совете КГБ ПОУ «ПМК»№ от_________ года.

Рецензент: Горшкова В.Г., старший методист КГБ ПОУ «ПМК»

Г.И. Зиганшина

Краевое государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «Приморский многопрофильный колледж».

Адрес: 692851, г. Партизанск, ул. Техникумовская, д.1

Тел.: 6-20-16

Факс: 6-20-16.

План учебного занятия

Тема занятия. «Трансформаторы»

Цели занятия:

Образовательная - углубить знания по электрическим машинам-трансформаторам,0,

организовать повторение и систематизацию основных формул, понятий, способов и методов решения задач.

Воспитательная - воспитывать умение использовать свой интеллект, аккуратность и точность при проведении эксперимента, умение работать с литературой, физическим оборудованием.

Развивающая - устанавливать связи внутри физических понятий, теорий, законов, стимулировать у обучающихся познавательный интерес, творческие способности, самостоятельность, развить умение формулировать проблемы, предлагать пути их решения.

_________________________________________________________________

Умения, знания и компетенции (ОК, ПК), формируемые в ходе занятия

Обучающийся в ходе освоения профессионального модуля должен:

иметь практический опыт:

организации и выполнения работ по эксплуатации и ремонту электроустановок;

уметь:

читать и выполнять рабочие чертежи электроустановок;

контролировать режимы работы электроустановок;

планировать и проводить профилактические осмотры электрооборудования;

знать:

основные законы электротехники;

устройство, принцип действия и основные технические характеристики электроустановок.

ОК 1. Понимать сущность и социальную значи мость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 4. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

Тип занятия систематизация и закрепление знаний по пройденному материалу.

Вид занятия урок - конференция.

Методы обучения: творческие: исследование, поиск, творческая работа.

Материально-техническое, программное, учебно-методическое и информационное обеспечение занятия ноутбук, проектор для демонстрации компьютерных презентаций, плакаты, модели трансформаторов, сердечников, обмоток трансформаторов.

Оформление:

Плакаты: Как наша прожила б планета,

Как люди жили бы на ней

ХОД ЗАНЯТИЯ

1.Организационная часть

Приветствие, формулировка темы, цели занятия.

Проверка отсутствующих, готовности к уроку, психологический настрой.

Вступительное слово преподавателя.

II Защита работ обучающихся Приложение 1

1. Биография П.Н.Яблочкова, докладчик Аманацкий П.

2. Биография И.Ф.Усагина, докладчик Попов Д.

3. Биография М.О.Доливо -Добровольского, докладчик Дерун Д.

4. Устройство однофазного трансформатора, докладчик Гречишкин А.

5. Принцип работы трансформаторов, докладчик Кабанов А.

6. Трехфазный трансформатор, докладчик Вдовин Е.

7. Автотрансформатор, докладчик Лесик Д.

8. Измерительный трансформатор напряжения, докладчик Сергеев А.

9. Измерительный трансформатор тока, докладчик Тян С.

10. Сварочный трансформатор, докладчик Борисов В.

11. Параллельная работа трансформаторов, докладчик Домницкий Е.

12. Назначение и область применения трансформаторов, докладчик Анойкин С.

13. Холостой ход и нагрузочный режим трансформатора, докладчик Сандин Н.

14. Потери мощности трансформаторов, докладчик Даянов В.

III Подведение итогов, домашнее задание

Проанализировать, дать оценку успешности достижения цели при проведении конференции.

Аргументация выставленных баллов.

Составить тест по трансформаторам на 10 вопросов. Повторять тему: «Трансформаторы»

IV Рефлексия

Самооценка и оценка работы группы и отдельных студентов, замечания по занятию, предложения о возможных изменениях на последующих занятиях.

Приложение 1

НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

С помощью трансформаторов повышается или понижается напряжение, изменяется число фаз, а в некоторых случаях преобразуется частота переменного тока. Возможность передачи электрических сигналов от одной обмотки к другой посредством взаимоиндукции была открытаМ. Фарадеем в 1831 г.; при изменении тока в одной из обмоток, намотанной на стальной магнитопровод, в другой обмотке индуцировалась ЭДС Однако первый практически работающий трансформатор создал известный изобретатель П. Н. Яблочков в содружестве с И. Ф. Усагиным в 1876 г. Это был двухобмоточный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом.

В дальнейшем несколько конструкций однофазных трансформаторов сзамкнутыммагнитопроводом были созданы венгерскими электротехниками О. Блати, М. Дери и К. Циперноеским. Для развития трансформаторостроения и вообще электромашиностроения большое значение имели работы проф. А. Г. Столетова по исследованию магнитных свойств стали и расчету магнитных цепей.

Важная роль в развитии электротехники принадлежит М. О. Доливо-Добровольскому. Он разработал основы теории многофазных и, в частности, трехфазных переменных токов и создал первые трехфазные электрические машины и трансформаторы. Трехфазный трансформатор современной формы с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости, был изобретен им в 1891 г. С тех пор происходило дальнейшее конструктивное усовершенствование трансформаторов, уменьшалась их масса и габариты, повышалась экономичность. Основные положения теории трансформаторов были разработаны в трудах Е. Арнольда и М. Видмара.

В развитии теории трансформаторов и совершенствовании их конструкции большое значение имели работы советских ученых В. В. Корицкого, Л. М. Пиотровского, Г. Н. Петрова, А. В. Сапожникова, А. В. Трамбицкого и др.

Трансформаторы широко используют для следующих целей.

1. Для передачи и распределения электрической энергии. Обычно на электростанциях генераторы переменного тока вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6-24 кВ. Передавать же электроэнергию на дальние расстояния выгодно при больших напряжениях, поэтому на каждой электростанции устанавливают трансформаторы, повышающие напряжение.

В настоящее время для высоковольтных линий электропередачи в СССР применяют силовые трансформаторы с масляным охлаждением напряжением 330, 500 и 750 кВ, мощностью до 1200-1600 MB-А. В связи со строительством дальних линий электропередачи Экибастуз - Центр, Экибастуз - Урал и других напряжением 1150 кВ переменного тока наша электропромышленность создала трансформаторные группы, состоящие из трех однофазных трансформаторов мощностью 667 MB-А, а для линий 1500 В постоянного тока - двенадцатифазные преобразовательные блоки с четырехобмоточными трансформаторами общей мощностью 1500 MB-А. КПД таких трансформаторов составляет 98 - 99% и выше.

Для перспективных линий электропередачи переменного тока напряжением 1800-2000 кВ и постоянного тока напряжением 3000 кВ разрабатывают трансформаторы мощностью 1320 MB-А на одну фазу.

Электрическая энергия распределяется между промышленными предприятиями и населенными пунктами, в городах и сельских местностях, а также внутри промышленных предприятий по воздушным и кабельным линиям при напряжении 220, 110, 35, 20, 10 и 6 кВ. Следовательно, во всех узлах распределительных сетей должны быть установлены трансформаторы, понижающие напряжение. Кроме того, понижающие трансформаторы следует устанавливать в пунктах потребления электроэнергии, так как большинство электрических потребителей переменного тока работает при напряжениях 220, 380 и 660 В. Таким образом, электрическая энергия при передаче от электрических станций к потребителям подвергается в трансформаторах многократному преобразованию (3 - 5 раз). Применяемые для этих целей трансформаторы могут быть одно-и трехфазными, двух- и трехобмоточными.

2. Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжений на входе и выходе преобразователя. В вентильных преобразователях, выпрямляющих переменный ток или преобразующих его из постоянного в переменный (инверторы), отношение напряжений на входе и выходе зависит от схемы включения вентилей. Поэтому если на вход преобразователя подается стандартное напряжение, то на выходе получается нестандартное. Для устранения этого недостатка вентильные преобразователи, как правило, снабжают трансформаторами, обеспечивающими стандартное выходное напряжение при принятой схеме включения вентилей. Кроме того, ряд схем включения вентилей требует обязательного применения трансформатора. Трансформаторы, применяемые для этой цели, называют преобразовательными. Их мощность достигает тысяч киловольт-ампер, напряжение 110 кВ; они работают при частоте 50 Гц и более. Рассматриваемые трансформаторы выполняют одно-, трех- и многофазными с регулированием выходного напряжения в широких пределах и без регулирования.

В последнее время для возбуждения мощных турбо-и гидрогенераторов, электропривода и других целей все шире начинают применять трансформаторы с естественным воздушным охлаждением напряжением 3 - 24 кВ и мощностью 133-6300 кВ-А. Благодаря использованию в этих трансформаторах новой теплостойкой изоляции удается повысить их нагрузочную способность и в 1,3 - 1,5 разасократить, массогабаритные показатели по сравнению с применявшимися ранее трансформаторами с масляным охлаждением.

3. Для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питания электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др. Мощность их достигает десятков тысяч киловольт-ампер при напряжении до 10 кВ; они работают обычно при частоте 50 Гц.

4. Для питания различных цепей радио- и телевизионной аппаратуры; устройств связи, автоматики в телемеханики, электробытовых приборов; для разделения электрических цепей различных элементов этих устройств; для согласования напряжений и т. п. Трансформаторы, используемые в этих устройствах, обычно имеют малую мощность (от нескольких вольт-ампер до нескольких киловольтампер), невысокое напряжение, работают при частоте 50 Гц и более. Их выполняют двух-, трех- и многообмоточными; условия работы, предъявляемые к ним требования и принципы проектирования весьма специфичны.

5. Для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов, например реле, в электрические цепи высокого напряжения или в цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности. Трансформаторы, применяемые для этой цели, называют измерительными. Они имеют сравнительно небольшую мощность, определяемую мощностью, потребляемой электроизмерительными приборами, реле и др.

Трансформаторы, перечисленные в п. 1, 2, 3 и частично в п. 4, предназначенные для преобразования электрической энергии в сетях энергосистем и потребителей электрической энергии, называют силовыми. Для режима их работы характерны неизменная частота переменного тока и очень малые отклонения первичного и вторичного напряжений от номинальных значений.

Силовые трансформаторы, выпускаемые отечественными заводами, разделены на несколько групп (габаритов) от I до VIII. Например, трансформаторы мощностью до 100 кВ•А включительно относят к габариту I, от 160 до 630 кВ • А - к габариту II, от 1000 до 6300 кВ • А - к габариту III и т. п.

В данной главе в основном рассматривается теория силовых трансформаторов; другие же виды трансформаторов рассмотрены кратко на основе общей теории.

УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРОВ

Магнитная система. В зависимости от конфигурации магнитной системы трансформаторы подразделяют на стержневые (рис. 2.2, а), броневые (рис. 2.2, б) и тороидальные (рис. 2.2, в).Стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки. Часть магнитопровода, на которой обмотки отсутствуют, называют ярмом. Трансформаторы большой и средней мощности обычно выполняют стержневыми. Они имеют лучшие условия охлаждения и меньшую массу, чем броневые.

Силовые трансформаторы большой мощности броневого типа отечественная промышленность не выпускает.

Рис. 2.2. Основные типы однофазных трансформаторов:

1 - ярмо; 2 - стержень; 3 -обмотки; 4 - тороидальный магнитопровод.

Но при значительных мощностях (более 80-100 MB•А на фазу) часто применяютбронестержневые трансформаторы, у которых крайние стержни имеют боковые ярма (рис. 2.3,а). Такая конструкция позволяет уменьшить поперечное сечение верхнего и нижнего ярм по сравнению со стержневыми трансформаторами, в результате чего уменьшается высота трансформатора и упрощается его транспортировка по железным дорогам. При дальнейшем повышении мощности для еще большего уменьшения высоты верхнего и нижнего ярм применяют трансформаторы многостержневой конструкции. В этом случае «расщепляют мощность» каждой фазы между двумя или тремя отдельными стержнями, т. е. обмотки каждой фазы располагают на нескольких стержнях, включенных в магнитном отношении параллельно (рис. 2.3,6).

Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопроводы трансформаторов (рис. 2.4) собирают из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,28-0,5 мм при частоте 50 Гц. Обычно применяют анизотропную холоднокатаную сталь с ребровой структурой (марки 3412-3416) и содержанием кремния 2,8 - 3,8%. Магнитные свойства этой стали резко улучшаются при совпадении направлений магнитного потока и прокатки: потери в стали на перемагничивание уменьшаются в два-три раза, а магнитная проницаемость и индукция насыщения возрастают. Однако использование холоднокатаной стали усложняет конструкцию и технологию изготовления магнитопроводов, так как при этом требуется исключить прохождение магнитного потока поперек направления прокатки или по крайней мере уменьшить длину участков, на которых это явление возникает.

Рис. 2.3. Однофазные трансформаторы большой мощности: а - бронестержневой;б -многостержневой; 1- верхнее ярмо; 2 -стержень; 3 -обмотки; 4 - боковое ярмо; 5 - боковое совмещенное
ярмо.

Рис. 2.4. Магнитная система силового трехфазного трансформатора:
а - общий вид; б -сборка магнитопровода; У -стержень; 2 - ярмо;
3 - опорные балки; 4- стяжные шпильки; 5, 7- листы крайнего и
среднего стержней; 6 - листы верхнего ярма.

По способу сборки различают стыковые и шихтованные магнитопроводы. В стыковыхмагнитопроводах стержни и ярма собирают и скрепляют раздельно, а затем устанавливают в стык и соединяют между собой. В месте стыка во избежание замыкания листов устанавливают изоляционные прокладки. В шихтованных магнитопроводах ярма и стержни собирают как цельную конструкцию с взаимным перекрытием отдельных слоев в месте стыка («впереплет»). Каждый слой состоит из двух - трех листов. При сборке магнитопровода листы в двух смежных слоях располагают, как показано на рис. 2.5, о и б, т. е. листы каждого последующего слоя перекрывают стык в листах предыдущего слоя, существенно уменьшая магнитное сопротивление в месте сочленения. После сборки магнитопровода листы верхнего ярма вынимают, на стержни устанавливают катушки и ярмо снова ставят на место (рис. 2.4,б). Шихтованныемагнитопроводы имеют значительно меньшее магнитное сопротивление, чем стыковые; поэтому последние применяют сейчас только в микротрансформаторах.

При изготовлении магнитопроводов из холоднокатаной текстурованной стали листы в местах сочленения крайних стержней с ярмами скашивают примерно на 45° (рис. 2.5, в и г).

Рис. 2.5. Расположение листов в двух смежных слоях магнитопровода силового трехфазного трансформатора: а, в, е - 1, 3, 5-й и другие слои; б, г, д - 4, 2, 6-й и другие слои; 1 - листы крайних стержней; 2 -листы среднего стержня; 3, 4, 5 - листы верхнего и нижнего ярм.

Скос листов позволяет уменьшить магнитное сопротивление магнитопровода и потери мощности в нем, так как при прямоугольной форме листов в местах поворота магнитного потока на 90° возникают добавочные потери из-за несовпадения направлений индукционных линий и прокатки стали. Сборка магнитопроводов из листов с косым стыком является весьма трудоемкой, так как в целях перекрытия стыков листов при шихтовке приходится смещать их по длине. Поэтому в силовых трансформаторах широко применяют комбинированный способ шихтовки, при котором стыки листов ярма со средним стержнем (рис. 2.5, д и е) делают прямыми, а с крайними стержнями - косыми, или первый слой листов выполняют с косыми стыками, а второй - с прямыми.

Стержни магнитопровода в силовых трансформаторах сравнительно небольшой мощности имеют прямоугольное или крестовидное сечение (рис. 2.6, а и б), а в более мощных - ступенчатое, по форме приближающееся к кругу (рис. 2.6, в) (их собирают из листов различной ширины). Такая форма обеспечивает получение требуемого поперечного сечения стержня при минимальном диаметре, что позволяет уменьшить длину витков обмоток, а следовательно, и расход обмоточных проводов.

Рис. 2.6. Формы сечения стержней силовых трансформаторов: 1 - пакеты листов; 2 - продольные каналы; 3 - поперечный канал.

При большом сечении стержней их собирают из отдельных стальных пакетов, между которыми располагают продольные каналы шириной 5 - 6 мм, а в некоторых конструкциях и поперечный канал (рис. 2.6, г) для циркуляции охлаждающей жидкости.

Стяжку листов стержней (опрессовку стержней) в силовых трансформаторах сравнительно небольшой мощности осуществляют с помощью деревянных или пластмассовых планок и стержней, устанавливаемых между стальным стержнем и жестким изоляционным цилиндром, на котором намотана обмотка НН (рис. 2.7, а).

В более мощных трансформаторах с магнитопроводами из холоднокатаной анизотропной стали стержни стягивают бандажами из стеклоленты или стальной ленты (рис. 2.7,6). Чтобы стальные бандажи не образовали короткозамкнутых витков, их разрезают и стягивают с помощью изоляционных пряжек. Для получения равномерного сжатия стальных листов перед наложением бандажей стержень опрессовывают на сборочном стенде. Опрессовка стержней обеспечивает необходимую жесткость конструкции магнитопровода и предотвращает повышенную вибрацию его листов, сопровождающуюся шумом.

Рис. 2.7. Способы прессовки стержней и ярм:
1 - шихтованный стержень; 2 -деревянная планка; 3 - изоляционный цилиндр катушки; 4 - деревянный стержень; 5 - бандаж из стеклоленты; б - изоляционная трубка; 7 - стальная шпилька; 8 - изоляционная пластина; 9 - полубандаж из стальной ленты; 10 - ярмо; 11 -изоляционная прокладка; 12 - ярмовая балка.

В магнитопроводах из горячекатаной стали стержни стягивают стальными шпильками, изолированными относительно стержней трубками из изоляционного материала (рис. 2.7, в). Такой способ опрессовки при холоднокатаной стали недопустим, так как магнитные силовые линии огибают отверстия, пробитые в стальных листах для шпилек, и, следовательно, отклоняются от направления проката стали.

Ярма, соединяющие стержни, выполняют обычно прямоугольного, Т-образного или ступенчатого сечения на 2 - 5% больше сечения стержней. Это уменьшает индукцию в стали ярма и потери мощности в ней. Ярма стягивают с помощью деревянных или стальных опорных балок, бандажей из стеклоленты или стальной ленты (рис. 2.7, г) или посредством шпилек (рис. 2.7, д).

Магнитопровод вместе с опорными балками и другими прессующими деталями образует остов трансформатора. При работе силовых трансформаторов магнитопровод и другие стальные части находятся в сильном электрическом поле, вследствие чего они могут приобрести электрический заряд. Чтобы избежать этого, остов заземляют с помощью медных лент.

Трансформаторы малой мощности и микротрансформаторы часто выполняют броневыми, так как они имеют более низкую стоимость по сравнению со стержневыми трансформаторами из-за меньшего числа катушек и упрощения сборки и изготовления. Применяют также и маломощные трансформаторы стержневого типа с одной или двумя катушками. Преимущество тороидальных трансформаторов - отсутствие в магнитной системе воздушных зазоров, что значительно уменьшает магнитное сопротивление магнитопровода.

В трансформаторах малой мощности магнитопровод собирают из штампованных пластин П-, Ш- и О-образной формы (рис. 2.8, а, б, в). При использовании листов Ш- и П-образной формы магнитопровод может быть собран «впереплет» или «встык». Сборку пластин «встык» применяют при необходимости введения в магнитопровод воздушного зазора; в этом случае в месте стыка устанавливают изоляционные прокладки.

Рис. 2.8. Магнитопроводы трансформаторов малой мощности: а, д - броневой, б, г - стержневой, в, е - тороидальный, ж - трехфазный.

Большое значение получили также магнитопроводы, навитые из узкой ленты электротехнической стали (обычно из анизотропной холоднокатаной стали) или из специальных железоникелевых сплавов типа пермаллой. Их можно использовать для стержневых, броневых, тороидальных и трехфазных трансформаторов. Основными преимуществами их перед шихтованными являются лучшее использование ферромагнитного материала благодаря ориентации магнитного потока в направлении прокатки стали или пермаллоя и более высокое сопротивление вихревым токам, что обусловливает уменьшение потерь мощности в магнитопроводе, особенно при повышенных, частотах. Ленточные магнитопроводы (рис.2.8,г,д,е,ж) бывают неразъемными и разъемными. Разъемные ленточные магнитопроводы выполняют из двух половин. Чтобы уменьшить магнитное сопротивление магнитопровода в местах стыка, торцовые поверхности обеих половин шлифуют, затем; вкладывают в катушку и склеивают по шлифованным поверхностям специальным клеем, изготовленным на основе эпоксидной смолы с ферромагнитным наполнителем. Монолитность конструкции ленточного магнитопровода обеспечивается путем применения клеющих лаков и эмалей.

Для трансформаторов, работающих при частоте 400 и 500 Гц, магнитопроводы выполняют из специальных сортов электротехнической стали с малыми удельными потерями при повышенной частоте, а также из железоникелевых сплавов типа пермаллой, которые имеют большие начальную и максимальную магнитные проницаемости и позволяют получить магнитные поля с большой индукцией при сравнительно слабой напряженности. Толщина листов составляет 0,2; 0,15; 0,1 и 0,08 мм. При частотах более 10-20 кГц магнитопроводы прессуют из порошковых материалов (магнитодиэлектриков и ферритов).

Обмотки. В современных трансформаторах первичную и вторичную обмотки стремятся расположить для лучшей магнитной связи как можно ближе одну к другой. При этом на каждом стержне магнитопровода размещают обе обмотки либо концентрически - одну поверх другой, либо в виде нескольких дисковых катушек, чередующихся по высоте стержня. В первом случае обмотки называют концентрическими, во втором -чередующимися. В силовых трансформаторах обычно применяют концентрические обмотки, причем ближе" к стержням располагают обмотку НН, требующую меньшей изоляции относительно остова трансформатора, а снаружи - обмотку ВН (рис. 2.9, а).

Рис. 2.9. Расположение обмоток на стержнях в
трансформаторах:
1 - стержень; 2 - обмотка
ВН; 3 - обмотка НН; 4,5-
группы катушек.

В некоторых случаях для уменьшения индуктивного сопротивления рассеяния обмоток применяют двойные концентрические (расщепленные) обмотки (рис. 2.9,6), в которых обмотку НН делят на две части с одинаковым числом витков. Аналогично можно выполнить и обмотку ВН. При чередующихся обмотках (рис. 2.9, в) всю обмотку подразделяют на симметричные группы, состоящие из одной или нескольких катушек ВН и расположенных по обе стороны от них двух или нескольких катушек НН. Чередующиеся обмотки применяют редко и в основном для специальных трансформаторов.

Обмотки трансформаторов изготовляют из медных или алюминиевых проводов. При использовании алюминия поперечное сечение провода берется примерно на 70% больше, чем при использовании меди из-за большего удельного электрического сопротивления алюминия. В связи с этим габариты и масса трансформаторов с алюминиевыми обмотками больше, чем у трансформаторов с медными обмотками. При сравнительно небольших мощностях и токах обмотки выполняют из изолированного провода круглого сечения, при больших мощностях и токах применяют провода прямоугольного сечения. В ряде случаев обмотки наматывают из нескольких параллельных проводов.

По конструкции концентрические обмотки подразделяют на цилиндрические, непрерывные и винтовые.
Цилиндрические обмотки (рис. 2.10, а), выполненные из прямоугольного провода, обычно применяют в качестве обмоток низшего напряжения при мощностях до 250 кВ•А на один стержень (до 630 кВ•А для трехфазного трансформатора) и напряжении до 6 кВ. При мощности 10-16 кВ*А обмотку наматывают в один-два слоя, а при больших мощностях - в два слоя, соединенных последовательно (рис. 2.10,6).

В зависимости от силы тока каждый слой может состоять из одного или нескольких параллельных проводов (суммарный ток стержня обычно не превышает 800 А). Провод наматывают по винтовой линии на бумажно-бакелитовые цилиндры и одновременно изолируют его от стержня магнитопровода и от соседних катушек.

Рис. 2.10. Цилиндрические обмотки:
1 - витки из прямоугольного провода; 2 - бумажно-бакелитовый цилиндр; 3,4 - выводные концы; 5 - вертикальные рейки; б - внутренние ответвление обмотки; 7 -аксиальный охлаждающий канал.

Если обмотка имеет несколько слоев, то между ними прокладывают изоляционные планки, образующие: каналы для прохода масла.

Обмотки высшего напряжения трансформаторов мощностью до 250 кВА на один стержень и напряжением до 35 кВ, а также обмотки низшего напряжения при 3 - 10 кВ выполняют цилиндрическими многослойными (рис. 2.10, в). Для обмоток используют провод круглого или прямоугольного сечения, который наматывают на жесткие бумажно-бакелитовые цилиндры; каждый слой образуется из одного или нескольких параллельных проводов (суммарный ток стержня обычно не превышает 135 А). Витки всех слоев соединяют последовательно; изоляцией между слоями служит кабельная бумага. При большом количестве слоев для улучшения охлаждения обмотку разделяют на две концентрические катушки. Между этими катушками оставляют канал для прохода масла. Иногда в качестве обмоток высшего напряжения при мощностях до 335 кВ-А на стержень и напряжении до 35 кВ, применяют многослойные цилиндрические катушечные обмотки (рис. 2.11, а). Такая обмотка состоит из ряда многослойных дисковых катушек, расположенных вдоль стержня и выполненных из провода небольшого сечения (ток до 45 А). Между катушками оставляют каналы для охлаждения.

В трансформаторах мощностью от 160 до 63000 кВ-А на стержень и выше при напряжениях от 3 до 220 кВ в качестве обмоток высшего напряжения часто применяют непрерывные спиральные катушечные обмотки.

Рис. 2.11. Цилиндрическая катушечная (о) и непрерывная (б) обмотки: I - бумажно - бакелитовый цилиндр; 2 - аксиальный охлаждающий канал; 3 - опорное изолирующее кольцо; 4 - дисковые катушки; 5 - радиальные охлаждающие каналы; б - изоляционная рейка с планками.

Обмотку называют непрерывной потому, что ее наматывают без разрывов, 1. е. переход из одной катушки в другую производится непрерывно, без паек. В непрерывной обмотке может быть до шести параллельных проводов. Такая обмотка (рис. 2.11,6) состоит из ряда последовательно соединенных между собой плоских дисковых катушек (секций), выполненных из провода прямоугольного сечения. Катушки имеют одинаковые размеры и расположены одна над другой. Для охлаждения между катушками создают радиальные каналы, образованные про кладками из электрокартона. Непрерывные спиральные ка тушечные обмотки можно применять и в качестве обмоток низшего напряжения при токах 20-400 А (при медных проводах) и 10-200 А (при алюминиевых проводах).

Винтовые одно- и многоходовые обмотки (рис. 2.12, а) используют обычно в качестве обмоток низшего напряжения в трансформаторах мощностью свыше 250 кВ-А на стержень при напряжениях до 15 кВ и токах свыше 300 А для медных проводов и 150-200 А для алюминиевых. Винтовую обмотку наматывают по винтовой линии из нескольких параллельных проводов прямоугольного сечения, прилегающих друг к другу в радиальном направлении. Подобно резьбе винта она может быть одно-, двух- и иногда многоходовой. Между отдельными витками и параллельными ходами располагают охлаждающие каналы.

При использовании винтовых и непрерывных катушечных обмоток, выполненных из нескольких параллельных проводников, необходимо принимать меры для равномерного распределения между ними тока, так как более удаленные от оси катушки провода имеют несколько большую длину, а следовательно, и активное сопротивление (чем расположенные ближе к оси).

Рис. 2.12. Одноходовая винтовая обмотка (я) и схемы транспозиции
ее параллельных проводов (б); (в) и (г): 1 - бумажно-бакелитовый цилиндр; 2 -провода; 3 - аксиальный охлаждающий канал; 4 - опорное изолирующее кольцо; S -витки из параллельных проводов; 6 - изоляционная рейка с планками; 7 - радиальные охлаждающие каналы.

Кроме того, витки, образуемые этими проводами, сцеплены с различными по величине магнитными потоками и в них индуцируются разные ЭДС. Чтобы уравнять длины параллельных проводов и создать одинаковые условия для индуцирования в них ЭДС, осуществляют транспозицию проводов, т. е. провода периодически по длине обмотки меняют местами (рис. 2.12,6) так, чтобы каждый провод занимал все возможные положения относительно оси катушки. Транспозиция может быть общей (изменяют на обратное расположение всех параллельных проводов) - рис. 2.12, в и групповой (изменяют местами две подгруппы проводов) - рис. 2.12, г.

В настоящее время широкое применение получают винтовые обмотки из транспонированного провода, в котором отдельные проводники (жилы) с лаковой изоляцией меняются местами в процессе изготовления провода (рис. 2.13,а,в). Поверх него накладывают общую изоляцию из кабельной бумаги.

Рис. 2.13. Специальные провода:
а - транспонированный марки ПТБ; 6 - подразделенный марки ПБП (двух- и трехжильный); в - подразделенный транспонированный марки ППТБ; 1 -проводники; 2 - изоляция провода; 3 - изоляция проводников.

Применяют также подразделенные провода (рис. 2.13,6), состоящие та двух-трех изолированных проводников, охватываемых общей изоляцией. Такое разделение проводника Приводит к значительному (на 20-30%) снижению добавочных потерь от индуцируемых в проводниках вихревых токов.

В трансформаторах малой мощности и микротрансформаторах используют однослойные и многослойные обмотки из круглого провода с эмалевой или хлопчатобумажной изоляцией, которые наматывают на гильзу или на каркас из электрокартона (рис. 2.14,а); между слоями проводов прокладывают изоляцию из кабельной бумаги или ткани. В микротрансформаторах часто обмотки выполняют из алюминиевой фольги толщиной 30-20 мкм. Изоляцией здесь служит окисная Пленка фольги, которая обладает достаточной теплоемкостью, теплопроводностью а может выдерживать рабочее напряжение до 100 В. В высокочастотных трансформаторах применяют расщепленные многожильные провода типа литцендрат (ЛЕНЮ, ЛЭЛО и др.). Для трансформаторов, работающих в условиях высокой температуры и радиоактивного облучения, используют провода из анодированного алюминия и с изоляцией из кварцевых нитей.

Рис. 2.14. Устройство трансформаторов малой мощности:
1 - первичная обмотка; 2 - магнитопровод; 3, 4,5 - вторичные обмотки; б - изоляционная гильза.

.

В последнее время широко применяются галетные обмотки. Такая обмотка состоит из отдельных унифицированных элементов - галет, каждая из которых представляет собой законченный конструктивный элемент (рис. 2.14,6). Галеты собирают на стержне магнитопровода и соединяют между собой в соответствии с электрической схемой трансформатора. Путем последовательного и параллельного соединения унифицированных галет можно получать различные значения токов и напряжений трансформатора. Галеты могут быть выполнены как из обмоточного провода, так и из алюминиевой фольги. В тороидальных трансформаторах обмотки располагают по всей окружности магнитопровода, причем на внутренней поверхности укладывают большее число слоев, чем на внешней. Изоляцию обмоток от магнитопровода осуществляют путем обматывания последнего лентой из изоляционного материала.

Изоляция силовых трансформаторов. В трансформаторах изоляцию обмоток подразделяют на главную - изоляцию их от магнитопровода и между собой (обмоток НН от ВН) и продольную - изоляцию между витками, слоями и катушками каждой обмотки. Имеется также изоляция отводов от обмоток, переключателей и выводов. Изоляция обмоток трансформатора от заземленных частей и друг от друга определяется в основном электрической прочностью при частоте 50 Гц. Она обеспечивается соответствующим выбором величины изоляционных промежутков, которые в масляных трансформаторах одновременно выполняют роль охлаждающих каналов.

Чтобы предотвратить пробой изоляции при воздействии на обмотку импульсных перенапряжений в высоковольтных трансформаторах, между обмотками дополнительно ставят жесткие бумажно-бакелитовые цилиндры или мягкие цилиндры из электроизоляционного картона. При этом (во избежание электрического разряда по поверхности изоляционных цилиндров) они должны иметь по высоте большие размеры, чем обмотки (рис. 2.15). Между обмотками высшего напряжения различных фаз устанавливают межфазную изоляционную перегородку. Изоляционное расстояние обмоток от ярма обеспечивают шайбами и прокладками из электроизоляционного картона. Между концевой изоляцией обмотки и ярмовыми балками магнитопровода в некоторых трансформаторах устанавливают металлические разрезные или неметаллические прессующие кольца.

Рис. 2.15. Конструкция главной изоляции трансформаторов класса напряжения ПО кВ (а) и 35 кВ (б): 1 - стержень магнитопровода; 2 - изоляционные цилиндры;3 - ярмо; 4 - прессующее кольцо; 5 -емкостные кольца, 6 - изоляционные угловые шайбы; 7 - изоляционная шайба; 8 -изоляционные прокладки;9 - междуфазная перегородка; ВН и НН -обмотки высшего и низшего напряжений; РО- регулировочная обмотка.

В трансформаторах напряжением 35 кВ для защиты от атмосферных перенапряжений две начальные и две конечные катушки обмотки высшего напряжения выполняют с усиленной изоляцией. Такая изоляция ухудшает условия охлаждения начальных и конечных катушек, поэтому их выполняют из провода большего поперечного сечения.

В трансформаторах напряжением 110 кВ и выше для уменьшения напряжения на концевых катушках обмотки высшего напряжения и выравнивания электрического поля у концов обмотки применяют емкостную компенсацию в виде емкостных витков и емкостных колец (рис. 2.16), которые служат электрическими экранами (см. § 2.19).

Рис. 2.16. Установка емкостного кольца и экранирующих витков
на обмотке: 1 - емкостное кольцо; 2 - дисковые входные катушки с дополнительной изоляцией; 3 - изоляционные прокладки; 4 - экранирующие витки; 5 - изоляционные полосы; 6 - выступы удлиненных прокладок; 7 - опорный изоляционный сегмент; 8 - непрерывная обмотка

Изоляция между катушками, слоями и витками (продольная изоляция) обеспечивает как электрическую прочность обмотки при частоте 50 Гц, так и прочность при воздействии импульсных перенапряжений. Обычно межкатушечную изоляцию осуществляют радиальными масляными каналами, простыми и угловыми шайбами из электроизлляционного картона. В качестве межслойной изоляции обычно применяют несколько слоев кабельной бумаги, электроизоляционный картон или лакоткань. Изоляцию между витками обеспечивают в основном собственной изоляцией обмоточного провода.

Вводы трансформатора. Для вывода наружу концов от обмоток в трансформаторах, охлаждаемых маслом или негорючим жидким диэлектриком, используют проходные фарфоровые изоляторы, размещаемые на крышке или на стенке бака. Проходной изолятор вместе с токоведущим стержнем и крепежными деталями называют вводом.

Вводы трансформаторов, устанавливаемых внутри помещений, имеют гладкую наружную поверхность (рис. 2.17, а), а вводы трансформаторов, предназначенных для наружной установки, снабжают ребрами (рис. 2.17,6), число которых зависит от напряжения соответствующей обмотки трансформатора.

Рис. 2.17. Вводы трансформаторов:
а - для внутренней установки; б - для наружной установки; в- мас-лонаполненные для напряжения 110 кВ, г - при больших токах; 1 - токоведущий стержень; 2 - колпак; 3- фарфоровый изолятор; 4 -металлический фланец; 5 - маслорасширитель с масляным затвором; б - верхняя фарфоровая покрышка; 7 - соединительная чугунная втулка; 8 - нижняя фарфоровая покрышка; 9 -алюминиевый экран; 10 - латунный фланец; И - крышка бака.

При наличии ребер увеличивается расстояние между токоведущим стержнем и корпусом по поверхности изолятораи уменьшается вероятность поверхностного разряда во время дождя, при попадании на изолятор листьев и т. п. Крепление ввода к крышке бака и токоведущего стержня в изоляторе должно быть прочным, а применяемые уплотнения - маслостойкими.

При напряжениях свыше 110 кВ вводы часто выполняют составными - из двух фарфоровых изоляторов (рис. 2.17, в). Внутри такой ввод заполняют маслом, не сообщающимся с маслом, находящимся в баке трансформатора. Токоведущий кабель проходит внутри металлической трубы, которую изолируют кабельной бумагой или бумажно-бакелитовыми цилиндрами с установленными в них металлическими обкладками из фольги (для выравнивания электрического поля).

В трансформаторах, рассчитанных на большие токи, вокруг ввода создается большой магнитный поток, вследствие чего в крышке бака и крепежном фланце возникают значительные вихревые токи, нагревающие эти детали до высокой температуры. Во избежание этого при больших токах вместо стального или чугунного фланцев применяют латунные и в крышке вырезают для них общее отверстие (рис. 2.17, г). При этом магнитные потоки всех вводов замыкаются вокруг отверстия и при одно- и трехфазном токах сильно уменьшаются из-за взаимной компенсации магнитодвижущих сил. В трансформаторах, охлаждаемых, воздухом, концы от обмоток присоединяют к контактным зажимам, которые укрепляют к остову трансформатора.

ОХЛАЖДЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Способы охлаждения. Конструктивное выполнение трансформатора определяется в значительной мере способом его охлаждения, который зависит от номинальной мощности. При увеличении мощности трансформатора необходимо увеличивать и интенсивность его охлаждения. В силовых трансформаторах для отвода теплоты от обмоток и магнитопровода применяют следующие способы охлаждения: воздушное, масляное и посредством негорючего жидкого диэлектрика. Каждый вид охлаждения имеет соответствующее условное обозначение.

Трансформаторы с воздушным охлаждением (сухие трансформаторы). При естественном воздушном охлаждении магнитопровод, обмотки и другие части трансформатора имеют непосредственное соприкосновение с окружающим воздухом, поэтому охлаждение их происходит путем конвекции воздуха и излучения. Сухие трансформаторы (рис. 2.18) устанавливают внутри помещений (в зданиях, производственных цехах и пр.), при этом главным требованием является обеспечение пожарной безопасности.

Рис. 2.18. Сухой трансформатор мощностью 320 кВ • А без кожуха:
1 -- вертикальные стяжные шпильки;2 - обмотки ВН; 3 - фарфоровые подкладки для прессовки обмоток; 4- стальное прессующее кольцо; 5 - опорные изоляторы отводов ВН; б - отводы ВН; 7 - фарфоровые подкладки для крепления отводов НН; 8 - доска зажимов ВН

В эксплуатации они удобнее масляных, так как исключают необходимость периодической очистки и смены масла. Следует, однако, отметить, что воздух обладает меньшей электрической прочностью, чем трансформаторное масло, поэтому в сухих трансформаторах все изоляционные промежутки и вентиляционные каналы делают большими, чем в масляных. Из-за меньшей теплопроводности воздуха по сравнению с маслом электромагнитные нагрузки активных материалов в сухих трансформаторах меньше, чем вмасляных, что приводит к увеличению сечения проводов обмотки и магнитопровода. Как следствие этого, масса активных частей (обмоток и магнитопровода) сухих трансформаторов больше, чем масляных. В настоящее время сухие трансформаторы имеют мощности до 10 MB•А и напряжения обмотки ВН до 35 кВ. Их устанавливают только в сухих закрытых помещениях с относительной влажностью воздуха до 80% во избежание чрезмерного увлажнения обмоток.

Сухие трансформаторы с естественным воздушным охлаждением могут иметь открытое (С), защищенное (СЗ) или герметизированное (СГ) исполнение. Трансформаторы типа СЗ закрывают защитным кожухом с отверстиями, а типа СГ- герметическим кожухом. Для повышения интенсивности охлаждения применяют обдув обмоток и магнитопровода потоком воздуха от вентилятора. Сухие трансформаторы с воздушным дутьем имеют условное обозначение СД.

Трансформаторы малой мощности выполняют, как правило, с охлаждением типа С. В некоторых случаях их помещают в корпус, залитый термореактивными компаундами на основе эпоксидных смол или других подобных материалов. Такие компаунды обладают высокими электроизоляционными и влагозащитными свойствами. После затвердевания они не расплавляются при повышенных температурах и обеспечивают надежную защиту трансформатора от механических и атмосферных воздействий.

Трансформаторы с масляным охлаждением. В трансформаторах с естественным масляным охлаждением (М) магнитопровод с обмотками погружают в бак, наполненный тщательно очищенным минеральным (трансформаторным) маслом (рис. 2.19).

Рис. 2.19. Устройство» трехфазного масляного трансформатора
средней мощности: 1 - термометр; 2 - выводы обмотки ВН; 3 - выводы обмотки НН; 4, 6 - пробки для заливки масла;. 5 - указатель уровня масла; 7 - расширитель; 8 -магнитопровод; 9 - обмотка НН; 10 -обмотка ВН; 11 -пробка для спуска масла; 12 - бак для масла; 13 - трубы для охлаждения масла

Трансформаторное масло обладает более высокой теплопроводностью, чем воздух, и хорошо отводит теплоту от обмоток и магнитопровода трансформатора к стенкам бака, имеющего большую площадь охлаждения, чем трансформатор. Погружение трансформатора в бак со специальным маслом обеспечивает также повышение электрической прочности изоляции его обмоток и предотвращает ее увлажнение и потерю изоляционных свойств под влиянием атмосферных воздействий. При правильной эксплуатации масляных трансформаторов, когда температура изоляции в наиболее нагретом месте не превышает 105 °С, трансформатор может служить 20-25 лет. Повышение температуры на 8 °С приводит к сокращению срока службы трансформатора примерно в два раза.

В трансформаторах мощностью 20-30 кВ•А выделяется сравнительно небольшое количество теплоты, поэтому их баки имеют гладкие стенки; у более мощных трансформаторов (20-1800 кВ•А) поверхность охлаждения бака искусственно увеличивают, применяя ребристые или волнистые стенки либо окружая бак системой труб, в которых масло циркулирует за счет концепции. Для повышения интенсивности охлаждения в трансформаторах мощностью более 1800 кВ•А к баку пристраивают навесные или отдельно установленные трубчатые теплообменники (радиаторы), которые с помощью патрубков с фланцами сообщаются с внутренней полостью бака (рис. 2.20,а). В радиаторе происходит усиленная циркуляция масла и интенсивное охлаждение. Масляные трансформаторы типа М применяют для мощностей 10-10000 кВ•А.

Рис. 2.20. Трансформатор большой мощности с навесными радиаторами (а) и установка вентиляторов для обдува радиаторов (б):

1 - навесной радиатор; 2 - бак трансформатора; 3 - вывод обмотки ВН; 4 - вывод обмотки НН; 5- расширитель; 6- вентилятор; 7 - электродвигатель вентилятора; 8 -фланец для присоединения радиатора к

Трансформаторы мощностью 10000-63000 кВ•А выполняют обычно с дутьем (тип Д). В этом случае теплоотдача с поверхности радиаторов форсируется путем обдува их вентиляторами. Каждый радиатор обдувается двумя вентиляторами (рис. 2.20, б), при этом теплоотдача увеличивается в 1,5 -1,6 раза. В трансформаторах с охлаждением типа ДЦ масло насосом откачивается из бака и прогоняется через навесные или отдельно установленные теплообменники (охладители), обдуваемые воздухом. Охлаждение с принудительной циркуляцией масла применяют при мощностях 16000-250000 кВ•А и выше. При использовании масляноводяного охлаждения нагретое масло проходит через теплообменники, охлаждаемые водой. Циркуляция масла осуществляется за счет естественной конвекции (при охлаждении типа MB) или же с помощью насоса (при охлаждении типа Ц).

Трансформаторы, охлаждаемые негорючим жидким диэлектриком. Трансформаторы с охлаждением типов Н и НД выполняют с герметизированным баком, который заполняют негорючим жидким диэлектриком. Обычно применяют синтетические изоляционные материалы - совтол и др., которые имеют примерно такие же электроизоляционные свойства и теплопроводность, как и трансформаторное масло. Трансформаторы с охлаждением типов Н и НД пожаробезопасны и могут устанавливаться в закрытых помещениях. Их выпускают мощностью 160-2500 кВ•А при напряжении 6 и 10 кВ.

Совтол представляет собой смесь полихлордифенила (совола) с трихлорбензолом, который добавляется для уменьшения вязкости и температуры застывания смеси. При использовании совтола в умеренном климате он содержит 65% полихлордифенила и 35% трихлорбензола; для тропических условий соответственно 90 и 10%. Он дороже трансформаторного масла, токсичен, что требует тщательной герметизации системы охлаждения.

Защита масла от соприкосновения с атмосферным воздухом. Во время работы масло в трансформаторе нагревается и расширяется. При уменьшении нагрузки оно, охлаждаясь, возвращается к первоначальному объему. Поэтому масляные трансформаторы мощностью 25 кВ•А и выше имеют небольшой дополнительный бак-расширитель (рис. 2.21), соединенный с внутренней полостью основного бака. При нагревании трансформатора изменяется объем масла, находящегося в расширителе. Объем его составляет около 10% от объема масла в баке. Применение расширителя позволяет значительно сократить поверхность соприкосновения масла с воздухом, что уменьшает его загрязнение и увлажнение.

Рис. 2.21. Установка расширителя и выхлопной трубы:
1 - маслопровод; 2 - газовое реле; 3 - кран для отсоединения расширителя; 4 -указатель уровня масла; J - расширитель; б -выхлопная труба; 7 - пробка для заливки масла; 8 -бак трансформатора;
9 - отстойник

Расширители имеют воздухоосушитель, заполненный сорбентом - веществом, поглощающим влагу из воздуха, поступающего в расширитель. При мощности 160 кВ • А и выше на них устанавливают также термосифонный фильтр для непрерывного обезвоживания и очистки масла. Для более надежного предохранения масли от окисления трансформаторы большой мощности выполняют герметизированными с полной изоляцией масла, находящегося в расширителе, от атмосферного воздуха. Это осуществляется с помощью подушки, образующейся из инертного газа (азота) и расположенной между поверхностью масла и гибкой растягивающейся мембраной - азотная защита. Трансформаторы с азотной защитой можно выполнять также и без расширителя.

Арматура и подъемные устройства. При работе трансформатора масло нагревается, разлагается и загрязняется продуктами окисления (стареет), поэтому его периодически очищают или заменяют. Масляные трансформаторы во избежание опасности пожара и взрыва устанавливают на открытых ограждаемых площадках или в специально сооруженных помещениях с огнестойкими стенами, опорами и перекрытиями. Для заливки, отбора пробы, спуска и фильтрации масла масляные трансформаторы снабжают соответствующей арматурой (кранами, вентилями, пробками).

Все трансформаторы имеют различные устройства для их подъема и перемещения: рым-болты, крюки, переставные катки и поворотные тележки.

Устройства для контроля за состоянием масла и системы охлаждения. Чтобы осуществлять контроль за уровнем и температурой масла, масляные трансформаторы имеют указатели уровня и температуры. Указатель уровня обычно устанавливают на расширителе, а указатель температуры - на крышке основного бака. В трансформаторах мощностью до 1000 кВ • А для этой цели используют ртутный термометр, а в трансформаторах большей мощности и в герметизированных трансформаторах - специальный электрический термосигнализатор. Трансформаторы с охлаждением типов Д, ДЦ и НД имеют два термосигнализатора, один из которых служит для измерения температуры верхних слоев масла, а другой - для автоматического управления процессом дутья.

Система автоматики должна обеспечивать: автоматическое включение и отключение системы охлаждения одновременно с включением в сеть и отключением трансформатора, регулирование интенсивности охлаждения в зависимости от нагрузки, включение резервного охладителя взамен вышедшего из строя, ввод резервного источника питания при снижении или исчезновении питания электродвигателей вентиляторов и насосов системы охлаждения и соответствующую сигнализацию о прекращении работы системы охлаждения. Трансформаторы мощностью 10000 кВ•А и выше оборудуют также реле низкого уровня масла, находящегося в расширителе, которое сигнализирует о снижении уровня масла и автоматически отключает трансформатор при недопустимом его уменьшении.

Защита трансформатора от аварий. Для защиты от возможных аварий трансформаторы мощностью более 1000 кВ•А имеют специальные газовые реле, которые устанавливают в трубопроводе между основным баком и расширителем. При значительном выделении взрывоопасных газов, возникающих в результате разложения масла, реле автоматически выключает трансформатор, предупреждая развитие аварии. В этих трансформаторах устанавливают также выхлопную трубу (см. рис. 2.21), закрытую стеклянной мембраной. При внезапном повышении внутреннего давления образовавшиеся газы выдавливают мембрану и выходят в атмосферу, предотвращая деформацию бака.

Чтобы предотвратить появление высокого потенциала на обмотке НН при повреждении изоляции обмотки ВН, в трансформаторах, у которых обмотка НН имеет напряжение до 0,69 кВ, между этой обмоткой и заземленным баком включают пробивной предохранитель, который пробивается при напряжении 1000 В.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора состоит из двух обмоток (рис. 2.1), размещенных на замкнутоммагнитопроводе, который выполнен из ферромагнитного материала. Применение ферромагнитногомагнитопровода позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т. е. уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток машины. Первичную обмотку 1 подключают к источнику переменного тока - электрической сети с напряжением u₁. Ко вторичной обмотке 2 присоединяют сопротивление нагрузки Z_H.

Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а низкого напряжения - обмоткой низшего напряжения (НН). Начала и концы обмотки ВН обозначают буквами А и X; обмотки НН - буквами а и х.

При подключении к сети в первичной обмотке возникает переменный ток i₁ , который создает переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС - е₁ и е₂, пропорциональные, согласно закону Максвелла, числам витков w₁ и w₂ соответствующей обмотки и скорости изменения потока dФ/dt.

Рис. 2.1. Электромагнитная система однофазного трансформатора : 1,2 - первичная и вторичная обмотки; 3 - магнитопровод

Таким образом, мгновенные значения ЭДС, индуцированные в каждой обмотке,

е₁ = - w₁ dФ/dt; е2= -w₂dФ/dt.

Следовательно, отношение мгновенных и действующих ЭДС в обмотках определяется выражением

E₁/E₂= e₁/e₂= w₁/w₂.

(2.1)

Если пренебречь падениями напряжения в обмотках трансформатора, которые обычно не превышают 3 - 5% от номинальных значений напряжений U₁ и U₂, и считать E₁≈U _l и Е₂≈U₂, то получим

U₁/U₂≈w₁/w₂.

(2.2)

Следовательно, подбирая соответствующим образом числа витков обмоток, при заданном напряжении U₁ можно получить желаемое напряжение U₂. Если необходимо повысить вторичное напряжение, то число витков w₂ берут больше числа w₁; такой трансформатор называют повышающим. Если требуется уменьшить напряжение U₂, то число витков w₂ берут меньшим w₁; такой трансформатор называют понижающим,

Отношение ЭДС Е_ВН обмотки высшего напряжения к ЭДС Е_НН обмотки низшего напряжения (или отношение их чисел витков) называют коэффициентом трансформации

k= Е_ВН/Е_НН = w_ВН/w_НН

(2.3)

Коэффициент k всегда больше единицы.

В системах передачи и распределения энергии в ряде случаев применяют трехобмоточные трансформаторы, а в устройствах радиоэлектроники и автоматики - многообмоточные трансформаторы. В таких трансформаторах на магнитопроводе размещают три или большее число изолированных друг от друга обмоток, что дает возможность при питании одной из обмоток получать два или большее число различных напряжений (U₂, U₃, U₄ и т.д.) для электроснабжения двух или большего числа групп потребителей. В трехобмоточных силовых трансформаторах различают обмотки высшего, низшего и среднего (СН) напряжений.

В трансформаторе преобразуются только напряжения и токи. Мощность же остается приблизительно постоянной (она несколько уменьшается из-за внутренних потерь энергии в трансформаторе). Следовательно,

I₁/I₂≈ U₂/U₁≈ w₂/w₁.

(2.4)

При увеличении вторичного напряжения трансформатора в k раз по сравнению с первичным, ток i₂ во вторичной обмотке соответственно уменьшается в k раз.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику постоянного тока, то в его магнито-проводе образуется магнитный поток, постоянный во времени по величине и направлению. Поэтому в первичной и вторичной обмотках в установившемся режиме не индуцируются ЭДС, а следовательно, не передается электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Такой режим опасен для трансформатора, так как из-за отсутствия ЭДС E₁ первичной обмотке ток I₁ =U₁R₁ весьма большой.

Важным свойством трансформатора, используемым в устройствах автоматики и радиоэлектроники, является способность его преобразовывать нагрузочное сопротивление. Если к источнику переменного тока подключить сопротивление R через трансформатор с коэффициентом трансформации к, то для цепи источника

R' = P₁/I₁²≈ P₂/I₁²≈ I₂²R/I₁²≈ k²R

(2.5)

где Р₁- мощность, потребляемая трансформатором от источника переменного тока, Вт;
Р₂ = I₂²R≈ P₁ - мощность, потребляемая сопротивлением R от трансформатора.

Таким образом, трансформатор изменяет значение сопротивления R в k² раз. Это свойство широко используют при разработке различных электрических схем для согласования сопротивлений нагрузки с внутренним сопротивлением источников электрической энергии.

АВТОТРАНСФОРМАТОР

Принципиальная схема. Автотрансформатором называют такой трансформатор, у которого обмотка низшего напряжения электрически (гальванически) связана с обмоткой высшего напряжения.

В схеме понижающего автотрансформатора (рис. 2.52, а) первичное напряжение подводится к зажимам А и X; вторичной обмоткой служит часть первичной обмотки между зажимами а и х,причем зажимы X и х совмещены. Так как в каждом витке обмотки индуцируется одинаковая ЭДС Е = 4,44fФ_m, то при холостом ходе напряжение на зажимах ах

U₂ = 4,44fw_axФ_m = U_lw_ax/w_AX = U₁/k,(2.66)

где w_ax и w_AX - числа витков, включенных соответственно между зажимами а и х, А и Х; k -коэффициент трансформации.

Габаритные размеры, масса, потери мощности. В автотрансформаторе различают проходную мощность S_np, которая передается из первичной цепи во вторичную и далее нагрузке, и расчетную или типовую мощность S_pacч, передаваемую во вторичную цепь электромагнитным полем. Мощность S_расч определяет габаритные размеры и массу автотрансформатора. Если пренебречь потерями, то проходная мощность S_np = E₁I₁ = E₂I₂, а расчетная S_расч = Е₂I_ах, где I_ax -результирующий ток на участке ах обмотки, к которому подключена нагрузка.

Рис. 2.52. Схема включения понижающего автотрансформатора и зависимости мощностейS_эм и S_эл от коэффициента трансформации

На участке ах через обмотку проходит ток, равный векторной сумме токов вторичной и первичной цепей Í_ах = Í₂ + Í₁. Однако, как следует из векторной диаграммы (см. рис. 2.27), токи Í₂и Í₁ сдвинуты по фазе приблизительно на угол 180°. Поэтому, пренебрегая током холостого хода и переходя к модулям токов Í₂ и Í₁, получаем

I_ax = I₂ - I₁.(2.67)

Следовательно, проходная мощность

S_пр = Е₂1₂ = Е₂ (I_ax + I₁) = Е₂I_ах + E₂I₁ = S_эм + S_эл.(2.68)

При этом S_эм = E₂I_ax = S_paсч - мощность, передаваемая во вторичную цепь электромагнитным полем, которая является расчетной мощностью автотрансформатора; S_эл = E₂I₁ - мощность, передаваемая в эту цепь вследствие электрической (гальванической) связи между первичной и вторичной цепями.

При указанных выше условиях, принимая I₁ = I'₂ - I₂/k, получаем из (2.67)

I_ax = I₂(1-1/k).(2.69)

Откуда расчетная мощность автотрансформатора

S_расч = E₂I_ax = E₂I₂ (1 - 1/k).(2.70)

Отношение

k_выг = S_расч/S_пр = 1 - 1/k(2.71)

называют коэффициентом выгодности.

Мощность, передаваемая во вторичную цепь электрическим путем,

S_эл = E₂I₁ = Е₂I'₂ = (E₂I₂)/k = S_np/k(2.72)

В двухобмоточном трансформаторе S_эл = 0 и S_pacч = S_пр.

Таким образом, расчетная мощность автотрансформатора меньше, чем мощность двухобмоточного трансформатора при той же проходной мощности, передаваемой из первичной цепи во вторичную, что позволяет выполнить автотрансформатор с меньшей массой и меньшими габаритными размерами. Отношение этих мощностей определяет коэффициент выгодности.

На рис. 2.52, б показаны зависимости мощностей S_эм и S_эл в долях от проходной мощности S_npот коэффициента трансформации k. Очевидно, чем ближе значение коэффициента трансформации k к единице, тем меньше расчетная мощность автотрансформатора и тем выгоднее его применять с точки зрения уменьшения массы, габаритных размеров и потерь мощности. Например, при k = 1,1 расчетная мощность автотрансформатора уменьшается в 10 раз, а при k = 10 получается почти такой же, как у двухобмоточного трансформатора.
Электрические потери в обмотках автотрансформатора по той же причине могут быть существенно меньшими, чем в обмотках двухобмоточного трансформатора. При номинальном режиме в двухобмоточном трансформаторе электрические потери

ΔP_эл.тр = I₁²_номR₁ + I₂²_номR₂ ≈ I₁²_номR_к = P_к.тр(2.73)

В автотрансформаторе суммарные потери на участках Аа и ах

ΔР_эл.атр = ΔР_эл.Аа + ΔР_эл.ах,(2.74)

или

ΔР_эл.атр = I²_AaR_Aa + I²_axR_ax.(2.75)

В автотрансформаторе I_Аа = I₁, поэтому сечения проводов в первичной обмотке двухобмоточного трансформатора и на участке Аа автотрансформатора одинаковы, а сопротивление R_Аа < R₁:

R_Aa = R₁ (w_Aa/w_Ax) = R₁ (w₁ - w₂)/w₁= R₁(1- 1/k).(2.76)

На участке ах автотрансформатора проходит ток I_ax = I₂(1 - 1/k), поэтому сечение провода на этом участке можно выбрать меньшим, чем во вторичной обмотке двухобмоточного трансформатора - пропорционально отношению токов, проходящих по участку ах и вторичной обмотке:

R_ax/R₂ = I₂/Iax ≈ I₂/[ I₂ (1- 1/k)] ≈ 1/(1 - l/k).(2.77)

Таким образом, из формул (2.76) и (2.77) следует, что

P_эл.атр = I₁²R₁(1 - 1/k) + I₂² (1 - 1/k)²R₂/(1 -1/k) ≈ (I₁²R₁ + I₂²R₂)•(1 - 1/k).(2.78)

Следовательно, отношение электрических потерь в автотрансформаторе и двухобмоточном трансформаторе

ΔР_эл.атр/ΔР_эл.тр ≈ 1 - l/k.

(2.79)

Формула (2.79) показывает, что потери мощности в автотрансформаторе меньше, чем в двухобмоточном трансформаторе.

Активные и индуктивные (обусловленные потоками рассеяния) сопротивления автотрансформатора также меныше, чем соответствующие сопротивления двухобмоточного трансформатора:

R_к.атр = R_к.тр(1 - 1/k); X_к.атр = X_к.тр(1 - 1/k).(2.80)

Поэтому ток короткого замыкания у автотрансформатора, подключенного к сети со стороны обмотки ВН, больше чем у двухобмоточного трансформатора.

Конструктивно обмотки Аа и ах выполняют обычно в виде двух концентрических катушек. Такое исполнение предотвращает появление больших потоков рассеяния.

Области применения. В технике применяют автотрансформаторы одно- и трехфазные при необходимости сравнительно небольшого изменения напряжения: при к ≤ 2,5 ÷3. При больших kвыгодность от их применения уменьшается. Силовые автотрансформаторы служат для снижения напряжения при пуске мощных асинхронных и синхронных электродвигателей. Автотрансформаторы малой мощности широко используют в устройствах связи и автоматики, радиоаппаратуре и лабораторных стендах. В последнее время автотрансформаторы большой мощности применяют для соединения высоковольтных сетей различных напряжений (110, 154, 220, 330, 500, 750 кВ).

Существенным недостатком автотрансформаторов является то, что вторичная цепь у них электрически соединена с первичной. Поэтому обмотка НН и подключенные к ней потребители должны иметь ту же изоляцию относительно земли, что и обмотка ВН и первичная цепь. Поэтому для обеспечения электробезопасности не допускается применять автотрансформаторы для питания цепей низкого напряжения от сети высокого напряжения.

ТРАНСФОРМАТОРЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ, ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧИСЛА ФАЗ И ЧАСТОТЫ

Сварочные трансформаторы. Эти трансформаторы представляют собой понижающие однофазные сухие трансформаторы со вторичным напряжением при холостом ходе 60-75 В. Такое напряжение необходимо для надежного зажигания электрической дуги. При номинальной нагрузке вторичное напряжение уменьшается до 30 В.

При работе сварочных трансформаторов короткое замыкание является нормальным эксплуатационным режимом. Поэтому для ограничения тока к. з. и устойчивого горения дуги такой трансформатор должен иметь круто падающую внешнюю характеристику, а цепь сварочного тока должна обладать значительной индуктивностью. Для этого в сварочных трансформаторах обмотки размещают на различных стержнях магнитопровода и их соединяют последовательно, вследствие чего сопротивление короткого замыкания Z_K и напряжения и_коказывается у них в несколько раз больше, чем у обычных силовых трансформаторов. Между обмотками располагают подвижные магнитные шунты, позволяющие изменять магнитные потоки рассеяния и осуществлять этим регулирование сварочного тока.

В некоторых типах сварочных трансформаторов последовательно со вторичной обмоткой включают реактор L с переменной индуктивностью (рис. 2.78, а). Регулируя индуктивность реактора (изменяя воздушный зазор в его магнитопроводе), изменяют форму внешней характеристики 1 или 2 трансформатора (рис. 2.78,6) и ток дуги I₂₁ или I₂₂, соответствующий напряжению горения дуги U_Д.

В некоторых конструкциях реактор непосредственно встраивают в сварочный трансформатор. Такой трансформатор имеет три обмотки: первичную I (рис. 2.79), вторичную 3 и обмотку реактора 4, расположенные на общем магнитопроводе. Среднее ярмо 2 является общим для цепей трансформатора и реактора. Обмотки 3 и 4 включены таким образом, что магнитный поток, создаваемый обмоткой реактора 4 в ярме 2, направлен против основного потока, создаваемого первичной обмоткой 1. Благодаря этому существенно возрастает магнитное рассеяние в трансформаторе при сравнительно небольшом поперечном сечении ярма 2. Из-за наличия в цепи нагрузки большой индуктивности сварочные трансформаторы работают с низкимcos α = 0,4 ÷ 0,5.

Рис. 2.78. Электрическая схема (а) и внешние характеристики (б) сварочного трансформатора: 1 - трансформатор; 2 - реактор с переменной индуктивностью; 3 -электрод; 4 - свариваемая деталь

Рис. 2.79. Электромагнитная схема сварочного трансформатора с встроенным реактором

Трансформаторные схемы для преобразования числа фаз. При питании однофазных нагрузок большой мощности от сети трехфазного тока из-за неравномерности нагрузок отдельных фаз возникают значительные искажения симметрии трехфазных напряжений. В этом случае для выравнивания нагрузок фаз применяют специальные схемы включения трансформаторов: схему трехфазнодвухфазного преобразования (называемую иногда схемой Скотта) и схему включения двух однофазных трансформаторов (или двух фаз трехфазного трансформатора) в открытый треугольник. Эти схемы используют, в частности, для питания переменным током контактной сети электрифицированного транспорта.

Рис. 2.80. Трансформаторные схемы для преобразования трехфазного тока в однофазный(а) и (в) и их векторные диаграммы (б, г)

В схеме трехфазно-двухфазного преобразования используют два однофазных трансформатораTp1 и Тр2 (рис. 2.80, а) с различными коэффициентами трансформации. Трансформатор Tp1называют базовым и включают между двумя фазами трехфазной сети. Трансформатор Тр2называют высотным и включают между третьей фазой сети и средней точкой первичной обмотки трансформатора Tp1. При таком включении напряжения Ú_ВС и Ú_A0 (рис. 2.80,6) сдвинуты по фазе на угол 90^о. На такой же угол сдвинуты и вторичные напряжения Ú₁ и Ú₂. Для получения одинаковых по величине вторичных напряжений коэффициент трансформации трансформатора Тр2 должен быть в √3/2 раз больше, чем трансформатора Tp1. При симметричной нагрузке вторичной цепи токи в первичной трехфазной цепи также являются симметричными. Если нагрузки Z_Hl и Z_H2 не равны, то одна из фаз трехфазной сети загружена эквивалентной мощностью Р_экв = P₁ - P₂.

При использовании схемы «открытый треугольник» (рис. 2.80, в, г) эквивалентная однофазная нагрузка трехфазной сети имеет порядок большей из нагрузок Р₁ или Р₂. Если бы питание нагрузок Z_Hl и Z_H2 происходило от однофазного трансформатора, то на одну фазу приходилась бы нагрузка P₁+ Р₂.

Преобразование частоты. Наибольшее применение получили трансформаторные схемы для удвоения и утроения частоты. Утроение частоты необходимо, в частности, в преобразователях, выполненных по схеме «две обратные звезды суравнительным реактором», для устранения скачков выпрямленного напряжения при работе с малой нагрузкой.

Рис. 2.81. Трансформаторная схема для удвоения частоты (а) и кривые изменения напряжения

Трансформаторная схема для удвоения частоты (рис. 2.81, а) состоит из двух однофазных трансформаторов Tp1 и Тр2, каждый из которых имеет три обмотки: первичную 1,подмагничивающую 3 и вторичную 2. Первичные обмотки этих трансформаторов соединены встречно, а вторичные и подмагничивающие - согласно. Поэтому в течение первого полупериода питающего напряжения u₁ в одном из трансформаторов действует сумма МДС (F_ПM+ F_μ), а в другом - их разность (F_ПM - F_μ),где F_ПM и F_μ - МДС, создаваемые подмагничивающей и первичной обмотками.

В результате магнитопровод в первом трансформаторе насыщается и его поток Ф₁ приобретает уплощенную форму (рис. 2.81,6), в кривой же потока Ф₂ в магнитопроводе второго трансформатора появляется значительный провал. В следующий полупериод направление F_μизменяется, а направление F_ПM остается неизменным, что приводит к соответствующему изменению формы кривых Ф₁ и Ф₂: они оказываются сдвинутыми относительно друг друга на 180°. Таким образом, кривые Ф₁ и Ф₂ имеют несимметричную форму, а следовательно, содержат как четные, так и нечетные гармонические.

При встречном включении первичных обмоток индуцируемая в них результирующая ЭДС е₁уравновешивающая первичное напряжение и₁ создается разностью потоков Ф₁ и Ф₂. Эта разность изменяется с частотой f₁ питающего напряжения и не содержит четных гармонических. Результирующая ЭДС, индуцированная в соединенных согласно вторичных обмотках, создается суммой потоков (Ф₁ + Ф₂), которая не содержит первую и другие нечетные гармоники. Поэтому вторичная ЭДС е₂ и вторичное напряжение и₂ определяются в основном второй гармонической потоков Ф₁ и Ф₂, т. е. изменяются с двойной частотой 2f₁. Выходное напряжение U₂ можно регулировать, изменяя силу тока в подмагничивающих обмотках. Для того чтобы по подмагни-чивающим обмоткам не протекали переменные токи, созданные четными гармоническими ЭДС, в цепь их питания включают реактор L. Первая и другие нечетные гармонические ЭДС в них взаимно компенсируются благодаря Согласному включению этих обмоток.

Для компенсации падения напряжения во вторичных обмотках последовательно с нагрузкойZ_Н обычно включают емкость С. Она повышает cos φ схемы удвоения частоты и уменьшает наклон ее внешней характеристики.

Рис. 2.82. Трансформаторные схемы для утроения частоты

Трансформаторные схемы для утроения Частоты основаны на использовании третьей гармонической, возникающей при насыщении сердечников трансформаторов, подключенных к сети трехфазного тока с частотой f₁. В § 2.21 показано, что при соединении вторичной обмотки трансформатора по схеме Д третьи гармонические ЭДС отдельных фаз совпадают по времени; при этом по обмотке циркулируют токи тройной частоты. Следовательно, выполняя сердечник трансформатора насыщенным (чтобы третьи гармонические ЭДС имели большую величину) и соединяя вторичные обмотки в «открытый треугольник» (рис. 2.82, а), на подключенную к ним нагрузку Z_H можно подавать напряжение тройной частоты 3f₁.

Тот же результат получается при использовании трех отдельных однофазных трансформаторовTp1, Тр2, Тр3 (рис. 2.82,6) или одного однофазного трансформатора Тр и трех реакторов L1, L2, L3 с насыщенным магнитопроводом (рис. 2.82, в). При этом ток в каждом из реакторов несинусоидален и содержит значительную по величине третью гармоническую. В нулевой точкеO₁ сумма токов основной частоты f₁ равна нулю; токи частоты 3f₁ складываются, и по первичной обмотке трансформатора Тр проходит ток, равный утроенному значению этих токов в каждом реакторе. Поэтому во вторичной обмотке трансформатора индуцируется ЭДС тройной частоты. Для компенсации падения напряжения в трансформаторах, которое при тройной частоте значительно возрастает, последовательно с нагрузкой Z_H включают емкость С.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Области применения. Измерительные трансформаторы используют главным образом для подключения электроизмерительных приборов в цепи переменного тока высокого напряжения. При этом электроизмерительные приборы оказываются изолированными от цепей высокого напряжения, что обеспечивает безопасность работы обслуживающего персонала. Кроме того, измерительные трансформаторы дают возможность расширять пределы измерения приборов, т. е. измерять большие токи и напряжения с помощью сравнительно несложных приборов, рассчитанных для измерения малых токов и. напряжений. В ряде случаев измерительные трансформаторы служат для подключения к цепям высокого напряжения обмоток реле, обеспечивающих защиту электрических установок от аварийных режимов.

Измерительные трансформаторы подразделяют на два типа - трансформаторы напряжения и трансформаторы тока. Первые служат для включения вольтметров, а также других приборов, реагирующих на значение напряжения (например, катушек напряжения ваттметров, счетчиков, фазометров и различных реле). Вторые служат для включения амперметров и токовых катушек указанных приборов. Измерительные трансформаторы изготовляют мощностью от пяти до нескольких сотен вольтампер; они рассчитаны для совместной работы со стандартными приборами (амперметрами на 1; 2; 2,5 и 5 А, вольтметрами на 100 и 100 √3 В).

Трансформатор напряжения. Его выполняют в виде двухобмоточного понижающего трансформатора (рис. 2.72, а). Для обеспечения безопасности работы обслуживающего персонала вторичную обмотку тщательно изолируют от первичной и заземляют. Условное обозначение трансформатора напряжения такое же, как двухобмоточного трансформатора.

Так как сопротивления обмоток вольтметров и других приборов, подключаемых к трансформатору напряжения, велики, то он практически работает в режиме холостого хода. В этом режиме можно с достаточной степенью точности считать, что

U₁= U'₂= U₂k.

В действительности ток холостого хода I₀ (а также небольшой ток нагрузки) создает в трансформаторе падение напряжения, поэтому, как видно из векторной диаграммы (рис. 2.72,6),U'₂ ≠ U₁ и между векторами этих напряжений имеется некоторый сдвиг по фазе δ_u. В результате этого при измерениях образуются некоторые погрешности.

В измерительных трансформаторах напряжения различают два вида погрешностей:

а) относительная погрешность напряжения

γ_u = [(U₂k - U₁)/U₁] 100 %; (2.113)

Рис. 2.72. Схема включения и векторная диаграмма измерительного трансформатора на
пряжения: 1 - первичная обмотка; 2 -вторичная обмотка

б) угловая погрешность δu; за ее значение принимают угол между векторами Ú₁ и - Ú'₂. Она влияет на результаты измерений, выполненных с помощью ваттметров, счетчиков, фазометров и прочих приборов, показания которых зависят не только от силы тока и напряжения, но и от угла сдвига фаз между ними. Угловая погрешность считается положительной, если вектор Ú'₂опережает вектор Ú₁.

В зависимости от величины допускаемых погрешностей стационарные трансформаторы напряжения подразделяют на три класса точности: 0,5; 1 и 3; а лабораторные - на четыре класса: 0,05; 0,1; 0,2 и 0,5. Обозначение класса соответствует величине относительной погрешности γuпри номинальном напряжении U_lном.

Значения погрешностей стационарных трансформаторов напряжения согласно ГОСТу приведены в табл. 2.9.

Выпускаемые промышленностью трансформаторы напряжения сохраняют класс точности при изменении первичного напряжения от 80 до 120% номинального.

Для уменьшения погрешностей γ_u и δ_u сопротивления обмоток трансформатора Z₁ и Z₂ делают по возможности малыми, а магнитопровод выполняют из высококачественной стали достаточно большого поперечного сечения, чтобы в рабочем режиме он не был насыщен. Благодаря этому обеспечивается значительное уменьшение тока холостого хода.

Трансформатор тока. Его выполняют в виде двухобмоточного повышающего трансформатора (рис. 2.73, а) или в виде проходного трансформатора, у которого первичной обмоткой служит провод, проходящий через окно магнитопровода. В некоторых конструкциях магнитопровод и вторичная обмотка смонтированы на проходном изоляторе, служащем для ввода высокого напряжения в силовой трансформатор или другую электрическую установку. Первичной обмоткой трансформатора служит медный стержень, проходящий внутри изолятора (рис. 2.73,6).

Таблица 2.9

Класс точности

0,5

1

3

Максимальная относительная погрешность при напряжении (0,8 ÷ 1,2) Uном, %

±0,5

±1,0

±3,0

Угловая погрешность, мин

±20

±40

Не норми-рована

Рис. 2.73. Схема включения транс-форматора тока (а), общий вид про-ходноготрансфор-матора (б) и вектор-ная диаграмма (в):
1 - медный стер-жень (первичная обмотка); 2 - вто-ричная обмотка; 3 -

изолятор; 4 -магнитопровод

Сопротивления обмоток амперметров и других приборов, подключаемых к трансформатору тока, обычно малы. Поэтому он практически работает в режиме короткого замыкания, при котором токи I₁ и I'₂ во много раз больше тока I₀, и с достаточной степенью точности можно считать, что

I₁ = I'₂ = I₂/k. (2.114)

В действительности из-за наличия холостого хода I₀ ≈ Iμ в рассматриваемом трансформаторе I₁≠ I₂ и между векторами этих токов имеется некоторый угол, отличный от 180° (рис, 2.71, в). Это создает относительную токовую погрешность

γi = [(I₂k -I₁)/I₁] 100% (2.115)

и угловую погрешность, измеряемую углом δi между векторами I₁ и - I'₂. Погрешность δi - считается положительной, если вектор - I'₂ опережает вектор I₁.

В зависимости от значения допускаемых погрешностей трансформаторы тока подразделяют на пять классов точности: стационарные - на классы 0,2; 0,5; 1; 3 и 10; лабораторные - на классы 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2. Приведенные цифры соответствуют допускаемой для данного класса токовой погрешности при номинальном значении тока. Значения погрешностей стационарных трансформаторов тока согласно ГОСТу приведены в табл. 2.10.

Таблица 2.10

Класс

Первичный ток в процентах

Предельное значение погрешности

Пределы вторичной нагрузки в процентах

точности

от номинального

токовой, %

угловой, мин

от номинальной при cosφ₂ = 0,8

10

± 0,50

± 20

0,2

20

± 0,35

± 15

25 - 100

100 - 120

± 0,20

± 10

10

±1

± 60

0,5

20

±0,75

± 45

25 - 100

100 - 120

± 0,50

± 30

10

± 2

± 120

1

20

± 1,5

± 90

25 - 100

100 -120

± 1

± 60

3

50 - 120

± 3

Не нормируется

50 - 100

10

50 - 120

± 10

То же

50 - 100

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА ТРАНСФОРМАТОРОВ

Условия включения на параллельную работу. В большинстве случаев при значительной мощности электрической установки целесообразно иметь не один, а несколько трансформаторов меньшей мощности, включенных параллельно на общую нагрузку. Такое дробление общей трансформаторной мощности позволяет лучше решать проблему энергоснабжения потребителей, отключать часть трансформаторов при уменьшении нагрузки, проще проводить профилактический ремонт трансформаторов и пр.

Для включения трансформаторов Tp1 и Тр2 на параллельную работу (рис. 2.50, а) необходимо, чтобы при холостом ходе в их обмотках не возникали уравнительные токи и чтобы нагрузка распределялась между обоими трансформаторами в соответствии с их номинальной мощностью. Для этого требуется соблюдать ряд условий.

При неравенстве ЭДС E_20I и E_20II параллельно работающих трансформаторов (их вторичных напряжений при холостом ходе - рис. 2.51) возникает уравнительный ток.

Рис. 2.50. Схема включения трансформаторов при параллельной работе (в) и схема замещения их (б)

Рис. 2.51. Векторные диаграммы напряжений при параллельной работе трансформаторов:
а - одной группы с различными k; б - разных групп с одинаковыми k

Этот ток вызывает циркуляцию мощности от одного трансформатора к другому, а следовательно, неравномерную нагрузку трансформаторов, сопровождающуюся увеличением потерь и нагрева. Уравнительный ток

Í_YP = (É_20I - É_20II)/(Z_кI + Z_кII).(2.61)

Из формулы (2.61) следует, что первым необходимым условием для включения трансформаторов на параллельную работу является равенство их вторичных ЭДС, т. е. вторичных напряжений холостого хода (предполагается, что первичные напряжения у них одинаковы, т. е. что трансформаторы подключены к одной и той же первичной сети). При этом трансформаторы должны иметь одинаковые коэффициенты трансформации. На практике допускается параллельная работа силовых трансформаторов, имеющих различие в коэффициентах трансформации не более 0,5 %, а для трансформаторов с k > 3 - не более 1 %. При таком различии в коэффициентах трансформации разность вторичных ЭДС ΔÉ (рис. 2.51, а) небольшая и уравнительный ток незначительный.

Вторым необходимым условием является совпадение по фазе ЭДС É_20I и É_20II. с тем чтобы их векторная разность ΔÉ = É_20I - É_20II равнялась нулю. Для этого параллельно работающие трансформаторы должны принадлежать к одной группе соединений. При невыполнении этого условия между одноименными зажимами вторичных обмоток возникает разность ЭДС ΔÉ (рис. 2.51, б), вызывающая появление уравнительного тока. Так, например, если трансформаторы принадлежат, даже к ближайшим группам (например, одиннадцатой и нулевой), сдвиг по фазе между их вторичными ЭДС составляет 30°, и в контуре параллельно соединенных вторичных обмоток возникает большая разность ЭДС

ΔÉ = É₂₀₁ - É_20П = 2E₂₀ sin 15° ≈ 0,52 E₂₀.

При этом уравнительный ток в несколько раз больше номинального.

Распределение нагрузок. Из условия, полученного для упрощенной схемы замещения трансформаторов (см. рис. 2.50, б):

Í_IZ_кI = Í_IIZ_кII = Í_IIIZ_кIII = ... = Í_nZ_кn,(2.62)

можно найти распределение нагрузок между параллельно включенными трансформаторами.
Пренебрегая различием в фазе токов, которая зависит от соотношения активных и реактивных сопротивлений короткого замыкания (различие обычно невелико), и заменяя комплексные величины их модулями, получаем

I_I : I_II : I_III = (l/Z_кl):(l/Zк_II):(l/Zк_III),(2.63)

т. е. токи распределяются между трансформаторами обратно пропорционально сопротивлениям короткого замыкания. Уравнение (2.63) можно привести к виду

I_I : I_I : I_III =

I_номI

I_номIZ_кI

:

I_номII

I_номIIZ_кII

:

I_номIII

I_номIIIZ_кIII

(2.64)

Умножаем левую часть (2.64) на U₂cos φ₂, а правую - на U²_ном./100:

P_I : P_II : P_III =

S_номI

u_кI

:

S_номII

u_кII

:

S_номIII

u_кIII

(2.65)

Следовательно, для того чтобы нагрузки распределялись между параллельно включенными трансформаторами прямо пропорционально их номинальным мощностям, они должны иметь одинаковые напряжения короткого замыкания. Практически удовлетворительное распределение нагрузки получается в тех случаях, когда напряжения короткого замыкания параллельно работающих трансформаторов отклоняются от их среднеарифметического значения не более чем на +10%.
Если при параллельной работе напряжения u_к не равны, то перегружается трансформатор с меньшим значением и_к, т. е. с меньшим сопротивлением Z_K. В этом случае придется уменьшить общую нагрузку всей группы параллельно работающих трансформаторов, т. е. установленная мощность трансформаторов недоиспользуется.
При неравенстве активных u_ка и реактивных и_кр составляющих напряжений короткого замыкания токи параллельно работающих трансформаторов сдвинуты по фазе на некоторый угол. При этом суммарный ток, отдаваемый нагрузке, равен векторной сумме токов всех трансформаторов, т. е. меньше их алгебраической суммы. Следовательно, и в этом случае номинальная мощность трансформаторов используется не полностью.

У трансформаторов различных мощностей составляющие u_к.а и u_кр различны: у трансформаторов большей мощности u_кр больше, а u_ка меньше, чем у трансформаторов меньшей мощности. Поэтому не рекомендуется включение на параллельную работу трансформаторов с отношением номинальных мощностей больше трех.

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Энергетическая диаграмма. При работе в трансформаторе возникают потери энергии.Коэффициентом полезного действия трансформатора (КПД) называют отношение отдаваемой мощности Р₂ к мощности Р₁ поступающей в первичную обмотку:

η = P₂/P₁ = (U₂I₂ cos φ₂)/(U₁I₁ cos φ₁)

или

η = (Р₁ - ΔР)/Р₁ = 1 - ΔР/(Р₂ + ΔР), (2.49)

где ΔР - суммарные потери в трансформаторе.

Высокие значения КПД трансформаторов не позволяют определять его с достаточной степенью точности путем непосредственного измерения мощностей Р₁ и Р₂, поэтому его вычисляют косвенным методом по значению потерь мощности.

Рис. 2.38. Энергетическая диаграмма трансформатора

Процесс преобразования энергии в трансформаторе характеризует энергетическая диаграмма (рис. 2.38). При передаче энергии из первичной обмотки во вторичную возникают электрические потери мощности в активных сопротивлениях первичной и вторичной обмоток ΔР_эл1 и ΔР_зл2, а также магнитные потери в стали магнитопроводаΔР_м (от вихревых токов и гистерезиса). Поэтому

Р₂ = Р₁ - ΔР_эл1 - ΔР_эл2 - ΔР_м (2.50)

и формулу (2.49) можно представить в виде

η =

P₂

P₂ + ΔP_эл1 + ΔP_эл2 + ΔP_м

= 1 -

ΔP_эл1 + ΔP_эл2 + ΔP_м

P₂ + ΔP_эл1 + ΔP_эл2 + ΔP_м

(2.51)

Величину Р_эм = Р₁ - ΔР_эл1 - ΔР_м, поступающую во вторичную обмотку, называютвнутренней электромагнитной мощностью трансформатора. Она определяет габаритные размеры и массу трансформатора.

Определение потерь мощности. Согласно требованиям ГОСТа потери мощности в трансформаторе определяют по данным опытов холостого хода и короткого замыкания. Получаемый при этом результат имеет высокую точность, так как при указанных опытах трансформатор не отдает мощность нагрузке. Следовательно, вся мощность, поступающая в первичную обмотку, расходуется на компенсацию имеющихся в нем потерь.
При опыте холостого хода ток I₀ невелик и электрическими потерями мощности в первичной обмотке можно пренебречь. В то же время магнитный поток практически равен потоку при нагрузке, так как его величина определяется приложенным к трансформатору напряжением. Магнитные потери в стали пропорциональны квадрату значения магнитного потока. Следовательно, с достаточной точностью можно считать, что магнитные потери в стали магнитопровода равны мощности, потребляемой трансформатором при холостом ходе и номинальном первичном напряжении, т. е.

ΔР_м ≈ Р₀. (2.52)

Для определения суммарных электрических потерь согласно упрощенной схеме замещения (см. рис. 2.33,a) полагают, что 1'2 = 11. При этом

ΔP_эл = ΔP_эл1 + ΔP_эл2 = I₁²R₁ + I'₂²R₂ ≈ I'₂² (R₁ + R'₂) ≈ I'₂²R_к, (2.53)

или

ΔР_эл ≈ β²I'₂²_номR_к ≈ β²ΔP_эл.ном,(2.54)

где ΔP_эл.ном - суммарные электрические потери при номинальной нагрузке.

За расчетную температуру обмоток - условную температуру, к которой должны быть отнесены потери мощности ΔР_эл и напряжение и_к, принимают: для масляных и сухих трансформаторов с изоляцией классов нагревостойкости А, Е, В (см. § 12.1) температуру 75°С; для трансформаторов с изоляцией классов нагревостойкости F, Н - температуру 115 °С.

Величину ΔР_эл.ном ≈ I'₂²_номR_к ≈ I₁²_номR_к можно с достаточной степенью точности принять равной мощности Р_к, потребляемой трансформатором при опыте короткого замыкания, который проводится при номинальном токе нагрузки. При этом магнитные потери в стали ΔР_мвесьма малы по сравнению с потерями ΔP_эл из-за сильного уменьшения напряжения U₁, a следовательно, и магнитного потока трансформатора и ими можно пренебречь. Таким образом,

ΔР_эл = β²P_к(2.55)

Полные потери

ΔP = P_o + β²P_к (2.56)

Подставляя полученные значения Р в (2.51) и учитывая, что Р₂ = U₂I₂cosφ₂ ≈ βS_номcosφ₂, находим

η = 1 - (β²P_к + P₀)/(βS_номcosφ₂ + β²P_к + P₀).

(2.57)

Эта формула рекомендуется ГОСТом для определения КПД трансформатора. Значения Ро и Рк для силовых трансформаторов приведены в соответствующих стандартах и каталогах.

Зависимость КПД от нагрузки. По (2.57) можно построить зависимость КПД от нагрузки (рис. 2.39, а). При β = 0 полезная мощность и КПД равны нулю. С увеличением отдаваемой мощности КПД увеличивается, так как в энергетическом балансе уменьшается удельное значение магнитных потерь в стали, имеющих постоянное значение. При некотором значении β_опт кривая КПД достигает максимума, после чего начинает уменьшаться с увеличением нагрузки. Причиной этого является сильное увеличение электрических потерь в обмотках, возрастающих пропорционально квадрату тока, т. е. пропорционально β², в то время как полезная мощность Р₂возрастает только пропорционально β.

Максимальное значение КПД в трансформаторах большой мощности достигает весьма высоких пределов (0,98-0,99).

Рис. 2.39. Зависимость КПД трансформаторов η от нагрузки β

Оптимальный коэффициент нагрузки β_опт, при котором КПД имеет максимальное значение, можно определить, взяв первую производную dη/dβ по формуле (2.57) и приравняв ее нулю. При этом

β²_оптP_к = P₀ или ΔР_эл = ΔР_м

(2.58)

Следовательно, КПД имеет максимум при такой нагрузке, при которой электрические потери в обмотках равны магнит ным потерям в стали. Это условие (равенство постоянных и переменных потерь) приближенно справедливо и для других типов электрических машин. Для серийных силовых трансформаторов

β_опт = √P₀/P_к ≈ √0,2 ÷ 0,25 ≈ 0,45 ÷ 0,5(2.59)

Указанные значения β_опт получены при проектировании трансформаторов на минимум приведенных затрат (на их приобретение и эксплуатацию). Наиболее вероятная нагрузка трансформатора соответствует β = 0,5 ÷ 0,7.

В трансформаторах максимум КПД выражен сравнительно слабо, т. е. он сохраняет высокое значение в довольно широком диапазоне изменения нагрузки (0,4 < β < 1,5). При уменьшении cosφ₂ КПД снижается (рис. 2.39,6), так как возрастают токи 1₂ и I₁ при которых трансформатор имеет заданную мощность Р₂.

В трансформаторах малой мощности в связи с относительным увеличением потерь КПД существенно меньше, чем в трансформаторах большой мощности. Его значение составляет 0,6-0,8 для трансформаторов, мощность которых менее 50 Вт; при мощности 100-500 Вт КПД равен 0,90-0,92.

Трансформирование трехфазного тока

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА

Преобразование трехфазного тока можно осуществлять с помощью группы из трех однофазных трансформаторов или посредством одного трехстержневого трехфазного трансформатора. Обычно используют трехстержневые трансформаторы. Только при очень больших мощностях (более 10 MB • А в фазе) в ряде случаев применяют группы из трех однофазных трансформаторов, которые имеют существенные преимущества при транспортировке и монтаже (мощные высоковольтные трехфазные трансформаторы нетранспортабельны).

Трехфазная группа. На рис. 2.40 показано включение трех однофазных трансформаторов в трехфазную сеть. Первичные обмотки трансформаторов включены звездой и, следовательно, обмотка каждого трансформатора включена на фазное напряжение.

Если имеется нулевой провод, то работа трансформатора в трехфазной группе ничем не отличается от рассмотренной выше работы однофазного трансформатора. Поэтому в данном случае можно пользоваться векторной диаграммой и всеми уравнениями однофазного трансформатора.

При симметричной нагрузке необходимость в нулевом проводе отпадает; в этом случае также можно рассматривать работу только одной фазы, т. е. однофазный трансформатор;

Трехстержневой трехфазный трансформатор. Для объяснения принципа действия трехстержневого трехфазного трансформатора представим его в виде трех однофазных трансформаторов (рис. 2.41, а), у которых катушки размещены на стержнях 1, 2 и3, а ярма 4, 5 и 6 конструктивно объединены в одно общее ярмо. Через это ярмо проходит суммарный поток Ф́_рез = Ф́_А + Ф́_В + Ф́_С.

Рис. 2.40. Принципиальная схема трансформаторной группы
из трех однофазных трансформаторов (а) и векторная диаграмма
(б) потоков и напряжений в отдельных фазах

Рис. ,2.41. Схемы, характеризующие образование трехстержневого трансформатора из трех однофазных

Однако если на первичные обмотки этих трансформаторов подать систему симметричных трехфазных напряжений (рис. 2.41, б), то сумма Ф́_А, Ф́_В и Ф́_С в любой момент времени будет равна нулю. Следовательно, трехфазный трансформатор можно выполнить без объединенного ярма для замыкания потоков отдельных фаз. Полученный таким образом симметричный трехстержневой трансформатор (рис. 2.41,6) можно сделать более компактным, несколько уменьшив длину магнитной цепи, по которой замыкается поток Ф_с, исключив из нее два ярма (рис. 2.41,в). Возникшая при этом небольшая магнитная несимметрия контуров, по которым проходят потоки отдельных фаз, вызывает несимметрию токов холостого хода этих фаз.Однако, как показано выше, при нагрузке ток холостого хода оказывает весьма малое влияние на токи в первичной и вторичной обмотках. В результате получаем трехстержневой трансформатор (рис. 2.41, г), в котором первичная и вторичная обмотки каждой фазы расположены на общем стержне.При симметричном питающем напряжении и равномерной нагрузке (являющейся наиболее распространенной) все фазы трехфазного трансформатора находятся практически в одинаковых условиях. Поэтому выведенные выше формулы и схемы замещения для однофазного трансформатора справедливы и для трехфазного трансформатора. Однако в режиме холостого хода, на который большое влияние оказывает схема соединения обмоток, имеются особенности.

Схемы соединения обмоток. Первичная и вторичная обмотки трехфазных трансформаторов могут быть соединены по схемам «звезда», «звезда с выведенной нулевой точкой», «треугольники» или «зигзаг с выведенной нулевой точкой». Обычно обмотку высшего напряжения соединяют по схеме «звезда», что позволяет при заданном линейном напряжении иметь меньшее число витков в фазе. Согласно ГОСТу схему соединения «звезда» обозначают знаком Y, русской буквой У или латинской Y; схему «треугольник» - знаком Δ, русской буквой Д или греческой Δ; схему «зигзаг» - латинской буквой Z. Если нулевая точка обмотки выведена из трансформатора, то у буквенного обозначения ставят индекс н. Начала и концы обмотки ВН обозначают А, В, С и X, Y, Z; для обмотки НН - а, b, с и х, у, z; вывод нулевой точки - О (для ВН) и о (для НН). Схемы соединения обмоток силовых трансформаторов, применяемых вСоветском Союзе, приведены в табл. 2.3./p>

Трехфазные трансформаторы характеризуются двумя коэффициентами трансформации:

а) фазным - равным отношению числа витков w_ВН

фазы обмотки ВН к числу витков w_HH фазы обмотки НН или же отношению фазных напряжений этих обмоток в режиме холостого хода:

k_ф = w_вн/w_нн = U_оф.вн/U_оф.нн ;(2.59)

б) линейным - равным отношению линейного напряжения обмотки ВН к линейному напряжению обмотки НН в режиме холостого хода:

Таблица 2.3

k_л = U_ол.вн/U_ол.нн(2.60a)

Для схем У/У и Д/Д коэффициенты трансформации равны: k_л = k_ф; для схемы У/Д линейный коэффициент k_л = √3k_ф, а для схемы Д/У - kл = kф/√3.

При соединении обмотки трансформатора по схеме Z_н (рис. 2.42, а) каждая фаза состоит из двух одинаковых катушек, которые размещены на разных стержнях и соединены между собой встречно так, чтобы векторы индуктируемых в них ЭДС вычитались (рис. 2.42, б).

Схема Z_H неэкономична, так как при одном и том же фазном напряжении U_ф она требует большего расхода обмоточного провода, чем при схемах У и Д. Это объясняется тем, что в рассматриваемой схеме фазное напряжение U_ф в √3 раз больше напряжения U_K на каждой катушке, а при размещении двух катушек на одном стержне и их последовательном соединенииU_ф = 2U_K. Поэтому обычно схему Z_H не применяют; ее используют только в трансформаторах для вентильных преобразователей (см. § 2.23).

Особенности режима холостого хода. В § 2.6 показано, что в однофазном трансформаторе из-за насыщения магнитной цепи ток холостого хода при синусоидальном магнитном потоке оказывается несинусоидальным, т. е. возникает ряд высших гармонических:

i₀ ≈ I_01msin ωt + I_03m sin 3ωt + ....

В трехфазном трансформаторе выражения для тока холостого хода в фазах имеют вид

i₀A = I_01m sin ωt + 1_03msin 3ωt + ...;

i_0B = I_01m sin (ωt - 2π/3) + I_03m sin 3 (ωt - 2π/3) + ...;

i_0C = I_01msin (ωt - 4π/3) + I0_3m sin 3 (ωt - 4π/3) + ... .

Заметим, что третьи гармонические токов во всех фазах совпадают по времени: i_03A = i_03B = i_03C= I_03msin3ωt. При некоторых схемах включения обмоток это оказывает влияние на форму кривой магнитного потока трансформатора, а следовательно, и на форму кривой ЭДС.

Рис. 2.42. Схема «зигзаг» и ее векторная диаграмма

Рис. 2.43. Кривые потока Ф и тока холостого хода i₀ при соединении обмоток трехфазного трансформатора по схемам У_н/Уи У/У

При соединении обмоток трансформатора по схеме У_нв/У третьи гармонические фазных токов замыкаются по нулевому проводу. При этом ток холостого хода i₀ в каждой фазе содержит третью гармоническую i₀₃, а поток Ф является синусоидальным, как в однофазном трансформаторе (рис. 2.43, а).

При соединении обмоток по схеме У/У путь для замыкания третьих гармонических фазных токов отсутствует и ток холостого хода оказывается синусоидальным. В результате этого кривая магнитного потока Ф искажается (рис. 2.43, б) и приобретает плоскую форму; при этом поток содержит третью гармоническую Ф₃. Несинусоидальными являются и ЭДС, индуцированные в фазах,- они имеют заостренную форму. Построение кривой изменения магнитного потока Ф при синусоидальном изменении тока i_μ выполняется так же (рис. 2.43, в), как и построение кривой i_μ =f(t) (см. рис. 2.28, б), но в обратном порядке. Следует, однако, отметить, что в трехстержневом трансформаторе возникающие третьи гармонические потоков фаз Ф_A3, Ф_B3, Ф_C3не могут замыкаться по стальному магнитопроводу, так как они аналогично третьим гармоническим токов совпадают по времени и, следовательно, в любой момент времени направлены по контуру магнитопровода встречно (рис. 2.44, а). Поэтому эти гармонические выходят из стержней и замыкаются от ярма к ярму через воздух, т. е. по пути, имеющему большое магнитное сопротивление. Вследствие этого третьи гармонические потоков малы и потоки фаз Ф_А, Ф_В и Ф_С в трехстержневом трансформаторе мало отличаются от синусоидальных.

Обычно амплитуды потоков фаз отличаются на 5-10% от амплитуд их первых гармонических, что вызывает соответствующее небольшое искажение формы кривой фазных ЭДС.

Рис. 2.44.
Пути прохождения третьих гармонических потоков стержней в трехфазном трансформаторе

Еще одним отрицательным последствием возникновения третьих гармонических потоков фаз является увеличение потерь мощности. Эти потоки в трехстержневом трансформаторе замыкаются главным образом по стенкам бака, стяжным болтам и другим металлическим конструктивным деталям, окружающим магнитопровод (рис. 2.44, б). При этом в них индуцируются вихревые токи, создающие дополнительные потери мощности и местный нагрев соответствующих деталей. Отметим, что дополнительные потери достигают значительной величины только в трансформаторах мощностью свыше 1000 кВ • А. В трансформаторах меньшей мощности их практически можно не учитывать.

В группах, состоящих из трех однофазных трансформаторов, третьи гармонические потоков фаз могут замыкаться по тому же пути, что и основная гармоническая, и вследствие этого достигать недопустимой величины. Поэтому для таких групп схему У/Уне применяют.

Если одна из обмоток трансформатора соединена треугольником, то фазные потоки трансформатора становятся практически синусоидальными. Это объясняется тем, что в обмотке, соединенной треугольником, совпадающие по времени третьи гармонические ЭДС вызывают ток тройной частоты I₂₃, который циркулирует по фазным обмоткам (рис. 2.45, а) и уменьшает третьи гармонические потоков. Упрощенно можно считать, что результирующий поток тройной частоты является суммой третьих гармонических потоков, создаваемых первичной и вторичной обмотками Ф́_рез3 = Ф́₁₃ + Ф́₂₃.

Как показывает векторная диаграмма (рис. 2.45, б), результирующий поток Ф́_рез3 незначителен, так как для токов тройной частоты обмотка, соединенная треугольником, является корот-козамкнутой и даже небольшая ЭДС É₂₃ вызывает значительный ток Í₂₃.

Рис. 2.45. Схема прохождения третьих гармонических тока по фазам трансформатора (а) и векторная диаграмма (б) созданных ими потоков и ЭДС

Таким образом, обмотки трехстержневых трансформаторов лучше всего соединять по схемам У/Д и У_н/Д, которые позволяют практически устранить третьи гармонические в кривых потока и в ЭДС. Силовые трансформаторы средней мощности при вторичных напряжениях не более 400 В можно соединять и по схемам Y/Y и Д/Y, так как это позволяет получать от вторичной обмотки не только линейное напряжение 380 В, используемое в силовых цепях, но и фазное напряжение 220 В, требуемое для осветительных установок.

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

Режим холостого хода. Трансформаторы средней и большой мощности проектируют так, чтобы потребляемая ими из сети реактивная мощность была невелика. При этом ток холостого хода должен быть сравнительно небольшим (обычно он не превышает нескольких процентов от номинального тока). В трансформаторах малой мощности при проектировании решающую роль играет получение минимально возможной массы и объема трансформатора, что приводит к существенному увеличению тока холостого хода. Его значение при частоте 50 Гц и пластинчатых сердечниках достигает 30-60% номинального тока. Увеличению отношения I/Iном способствует также возрастающее влияние магнитного сопротивления в стыках магнитопровода при относительном уменьшении пути магнитного потока по его ферромагнитным элементам.

Зависимость отношения I₀/I_ном от номинальной мощности можно представить в виде I₀/I_ном ≈ I_μ/I_ном ≈ Q_μ/S_ном ≈ q_μM_ст/S_ном, где Q_μ = q_μM_ст - намагничивающая мощность; q_μ - удельная намагничивающая мощность (на 1 кг массы стали магнитопровода), зависящая от индукции в стержнях, ярмах и стыках; М_ст - масса стали магнитопровода.

Номинальная мощность трансформатора S_ном приблизительно пропорциональна четвертой степени линейных размеров трансформатора, масса стали сердечника М_ст - третьей степени этих размеров. Поэтому в геометрически подобных трансформаторах, имеющих одинаковые электромагнитные нагрузки (т. е. при q_μ = const), при уменьшении номинальной мощности отношение I₀/I_ном увеличивается. Применение повышенной частоты способствует значительному уменьшению намагничивающего тока и приближает условия работы трансформаторов малой мощности при холостом ходе к условиям работы силовых трансформаторов средней мощности.

Схема замещения и внешние характеристики. В трансформаторах малой мощности, работающих при частоте 50 Гц, потоки рассеяния относительно малы, и индуктивными сопротивлениями обмоток X₁ и Х'₂ в некоторых случаях можно пренебречь При этом схема замещения (рис. 2.37,a) содержит только активные сопротивления обмоток R₁ и R'₂.

Зависимость напряжения uка от номинальной мощности имеет вид

u_к.а = I_номR_к/U_1ном = I²_номR_к/U_1номI_ном) = ΔP_эл/S_ном.

Рис. 2.37. Схема замещения и внешние характеристики трансформаторов малой мощности

В геометрически подобных трансформаторах при уменьшении номинальной мощности S_номэлектрические потери в обмотках ΔР_эл уменьшаются медленнее, чем мощность S_ном, поэтому падение напряжения u_ка в трансформаторах малой мощности значительно больше, чем в мощных трансформаторах. Соответственно меньше и отношение I_к/I_ном.

При увеличении частоты ƒ номинальная мощность S_ном, которую может дать трансформатор заданных габаритных размеров, возрастает и отношение ΔP_эл/S_ном уменьшается, вследствие чего уменьшается и величина и_к.а. Поэтому увеличение частоты приближает условия работы трансформаторов малой мощности (соотношение между и_ка и u_кр) к условиям работы мощных трансформаторов.

В трансформаторах малой мощности u_ка >> u_кр, а следовательно, и активная нагрузка вызывает большее изменение напряжения, чем реактивная. При активно-индуктивной нагрузке чем меньше cos φ₂, тем выше располагаются внешние характеристики. При активно-емкостной нагрузке они располагаются выше, чем при активной (рис. 2.37,6) и активноиндуктивной.