Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 16
EMBED Word.Picture.8
EMBED Word.Picture.8
EMBED Word.Picture.8
EMBED Word.Picture.8
EMBED Word.Picture.8
EMBED Word.Picture.8
EMBED Word.Picture.8
Лекция № 10
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ ТРАСНФОРМАТОРОВ
Общие сведения
Специальных типов трансформаторов очень много. Сюда относятся: а) автотрансформаторы, б) трехобмоточные трансформаторы, в) трансформаторы большой мощности с регулированием напряжения под нагрузкой, г) индукционные регуляторы, выполняемые по типу асинхронных машин (см. вторую часть); д) измерительные трансформаторы, е) печные, ж) сварочные, з) для ртутных выпрямителей, и) испытательные и др.
Наряду с этим трансформаторы могут быть использованы для умножения частоты, изменения числа фаз, как реакторы для самых различных целей и т. д. В последнее время получили известное развитие передвижные трансформаторы, сухие трансформаторы сравнительно большой мощности, трансформаторы с негорючим маслом, с намотанным сердечником и т. д.
Здесь будут вкратце рассмотрены только наиболее распространенные из специальных типов трансформаторов.
10.2. Автотрансформаторы
Автотрансформатором называется такой трансформатор, у которого часть обмотки принадлежит одновременно первичной и вторичной системам.
Так же как обычные трансформаторы, автотрансформаторы могут быть понижающими и повышающими, однофазными и трехфазными.
На рис. 10.1, а и б показаны схемы понижающего автотрансформатора, на рис. 10.1, в – повышающего.
Рассмотрим работу однофазного понижающего автотрансформатора (рис. 10.1, а). Первичное напряжение подводится к зажимам первичной обмотки вторичной обмоткой служит часть первичной между зажимами и , причем зажим совмещен с зажимом ,
Режим холостого хода автотрансформатора ( = 0) ничем не отличается от соответствующего режима обычного трансформатора. Так как подводимое к автотрансформатору напряжение равномерно распределяется между витками первичной обмотки, то вторичное напряжение будет
где – коэффициент трансформации автотрансформатора.
Для повышающего автотрансформатора (рис. 10.1, в) имеем:
При коротком замыкании автотрансформатора из первичной сети течет ток а в проводе, замыкающем зажимы , течет ток .
Если бы обмотки и были электрически разобщены, как в обычном трансформаторе, то, пренебрегая намагничивающим током, мы имели бы:
или
В автотрансформаторе ток протекает только по части обмотки , а по общей части обмотки течет ток представляющий собой геометрическую сумму токов и . Следовательно,
Отсюда видно, что в понижающем автотрансформаторе ток течет по общей части обмотки в направлении, обратном току и согласно с током .
Сравним параметры короткого замыкания обычного трансформатора и автотрансформатора. Параметры последнего будем обозначать индексом а.
Потери в меди обычного трансформатора составляют В автотрансформаторе ток течет только на участке , активное сопротивление которого
Следовательно,
(10.1)
Часть обмотки играет роль вторичной обмотки с током составляющим часть тока обычного трансформатора. Допуская одну и ту же плотность тока, можно в таком же отношении изменить площадь сечения этой части обмотки, соответственно чему активное сопротивление этой части изменяется обратно пропорционально этому отношению. Тогда
(10.2)
Сопоставляя формулы (10.1) и (10.2), мы видим, что автотрансформатор можно рассматривать как обычный трансформатор с активными сопротивлениями первичной и вторичной обмоток, уменьшенными в раз, т. е.
Соответственно
(10.3)
В таком же отношении изменяется и масса меди обмоток автотрансформатора, т. е. , так как на участке обмотка автотрансформатора имеет по сравнению с обычным трансформатором то же сечение, но в раз меньшую длину, и на участке она имеет ту же длину, что вторичная обмотка трансформатора, но в раз меньшее сечение.
В отношении индуктивного сопротивления автотрансформатора можно сделать тот же вывод, что и в отношении его активного сопротивления, т. е.
Следовательно, напряжение короткого замыкания автотрансфор-матора составляет
(10.4)
Таким образом, по сравнению с обычным трансформатором все стороны треугольника короткого замыкания автотрансформатора в
раз меньше, а токи короткого замыкания соответственно больше.
Подводимая к автотрансформатору мощность передается во вторичную обмотку частью в форме электромагнитной мощности соответственно части обмотки , частью в форме электрической мощности соответственно части обмотки . Следовательно,
и
Работу автотрансформатора под нагрузкой можно получить при взаимном наложении режимов холостого хода и короткого замыкания.
Поэтому нагрузочная диаграмма автотрансформатора имеет тот же вид, что и обычного трансформатора, но соответственно меньшему напряжению короткого замыкания и меньшим потерям в меди изменение напряжения автотрансформатора меньше, а его КПД больше, чем у обычного трансформатора. Из формул (10.3) и (10.4) следует, что эта разница зависит от величины коэффициента . При =1 потери и масса были бы равны нулю, но в этом случае точка а совпала бы с точкой А и вся подводимая к автотрансформатору электроэнергия передавалась бы во вторичную сеть без трансформации. С другой стороны, при больших значениях разница между автотрансформатором и трансформатором сглаживается. При = 2 автотрансформатор становится менее выгодным, так как с увеличением потери в меди автотрансформатора возрастают и приближаются к потерям, имеющим место в трансформаторах. Кроме того, приемники, питаемые автотрансформатором, приходится защищать от перенапряжений, поскольку обмотки ВН и НН соединены между собой электрически. Поэтому обычно = 1,252.
Автотрансформаторы применяются для пуска синхронных и асинхронных двигателей, как делители напряжения в испытательных и лабораторных схемах, а также на линиях передачи высокого напряжения для связи систем с различными напряжениями, например 400 и 230 кВ, а также в распределительных сетях.
На рис. 10.2, а, б показаны прямая и обратная схемы трехфазного масляного пускового автотрансформатора. Согласно ГОСТ, пусковые автотрансформаторы должны иметь три ступени вторичного напряжения, а именно 0,55, 0,64 и 0,73 от первичного напряжения при прямой схеме 0,27, 0,36 и 0,45 от при обратной схеме. Напряжения 0,64 и 0,36 от 1/г на средней ступени принимаются за номинальные. Номинальным режимом нагрузки пускового автотрансформатора считается двухминутная нагрузка током, соответствующим номинальной мощности, обозначенной на щитке. Перегрев обмотки пускового автотрансформатора, определяемый по методу сопротивления, не должен превышать 135° С. Период охлаждения автотрансформатора, следующий за нагрузкой, составляет 4–6 ч.
Автотрансформаторы, применяемые на линиях передачи и в сетях, выполняются на высокие напряжения и большие мощности. Так, например, напряжение одной из находящихся в эксплуатации линий передачи в США было повышено со 150 до 220 кВ. В другом случае при расширении станции генератор на 11кВ был присоединен к сети на 22кВ через автотрансформатор мощностью 66667 кВ. КПД мощных автотрансформаторов достигает 99,7%.
Трехобмоточные трансформаторы
Широкое применение в энергетике нашли трехобмоточные трансформаторы (рис. 12.3), у которых имеется одна первичная и две вторичные обмотки. Такие трансформаторы используются на электрических станциях и подстанциях для питания распределительных сетей с различными номинальными напряжениями и позволяют достичь экономии в капитальных затратах за счет установки меньшего количества трансформаторов.
Будем считать, что обмотки 2 и 3 приведены к числу витков обмотки 1, для чего введены коэффициенты приведения, или трансформации:
(1)
Схема замещения трехобмоточного трансформатора, в отличие от Т схемы замещения двухобмоточного трансформатора будет иметь две вторичные цепи. У мощных трехобмоточных силовых трансформаторов намагничивающий ток мал и им можно пренебречь. Схема замещения таких трансформаторов показана на рис. 12.4. Из рисунка видно, что изменение нагрузки одной вторичной обмотки влияет на напряжение другой вторичной обмотки, так как при этом изменяется падение напряжения первичной обмотки
Векторные диаграммы трехобмоточного трансформатора можно составить на основе схемы замещения рис. 12.4, они имеют вид, показанный на рис. 12.5.
Параметры схемы замещения рис. 12.4 можно определить расчетным путем или из данных трех опытов короткого замыкания трехобмоточного трансформатора (рис. 12.6). По опытным значениям сопротивлений короткого замыкания можно найти
По аналогичным формулам через активные и индуктивные составляющие выражаются также .
Данные опыта короткого замыкания между обмотками 2 и 3 должны быть приведены к первичной обмотке с коэффициентом приведения
В опытах короткого замыкания определяются также напряжения короткого замыкания значения которых в относительных единицах равны соответствующим сопротивлениям короткого замыкания. Следует отметить, что индуктивное сопротивление рассеяния обмотки, расположенной между двумя другими, близко к нулю или имеет небольшое отрицательное значение, что формально эквивалентно емкостному сопротивлению.
Мощности обмоток трехобмоточного трансформатора
в случае, если обмотка 1 является первичной, находятся в соотношении
так как коэффициенты мощности и обычно различны,
токи и сдвинуты по фазе и поэтому
Практикуется изготовление трехобмоточных трансформаторов со следующими вариантами соотношений номинальных мощностей трёх обмоток:
1)100%, 100%, 100%;
2)100%, 100%, 67%;
3)100%, 67%, 100%;
4)100%, 67%, 67%.
Напряжения короткого замыкания определяются при токах, которые соответствуют номинальной мощности наиболее мощной (первичной) обмотки.
Трехфазные трансформаторы выполняются с группами соединений или , а однофазные с группой соединений 1/1/1-0-0.
Трехобмоточные трансформаторы с двумя первичными обмотками и одной вторичной (рис. 12.7.) изготовляются для установки на мощных электростанциях. При этом первичные обмотки имеют одинаковое номинальное напряжение и к ним присоединяется по одному мощному генератору, а вторичная обмотка, имеющая две параллельные ветви, соединяется через подстанцию с линиями передачи. Трансформаторы выполняются однофазными и соединяются в трехфазную группу.
При таком устройстве трансформатора облегчается изготовление первичных обмоток, имеющих большие токи, и в случае короткого замыкания на зажимах одного генератора между двумя генераторами действуют активные и индуктивные сопротивления двух первичных обмоток трансформатора, что приводит к уменьшению тока короткого замыкания.
Сварочные трансформаторы
Сварочные и печные трансформаторы. Для электрической дуговой сварки применяют трансформаторы со вторичным напряжением, обеспечивающим надежное зажигание и устойчивое горение дуги. Для ручной сварки используются трансформаторы с напряжением при холостом ходе 60-75 В и при номинальной нагрузке — 30 В. Для ограничения сварочного тока при коротком замыкании, а также для устойчивого горения дуги трансформатор должен иметь круто падающую внешнюю характеристику II2 =/ (7г)> а сварочная цепь — значительную индуктивность соз ф = 0,4-0,5. Для регулирования величины сварочного тока эта индуктивность должна быть регулируемой.
Широко используются сварочные трансформаторы с дополнительной регулируемой реактивной катушкой (рис. 18.9).
При уменьшении зазора 8 в магнитной цепи катушки (с помощью соответствующего механизма) ее индуктивность возрастает.
Однопостовые трансформаторы для ручной дуговой сварки изготовляются мощностью до 20 кВ • А, а для автоматической сварки — до 100 кВ • А и более. Для контактной электросварки выпускаются трансформаторы мощностью до 1000 кВ -А при напряжении холостого хода до 36 В.
Для дуговых сталеплавильных печей применяются трехфазные трансформаторы мощностью до 25 000 кВ • А со ступенчатым регулированием вторичного напряжения в пределах 110 – 420 В. Напряжение регулируется комбинированием следующих приемов:
переключением первичной обмотки со «звезды» на «треугольник»;
устройством отводов в первичной обмотке;
переключением отдельных групп вторичных витков с параллельного соединения на последовательное.
Выпрямительные трансформаторы. Условия работы трансформаторов, питающих ионные и полупроводниковые выпрямители, имеют ряд существенных особенностей, которые должны быть приняты во внимание при их проектировании и эксплуатации.
В выпрямительных установках отдельные вентили и фазы вторичной обмотки трансформатора работают поочередно. Поэтому в каждый момент времени трансформатор нагружен несимметрично, и необходимо выбрать такую схему соединения обмоток, которая обеспечивает нормальные условия намагничивания сердечника трансформатора и равновесие МДС на каждом стержне. Из-за того что отдельные фазы работают поочередно, вторичные и первичные токи трансформатора несинусоидальны и содержат ряд высших гармоник. В общем случае гармонический состав первичных и вторичных токов различается, и поэтому полные мощности т III обмоток также различны.
Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения и тока, а также для уменьшения гармоник тока в первичной обмотке целесообразно увеличивать число фаз вторичной обмотки трансформатора.
В ионных многоанодных вентилях возможны так называемые обратные зажигания, когда дуги возникают между отдельными анодами, что эквивалентно короткому замыканию. При этом возможны нарушения равновесия МДС первичных и вторичных обмоток, что приводит к возникновению весьма значительных электромагнитных сил, действующих на обмотки. Поэтому крепление обмоток выпрямительных трансформаторов должно быть особенно надежным.
Для мощных промышленных установок чаще всего применяются трансформаторы с шестифазной вторичной обмоткой (рис. 18.10) и с уравнительной реактивной катушкой между нейтралями «прямой» и «обратной» трехфазных групп вторичной обмотки. Назначение этой катушки заключается в том, что она в каждый момент времени обеспечивает параллельную работу двух вентилей и двух «соседних» фаз вторичной обмотки, имеющих сдвиг ЭДС 60°.
Этим достигается лучшее использование трансформатора. Такой режим работы обеспечивается тем, что ЭДС, индуцируемые в двух половинках катушки, выравнивают напряжения в цепях одновременно работающих двух фаз.
Трёхфазные автотрансформаторы
Соединение звездой. Это наиболее экономичное и поэтому наиболее часто используемое соединение. Оно позволяет вывести нейтраль системы, что часто является желательным.
На каждом стержне сердечника автотрансформатора размещаются последовательная и общая обмотки одной фазы.
Соотношения между токами и напряжениями в обмотках и линиях здесь аналогичны однофазному автотрансформатору. Ток в последовательной обмотке (рис. 3-8)
где – трехфазная проходная мощность автотрансформатора.
Напряжение последовательной обмотки
Ток в общей обмотке
Напряжение общей обмотки
Коэффициент сотрансформации определяется так же, как
и для однофазного автотрансформатора:
где
Наиболее важные свойства автотрансформаторов с соединенными звездой обмотками, связанные с проблемами регулирования напряжения под нагрузкой, несимметричной работой, третьими гармоническими и вопросами перенапряжений, рассмотрены ниже.
Соединение звездой с третичной обмоткой, соединенной треугольником. Автотрансформатор, соединенный звездой часто снабжается третичной обмоткой, соединенной треугольником (рис. 3-9). Эта обмотка не имеет контактной связи с другими обмотками и связана с ними трансформаторным образом. Третичная обмотка может использоваться и качестве нагрузочной, при этом ее мощность делается равной типовой (электромагнитной) мощности автотрансформатора. В некоторых случаях третичная обмотка предназначается не для несения нагрузки, а лишь для стабилизации нейтрали и компенсации третьих гармоник фазных напряжений. В этих случаях ее мощность равна 25 – 30% типовой.
Соединение треугольником. Соединение треугольником. Схема соединений показана на рис. 3-11, а. Обмотки А—а и а—В являются обмотками одной фазы, намотанными на одном стержне. Будем называть их соответственно общей (индекс ) и последовательной (индекс ).
Соотношение между электромагнитной (трансформаторной) и проходной мощностью автотрансформатора характеризуется коэффициентом сотрансформации
=,
где – коэффициентом сотрансформации при соединении звездой
коэффициент Так как , то
Мы видим, что коэффициент при соединении треугольником больше, чем при соединении звездой, т. е. соединение треугольником менее выгодно. Это обусловлено тем, что при соединении треугольником первичное и вторичное линейные напряжения смещены по фазе, в то время как при соединении звездой они совпадают. Вывод имеет общий характер: автотрансформатор при прочих равных условиях тем выгоднее, чем меньше сдвиг по фазе между первичным и вторичным линейными напряжениями. В этом отношении соединение звездой является идеальным, а соединение треугольником наихудшим. По указанным причинам соединение треугольником применяется редко, только когда хотят получить автотрансформатор со специальными характеристиками.
Соединение открытым треугольником.
Аналогично тому, как два однофазных трансформатора соединяются открытым треугольником, могут быть соединены и два однофазных автотрансформатора (рис. 3-12). Соотношения между линейными токами и напряжениями и соответственно токами и напряжениями обмоток автотрансформатора здесь такие же, как при соединении звездой. Ток в последовательной обмотке равен линейному току высшего напряжения, и напряжение последовательной обмотки Ток в общей обмотке равен алгебраической разности вторичного и первичного линейных токов, , а напряжение . Однако коэффициент здесь больше, чем при соединении звездой из-за того, что при соединении открытым треугольником проходная мощность меньше суммы номинальных мощностей двух однофазных единиц. Действительно, проходная мощность
суммарная мощность однофазных единиц
и электромагнитная мощность
Поэтому коэффициент сотрансформации
=.
Если бы проходная мощность была равна суммарной мощности двух однофазных единиц, коэффициент а был бы таким же, как при соединении звездой.
Соединение автотрансформаторов открытым треугольником имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что нейтрали цепей высшего и низшего напряжения смещены на (рис. 3-12). Если нейтрали заземлены, это вызывает протекание уравнительного тока, путь которого указан пунктиром
на рис. 3-13. Такой ток может быть очень значительным при большом значении и малом сопротивлении и будет вредно влиять на линии связи. При изолированных нейтралях этот ток будет существовать, но будет ограничен емкостными сопротивлениями цепей высшего и низшего напряжения.
Соединение треугольником с продолженными сторонами. Схема соединений показана на рис. 3-14. На каждом стержне наматывается общая обмотка, например а – b, и последовательная обмотка, например А –. Ток в последовательной обмотке равен первичному линейному току, а ток в общей обмотке
Напряжение последовательной обмотки можно найти из диаграммы напряжений (рис. 3-14, б):
Откуда
Так как электромагнитная мощность здесь , а проходная , то коэффициент сотрансформации
Соединение обмоток автотрансформатора по схеме треугольник с продолженными сторонами является значительно более выгодным, чем соединение
треугольником, и лишь незначительно менее выгодным, чем соединение звездой. Наряду с этим схема треугольника с продолженными сторонами обладает всеми достоинствами соединения в треугольник в отношении третьих гармоник при намагничивании сердечника и в отношении перенапряжений при заземлениях на линиях (см. ниже). Поэтому рассматриваемая схема может быть рекомендована для более широкого применения, чем в настоящее время.
зона займет -ю часть высоты последовательной обмотки, так как последняя составляет лишь -ю часть всей обмотки высшего напряжения.
Если, например, = 0,3 и = ±10%, то в трансформаторе регулировочная зона займет 20% высоты обмотки, а в автотрансформаторе – 66,7%. В связи с этим в автотрансформаторе будет большая неравномерность в распределении МДС по высоте обмоток и связанные с этим значительно большие осевые усилия, действующие на обмотки автотрансформатора при коротком замыкании.
б)
Регулирование напряжения под нагрузкой путем изменения коэффициента трансформации или путем присоединения вольтодобавочного агрегата часто осуществляется в нейтрали трансформатора. Соответствующее регулирование в автотрансформаторе показано на рис. 3-27. Эти схемы приводят к связанному регулированию, называемому так из-за того, что при регулировании числа витков или ЭДС на стороне высшего напряжения происходит изменение числа витков или ЭДС на стороне низшего напряжения.
Рассмотрим этот вопрос более подробно на примере регулирования коэффициента трансформации. Чтобы получить постоянное вторичное напряжение трансформатора при колебании первичного напряжения, число витков первичной обмотки регулируют так, чтобы поддержать неизменной ЭДС на виток, т. е. поддержать неизменной индукцию в сердечнике. Если, например, высшее напряжение возрастает, то увеличивают число витков обмотки высшего напряжения.
В автотрансформаторе (рис. 3-27, а) при возрастании высшего напряжения необходимо уменьшить число витков, чтобы поддержать постоянным вторичное напряжение. Это ведет к увеличению ЭДС на виток, т. е. к увеличению насыщения сердечника. Так как вторичное напряжение до и после регулировки должно остаться неизменным, то имеем
где – число витков на основной ступени первичной стороны автотрансформатора; – изменение первичного напряжения; – изменение числа витков за счет регулирования. Отсюда
где и
Знак минус в формуле (3-39) показывает, что число витков должно быть уменьшено при возрастании первичного напряжения и наоборот.
Рассмотрим теперь, как изменится насыщение сердечника при регулировании. О величине индукции в сердечнике можно судить по величине ЭДС на виток. До регулирования эта ЭДС равна , а после изменения первичного напряжения и регулирования она становится . Поэтому изменение ЭДС на виток
При работе на основной ступени при номинальном напряжении ЭДС на виток , поэтому относительное изменение индукции
Подставляя сюда выражение из (3-39), получим
Таким образом, при связанном регулировании автотрансформатора колебание индукции в сердечнике тем больше, чем меньше коэффициент , т. е. в наиболее выгодных автотрансформаторах.
Пример. Определить, в каких пределах нужно регулировать число витков автотрансформатора и как при этом изменится индукция в сердечнике, если
1/k=0,715 (
Коэффициент сотрансформации
= 1– = 1 — 0,715 = 0,285.
Относительное изменение числа витков
Относительное изменение индукции
Если расчетная индукция в стержнях автотрансформатора принята равной 1,7 тл, то при регулировании она достигнет величины 2,3 тл, что, конечно, недопустимо. Чтобы избежать перенасыщения сердечника, приходится снижать расчетную индукцию, т. е. идти на большой расход стали.
Силовые автотрансформаторы, обмотки которых соединены звездой, часто снабжаются третичной обмоткой, соединенной в треугольник. В случае связанного регулирования и колебаний индукции в сердечнике напряжение на этой обмотке будет колебаться, что при подключении к обмотке нагрузки, например синхронного компенсатора, крайне нежелательно.
Избежать связанного регулирования можно размещением регулировочной зоны в последовательной обмотке или включением вольтодобавочного агрегата в линейный конец обмотки высшего или среднего напряжения в случае трехобмоточного автотрансформатора. Это приводит к необходимости изолировать регулировочную аппаратуру на более высокое напряжение, что связано с техническими и экономическими трудностями.
В случае применения схемы регулирования с вольтодобавочным агрегатом, включенным в линейный конец, появляется еще одна трудность, связанная с тем, что при коротком замыкании между главным автотрансформатором и последовательной обмоткой вольтодобавочного агрегата токи короткого замыкания и механические усилия в этой обмотке оказываются чрезмерно большими.