Особенности трехфазных трансформаторов

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Выполнение лабораторных работ – один из основных этапов изучения курса «Электротехника». Они помогают лучше усвоить материал, развивают практические навыки, знакомят с аппаратурой и методами измерений, а также иллюстрируют теоретические положения курса.

Работа в лаборатории проводится бригадами из 2-3 человек. Переход студентов из одной бригады в другую в течение семестра без разрешения преподавателя не допускается.

В продолжение одного занятия каждый студент выполняет одну работу.

К лабораторной работе студенты должны готовиться заблаговременно, знакомясь с описанием работы и изучая соответствующие вопросы теории по рекомендуемой литературе, указанной в этом описании. Каждый студент должен иметь подготовительную часть отчета (см.приложение), в которую во время подготовки заносит название работы и таблицы измерений, заполняемые во время экспериментов.

Преподаватель проверяет готовность студентов к выполнению работы, наличие подготовительной части отчета.

Получив разрешение преподавателя, студенты приступают к монтажу цепей на рабочем месте согласно схеме. Собранная цепь проверяется всеми участниками работы, после чего предъявляется для проверки преподавателю.

Получив разрешение преподавателя, студенты включают напряжение и проводят наблюдения, необходимые по ходу выполнения работы. Результаты наблюдений заносятся в таблицы протокола.

Студенты, включившие цепь без разрешения преподавателя, лишаются права работы в лаборатории и могут быть допущены к работе лишь по специальному разрешению заведующего кафедрой. Студенты несут полную материальную ответственность за повреждение приборов, происшедшее по их вине.

 

 

При выполнении работы каждый студент обязан вести протокол. Ведение протоколов на отдельных листках не допускается.

После окончания экспериментальной части работы студенты, не разбирая цепи, производят необходимые расчеты и предъявляют протоколы преподавателю. Если результаты наблюдений вызывают сомнения, то наблюдения должны быть повторены. Только после подписи протокола преподавателем студенты разбирают цепь, ставят на место приборы и относят соединительные провода к месту их хранения.

На основании протоколов студенты производят обработку результатов наблюдений, выполняют расчеты, производят пост роение диаграмм, графиков и оформляют отчет по лабораторной работе.

На следующее занятие каждый студент должен представить отчет о проделанной работе. В противном случае он не допускается к работе. Отчеты составляются по прилагаемой форме на тетрадных листах чисто и аккуратно (см.приложение).

Защита отчетов производится в часы консультаций или в назначенный день, при этом студент обязан предъявить протокол проведения работы. Если в отчете обнаружены ошибки или студент не знает ответов на теоретические вопросы, связанных с лабораторной работой, отчет возвращается для доработки, а сама лабораторная работа должна быть защищена повторно в указанный преподавателем срок.

Студент, пропустивший лабораторное занятие, должен принести преподавателю разрешение декана на посещение занятий и выполнить эту работу во время, указанное преподавателем.

В лаборатории должна соблюдаться тишина.

Запрещается переносить приборы с одного места на другое без разрешения преподавателя или лаборанта.

 

Указания к проведению монтажа цепей

 

Монтаж цепи должен проводиться в полном соответствии со схемой, приведенной в описании лабораторной работы.

Сначала следует собрать последовательную часть цепи, затем подключить вольтметры, обмотки напряжения ваттметров.

Следует избегать подключения к одному из зажимов большого числа соединительных проводников, размещая их, если это возможно, на других зажимах.

У ваттметров при непосредственном их подключении в цепь соединение между генераторными зажимами следует осуществлять на зажимах самого прибора.

Правила техники безопасности

 

К проведению лабораторных работ допускаются только студенты, знающие правила техники безопасности. Инструктаж по технике безопасности проводит преподаватель, что фиксируется в кафедральном журнале по ТБ.

При монтаже цепей используются только изолированные провода. Студенту категорически запрещается включать напряжение без проверки собранной цепи преподавателем.

Устранение ошибок в цепи, а также все присоединения, необходимые по ходу работы, производятся только при отключении напряжения. Повторное включение напряжения после этих присоединений допускается только после разрешения преподавателя.

По окончании работы напряжение у рабочего места немедленно отключается.

Смена перегоревших предохранителей производится лаборантом.

 

Основы теории

Трансформаторы

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной, первичной, системы переменного тока в другую, вторичную, той же частоты, имеющую, в общем случае, другие характеристики, в частности, другое напряжение и другой ток.

Впервые трансформатор был изготовлен в 1876 г. русским электротехником П.Н.Яблочковым для согласования источника электрической энергии и её приёмника (созданной им же группы газоразрядных ламп) по напряжению.

Трансформатор состоит из сердечника, набранного из листовой трансформаторной стали, и двух или более обмоток, связанных между собой электромагнитно, а в автотрансформаторах – также и электрически.

Трансформатор, имеющий две обмотки, называется двухобмоточным, трансформатор с тремя или более обмотками – соответственно, трёхобмоточным или многообмоточным. Обмоткой многофазного трансформатора называют совокупность всех фазных обмоток одинакового напряжения, соединенных определенным образом между собой. Обмотка, к которой подводится энергия переменного тока, называется первичной; обмотка, от которой энергия отводится, называется вторичной. Обмотка, присоединенная к сети более высокого напряжения, называется обмоткой высшего напряжения; обмотка, присоединенная к сети меньшего напряжения, называется обмоткой низшего напряжения.

В соответствии с названиями обмоток все величины, относящиеся к первичной обмотке (напряжение, мощность, ток, сопротивление) тоже называются первичными, а относящиеся ко вторичной обмотке - вторичными. Если вторичное напряжение ниже первичного, трансформатор называется понижающим, а если выше – повышающим.

В зависимости от условий охлаждения трансформаторы бывают масляные (погружаются в масло) и сухие.

Номинальным режимом работы трансформатора называется режим, указанный на заводском щитке трансформатора  и характеризующийся номинальными значениями основных параметров.

Номинальной мощностью трансформатора называется мощность на зажимах вторичной обмотки, выраженная в вольт-амперах (ВА).

Номинальные первичное и вторичное напряжения указываются на щитке трансформатора. Номинальное вторичное напряжение представляет собой напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора при холостом ходе (без нагрузки) и при номинальном напряжении на зажимах первичной обмотки.

Номинальными токами трансформатора называются токи, вычисляемые по соответствующим значениям номинальной мощности и номинальных напряжений.

В настоящее время наибольшее применение получили следующие виды трансформаторов:

1. Силовые – для передачи и распределения энергии.

2. Автотрансформаторы – для преобразования напряжений в некоторых относительно широких пределах, для связи энергосистем различных напряжений, для пуска двигателей переменного тока и т.п.

3. Для питания устройств со статическими преобразователями при преобразовании переменного тока в постоянный и обратном преобразовании.

4. Испытательные – для производства испытаний под высоким и сверхвысоким напряжением.

5. Силовые специального назначения: сварочные, печные и т.п.

6. Измерительные – для измерения тока и напряжения при включении в схемы измерительных приборов.

7. Радиотрансформаторы (как правило, высокочастотные) – применяются в радиотехнике.

 

Если первичное напряжение U₁ меньше вторичного U₂ , трансформатор называется повышающим; если U₁ >U₂, он называется понижающим.

 

Для трансформатора отношения амплитудных, мгновенных и действующих значений первичной и вторичной ЭДС равны отношению количеств витков первичнойω₁ и вторичной ω₂ обмоток:

E_1m/ E_2m= e₁ /e₂ = E₁ / E₂= ω₁/ ω₂ = k₁₂,                        (1.1)

где k₁₂ - коэффициент трансформации.

Распределение мощности трансформатора во время работы отражается энергетической диаграммой  (рис. 1.1). Мощность Р₁подводится к первичной обмотке; в процессе работы трансформатора возникают потери мощности на нагревание проводников (меди) первичной обмотки Р_м1, потери в стали на гистерезис и вихревые токи Р_с и потери на нагревание меди вторичной обмотки Р_м2. Оставшаяся мощность  Р₂ передается во внешнюю цепь:

         Р₂ =Р₁₂ -Р_м2  = Р₁  - Р_м1 – Р_с – Р_м2.                                  (1.2)     

Принцип действия трансформатора рассмотрим на примере однофазного трансформатора, представляющего собой магнитопровод с двумя обмотками (рис.1.2). При подключении первичной обмотки к источнику синусоидального напряжения G (генератор) u = U_msin(ωt + φ_u) по обмотке течет ток i₁ = I_1msin(ωt + φ_i), создающий намагничивающую силу i₁ ω₁, под действием которой возникает магнитный поток:

                                  Ф = Ф_msin(ωt + φ_ф).

 

 

 

Рис.1.1

 

 

 

 

Рис.1.2

 

 

 По закону электромагнитной индукции во вторичной обмотке индуцируется ЭДС:

 

                                                                                                    (1.3)

 

Из формулы (1.3) следует, что ЭДС е₂ отстает от магнитного потока на угол 90^о, а Е_2m = w₂Фω.

Действующее значение ЭДС

где f – частота напряжения сети; Е₂ =

Аналогичная ЭДС , где ƒ- частота напряжения сети; Е₂=44,4ω₂Ф_mƒ. Аналогичная ЭДС Е₁=44,4ω₁Ф_mƒ возникает и в первичной цепи, так как магнитный поток пронизывает и витки первичной обмотки.

Как было отмечено выше, отношение Е₁ / Е₂определяет коэффициент трансформации k₁₂: если k₁₂> 1, т.е. Е₁>E₂, трансформатор называется понижающим; если k₁₂< 1, т.е. Е₁<E₂,трансформатор называется повышающим; если k₁₂ = 1, т.е. Е₁ = Е₂, трансформатор называется разделительным.

Трансформатор может работать в трех режимах: холостого хода (ХХ), когда вторичная обмотка разомкнута; короткого замыкания (КЗ), когда вторичная обмотка замкнута накоротко; рабочем, когда вторичная обмотка замкнута на нагрузку (R_н на рис.2.2).

Режим холостого хода.  В этом режиме работы трансформатора

I₂ = 0, U₂ = E₂, I₁₀ = U₁ / Z₁₀, Z₁₀ = R₁₀ +jX₁₀. ТокI₁₀составляет (3-10)% номинального тока I_1н трансформатора. Потери мощности в первичной обмотке при этом составляют не более 1% номинальной мощности, поэтому их принимают равными нулю, так же как и во вторичной обмотке, - Р₁₀ →0, Р₂ = 0. Потери мощности наблюдаются только в стали магнитопровода и связаны с перемагничиванием (гистерезисом) и вихревыми токами: Р₁₀=Р_ст=Р_r+Р_в.

Векторная диаграмма работы трансформатора в режиме ХХ (рис.1.3) строится на основании уравнения комплексного напряжения первичной обмотки:

U₁= -E₁ + I₁₀ (R₁ + jX₁).                                   (1.4)

На рисунке 1.3 I_10pи I_10а - реактивная и активная составляющие тока первичной обмотки; α – угол магнитного запаздывания.

Режим короткого замыкания. Это – аварийный режим работы трансформатора, так как при U₂ = 0  иZ_н  = 0 ток в первичной обмотке намного превышает номинальный ток – I_1ка >>I_1н.Этот режим работы используют только в качестве опыта для определения первичной и вторичной обмоток при U_1ка <<U_1н.

 

                                                                                            Рис. 1.3

 

Допустимое превышение напряжения КЗ первичной обмотки над номинальным задается в паспортных данных трансформатора и составляет (2-2,5)% для воздушных трансформаторов и 5% для масляных. Так как

т.е. потери в стали стремятся к нулю. Мощность при КЗ рассеивается только в меди обмоток трансформатора и идет на их нагрев:

 

Векторная диаграмма работы трансформатора в режиме КЗ (рис.1.4) строится в соответствии с уравнением:

 

(1.5)

 

 

 

 

Рис. 1.4

 

 

Номинальный режим. Этот режим работы трансформатора характеризуется зависимостями вторичного напряжения U₂ от тока во вторичной обмоткеI₂ и КПД трансформатора от коэффициента загрузки β. Зависимость U₂ (I₂) называется нагрузочной (внешней) характеристикой трансформатора (рис.1.5), а режимы емкостной (cosφ<1), активной  (cosφ=1) и индуктивной (cosφ<1) нагрузки обозначены, соответственно цифрами 1, 2 и 3.

 

 

                                                                                                       Рис.1.5

 

 

КПД трансформатора определяется отношением выходной Р₂ мощности ко входной Р₁:

 

 

где β = I₂ / I_2н– коэффициент загрузки трансформатора; S – полная мощность трансформатора.

Оптимальное значение коэффициента загрузки β = (Р_с/Р_мн)^0,5, где Р_мн – суммарные потери в меди при номинальной нагрузке, т.е. когда постоянные потери (потери в стали) равны переменным (потери в меди).

Для расчета мощности трансформатора в реальных условиях, когда мощность и нагрузка изменяются, используются  рабочие характеристики  (рис.1.6). Из графика видно, что максимальный КПД соответствует равенству Р_м = Р_с и некоторому (оптимальному или номинальному) значению коэффициента загрузки, составляющему приблизительно β_н=0,6.

 

  Рис.1.6

Кратко рассмотрим особенности некоторых классов трансформаторов.

 

Особенности трехфазных трансформаторов

 

     Для трехфазных трансформаторов, для каждой из фаз, полностью применимы формулы однофазного трансформатора. Это правило нарушается только при несимметричной нагрузке трехфазного трансформатора.

Трехфазный трансформатор представляет собой три однофазных трансформатора, имеющих общий магнитопровод и соединенных в звезду или в треугольник, что определяется конструкцией магнитопровода. Трехфазные трансформаторы характеризуются большей надежностью по сравнению с однофазными и обладают меньшими размерами при той же мощности.