Режим нагрузки трансформатора

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

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

Для оценки диапазона изменения напряжения  вводится величина , представляющая собой арифметическую разность между вторичным напряжением трансформатора при холостом ходе () и при номинальной нагрузке (). Напряжение первичной обмотки принимается постоянным и равным номинальному . .                       (18) Для расчета  примем допущение , тогда, используя  упрощенную схему замещения (рис.15), получим .                              (19) Уравнению (19) соответствует векторная диаграмма, представленная на рис. 16. Из векторной диаграммы следует, что

.

Подставляя приближенное выражение для  в уравнение (18), получим . Отрезок  можно выразить через составляющие напряжения короткого замыкания:

,

где . Учитывая, что , , получим для  простое выражение . На рис. 17 представлена зависимость  при . Максимальное снижение напряжения имеет место при , а при  напряжение  не зависит от нагрузки.

13

 Схема замещения трансформатора. Для упрощения анализа электромагнитных процессов в трансформаторе вводится схема замещения, в которой магнитная связь заменяется электрической и коэффициент трансформации    n

  Коэффициент трансформации  является и коэффициентом приведения вторичной цепи к первичной. На рисунке показана схема замещения трансформатора:

где введены такие обозначения:

R₀ – учитывает потери в магнитопроводе (на вихревые токи и на гистерезис);

X₀ – учитывает намагниченность материала сердечника и зависит от марки материала (в идеальном трансформаторе Z₀   );

R_1, R₂ – учитывают потери на нагрев обмоток первичной и вторичной цепей;

X_S1, X_S2 – индуктивности рассеяния основного потока в обмотках первичной и вторичной цепей;

Для получения соотношения между реальными и приведенными параметрами, воспользуемся равенством полных мощностей, активных мощностей и углов потерь: ,,.

1      .

       3      

       Запишем систему уравнений для схемы замещения:

В опыте холостого хода схема замещения трансформатора принимает вид:

Так как параметры продольного плеча значительно меньше, чем параметры поперечного плеча схемы замещения и ток “холостого” хода значительно меньше номинального тока первичной цепи, то в схеме замещения трансформатора на “холостом” ходу пренебрегаем параметрами X_S1 и R_1.

Опыт “короткого” замыкания проводится при пониженном напряжения питания, так как ток в обмотках трансформатора может превысить номинальные значения при повышении напряжения.Необходимо плавно увеличивать напряжение на выходе ЛАТРа до достижения номинальных токов в цепях. Измеряемыми параметрами являются: номинальные токи в цепях I_К1, I_K2 , напряжение короткого замыкания первичной цепи (U_К1) и потери в обмотках. При измерении коэффициента мощности потери определяются из выражения:

Схема замещения трансформатора в опыте “короткого” замыкания приводится в виде:

Под внешней характеристикой понимается зависимость выходного напряжения от тока нагрузки с учетом его характера (активная - R, активно-  емкостная –

RC, активно – индуктивная - RL). Схема замещения трансформатора принимает вид:

 

По второму закону Кирхгофа запишем уравнение для схемы замещения трансформатора:

U₂ = U₁ - I Z_k = U₁ – I (jX_k + R_k).

 

Из векторной диаграммы видно, что при активной и индуктивной нагрузках происходит уменьшение напряжения во вторичной цепи трансформатора с увеличением тока I. Если нагрузка имеет емкостный характер, то напряжение увеличивается. При проектировании трансформатора необходимо учитывать характер нагрузки. Например, индуктивная  нагрузка требует увеличивать количество витков во вторичной цепи с учетом понижения напряжения при работе под нагрузкой. Конденсаторы используются для компенсации реактивной составляющей в трансформаторах, они включаются в трехфазных трансформаторах параллельно в каждой фазе или между фазами, 

 

14

Группы соединений трансформаторов характеризуются угловым смещением векторов э. д. с. в обмотках ВН, СН и НН. Смещение этих векторов определяется схемой соединения обмоток и направлением намотки обмоток. Обмотки ВН, СН и НН трансформатора могут быть соединены в различные схемы. Соединяя обмотки ВН, СН и НН одним из этих способов и изменяя направление их намотки, можно получать различные группы соединения обмоток. Ранее было указано, что для силовых трехфазных трансформаторов применяются соединения обмоток в звезду и треугольник. При различных соединениях обмоток в звезду и треугольник можно получить 12 различных углов сдвига фаз линейных э. д. с. от 0 до 330° через каждые 30°, т. е. получить 12 различных групп. Удобно для определения угла сдвига фаз пользоваться часовым обозначением, которое принято ГОСТ. Часовое обозначение векторов э. д. с. заключается в следующем: вектор линейной э. д. с. обмотки ВН изображается па часовом циферблате минутной стрелкой и всегда устанавливается на 12   а вектор линейной э. д. с. обмотки СН (трехобмоточного трансформатора) или НН изображается часовой стрелкой и укажет группу в часовом обозначении. Так, сдвиг фаз 0 или 360° соответствует Схемы и группы соединения обмоток трансформаторов условно обозначаются в виде дроби, где в числителе пишется буква, указывающая на соединение обмотки ВН, а в знаменателе — буква, определяющая соединение обмотки НН для двухобмоточного, а для трехобмоточного трансформатора — буквы, указывающие на соединение обмоток СН и НН (например, Y0/Y0/A). Рядом с дробью через тире пишется одно или два числа, характеризующих угол сдвига фаз линейных э. д. с. Для двухобмоточного трансформатора пишется одно число, а для трехобмоточного — два. Для трехобмоточных трансформаторов первое число указывает на группу между обмотками ВН и СН, а второе — между обмотками ВН и НН. Обозначение Y/Yo-12 указывает, что обмотка ВН соединена в звезду, обмотка НН — в звезду с выведенной нулевой точкой и что группа соединений 12 или 0; Y/Д-И—обмотка ВН соединена в звезду, а обмотка НН в треугольник и группа соединений И; Y0/Y0/A-12-l 1 указывает на следующее соединение обмоток: ВН и СН соединены каждая в звезду с выведенной нулевой точкой, НН — в треугольник. Группы соединений: ВН — СН-12, СН —НН-11, ВН —НН-П. Однофазные двухобмоточные трансформаторы могут иметь только две группы соединения обмоток— 12 и 6, т. е. сдвиг фаз между э. д. с. может быть только 360 или 180°, и группу соединений условно обозначают 1/1-12 и 1/1-6. Рассмотрим двухобмоточный трехфазный трансформатор, обмотки ВН и НН которого соединены в звезду (рис. 1,а). Обмотки намотаны в одном направлении, обе нулевые точки расположены внизу.Рис 1. Соединение обмоток трансформатора по схеме Y/Y-12. а — схема соединений обмоток ВН и НН; б—векторная диаграмма линейных э. д. с обмотки ВН; в — векторная диаграмма линейных э д. с. обмотки НН; г — векторная диаграмма линейных э. д. с. обмотки НН для случая, если обмотки ВН и НН имеют разные направления намотки; д — совмещенные векторные диаграммы; е — угол сдвига фаз линейных э д с. обмоток ВН и НН в часовом обозначении. Требуется определить группу соединений трансформатора. Для этого надо построить векторные диаграммы линейных э. д. с. обмоток. Начнем построение векторной диаграммы с обмотки ВН. Векторная диаграмма для соединения в звезду обмотки ВН дана на рис. 1,6. Звезда при таком изображении имеет вектор BY, направленный по вертикали, а два других расположены под углом 30° к горизонтали или под углом 120° к вертикали. Так же строится векторная диаграмма обмотки НН. Так как обмотки ВН и НН каждой фазы расположены на одном стержне, то их векторы должны быть параллельны. Проводим вектор э. д. с. обмотки НН ах (рис. 1,в) параллельно вектору АХ (рис. 1,6). Из схемы рис. 1,а видно, что концы х, у и z электрически соединены и образуют нулевую точку, а потому проводим из этой точки л: вектор by параллельно вектору BY и вектор cz параллельно вектору CZ (рис. 1,в). Таким образом мы получаем векторные диаграммы обмоток ВН и НН. Разобранный пример относится к трансформаторам, у которых обмотки ВН и НН имеют одинаковые направления намотки, т. е. все левые или все правые. Если обмотки ВН выполнены левыми, а обмотки НН — правыми, векторные диаграммы будут иметь другой вид. Мы условились построение диаграммы начинать с обмотки ВН, а диаграмму обмотки НН строить по отношению к ней. Таким образом, диаграмму соединения обмотки ВН всегда можно располагать произвольно. Сохраним ее прежнее расположение согласно рис. 1,6. Вектор обмоток НН расположится следующим образом: вектор ах (рис. 1,г) —параллельно вектору АХ, но повернут относительно него на 180°, т. е. пойдет в противоположную сторону. Из схемы соединения обмотки видно, что конец х фазы а соединен с концом у фазы 6, а поэтому из точки х проводим вектор by в направлении, обратном вектору BY. В результате получаем векторную диаграмму (рис. 1,г). Подобная же векторная диаграмма может быть получена пересоединением прежней (левой) обмотки НН. Для этого надо соединять вместе не концы обмоток, как это было сделано прежде, а начала, т. е. соединить в звезду a, b и с. Далее необходимо определить угол между соответствующими векторами (рис. 1,а, когда обе обмотки левые). Для этого наложим векторную диаграмму обмотки НН точкой а на точку А диаграммы ВН. Совмещение диаграмм показано на рис. 1,д. При таком наложении векторы линейных э. д. с. АВ и ab совпадают и угол между ними будет 0 или 360°. В нашем примере часовая и минутная стрелки находятся на 12 (рис. 1,е), а следовательно, группа соединения обмоток будет 12, т. е. Y/Y-12. Разберем другой пример соединения обмоток трансформатора и определим, какой группе он соответствует. Дай трансформатор, обмотка ВН которого соединена в треугольник, а НН — в звезду согласно рис. 2,а. Обе обмотки выполнены левыми. Соединение обмотки обозначится Д/Y. Для определения группы необходимо построить векторные диаграммы обеих обмоток, совместить их и по часам определить смещение векторов линейных э. д. с. Векторную диаграмму начинаем строить с обмотки ВН, соединенной в треугольник. Согласно принятому обозначению левая его вершина обозначается буквой А (рис. 2,6), а следующие вершины — в порядке алфавита по направлению движения часовой стрелки. На схеме конец обмотки X фазы А соединен с началом В средней фазы, У соединен с С, a Z — с А; соответственно этому на диаграмме проставим буквы X, Y и Z, которые определяют расположение векторов и их направление. Векторная диаграмма обмотки НН строится так же, как и в предыдущем примере. Необходимо напомнить, что векторы э. д. с. обмоток одной и той же фазы будут параллельны и направлены в одну сторону. Векторная диаграмма обмотки НН представлена на рис. 2,е. Совместим обе векторные диаграммы в точках А и а (рис. 2,г) и определим угловое смещение между линейными э. д. с. соответствующих фаз. В часовом обозначении (рис. 2,(3) угловое смещение будет 11 ч, а так как 1 ч соответствует 30°, то угловое смещение в градусах будет 11-30 = 330°. Определяемая группа будет A/Y-11.Рис. 2. Соединение обмоток трансформатора по схеме D/Y-11. а — схема соединений обмоток ВН и НН; б — векторная диаграмма линейных э. д. с. обмотки ВН; в — векторная диаграмма линейных э. д. с. обмотки НН; г — совмещенные векторные диаграммы; д — угол сдвига фаз линейных э. д. с. обмоток ВН и НН в часовом обозначении. Согласно ГОСТ 401-41 на силовые трансформаторы, действовавшего в течение почти 25 лет, соединение в зигзаг— звезду предусмотрено не было и трансформаторы по этой схеме отечественными заводами не производились.  Построение векторной диаграммы зигзаг начнем с нижней его части, соединенной в звезду (рис. 3,в). Так как в нулевую точку звезды соединены верхние концы нижних полукатушек, то звезда будет повернута к обмотке ВН на 180°. Из схемы соединения обмотки НН (рис. И,а) видно, что точка а' электрически соединена с точкой z', следовательно, на векторной диаграмме совместим точки а! и z' (рис. 3,г) и проведем вектор z'c параллельный вектору ZC. Далее поступаем аналогичным образом и с двумя другими фазами (b и а). Полученная диаграмма (рис. 3,г) представляет векторную диаграмму НН. Совмещая обе диаграммы в точках А и а (рис. 3,(9) и пользуясь правилом часов, мы видим, что вектор аb (часовая стрелка) указывает 11 (рис. 3,е); следовательно, группа соединений будет Y/Z-11. Проверив построение геометрически, мы увидим, что угол равен 330°. В Чехии и в ряде других стран получила широкое распространение группа соединений Y/Z. Это относится главным образом к трансформаторам малой мощности 5—50 кВА, в тех случаях, когда это бывает экономически и технически выгодно. При одинаковых весах и размерах трансформаторы со схемой соединений обмоток Y/Z по сравнению с трансформаторами соединенными по схеме Y/Y имеют одинаковые потери холостого хода, а нагрузочные потери приблизительно на 10% и напряжение короткого замыкания на 5% больше. В Чешских  нормах для распределительных трансформаторов мощностью до 315 кВА и с напряжением короткого замыкания 4,2% принято соединение Y/Z, а для трансформаторов мощностью выше 400 кВА только Y/Y при напряжении короткого замыкания 6%. Различные значения напряжений короткого замыкания у трансформаторов до 315 кВА и выше 400 кВА даже при одинаковых группах соединений затрудняли параллельную работу трансформаторов между собою. Определим группу трансформатора, соединенного по схеме рис. 4,а. Обмотка ВН выполнена левой, а НН— правой. Векторная диаграмма обмоток ВН (рис. 4,6) строится как и прежде. В результате построения диаграммы обмоток НН получим диаграмму рис. 4,е. Совместим обе векторные диаграммы (рис. 4,г), как это делали ранее. Расположение векторов АВ и ab на часовом циферблате показано на рис. 4,(3. Часовая стрелка указывает 6 ч, следовательно, группа соединений будет Y/Y-6.Рис. 4. Соединение обмоток трансформатора по схеме Y/Y-6. а — схема соединений обмоток ВН и НН; б — векторная диаграмма линейных э. д. с. обмотки ВН; в — векторная диаграмма линейных э д. с. обмотки 1111; г — совмещенные векторные диаграммы группы Y/Y-6; д — угол сдвига фаз линейных э. д. с группы Y/Y-6 в часовом обозначении. Определим группу трансформатора, соединенного по схеме рис. 5,а. Обмотка ВН — левая, а НН — правая. Векторная диаграмма обмотки ВН представлена на рис. 5,6. Строим векторную диаграмму обмотки НН, для чего проводим вектор ах в направлении, обратном вектору АХ. Из схемы соединения обмоток НН (рис. 5,а) видно, что конец х соединен с концом г/, а потому из точки ху проводим вектор yb в направлении, обратном вектору YB. Из точки ху проводим вектор zc в направлении, обратном ZC; в результате получим диаграмму рис. 5,е. Совмещая обе векторные диаграммы (рис. 5,г), получим расположение векторов в часовом обозначении, показанное на рис. 5. Часовая стрелка указывает 5 ч. Следовательно, группа соединений обмоток трансформатора A/Y-5. Эту группу соединений мы могли бы получить в трансформаторе с обмотками ВН и НН одного направления, производя соединения обратно принятому обозначению, т. е. вместо начала соединять конец, а вместо конца — начало и т. д. ГОСТ 401-41 на силовые масляные трансформаторы устанавливает следующие схемы и группы соединения обмоток ВН, СН и НН. Приводимые ниже табл. 5-1—5-4 дают схемы и группы соединения, принятые ГОСТ 401-41 для силовых масляных трансформаторов.Рис. 5. Соединение обмоток трансформатора по схеме A/Y-5. а — схема соединений обмоток ВН и НН, б —векторная диаграмма линейных э. д. с. обмотки ВН; в — векторная диаграмма линейных э. д с. обмотки НН; г — совмещенные векторные диаграммы группы A/Y-5; д — угол сдвига фаз линейных э. д. с. с группы A/Y-5 в часовом обозначении. Выведенная нулевая точка при соединении обмоток в звезду обозначается на векторной диаграмме кружком в месте соединения фаз. Все схемы соединения обмоток показаны со стороны вводов обмотки ВН. Взамен ГОСТ 401-41 в части общих требований новым ГОСТ «трансформаторы (и автотрансформаторы) силовые. В общие технические требования» вносятся некоторые изменения в схемы соединения обмоток трансформаторов и в обозначения их групп. Согласно ГОСТ 11677-65 силовые трансформаторы должны выполняться со схемами и группами соединения обмоток высшего напряжения (ВН), среднего напряжения (СН) и низшего напряжения (НН) в строгом соответствии с данными табл. 5—7.   Рассмотрим данные табл. 5—7. Как и ранее все схемы соединений обмоток показаны со стороны вводов обмотки ВН. Таблица 1 Трехфазные двухобмоточные трансформаторыТ а б л и ц а 2 Однофазные двухобмоточные трансформаторы, предназначенные для включения в трехфазную группуВ табл. 5 даны схемы и группы соединения обмоток трехфазных двухобмоточных трансформаторов. Как видно из табл. 5, угловое смещение векторов э. д. с. соответствующих обмоток, равное нулю, обозначается не цифрой 12, как это было принято ранее согласно ГОСТ 401-41, а через 0. Другие угловые смещения векторов обозначаются так же, как и ранее. Если сравнить между собою данные табл. 1 (ГОСТ 401-41) и 5 Таблица 3 Трехфазные трехобмоточные трансформаторы(ГОСТ 11677-65), то видно, что новый стандарт допускает дополнительно к старому стандарту применение новых двух схем, а именно: Y/Zo-11 и D/Yo-ll. Схема Y/Zo-11, как было указано ранее, применяется для трехфазных, двухобмоточных распределительных трансформаторов мощностью от 25 до 250 кВА, когда напряжение НН равно 400 в, а напряжение ВН — различное в зависимости от мощности трансформатора и способа регулирования этого напряжения [ПБВ (переключение без возбуждения) или РПН (регулирование под нагрузкой)]. Так, для мощностей 160 и 250 кВА с РПН напряжение обмотки ВН может быть 6, 10, 20 и 35 кВ.   Та блица 4 Однофазные трехобмоточные трансформаторы, предназначенные для включения в трехфазную группу Схемы и Группы соединения обмоток трехфазных двухобмоточных трансформаторов Таблица 6 Схемы и группы соединения обмоток однофазных двухобмоточных трансформаторовТакие же напряжения ВН могут быть и у трансформаторов мощностью 100 кВА с ПБВ. Трансформаторы меньших мощностей, например 63 кВА с ПБВ, могут иметь одно из трех напряжений ВН: 6, 10 или 20 кВ, 40 кВА— 10 кВ и 25 кВА только одно напряжение ВН, равное 6 кВ. Схема Д/Y-ll будет применяться согласно новому стандарту для трехфазных, двухобмоточных трансформаторов мощностью 400 и 630 кВА как с ПБВ, так и с РПН для сочетания напряжений 6/0,69 и 10/0,69 кВ. Схема A/Yo-11 будет введена в будущем для трехфазных, двухобмоточных трансформаторов типа ТМ с ПБВ мощностью 1 000 и 1 600 кВА при сочетании напряжений 6/0,4; 6/0,69 и 20/0,4 кВ и для мощности 2 500 кВА на 20/0,69 кВ. Для трансформаторов типа ТМН с РПН схема Л/Yo-ll будет применяться для мощностей 1 000, 1 600 и 2 500 кВА при сочетании напряжений 6/0,4; 6/0,69; 10/0,4; 10/0,69; 20/0,69 и для мощностей 1 000 и 1 600 кВА также при напряжениях 20/0,4 кВ. Таблица 10 Схемы и группы соединения обмоток трехфазных трехобмоточных трансформаторовТаблицы 6 и 7 соответствуют табл. 2 и 3 ГОСТ 401-41 с той разницей, что угловое смещение векторов э. д. с. в 360 или 0° предлагается обозначать через 0, а не 12, как это было принято ранее. Кроме этого, новый стандарт не рекомендует применение однофазных трехобмоточных трансформаторов, предназначенных для образования трехфазных групп. Учитывая, что трехфазные группы предназначаются для больших мощностей порядка несколько сотен мегавольт-ампер, для этих целей в соответствии с новым ГОСТ возможно применение однофазных трехобмоточных автотрансформаторов, которые в определенных условиях экономически более выгодны, чем трансформаторы.

 15

Параллельной работой двух или нескольких трансформаторов называется работа при параллельном соединении не менее чем двух основных обмоток одного из них с таким же числом основных обмоток другого трансформатора (других трансформаторов).

В целях правильного распределения нагрузки между параллельно работающими трансформаторами пропорционально их номинальным мощностям параллельная работа двухобмоточных трансформаторов рекомендуется для случаев: - равенства номинальных первичных и вторичных напряжений (допускается разность коэффициентов трансформации не более ± 0,5 %); - тождественности групп соединения обмоток; - равенства напряжений КЗ (допускается отклонение не более чем на ± 10 % средней величины).

При несоблюдении первого и второго условий в обмотках трансформаторов возникают уравнительные токи, которые в отдельных случаях, особенно при несовпадении групп, могут достигнуть и даже превысить значения тока КЗ. Несоблюдение третьего условия приводит к тому, что общая нагрузка распределяется между трансформаторами непропорционально их поминальным мощностям. Рекомендуется, чтобы отношение номинальных мощностей параллельно работающих трансформаторов не превышало 3:1.

На трансформаторных подстанциях обычно устанавливается несколько параллельно работающих трансформаторов. Это обусловлено следующими причинами:

• условиями обеспечения надежности электроснабжения путем резервирования;

• необходимостью расширения подстанции;

• уменьшением потерь при малых нагрузках путем отключения части параллельно работающих трансформаторов.

Параллельное включение трехфазных трансформаторов осуществляется по схеме, приведенной на рис. 29. При параллельной работе трансформаторов возникает проблема обеспечения равномерного распределения нагрузки между ними. Равномерность распределения нагрузки обеспечивается в том случае, если трансформаторы имеют

• одинаковые группы соединения обмоток;

• равные коэффициенты трансформации;

• равные напряжения короткого замыкания.

Если первые два условия соблюдены, то вторичные ЭДС параллельно включенных трансформаторов будут равны по величине и по фазе и поэтому будут уравновешивать друг друга. В противном случае уже на холостом ходу возникает уравнительный ток . Этот ток, складываясь с током нагрузки, вызывает неравномерное распределение нагрузки, а также дополнительные потери и нагрев трансформаторов. При большой разнице ЭДС токможет быть опасным для трансформаторов. Соблюдение третьего условия обеспечивает равномерное распределение токов между трансформаторами при нагрузке. Анализ особенностей параллельной работы двух трансформаторов можно выполнить с помощью упрощенной схемы замещения (рис. 30). Трансформаторы в этой схеме представлены внутренними сопротивлениямии. В цепь второго трансформатора включен источник ЭДС, учитывающий несоблюдение первых двух условий параллельной работы трансформаторов,

. Если , то ток нагрузкираспределяется между трансформаторами обратно пропорционально их внутренним сопротивлениям:;. Если, то в замкнутом контуре, образованном сопротивлениямии, потечет уравнительный ток, вызывая неравномерное распределение тока нагрузки между трансформаторами:;.

Ввиду малого внутреннего сопротивления трансформатора уровень тока может быть весьма значительным. Например, при включении на параллельную работу трансформаторов с группами соединений обмоток Y/Y-0 и Y/D-11 вторичные ЭДС будут сдвинуты по отношению друг к другу на 30° (рис. 31). Принимая модули приведенных значений ЭДСиодинаковыми и равными 1о.е., найдем из рис. 31 модуль ЭДС Примодуль уравнительного тока, вызванного этой ЭДС, превысит пятикратное значение, что недопустимо. Поэтому на параллельную работу включаются трансформаторы только с одинаковыми группами соединений обмоток. Если трансформаторы имеют разные коэффициенты трансформации, то величина ЭДСможет быть приближенно вычислена по выражению.

Примем для определенности , тогда ЭДСбудет находиться в противофазе с напряжением. Примодуль уравнительного тока, вызванного этой ЭДС, составит, а его фаза будет определяться аргументами комплексных сопротивленийи. Появление уравнительного тока приведет к уменьшению нагрузки первого трансформатора и ее увеличению у второго (рис. 32). Для того, чтобы не вызвать серьезного нарушения параллельной работы трансформаторов, различие в коэффициентах трансформации не должно превышать 0,5%. При равенстве коэффициентов трансформации, и ток нагрузки будет распределяться обратно пропорционально сопротивлениям:. В общем случае эти токи не совпадают по фазе. Однако фазовый сдвигнезначителен и его можно не учитывать, тогда.                                                       (26) Выразим сопротивления короткого замыкания через их значения в относительных единицах:;. Подставим эти выражения в формулу (26):. Так как напряжения параллельно работающих трансформаторов одинаковы, отношения токов можно заменить отношением мощностей:. Если, то трансформаторы будут нагружаться пропорционально их номинальным мощностям. Очевидно, что при этом условия параллельной работы являются наилучшими. Если жене равны, то сильнее будет нагружаться тот трансформатор, у которогоменьше. Допускается включать на параллельную работу трансформаторы, у которыхотличается от среднеарифметического не более чем на ±10%.

16

Трансформаторы специального назначения

а) Измерительные трансформаторы

1. Трансформаторы напряжения (TH на рис. 2-74) служат для понижения напряжения (обычно до 100—150 в), так как вольтметры и катушки напряжения ваттметров и счетчиков (или реле) не могут быть включены непосредственно на высокое напряжение из-за недостаточной изоляции измерительных приборов и необходимости обеспечить безопасность обслуживающего персонала. Они выполняются как двухобмоточные трансформаторы и электрически отделяют цепь приборов от цепи высокого напряжения; их вторичная цепь надежно заземляется.

По принципу действия трансформаторы напряжения не отличаются от ранее рассмотренных двухобмоточных трансформаторов. Для их исследова-

Рис. 2-74. Схема включения трансформаторов напряжения (ТН) и тока (ТТ).

ния можно применить векторные диаграммы (например, рис. 2-14) или уравнения напряжений и токов (2-41), (2-42) и (2-43). Из этих уравнений следует:

2. Трансформаторы тока (ТТ на рис. 2-74) также выполняются

в виде двухобмоточных трансформаторов. Их первичная обмотка включается в цепь последовательно с потребителями, ток которых надо измерить; во вторичную обмотку включаются амперметр, реле, а при измерении мощности и энергии — токовые катушки ваттметра и счетчика. Все приборы во вторичной цепи соединяются последовательно.

При помощи трансформатора тока, цепь приборов электрически отделяется от первичной цепи и вторичная обмотка надежно заземляется, что необходимо, если первичная обмотка включается в цепь высокого напряжения.

магнитное сопротивление главному потоку в сердечнике трансформатора, что достигается за счет уменьшения его насыщения.

При трансформаторах тока различают следующие погрешности измерения:

токовую погрешность

В зависимости от допускаемых погрешностей согласно ГОСТ различаются пять классов точности трансформаторов тока: 0,2; 0,5; 1; 3 и 10.

Приведенные числа указывают допускаемую для данного класса токовую погрешность в процентах при номинальном первичном токе. Угловая погрешность при том же первичном токе не должна быть соответственно больше 10, 40 и 80 минут для первых трех классов; для классов 3 и 10 она не нормируется.

Первичные номинальные токи стандартизованы в пределах 5— 15 000 а. Вторичные номинальные токи имеют два стандартных значения: 5 и 1 а. При токе 5 а общее сопротивление нагрузки колеблется в пределах 0,2—2 ом, а при токе 1 а — 5—30 ом.

Трансформаторы тока должны быть механически достаточно прочными, чтобы выдержать электродинамические воздействия, возникающие при аварийном повышении первичного тока.

Особенностью трансформатора тока в отличие от трансформатора напряжения является то, что его магнитный поток при неизменном токе в первичной обмотке и переменном сопротивлении нагрузки будет изменяться. При большом сопротивлении нагрузки магнитный поток трансформатора то-

ка может возрасти до чрезмерного значения. Режим работы при разомкнутой вторичной обмотке следует считать аварийным, так как при этом магнитный поток и индукция в сердечнике будут иметь наибольшие значения, что приведет не только к большому увеличению магнитных потерь и, следовательно, нагреву трансформатора, но и к значительному возрастанию напряжения на разомкнутых зажимах вторичной обмотки. В этом случае магнитный поток будет создаваться только током I₁ (при отсутствии размагничивающего вторичного тока I₂) и напряжение вторичной обмотки может достигнуть опасных значений. Следует здесь учитывать, что опасным является максимальное значение напряжения, а оно вследствие уплощения кривой потока [см. кривую Ф = f(t) при синусоидальном намагничивающем токе на рис. 2-42] может значительно возрасти: например, у многовитковых трансформаторов тока отношение максимального напряжения к действующему часто получается равным 2—2,5, а не √2, как при синусоидальной кривой напряжения.

Кроме того, намагничивание сердечника трансформатора тока в режиме разомкнутой вторичной обмотки при последующем его использовании из-за остаточного магнетизма может давать большие погрешности в измерениях, не соответствующие его калибровочным кривым.

б) Сварочные трансформаторы

Для дуговой электросварки применяются трансформаторы с повышенным рассеянием или трансформаторы при последовательном включении с дугой регулируемой реактивной катушки (рис. 2-75).

Повышение рассеяния в трансформаторе достигается размещением первичной и вторичной обмоток на разных стержнях и применением магнитного шунта между стержнями.

Вторичное напряжение сварочного трансформатора выбирается равным 40—70 в, что соответствует напряжению зажигания дуги при переменном токе. Для устойчивого и непрерывного горения дуги требуется, чтобы внеш-

Рис. 2-75. Схема сварочного трансформатора с регулируемой реактивной катушкой.

няя характеристика (зависимость напряжения дуги от тока) была резко падающей (рис. 2-76) и чтобы цепь

Рис. 2-76. Внешняя характеристика при дуговой сварке.

имела большое индуктивное сопротивление.

На практике более часто применяется схема, показанная на рис. 2-75 при которой путем изменения зазора δ в сердечнике реактивной катушки

можно изменять номинальный ток дуги. Такая схема применяется при многопостовой сварке; при этом она позволяет от одного трансформатора (обычно трехфазного) одновременна питать несколько постов, имеющих каждый свою реактивную катушку.

в) Регулировочные трансформаторы

Силовые трансформаторы снабжаются ответвлениями обычно от обмотки высшего напряжения, позволяющими изменять ее число витков, на ±5%, или на ±2×2,5%. В мощных трансформаторах ответвления, как правило, делаются в середине обмотки (по высоте), так как в этом случае при внезапном коротком замыкании в меньшей степени возрастают аксиальные электромагнитные силы, действующие на обмотки.

На рис. 2-77 показаны различные способы размещения ответвлений от средней части обмотки (по высоте), и здесь же указаны их обозначения согласно ГОСТ. В современных трансформаторах переключения производятся при помощи контактного переключателя, имеющего в обычных случаях систему неподвижных контактов,, соединенных с ответвлениями, и систему движущихся контактов, замыкающих разные пары неподвижных контактов.

Переключения ответвлений при помощи переключателя, рукоятка которого выводится наружу на крышку или на боковую сторону бака трансформатора, производятся только после его отключения от первичной и вторичной сетей. В трансформаторах устаревших конструкций, еще встречающихся на практике, ответвления выводились наружу при помощи проходных изоляторов с тремя зажимами; здесь переключения делаются вручную.

Регулировочными трансформаторами обычно называются трансформаторы, позволяющие регулировать вторичное напряжение под нагрузкой. Для этого используется переключатель, при котором осуществляется изменение числа витков обмотки без разрыва цепи. Наиболее часто применяется переключатель с токоограничивающим реактором, принципиальная схема которого показана на рис. 2-78. При указанном на рисунке положении, когда переключатели а и b соединены с одной и той же пластиной 1 и когда выключатели B₁ и В₂ включены, токи в обеих половинах обмотки реактора Р направлены противоположно друг другу и поэтому сопротивление его мало. При изменении числа витков в процессе переключений сначала выключается В₁, затем переключатель апереводится на пластину 2 и В₁ снова включается. Теперь по реактору, кроме рабочего, проходит ток, вызванный напряже-

Рис. 2-78. Схема переключения обмотки трансформатора под нагрузкой с токоограничивающим реактором (ответвления от обмотки соединяются с соответственно пронумерованными пластинами переключателя).

нием между точками 1 и 2. Но этот ток будет проходить по обеим половинам обмотки реактора в одном и том же направлении, вследствие чего возрастет его индуктивное сопротивление и ток не будет превышать некоторого допустимого значения. После этого выключается В₂, переключатель bпереводится на пластину 2 и В₂ снова включается. Таким образом, перевод переключателей а и bпроизводится практически без разрыва цепи при* очень небольших токах. Все переключающее устройство автоматизируется. Оно обычно помещается в специальном баке, пристраиваемом сбоку к главному баку трансформатора.

г) Трансформаторы для радиоэлектроника

Широкое применение в различных схемах радиоэлектроники находят' трансформаторы малой мощности (от нескольких вольт-ампер до тысячных долей вольт-ампера). К таким трансформаторам предъявляются особые-требования, которые могут быть удовлетворены только при примененииспециальных ферромагнитных материалов и специального устройства их. обмоток и сердечника.

В современной электронной аппаратуре, применяемой в разнообразных отраслях техники, используются трансформаторы, преобразующие ток или напряжение электрических сигналов, в широком спектре звуковых и сверхзвуковых частот. Они, как и усилители, рассчитанные на этот диапазон частот, условно называются трансформаторами и усилителями низких частот.¹

Также широко применяются «импульсные трансформаторы», преобразующие кратковременные импульсные токи, продолжительность которых измеряется микросекундами при числе импульсов в секунду до 1 000.*

Указанные трансформаторы должны быть устроены таким образом, чтобы искажения, вносимые ими, были как можно меньше, т. е. форма кривой напряжения (или тока) на вторичной.

¹ См. Г. С. Ц ы к и н, Трансформаторы; низкой частоты, Москва, 1955.

* См. «Детали и элементы радиолокационных станций», ч. II, ;1952.

Рис. 2-79. Принцип устройства пик-трансформаторов. а — трансформатор с сильно насыщенным сердечником

и большим активным сопротивлением в первичной

цепи; 6 — трансформатор с насыщенным стержнем и

магнитным шунтом.

стороне должна повторять возможно точнее форму кривой напряжения (или тока) на первичной стороне. При этом приходится брать малые насыщения сердечника трансформатора и учитывать не только активные и индуктивные сопротивления обмоток, но и их емкостные связи, так как при высокой частоте (преобразуемого тока) токи, протекающие через емкости между обмотками, соизмеримы с токами, непосредственно протекающими по

обмоткам. Приходится в этом случае применять специальную укладку витков обмоток и иногда особые системы металлических экранов.

В электронной технике находят себе также применение трансформаторы, которые на выходе дают периодически изменяющееся напряжение резко заостренной (пикообразной) формы. Они получили название пик-трансформаторов. Применяются они, например, при регулировании сеточного напряжения тиратронов.

17

Асинхронные электродвигатели (АД) находят в народном хозяйстве широкое применение. По разным данным до 70% всей электрической энергии, преобразуемой в механическую энергию вращательного или поступательного движения, потребляется асинхронным двигателем. Электрическую энергию в механическую энергию поступательного движения преобразуют линейные асинхронные электродвигатели, которые широко используются в электрической тяге, для выполнения технологических операций. Широкое применение АД связано с рядом их достоинств. Асинхронные двигатели - это самые простые в конструктивном отношении и в изготовлении, надежные и самые дешевые из всех типов электрических двигателей. Они не имеют щеточноколлекторного узла либо узла скользящего токосъема, что помимо высокой надежности обеспечивает минимальные эксплуатационные расходы. В зависимости от числа питающих фаз различают трехфазные и однофазные асинхронные двигатели. Трехфазный асинхронный двигатель при определенных условиях может успешно выполнять свои функции и при питании от однофазной сети. АД широко применяются не только в промышленности, строительстве, сельском хозяйстве, но и в частном секторе, в быту, в домашних мастерских, на садовых участках. Однофазные асинхронные двигатели приводят во вращение стиральные машины, вентиляторы, небольшие деревообрабатывающие станки, электрические инструменты, насосы для подачи воды. Чаще всего для ремонта или создания механизмов и устройств промышленного изготовления или собственной конструкции применяют трехфазные АД. Причем в распоряжении конструктора может быть как трехфазная, так и однофазная сеть. Возникают проблемы расчета мощности и выбора двигателя для того или другого случая, выбора наиболее рациональной схемы управления асинхронным двигателем, расчета конденсаторов, обеспечивающих работу трехфазного асинхронного двигателя в однофазном режиме, выбора сечения и типа проводов, аппаратов управления и защиты. Такого рода практическим проблемам посвящена предлагаемая вниманию читателя книга. В книге приводится также описание устройства и принципа действия асинхронного двигателя, основные расчетные соотношения для двигателей в трехфазном и однофазном режимах.  Устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей  1. Устройство трехфазных асинхронных двигателей  Трехфазный асинхронный двигатель (АД) традиционного исполнения, обеспечивающий вращательное движение, представляет собой электрическую машину, состоящую из двух основных частей: неподвижного статора и ротора, вращающегося на валу двигателя. Статор двигателя состоит из станины, в которую впрессовывают так называемое электромагнитное ядро статора, включающее магнитопровод и трехфазную распределенную обмотку статора. Назначение ядра - намагничивание машины или создание вращающегося магнитного поля. Магнитопровод статора состоит из тонких (от 0,28 до 1 Мм) изолированных друг от друга листов, штампованных из специальной электротехнической стали. В листах различают зубцовую зону и ярмо (рис. 1.а). Листы собирают и скрепляют таким образом, что в магнитопроводе формируются зубцы и пазы статора (рис. 1.б). Магнитопровод представляет собой малое магнитное сопротивление для магнитного потока, создаваемого обмоткой статора, и благодаря явлению намагничивания этот поток усиливает.  Рис. 1 Магнитопровод статора В пазы магнитопровода укладывается распределенная трехфазная обмотка статора. Обмотка в простейшем случае состоит из трех фазных катушек, оси которых сдвинуты в пространстве по отношению друг к другу на 120°. Фазные катушки соединяют между собой по схемам звезда, либо треугольник (рис. 2). Рис 2. Схемы соединения фазных обмоток трехфазного асинхронного двигателя в звезду и в треугольник Более подробные сведения о схемах соединения и условных обозначениях начал и концов обмоток представлены ниже. Ротор двигателя состоит из магнитопровода, также набранного из штампованных листов стали, с выполненными в нем пазами, в которых располагается обмотка ротора. Различают два вида обмоток ротора: фазную и короткозамкнутую. Фазная обмотка аналогична обмотке статора, соединенной в звезду. Концы обмотки ротора соединяют вместе и изолируют, а начала присоединяют к контактным кольцам, располагающимся на валу двигателя. На контактные кольца, изолированные друг от друга и от вала двигателя и вращающиеся вместе с ротором, накладываются неподвижные щетки, к которым присоединяют внешние цепи. Это позволяет, изменяя сопротивление ротора, регулировать скорость вращения двигателя и ограничивать пусковые токи. Наибольшее применение получила короткозамкнутая обмотка типа «беличьей клетки». Обмотка ротора крупных двигателей включает латунные или медные стержни, которые вбивают в пазы, а по торцам устанавливают короткозамыкающие кольца, к которым припаивают или приваривают стержни. Для серийных АД малой и средней мощности обмотку ротора изготавливают путем литья под давлением алюминиевого сплава. При этом в пакете ротора 1 заодно отливаются стержни 2 и короткозамыкающие кольца 4 с крылышками вентиляторов для улучшения условий охлаждения двигателя, затем пакет напрессовывается на вал 3. (рис. 3). На разрезе, выполненном на этом рисунке, видны профили пазов, зубцов и стержней ротора.  Рис. 3. Ротор аснхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой Общий вид асинхронного двигателя серии 4А представлен на рис. 4 [2]. Ротор 5 напрессовывается на вал 2 и устанавливается на подшипниках 1 и 11 в расточке статора в подшипниковых щитах 3 и 9, которые прикрепляются к торцам статора 6 с двух сторон. К свободному концу вала 2 присоединяют нагрузку. На другом конце вала укрепляют вентилятор 10 (двигатель закрытого обдуваемого исполнения), который закрывается колпаком 12. Вентилятор обеспечивает более интенсивное отведение тепла от двигателя для достижения соответствующей нагрузочной способности. Для лучшей теплоотдачи станину отливают с ребрами 13 практически по всей поверхности станины. Статор и ротор разделены воздушным зазором, который для машин небольшой мощности находится в пределах от 0,2 до 0,5 мм. Для прикрепления двигателя к фундаменту, раме или непосредственно к приводимому в движение механизму на станине предусмотрены лапы 14 с отверстиями для крепления. Выпускаются также двигатели фланцевого исполнения. У таких машин на одном из подшипниковых щитов (обычно со стороны вала) выполняют фланец, обеспечивающий присоединение двигателя к рабочему механизму.  Рис. 4. Общий вид асинхронного двигателя серии 4А Выпускаются также двигатели, имеющие и лапы, и фланец. Установочные размеры двигателей (расстояние между отверстиями на лапах или фланцах), а также их высоты оси вращения нормируются. Высота оси вращения - это расстояние от плоскости, на которой расположен двигатель, до оси вращения вала ротора. Высоты осей вращения двигателей небольшой мощности: 50, 56, 63, 71, 80, 90, 100 мм.  2. Принцип действия трехфазных асинхронных двигателей  Выше отмечалось, что трехфазная обмотка статора служит для намагничивания машины или создания так называемого вращающегося магнитного поля двигателя. В основе принципа действия асинхронного двигателя лежит закон электромагнитной индукции. Вращающееся магнитное поле статора пересекает проводники короткозамкнутой обмотки ротора, отчего в последних наводится электродвижущая сила, вызывающая в обмотке ротора протекание переменного тока. Ток ротора создает собственное магнитное поле, взаимодействие его с вращающимся магнитным полем статора приводит к вращению ротора вслед за полями. Наиболее наглядно идею работы асинхронного двигателя иллюстрирует простой опыт, который еще в XVIII веке демонстрировал французский академик Араго (рис. 5). Если подковообразный магнит вращать с постоянной скоростью вблизи металлического диска, свободно расположенного на оси, то диск начнет вращаться вслед за магнитом с некоторой скоростью, меньшей скорости вращения магнита. Рис. 5. Опыт Араго, объясняющий принцип работы асинхронного двигателя Это явление объясняется на основе закона электромагнитной индукции. При движении полюсов магнита около поверхности диска в контурах под полюсом наводится электродвижущая сила и появляются токи, которые создают магнитное поле диска. Читатель, которому трудно представить проводящие контуры в сплошном диске, может изобразить диск в виде колеса со множеством проводящих ток спиц, соединенных ободом и втулкой. Две спицы, а также соединяющие их сегменты обода и втулки и представляют собой элементарный контур. Поле диска сцепляется с полем полюсов вращающегося постоянного магнита, и диск увлекается собственным магнитным полем. Очевидно, наибольшая электродвижущая сила будет наводиться в контурах диска тогда, когда диск неподвижен, и напротив, наименьшая, когда близка к скорости вращения диска. Перейдя к реальномуасинхронному двигателю отметим, что короткозамкнутую обмотку ротора можно уподобить диску, а обмотку статора с магнитопроводом - вращающемуся магниту. Однако вращение магнитного поля в неподвижном статоре а осуществляется благодаря трехфазной системе токов, которые протекают в трехфазной обмотке с пространственным сдвигом фаз. 

18

СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Для анализа работы асинхронного двигателя пользуются схемой замещения. Схема замещения асинхронного двигателя аналогична схеме замещения трансформатора и представляет собой электрическую схему, в которой вторичная цепь (обмотка ротора) соединена с первичной цепью (обмоткой статора) гальванически вместо магнитной связи, существующей в двигателе.

Рис. 10.17. Схема замещения асинхронного двигателя

Основное отличие асинхронного двигателя от трансформатора в энергетическом отношении состоит в следующем. Если в трансформаторе энергия, переданная переменным магнитным полем во вторичную цепь, поступает к потребителю в виде электрической энергии, то в асинхронном двигателе энергия, переданная вращающимся магнитным полем ротору, преобразуется в механическую и отдается валом двигателя потребителю в виде механической энергии.

Электромагнитные мощности, передаваемые магнитным полем во вторичную цепь трансформатора и ротору двигателя, имеют одинаковые выражения:

Р_эм = Р₁ - ΔР₁.

В трансформаторе электромагнитная мощность за вычетом потерь во вторичной обмотке поступает к потребителю:

(10.46)

Р₂ = Р_эм - 3I₂²r₂ = 3U₂I₂ cos φ₂ = 3I₂²r_п = 3I'₂²r'_п,

где r_п — сопротивление потребителя. В асинхронном двигателе электромагнитная мощность за вычетом потерь в обмотке ротора превращается в механическую мощность:

(10.47)

Р₂ = Р_мех = Р_эм - 3I₂²r₂ = Р_эм - 3I'₂²r'₂.

Подставив в (10.47) вместо Р ее значение из (10.42), получим

(10,48)

Pмех=3I22	r2(1 -s)		=3I'22		r'2(1 -s)	= 3I22r'э= 3I'22r'э,
	s				s
где r'э = r'2		1 - s		.
		s

Сравнивая выражения (10.46) и (10.48), можно заключить, что

r'_п = r'_э.

Таким образом, потери мощности в сопротивлении r'_э численно равны механической мощности, развиваемой двигателем.

Заменив в схеме замещения трансформатора сопротивление нагрузки r'_п на r'_э = r'₂ (1 - s)/s,получим схему замещения асинхронного двигателя (рис. 10.17). Все остальные элементы схемы замещения аналогичны соответствующим элементам схемы замещения трансформатора: r₁, х₁ — активное сопротивление и индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки статора; r'₂, х'₂— приведенные к обмотке статора активное сопротивление и индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки ротора.

Приведенные значения определяются так же, как и для трансформатора:

r'₂ = r₂k², х'₂ = х₂k²,

где k = E₁/E_2к = U_1ф/E_2к — коэффициент трансформации двигателя.

Может возникнуть сомнение в возможности использования гальванической связи цепей статора и ротора в схеме замещения, поскольку частоты в этих цепях на первый взгляд не одинаковы. Первая часть схемы замещения представляет собой эквивалентную схему фазы обмотки ротора, которая, как было показано в § 10.7, приведена к частоте тока статора. В реальном же двигателе в отличие от схемы замещения частоты тока ротора и статора не одинаковы.