Литература / Пиотровский_Электрические_машины_учебник_1974

Гл а в а с е мн а д ц а та я СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

17-1. Автотрансформаторы

В трансформаторах обычного типа первичная и вторичная обмотки связаны между собой только магнитным потоком. Но можно выполнить трансформатор так, чтобы его первичная и вторичная обмотки имели общую часть. Такой транс­ форматор называется автотрансформатором. Так же как обычные трансформа­

между собой только магнитным потоком, т. е. так же как в обычном трансфор­

Таким образом, в понижающем автотрансформаторе ток І ах течет по общей части а — X обмотки в направлении, обратном току / х и согласно с током / 2.

237

тивлениѳ которого

в (1 — 1/Аа) раз меньше по сравнению с током / 2 во вторичной обмотке обычного

характер. В действительности масса обмоток изменяется в меньшей степени, чем в отношении 1 — 1/Аа.

Для индуктивного сопротивления можно сделать тот же вывод, что и для активного сопротивления, т. е.

Соответственно ток короткого замыкания автотрансформатора больше, чем обычного трансформатора.

В. Работа под нагрузкой. Из первичной сети подводится к первичной обмотке

St = S2 называется проходной мощностью 5Пр автотрансформатора. Но опреде­ ление его размеров и веса производится не по мощности ІІ2І2, а по так называе­ мой расчетной мощности:

238

передается пз первичной сети во вторичную без какой-либо трансформации. При ка > 2 разница между автотрансформатором и обычным трансформатором сглаживается, поэтому в силовых установках, как правило, ка = 1,25 -і- 2. Из формулы (17-9) следует, что потери короткого замыкания в автотрансформа­ торе меньше, чем в трансформаторе, поэтому к. п. д. автотрансформатора всегда выше, чем обычного двухобмоточного трансформатора.'

Наряду с указанными преимуществами, автотрансформатор имеет недо­ статки, главными из которых являются: а) возможность попадания высокого напряжения в сеть низкого напряжения вследствие непосредственного электри­ ческого соединения первичной и вторичной обмоток; б) более тяжелые условия короткого замыкания вследствие меньшего значения иК,а, хотя, с другой стороны, меньшее значение цк.а благоприятно влияет на пропускную способность линии. Поэтому автотрансформатор нуждается в защитных мероприятиях, которые сделали бы его работу достаточно надежной.

В трехфазных автотрансформаторах первичные обмотки чаще всего соеди­ няются в звезду, нейтральная точка которой может быть заземлена или исполь­ зована для присоединения к ней нейтрального провода. '

Автотрансформаторы применяются для пуска синхронных и асинхронных двигателей, как делители напряжения и т. д. В последнее время автотрансфор­ маторы находят все более широкое применение в мощных электроэнергетических системах для связи между собой сетей с близкими по величине напряжениями,

например 150/110, 220/110, 420/220 кв и т. д.

В ряде случаев автотрансформаторы высокого напряжения выполняются по смешанной автотрансформаторно-трансформаторной схеме. Для этого, кроме обмоток, имеющих общую часть, есть еще обмотка, связанная с первыми двумя только магнитным потоком.

Автотрансформаторы применяются также для плавного изменения напря­ жения в широких пределах (освещение в театрах и кино). В лабораторной практике используются автотрансформаторы, в которых" плавное изменение напряжения осуществляется при помощи скользящего контакта между угольной щеткой и проводниками обмотки.

17-2. Многообмоточные трансформаторы

В энергетических установках, а также в автоматических устройствах и приборах возникает потребность в осуществлении связи между несколькими цепями или системами переменного тока разных напряжений. Такая связь наи­ более экономично осуществляется при помощи многообмоточных трансформа­ торов, в которых число обмоток на стержне равно числу разных напряжений.

Многообмоточные трансформаторы могут иметь одну пли несколько первич­ ных II одну или несколько вторичных обмоток.

Далее рассматриваются особенности работы трехобмоточного трансформа­ тора с одной первичной обмоткой.

Конструкция сердечника трехобмоточного трансформатора ничем не отли­ чается от обычного двухобмоточного.

Обмотка низшего напряжения может быть расположена у стержня пли наиболее удалена от него. Обмотка высшего напряжения обычно наиболее удалена от стержня, но может располагаться между обмотками низшего п сред­ него напряжений.

Согласно ГОСТ 11677—65, номинальной мощностью трехобмоточного транс­ форматора называется мощность наиболее мощной обмотки его. Обычно мощ­ ности обмоток высшего, среднего и низшего напряжений трехобмоточного транс­ форматора в процентах от его номинальной мощности составляют: а) 100; 100;

239

ВН — высшее напряжение, СН — среднее напряжение, НН — низшее напряжение.

Опытным путем коэффициенты трансформации определяются из опыта холостого хода, т. е. так же как и в двухобмоточном трансформаторе.

Опыт короткого замыкания производится в трехобмоточном трансформаторе три раза; поочередно подводится напряжение к одной из обмоток и замыкается другая обмотка при разомкнутой третьей. Напряжения короткого замыкания,

тивных сопротивлениях рассеяния обмоток хг, х2и х3.

В выполненном трансформаторе эти сопротивления можно определить по данным упомянутых выше трех опытов короткого замыкания. Если считать, кроме того, известными активные сопротивления обмоток rlt г'2 и г'г, то можно построить векторную диаграмму трехобмоточного трансформатора. Пусть, например, обмотка 2 нагружена на активно-индуктивную нагрузку, а обмотка 3

током холостого хода / 0, то l t — І12 + /ц . Обе вторичные обмотки 2 и 3 следует рассматривать как работающие параллельно от источника с одним и тем же напряжением.

2 и 3, то получится общая точка С. Откладывая от нее векторы активного и ин­ дуктивного падения напряжения І хгг и j l l x 1 в обмотке 1, получается вектор под­ веденного к зажимам первичной обмотки напряжения Üx. Фазные соотношения

между напряжениями І/г, f/ö, U':i и соответствующими им токами определяются углами фх, ф2 и фз, причем углы ф2 и ф3 задаются сетями, на которые работают обмотки 2 и 3.

241

Напряжения короткого замыкания, в трехобмоточном трансформаторе больше, чем в двухобмоточном, поэтому и изменение напряжения в трехобмоточ­ ном трансформаторе значительнее, чем в двухобмоточном.

В трансформаторах одинаковой мощности к. п. д. трехобмоточного трансфор­ матора практически такой же, как и у двухобмоточного.

17-3. Трансформаторы для ртутных выпрямителей

Характерной особенностью трансформаторов для ртутных выпрямителей является неодновременная нагрузка различных фаз в соответствии с неодновре­ менным горением анодов выпрямителя. Чтобы избежать некоторых возникаю­ щих в этом случае нежелательных явлений, применяются специальные схемы соединения вторичных обмоток. Основное значение имеют две схемы: а) звезда — двойной зигзаг и б) звезда — две обратные звезды. Наибольшее распростране­ ние имеет последняя схема (рис. 17-3, а). Здесь РВ — шестианодный ртутный выпрямитель; К — катод выпрямителя. Нейтральные точки Ог и 0 2 обеих вто­ ричных звезд выпрямительного трансформатора соединены между собой через

Рис. 17-3. Трансформатор для ртутного выпрямителя: а — схемы, внешняя характеристика выпрямителя

уравнительную катушку У К . Одна звезда питает нечетную группу анодов 1, 3, 5 выпрямителя, а другая — их четную группу 2, 4, 6. Если соединить среднюю точку М уравнительной катушки с отрицательным полюсом цени выпрямленного тока, то обе звезды будут работать параллельно, причем одновременно горят два анода, например 1 и 2. Роль уравнительной катушки состоит в сле­ дующем. Пусть в данный момент напряжение фазы Охаг больше напряжения фазы 02с2. В этом случае по У К потечет уравнительный ток, который понизит напряжение фазы 01а1 относительно точки М н, наоборот, повысит относительно этой точки напряжение фазы 02с2. В результате напряжения обеих фаз выравни­ ваются, и аноды 1 и 2 работают параллельно. Если сопротивления обеих вторич­ ных звезд трансформатора одинаковы, то нагрузочный ток распределяется по­ полам между обеими звездами.

При параллельной работе обеих вторичных звезд выпрямитель работает как трехфазный таким образом, что каждый анод работает У3 периода.

Так как первичная и вторичная обмотки выпрямительного трансформатора работают в разных условиях, то их расчетные мощности Рх и Р2 неодинаковы. Поэтому вводится понятие о типовой мощности выпрямительного трансформа­ тора РТ = (Рх + Р2)/2.

Если Рв — мощность на стороне выпрямленного тока, то, как показывает анализ работы схемы рис. 17-3, а, мощность Рг — 1,047 Рв, Pt == 1,48 Ра и, следовательно, типовая мощность Рт= 1,264 Рв.

242

тока / в. В начальной части характеристики имеет место резкий скачок напря­ жения от значения f/B= 1,35 UHпри холостом ходе до значения U„ = 1,17 UH при нагрузке, составляющей примерно 1% от номинальной, т. е. на 18%. Это объясняется тем, что при очень малых токах нагрузки уравнительная катушка не получает необходимого для ее работы намагничивающего тока и этим как бы выключается из схемы. В этих условиях выпрямитель работает как шести­ фазный с повышенным напряжением. Чтобы снять этот пик напряжения к вы­ прямителю, присоединяют балластное сопротивление, которое обеспечило бы нагрузку порядка 1 %, пли же пользуются специальным трансформатором, намагничивающим уравнительную катушку.

Напряжение короткого замыкания трансформатора для ртутного выпрями­ теля по схеме на рис. 17-3 составляет 5—8%. К. п. д. трансформаторов для ртутных выпрямителей несколько меньше, а масса несколько больше, чем транс­ форматоров обычного типа.

17-4. Сварочные трансформаторы

Сварочные трансформаторы имеют различные характеристики и конструк­ тивное оформление в зависимости от вида сварки (дуговая, стыковая, шовная или точечная). Здесь имеются в виду только трансформаторы для дуговой сварки.

Сварочный трансформатор должен иметь достаточное для зажигания дуги напряжение холостого хода порядка 60—70 в и круто падающую внешнюю

Для получения требуемой внешней характеристики сварочные трансформа­ торы выполняются с относительно большим рассеянием или в самом трансфор­ маторе, пли в отдельном дросселе.

Регулирование сварочного тока может производиться: ступенями — путем переключения секций одной пли нескольких обмоток или плавно — посредством изменения магнитного сопротивления самого трансформатора или соединенного с ним дросселя.

На рис. 17-4 показана принципиальная схема сварочного трансформатора. Дроссель вынесен пз трансформатора, т. е. составляет отдельную часть уста­ новки, и имеет зазор, величину которого можно изменять в пределах примерно 6—7 мм, чем и осуществляется регулирование сварочного тока. Данные транс­ форматора СТЭ-35: мощность 30 кв-а; напряжение: первичное 220 в или 380 в; вторичное при холостом ходе — 60 в; пределы регулирования сварочного тока 150—500 а; номинальное напряжение при нагрузке — 30 в.

Кроме трансформатора СТЭ-34, выполняются сварочные трансформаторы на 1000 и 2000 а с дросселями, встроенными в кожух трансформатора.

17-5. Измерительные трансформаторы

При напряжениях больше 250 в и токах, превышающих несколько десятков ампер, все измерительные приборы переменного тока включаются через измери­ тельные трансформаторы. Различают трансформаторы тока и трансформаторы напряжения.

А. Трансформаторы тока. Первичная обмотка трансформатора тока состоит из одного или нескольких витков относительно большого сечения и включается последовательно в цепь, ток которой измеряется (рис. 17-5). Вторичная обмотка состоит из большого числа витков сравнительно малого сечения и замыкается

243

на приборы с малым сопротивлением — амперметры, последовательные обмотки ваттметров, счетчиков и т. д. Таком образом, рабочий режим трансформатора тока представляет собой практически режим короткого замыкания.

Трапсформаторы тока изготовляются па номинальные первичные токи в пре­

маторы тока конструктивно оформлены весьма различно. В целях безопасности вторичная обмотка должна быть надежно заземлена.

Следует особо подчеркнуть, что вторичную обмотку ни в коем случае нельзя оставлять разомкнутой при включении трансформатора или размыкать ее при работе. В этом случае трансформатор попадает в режим холостого хода. Индук­ ция в сердечнике возрастает во много раз но сравнению с ее нормальным зна­

тока приобретают значительные размеры. Правда, по мере усовершенствования конструкции удается сильно уменьшить размеры такого трансформатора.

Б. Трансформаторы напряжения. Условия работы трансформаторов напря­ жения соответствуют работе трансформаторов в режиме холостого хода. Вторич­ ное напряжение трансформатора U2 НО в. Чтобы допускаемая погрешность трансформатора не выходила за определенные пределы, намагничивающий ток трансформатора должен быть ограничен. Для этого сердечник трансформатора

напряжения делятся на четыре класса точности — 0,2; 0,5; 1 и 3 н выполняются как в виде однофазных трансформаторов на номинальные мощности до 1000 в ■а, так и в виде трехфазных трансформаторов на мощности до нескольких кило­ вольт-ампер.

При повышенных напряжениях трансформаторы напряжения представляют собой сложные электромагнитные аппараты, которые должны обеспечить необ­

представляет собой каскад пз 12 элементов, собранных в три отдельных блока, зашунтпрованных емкостями для более равномерного распределения напря­ жения между элементами. Сердечники с обмотками каждого блока помещены в отдельные фарфоровые кожухи, заполненные маслом. В такие же кожухи помещены емкости.

17-6. Трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой

Одна из ответственных задач при работе мощной электроэнергетической системы состоит в наиболее экономичном распределении активной и реактивной мощности между отдельными звеньями системы путем регулирования ее нанря-

244

жешш в соответствующих точках. Это достигается с помощью трансформаторов со ступенчатым регулированием напряжения под нагрузкой путем переключения имеющихся для этой цели ответвлений от обмоток. Обычное число регулировоч­ ных ступеней 8—10, но может быть доведено до 16—20. Переход под нагрузкой с одной ступени напряжения на другую должен происходить без разрыва рабо­ чей цепи. Пріт этом регулировочная ступень обмотки на время переключения замыкается накоротко. Для ограничения возникающего в этой ступени тока короткого замыкания применяются реакторы или активиые сопротивления.

Втрансформаторах большой мощности и высокого напряжения регулиро­ вание напряжения под нагрузкой осуществляется с помощью трансформаторов добавочного напряжения с переменным коэффициентом трансформации. Однако ио сравнению с первым этот способ менее экономичен.

ВСССР трансформаторы с регулируемым под нагрузкой напряжением линий и сетей изготовляются мощностью до сотен тысяч киловольт-ампер.

Плавное регулирование напряжения под нагрузкой осуществляется с отно­

сительно большим трудом, чем ступенчатое. Для этой цели на подстанциях и в лабораторных установках применяются поворотные автотрансформаторы, пред­

обрели регулировочные трансформаторы, работающие по автотрансформаторной схеме. В таких трансформаторах обмотка располагается на сердечнике в один слой и выполняется из неизолированного провода. По обмотке скользят щетки специальной конструкции, причем ширина щетки должна быть такой, чтобы переход с витка на виток происходил без разрыва рабочей цегш. Для ограниче­ ния тока короткого замыкания, возникающего в этом случае в перекрываемых щеткой витках обмотки, щетка может быть выполнена из ряда контактов, соеди­ ненных между собой активными сопротивлениями, пли из угля с таким расчетом, чтобы ее поперечное сопротивление было достаточно для ограничения тока короткого замыкания, а продольное не вызывало чрезмерно большего падения напряжения при протекании нагрузочного тока. Число витков обмотки выби­ рается так, чтобы на виток приходилось 0,5—1 в и чтобы, следовательно, регу­ лирование напряжения происходило плавно. Регулировочные трансформаторы выполняются на мощности до 100 кв-а с числом щеток от 10 до 30 при нагрузке на щетку до 40 а.

17-7. Пиковые трансформаторы

Для управляемых ионных приборов и в схемах некоторых радиоустройств требуется напряжение с крутым фронтом волны в виде пика. Такое напряжение может быть получено от специального — пикового трансформатора. В § 12-3 было показано, что при уплощении линии изменения магнитного потока в сер­ дечнике форма э. д. с. заостряется. Уплощение потока может быть выполнено во всем насыщенном сердечнике за счет ограничения намагничивающего тока или только в части сердечника за счет местного насыщения и устройства маг­

нитных шунтов для значительного _увеличения потока рассеяния первичной обмотки.

В первом случае последовательно с первичной обмоткой трансформатора включается дроссель с неизменной индуктивностью L, который ограничивает намагничивающий ток (рис. 17-6, а).

На рис. 17-6, б представлены магнитные характеристики (т. е. зави­ симости потока ер от намагничивающей силы iw) сердечника трапсформатора (линия 1) и дросселя (линия 2). Для упрощения не учитываются активные сопро­ тивления обмоток. Если предположить, что числа витков дросселя и первичной обмотки трансформатора одинаковы, то при синусоидальном приложенном напряжении иг сумма потоков дросселя и трансформатора должна быть также синусоидальна.

Зависимость суммы потоков от намагничивающей силы представлена ли­ нией 3, а изменение этой суммы во времени — линией 4 на рис. 17-6, б. Измене­ ние потока в сердечнике трансформатора показано линией 5, которая имеет

245