Регулирование напряжения

При эксплуатации трансформаторов довольно часто необходимо регулировать вторичное напряжение.

Принципы регулирования.При регулировании различают два основных случая:

1) стабилизации вторичного напряжения при незначительном (на 5...10%) изменении первичного напряжения, что происходит обычно из-за падения напряжения в линии;

2) регулирования вторичного напряжения (из-за особен ностей технологического процесса) в широких пределах при неизменном (или мало изменяющемся) первичном напряжении.

В обоих случаях вторичное напряжение регулируется путем изменения коэффициента трансформации, т. е. соотношения между числами витков первичной и вторичной обмоток.

Потери и КПД трансформатора, условия получения максимального КПД. Магнитные системы трехфазных трансформаторов. Основные схемы и группы соединения обмоток трехфазных трансформаторов. Парралельная работа трансформаторов. Условия включения на парралельную работу.

При работе трансформатора в нем возникают потери — магнитные и электрические.

Магнитные потери, или потери в стали Р_с, принимаются, как отмечалось, равными потерям холостого хода P₀. Они зависят от частоты тока, от индукций В_с в стержне и В_я в ярме сердечника, а также от весов стержней и ярм. Для уменьшения магнитных потерь и реактивной составляю­щей тока холостого хода сечение ярма берут несколько больше (на 5—10%) сечения стержня. Потери P₀ приблизительно пропорциональны квадрату индукции (В²) и частоте тока в степени 1,3 (f^1,3).

Электрические потери, или потери короткого замыкания, пропорциональны квадрату тока.

Коэффициент полезного действия (к.п.д.) трансформатора имеет высокие значения: от 0,96 при S ≈ 5 кВА до 0,995 при номинальной мощности, составляющей десятки тысяч кВА.

Так как потери в трансформаторе невелики, то следует определять к.п.д. трансформатора косвенным методом и пользоваться при этом формулой

где — сумма всех потерь в трансформаторе; m — число фаз;

r_к75 и P₀ — активное сопротивление короткого замыкания при 75°С и потери холостого хода.

К.П.Д. будет максимальным, когда потери короткого замыкания будут равны потерям холостого хода, т. е. при равенстве переменных потерь постоянным потерям (при изменении нагрузки практически изменяются только потери короткого замыкания).

Следовательно, к.п.д. получается максимальным при нагрузке, составляющей 50—70% от номинальной. Такая нагрузка обычно и соответствует средней нагрузке при эксплуатации трансформатора.

При вычислении к.п.д. пользуются формулой

При проектировании трансформатора необходимо добиваться равенства потерь в магнитопроводе потерям в обмотках для обеспечения эффективной работы трансформатора. При расчета трансформатора за критерии оптимизации выбираются: КПД, габаритные размеры, стоимость и температурный режим работы трансформатора. При P_маг>P_об (b<B_опт) получим минимальную стоимость, большой вес и габариты трансформатора. Если же P_маг<P_об, то имеем высокую стоимость, меньший вес и габариты.

Трехфазные трансформаторы. Это система, объединяющая три источника переменного тока, ЭДС которых сдвинуты друг относительно друга на 120°.Трансформирование трехфазного тока можно осуществить тремя однофазными трансформаторами, соединенными в трансформаторную группу. Обмотки первичной и вторичной цепей соединяются одним из способов: "звезда", "треугольник", "зигзаг".

Рассмотрим способ соединения "звезда".

Точка на схеме трансформатора обозначает конец вектора ЭДС или начало обмотки. При соединении звездой линейные (I_л) и фазные токи (I_ф) одинаковы, потому что для тока, проходящего через фазную обмотку, нет иного пути, кроме линейного провода. Линейные напряжения (U_л) больше фазных (U_ф) в раза.

На рисунке изображена векторная диаграмма напряжений и условное обозначение схемы соединения обмоток трансформатора.

Соединение в звезду выполняется с нулевым выводом или без него, что является достоинством схемы соединения

Соединение в "треугольник":

При соединении треугольником U_л = U_ф, потому что каждые два линейных провода присоединены к началу и концу одной из фазных обмоток, а все фазные обмотки одинаковы. Линейные токи I_л = I_ф.
Мощности при соединениях звездой и треугольником определяются выражениями:

Полная

активная

реактивная

где φ - угол сдвига фаз между напряжением и током.

При определении группы соединения обмоток трансформатора пользуются циферблатом часов. Линейный вектор обмотки высшего напряжения (ВН) соответствует минутной стрелке циферблата часов и устанавливается на цифру 12, часовая стрелка соответствует линейному вектору ЭДС обмотки низкого напряжения (НН) и ее поворот по отношению к обмотке ВН определяет номер группы и угол поворота a=n*30⁰, где n - группа.
Параллельная работа трансформаторов

Для увеличения мощности трансформаторы включают параллельно. Существуют условия параллельного включения трансформаторов:

1)Трансформаторы должны иметь одинаковые значения напряжения "холостого хода" или коэффициенты трансформации. При несоблюдении этого условия возникает уравнительный ток (IУР), обусловленный разностью вторичных напряжений DU,

где R_вн1, R_вн2 - внутренние сопротивления трансформатора. При этом трансформатор с более высоким вторичным напряжением "холостого хода" оказывается перегруженным.

2)Трансформаторы должны принадлежать к одной группе соединений. Если это условие не выполняется, то появляется уравнительный ток, обусловленный разностной ЭДС трансформатора:

3)Трансформаторы должны иметь одинаковые значения напряжения короткого замыкания. Трансформатор с меньшим напряжением короткого замыкания перегружается.

Автотрансформатор. Особенности устройства и рабочего процесса в автотрансформаторе. Преимущества и недостатки автотрансформаторов. Область их применения. Измерительные трансформаторы. Трансформаторы для дуговой электросварки. Умножители частоты. Преобразователи числа фаз. Магнитные усилители.

Автотрансформаторомназывают такой трансформатор, у которого обмотка низшего напряжения электрически (гальванически) связана с обмоткой высшего напряжения.

Принципиальная схема. В схеме понижающего автотранс­форматора (рис. 2.40, а) первичное напряжение подводится к зажимам А и X, вторичной обмоткой служит часть первичной обмотки между зажимами а и х, причем зажимы X и х совмещены. Так как в каждом витке обмотки индуцируется одинаковая ЭДС Е=4,44fФ_т, то при холостом ходе напряжение на зажимах ах

где w_ax и w_AX — числа витков, включенных соответственно между зажимами а и х, А и X; к — коэффициент трансформации.

Габаритные размеры, масса, потери мощности. В авто­трансформаторе различают проходную мощность S_пp, пере­даваемую из первичной цепи во вторичную и далее нагрузке, и расчетную или типовую мощность S_paсч, передаваемую во вторичную цепь электромагнитным полем. Мощность S_расч определяет габаритные размеры и массу автотранс­форматора. Если пренебречь потерями, то проходная мощ­ность S_np = E₁I₁ = E₂I₂, а расчетная S_paсч = E₂I_ax, где I_ах-результирующий ток на участке ах обмотки, к которому подключена нагрузка.

На участке ах через обмотку проходит ток, равный векторной сумме токов вторичной и первичной цепей i_ax = I₂ + I_1. Как следует из векторной диаграммы (см. рис. 2.17), токи I₂ и I₁ сдвинуты по фазе приблизительно

При этом S_эм = Е₂I_ах = S_расч — мощность, передаваемая во вторичную цепь электромагнитным полем и являющаяся расчетной мощностью автотрансформатора; S_эл = E₂I_l — мощность, передаваемая в эту цепь вследствие электрической (гальванической) связи между первичной и вторичной цепями.

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

В двухобмоточном трансформаторе S_ЭЛ = 0 и S_pacч=S_np.

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

Чем ближе значение коэффициента транс­формации к к единице, тем меньше расчетная мощность автотрансформатора и тем выгоднее его применять с точки зрения уменьшения массы, габаритных размеров и потерь мощности.

Электрические потери в обмотках автотрансформатора по той же причине могут быть существенно меньшими, чем в обмотках двухобмоточного трансформатора. При номинальном режиме в двухобмоточном трансформаторе электрические потери

В автотрансформаторе I_Aa = I₁, поэтому сечения проводов в первичной обмотке двухобмоточного трансформатора и на участке Аа автотрансформатора одинаковы, а сопротивление

R_Aa<R₁

На участке ах автотрансформатора проходит ток 1_ах = 1₂ (1 — I/k), поэтому сечение провода на этом участке можно выбрать меньшим, чем во вторичной обмотке двухобмоточного трансформатора, и пропорциональным отношению токов, проходящих по участку ах и вторичной обмотке:

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

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

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

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

Области применения. В технике применяют автотрансфор­маторы одно- и трехфазные при необходимости сравнительно небольшого изменения напряжения (при k ≤ 2,5...3). При больших к выгодность от их применения уменьшается.

Силовые автотрансформаторы служат для снижения напряжения при пуске мощных асинхронных и синхронных электродвигателей. Автотрансформаторы малой мощности широко используют в устройствах связи и автоматики, радиоаппаратуре и лабораторных стендах. В последнее время автотрансформаторы большой мощности применяют для соединения высоковольтных сетей различных напряжений (110, 154, 220, 330, 500, 750 кВ).

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

Автотрансформаторы большой мощности редко приме­няют при к>2 во избежание возникновения опасных пере­напряжений во вторичной цепи при появлении атмосферных и коммутационных перенапряжений в первичной цепи (в линиях электропередачи).

Конструкция и принцип работы асинхронной машины. Роль асинхронных машин в народном хозяйстве. Работа асинхронной машины с неподвижным ротором. Схемы замещения. Вращающий момент, механическая характеристика, формулы. Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя с короткозамкнутым и фазным ротором.

Асинхронные машины являются наиболее широко применяемыми в современных электроприводах, это самый распространенный вид электрических машин переменного тока. асинхронная машина обратима и может работать как в двигательном , так и в генераторном режимах. мощность асинхронных двигателей, составляет диапазон от долей ватт до тысяч киловатт при напряжении питающей сети от десятков вольт до 10 кВ. Наибольшее применение имеют трехфазные асинхронные двигатели, рассчитанные на работу от сети промышленной частоты (50 Гц).

Устройство асинхронной машины.Неподвижная часть машины, называемая статором, представляет собой полый шихтованный цилиндр (сердечник статора) с продольными пазами на внутренней поверхности, располагаемый внутри одного из элементов оболочки машины, называемого станиной. В пазах сердечника статора уложена обмотка статора. Сердечник статора изготовлен из листовой электротехнической стали, которая в отличие от электротехнической стали силовых трансформаторов является изотропной. Как и в трансформаторе, листы электротехнической стали изолированы друг от друга. Вращающаяся часть машины, называемая ротором, располагается во внутренней полости сердечника статора и состоит из сердечника ротора, обмотки и вала. Ротор и статор разделены воздушным зазором. На наружной поверхности сердечника ротора имеются продольные пазы, в которых размещается обмотка ротора. Ротора могут выполняться двух видов: фазные и короткозамкнутые. Обмотка фазного ротора подобна обмотке статора, соединена в звезду и начала её фаз подключены к контактным кольцам, расположенным на валу, для введения добавочного сопротивления или добавочной ЭДС. Контактные кольца изолированы друг от друга и вала. Обмотка короткозамкнутого ротора отливается из сплава алюминия. Сплав заполняет пазы сердечника ротора и электрически соединяет их между собой торцевыми замыкающими кольцами с одновременно отливаемыми вентиляционными лопатками. На валу расположены два подшипника, устанавливаемые в подшипниковых щитах. Подшипниковые щиты крепятся к станине. Если асинхронная машина имеет на одном из выходных концов вала вентилятор наружного обдува, то он закрывается защитным кожухом. Кожух имеет торцевые отверстия для входа охлаждающего воздуха и направляет воздушный поток вдоль оребренной станины. На станине располагается коробка выводов, внутри которой закреплены клеммы обмотки статора и к ним подводится питающее напряжение.