Принцип работы трансформатора

В заключении выделим основные позиции для определения группы соединения трансформатора:

1) построить вектор линейного напряжения первичной обмотки по известным фазным напряжениям;

2) определить векторы фазных напряжений вторичной обмотки;

3) построить вектор линейного напряжения вторичной обмотки;

4) рассматривая вектор линейного напряжения как большую стрелку часов, поместим его на цифру 12;

5) рассматривая вектор вторичного напряжения как малую стрелку часов, поместить эту стрелку на циферблат в полном соответствии с фазовым сдвигом двух указанных векторов на векторной диаграмме;

6) показание часов определит группу соединения трансформатора.

При определении группы соединения особое внимание следует обратить на порядок следования фаз трехфазного трансформатора. Порядок следования фаз первичной обмотки должен соответствовать порядку следования фаз вторичной обмотки.

12. Специальные трансформаторы

Автотрансформаторы

Конструкцию трансформатора классического вида с двумя изолированными обмотками можно упростить. Поскольку магнитный поток магнитопровода наводит в первичной обмотке ЭДС, равное напряжению, подведенному к этой обмотке, а обмотка имеет определенное количество витков, то всегда можно определить напряжение, наведенное в одном витке обмотки. С другой стороны, между двумя точками обмотки заключено такое количество витков, в которых будет наводиться ЭДС, пропорциональная этому количеству витков и равная необходимому для использования напряжению. Следовательно, если допустить наличие гальванической связи между первичными и вторичными электрическими цепями трансформатора, то необходимость в использовании вторичной обмотки отпадает. Полученное таким образом устройство получило название «автотрансформатор». Схематическое изображение автотрансформатора представлено на рис. 5.33.

Рис. 5.33

Поскольку первичное напряжение постоянно, магнитный поток трансформатора тоже не изменяет амплитуду. Этот магнитный поток наводит в каждом витке обмотки ЭДС, величина которой практически не зависит от тока этой обмотки. Следовательно, распределение напряжения по обмотке можно рассматривать пропорциональным количеству витков и не зависящим от тока обмотки.

Напряжения, токи и количество витков автотрансформаторов имеют примерно такую же связь между собой, как и у трансформаторов

.

В части обмотки (см. рис. 5.33) проходят два тока и . Пренебрегая током намагничивания и учитывая фазовый сдвиг между токами и , можно предположить, что ток общей части обмотки равен разности токов , если автотрансформатор является понижающим.

Если коэффициент трансформации близок к единице, то первичный и вторичный токи имеют один и тот же порядок и их разность имеет малую величину относительно каждого из них. В этом случае следует заметить, намагничивающий ток имеет тот же порядок, что и разность . Учитывая это, общую часть обмотки можно изготовить с таким же количеством витков, но проводом меньшего диаметра с расчетом на прохождение разностного тока . Сердечник автотрансформатора может быть выбран с меньшей массой.

С увеличением коэффициента трансформации эти выгоды теряются, а общую часть обмотки приходится изготавливать проводом большего сечения из расчета прохождения второго тока. Большего сечения должен быть и провод первичной обмотки.

Основным недостатком автотрансформатора является наличие гальванической связи обмоток. Последнее не позволяет использовать автотрансформаторы в распределительной сети, так как остается возможным поражение потребителей высоким первичным напряжением. Поэтому в сетях электропитания используются обычные трансформаторы, позволяющие надежно изолировать первичную и вторичную обмотки.

Трехфазные автотрансформаторы обычно изготавливаются исходя из системы соединения «звезда - звезда» (рис. 5.34). В этом случае имеется возможность глубокого регулирования выходного напряжения. Выходное и входное напряжения в этом случае совпадают по фазе.

Рис. 5.34

Весьма интересно соединение обмотки автотрансформатора «треугольником» (рис. 5.35). При изменении положения подвижных контактов автотрансформатора точки a, b, c (см. векторную диаграмму рис. 5.35) «скользят» по векторам линейных входных напряжений.

Рис. 5.35

Точка a, например, пройдет из точки A в точку B. Точка b
из точки B перейдет в точку C. Как следует из векторной диаграммы, выходные напряжения могут быть изменены от входного напряжения до напряжения, вдвое меньшего входного. Однако такой автотрансформатор позволяет в широких пределах (до 180 градусов) изменять начальную фазу выходных напряжений. Это весьма важное свойство используется при фазовом управлении.

Измерительные трансформаторы

Эксплуатация силовых электроустановок требует измерения электрических величин в широком диапазоне их значений. Создание приборов для измерения очень высоких напряжений или затруднено, или просто невозможно из-за ограниченности электрической прочности материалов. С другой стороны, это просто опасно для обслуживающего персонала.

Измерение токов тоже вызывает определенные затруднения. Сходные проблемы возникают и при создании устройств автоматической защиты электроустановок. Необходимость расширения измеряемого диапазона достаточно просто решается применением измерительных трансформаторов. Необходимость использования измерительных трансформаторов диктуется еще стремлением унифицировать измерительные устройства, т. е. стремлением использовать одни и те же приборы для измерения электрических величин различного порядка.

Для подключения вольтметров и цепей напряжения некоторых аппаратов используется трансформатор напряжения. Для включения амперметров или токовых цепей различных аппаратов и реле используются трансформаторы тока.

Трансформатор напряжения напоминает обычный трансформатор достаточно малой мощности. Его первичная обмотка имеет большое количество витков и подключается к точкам, напряжение между которыми необходимо измерить. Вторичная обмотка замкнута на вольтметр или на зажимы цепей напряжения других аппаратов защиты или измерительных приборов. Все измерительные цепи аппаратов включаются в этом случае параллельно (рис. 5.36).

Рис. 5.36

Сопротивления вольтметра и цепей напряжения других измерительных аппаратов относительно большие, поэтому можно сделать заключение о том, что трансформаторы напряжения работают в условиях, близких к режиму холостого хода силового трансформатора. Падение напряжения на внутренних сопротивлениях трансформатора относительно мало, поэтому допускают, что напряжения трансформатора равны соответствующим ЭДС

, и .

Вторичное напряжение равно первичному, деленному на постоянную, равную коэффициенту трансформации. Необходимо отметить, что вторичное напряжение находится в противофазе по отношению к первичному напряжению. Точная передача начальной фазы напряжения очень важна для измерительных приборов и приборов защиты, в которых основную роль играет фазовый сдвиг между напряжением и током. К таким приборам следует отнести фазометры, ваттметры и счетчики электрической энергии. Схема включения приборов с измерительным трансформатором напряжения представлена на рис. 5.36. Если вольтметр работает с одним измерительным трансформатором, то его шкалу можно проградуировать в величинах первичного напряжения. Номинальное вторичное напряжение всех измерительных трансформаторов имеет стандартное выходное напряжение величиной 100 вольт.

Наличие падения напряжения на внутренних сопротивлениях измерительного трансформатора напряжения вызывает ошибку коэффициента трансформации и фазовую ошибку. Ошибка коэффициента преобразования выражается в процентах. Это есть ошибка измерения первичного напряжения, отнесенная к реальной величине этого напряжения

%.

Фазовая ошибка определяется углом между первичным напряжением и вектором вторичного напряжения, повернутого по фазе на 180 .

Рис. 5.37

Измерительные трансформаторы тока включаются последовательно с нагрузкой (первичная обмотка) (рис. 5.37). Вторичная обмотка подключена непосредственно к амперметру и к токовым цепям других измерительных приборов. Общее сопротивление токовых цепей вторичной обмотки относительно мало, и поэтому измерительные трансформаторы токов работают в режиме, близком к режиму короткого замыкания силовых трансформаторов. Напряжение вторичной обмотки достаточно мало, и его значение достигает 1…6 В. Это говорит о том, что намагничивающая сила пренебрежительно мала и можно принять, что

,

где коэффициент трансформации тока. Номинальный вторичный ток всех токовых трансформаторов имеет одно стандартное значение 5 ампер.

У измерительных токовых трансформаторов различают ошибку по току и фазовую ошибку. Эти ошибки определяются таким же образом, как и ошибки измерительного трансформатора напряжения.

Первичный ток трансформаторов значительно больше вторичного тока, и поэтому количество витков первичной обмотки значительно меньше количества витков вторичной обмотки .

Увеличивая сопротивление вторичной обмотки трансформатора тока, мы практически не оказываем влияния на ток , но уменьшается размагничивающее действие второго тока и в значительной степени возрастает намагничивающая сила . Выходное напряжение трансформатора резко увеличивается до такой величины, что может быть опасным для обслуживающего персонала, поэтому вторичную обмотку и стальной кожух трансформатора заземляют. При сильных токах первичная обмотка представляется одним проводником, проходящим через окно сердечника трансформатора. Падение напряжения на первичной обмотке очень мало и составляет сотые доли вольта, тогда как вторичное напряжение достигает нескольких вольт. Таким образом, трансформаторы тока не допускают режима холостого хода. Магнитные системы магнитопровода измерительных трансформаторов работают на линейном участке кривой намагничивания.

13. Параллельная работа трансформаторов

Проблема параллельного включения трансформатора возникает тогда, когда один из имеющихся в наличии трансформаторов не обеспечивает достаточную мощность, необходимую потребителю. Увеличение мощности трансформаторной подстанции можно получить или заменой трансформатора более мощным, или включением параллельно первому второго трансформатора. При параллельной работе первичные обмотки трансформаторов потребляют энергию из одной сети, а вторичные обмотки питают одну и ту же нагрузку. Мощность потребителя распределится между трансформаторами равномерно, если оба параллельно работающие трансформаторы идентичны. Однако чаще всего включаются параллельно трансформаторы разной мощности. Мощность потребителя в идеальном случае должна распределяться между трансформаторами пропорционально их номинальной мощности. В противном случае один из трансформаторов будет перегружаться, а другой трансформатор будет работать в облегченном режиме.

Схема параллельного включения однофазных трансформаторов представлена на рис. 5.38.

Рис. 5.38

Ранее отмечалось то, что фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями трансформатора зависит от способа соединения обмоток. Если соединение обмоток трансформаторов различно, то даже при равенстве модулей выходных напряжений параллельное включение трансформаторов может привести к короткому замыканию и выходу из строя трансформаторов.

Параллельная работа трансформаторов возможна при выполнении трех условий:

1) трансформаторы должны иметь одинаковую группу соединений;

2) они должны иметь одинаковые первичные и вторичные номинальные напряжения;

3) они должны иметь одинаковые напряжения короткого замыкания.

Два первых условия исключают возможность появления значительных уравнительных токов трансформаторов, работающих в режиме холостого хода, вызванных несовпадением фазных напряжений или неравенством амплитуд электродвижущих сил вторичных обмоток. Третье условие должно удовлетворяться для того, чтобы распределение нагрузки между двумя параллельно включенными трансформаторами было бы пропорционально их номинальным мощностям.

Для понимания процесса перераспределения нагрузки между трансформаторами, заменим их приведенными трансформаторами. Сопротивление нагрузки также приведем к первичной обмотке.

Учитывая то, что токи параллельных намагничивающих цепей малы по сравнению с номинальными токами первичных обмоток, пренебрежем этими ветвями в схемах замещения, и трансформаторы, включенные параллельно, будут представлены в эквивалентной схеме двумя сопротивлениями короткого замыкания (рис. 5.39), включенными параллельно.

Рис. 5.39

Если сопротивление короткого замыкания первого трансформатора , а второго , то ток нагрузки распределится обратно пропорционально сопротивлениям и .

.

Если напряжения короткого замыкания равны, то имеем

и ,

где номинальная мощность первого трансформатора;

номинальная мощность второго трансформатора;

, , сопротивление, ток и мощность первого трансформатора;

, , сопротивление, ток и мощность второго трансформатора.

Таким образом, мощность нагрузки между трансформаторами распределяется пропорционально их номинальным мощностям.

Параллельная работа трансформаторов может быть проанализирована с использованием внешних характеристик. Внешней характеристикой называют зависимость при постоянном входном напряжении и постоянном коэффициенте мощности нагрузки . У силовых трансформаторов при номинальном вторичном токе и коэффициенте мощности нагрузки напряжение короткого замыкания составляет 5,5…10,5 % и падение напряжения при изменении тока нагрузки от нуля до номинального тока составляет 5…8 % номинального напряжения. В случае включения в параллельную работу трансформаторов одного типа одинаковой номинальной мощности внешние характеристики будут совпадать, и ток одного трансформатора будет всегда равен половине тока нагрузки.

Если номинальные мощности трансформаторов различны, а напряжения короткого замыкания равны, то при номинальных токах падения напряжения в трансформаторах будут равными. Внешние характеристики таких трансформаторов представлены на рис. 5.40. Если сопротивление нагрузки увеличится вдвое, то и токи трансформаторов увеличатся вдвое.

Рис. 5.40

На рис. 5.40 кривая 1 представляет собой внешнюю характеристику первого трансформатора, а кривая 2 второго. При увеличении тока нагрузки при равенстве напряжений короткого замыкания внутреннее падение напряжения первого трансформатора происходит при номинальном токе , а второго трансформатора , причем . Мощность нагрузки перераспределится между трансформаторами пропорционально их номинальной мощности.

Размещено на Allbest.ru