Содержание
Предыдущий § Следующий

Глава восемнадцатая РАЗНОВИДНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

§ 18-1. Трехобмоточные трансформаторы

Широкое применение в энергетике нашли трехобмоточные трансформаторы (рис. 48-1), у которых имеется одна первичная и две вторичные обмотки. Такие трансформаторы используются на электрических станциях и подстанциях для питания распределительных сетей с различными номинальными напряжениями и позволяют достичь экономии в капитальных затратах за счет установки

меньшего количества трансформаторов.

Будем считать, что обмотки 2 и 3 приведены к числу витков

Рис. 18-1. Трехобмоточный трансформатор

Рис. 18-2. Упрощенная схема замещения трехобмоточного трансфер-матора

обмотки /, для чего введены коэффициенты приведения, или трансформации:

Схема замещения трехобмоточного трансформатора, в отличие от схемы замещения двухобмоточного трансформатора (см. рис. 14-5 и 14-6) будет иметь две вторичные цепи. У мощных трехобмоточных силовых трансформаторов намагничивающий ток мал и им можно пренебречь. Схема замещения таких трансформаторов показана на рис. 18-2. Из рисунка видно, что изменение' нагрузки одной вторичной обмотки влияет на напряжение другой вторичной обмотки, так как при этом изменяется падение напряжения первичной обмотки Z_xl_x.

Векторные диаграммы трехобмоточного трансформатора можно составить на основе схемы замещения рис. 18-2, они имеют вид, показанный на рис, 18-3,

Параметры схемы замещения рис. 18-2 можно определить расчетным путем или из данных трех опытоб короткого замыкания трехобмоточного трансформатора (рис. 18-4). По опытным значениям сопротивлений короткого замыкания

По аналогичным формулам через активные и- индуктивные составляющие Z_Kl2» Z_Ki₃, 2_к23 выражаются также г_ъ г_%, г₃ и х_х, х₂,х₃.

Данные опыта короткого замыкания между обмотками 2 и 3 должны быть приведены к первичной обмотке с коэффициентом приведения

В опытах короткого замыкания определяются также напряжения короткого замыкания н_к12, ы_к13, м_к23, значения которых в относительных единицах равны соответствующим сопротивлениям короткого замыкания. Следует отметить, что индуктивное сопротивление рассеяния обмотки, расположенной между двумя другими, близко к нулю или имеет небольшое отрицательное значение, что формально эквивалентно емкостному сопротивлению. Возможность появления отрицательных индуктивных сопротивлений рассеяния связана с тем, что, согласно соотношениям

(14-31) и (14-32), для двух обмоточных трансформаторов они определяются разностью двух (в более общем случае — нескольких) величин и эта разность может оказаться отрицательной.

Рис. 18-3. Векторная диа-

грамма трехобмоточного

трансформатора

Рис. 18-4. Схемы опытов короткого замыкания трехобмоточного трансформатора

Практикуется изготовление трехобмоточных трансформаторов со следующими вариантами соотношений номинальных мощностей трех обмоток:

1)                             100%, 100%, 100%;

2)                              100%, 100%, 67%;

3)                              100%, 67%, 100%;

4)                              100%, 67%, 67%.

Напряжения короткого замыкания ы_кИ, и_к13, и_км определяются при токах, которые соответствуют номинальной мощности наиболее мощной (первичной) обмотки.

Трехфазные трансформаторы выполняются с

группами соединений Y₀/Y₀/A-0-11 или Y₀/A/A-ll-ll, а однофазные — с группой соединений I/I/I-0-0.

Трехобмоточные трансформаторы с двумя первичными обмотками и одной вторичной (рис. 18-5) изготовляются для установки на мощ-

Рис. 18-5. Трехобмоточный трансформатор с двумя первичными обмотками

ных электростанциях. При этом первичные обмотки имеют одинаковое номинальное напряжение и к ним присоединяется по одному мощному генератору, а вторичная обмотка, имеющая две параллельные ветви, соединяется через подстанцию с линиями передачи. Транс* форматоры выполняются однофазными и соединяются в трехфазную группу.

При таком устройстве трансформатора облегчается изготовление первичных обмоток, имеющих большие токи, и в случае короткого замыкания на зажимах одного генератора между двумя генераторами действуют активные и индуктивные сопротивления двух первичных обмоток трансформатора, что приводит к уменьшению тока короткого замыкания.

§ 18-2. Автотрансформаторы и трансформаторы последовательного включения

Автотрансформаторы. В обычных трансформаторах первичные и вторичные обмотки имеют между собой только магнитную связь^ В ряде случаев вместо таких трансформаторов экономически целессй образно применять трансформаторы, в которых первичные и вторичные обмотки имеют также электрическую связь, Такие трансфор^ маторы называются автотрансформаторами.

В автотрансформаторе (рис. 18-6) первичная обмотка w\ вклки чается в сеть параллельно, а вторичная ау₂ — последовательно^ Устройство обмоток и их расположение на стержнях такие шщ как и в обычном трансформаторе, однако ввиду электрической связи обмоток изоляция каждой из них относительно корпус^ должна быть рассчитана на напряжение сети высшего напряже* ния {/„.„,

На рис. 18-6 показаны две возможные схемы соединения обмото» трансформатора, причем каждая схема представлена в двух различных изображениях. На рис. 18-6,а первичная обмотка включается в сеть низшего напряжения £/„. _н, а на рис. 18-6, б — в сеть высшегй напряжения U_{B H}. В обоих случаях напряжение вторичной обмотки и_г складывается с напряжением £/„.„, и при пренебрежении падениями напряжения

Автотрансформатор может служить как для повышения, так й для понижения напряжения. В первом случае сеть с напряжением [/„ _н на рис. 18-6 является первичной и энергия передается из этой сети в сеть с напряжением £/_в._н. Во втором случае первичной; является сеть с напряжением £/_в-а и направление передачи энергии изменяется на обратное.

Рассмотрим энергетические соотношения в автотрансформаторе, пренебрегая потерями, падениями напряжения и намагничивающим током.

Э. д. с. и токи обмоток автотрансформатора связаны такими же соотношениями, как в обычном трансформаторе:

Рис. 18-6. Схемы однофазных автотрансформаторов

С другой стороны, коэффициент трансформации напряжений и токов яервичной и вторичной сетей у автотрансформатора

отличается от отношения чисел витков w_x и ш₂.

Внутренняя, или расчетная, мощное т-ь автотрансформатора, передаваемая посредством магнитного поля из первичной обмотки во вторичную, как и в обычном трансформаторе, равна

Внешняя, или проходная, мощность автотранс ф.о р м а т о р а, передаваемая из одной сети в другую и равная

больше S_p, так как часть мощности передается из одной сети в дру ^Гую непосредственно электрическим путем. Расход материалов,

габариты и стоимость автотрансформаторов определяются мощностью S_p, и так как у автотрансформатора S_p <C 5_пр, то в принципе применение автотрансформаторов выгоднее применения обычных трансформаторов, в которых S_p = S_np. Для схемы рис. 18-6, а

Из полученных соотношений видно, что для схемы рис. 18-6, а S_p при прочих равных условиях в k_ip раз меньше, чем для схемы

рис. 18-6, б. Это обусловлено тем, что напряжение вторичной обмотки U₂ в обеих схемах одина-

Таблица 18-1

Отношение расчетных и проходных мощностей автотрансформаторов _{КОВО) но в схше рис 18}._{6) б эт}^

обмотка нагружена в k_rp раз* большим током. Поэтому на практике предпочитают применять схему рис. 18-6, а.

В табл. 18-1 приведены значения отношений S_p/S_np при разных значениях k_Tp для обеи^ схем рис. 18-6.

Из данных этой таблицы видно, что применение автотрансформаторов тем выгоднее, чем k_rp ближе к единице. Обычно автотрансформаторы используются при k_Tp s£ 2,5. В последнее время они находят все более широкое применение для соединения высоковольтных сетей разных напряжений (ПО, 154, 220, 330, 500 кв) энергетических систем. Они применяются также в различных радиотехнических устройствах и в ряде других случаев.

Потери и напряжение короткого замыкания, отнесенные к расчетной номинальной мощности и к номинальному напряжению вторичной обмотки автотрансформатора, примерно такие же, как и в обычных трансформаторах. Однако если эти величины отнести к проходной мощности и к номинальному напряжению сети, то они примерно в 5_пр/5_р раз меньше, чем в обычных трансформаторах. Это объясняется тем, что обмотка с числом витков иу₂ рассчитана только на часть напряжения (/„ _н и поэтому ее сопротивление меньше, чем в обычном трансформаторе, а в обмотке с числом витков w_t

Рис. 18-7. Схемы трехфазных автотрансформаторов

протекает только Часть тока /„.„• Поэтому к. п. д. передачи энергии при применении автотрансформаторов увеличивается, а падения напряжения уменьшаются. Вместе с тем увеличиваются также токи короткого замыкания.

В трехфазных установках обмотки автотрансформаторов обычно соединяются в звезду (рис. 18-7, а). При этом для устранения третьих гармоник в потоках и э. д. с. фаз применяется третичная обмотка малой мощности с соединением в треугольник. При соединении обмотки в треугольник (рис. 18-7, б) коэффициент трансформации может изменяться в пределах k_Tp = 1 -*- 2. Эта схема используется в редких случаях. В энергетических системах находят применение трехобмоточные трансформаторы, в которых обмотки высшего и среднего напряжения имеют автотрансформаторную связь и соединяются в звезду, а обмотка низшего напряжения имеет с остальными обмотками трансформаторную связь и соединяется в треугольник.

Трансформаторы последовательного включения. В § 15-3 был рассмотрен способ регулирования вторичного напряжения трансформатора путем выполнения ответвлений от его обмотки. В некоторых случаях (например, трансформаторы предельной мощности и напряжения) осуществление такого способа регулирования напряжений затруднительно. Иногда требуется дополнительное регулирование напряжения отдельных ветвей замкнутых Высоковольтных сетей с целью перераспределения потоков мощности между отдельными ветвчми сети. В этих случаях находят применение трансформаторы последовательного включения ТПВ (рис. 18-8), у которых вторичная обмотка включается в сеть последовательно, а первичная питается от специального трансформатора РТ, регулируемого под нагрузкой. У последнего в общем случае имеются две вторичные обмотки d и q. Одна из них (обмотка d) создает продольную составляющую напряжения U_lAd, совпадающую по фазе с напряжением рассматриваемой фазы сети или сдвинутую относительно его на 180°, а другая (обмотка q) — поперечную составляющую напряжения U_lAq, сдвинутую относительно напряжения рассматриваемой фазы сети на 90°. Напряжения U_lAd и U_lA. можно регулировать независимо друг от друга, и в результате первичное напряжение трансформатора ТПВ

Рис. 18-8. Трансформатор последовательного включения

а также его вторичное напряжение U_iA, складывающееся с напряжением сети U_Al можно изменять по величине и по фазе. Напряжение сети за ТПВй'_А = й_А + &₂А-Регулирование напряжений всех фаз производится одновременно.

Трансформаторы с двумя обмотками d и q вследствие их сложности и дороговизны применяются относительно редко. Чаще используются трансформаторы только с обмоткой d, позволяющие осуществлять продольное регулирование напряжения.

Л

Щетка Изоляция

Рис. 18-9. Трансформатор со скользящими контактами

§ 18-3. Трансформаторы с плавным регулированием напряжения

В § 15-3 были рассмотрены способы ступенчатого регулирования напряжения трансформаторов путем изменения чвсла включенных в работу витков одной из обмоток. Однако в ряде случаев возникает необходимость более плавного регулирования напряжения, притом в широких пределах. Разработан ряд способов такого регулирования напряжения, которые нашли практическое применение.

Одним из таких способов является применение контактных щеток, скользящих по неизолированной внешней поверхности обмотки (рис. 18-9, о), благодаря чему достигается плавное изменние числа включенных в работу витков обмотки. Такой метод широко используется в маломощных лабораторных автотрансформаторах. В более мощных трансформаторах н

автотрансформаторах необходимо применять двойные комплекты щеток и .сопротивления с целью ограничения тока короткого замыкания при замыканий щетками соседних витков (рис. 18-9, б). Рассматриваемые трансформаторы строятся мощностью до 250 кв • а и используются для освещения театральных Сцен # в некоторых других случаях.

Некоторое применение находят также трансформаторы с подвижными обмотками и сердечниками. На рис. 18-10 изображен трансформатор с двумя первичными обмотками 1, включенными параллельно, и вторичной обмоткой 2, расположенной на подвижном сердечнике. При движении сердечника вниз из положения, показанного на рис. 18-10, а, потокосцепление с обмоткой 2 плавно меняется и напряжение обмотки также плавно меняется от значения + 1/₂

(рис. 18-10, б) до— и_г (рис. 18-10, г$ при нижнем крайнем положении сердечника, когда обмотка 2 будет находиться напротив нижней обмотки /.

В последнее время расширяется применение трансформаторов с элементами, подмагничиваемыми постоянным током. Предложено значительное количество разновидностей таких трансформаторов. Рассмотрим в качестве примера один из подобных трансформаторов {рис. 18-11).

Рис. 18-10. Трансформатор с подвижной вто* ричной обмоткой

На рис. 18-11 представлен однофазный двухобмоточный трансформатор, первичная и вторичная обмотки которого расположены на разных стержнях, а между стержнями имеется'магнитный шунт, набранный, как и сердечники, из листовой электротехнической стали. Благодаря такому устройству обмотки трансформатора имеют пониженную электромагнитнуюсвязь и большоерассеяние.

Полезный поток Ф_с замыкается через крайние сердечники. Если пренебречь небольшим намагничивающим током, то токи 1_Х и /₂ находятся в противофазе и создают потоки рассеяния Ф_1(Т и Ф_асг, которые замыкаются в основном через шунт и складываются в нем. Вследствие большого рассеяния падения напряжения в сопротивлениях рассеяния jxJi и /jc₂/₂ велики, что приводит к значительному уменьшению вторичного напряжения.

Магнитный шунт подразделен на две части, на каждой из которых расположена половина подмагни-чивающей обмотки, питаемой по-

18-11. Однофазный трансформатор с подмагничиваемым шунтом

стоянным током (-. Эти половины обмотки включены так, что создаваемый ими постоянный магнитный поток Ф= замыкается в пределах

шунта. Чем больше i=, тем больше Ф= и тем сильнее насыщается шунт, р результате чего Ф₀1 и Ф^-уменьшаются. Это приводит к повышению вторичного напряжения t/₂. Таким образом, путем регулирования (= можно регулировать величину Ц_г,

Часть вторичной обмотки можно расположить на общем стержне с первичной обмоткой. Это приведет к усилению электромагнитной связи, уменьшению рассеяния и уменьшению диапазона регулирования U%- Поэтому диапазон регулирования (7₂ определяется распределением витков вторичной обмотки между двумя стержнями.

§ 18-4. Другие разновидности трансформаторов

Сварочные и печные трансформаторы. Для электрической дуговой сварки применяются трансформаторы с вторичным напряжением, обеспечивающем надежное зажигание и устойчивое горение дуги. Для ручной сварки используются трансформаторы с напряжением при холостом ходе 60—75 в и при номинальной нагрузке 30 в. Для ограничения сварочного тока при коротком замыкании и устойчивого горения дуги трансформатор должен иметь круто падающую внешнюю характеристику U_t=* f (/₂) (см. § 11-1), а сварочная цепь — значительную индуктивность (cos ф = 0,4 4- 0,5). Для регулирования величины сварочного тока величина этой индуктивности должна быть регулируемой.

Широко используются сварочные трансформаторы с дополнительной регулируемой реактивной катушкой (рис. 18-12). При уменьшении с помощью соответствующего механизма зазора ё в магнитной цепи катушки ее индуктивность возрастает.

Однопостовые трансформаторы для ручной дуговой еварки изготовляются мощностью до 30 кв-а, а для автоматической сварки — до 100 кв-а и более. Для контактной электросварки выпускаются трансформаторы мощностью да 1000 кв-а при напряжении холостого хода До 36 в.

Рис. 18-12. Сварочный трансформатор с реактивной катушкой

Для дуговых сталеплавильных печей применяются трехфазные трансформаторы, согласно ГОСТ 7207—70, мощностью до 25000 кв-а, со ступенчатым регулированием вторичного напряжения в пределах 110—420 в. Регулирование напряжения осуществляется комбинированием следующих приемов: 1) переключения первичной обмотки со звезды на треугольник; 2) устройства отводов в первичной обмотке; 3) переключения отдельных групп вторичных витков с параллельного соединения на последовательное.

Выпрямительные трансформаторы. Условия работы трансформаторов, питающих ионные и полупроводниковые выпрямители, имеют ряд существенных особенностей, которые

должны быть приняты во внимание при проектировании и эксплуатации этих трансформаторов.

В выпрямительных установках отдельные вентили и фазы вторичной обмотки трансформатора работают поочередно. Поэтому в каждый момент времени трансформатор нагружен несимметрично и необходимо выбрать такую схему соединения обмоток, которая обеспечивает нормальные условия намагничивания сердечника трансформатора и равновесие н. с. на каждом стержне.

Вследствие попеременной работы отдельных фаз вторичные и первичные токи трансформатора несинусоидальны и содержат ряд высших гармоник. В общем случае гармонический состав первичных и вторичных токов различен и поэтому полные мощности mUI обмоток также различны. За номинальную мощность трансформатора при этом принимается полусумма полных мощностей-пер-вичной и вторичной обмоток.

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения и тока, а также для уменьшения гармоник тока в первичной обмотке целесообразно увеличивать число фаз вторичной обмотки трансформатора.

В ионных многоанодных вентилях возможны так называемые обратные зажигания, когда возникают дуги между отдельными анодами, что эквивалентно короткому замыканию. При этом возможно нарушение равновесия н. с. первичных и вторичных обмоток, что приводит к возникновению весьма значительных электромагнитных сил, действующих на обмотки. Поэтому крепление обмоток выпрямительных трансформаторов должно быть особенно надежным.

В СССР для мощных промышленных установок чаще всего применяются трансформаторы с шестифазной вторичной обмоткой (рис. 18-13), с уравнительной реактивной катушкоймежду нейтралями «прямой» и «обратной» трехфазных групп вторичной обмотки. Назначение этой катушки заключается в том, что она обеспечивает в каждый момент времени параллельную работу двух вентилей и двух соседних фаз вторичной обмотки, имеющих сдвиг э. д. с. 60°. Этим достигается лучшее использование трансформатора. Такой режим работы обеспечивается тем, что э. д. с, индуктируемые в двух половинках катушки, выравнивают напряжения в цепях одновременно работающих двух фаз.

Измерительные трансформаторы тока и напряжения применяются: 1) для отделения цепи измерительных приборов и защитных реле от сети высокого напряжения в целях безопасности обслуживания и облегчения изоляции их токоведущих частей и 2) для преобразования тока и напряжения в величины, удобные для измерения стандартными приборами (амперметры на 1 и 5 а, вольтметры до 100 в). Трансформаторы тока изготовляются на номинальные мощности вторичных обмоток 5—100 в-а, а трансформаторы напряжения — на 25—1000 в-а.

Первичная обмотка трансформатора тока Л1—Л2 включается последовательно в измерительную цепь, а вторичная обмотка И1—И2 замыкается на измерительные или защитные приборы, имеющее малые внутренние сопротивления и включаемые последовательно друг с другом (рис. 18-14). Поэтому трансформатор тока работает в режиме, близком к короткому замыканию.

Согласно схеме замещения трансформатора (см. рис. 14-5, б),

где Z'_Hr — приведенное значение сопротивления нагрузки (приборов) во вторичной цепи.

В идеальном случае, когда Z£ = Z'_Hr = 0 или /^ = = — Д, погрешность трансформатора по величине тока и углу сдвига б (рис. 18-14) равна нулю. Поэтому необ- Рис. 18-14. Схема ходимо стремиться к тому, чтобы сумма Z^ + Z^_T была включения и век-значительно меньше Z_M.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       торная диаграмма

Трансформаторы тока изготовляются с классами точ- трансформатора ности 0,2; 0,5; 1; 3 и 10. Эти цифры указывают допусти-                                                                                                                                                                                  ^тока

мую токовую погрешность в процентах при номинальном токе. Угловая погрешность для первых трех классов не должна превышать соответственно 10, 40 и 80', а для классов 3 и 10 эта погрешность не нормируется.

В рабочем режиме трансформатора тока его магнитный поток весьма мал и состояние его сердечника далеко от насыщения, что способствует уменьшению погрешностей ввиду уменьшения намагничивающего тока. Нельзя допускать размыкания вторичной цепи трансформатора тока, так как при этом размагничивающее действие вторичного тока исчезает и поток трансформатора возрастает в десятки и сотни раз. На вторичной стороне возникает опасное для жизни напряжение, а сам трансформатор может выйти из строя вследствие пробоя изоляции или чрезмерного нагрева сердечника в результате увеличения магнитных потерь.

В зависимости от величины первичного напряжения и тока, а также условий работы (наружные и внутренние установки, лабораторные трансформаторы и т. д.) конструктивное выполнение трансформаторов тока бывает весьма различным. Часто они имеют несколько вторичных обмоток, намбтанных на различных сердечниках и имеющих различные классы точности.

Измерительные и защитные приборы, питаемые от трансформатора напряжения, подключаются к его вторичным обмоткам параллельно. Трансформаторы напряжения работают в условиях, близких к холостому ходу, т. е. сопротивление их нагрузки Z^_r велико по сравнению с сопротивлениями обмоток Zj и Z'_v При этом

падения напряжения в обмотках трансформатора относительно малы и погрешность трансформатора также мала.

При конструировании трансформатора стремятся к возможному уменьшению сопротивлений обмоток Z_t и Z'_%. Трансформаторы напряжения изготовляются с классами точности 0,2; 0,5; 1 и 3. Конструктивное выполнение этих трансформаторов также весьма разнообразно.

Рис. 18-14. Схема включения и векторная диаграмма трансформатора тока

Пик-трансформаторы (рис. 18-15) дают вторичное напряжение в виде резкого, весьма кратковременного импульса и применяются для зажигания дуги в управляемых ионных приборах (тиратроны, игнитроны и др.)- Такая форма вторичного напряжения получается в результате применения весьма сильно насыщающегося сердечника трансформатора, когда магнитный поток на протяжении почти всего полупериода почти постоянен и резко изменяется только при перемене своего направления. При постоянстве потока (Ф = const)

Рис. 18-15. Схема включения и кривце изменения напряжений пик-трансформатора

и для погашения напряжения и ограничения тока j_x в схему рис. 18-15 вводится сопротивление R.

Реакторы и реактивные катушки со стальным сердечником в сущности не являются трансформаторами, однако по своему устройству аналогичны им. Они имеют только одну обмотку и применяются в электрических цепях в качестве токо-ограничивающих индуктивных сопротивлений и потребителей реактивной мощности. При больших мощностях такие реактивные катушки принято называть реакторами,

Можно представите себе, что реактивная катушка получается в результате удаления из трансформатора вторичной обмотки. При этом реактивная катушка работает как трансформатор на холостом ходу. Однако такая катушка будет иметь относительно малую мощность S = m VI, так как ток холостого хода трансформатора мал. При этом материалы катушки будут в значительной степени недоиспользованы_t а, кроме того, индуктивность катушки будет непостоянна и при синусоидальном напряжении ток не будет синусоидальным. Лучшие результаты получаются, если в магнитной цепи выполнить немагнитные зазоры 6 в виде прокладок из изоляционного материала (рис. 18-16.). Тогда ток и мощность катушки увеличатся, а нелинейность магнитной характеристики сердечника теряет значение, так как магнитное сопротивление такого сердечника определяется главным образом сопротивлением зазоров. Вместо одного зазора обычно выполняют ряд зазоров меньшей величины, чтобы не допустить сильного «выпучивания» магнитного поля из области сердечника в окружающее пространство.

Реакторы и реактивные катушки выполняются как однофазными, так и трехфазными. В некоторых случаях они изготовляются с регулируемым индуктивным сопротивлением. Это достигается изменением числа витков или изменением величины воздушных зазоров путем осевого перемещения частей сердечников. Применяются также реактивные катушки с подмагничиванием сердечника постоянным током (см. § 18-3). В этом случае сердечники выполняются без зазоров.

Рис. 18-16. Уст-ройство однофазного реактора со стальным сердечником и воздушными зазорами 6

Содержание
Предыдущий § Следующий