Трехфазные трансформаторы

Содержание:

  1. Назначение и область применения трансформаторов
  2. Устройство трансформатора
  3. Магнитопровод
  4. Обмотки трансформаторов
  5. Бак масляного трансформатора
  6. Крышка бака и выводы
  7. Принцип действия трансформатора
  8. Электрическая схема замещения трансформатора
  9. Коэффициент полезного действия трансформатора
  10. Изменение напряжения вторичной обмотки при нагрузке трансформатора

Назначение и область применения трансформаторов

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной системы переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Трансформаторы - один из основных видов электротехнического оборудования, необходимого для развития энергетики и электрификации народного хозяйства. Благодаря трансформаторам можно получать электрическую энергию при наиболее удобном напряжении, рассчитанном на любого потребителя.

Для передачи электрической энергии от места производства до потребителя требуется много повышающих и понижающих напряжение трансформаторов. В зависимости от электрических параметров, требуемых конкретным потребителем, трансформаторы изготавливаются для разных мощностей и напряжений. Существуют трансформаторы с мощностью от нескольких вольт до более 1000 МВА, а общая мощность всех установленных трансформаторов в 7-8 раз превышает мощность генератора, вырабатывающего электрическую энергию.

Для линий электропередач напряжением от 110 до 1150 кВ разработано и освоено производство крупных распределительных трансформаторов общего назначения различной мощности и напряжения; специальные трансформаторы для электротермических преобразовательных и других установок; пусковые передвижные, регулировочные, испытательные и другие специальные трансформаторы.

По этой ссылке вы найдёте полный курс лекций по теоретическим основам электротехники (ТОЭ):

Основы электротехники: формулы и лекции и примеры заданий с решением

Устройство трансформатора

Современный трансформатор состоит из различных конструктивных элементов: магнитопровода, обмоток, вводов, бака и др. Общий вид трансформатора ТМ-1000 в двух проекциях изображен на рис. 2.1.

Магнитопровод и обмотки составляют активную часть трансформатора. Остальные элементы трансформатора называют неактивными (вспомогательными) частями. Рассмотрим подробнее конструкцию основных частей трансформатора.

Трехфазные трансформаторы

Рис. 2.1. Общий вид транформатора

Возможно вам будут полезны данные страницы:

Трансформаторы

Однофазные трансформаторы

Задачи по электротехнике с решениями

Теоретические основы электротехники

Магнитопровод

Магнитопровод в трансформаторе выполняет две функции: во-первых, он составляет магнитную цепь, по которой замыкается основной магнитный поток трансформатора, а во-вторых, он предназначен для установки и крепления обмоток, отводов, переключателей.

Магнитопровод имеет шихтованную конструкцию, т. е. он состоит из тонких (обычно толщиной 0,5 мм) стальных пластин, покрытых с двух сторон изолирующей пленкой (например, лаком).

Такая конструкция магнитопровода обусловлена стремлением ослабить вихревые потоки, наводимые в нем переменным магнитным потоком, а следовательно, уменьшить величину потерь в трансформаторе. Трехфазные трансформаторы Силовые трансформаторы выполняются с магнитопроводами в основном стержневого типа.

В магнитопроводе стержневого типа (рис. 2.2, а) вертикальные стержни Трехфазные трансформаторы, на которых расположены обмотки 2, сверху и снизу замкнуты ярмами Трехфазные трансформаторы. На каждом стержне расположены обмотки соответствующей фазы и проходит магнитный поток этой фазы: в крайних стержнях - потоки Трехфазные трансформаторы, а в среднем - поток Трехфазные трансформаторы. Внешний вид магнитопровода показан на рис. 2.2, б.

При этом стержни имеют ступенчатое сечение, вписываемое в круг с диаметром d (рис. 2.3). Стержни трансформаторов большой мощности имеют много ступеней, что обеспечивает наиболее эффективное заполнение сталью площади внутри обмотки. Для лучшей теплоотдачи иногда между отдельными пакетами стержня оставляют зазоры 5-6 мм, служащие вентиляционными каналами.

Трехфазные трансформаторы По способу сочленения стержней с ярмами различают стыковую и шихтованную конструкции стержневого магнитопровода (рис. 2.4).

Трехфазные трансформаторы Рис. 2.4. Конструкции магнитопроводов: а - стыковая, б — шихтованная

При стыковой конструкции (рис. 2.4, а) стержни и ярма собирают раздельно, насаживают обмотки на стержни, а затем приставляют верхние и нижние ярма, заранее положив изолирующие прокладки между стыковыми элементами, с целью ослабления вихревых токов, возникающих при взаимном перекрытии листов стержней ярм. После установки двух ярм всю конструкцию прессуют и стягивают вертикальными шпильками. Стыковая конструкция хотя и облегчает сборку магнитопровода, но не получила распространения в силовых трансформаторах из-за громоздкости стяжных устройств и необходимости механической обработки стыкующихся поверхностей для уменьшения магнитного сопротивления в месте стыка.

Шихтованная конструкция магнитопроводов силовых трансформаторов показана на рис. 2.4,5, когда стержни и ярма собирают слоями «переплет». Обычно слой содержит 2-3 листа.

В настоящее время магнитопроводы силовых трансформаторов изготовляют из холоднокатаной электротехнической стали, у которой магнитные свойства вдоль направления прокатки лучше, чем поперек. Поэтому при шихтованной конструкции в местах поворота листов на 90° появляются зоны несовпадения направления прокатки с направлением магнитного потока. На этих участках наблюдается увеличение магнитного сопротивления и рост магнитных потерь. С целью ослабления этого явления применяют для шихтовки пластины (полосы) со скошенными краями.

Обмотки трансформаторов

Обмотки трансформаторов средней и большой мощности выполняют из обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения, изолированных хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой. Основой обмотки в большинстве случаев является бумажно-бакелитовый цилиндр, на котором крепятся элементы (рейки, угловые шайбы и т. п.), обеспечивающие обмотке механическую и электрическую прочность.

По взаимному расположению на стержне обмотки разделяются на концентрические и чередующиеся.

Концентрические обмотки выполняют в виде цилиндров, размещаемых на стержне концентрически: ближе к стержню обычно располагают обмотку НН (требующую меньшей изоляции от стержня), а снаружи -обмотку ВН (рис. 2.5).

Трехфазные трансформаторы

Концентрические обмотки в конструктивном отношении разделяют на несколько типов. Рассмотрим некоторые из них. 1. Цилиндрические однослойные или двухслойные обмотки из провода прямоугольного сечения (рис. 2.6, а) используют главным образом в качестве обмоток НН на номинальный ток до 200 А. 2. Винтовые одно- и многоходовые обмотки выполняют из нескольких параллельных проводов прямоугольного сечения. Витки укладывают по винтовой линии, имеющей один или несколько ходов (рис. 2.6, б). Для того чтобы все параллельные проводники одинаково нагружались током, выполняют транспозицию (перекладку) этих проводников.

Трехфазные трансформаторы Рис. 2.6. Концентрические типы обмоток

3. Непрерывные обмотки (рис. 2.6, в) состоят из отдельных дисковых обмоток (секций), намотанных по спирали и соединенных между собой без пайки, т. е. выполненных «непрерывно». Если обмотка состоит из нескольких параллельных проводов, используется транспонирование проводов. Непрерывная обмотка нашла свое наибольшее применение в силовых трансформаторах, как в обмотках высокого напряжения, так и в обмотках высокого напряжения, несмотря на некоторые производственные трудности. Это объясняется их большой механической прочностью и надежностью.

4. Цилиндрическая многослойная из круглого провода (рис. 2.6, г). Цилиндрические обмотки из круглого провода применяются в качестве обмотки высокого напряжения до 35 кВ. В трансформаторах небольшой мощности возможно применение этого типа обмотки и в качестве обмотки низкого напряжения.

Бак масляного трансформатора

В трансформаторах с масляным охлаждением магнитопровод с обмотками помещен в бак, наполненный трансформаторным маслом. Трансформаторное масло очищает обмотки и магнитопровод и подает его в окружающую среду через стенки резервуаров и трубки радиатора. Трансформаторные масла обеспечивают более надежную работу высоковольтных трансформаторов благодаря их изоляционным свойствам. Масляное охлаждение интенсивнее воздушного, поэтому габариты и вес масляных трансформаторов меньше, чем у сухих трансформаторов такой же мощности.

В трансформаторах небольшой мощности до 30 кВА бак трансформатора выполняют гладкими, а в более мощных трансформаторах для увеличения поверхности охлаждения применяют трубчатые баки и баки с радиаторами.

Что такое теоретические основы электротехники (ТОЭ) вы узнаете по этой ссылке:

Крышка бака и выводы

На крышке бака трансформатора размещается целый ряд деталей, из которых наибольшее значение имеют:

  • вводы обмотки ВН и НН, служащие для подсоединения обмоток трансформатора к электрическим сетям и состоящие из фарфорового изолятора и токоведущего стержня;
  • расширитель, представляющий собой цилиндрический сосуд из листовой стали, устанавливаемый над крышкой бака и соединяемый с ним трубопроводом. Уровень масла в расширителе должен быть таким, чтобы при всех обстоятельствах бак был целиком заполнен маслом. Так как поверхность масла в расширителе гораздо меньше, чем в баке, а температура масла в расширителе значительно ниже, чем в верхней части бака, то процесс окисления масла при соприкосновении с воздухом идет медленнее;
  • газовое реле. Между расширителем и баком устанавливается газовое реле, сигнализирующее о возникающей в трансформаторе неполадке или, если последняя имеет аварийный характер, отключающее трансформатор от сети;
  • выхлопная труба. При коротком замыкании в обмотках трансформатора вследствие образования в баке газов и резкого повышения давления бак трансформатора может быть поврежден. Для предотвращения разрушения бака служит выхлопная труба. Она представляет собой стальной, обычно наклонный цилиндр, сообщающийся с баком и закрытый сверху стеклянным диском; при определенном давлении диск выдавливается, газы вместе с маслом выбрасываются из бака наружу.

Принцип действия трансформатора

Принцип действия рассмотрим на примере однофазного двухобмоточного трансформатора, электромагнитная схема которого приведена на рис. 2.7.

Первичную обмотку 1 подключают к источнику переменного тока -к электрической сети с напряжением Трехфазные трансформаторы. Ко вторичной обмотке 2 присоединяют нагрузку (потребитель), условно представленную сопротивлением нагрузки Трехфазные трансформаторы Трехфазные трансформаторы Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а низкого напряжения — обмоткой низшего напряжения (НН). Начала и концы обмотки ВН обозначают буквами А и Х; обмотки НН - буквами а и х.

Рассмотрим принцип действия трансформатора. При подключении первичной обмотки к сети переменного тока с напряжением Трехфазные трансформаторы по обмотке потечет ток Трехфазные трансформаторы который создает переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Магнитный поток Ф сцепляется с витками первичной и вторичной обмоток и в соответствии с законом электромагнитной индукции наводит в первичной обмотке ЭДС самоиндукции Трехфазные трансформаторы во вторичной обмотке - ЭДС взаимной индукции Трехфазные трансформаторы В режиме холостого хода цепь вторичной обмотки разомкнута, ток Трехфазные трансформаторы и напряжение Трехфазные трансформаторы При этом для контура первичной обмотки трансформатора согласно закону Кирхгофа Трехфазные трансформаторы Если пренебречь падением напряжения в активном сопротивлении первичной обмотки Трехфазные трансформаторы из-за его малости, то получим соотношениеТрехфазные трансформаторы

т. е. напряжение, приложенное к первичной обмотке, практически полностью уравновешивается индуцированной в этой обмотке ЭДС.

Если питающее напряжение и} изменяется по синусоидальному закону Трехфазные трансформаторы, то основной магнитный поток и ЭДС в обмотках изменяются также синусоидально. Следовательно, связь между действующими значениями ЭДС обмоток и потоком определяется выражениями

Трехфазные трансформаторы

Соответственно отношение мгновенных и действующих ЭДС в обмотках Трехфазные трансформаторы Из приведенного выше выражения видно, что, выбирая соответствующее соотношение числа витков обмоток, можно при заданном напряжении сети Трехфазные трансформаторы получить требуемое напряжение на выходе трансформатора Трехфазные трансформаторы При этом если Трехфазные трансформаторы и трансформатор называют понижающим, если Трехфазные трансформаторы— повышающим.

Если вторичную обмотку трансформатора подключить к сопротивлению нагрузки Трехфазные трансформаторы, то по вторичной обмотке потечет переменный ток Трехфазные трансформаторы. По магнитопроводу замыкаются потоки Трехфазные трансформаторы, создаваемые токами первичной и вторичной обмоток.

Результирующий поток при нагрузке равен потоку при холостом ходеТрехфазные трансформаторы

При переходе от режима холостого хода к режиму нагрузки магнитный поток практически не изменяется, так как одновременно с появлением тока во вторичной обмотке ток в первичной обмотке увеличивается. Увеличивающийся при нагрузке трансформатора ток Трехфазные трансформаторы не только компенсирует размагничивающее действие тока Трехфазные трансформаторы, и поддерживает магнитный поток постоянным Трехфазные трансформаторы, но и обеспечивает поступление в трансформатор из сети мощности, отдаваемой потребителю электрической энергии, подключенному ко вторичной обмотке.

Электрическая схема замещения трансформатора

Аналитические и графические исследования работы трансформатора упрощаются, если реальный трансформатор, в котором обмотки связаны между собой электромагнитно, заменяется схемой элементов, которые связаны между собой только электрически.

В теории трансформаторов применяется Т-образная электрическая схема замещения приведенного трансформатора.

В отличие от реального трансформатора, где коэффициент трансформации Трехфазные трансформаторы в приведенном трансформаторе коэффициент трансформации принимается равным 1, т. е. Трехфазные трансформаторы При такой замене необходимо, чтобы операция приведения вторичной обмотки к первичной не отразилась на энергетическом процессе трансформатора.

Так, электромагнитная мощность вторичной обмотки реального трансформатора Трехфазные трансформаторы должна быть равна электромагнитной мощности вторичной обмотки приведенного трансформатораТрехфазные трансформаторы

Подставив значение приведенного тока вторичной обмотки Трехфазные трансформаторыТрехфазные трансформаторы, получим формулу приведенной вторичной ЭДС Трехфазные трансформаторы Так как Трехфазные трансформаторы, то приведенное напряжение вторичной обмотки Трехфазные трансформаторы Из условия равенства потерь в активном сопротивлении вторичной обмотки имеем Трехфазные трансформаторы Определим приведенное активное сопротивление

Трехфазные трансформаторы Приведенное индуктивное сопротивление рассеяния вторичной обмотки определяют из условия равенства реактивных мощностей Трехфазные трансформаторы, откуда Трехфазные трансформаторы Физически переход от реального трансформатора к имитирующей его электрической схеме замещения можно наглядно представить состоящим из четырех этапов.

1-й этап. Реальный трансформатор заменяют идеализированным трансформатором Трехфазные трансформаторы, в цепь первичной обмотки которого включают сопротивления Трехфазные трансформаторы, а в цепь вторичной обмотки - Трехфазные трансформаторы (рис. 2.8, а).

2-й этап. Параметры вторичной обмотки приводят к параметрам первичной, в результате чего ЭДС обмоток оказываются равными: Трехфазные трансформаторы (рис. 2.8, б).

3-й этап. Соединяют эквипотенциальные точки Трехфазные трансформаторы (рис. 2.8, б).

4-й этап. Включают дополнительный намагничивающий контур, по которому проходит составляющая Трехфазные трансформаторы первичного тока (рис. 2.8).

Трехфазные трансформаторы Рис. 2.8. Эквивалентные схемы для приведения вторичной обмотки к первичной

На практике приводят как вторичную обмотку к первичной, так и первичную ко вторичной, в зависимости от того, какие процессы рассматриваются. Отметим, что параметры схемы замещения можно считать постоянными только при небольших изменениях первичного напряжения, т. е. в пределах ±10 %. Это в первую очередь относится к намагничивающему контуру с сопротивлением Трехфазные трансформаторы параметры которого определяют ток Трехфазные трансформаторы. С увеличением напряжения происходит насыщение стали магнитопровода, вследствие чего уменьшается величина Трехфазные трансформаторы (намагничивающий ток резко возрастает).

Трехфазные трансформаторы Рис. 2.9. Схема замещения трансформатора

В схеме замещения трансформатора приняты следующие обозначения

Трехфазные трансформаторы — активные и индуктивные сопротивления первичной обмотки трансформатора;

Трехфазные трансформаторы— активные и индуктивные сопротивления приведенной вторичной обмотки трансформатора;

Трехфазные трансформаторы — фиктивное активное сопротивление, учитывающее потери в магнитопроводе трансформатора;

Трехфазные трансформаторы — индуктивное сопротивление обусловленное основным магнитным потоком трансформатора.

Коэффициент полезного действия трансформатора

Под КПД трансформатора, как и в любой электрической машине, понимают отношение отдаваемой трансформатором потребителю активной мощности Трехфазные трансформаторы к подведенной к первичной обмотке трансформатора активной мощности Трехфазные трансформаторы

Трехфазные трансформаторы Так как КПД трансформатора достаточно высок (80 -г 98) %, то метод прямого определения КПД путем непосредственного измерения мощностей Трехфазные трансформаторы не находит применения, поскольку неизбежная погрешность при измерении мощностей Трехфазные трансформаторы могут дать грубую ошибку в определении КПД.

Чтобы обеспечить высокую точность в расчетах КПД, применяют метод косвенного определения, когда Трехфазные трансформаторы выражаются через другую мощность и потери

Трехфазные трансформаторы или

Трехфазные трансформаторы

где Трехфазные трансформаторы - суммарные потери в обмотках трансформатора и в магнитопроводе.

Таким образом, расчетную формулу для КПД трансформатора можно записать

Трехфазные трансформаторы

Потери в стали магнитопровода - потери постоянные, не зависящие от нагрузки. Можно считать, что их величина равна мощности, потребляемой трансформатором на холостом ходу при номинальном первичном напряжении, т. е.

Трехфазные трансформаторы

Потери в обмотках — потери переменные, зависящие от квадрата токов в обмотках трансформатора. Величину потерь в обмотках при различных нагрузках можно определить по формуле

Трехфазные трансформаторы

Подставив значения Трехфазные трансформаторы получим окончательную расчетную формулу КПД

Трехфазные трансформаторы

где Трехфазные трансформаторы - номинальная полная мощность трансформатора кВ*А;

Трехфазные трансформаторы - коэффициент нагрузки трансформатора, Трехфазные трансформаторы

Трехфазные трансформаторы — потери в стали магнитопровода трансформатора, кВт;

Трехфазные трансформаторы — потери короткого замыкания, т. е. потери в обмотках трансформатора в режиме опыта короткого замыкания, кВт.

При Трехфазные трансформаторы = 0, т. е. в режиме холостого хода трансформатора, когда зажимы вторичной обмотки трансформатора разомкнуты, полезная мощность и КПД равны нулю.

С увеличением отдаваемой потребителю мощности КПД увеличивается, так как в энергетическом балансе уменьшается доля магнитных потерь в стали Трехфазные трансформаторы, имеющих постоянное значение.

С ростом нагрузки КПД растет и достигает максимума при некоторых значениях РТрехфазные трансформаторы, после чего начинает уменьшаться. Причиной этого является увеличение электрических потерь в обмотках, которые возрастают пропорционально Трехфазные трансформаторы, т. е. пропорционально квадрату тока, когда полезная мощность Трехфазные трансформаторы, при этом возрастает пропорционально коэффициенту нагрузки Трехфазные трансформаторы в первой степени.

Как известно, чтобы найти максимум функции Трехфазные трансформаторы нужно взять частную производную Трехфазные трансформаторы и приравнять нулю.

Тогда получим

Трехфазные трансформаторы

Таким образом, КПД имеет максимальное значение при критическом значении коэффициента нагрузки трансформатора Трехфазные трансформаторы, при котором электрические потери в обмотках трансформатора равны магнитным потерям в стали.

Максимальное значение КПД в трансформаторе имеет значение Трехфазные трансформаторы = 0,4 -г 0,5 т. е. меньше единицы, следовательно номинальный режим работы трансформатора выбирается на спадающей части кривой Трехфазные трансформаторы

Такое положение номинального режима на кривой Трехфазные трансформаторы необходимо, чтобы при недогрузках трансформатора КПД имел достаточно большие значения.

КПД трансформатора в процессе его проектирования можно увеличить, уменьшая потери.

Для уменьшения потерь в стали трансформатора необходимо:

а) применить более качественную сталь;

б) листы стали магнитопровода взять более тонкие;

в) увеличить сечение магнитопровода, т. е. уменьшить магнитную индукцию В, а следовательно, уменьшить Трехфазные трансформаторы

Для уменьшения потерь в обмотках трансформатора следует обмоточный привод выбрать большего сечения, т. е. уменьшить плотность тока, а следовательно, потери в обмотках трансформатора.

Изменение напряжения вторичной обмотки при нагрузке трансформатора

Для оценки изменения вторичного напряжения вводится понятие падения напряжения Трехфазные трансформаторы %, представляющее собой арифметическую разность между вторичным напряжением трансформатора при холостом ходе Трехфазные трансформаторы и при номинальной нагрузке Трехфазные трансформаторы, выраженную в процентах от номинального вторичного напряжения при холостом ходе. При этом напряжение первичной обмотки принимается неизменным по величине и равным Трехфазные трансформаторы

Трехфазные трансформаторы Рис. 2.10. Упрощенная электрическая схема замещения трансформатора

Изменение напряжения трансформатора можно записать как

Трехфазные трансформаторы

В двухобмоточном трансформаторе относительные изменения вторичного напряжения с достаточной степенью точности можно определить по формуле

Трехфазные трансформаторы

где Трехфазные трансформаторы - коэффициент нагрузки трансформатора;

Трехфазные трансформаторы — активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания;

Трехфазные трансформаторы — коэффициент мощности.

Как видно из формулы, Трехфазные трансформаторы существенно зависит от коэффициента нагрузки Трехфазные трансформаторы

Зависимость Трехфазные трансформаторы при Трехфазные трансформаторы называется внешней характеристикой трансформатора.

При изменении Трехфазные трансформаторы от 0 до 1, как видно из рис. 2.11, внешние характеристики практически прямолинейны.

Трехфазные трансформаторы Рис. 2.11. Внешние характеристики трансформаторов

В трансформаторах средней и большой мощности реактивная составляющая напряжения короткого замыкания значительно больше, чем активная, поэтому она оказывает большее влияние, т. е. чем меньше Трехфазные трансформаторы, тем ниже проходит внешняя характеристика, т. е. при активноиндуктивной нагрузке Трехфазные трансформаторы, а при активно-емкостной нагрузке Трехфазные трансформаторы может быть больше, чем Трехфазные трансформаторы