Кузнецов М.И. Конспект лекций по электромеханике

Подождите немного. Документ загружается.

1) Включение трансформатора в момент, когда 

= 0, t = 0, U

= 0, тогда











, т.е. i

уст

= -I

, i

пер

= I

В момент включения ток i

= 0

Роль i

пер

и состоит в том, чтобы в момент включения

катушки со сталью в сеть обеспечить это условие.

Видим, что при включении в сеть ненасыщенного

трансформатора

в момент, когда U

=0, амплитуде сверхтока холостого

хода достигает в предельном случае двойного

значения амплитуды установившегося тока холостого

хода через/2,рис. 46.

Аналогичные кривые для потока.

Рис. 46

2) Включение трансформатора на сеть в момент 

= /2, U

= U

…, i

св

= 0, i

= i

уст

= 0

Переходного процесса как такового не будет и процесс в первый

же момент времени установится, рис. 47.

Рис. 47

б) Включение трансформатора с насыщенной сталью.

Если сталь трансформатора насыщена, то картина переходного процесса не изменится в

отношении потока (Ф), так как из условия равновесия ЭДС значение этого потока

определяется для любого момента времени подведенным напряжением – U

. Т.к. U

уравновешивается Е, а ЭДС наводится Ф. Но ток включения холостого хода будет другой,

так как при насыщении стали он растет значительно быстрее потока. Включение

трансформатора при 

= 0, t = 0, U

= 0 является самым неблагоприятным, рис. 48.

Рис. 48

Так как через время соответствующего /2 поток достигает в пределе двойной амплитуды,

то ударный ток холостого хода по отношению к амплитуде возрастает в 50-80 раз, рис. 49.

раз8050

.х.удх



Данный ток не опасен с точки зрения нагрева, но

может привести к ложному срабатыванию защиты.

Рис. 49

2-7-2.Переходный процесс при коротком замыкании трансформатора

Рассмотрим аварийное короткое замыкание при U = U

При аварийном коротком замыкании токи во многом превышают номинальный, а ток

холостого хода очень мал, поэтому им можно пренебречь. Всё напряжение

уравновешенно падением напряжения в обмотках трансформатора. Отсюда мы приходим

к той же схеме замещения, что и при опытном коротком замыкании.

Напишем уравнение ЭДС

Lri)t(UU

ккккm11



, рис. 50.

– индуктивность определяемая потоком рассеяния.

Рис. 50

Решая это уравнение относительно i

и считая, что 

 /2, получим

   

кккк

ксвкустк

TгдеeItI

iii















,cos2)cos(2

cos)cos(











а) включение в момент, когда 

= /2, U

= U

, t = 0

наступит сразу режим установившегося короткого

замыкания, рис. 51.

Рис. 51

б) включение в момент, когда 

= 0, U

= 0, t = 0, рис. 52.

Апериодическая составляющая тока короткого

замыкания

2

будет равна амплитуде

установившегося тока короткого замыкания

2

Через /2 ударный ток в пределе может

достигнуть двойной амплитуды установившегося

тока, короткого замыкания т.е.

куд

кm

куд



и представляет отношение l

куд

Рис.52

амплитуде тока короткого замыкания

В пределе к

= 2. Реально к

= 1,3 – для малых трансформаторов

= 1,71,8 – для трансформаторов большой мощности.

Эта кратность дается по отношению к амплитуде установившегося короткого замыкания.

Ток короткого замыкания I

= (1020)I

. Поэтому i

куд

кн

КI)2010(2 

Этот режим очень опасен в динамических действиях. Создается большой динамический

удар. Мерой борьбы является расчет этих динамических ударов и надежное крепление

катушек, а так же безупречная защита.

2.7.3. Переходные процессы, вызванные перенапряжением

Перенапряжения, т.е. повышение напряжения возможны а) на шинах трансформаторов

вызванное явлением атмосферного характера, при коротких замыканиях в сети, при

включении и выключении трансформатора на сеть и т.д. Во всех этих случаях возникает

электромагнитная волна распространяющаяся со скоростью света и,

достигнув трансформатора, частью отражается, часть проникает в

трансформатор, рис. 53.

Самый опасный случай, когда волна имеет форму,

приближающую к прямоугольной. Действие такой волны

воспринимается трансформатором, как действие периодической

волны большой частоты, так как при увеличении последней наклон

синусоидальной кривой становится все круче и в пределе

приближается к вертикали. В этих условиях трансформатор ведет

себя совершенно иначе, чем при установившемся режиме.

В самом деле, до сих пор говоря о трансформаторе, мы имели в

виду только индуктивные сопротивления x

= L. В

действительности существует еще и емкостные связи.

Рис. 53

Покажем в упрощенном виде: ( рис. 54 )

– емкость между соседними катушками

– емкость катушки на земле

обк

C 

, С

обз

= n

Входная емкость трансформатора

обзобктр

ССС 

Емкостное сопротивление

тртр

fС2









, при

нормальной частоте емкостное сопротивление настолько

велико по отношению x

= 2f

L, поэтому ток

практически проходит по x

Рис. 54

По мере увеличения частоты соотношения x

и x

изменяется x

увеличивается, x

–

уменьшается. При f  , x

 , x

= 0 т.е. при этом ток будет протекать только по

емкостным связям, минуя обмотку. Процесс будет зависеть от того, заземлена ли нейтраль

или нет.

а) Перенапряжения в трансформаторе с заземленной нейтралью:, ри. 55:

Рис.55

Так как ток протекает только по емкостным связям, то процесс распределения волны

сводится к зарядке системы конденсаторов.

Различают два предельных случая распределения напряжения в момент времени t = 0:

а) когда есть емкости только между катушками (С

);

б) когда имеются емкости только на землю С

В первом случае емкости С соединены последовательно и ток протекает одной и той же

величины, так как C

= C

, то получаем равномерное распределение напряжения

(кривая 1), такое же распределение существует и при установившемся режиме.

Следовательно, является наиболее благоприятным(1). Во втором случае весь ток

протекает только через первый сверху конденсатор (т.к. x

= )(2), т.е. напряжение падает

на первую катушку, а следовательно напряжение во много раз больше номинального. Это

может привести к пробою первых катушек.

Реально существует одновременно обе емкостные связи и напряжение U распределяется

между этими пределами (кривая 3). Здесь на первый виток приходится не все напряжение,

а U, но все же настолько значительное что может произойти пробой. Поэтому у

трансформаторов на 35 кв и выше первые катушки выполняются с усиленной изоляцией.

Кривая (3) дает распределение напряжения в момент t = 0, установившийся режим (1) .

Так как трансформатор состоит как бы из системы C и L соединенных различным образом

цепи C и L создают резонансные контура, то переход от начального распределения (3) к

установившемуся (1) происходит в результате колебательного процесса. Следовательно

после момента времени t = 0(3), наступает момент (4). Видим, что и конечные витки могут

быть под повышенным напряжением. В дальнейшем процессе будет затухать за счет

активного сопротивления обмоток. Вообще опасность пробоя возможна для любого витка.

б) Перенапряжения в трансформаторе с изолированной нейтралью, рис. 56.

В начальный момент распределение напряжения

U такое же, как и с заземленной нейтралью но при

установившемся режиме все точки обмотки

находятся под одним и тем же напряжением U

(2).

Так как трансформатор состоит из контуров C, L

происходит колебательный процесс и достигает

какой то кривой (3), затем за счет активного

сопротивления процесс затухает.

Рис. 56

По сравнению с предыдущим случаем пределы колебаний напряжения гораздо шире,

что составляют существенный недостаток систем с изолированной нейтралью. Поэтому у

высоковольтных трансформаторов нейтраль обычно заземляют.

Меры защиты от перенапряжений:

Усиливают изоляцию входных катушек, а так как при этом ухудшается теплоотдача, то

уменьшается плотность тока. Увеличивают сечение в 2 раза.

Перенапряжения вызывается резонансными контурами, т.е. трансформатор

резонирующий. Чтобы сделать трансформатор не резонирующим нужно устранить

действие емкостей на землю С

, оставив только межкатушечные емкости С

. В этом

случае переход к установившемуся режиму происходит без колебаний напряжения или во

всяком случае с ограниченными колебаниями.

Устранить емкость на землю конечно нельзя, но их можно

скомпенсировать, для этой цели устраиваются экраны

( рис 57 ), находящиеся под напряжением и изолированные

от обмотки. Применяя многослойные концентрические

обмотки, где емкость между слоями значительно

превосходит емкость на землю.

Для защиты трансформатора используются разрядники

1  разомкнутая шайба (изоляция).

Рис. 57

2-8. Специальные трансформаторы.

2-8-1. Автотрансформатор.

Автотрансформатором называется такой трансформатор, у которого обмотка низшего

напряжения электрически связана с обмоткой высшего напряжения, рис. 58.

Автотрансформаторы широко используются при пуске асинхронных и синхронных

двигателей, для соединения высоковольтных сетей, малые автотрансформаторы

используются в автоматике, радиоаппаратуре и других установках.

111



, где

K 

при коротком замыкании





axAX

WIWI

AAX







Рис. 58

- результирующий ток в обмотке ах.

)

IIII 



, т.е. ток во вторичной обмотке меньше на величину (

1

) двухобмоточного трансформатора.

Мощности.

Потребляемая мощность

111

IUS 

, электромагнитная мощность

)

1()

1()()(

1111

11211

AAA

Aaэм

IUI

UIUUIUS 

Электрическая мощность передаваемая во вторичную обмотку

эмэл

SSSSSS

11111



Наивыгоднейший коэффициент трансформации

2

. Покажем зависимость

электромагнитной и электрической мощности от коэффициента трансформации, рис. 59.

Потери и расход меди у автотрансформатора меньше, чем у двухобмоточного

трансформатора.

)

1)(

Aaэл

rIP 

)

2)(

ахэл

rIP 

)

трA

GG 

Рис. 59

Недостатком автотрансформатора

является то, что высокое напряжение

может попасть на сторону низкого

напряжения, токи короткого замыкания

большие.

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

эм

эл

эм

,Р

эл

2-8-2. Трехобмоточные трансформаторы.

Использование трехобмоточных трансформаторов вместо двух двухобмоточных более

экономично, рис. 60.

Схема замещения

трехобмоточного трансформатора

представлена на рис. 61.

Рис.60

Основные уравнения

трансформатора:

ZIEU































333

ZIUE

)()(

320









 IIII

Рис. 61

Векторная диаграмма трансформатора представлена на рис. 62.

Недостатком трансформатора является то, что

при нагрузке одной вторичной обмотки

происходит влияние на напряжение другой

вторичной обмотки.

Рис. 62

2-8-3. Трансформаторы с расщепленными обмотками.

Разновидностью трехобмоточного трансформатора является трехфазный

трансформатор с расщепленной обмоткой низшего напряжения. В таком трансформаторе

обмотка низшего напряжения каждой фазы выполняется из двух частей (ветвей),

кв220

кв110

кв35

-I

-E





-I

расположенных симметрично по отношению к обмотке высшего напряжения.

Номинальные напряжения ветвей обмотки одинаковы. Мощность каждой обмотки

низшего напряжения составляет

от общей мощности.

Каждая ветвь расщепленной обмотки имеет самостоятельные выводы, рис.63.

Рис. 63

Допускается любое распределение

нагрузки между ветвями расщепленной

обмотки, например при двух ветвях одна

ветвь может быть полностью нагружена, а

вторая отключена, или обе ветви нагружены

полностью.

Рис. 64

Расположение обмоток однофазного трансформатора представлено на рис. 65.

Рис. 65

Достоинством трансформаторов с расщепленной обмоткой низшего напряжения

является большое сопротивление короткого замыкания между ветвями, что дает

возможность ограничить ток к.з. на стороне низшего напряжения, например на

подстанциях.

2 3

Одной из характеристик трансформатора с расщепленной обмоткой является

коэффициент расщепления

, который для случая двух ветвей равен отношению

сопротивления короткого замыкания между ветвями расщепленной обмотки

32

сопротивлению короткого замыкания между обмоткой высшего напряжения и

параллельно соединенными ветвями расщепленной обмотки, рис…

)3//21(





для однофазных трансформаторов коэффициент расщепления

=4, а для трехфазных трансформаторов

=3,5. сопротивления лучей в схеме замещения

трансформатора с обмоткой низшего напряжения, расщепленной на две ветви (рис…),

могут быть определены из следующих выражений:

)

)3//21(1

ZZ 



)3//21(31

ZZZ





после подстановки в которые

соответствующих значений

получим:

для однофазных трансформаторов

Z

)3//21(32



 ZZZ

Для трехфазных трансформаторов

)3//21(1

125.0Z



 Z

)3//21(32

75.1ZZ



 Z

, видим. Что сопротивления

увеличены на 1,75 раза, что приводит к ограничению токов короткого замыкания.

2-8-4. Регулирование напряжения в трансформаторах.

Регулирование напряжения трансформаторов осуществляется изменением числа

витков первичной обмотки путем переключения контактными или бесконтактными

устройствами регулировочных ответвлений обмоток. Силовые трансформаторы

оснащаются различными устройствами регулирования простейшими, для использования

которых необходимо отключение трансформатора от электрической сети, или более

сложными, обеспечивающими регулирование под нагрузкой.

Наряду с контактными переключающими устройствами широкое применение получает

использование мощных полупроводниковых приборов, включаемых последовательно с

обмотками трансформатора, позволяющих получать практически безинерционную

стабилизацию напряжения при питании мощных ЭВМ, радиоэлектронных установок,

специальных электротехнических устройств.

Необходимость поддержания напряжения в различных точках сети в достаточно узких

пределах предопределяет необходимость его регулирования. Отклонение напряжения от

номинального не должно превышать



5%.

Трансформаторы общего назначения мощностью до

1600 кВа обычно имеют пять регулировочных

ответвлений на стороне обмотки ВН (+5; +2,5; 0; -2,5; -

5%).

В большинстве случаев ответвления выполняются

в «нулевой» точке трехфазной обмотки,

регулирование производится по способу –

переключение без возбуждения (ПБВ). Схема такого

переключения показана на рис. 66.

Переключение делается в средней части обмотки,

так как здесь наименьшее усилие на обмотку.

Наиболее реальное значение на сегодняшний день

имеет регулирование напряжения путем переключения

регулировочных ответвлений трансформаторов под

нагрузкой (РПН).

Трансформаторы, оснащаемые РПН, имеют в обмотке ВН большое число

регулировочных ответвлений, выполняемых с небольшим шагом – до 1,5-1 %_ при общей

зоне регулирования 10-20 %.

Рис. 66

Схема контактного переключения ответвлений для различных моментов

трансформатора представлена на рис. 67.

1 2

В1

В2

В1

В2

Рис. 67

В связи с низкой эффективностью механических устройств для переключения под

нагрузкой в диапазоне мощностей до 1000 квА и напряжением до 10кв в последние

десятилетия интенсивно разрабатываются тиристорные и транзисторные системы

регулирования, обеспечивающие дискретное или плавное бесконтактное изменение

коэффициента трансформации с высоким быстродействием, в ряде

случаев составляющим доли полупериоде регулируемого переменного напряжения.

2-8-5. Трансформаторы для утроения и удвоения частоты.

Для питания устройства автоматики, телемеханики вычислительной и измерительyой

техники часто необходимо переменный ток с частотой сети

преобразовать в

переменный той двойной или тройной частоты.

2-8-5-1. Трансформаторы для утроения частоты.

Рассмотрим принцип действия утроения частоты, состоящего из трех одинаковых

однофазных трансформаторов с ферромагнитными сердечниками (групповой

трансформатор).

Первичные обмотки трансформаторов соединены звездой, а вторичные - открытым

треугольником., рис. 68.

Рис. 68

Как известно, при холостом ходе однофазного

трансформатора за счет насыщения магнитной

системы, в области максимального потока при

синусоидальном потоке, ток

холостого ходе резко несинусоидальный

при разложении несинусоидальной кривой тока

в гармонический ряд получим первую и высшие

3вых

~3f

(3)

( 1)

