Особенности холостого хода трехфазных трансформаторов

 

Ц е л ь р а б о т ы: изучить конструкцию магнитной системы трехфазных трансформаторов, ознакомиться с особенностями х.х. трехфазных трансформато-ров при различных схемах соединения обмоток, выявить влияние схемы со-единения на форму кривой фазных напряжений, закрепить теоретические знания [1, c. 338–347, 384–389, 400–406; 2, c. 245–248, 264–267; 3, c. 188–189, 195–199].

 

Основные положения теории

 

По конструкции сердечника трехфазные трансформаторы можно разделить на две большие группы: с независимой (автономной) магнитной системой и со связанной (общей) магнитной системой.

К первой группе относится трехфазная система, образованная из однофазных трансформаторов (групповой трансформатор). Такие групповые трансформаторы используются в некоторых случаях при сверхвысоких напряжениях и больших передаваемых мощностях.

Большое применение нашли трансформаторы со связанной магнитной системой, когда обмотки каждой фазы располагаются на отдельных стержнях, соеди-ненных между собой ярмами в общую магнитную систему (рис. 11). Такая конструкция магнитопровода называется стержневой.

Самой распространенной является трехстержневая конструкция (рис. 11, а). В некоторых специальных случаях используется пятистержневая система (бронестержневые сердечники, рис. 11, б).

 

а б

Рис. 11

 

Принципиальная разница между групповым и стержневым трансформатора-ми заключается в том, что у первого магнитный поток каждой фазы замыкается по своему отдельному магнитопроводу, тогда как у стержневого потоки всех трех фаз замыкаются по общему сердечнику. Это вносит некоторые различия в работу трансформаторов в режиме х.х. и при несимметричных режимах.

.

 

В лабораторной работе 4 было установлено, что при синусоидальном магнитном потоке ток х.х. несинусо- идален и содержит в своем составе третью гармоническую.

Рассмотрим работу трансфор-маторов в режиме х.х. при различных магнитных системах и различных схе-мах соединения обмоток.

Схема Y/Y. При соединении об-моток «звездой» для третьей гармо-нической тока х.х. нет пути, так как в любой момент времени третьи гармо-нические любой фазы направлены либо к нулевой точке, либо от нее. Отсутствие третьей гармонической тока вызывает искажение магнитного потока, поскольку при этом в его сос-таве появится третья гармоническая (рис. 12, а). Если трансформатор представляет собой группу однофаз-ных трансформаторов, то третья гар- моническая магнитного потока Ф ₃

Рис. 12

каждой фазы замыкается по своему сердечнику, магнитное сопротивление которого невелико, вследствие чего амплитуда Ф ₃ может достигать 15–20 % от основной волны Ф ₁

Каждая составляющая потока (Ф ₁, Ф ₃) создает в обмотках трансформатора

соответствующие ЭДС, отстающие от потока на четверть периода (рис. 12, б). При нормальном насыщении сердечника амплитуда третьей гармонической ЭДС е ₃ может достигать 45–60 % от амплитуды основной волны ЭДС е ₁. При сложении той и другой составляющих форма кривой фазовых ЭДС резко искажается, амплитуда результирующей ЭДС также возрастает на 45–60 %, а ее действующее значение – на 10–17 % (рис. 12, б). Такое повышение напряжения при х.х. нежелательно и опасно в эксплуатационных условиях, так как может привести к повреждению изоляции и выходу из строя электроустановок.

Подобная картина будет наблюдаться и при эксплуатации трехфазных трансформаторов при схеме Y/Y с бронестержневой магнитной системой. В этом случае третьи гармонические магнитного потока всех фаз замыкаются по боковым ярмам (стержням) магнитопровода.

При трехстержневой магнитной системе третьи гармонические магнитного потока не имеют пути по магнитопроводу и замыкаются по маслу, воздуху, стенкам бака, т. е. по среде с малой магнитной проницаемостью. В связи с этим

величина третьей гармонической потока каждой фазы оказывается очень малой и

практически не приводит к искажению формы кривой ЭДС.

Вместе с тем наличие даже небольшого магнитного потока утроенной частоты в стенках бака, стяжных элементах (ярмовых балках, шпильках) вызывает дополнительные потери, увеличивает нагрев и снижает КПД.

Схема D/Y. При соединении первичной обмотки в «треугольник» третья гармоническая тока х.х. свободно замыкается по обмоткам трансформатора. Следовательно, магнитный поток и ЭДС сохраняют синусоидальную форму, т. е. отпадают все неблагоприятные явления, рассмотренные выше.

Схема Y / D. В этом случае в сердеч-нике трансформатора также появляется третья гармоническая магнитного потока Ф ₃ и наводится третья гармоника ЭДС во вторичной обмотке е ₂₃. Поскольку вторич-ная обмотка соединена «треугольником», ЭДС е ₂₃ создает во вторичной обмотке ток i ₂₃, циркулирующий по «треугольнику» и отстающий от ЭДС почти на четверть пе- риода (рис. 13). В свою очередь, ток i ₂₃

Рис. 13

создает свой магнитный поток Ф ₂₃, который оказывается направленным почти встречно первоначальному потоку Ф ₃. Результирующий поток в сердечнике и, следовательно, ЭДС обмоток остаются практически синусоидальными.

Таким образом, наличие в схеме соединения обмоток «треугольника» ослаб-ляет вредное воздействие третьих гармонических магнитного потока и ЭДС.

В трансформаторах большой мощности и высоких напряжений по ряду причин иногда необходимо иметь соединение «звезда» на обеих сторонах Y₀/Y₀. В этих случаях часто выполняется еще одна обмотка, соединенная «треугольни-

ком» и не несущая электрической нагрузки. Эта обмотка предназначена лишь

для улучшения формы кривой ЭДС.

Чаще всего используются трехобмоточные трансформаторы, которые всегда имеют одну из обмоток, соединенную в «треугольник».

Во всех рассмотренных случаях линейные напряжения, представляющие собой разность фазных напряжений, остаются синусоидальными, поскольку третья гармоническая фазовых напряжений уничтожается:

(19)

так как U_{3 ф А} = U_{3 ф В} =U_{3 ф С} .

 

Экспериментальная часть

 

1) Снять кривые фазных и линейных напряжений при различных схемах соединения обмоток.

2) Снять кривую третьей гармонической ЭДС в обмотке, соединенной «треугольником».

Расчеты и построения

 

1) Привести снятые экспериментальные кривые.

2) Рассчитать величину третьей гармонической фазных напряжений при соединении обмоток Y/Y.

3) Построить расчетную кривую фазного напряжения любой из сторон «треугольника».

4) Сравнить расчетную и экспериментальную кривые фазных напряжений.

 

Методические указания

 

Опыт проводится на трех однофазных трансформаторах или на трехфазном бронестержневом трансформаторе. Для проведения экспериментальной части не- обходимо соединить обмотки трансформатора по схеме Y/Y (рис. 14). Вольтметр и осциллограф включаются по мере необходимости на фазные или линейные напряжения первичной и вторичной обмоток путем прикосновения к соответствующим зажимам схемы. Будьте внимательны и осторожны! Показания вольтметра заносятся в табл. 8. Форма кривой напряжения зарисовывается с экрана осциллографа на кальку или прозрачную бумагу.

После проведения всех замеров при схеме соединения обмоток Y/Y вторичная обмотка соединяется по схеме «треугольник», и опыт повторяется.

Регулировку осциллографа желательно оставить неизменной. В крайнем

 

Рис. 14

 

случае, допускается изменение усиления по вертикали.

Для выполнения п. 2 экспериментальной части обмотки «треугольника» разрываются в любом месте, и к разрыву подключается осциллограф. Частота развертки осциллографа при этом не должна изменяться, усиление по вертикали, при необходимости, можно увеличить.

Для расчета и построения кривой фазного напряжения при соединении Y/Y, прежде всего, следует определить действующее значение и амплитуду первой

гармонической, В:

 

(20)

здесь и далее цифровые индексы означают номер гармоники.

Пренебрегая гармоническими более высокого порядка, действующее значение третьей гармоники в составе фазных напряжений можно найти по формуле:

 

(21)

где U _ф и U _л - соответственно фазное и линейное напряжения, полученные в результате опыта, В.

Амплитудные значения третьей гармонической, В,

(22)

соответственно максимальное (амплитудное) значение результирующего фазного напряжения

U_{m ф} = U _{1 m ф} + U _{3 m ф.} (23)

 

Таблица 8

 

Таблица экспериментальных данных

Напряжение	Схема Y/Y	Схема Y/D
сторона ВН	сторона НН	сторона ВН	сторона НН
U л, В
U Ф, В
U ф/ U л

 

Отсюда можно найти превышения максимальных и действующих значений реального фазного и синусоидального напряжений:

(24)

Расчетные данные заносятся в табл. 9.

На основании расчета для одной из сторон трансформатора нужно построить первую и третью гармоническую напряжения и путем сложения их - кривую результирующего фазного напряжения (см. рис. 12, б).

Таблица 9

 

Расчетная таблица фазного напряжения при соединении Y/Y

U л	U ф	U1m ф	U3 ф	U3m ф	Um ф	D Um ф, %	D U ф, %

Размерность напряжений в табл. 9 определяется экспериментальными данными.

В отчете должны быть даны письменные ответы на контрольные вопросы 1, 4 - 6, 8, 9.

 

5.5. Контрольные вопросы

1) Какие существуют магнитные системы трехфазных трансформаторов?

2) Что означает термин “групповой трансформатор”?

3) Чем отличаются стержневая и бронестержневая магнитные системы

трехфазных трансформаторов?

4) По какому пути замыкается третья гармоническая магнитного потока в

групповом трансформаторе, стержневом и бронестержневом?

5) Почему искажается форма кривой магнитного потока при соединении обмоток трехфазного трансформатора по схеме «звезда - звезда»?

6) Почему при соединении обмоток трехфазного группового трансформатора по схеме Y/Y в режиме х.х. возрастает амплитуда фазных напряжений?

7) Какова форма кривых фазных напряжений в трехфазном трансформаторе в режиме х.х. при соединении обмоток Y/Y?

8) Почему при соединении одной из обмоток трехфазного группового трансформатора в «треугольник» кривые фазовых напряжений остаются синусоидальными?

9) При каком соединении обмоток (Y/Y, Y/D, D/Y) трехфазного пятистержневого трансформатора будет наблюдаться в режиме х.х. искажение формы кривой фазового напряжения?

10) Почему в составе линейных напряжений отсутствуют гармонические с порядком, кратным трем?

11) В чем заключается опасность режима х.х. группового трехфазного трансформатора при соединении его обмоток по схеме Y/Y?

12) Почему при схеме соединения обмоток трехфазного трансформатора по схеме Y/Y при автономной магнитной системе нарушается соотношение

13) Почему при трехстержневой магнитной системе и соединении обмоток Y/Y возрастают дополнительные потери х.х.?

 

 

Библиографический список

1. К о с т е н к о М. П., П и о т р о в с к и й Л. М. Электрические машины. Часть 1. Л.: Энергия, 1973. 544 с.

2. В о л ь д е к А. И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1974. 840 с.

3. В и н о г р а д о в В. А., П о п о в Д. А. Электрические машины железно-

дорожного транспорта. М.: Транспорт, 1986. 512с.

 

 

АВИЛОВ Валерий Дмитриевич,

БЕЛЯЕВ Владимир Павлович,

САВЕЛЬЕВА Евгения Николаевна,

СЕРЕГИН Валерий Александрович,

СЕРКОВА Любовь Ефимовна,

ХАРЛАМОВ Виктор Васильевич,

ШЕЛЬМУК Евгений Ильич

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Часть 1

Трансформаторы

 

Редактор Т.С. Паршикова

 

* * *

Подписано в печать. Формат 60´84 1/16. Бумага офсетная.

Плоская печать. Усл. п. л. 2,3. Уч.-изд. л. 2,2. Тираж экз. Заказ.

* *

Редакционно-издательский отдел ОмГУПСа

Типография ОмГУПСа

 

*

644046, г. Омск-46, пр. Маркса, 35