При соединении треугольником конец предыдущей обмотки соединяется с началом следующей и, так, образуется замкнутый треугольник из обмоток генератора.

 

СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ ФАЗНЫМ И ЛИНЕЙНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ ПРИ СОЕДИНЕНИИ ТРЕГОЛЬНИКОМ

 

U_Ф = U_Л

 

ЛИНЕЙНЫЕ ТОКИ I_Л=I_A=I_B=I_C

 

ФАЗНЫЕ ТОКИ I_Ф = I_AВ=I_BС=I_CА

Составляем уравнение по 1 закону Кирхгофа для узлов треугольника:

Узел А

Узел В

Узел С

 

 

ТОК В ЛИНЕЙНОМ ПРОВОДЕ РАВЕН РАЗНОСТИ ДВУХ ФАЗНЫХ ТОКОВ.

 

 

1.РАВНОМЕРНАЯ ИЛИ СИММЕТРИЧНАЯ НАГРУЗКА ФАЗ

 

Z_Ф = Z_A=Z_B=Z_C

U_АВ=U_ВС=U_CА =U_Ф

I_АВ=I_ВС=I_CА =I_Ф

 

 

Векторная диаграмма фазных и линейных токов при соединении треугольником для равномерной нагрузки фаз

В векторной диаграмме получаем три одинаковых равнобедренных треугольника

Соотношение между линейным и фаазным током при соединении треугольником

 

ДАННОЕ СООТНОШЕНИЕ СПРАВЕДЛИВО ТОЛЬКО ДЛЯ РАВНОМЕРНОЙ НАГРУЗКИ ФАЗ.

ДЛЯ НЕРАВНОМЕРНОЙ НАГРУЗКИ ОНО НЕ ВЫПОЛЯНЕТСЯ. ЧТОБЫ ОПРЕДЕЛИТЬ ТОКИ В ЛИНЕЙНЫХ ПРОВОДАХ НЕОБХОДИМО СТРОИТЬ ВЕКТОРНУЮ ДИАГРАММУ.

 

Тема. МОЩНОСТЬ ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМЫ

АКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ

Активная мощность одной фазы

Активная мощность трехфазной системы

РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ

Реактивная мощность одной фазы

Реактивная мощность трехфазной системы

ПОЛНАЯ МОЩНОСТЬ

Полная мощность одной фазы

Полная мощность трехфазной системы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

 

ТРАНСФОРМАТОРЫ

 

ПЕРВЫЙ УРОВЕНЬ: устройство, принцип действия трансформаторов

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.

 

Устройство трансформаторов

Трансформатор состоит из стального сердечника (магнитопровода) и двух обмоток.

Сердечник (магнитопровод) выполняет две функции:

- служит основой для установки и крепления обмоток, отводов, переключателей;

- является магнитной цепью, т.е. предназначен для проведения и усиления магнитного потока.

Для уменьшения потерь мощности на гистерезис и вихревые токи магнитопроводы трансформаторов собирают из тонких пластин электротехнической стали толщиной 0,35 мм – 0,5 мм в зависимости от типа и мощности трансформатора. Изоляцией между пластинами служит обычно пленка окиси (окалина), которая образуется при изготовлении электротехнической стали на заводе при отжиге.

Типы сердечников

Тип сердечника дает название трансформатору

 

 

стержневые	броневые	тороидальные
Пластинчатый стержневой Ленточный стержневой Магнитопровод имеет два стержня, на которых помещены его обмотки. Обмотки обхватывают стержень. Достоинство: простота изоляции, проще ремонт, лучшие условия охлаждения. Силовые трансформаторы – стержневые	Пластинчатый броневой ленточный Магнитопровод имеет один стержень, на который полностью помещены обмотки трансформатора. Стержень с двух сторон охватывается (бронируется) ярмом так, что обмотка частично защищена магнитопроводом от механических повреждений. Трансформаторы специального назначения и малой мощности.	Ленточный коль цевой   тороидальный

 

Для облегчения намотки толстого медного провода и уменьшения расхода провода сечения стержней силовых трансформаторов выполняют по возможности более круглыми

 

В трансформаторах малой мощности поперечное сечение магнитопровода имеет прямоугольную форму и обмоткам придают форму прямоугольных катушек.

 

Обмотки

 

В каждом трансформаторе различают обмотку высшего напряжения (ВН) и обмотку низшего напряжения (НН). Практическое значение такого деления состоит в том, что более высокое напряжение требует более надежной электрической изоляции обмотки, ее входных зажимов.

В целях улучшения магнитной связи меж обмотками их помещают на стальной магнитопровод. Обмотки изолируют как друг от друга, так и от магнитопровода.

Обмоткам трансформатора придают преимущественно цилиндрическую форму, выполняя их при малых токах из круглого медного изолированного провода, а при больших токах - из медных шин прямоугольного сечения

Ближе к магнитопроводу располагают обмотку низшего напряжения, так как ее легче изо­лировать от него, чем обмотку высшего напряжения.

Обмотку низшего напряжения изолируют от стержня прослойкой из какого-либо изолировочного материала. Таковую же изолирующую прокладку помещают меж обмотками высшего и низшего напряжения.

Расположение обмоток на магнитопроводе показано на рисунке 5.

Охлаждение трансформаторов

Трансформаторы большой мощности устраивают с масляным охлаждением, для чего помещают их в металлические баки, наполненные минеральным маслом.
Наиболее широко распространено естественное охлаждение стенок бака трансформатора. Для увеличения охлаждающей поверхности в стенки баков вваривают стальные трубы или радиаторы.
Масло в баке трансформатора в процессе эксплуатации соприкасается с окружающим воздухом и подвергается окислению, увлажнению и загрязнению, вследствие чего уменьшается его электрическая прочность.

1.Обмотка ВН 2.Обмотка НН 3. Переключатель регулировочных отводов обмотки ВН 4. Балка, прессующая ярмо 5. Шихтованный магнитопровод 6. Отводы ВН 7. Отводы НН 8. Патрубок для присоединения вакуумного насоса 9.Кольцо для подъема выемной части 10. Кран для заливки масла 11. Ввод (изолятор ВН) 12. Ввод (изолятор НН) 13. Привод переключателя 14. Выхлопная труба 15. Газовое реле 16. Расширитель 17. Трубчатый бак 18. Кран для спуска масла 19. Транспортный ролик 20. Вертикальная шпилька для стягивания прессующих балок ярем 21. Упорный угольник на дне бака

 

 

Устройство выемной части стержневого трехфазного трансформатора

1. Расширитель 2. Низковольтные вводы 3. Высоковольтные вводы 4. Переключатель 5. Кран для заливки масла

 

 

ВВОДЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Вводы трансформаторов служат для того, чтобы соединять обмотки, как с питающей сетью, так и с потребителями энергии.

Для внутренней установки	Для наружной установки	Маслонаполненные для напряжения 110 кВ	При больших токах

РАСШИРИТЕЛЬ И ВЫХЛОПНАЯ ТРУБА

1. Указатель для уровня масла 2. Труба для свободного обмена воздуха 3. Пробка для заливки масла 4. Грязеотстойник 5. Газовое реле 6. Кран для отсоединения расширителя

При нагревании масла во время работы трансформатора оно начинает

расширяться, и поступает в расширитель, который представляет собой

небольшой бак, до половины заполненный маслом. Расширитель устанавливается сверху кожуха трансформатора и соединяется с ним короткой трубой. Объем расширителя составляет 10% от объема бака.

В случае значительной перегрузки или при коротких замыканиях в витках

обмоток температура масла повышается сверх допустимых пределов и масло

разлагается с выделением газов. Генерируемый газ быстро повышает давление

в баке, вследствие чего он может деформироваться или даже разорваться.

Поэтому на баке устанавливается выхлопная труба, закрытая стеклянной

мембраной толщиной 3-5 мм. Газы выдавливают мембрану и выходят наружу.

 

принцип действия

Трансформатор состоит из стального сердечника (магнитопровода) и двух обмоток (первичной и вторичной).

Напряжения первичной и вторичной обмоток, как правило, неодинаковы. Если первичное напряжение меньше вторичного, трансформатор называется повышающим, если больше вторичного - понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий.

Зажимы первичной обмотки w₁ присоединяются к сети, к зажимам вторичной обмотки w₂ присоединяется потребитель.

Принцип действия трансформатора основан на явлении взаимоиндукции.

Если первичную обмотку трансформатора включить к источнику переменного тока, то по ней будет проходить переменный ток, который создаст в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки трансформатора, создает в этой обмотке эдс взаимоиндукции. Под дей­ствием этой эдс по вторичной обмотке и через приемник энергии будет протекать ток. Таким образом, электрическая энергия, трансформи­руясь, передается из первичной цепи во вторичную, но при другом напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вторичную цепь.

Режимы работы трансформаторов

 

1. Режим нагрузки трансформатора

 

В режиме нагрузки выключатели В1 и В2 замкнуты, первичная обмотка трансформатора включена в сеть под напряжение (обычно U₁ = U_1н), а в цепи вторичной обмотки – нагрузка Z_н. В обеих обмотках имеются токи (I₁- первичный, I₂ – вторичный), которые будем считать по значению близкими к номинальному.

После включения вторичной обмотки на внешнюю цепь трансформатор переходит из режима холостого хода в режим нагрузки. Физические процессы, которые происходят в транс­форматоре при этом режиме, заключаются в следующем.

С момента включения рубильника в цепи вторичной об­мотки появляется ток нагрузки I₂, который создает в транс­форматоре свой магнитный поток. Большая часть Ф₂ этого потока замыкается по сердечнику трансформатора, а меньшая часть Ф_р2 — по воздуху вокруг витков вторичной обмотки и составляет магнитный поток рассеяния.

Являясь индуктированным током, ток вторичной обмотки по закону Ленца противодействует причине его вызывающей, поэтому ослабляет в сердечнике рабочий магнитный по­ток трансформатора Фо своим магнитным потоком Ф₂ из-за противоположного его направления.

Однако стоит только уменьшиться рабочему магнитному потоку, как это вызовет уменьшение противоэлектродвижущей силы, т.е. электродвижущей силы самоиндукции Е₁ в первичной обмотке, вследствие чего ток, поступающий в эту обмотку увеличится.

Ток в первичной обмотке увеличивается настолько по срав­нению с током холостого хода, что создаваемый им дополни­тельный магнитный поток Ф₁ полностью компенсирует собой поток вторичной обмотки Ф₂, поэтому рабочий магнитный по­ток в сердечнике остается почти без изменения (незначи­тельно уменьшается).

С уменьшением тока во вторичной обмотке происходит об­ратная картина: магнитный поток вторичной обмотки Ф₂ уменьшается, противоэлектродвижущая сила Е₁ увеличивается и этим уменьшает ток I₁, потребляемый первичной обмоткой.

Таким образом, в трансформаторе автоматически изме­няется величина тока, поступающего в первичную обмотку от источника тока, в соответствии с изменением нагрузки, т. е. тока, который потребляется внешней цепью из вторичной об­мотки.

Таким образом, магнитный поток в трансформаторе остается практически постоянным как в режиме холостого хода, так и в режиме переменной нагрузки. Это свойство трансформатора называют способностью саморегулирования, т.е. способностью автоматически регулировать значение первичного тока I₁ при изменении тока нагрузки I₂.

Вторичная обмотка является источником тока при работе трансформатора под нагрузкой, поэтому подчиняется уравне­нию генераторного режима

Е₂=U₂ + I₂∙Z₂

где U₂— напряжение на зажимах обмотки;

I₂∙Z₂ —полное внутреннее падение напряжения в обмотке.

Зависимость вторичного напряжения U₂ от тока нагрузки I₂ при номинальном первичном напряжении U₁ = U_1н = const, при постоянном коэффициенте мощности приемника cosφ_н= const, f=const назывется внешней характеристикой трансформатора. Внешняя характеристика трансформатора представлена на рис. 9.

При изменении нагрузки трансформатора напряжение U₂ на зажимах его вторичной обмотки колеблется. Отклонение величины U₂ от напряжения холостого хода U_{2 о} определяется процентным изменением напряжения:

ΔU% =[ (U_{2 о} - U₂ )/ U_{2 о}] ∙ 100%

При колебаниях нагрузки в преде­лах 0<β<1 напряжение на выходе трансформатора изменяется лишь на несколько процентов, что обеспечивает достаточную стабильность напряже­ния у приемников энергии, где β- коэффициент нагрузки

β = I₂/ I_2н ≈I₁/ I_1н

2. Режим холостого хода

В режиме холостого хода трансформатора первичная обмотка включена в сеть под номинальное напряжение U_1н (выключатель В1 замкнут), а вторичная обмотка разомкнута выключателем В2 (I₂ =0). Опытом холостого хода называется испытание трансформатора при разомкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном первичном напряжении U_1х = U_1н. На основании этого опыта по показаниям измерительных приборов определяют коэффициент трансформации и мощность потерь в магнитопроводе трансформатора. Опыт холостого хода является одним из двух обязательных контрольных опытов при заводском испытании готового трансформатора.

 

При номинальном первичном напряжении (U_1х =U_1н) ток холостого хода I_1х составляет 3 — 10% номинального первичного тока I_1н (тем меньше, чем больше номинальная полная мощность трансформатора), т.е. U_1х ≈Е_1х. Кроме того, при разомкнутой цепи вторичной обмотки всегда U_2х = Е_2х. Поэтому, измерив вольтметром и первичное U_1х, и вторичное U_2х напряжения в режиме холостого хода, определяют коэффициент трансформации:

К= w₁/w₂=Е_1х/Е_2х = U_1х/ U_2х

Если коэффициент трансформации больше единицы К>1, то трансформатор понижающий, если К<1, то трансформатор понижающий.

 

 

 

3. Режим короткого замыкания трансформатора

Следует различать режим короткого замыкания в эксплуатационных условиях и опыт короткого замыкания. Первый представляет собой аварийный режим трансформатора, так как трансформатор сильно нагревается и перегрев может вызвать его разрушение.

В режиме короткого замыкания трансформатора первичная обмотка включена под некоторое на­пряжение U_1, а вторичная обмотка замкнута на себя (U₂= 0).

В этом режиме выключатель В₂ замкнут, а дви­жок нагрузочного элемента находится в крайнем левом положе­нии (Z_н= 0).

Испытательное короткое замыкание трансформатора, в отли­чие отаварийного, проводят преднамеренно, причем первичное напряжение снижают до величины U₁= U_к, при котором в обеих обмотках устанавливаются токи, равные номинальным токам данного трансформатора.

Напряжение U_к на первичной обмотке, при котором токи короткозамкнутого трансформатора имеют номинальные значения, называют номинальным напряжением короткого замыкания.

Учитывая, что U_к обычно составляет всего 5 – 15% от U_н, поток взаимоиндукции сердечника трансформатора при опыте короткого замыкания в десятки раз меньше, чем в номинальном режиме, и сталь трансформатора ненасыщена. Поэтому потерями в стали пренебрегают и считают, что вся подводимая к первичной обмотке мощность P_к расходуется на нагревание проводников обмоток.

Мощность потерь короткого замыкания P_к, т.е. мощность потерь в обмотках

P_к = P_э =I²_1ном ∙R₁ + I²_2ном ∙R₂

 

При проведении опыта короткого замыкания определяют ряд характеристик трансформатора, в том числе напряжение корот­кого замыкания

U_к % = 100 U_к /U_1ном,