Министерство образования Республики Беларусь

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеративное агентство по образованию

Государственное учреждение высшего профессионального образования

«Белорусско-Российский университет»

Электротехнический факультет

Кафедра “Электропривод и автоматизация промышленных установок”

Методические указания к лабораторной работе

по курсу “Электрические машины”

Для студентов специальности 1-53 01 05

“Автоматизированные электроприводы”

Лабораторная работа № 7

“Параллельная работа трехфазных трансформаторов”

Могилев 2012

УДК 621.313 Составитель: Лапицкий В.А.

Кольцов С.В.

Методические указания к лабораторной работе №7 “Параллельная работа трехфазных трансформаторов” по дисциплине «Электрические машины». Для студентов специальности 1-53 01 05 “Автоматизированные электроприводы”

Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры “Электропривод и АПУ”

02 Февраля 2012г., протокол №6. Белорусско-российский университет

Рисунок 1 – Схема электрическая принципиальная исследования параллельной работы трехфазных трансформаторов

1 Цель работы.

Исследовать параллельную работу трехфазных трансформаторов при различных коэффициентах трансформации.

2 Основные теоретические сведения

Под параллельной работой нескольких трансформато­ров понимается такая работа, когда их вторичные обмотки подключены к общей нагрузке, а первичные обмотки получают питание от одной сети (рисунок 2).

Рисунок 2 – Схемы параллельной работы однофазных (а) и трехфазных (б) трансформаторов

Параллельное включение трансформаторов используется:

1. при сильных сезонных и суточных колебаниях нагрузки. В этом случае в зависимости от общей нагрузки можно оставлять в работе столько трансформаторов, чтобы каждый из них имел нагрузку, близкую к номинальной, а суммарные потери в них были бы минимальными;

2. для обеспечения резервирования в электроснабжении при аварии или ремонте трансформатора;

3. если передаваемая мощность превышает мощность, на которую можно выполнить трансформатор.

При параллельной работе трансформатора следует стремиться к тому, чтобы каждый из них был нагружен токами, пропорциональными их номинальным мощностям. В этом случае максимальная мощность, забираемая от всех включенных трансформаторов, может быть получена равной сумме их номинальных мощностей. Для этого необходимо, чтобы трансформаторы, включаемые на параллельную работу, имели равные первичные и равные вто­ричные номинальные напряжения, а следовательно, и одинаковые коэффициенты трансформации, одинаковые группы соединений обмоток, одинаковые напряжения короткого замыкания.

При нарушении первых двух условий нарушение желаемой загрузки происходит из-за появления уравнительных токов между трансформаторами, а при нарушении третьего — из-за непропорционального распределения общей мощности на­грузки, подключенной к их вторичным обмоткам.

Параллельная работа трансформаторов при неодинаковых коэффициентах трансформации для упрощения анализа рассматривается применительно к двум однофазным трансформаторам одинаковой мощности. Принимается, что коэффициент трансформации первого трансформатора n_тα будет меньше коэффициента трансформации второго трансформатора n_тβ. Cчитается, что два других условия включения трансформаторов на параллельную работу выполняются. Сначала предполагается, что нагрузка отключена. Так как первичные обмотки трансформаторов присоединены к общей сети, то

(1)

ЭДС вторичных обмоток будут различные:

(2)

(3)

Так как , то , поэтому в замкнутом контуре вторичных обмоток будет действовать разность этих ЭДС

(4)

которая будет создавать ток, называемый уравнительным током I_2ур. Этот ток проходит по вторичным обмоткам в противоположных направлениях.

Уравнительный ток протекает не только по вторичным обмоткам, он трансформируется и в первичную обмотку. По отношению к уравнительному току трансформаторы находятся в режиме короткого замыкания, и ток будет огра­ничиваться их сопротивлениями короткого замыкания. Уравнительный ток вторичных обмоток равен:

(5)

где Z’_кα, Z’_кβ – сопротивления короткого замыкания трансформаторов α и _β при питании со стороны вторичных обмоток.

Рисунок 3 – Векторные диаграммы для трансформаторов, включенных на параллельную работу, с разными коэффициентами трансформации

Уравнительный ток по фазе отстает от ΔE на значительный угол, так как обычно индуктивное сопротивление обмотки x’_к больше активного сопротивления r’_к. В мощных трансформаторах этот угол близок к π/2.

При одинаковых мощностях трансформаторов можно принять , тогда уравнительный ток будет равен:

(6)

Ток I_2ур удобно выразить через напряжения короткого замыкания и_к, которые всегда приводятся в каталогах и выбиваются на щитке трансформатора.

(7)

где .

Результирующий ток каждого трансформатора будет равен геометрической сумме уравнительного и нагрузочного токов. Из векторной диаграммы рисунка 2 (б) видно, что результирующий ток I_2α трансформатора α будет больше результирующего тока I_2β трансформатора β.

Во избежание перегрева нельзя допускать, чтобы ток любого трансформатора превышал свое номинальное значение. Поэтому если трансформатор α будет работать с номинальным током, то трансформатор β будет недогружен и общая мощность, забираемая от этих трансформаторов, будет меньше установленной мощности, равной сумме их номинальных мощностей. Большую нагрузку всегда имеет трансформатор, у которого коэффициент трансформации меньше. Поэтому если на параллельную работу включаются трансформаторы разной мощности, то уменьшение забираемой суммарной мощности будет меньше, если более мощный трансформатор имеет меньший коэффициент трансформации.

Так как неравенство коэффициентов трансформации ухудшает параллельную работу трансформаторов, то допускается их различие не более чем на 0.5% их среднего значения.

При включении на параллельную работу трансформаторов с разными группами соединений при одинаковых первичных напряжениях их вторичные ЭДС будут равны, но сдвинуты между собой по фазе. В контуре вторичных обмо­ток будет действовать ЭДС ΔE, равная геометрической разности ЭДС вторичных обмоток. Если включить на параллельную работу трансформаторы с группами соединения О и 11, то угол сдвига между вторичными ЭДС равен 30⁰ и

₍₈₎

При включении трансформаторов с группами 0 и 6 угол сдвига между ЭДС равен 180° и ΔE=2E₂. При таких значениях ΔE в трансформаторе возникают уравнительные токи, которые будут в несколько раз превышать номинальный ток. Поэтому параллельное включение трансформаторов с разными группами соединений недопустимо.

Рисунок 4 – Векторная диаграмма вторичных напряжений трансформаторов с группами соединения Y/Y-0 и Y/∆-11, включенных на параллельную работу

При исследовании параллельной работы трансформаторов с неодинаковыми напряжениями короткого замыкания пренебрегают намагничивающими токами и считают, что трансформаторы имеют равные коэффициенты трансформации и одинаковые группы соединений.

Тогда токи в их обмотках будут отсутствовать. Схема замещения для параллельной работы двух трансформаторов, сопротивления короткого замыкания которых равны Z_кα и Z_кβ, показана на рисунке 5.

Рисунок 5 – Схема замещения двух трансформаторов, включенных на параллельную работу

Исходя из схемызамещения, можно записать

(9)

или

(10)

в сумме токи трансформаторов равны току нагрузки:

(11)

В общем случае токи и не совпадают по фазе, так как аргументы комплексных сопротивлений и могут быть неравными. Однако реально угол сдвига между токами получается небольшим и можно принять

(12)

(13)

где u_{кα , uкβ –} напряжения короткого замыкания трансформаторов, %;

S_номα, S_номβ – номинальные мощности трансформаторов;

S_α, S_β – мощности трансформаторов при нагрузке;

, (14)

, (15)

, (16)

(17)

, – номинальные токи трансформаторов;

U_1ном – номинальное напряжение.

Относительная нагрузка трансформаторов обратно пропорциональна их напряжениям короткого замыкания. Тот трансформатор, который имеет меньшее напряжение короткого замыкания, будет иметь большую относительную нагрузку, чем трансформатор с большим значением. При равенстве u_кα=u_кβ трансформаторы будут нагружаться равномерно, т.е пропорционально их номинальным мощностям.

Мощность, которой будет нагружен каждый из трансформаторов, можно выразить через общую мощность нагрузки

₍₁₈₎

(19)

(20)

При параллельной работе трансформаторов с разными значениями u_к установленная мощность не используется полностью, так как предельную нагрузку лимитирует трансформатор, имеющий меньшее значение u_к. При загрузке этого трансформатора номинальной мощностью остальные работают с недогрузкой и поэтому общая забираемая мощность будет меньше суммы их номинальных мощностей. При параллельной работе трансформаторов разной мощности использование установленной мощности улучшается, если меньшее значение u_к будет иметь более мощный трансформатор.

При включении трансформаторов на параллельную работу допускается различие в напряжениях короткого замыкания не более чем на ±10% среднего значения.

3 Задание на выполнение лабораторной работы.

3.1 Записать паспортные данные трансформатора в отчет.

3.2 Записать данные измерительных приборов в таблицу 1.

3.3 Ознакомиться со схемой и порядком включения стенда.

3.4 Включить на параллельную работу два трехфазных трансформатора, имеющих одинаковые коэффициенты трансформатора.

3.5 Нагрузить трансформатор и проследить распределение нагрузки между ними. Построить зависимости:

I₂₁=f(I₂); I₂₂=f(I₂); U₂₁=f(I₂); U₂₂=f(I₂).

3.6 Включить на параллельную работу два трехфазных трансформатора с различными коэффициентами трансформации.

3.7 Нагрузить трансформаторы и проследить распределение нагрузки между ними. Построить зависимости: I₂₁=f(I₂); I₂₂=f(I₂); U₂₁=f(I₂); U₂₂=f(I₂).

Таблица 1 – Данные измерительных приборов

№	Обозначение на схеме	Система прибора	Класс точности	Предел измерения	Цена деления
1
2
3
4
5
6
7
8
9