Автоматическое регулирование напряжения

Переключатель числа витков устанавливается для того, чтобы обеспечивать изменение напряжения в линиях, соединённых с трансформатором. Совсем необязательно, что целью всегда будет поддержание постоянного вторичного напряжения на трансформаторе. Чаще всего падения напряжения происходят во внешней сети - особенно это проявляется для дальних и мощных нагрузок. Для поддержания номинального напряжения на дальних потребителях может потребоваться увеличение напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Система управления ПБВ относится к релейной защите и автоматике станции - переключатель числа витков всего лишь получает команды: повысить или понизить. Однако обычно функции согласования коэффициентов трансформации между различными трансформаторами внутри одной и той же станции относятся к системе ПБВ. При соединении трансформаторов в параллель их переключатели числа витков должны двигаться синхронно. Для этого один из трансформаторов выбирается ведущим, а другие – как ведомыми, их системы управления ПБВ следят за изменением коэффициента трансформатора ведущего трансформатора. Обычно синхронным переключением числа витков добиваются исключения токов циркуляции между обмотками параллельных трансформаторов ( из - за разницы вторичных напряжений параллельных трансформаторов ) хотя на практике в момент действия ПБВ циркуляционные токи всё же возникают из - за рассогласования при переключении, однако это допускается в определённых пределах.

Последовательные регулировочные трансформаторы ( Вольтодобавочные трансформаторы )

Для регулирования коэффициента трансформации мощных трансформаторов и автотрансформаторов иногда применяют регулировочные трансформаторы ( вольтодобавочные ), которые подключаются последовательно с трансформатором и позволяют менять как напряжение, так и фазу напряжения. В силу сложности и более высокой стоимости регулировочных трансформаторов, такой способ регулирования применяется гораздо реже.

14.Группы соединения обмоток трансформаторов

• Большие буквы Y - звезда; D – треугольник – для первичной обмотки;

• маленькие буквы y - звезда; d – треугольник; z – зигзаг – для вторичного напряжения;

• буква N - означает вывод нейтрального зажима первичной обмотки на клеммную колодку;

• буква n - означает вывод нейтрального зажима вторичной обмотки на клеммную колодку;

Сдвиг фаз между ЭДС первичной и вторичной обмоток принято выражать группой соединений. Для описания напряжения смещения между первичной и вторичной, или первичной и третичной обмотками, традиционно используется пример с циферблатом часов. Так как этот сдвиг фаз может изменяться от 0° до 360°,а кратность сдвига составляет 30°, то для обозначения группы соединений выбирается ряд чисел от 1 до 12, в котором каждая единица соответствует углу сдвига в 30°. Одна фаза первичной указывает на 12, а соответствующая фаза другой стороны указывает на другую цифру циферблата.

15.Параллельная работа трансформаторов

Параллельная работа трансформаторов возможна лишь в том случае, если в обмотках трансформаторов не возникают уравнительные токи, а нагрузка распределяется пропорционально номинальным мощностям трансформаторов. Практически это сводится к выполнению следующих условий:

1. Напряжения обмоток высшего и низшего напряжения, указанные на заводских табличках, должны быть соответственно равны, т.е. должны быть равны коэффициенты трансформации k₁ = k₂ …k_n.

2. Напряжения короткого замыкания u_к, указываемые на заводских табличках трансформаторов, должны быть также равны; при параллельной работе трансформаторов допускают отклонения в пределах ±10 %.

3. Мощности параллельно работающих трансформаторов не должны значительно отличаться одна от другой. Допускается различие мощностей не больше чем в 3 раза.

4. Схемы и группы соединений обмоток трансформаторов, предназначенных для параллельной работы, должны быть одинаковыми. Это требование может быть выполнено, если условные обозначения схем и групп соединений, указанные на заводских табличках, будут одинаковыми.

5. Обмотки фаз трансформаторов, включенных для параллельной работы, должны совпадать, т. е. одинаково обозначенные выводы обмоток фаз должны быть присоединены к одной, а не к разным шинам.

16.Трехобмоточные трансформаторы

Очень часто возникает необходимость иметь помимо напряжения U2 еще одно, третье, напряжение U3. Например, трансформатор мощностью 40 MBА с первичным напряжением 110 кВ должен часть мощности отдать рядом расположенному заводу, а часть передать в более отдаленный промышленный район.

Для питания близлежащего завода удобно иметь напряжение 6,3 кВ, поэтому вторичную обмотку трансформатора выполняют на это напряжение. Однако передача мощности напряжением 6,3 кВ на значительное расстояние невыгодна, так как связана с большой потерей энергии. Чтобы успешно решить обе задачи, на каждый стержень трансформатора добавляют еще одну — третью обмотку с каким-то напряжением, средним между 110 и 6,3 кВ. Таким напряжением может быть 35 кВ, а третью обмотку с таким напряжением так и называют — обмоткой среднего напряжения (СН).

Магнитный поток, созданный током первичной обмотки (у нас — обмотки ВН на 110 кВ), замыкается по магнитопроводу, пересекая витки вторичной обмотки (обмотки НН). На зажимах вторичной обмотки возникает напряжение 6,3 кВ. Если на каждый стержень добавить еще по одной обмотке, расположенной концентрически относительно первых двух (рисунок 1), магнитный поток будет пересекать витки этой обмотки так же, как и двух других. Напряжение, которое возникает на зажимах обмотки СН, будет пропорционально числу ее витков ω3 (в нашем случае оно равно 35 кВ). Таким образом, напряжение сети U1 трансформируется одновременно в два напряжения: U2 и U3. Такой трансформатор в отличие от обычного двухобмоточного называют трехобмоточным.

1 — обмотка ВН; 2 — обмотка СН; 3 - обмотка НН; 4 — магнитопровод Рисунок 1 - Расположение обмоток трехобмоточного трансформатора

По существу трехобмоточный трансформатор представляет собой два трансформатора, которые могут работать как раздельно, т. е. в разное время, так и одновременно. Но, конечно, мощность 40 MBА, получаемая первичной обмоткой, должна быть всегда равна суммарной нагрузке вторичной и третьей обмоток. Поясним это на примере.

Допустим, что как близлежащий завод, так и отдаленный промышленный район могут потреблять по 40 MBА каждый. Это значит, что и обмотка НН (6,3 кВ) и обмотка СН (35 кВ) рассчитаны, как и первичная обмотка, на передачу мощности по 40 MBА. Но трансформатор может одновременно отдать лишь 40 MBА, т.е. он может или снабжать только одного своего потребителя, или делить между ними свою мощность так, чтобы сумма ее не превышала 40 MBА.

Процессы работы каждой в отдельности пары (состоящей из первичной и одной из двух других) обмоток трехобмоточного трансформатора при различных режимах нагрузки можно представить такими же векторными диаграммами, как и двухобмоточного. При одновременной работе всех трех обмоток диаграмма строится аналогично с учетом того, что первичный ток является теперь геометрической суммой трех токов: холостого хода и токов вторичной и третьей обмоток.

Трехобмоточные трансформаторы имеют довольно широкое распространение. Их применение во многих случаях весьма целесообразно: первоначальная стоимость и потери энергии одного трехобмоточного трансформатора меньше стоимости и потерь в двух обычных двухобмоточных трансформаторах, рассчитанных на мощности вторичной и третьей обмоток.

17. Автотрансформаторы

Автотрансформа́тор — вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения. Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию — это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно. Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью. Применение автотрансформаторов экономически оправдано вместо обычных трансформаторов для соединения эффективно заземленных сетей с напряжением 110 кВ и выше при коэффициентах трансформации не более 3-4.Существенным достоинством является меньший расход стали для сердечника, меди для обмоток, меньший вес и габариты, и в итоге — меньшая стоимость.

18. Переходные процессы в трансформаторах

Переходный процесс при включении трансформатора Рассмотрим переходный процесс при включении однофазного трансформатора в сеть с напряжением u₁=U_1m cos(ωt + ψ). Вторичную обмотку для простоты будем полагать разомк­нутой (рис. 2.47). При этих условиях процессы в трансформаторе описываются уравнением

19.Трансформаторные устройства специального назначения.

а) Измерительные трансформаторы

1. Трансформаторы напряжения (TH на рис. 2-74) служат для понижения напряжения (обычно до 100—150 в), так как вольтметры и катушки напряжения ваттметров и счетчиков (или реле) не могут быть включены непосредственно на высокое напряжение из-за недостаточной изоляции измерительных приборов и необходимости обеспечить безопасность обслуживающего персонала. Они выполняются как двухобмоточные трансформаторы и электрически отделяют цепь приборов от цепи высокого напряжения; их вторичная цепь надежно заземляется.

2.Трансформаторы тока (ТТ на рис. 2-74) также выполняются

в виде двухобмоточных трансформаторов. Их первичная обмотка включается в цепь последовательно с потребителями, ток которых надо измерить; во вторичную обмотку включаются амперметр, реле, а при измерении мощности и энергии — токовые катушки ваттметра и счетчика. Все приборы во вторичной цепи соединяются последовательно.

При помощи трансформатора тока, цепь приборов электрически отделяется от первичной цепи и вторичная обмотка надежно заземляется, что необходимо, если первичная обмотка включается в цепь высокого напряжения.

б) Сварочные трансформаторы

Для дуговой электросварки применяются трансформаторы с повышенным рассеянием или трансформаторы при последовательном включении с дугой регулируемой реактивной катушки (рис. 2-75).

Повышение рассеяния в трансформаторе достигается размещением первичной и вторичной обмоток на разных стержнях и применением магнитного шунта между стержнями.

Вторичное напряжение сварочного трансформатора выбирается равным 40—70 в, что соответствует напряжению зажигания дуги при переменном токе. Для устойчивого и непрерывного горения дуги требуется, чтобы внеш-няя характеристика (зависимость напряжения дуги от тока) была резко падающей (рис. 2-76) и чтобы цепь имела большое индуктивное сопротивление.

в) Регулировочные трансформаторы

Силовые трансформаторы снабжаются ответвлениями обычно от обмотки высшего напряжения, позволяющими изменять ее число витков, на ±5%, или на ±2×2,5%. В мощных трансформаторах ответвления, как правило, делаются в середине обмотки (по высоте), так как в этом случае при внезапном коротком замыкании в меньшей степени возрастают аксиальные электромагнитные силы, действующие на обмотки.

Регулировочными трансформаторами обычно называются трансформаторы, позволяющие регулировать вторичное напряжение под нагрузкой. Для этого используется переключатель, при котором осуществляется изменение числа витков обмотки без разрыва цепи. Наиболее часто применяется переключатель с токоограничивающим реактором

г) Трансформаторы для радиоэлектроника

Широкое применение в различных схемах радиоэлектроники находят' трансформаторы малой мощности (от нескольких вольт-ампер до тысячных долей вольт-ампера). К таким трансформаторам предъявляются особые-требования, которые могут быть удовлетворены только при примененииспециальных ферромагнитных материалов и специального устройства их. обмоток и сердечника.

В современной электронной аппаратуре, применяемой в разнообразных отраслях техники, используются трансформаторы, преобразующие ток или напряжение электрических сигналов, в широком спектре звуковых и сверхзвуковых частот. Они, как и усилители, рассчитанные на этот диапазон частот, условно называются трансформаторами и усилителями низких частот.¹

Также широко применяются «импульсные трансформаторы», преобразующие кратковременные импульсные токи, продолжительность которых измеряется микросекундами при числе импульсов в секунду до 1 000.*

20.Принцип действия синхронного генератора

Обычно синхронные генераторы выполняют с якорем, расположенным на статоре, для удобства отвода электрической энергии. Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3...2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух контактных колец не вызывает особых затруднений. Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции; при вращении ротора магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, сцепляется поочередно с каждой из фаз обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. В наиболее распространенном случае применения трехфазной распределенной обмотки якоря в каждой из фаз, смещенных друг относительно друга на 120 градусов, индуцируется синусоидальная ЭДС. Соединяя фазы по стандартным схемам «треугольник» или «звезда», на выходе генератора получают трехфазное напряжение, являющееся общепринятым стандартом для магистральных электросетей.

Частота индуцируемой ЭДС  [Гц] связана с частотой вращения ротора  [об/мин] соотношением:

где  — число пар полюсов ротора.

Часто синхронные генераторы используют вместо коллекторных машин для генерации постоянного тока, подключая их обмотки якоря к трехфазным выпрямителям.

21.Принцип действия асинхронного двигателя

На обмотку статора подаётся переменное напряжение, под действием которого по этим обмоткам протекает ток и создаёт вращающееся магнитное поле. Магнитное поле воздействует на обмотку ротора и по закону электромагнитной индукции наводит в ней ЭДС. В обмотке ротора под действием наводимой ЭДС возникает ток. Ток в обмотке ротора создаёт собственное магнитное поле, которое вступает во взаимодействие с вращающимся магнитным полем статора. В результате на каждый зубец магнитопровода ротора действует сила, которая, складываясь по окружности, создаёт вращающий электромагнитный момент, заставляющий ротор вращаться.

22.Устройство статора бесколлекторной машины.

это синхронный двигатель, основанный на принципе частотного регулирования с самосинхронизацией, суть которого заключается в управлении вектором магнитного поля статора в зависимости от положения ротора.

Статор имеет традиционную конструкцию и похож на статор асинхронной машины. Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки,уложенной в пазы по периметру сердечника. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. Для самозапуска и вращения достаточно двух фаз — синусной и косинусной. Обычно ВД трёхфазные, реже- четырёхфазные.

По способу укладки витков в обмотки статора различают двигатели имеющие обратную электродвижущую силу трапецеидальной (BLDC) и синусоидальной (PMSM) формы. По способу питания фазный электрический ток в соответствующих типах двигателя также изменяется трапецеидально или синусоидально.

Статор трехфазной синхронной машины аналогичен статору трехфазного асинхронного двигателя. Он состоит из корпуса /, цилиндрического сердечника 2, набранного из отдельных пластин электротехнической стали, и трехфазной обмотки 3, уложенной в пазы сердечника.

23.эдс обмотки статора

Работа синхронного генератора основана на явлении электромагнитной индукции. При холостом ходе обмотка якоря (статора) разомкнута, и магнитное поле машины образуется только обмоткой возбуждения ротора (рис. 4.4). При вращении ротора синхронного генератора от проводного двигателя ПД с постоянной частотой n_о магнитное поле ротора, пересекая проводники фазных обмоток статора AX, BY, CZ (рис.4.4,а) наводит в них ЭДС   , где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между статором и ротором;  l – активная длина проводника;   – линейная скорость пересечения проводников магнитным полем.

т.е. ЭДС в проводниках обмоток статора изменяется по синусоидальному закону.

ЭДС отдельных проводников каждой обмотки статора сдвинуты по фазе относительно друг друга, поэтому они суммируются геометрически  (аналогично ЭДС статора асинхронного двигателя – см. п. 3.8.1). Действующее значение ЭДС одной фазы определяется выражением:

25. Двухслойные обмотки.

 В настоящее время для статоров асинхронных и синхронных машин преимущественное применение получили двухслойные обмотки. Из них наиболее часто встречаются петлевые двухслойные обмотки. Они состоят из одинаковых катушек, также объединенных в группы. Катушечные стороны закладываются в пазы одна над другой.

Для машин мощностью до 50  100 кВт на статоре берутся полузакрытые (рис. 3-13,б), для машин до 250  300 кВт — полуоткрытые (рис. 3-13,в) и для больших машин — открытые пазы (рис. 3-13,г). Полузакрытые пазы по рис. 3-13,а и б применяются также и для однослойных обмоток. В этом случае изоляционная прокладка (рис. 3-13,б) не нужна.

Число катушек обмотки, очевидно, равно числу пазов Z. Число катушек в катушечной группе при q, равном целому числу, равно q. Для асинхронных машин, как правило, q равно целому числу. Поэтому здесь получаются группы с одинаковыми числами катушек. Для статоров синхронных машин большой мощности при большом числе полюсов часто q равно дробному числу, которое мы можем представить в виде:   где с и d — числа взаимно простые. В этом случае катушечные группы будут иметь неодинаковые числа катушек: часть из них будет иметь b катушек, а другая часть — (b+1) катушек. Те и другие группы должны быть распределены между фазами обмотки таким образом, чтобы фазные э.д.с. были равны по величине и сдвинуты по фазе на 120°.

26 Приведенная на рис. 1 и 2 обмотка статора называется однослойной, так как она укладывается в каждом пазу в один слой. Для того чтобы разместить лобовые части, пересекающиеся на плоскости, их изгибают по разным поверхностям (рис. 2, б). Однослойные обмотки выполняются с шагом, равным полюсному делению y = τ: (рис. 2, а), или этот шаг равен в среднем полюсному делению для разных катушек одной фазы, если y > 1, y< 1.

28.МДС трехфазной обмотки статора бесколлекторной машины.

В двигательном режиме работы МДС статора опережает МДС ротора на угол 90°, который поддерживается с помощью ДПР. В тормозном режиме МДС статора отстаёт от МДС ротора, угол 90° так же поддерживается с помощью ДПР.

29. Магнитное поле, ось которого вращается в пространстве с постоянной угловой частотой, называется вращающимся магнитным полем. Если при этом величина индукции в любой точке оси магнитного поля остается постоянной, то такое поле называется круговым вращающимся магнитным полем. Это связано с тем, что его можно изобразить вращающимся в пространстве вектором постоянной длины, конец которого при вращении описывает окружность.

Формирование кругового вращающегося магнитного поля является необходимым условием работы асинхронных и синхронных машин. Для этого в пазы пакета статора (рис. 1) укладывают три одинаковые обмотки (катушки), состоящие из двух частей, располагающихся диаметрально противоположно в пакете статора. Причем оси трех обмоток статора смещены по отношению друг к другу на 120 .

Круговое вращающееся магнитное поле возникает только при симметрии токов, проходящих по катушкам (симметрии НС катушек отдельных фаз), при симметричном расположении этих катушек в пространстве и при сдвиге во времени между фазовыми токами, равном пространственному сдвигу между катушками. При несоблюдении хотя бы одного из этих условий возникает не круговое, а эллиптическое вращающееся поле (рис.2.22а), у которого максимальное значение результирующей индукции для различных моментов времени не остается постоянным, как при круговом поле. В таком поле пространственный вектор НС или индукции описывает эллипс. Эллиптическое поле можно представить в виде

двух эквивалентных круговых полей, вращающихся в противоположных направлениях рис.2.22б, в). Разложение эллиптического поля на прямое и обратное круговые поля производится методом симметричных составляющих, с помощью которого определяются НС прямой и обратной последовательностей. Рассмотрим, как осуществляется это разложение на примере двухфазной обмотки при питании ее несимметричными токами.

Пульсирующее поле. При питании однофазной обмотки переменным током возникает магнитное поле, пульсирующее во времени с частотой изменения тока. В этом случае при синусоидальном распределении МДС (рис. 3.12) в каждой точке воздушного зазора, расположенной на расстоянии х от оси обмотки, действует МДС

F_x = F₀ cos (πx/τ) = F_m sin ωt cos (πx/τ),

Каждый из членов правой части (3.13) представляет собой уравнение бегущей (или вращающейся) волны МДС. Следовательно, пульсирующее магнитное поле, синусоидально распределенное в пространстве, можно представить в виде суммы двух магнитных полей, вращающихся в противоположных направлениях (рис. 3.13). При этом бегущие волны МДС, создающие эти магнитные поля,

F'_x = 0,5F_m sin (ωt - πx/τ); F''_x = 0,5F_m sin (ωt + πx/τ)

31.Режимы работы асинхронной машины.