В О П Р О С Ы П О К У Р С У

«Электротехника и электроника», часть вторая

1.Устройство и принцип действия трансформатора. Использование трансформаторов на электрических станциях

2.При каком напряжении целесообразно потреблять и передавать электрическую энергию?

3.Что такое коэффициент трансформации и как его определить опытным путем?

4.Почему мощность в режиме холостого хода принимают за магнитные потери, а мощность в режиме короткого замыкания – за электрические?

5.Почему с увеличением первичного напряжения при опыте холостого хода уменьшается коэффициент мощности?

6.Почему при нагрузке   _опт. коэффициент полезного действия уменьшается?

7.Нарисуйте Т-образную схему замещения и объясните физический смысл входящих в нее параметров.

8.Трехфазные трансформаторы. Преимущества и недостатки трехфазных трансформаторов по сравнению с однофазными.

9.Особенности при определении коэффициента трансформации трехфазных трансформаторов.

10.Что понимают под группой соединения обмоток трансформатора?

11.Чем различаются внешние характеристики трансформатора при активной, индуктивной и емкостной нагрузках?

12.Условия включения трансформаторов на параллельную работу.

13.Какие преимущества и недостатки имеет автотрансформатор по сравнению с двухобмоточным трансформатором?

14.Измерительные трансформаторы тока и напряжения.

15.Электрические машины. Классификация. Использование электрических машин на электрических станциях.

16.Электрические машины переменного тока. Получение кругового вращающегося магнитного поля в электрических машинах.

17.Устройство трехфазных асинхронных машин. Принцип действия асинхронной машины.

18.Режимы работы трехфазных машин. Скольжение, частота вращения ротора.

19.Работа асинхронной машины при неподвижном роторе.

20.Схема замещения асинхронного двигателя.

21.Энергетическая диаграмма и вращающий момент асинхронного двигателя.

22.Механические и рабочие характеристики асинхронного двигателя.

23.Способы пуска и регулирование частоты вращения асинхронного двигателя.

[01.06.2011]  Трансформатор. Устройство и принцип действия трансформатора. П ростейший трансформатор представляет собой устройство, состоящее из стального сердечника и двух обмоток (рис. 1). При подаче в первичную обмотку переменного напряжения, во вторичной обмотке индуцируется ЭДС той же частоты. Если ко вторичной обмотке подключить некоторый электроприемник, то в ней возникает электрический ток и на вторичных зажимах трансформатора устанавливается напряжение, которое несколько меньше, чем ЭДС и в некоторой относительно малой степени зависит от нагрузки. Отношение первичного напряжения ко вторичному (коэффициент трансформации) приблизительно равно отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток.  Рис. 1. Принцип устройства однофазного двухобмоточного трансформатора. 1 первичная обмотка, 2 вторичная обмотка, 3 сердечник. U1 первичное напряжение, U2 вторичное напряжение, I1 первичный ток, I2 вторичный ток, Ф магнитный поток  Простейшие условные обозначения трансформаторов изображены на рис. 2; для наглядности разные обмотки трансформатора можно, как и на рисунке, представить разными цветами.    Рис. 2. Условное обозначение трансформатора в подробных (многолинейных) схемах (a) и в схемах электрических сетей (b)  Трансформаторы могут быть одно- или многофазными, а вторичных обмоток может быть больше одной. В электрических сетях обычно используются трехфазные трансформаторы с одной или двумя вторичными обмотками. Если первичное и вторичное напряжения относительно близки друг другу, то могут использоваться и однообмоточные автотрансформаторы, принципиальные схемы которых представлены на рис. 3.  Рис. 3. Принципиальные схемы понижающего (a) и повышающего (b) автотрансформаторов  Важнейшими номинальными показателями трансформатора являются его номинальные первичное и вторичное напряжения, номинальные первичный и вторичный ток, а также номинальная вторичная полная мощность (номинальная мощность). Трансформаторы могут изготовляться как на весьма малую мощность (например, для микроэлектронных цепей), так и на очень большую (например, для мощных энергосистем), охватывая диапазон мощностей от 0,1 mVA до 1000 MVA.  Потери энергии в трансформаторе – обусловленные активным сопротивлением обмоток потери в меди и вызванные вихревыми токами и гистерезисом в сердечнике потери в стали – обычно настолько малы, что кпд трансформатора, как правило, выше 99 %. Несмотря на это, тепловыделение в мощных трансформаторах может оказаться настолько сильным, что необходимо прибегать к эффективным способам теплоотвода. Чаще всего активная часть трансформатора размещается в баке, заполненном минеральным (трасформаторным) маслом, который, при необходимости снабжается принудительным воздушным или водяным охлаждением. При мощности до 10 MVA (иногда и выше) могут применяться и сухие трансформаторы, обмотки которых обычно залиты с эпоксидной смолой. Основные преимущества сухих трансформаторов заключаются в более высокой огнебезопасности и в исключении течи трансформаторного масла, благодаря чему они могут без препятствий устанавливаться в любых частях зданий, в том числе на любом этаже. Для измерения переменных тока или напряжения (особенно в случае больших токов и высоких напряжений) часто используются измерительные трансформаторы.  Устройство трансформатора напряжения по своему принципу не отличается от силовых трансформаторов, но работает он в режиме, близком к холостому ходу; коэффициент трансформации в таком случае достаточно постоянен. Номинальное вторичное напряжение таких трансформаторов обычно равно 100 V. Вторичная обмотка трансформатора тока в идеальном случае короткозамкнута и вторичный ток в таком случае пропорционален первичному. Номинальный вторичный ток обычно составляет 5 A, но иногда может быть и меньше (например, 1 A). Примеры условных обозначений трансформаторов тока приведены на рис. 4.    Рис. 4. Условное обозначение трансформатора тока в развернутых схемах (a) и в однолинейных схемах (b)  Первым трансформатором может считаться изготовленное Майклом Фарадеем (Michael Faraday) индукционное кольцо (англ. induction ring), состоящее из кольцевого стального сердечника и двух обмоток, при помощи которого он 29 августа 1831 года открыл явление электромагнитной индукции (рис. 5). Во время быстрого переходного процесса, возникающего при включении или отключении первичной обмотки, соединенной с источником постоянного тока, во вторичной обмотке индуцируется импульсная ЭДС. Такое устройство может поэтому называться импульсным или транзиентным трансформатором.

Ответ № 2

Протекая по линиям электропередачи, ток нагревает их. В соответствии с законом Джоуля-Ленца, энергия, расходуемая на нагрев проводов линии, определяется формулой:  Q=I^2Rt  где R – сопротивление линии. Потери энергии на нагрев снижают путем уменьшением тока в линии. Но, так как мощность тока пропорциональна произведению силы тока на напряжение, то для сохранения передаваемой мощности требуется повысить напряжение в линии передачи. Причем, чем длиннее линия передачи, тем выгоднее использовать более высокое напряжение. Поэтому на крупных электростанциях ставят повышающие трансформаторы.  Для использования электроэнергии потребителями напряжение на концах линии нужно понизить. Это достигается с помощью понижающих трансформаторов. При этом обычно понижение напряжения и, соответственно, увеличение силы тока происходит в несколько этапов.  Обычно линии электропередачи строятся в расчете на напряжение 400–500 кВ, при этом в линиях используется трехфазный ток частотой 50 Гц. Следует отметить, что при повышении напряжения в линиях передач увеличиваются утечки энергии через воздух. В сырую погоду вблизи проводов линии может возникнуть так называемый коронный разряд, который можно обнаружить по характерному потрескиванию. Коэффициент полезного действия линий передач не превышает 90 %

Ответ № 3

Коэффициентом трансформации (К) называется отношение напряжения обмотки ВН к напряжению обмотки НН при холостом ходе трансформатора:

Лаб №1 опытный путь определения (хх 2-а вольтметра)

Ответ №4

 ОПЫТ ХОЛОСТОГО ХОДА И КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Для испытания трансформатора служит опыт холостого хода и опыт короткого замыкания.

При опыте холостого хода трансформатора (рис. 103) его вторичная обмотка разомкнута и тока в этой обмотке нет  (/2—0).

Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника электрической энергии переменного тока, то в этой об­мотке будет протекать ток холостого хода I₀, который представляет собой малую ве­личину по сравнению с номинальным то­ком трансформатора. В трансформаторах больших мощностей ток холостого хода может достигать значений порядка 5— 10% номинального тока. В трансформато­рах малых мощностей этот ток достигает значения 25—30% номинального тока. Ток   холостого   хода I₀ создает   магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. Для возбуждения магнитного потока трансформатор потребляет реактивную мощ­ность из сети. Что же касается активной мощности, потребляемой трансформатором при холостом ходе, то она расходуется на покры­тие потерь мощности в магнитопроводе, обусловленных гистерезисом и вихревыми токами.

Так  как реактивная мощность при холостом ходе трансформа­тора значительно больше активной мощности, то коэффициент мощности cos φ его весьма мал и обычно равен 0,2-0,3.

По данным опыта холостого хода трансформатора определяется сила то­ка холостого хода I₀, потери в стали сердечника Р_ст и коэффициент транс­формации К.

Силу тока холостого хода I₀ изме­ряет амперметр, включенный в цепь первичной   обмотки   трансформатора.

При испытании трехфазного транс­форматора определяется фазный ток холостого хода.

О потерях в стали сердечника P_ст судят по показаниям ваттметра, включенного в цепь первичной обмотки трансформатора.

Коэффициент трансформации трансформатора равен отноше­нию показаний вольтметров, включенных в цепь первичной и вто­ричной обмоток.

При коротком замыкании вторичной обмотки сопротивление трансформатора очень мало и ток короткого замыкания во много раз больше номинального. Такой большой ток вызывает сильный нагрев обмоток трансформатора и приводит к выходу его из строя. Поэтому трансформаторы снабжаются защитой, отключающей его при коротких замыканиях.

При опыте короткого замыкания (рис. 104) вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко, т. е. напряжение на зажи­мах вторичной обмотки равно нулю. Первичная обмотка включает­ся в сеть с таким пониженным напряжением, при котором токи в обмотках равны номинальным. Такое пониженное напряжение называется напряжением короткого замыкания и обычно равно 5,5% от номинального значения.

По данным опыта короткого замыкания определяется напряже­ние короткого замыкания u_к %, его активная u_а % и реактивная u_x % составляющие, потери на нагревание обмоток трансформато­ра P_обм при номинальной нагрузке и активное, реактивное и пол­ное сопротивления трансформатора при коротком замыкании r_k, x_k  и z_k.

Потери в обмотках указываются ваттметром. Активное, реактивное и полное сопротивления короткого замы­кания трансформатора определяются следующими выражениями:

где U_k, I и P_k- напряжение, сила тока, мощность, указываемые измерительными приборами, включенными в цепь первичной об­мотки трансформатора.

При испытании трехфазного трансформатора следует в приве­денных выше выражениях подставить фазные значения напряже­ния, тока и мощности.

Напряжение короткого замыкания и его активная и реактивная составляющие равны:

где  U_н и Iн — номинальные напряжения и сила тока вторичной (первичной) обмотки трансформатора.

Вопрос №5

Коэффициент мощности- ;P = S cos(φ)

Коэффициентом мощности или cos φ электрической сети называется отношение активной мощности к полной мощности нагрузки расчетного участка.

Коэффициент мощности cos(фи) трансформатора определяется характером нагрузки, подключенной к его вторичной обмотке. При уменьшении нагрузки начинает сильно сказываться индуктивное сопротивление обмоток трансформатора, и коэффициент мощности его снижается. В опыте холостого хода cos ф резко уменьшается при повышении напряжения. Дело в том, что при холостом ходе почти вся мощность на трансформаторе идет на намагничивание стали сердечника. Ток в первичной обмотке почти имеет пренебрежимо малую активную составляющую, которая к тому же неизменна, и большую реактивную составляющую. Реактивная составляющая увеличивается с ростом напряжения, так как с ростом приложенного напряжения увеличивается магнитный поток (потому что магнитный поток создает ЭДС, уравновешивающую приложенное напряжение) cos ф тем меньше, чем больше соотношение реактивного тока к активному.

Вопрос №6

Коэффициент полезного действия. Коэффициентом полезного действия трансформатора называют отношение отдаваемой мощности Р₂ к мощности Р₁:

или

Зависимость КПД от нагрузки.  При β = 0 полезная мощность и КПД равны нулю. С увеличением отдаваемой мощности КПД увеличивается, так как в энергетическом балансе уменьшается удельное значение магнитных потерь в стали, имеющих постоянное значение. При некотором значении (β_опт кривая КПД достигает максимума, после чего начинает уменьшаться с увеличением нагрузки. Причиной этого является сильное увеличение электрических потерь в обмотках, возрастающих пропорционально квадрату тока, т. е.

Рис. 3-10. Зависимости КПД трансформатора η от нагрузки β

пропорционально β², в то время как полезная мощность Р₂ возрастает пропорционально β.

Максимальное значение КПД в трансформаторах большой мощности достигает весьма высоких пределов (0,98...0,99). Оптимальный коэффициент нагрузки β_опт, при котором КПД имеет максимальное значение, можно определить, взяв первую производную dη/dβ по формуле (3-37) и приравняв ее нулю. При этом

 (3-38)

Следовательно, КПД имеет максимум при такой нагрузке, при которой электрические потери в обмотках равны магнитным потерям в стали. Это условие (равенство постоянных и переменных потерь) приближенно справедливо и для других типов электрических машин. Для серийных силовых трансформаторов

 (3-39)

Указанные значения Р_опт получены при проектировании трансформаторов на минимум приведенных затрат (на их приобретение и эксплуатацию). Наиболее вероятная нагрузка трансформатора соответствует β = 0,5...0,7.

В трансформаторах максимум КПД выражен сравнительно слабо, т. е. он сохраняет высокое значение в довольно широком диапазоне изменения нагрузки (0,4<β<1,5). При уменьшении cos φ₂ КПД снижается (рис. 3-10,б), так как возрастают токи I₂ и I₁, при которых трансформатор имеет заданную мощность Р₂.

Вопрос №7

Переделываем в это:

- Т-образная схема замещения

На этом рисунке представлена эквивалентная схема приведенного трансформатора, на которой сопротивления r и x условно вынесены из соответствующих обмоток и включены с ними последовательно. Так как k = 1, то E₁ = E₂. Поэтому точки А и а, а также Х и х на приведенном трансформаторе имеют одинаковые потенциалы, что позволит электрически соединить эти точки, получив Т-образную эквивалентную схему замещения.

Вопрос№8

Трехфазные трансформаторы

Трансформирование в трехфазной цепи может быть осуществлено либо группой, состоящей из трех однофазных трансформаторов, либо одним трехфазным трансформатором. В обоих случаях обмотки фаз высшего и низшего напряжений могут соединяться звездой или треугольником. Соединение звездой обозначается знаком Y, а треугольником —  .

Если обе обмотки соединены звездой, то такое соединение обозначается Y/Y. В числителе указывается способ соединения обмоток фаз высшего напряжения, а в знаменателе — низшего напряжения. Начала фаз высшего напряжения обозначаются буквами A, В и С, а концы — буквами X,У, Z. Начала фаз низшего напряжения — буквами а, b и с, а их концы — буквами х, у, z. На рис. 2.17 показана схема трех однофазных трансформаторов при соединении  , т.е. фазы высшего напряжения соединены звездой, а фазы низшего напряжения — треугольником.

Устройство и особенности трехфазных трансформаторов. Обмотки трехфазного трансформатора расположены на стержнях так же, как и в однофазном трансформаторе, т.е. обмотки низшего напряжения НН размещаются ближе к стержню, а обмотки высшего напряжения ВН—на обмотках низшего напряжения.

Н а рис. 2.18 показано соединение обмоток трехфазного трансформаторапосхеме   (для наглядности обмотки расположены одна над другой).

Для правильного соединения обмоток необходимо разметить начала и концы фаз высшего напряжения (A, В, С и X, У, Z) и низшего напряжения (а, b, с и х, у, z) и придерживаться этой маркировки. Ошибка в маркировке одной из фаз или ошибка в соединении фаз может привести к тому, что ЭДС, наведенные в одноименных фазах, будут не совпадать по фазе, а будут сдвинуты относительно друг друга на 180°.

В трехфазных трансформаторах, кроме гальванической связи фаз, есть и магнитная, так как магнитопроводы отдельных фаз объединены в общую магнитную систему (рис. 2.18). Такое объединение возможно благодаря тому, что магнитные потоки в отдельных фазах сдвинуты по  фазе  относительно друг друга на угол 120°. Если объединить стержни трех фаз (рис. 2.19, а) в один  общий стержень (рис. 2.19,б), то сумма трех  потоков в нем в любой момент времени равна нулю   и, следовательно, стержень не нужен (рис. 2.19, в). Таким образом, магнитная система трехфазного трансформатора из шестистержневой модифицируется в трехстержневую (рис. 2.19, г и 2.18).

Трехфазный трансформатор экономичнее, чем группа из трех однофазных.

Рис. 2.19

Номинальные данные трехфазных трансформаторов.

Номинальные данные трехфазных трансформаторов указываются в паспорте и на специальном щитке трансформатора. К ним относятся  , схема и группа соединений. Здесь   — полная мощность трансформатора в номинальном режиме,  , т.е. полная мощность трех фаз трансформатора:   (см. гл. 3);   – номинальные напряжения, т. е. линейные напряжения первичной и вторичной обмоток при любой схеме соединений в режиме холостого хода;   — потери в режимах холостого хода и короткого замыкания в ваттах на три фазы;   — напряжение короткого замыкания в процентах номинального напряжения;   — ток холостого хода в процентах номинального тока;   или   — схема и группа соединений.

На трехфазном токе работают все крупные электростанции и потребители, что связано с рядом преимуществ трехфазных цепей перед однофазными, важнейшими из которых являются: 

- экономичность передачи электроэнергии на большие расстояния;

- самым надежным и экономичным, удовлетворяющим требованиям промышленного электропривода является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;

- возможность получения с помощью неподвижных обмоток вращающегося магнитного поля, на чем основана работа синхронного и асинхронного двигателей, а также ряда других электротехнических устройств;

- уравновешенность симметричных трехфазных систем.

Вопрос №9

Коэффициентом трансформации (К) называется отношение напряжения обмотки ВН к напряжению обмотки НН при холостом ходе трансформатора:

Для трехобмоточных трансформаторов коэффициентом трансформации является отношение напряжений обмоток ВН/СН, ВН/НН и СН/НН.

Значение коэффициента трансформации позволяет проверить правильное число витков обмоток трансформатора, поэтому его определяют на всех ответвлениях обмоток и для всех фаз. Эти измерения, кроме проверки самого коэффициента трансформации, дают возможность проверить правильность установки переключателя напряжения на соответствующих ступенях, а также целость обмоток.

Если трансформатор монтируется без вскрытия и при этом ряд ответвлений, недоступен для измерений, определение коэффициента трансформации производится только для доступных ответвлений.

При испытании трехобмоточных трансформаторов коэффициент трансформации достаточно проверить для двух пар обмоток, причем измерения рекомендуется проводить на тех обмотках, для которых напряжение короткого замыкания наименьшее.

В паспорте каждого трансформатора даются номинальные напряжения обеих обмоток, относящиеся к режиму холостого хода. Поэтому номинальный коэффициент трансформации можно легко определить по их отношению.

Измеренный коэффициент трансформации на всех ступенях переключателя ответвлений не должен отличаться более чем на 2 % от коэффициента трансформации на том же ответвлении на других фазах или от паспортных данных, или от данных предыдущих измерений. В случае более значительного отклонения должна быть выяснена его причина. При отсутствии виткового замыкания трансформатор может быть введен в работу.

Коэффициент трансформации определяют следующими методами:

а) двух вольтметров;

б) моста переменного тока;

в) постоянного тока;

г) образцового (стандартного) трансформатора и др.

Коэффициент трансформации рекомендуется определять методом двух вольтметров (рис. 1).

Принципиальная схема для определения коэффициента трансформации методом двух вольтметров для однофазных трансформаторов дана на рис. 1,а. Напряжение, подводимое к двум обмоткам трансформатора, одновременно измеряют двумя разными вольтметрами.

При испытании трехфазных трансформаторов одновременно измеряют линейные напряжения, соответствующие одноименным зажимам обеих проверяемых обмоток. Подводимое напряжение не должно превышать номинального напряжения трансформатора и быть чрезмерно малым, чтобы на результаты измерений не могли повлиять ошибки вследствие потери напряжения в обмотках от тока холостого хода и тока, обусловленного присоединением измерительного прибора к зажимам вторичной обмотки. 

Рис. 1. Метод двух вольтметров для определения коэффициентов трансформации: а – для двухобмоточных и б – трехобмоточных трансформаторов

Подводимое напряжение должно быть от одного (для трансформаторов большой мощности) до нескольких десятков процентов номинального напряжения (для трансформаторов небольшой мощности), если испытания проводятся с целью проверки паспортных данных трансформаторов.

В большинстве случаев к трансформатору подводят напряжение от сети 380 В. В случае необходимости вольтметр присоединяется через трансформатор напряжения или включается с добавочным сопротивлением. Классы точности измерительных приборов – 0,2–0,5. Допускается присоединять вольтметр V1 к питающим проводам, а не к вводам трансформатора, если это не отразится на точности измерений из-за падения напряжения в питающих проводах.

При испытании трехфазных трансформаторов симметричное трехфазное напряжение подводят к одной обмотке и одновременно измеряют линейные напряжения на линейных зажимах первичной и вторичной обмоток.

При измерении фазных напряжений допускается определение коэффициента трансформации по фазным напряжениям соответствующих фаз. При этом проверку коэффициента трансформации производят при однофазном или трехфазном возбуждении трансформатора.

Если коэффициент трансформации был определен на заводе-изготовителе, то при монтаже целесообразно измерять те же напряжения. При отсутствии симметричного трехфазного напряжения коэффициент трансформации трехфазных трансформаторов, имеющих схему соединения обмоток Д/У или У/Д, можно определить при помощи фазных напряжений с поочередным закорачиванием фаз.

Для этого одну фазу обмотки (например, фазу А), соединенную в треугольник, закорачивают соединением двух соответствующих линейных зажимов данной обмотки. Затем при однофазном возбуждении определяют коэффициент трансформации оставшейся свободной пары фаз, который при данном методе должен быть равным 2 Kф для системы Д/У при питании со стороны звезды (рис. 2) или Kф/2 для схемы У/Д при питании со стороны треугольника, где Kф – фазный коэффициент трансформации (рис. 3). 

Рис. 2. Определение коэффициентов трансформации трансформатора, соединенного по схеме Д/У, при несимметричном трехфазном напряжении: а – первое; б – второе и в – третье измерения

Аналогичным образом производят измерения при накоротко замкнутых фазах В и С. При испытании трехобмоточных трансформаторов коэффициент трансформации достаточно проверить для двух пар обмоток (см. рис. 1,б).

Если у трансформатора выведена нейтраль и доступны все начала и концы обмоток, то определение коэффициента трансформации можно производить для фазных напряжений. Проверку коэффициента трансформации по фазным напряжениям производят при однофазном или трехфазном возбуждении трансформатора.

Для трансформаторов с РПН разница коэффициента трансформации не должна превышать значения ступени регулирования. Коэффициент трансформации при приемосдаточных испытаниях определяется дважды – первый раз до монтажа, если паспортные данные отсутствуют или вызывают сомнения, и второй раз непосредственно перед вводом в эксплуатацию при снятии характеристики холостого хода. 

Рис. 3. Определение коэффициентов трансформации трансформатора, соединенного по схеме У/Д, при несимметричном трехфазном напряжении: а – первое; б – второе и в – третье измерения 

Рис. 4. Принципиальная схема универсального прибора типа УИКТ-3

Для ускорения измерения коэффициента трансформации применяется универсальный прибор типа УИКТ-3, которым можно измерить коэффициенты трансформации силовых и измерительных трансформаторов тока и напряжения без применения постороннего источника переменного тока. Одновременно с измерением коэффициента трансформации определяется полярность первичной и вторичной обмоток. Погрешность в измерении не должна превышать 0,5 % измеряемой величины.

Принцип работы прибора основан на сравнении напряжений, индуктируемых во вторичной и первичной обмотках трансформатора, с падением напряжения на известных сопротивлениях (рис. 4). Сравнение производится по мостовой схеме. 

Ответ №10