Лекции / Лекция 10 Специальные типы трансформаторов

Специальные типы трансформаторов

Общие сведения. Специальных типов трансформаторов очень много. Сюда относятся: а) автотрансформаторы, б) трехобмоточные трансформаторы, в) трансформаторы большой мощности с регулированием напряжения под нагрузкой, г) индукционные регуляторы, выполняемые по типу асинхронных машин (см. вторую часть); д) измерительные трансформаторы, е) печные, ж) сварочные, з) для ртутных выпрямителей, и) ис пытательные и др.

Наряду с этим трансформаторы могут быть использованы для умножения частоты, изменения числа фаз, как реакторы для самых различных целей и т. д. В последнее время получили известное развитие передвижные трансформаторы, сухие трансформаторы сравнительно большой мощности, трансформаторы с негорючим маслом, с намотанным сердечником и т. д.

Здесь будут вкратце рассмотрены только наиболее распространенные из специальных типов трансформаторов.

Автотрансформаторы. Автотрансформатором называется такой трансформатор, у которого часть обмотки принадлежит одновременно первичной и вторичной системам. Так же как обычные трансформаторы, автотрансформаторы могут быть понижающими и повышающими, однофазными и трехфазными. На рис. 12.1, а и б показаны схемы понижающего автотрансформатора, на рис. 12.1, в – повышающего.

Рассмотрим работу однофазного понижающего автотрансформатора (рис. 12.1, а). Первичное напряжение U1 UAX подводится к зажимам первичной обмотки AX вторичной обмоткой служит часть первичной между зажимами a и x , причем зажим x совмещен сзажимом X .

Режим холостого хода автотрансформатора (I2 = 0) ничем не отличается от соответствующего режима обычного трансформатора. Так как подводимое к автотрансформатору напряжение UAX равномерно

распределяется между витками первичной обмотки, то вторичное наппряжение будет

где ka wAX /wax – коэффициент трансформации автотрансформатора. Для повышающего автотрансформатора (рис. 12.1, в) имеем:

U2 UAX kaU1.

При коротком замыкании автотрансформатора из первичной сети течет ток I1, а в проводе,

замыкающем зажимы a x, течет

ны, какв обычном трансформаторе, то, пренебрегая намагничивающим током, мы имели бы:

I1wAX I2wax 0

или

I1 1 I2 0. ka

В автотрансформаторе ток I1, протекает только по части обмотки

A X , а по общей части обмотки a x течет ток Iax, представляющий собой геометрическую сумму токов I1, и I2 . Следовательно,

Отсюда видно, что в понижающем автотрансформаторе ток Iax,

течет по общей части a x обмотки в направлении, обратном току I1,

и согласно с током I2 .

Сравним параметры короткогозамыкания обычного трансформатора и автотрансформатора. Параметры последнего будем обозначать

Следовательно,

кая одну и ту же плотность тока, можно в таком же отношении изменить площадь сечения этой части обмотки, соответственно чему активное сопротивление этой части изменяется обратно пропорционально этому отношению. Тогда

ka

Сопоставляя формулы (12.1) и (12.2), мы видим, что автотрансформатор можно рассматривать как обычный трансформатор с активными сопротивлениями первичной и вторичной обмоток, уменьшенными в 1 1 раз, т. е.

тка автотрансформатора имеет по сравнению с обычным трансформа-

тором то же сечение, но в (1 1 ) раз меньшую длину, и на участке ka

a x она имеет ту же длину, что вторичная обмотка трансформатора,

но в (1 1 ) раз меньшее сечение. ka

В отношении индуктивного сопротивления автотрансформатора можно сделать тот же вывод, что и в отношении его активного сопротивления, т. е.

1

xka xk (1 ka )

Следовательно, напряжение короткого замыкания автотрансформатора составляет

Таким образом, по сравнению с обычным трансформатором все стороны треугольника короткого замыкания автотрансформатора в

(1 1 ) разменьше, а токикороткогозамыкания соответственнобольше. ka

Подводимая к автотрансформатору мощность P1 U1I1 передается во вторичную обмотку частью в форме электромагнитной мощности P12

соответственно части обмотки A a , частью в форме электрической мощности Pэ соответственно части обмотки a X . Следовательно,

1

P12 UAaI1(U1 U2)I1 P1(1 ka )

и

1

PЭ P1 P12 P1 ka .

Работу автотрансформатора под нагрузкой можно получить при взаимном наложении режимов холостого хода и короткого замыкания.

Поэтому нагрузочная диаграмма автотрансформатора имеет тот же вид, что и обычного трансформатора, но меньшему напряжению короткого замыкания uka и меньшим потерям в

меди pka изменение нап-

ряжения автотрансформатора меньше, а его КПД больше, чем у обыч-

ного трансформатора. Из формул (12.3) и (12.4) следует, что эта разница зависит от величины коэффициента ka . При ka =1 потери pka и

масса Gka были бы равны нулю, но в этом случае точка а совпала бы с

точкой А и вся подводимая к автотрансформатору электроэнергия передавалась бы во вторичную сеть без трансформации. С другой стороны, при больших значениях ka разница междуавтотрансформатором и

трансформатором сглаживается. При ka = 2 автотрансформатор стано-

вится менее выгодным, так как с увеличением ka потери в меди авто-

трансформатора возрастают и приближаются к потерям, имеющим место в трансформаторах. Кроме того, приемники, питаемые автотрансформатором, приходится защищать от перенапряжений, поскольку обмотки ВН и НН соединены между собой электрически. Поэтому обычно ka = 1,25 2.

Автотрансформаторы применяются для пуска синхронных и асинхронных двигателей, как делители напряжения в испытательных и лабораторных схемах, а также на линиях передачи высокого напряжения для связи систем с различными напряжениями, например 400 и 230 кВ, а также в распределительных сетях.

На рис. 12.2, а, б показаны прямая и обратная схемы трехфазного масляного пускового автотрансформатора. Согласно ГОСТ, пусковые автотрансформаторы должны иметь три ступени вторичного напряжения, а именно 0,55, 0,64 и 0,73 от первичного напряжения U1при пря-

мой схеме 0,27, 0,36 и 0,45 от U1 при обратной схеме. Напряжения

0,64 и 0,36 от U1 на средней ступени принимаются за номинальные.

Номинальным режимом нагрузки пускового автотрансформатора считается двухминутная нагрузка током, соответствующим номинальной мощности, обозначенной на щитке. Перегрев обмотки пускового автотрансформатора, определяемый по методу сопротивления, не должен превышать 135° С. Период охлаждения автотрансформатора, следующий за нагрузкой, составляет 4–6 ч.

Автотрансформаторы, применяемые на линиях передачи и в сетях, выполняются на высокие напряжения и большие мощности. Так, например, напряжение одной из находящихся в эксплуатации линий передачи в США было повышено со 150 до 220 кВ. В другом случае при расширении станции генератор на 11кВ был присоединен к сети на 22кВ через автотрансформатор мощностью 66667 кВ A. КПД мощных автотрансформаторов достигает 99,7%.

Трёхобмоточные трансформаторы. Широкое применение в энергетике нашли трехобмоточные трансформаторы (рис. 12.3), у ко-

торых имеется одна первичная и две вторичные обмотки. Такие трансформаторы используются на электрических станциях и подстанциях для питания распределительных сетей с различными номинальными напряжениями и позволяют достичь экономии в капитальных затратах за счет установки меньшего количества трансформаторов.

Будем считать, что обмотки 2 и 3 приведены к числу витков обмотки 1, для чего введены коэффициенты приведения, или трансформации:

Схема замещения трехобмоточного трансформатора, в отличие от Т схемы замещения двухобмоточного трансформатора будет иметь две вторичные цепи. У мощных трехобмоточных силовых трансформатоторов намагничивающий ток мал и им можно пренебречь. Схема замещения таких трансформаторов показана на рис. 12.4. Из рисунка видно, что изменение нагрузки одной вторичной обмотки влияет на напряжение другой вторичной обмотки, так как при этом изменяется падение напряжения первичной обмотки.

Векторные диаграммы трехобмоточного трансформатора можно составить на основе схемы замещения рис. 12.4, они имеют вид, показанный на рис. 12.5.

Параметры схемы замещения рис. 12.4 можно определить расчётным путем или из данных трех опытов короткого замыкания трехобмоточного трансформатора (рис. 12.6). По опытным значениям сопротив-

лений короткого замыкания Zk1, Zk2, Zk3 можно найти

По аналогичным формулам через активные и индуктивные сос-

выражаются также r1, r2, r3, x1, x2, x3. Данные опыта короткого замыкания между обмотками 2 и 3 должны быть приведены к первичной обмотке скоэффициентом приведения

k12 w1 U1н .

w2 U2н

В опытах короткого замыкания определяются также напряжения короткого

замыкания uk12, uk13, uk23, значения ко-

торых в относительных единицах равны соответствующим сопротивлениям короткого замыкания. Следует отметить, что ин-

Рис. 12.5. Векторная диа- дуктивное сопротивление рассеяния обмотки, расположенной между двумя дру-

гими, близко к нулю или имеет небольшое отрицательное значение, что фор-

мально эквивалентно емкостному сопротивлению. Мощности обмоток трехобмоточного трансформатора

S1 mU1I1;S2 m U2I2;S3 m U3I3

в случае, если обмотка 1 является первичной, находятся в соотношении

S1 S2 S3,

При таком устройстве трансформатора облегчается изготовление первичных обмоток, имеющих большие токи, и в случае короткого замыкания на зажимах одного генератора между двумя генераторами действуют активные и индуктивные сопротивления двух первичных обмоток трансформатора, что приводит к уменьшению тока короткого замыкания.

Сварочные трансформаторы. Для дуговой электросварки с помощью трансформатора понижают напряжение до напряжения зажигания дуги, которое равно 40 70В. Характерным для сварочного трансформатора является прерывистый режим работы с резкими переходами от холостого хода к короткому замыканию и обратно.

Для устойчивого и непрерывного горения дуги требуется, вопервых, чтобы при колебаниях сопротивления внешней цепи ток изменялся незначительно, т.е. необходима круто падающая внешняя характеристика трансформатора; во-вторых, необходима значительная индуктивность в сварочной цепи cos (0,4 0,5). Для этого трансформатор должен обладать большим рассеянием. Большая индуктивность сварочного трансформатора требуется и для ограничения тока короткого замыкания, который не должен превосходить двукратного номинального значения. Поэтому индуктивное сопротивление цепи сварочного трансформатора приходится искусственно увеличивать.

По способу увеличения индуктивного сопротивления сварочные трансформаторы можно разделить на две группы:

1.Трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием. К ним относятся трансформаторы с расположением обмоток на разных стержнях, с последовательным расположением обмоток вдоль стержня, с магнитными шунтами для увеличения полей рассеяния и др.

2.Трансформаторы с последовательно включенной реактивной катушкой.

В сварочных трансформаторах обычно предусматривается возможность регулирования сварочного тока в соответствии с диаметром электрода. Наиболее простым способом регулирования является изменение коэффициента трансформации иличисла витков в дополнительной реактивной катушке. Применяется также регулирование при помощи измененения магнитного сопротивления отдельных частей магнитной системы трансформатора или дополнительнойреактивной катушки.

При уменьшении с помощью соответствующего механизма зазора δ в магнитной цепи катушки ее индуктивность возрастает.

Однопостовые трансформаторы для ручной дуговой сварки изготовляются мощностью до 30 кВ А для автоматической сварки – до 100 кВ А и более. Для контактной электросварки выпускаются транс-

форматоры мощностью до 1000 кВ А при напряжении холостого хода до 36В.

На рис. 12.8 показаны две внешние характеристики: при малом зазоре (кривая 1) и при большем зазоре (кривая 2).

Рис. 12.8. Трансформатор для дуговой электросварки a) и его внешние характеристики б)

Трансформатор при соединении обмоток звезда-зигзаг с ну-

лем. Токи нулевой последовательности протекают в полуфазах вторичных обмоток, расположенных на каждом из стержней, в противоположных направлениях (рис. 12.9, а). Сумма МДС стержней от этих токов равна нулю при условии симметричного выполнения полуфаз. Поэтому токи нулевой последовательности не образуют потока в стержне, а создают только поля рассеяния замыкающиеся вне стержня. В этом кроется преимущество соединения Y/X перед соединением звезда-звезда с нулём, где токи нулевой последовательности создают поток, замыкающийся в трехстержневом трансформаторе по стержню, маслу и баку, а в групповом трансформаторе – по магнитопроводу.

Поля рассеяния токов нулевой последовательности будут тем меньше, чем ближе расположены обмотки полуфаз друг к другу. На рис. 12.9, б показано расположение обмоток и поле рассеяния, образованное токами нулевой последовательности. Как видно, полуфазы вторичных обмоток расположены концентрически одна внутри другой.

Напряжения нулевой последовательности тем больше, чем больше индуктивное сопротивление между вторичными обмотками 2 и 3 и чем больше разность между сопротивлениями обмоток 1 и 2, 1 и3.

Обычно вторичные обмотки расположены достаточно близко друг к другу, поэтому можно считать X2 3 0,X1-2 X1 3.При этом в

напряжении будут отсутствовать составляющие нулевой последовательности, а также искажения фазных напряжений.