13 Измерительные трансформаторы. Автотрансформаторы Специальные трансформаторы

Автотрансформаторы. В некоторых случаях из экономических соображений целесообразно применять так называемые автотрансформаторы. Отличие их от обычных трансформаторов заключается в том, что обмотки имеют не только магнитную, но и гальваническую связь. На рис. 2.25 показан эскиз понижающего автотрансформатора и его схема. Первичная обмотка с выводами А и Химеет   витков, а вторичная с выводами а и   витков,  . Выводы а и х соединены с первичной обмоткой. Повышающий автотрансформатор показан на рис. 2.26.

Здесь первичная обмотка с выводами А и Х имеет   витков, а вторичная с выводами а и  витков,  .

Если пренебречь падениями напряжения в обмотках и током холостого хода, то для обоих автотрансформаторов коэффициент трансформации

.

В общей части обмотки протекают токи   и  , и так как при выбранных на рис. 2.25 и 2.26 положительных направлениях они находятся в противофазе (если пренебречь током холостого хода), то

.

При близких значениях   и   ток   намного меньше тока  . В обычном трансформаторе ток вторичной обмотки понижающего трансформатора  . Поэтому

необходимое сечение провода и габариты автотрансформатора меньше, чем трансформатора той же мощности. Чем ближе коэффициент трансформации к единице, тем автотрансформатор выгоднее обычного трансформатора. Обычно автотрансформатор применяется при  .

Недостатком автотрансформатора является наличие гальванической связи между обмотками, что требует соответствующей изоляции для обеспечения безопасности обслуживающего персонала. Автотрансформаторы находят широкое применение для пуска мощных синхронных и асинхронных двигателей, для регулирования напряжения, для передачи электрической энергии с различными напряжениями и малым коэффициентом трансформации, например 110 и 220 кВ.

При экспериментальных работах применяются лабораторные автотрансформаторы (ЛАТР).

Они имеют регулируемый коэффициент трансформации, так что можно плавно, в широких пределах изменять напряжение.

Измерительные трансформаторы. Для расширения пределов измерения приборов переменного тока применяются измерительные трансформаторы напряжения и тока.

Такие трансформаторы отделяют цепи высокого напряжения от измерительных цепей, что обеспечивает безопасность обслуживания приборов и упрощает изоляцию токоведущих частей. Включение измерительных трансформаторов позволяет пользоваться стандартными амперметрами с номинальным значением 5 или 1 А и вольтметрами с номинальным значением 100 В. Такие трансформаторы применяются также в цепях защитных реле.

Трансформаторы напряжения. Принципиальная схема трансформатора и включение его в сеть высокого напряжения показаны на рис. 2.27. Измеряемое высокое напряжение   подается на первичную обмотку трансформатора с выводами А и X; к вторичной обмотке низшего напряжения  с выводами а и х подключается вольтметр. Так как сопротивление вольтметра очень велико (примерно 1000 Ом и более), то трансформатор напряжения работает в режиме, близком к холостому ходу. Номинальный коэффициент трансформации  , откуда следует, что высокое напряжение  . Однако из-за падений напряжения в обмотках трансформатора действительный коэффициент трансформации   отличается от паспортного значения  , поэтому есть погрешность измерения напряжения

Чем меньше сопротивление обмоток

и 

(см. (2.8) и (2.9)) по сравнению с сопротивлением нагрузки  , тем меньше погрешность измерения напряжения  . Кроме погрешности измерения напряжения есть и так называемая угловая погрешность. Эта погрешность связана с тем, что между напряжениями   и   имеется сдвиг фаз, определяемый углом  , что важно при измерении мощности и энергии (для ваттметров и счетчиков).

Трансформаторы напряжения так же, как и измерительные приборы, имеют классы точности 0,5; 1,0; 3,0.

Трансформаторы тока. Принципиальная схема трансформатора и схема его включения показаны на рис. 2.28.

Первичная обмотка трансформатора с выводами Л1 и Л2 включается в цепь или линию, в которой определяется ток  , а вторичная обмотка с выводами И1, И2 замыкается амперметром. Если, кроме амперметра, включаются токовые обмотки защитного реле, ваттметра и других приборов, то все они соединяются последовательно. Сопротивления этих обмоток очень малы, и поэтому трансформатор работает в режиме, близком к короткому замыканию. Поэтому можно считать, что  . Ток  находится через коэффициент трансформации по показанию амперметра:

.

Это справедливо, если ток холостого хода трансформатора  . Однако  , поэтому есть погрешность в определении тока  .

Эта погрешность определяется аналогично погрешности измерения напряжения у трансформатора напряжения. Как и у трансформатора напряжения, есть еще угловая погрешность, обусловленная сдвигом фаз между токами   и  , определяемая углом  .

Трансформаторы тока имеют классы точности 0,2; 0,5;1; 3; 10. Для классов точности 0,2; 0,5; 1 погрешность соответствует значениям угла   от 10′ до 180′, а для классов точности 3; 5; 10 — не нормируется.

У трансформатора тока, включенного в линию последовательно, нельзя размыкать вторичную обмотку, так как в этом случае размагничивающий магнитный поток вторичной обмотки отсутствует и поток трансформатора, определяемый током   в линии, резко возрастает, а вместе с ним возрастают ЭДС вторичной обмотки и потери в стали трансформатора. Это может привести к опасным для жизни перенапряжениям и разрушению изоляции. Если во время работы нужно включенный амперметр или другой прибор отсоединить, то предварительно вторичную обмотку следует закоротить. Для этой цели в схему включается специальный рубильник Q (рис. 2.28), который нормально разомкнут.

Так как нагрузка может влиять на значение погрешности, то нагрузка измерительного трансформатора должна быть близкой к номинальной для вторичной обмотки измерительного трансформатора.

Угловые погрешности измерительных трансформаторов вносят ошибку при измерении угла сдвига фаз   между напряжением   и током  , так как угол сдвига фаз будет отличаться от действительного угла   между напряжением   и током  .

Т рансформаторы для дуговой электросварки. Для обеспечения высококачественной сварки ток должен оставаться почти неизменным. При этом условии обеспечивается устойчивое горение дуги. Для получения такого тока внешняя характеристика трансформатора должна резко падать (рис. 2.29). Такая характеристика получается потому, что конструктивно трансформатор 1 на рис. 2.30 выполнен со специально увеличенным потоком рассеяния (увеличена индуктивность рассеяния обмоток). При холостом ходе напряжение   равно  60—70 В, а при номинальном токе—30 В. Обмотки трансформатора расположены на стержнях 2 и 3магнитопровода (рис. 2.30), что и увеличивает поток рассеяния. Ток сварки между электродом 6 и изделием 7 регулируется изменением зазора 8 между сердечником и якорем 5 дросселя 4. При коротком замыкании дроссель ограничивает ток дуги и трансформатора.

Способы пуска трехфазных асинхронных двигателей. Пуск двигателя с фазным ротором.

10.1. Пусковые свойства асинхронных двигателей

Работа двигателя всегда рассматривается в совокупности с работой исполнительного органа (т. е. рабочей машиной, которую двигатель вращает). Их совместная работа описывается уравнением движения

 

                                       (10.1)

 

где M – электромагнитный момент, развиваемый двигателем, при пуске  ;  – момент нагрузки от исполнительного органа (рабочей машины); J – момент инерции вращающихся частей двигателя и исполнительного органа.

При выборе возможного способа пуска в ход асинхронного двигателя необходимо учитывать следующие положения:

1. Двигатель должен развивать большой пусковой момент,  .

2. Пусковой ток не должен производить повреждения изоляции обмотки двигателя и нарушать нормальный режим работы сети.

3. Схема пуска должна быть простой, надежной, а стоимость пусковых устройств минимальной. Из этих положений следует, что двигатель должен развивать значительный пусковой момент  при сравнительно не большом токе. Но получение такого сочетания пусковых параметров в асинхронном двигателе сопряжено с определенными трудностями, а иногда оказывается невозможным.

Проанализируем выражение тока (10.2) и момента (10.3), записав их для режима пуска, когда S = 1

 

;                              (10.2)

 

.                                (10.3)

 

Из этих выражений (10.2) и (10.3) следует, что повлиять на пусковой ток и пусковой момент можно: либо изменением активного сопротивления в цепи ротора  , либо изменением приложенного напряжения  .

Увеличение активного сопротивления в цепи ротора уменьшает пусковой ток и увеличивает пусковой момент. Уменьшение приложенного напряжения уменьшает пусковой ток, но одновременно уменьшается и пусковой момент.

Целесообразность применения того или иного способа пуска двигателя определяется конкретными условиями эксплуатации двигателя и требованиями, которые предъявляются к его пусковым свойствам.

 

10.2. Прямой пуск асинхронных двигателей

При таком пуске выводы обмоток статора сразу подключаются на номинальное напряжение сети. Перед пуском целесообразно определиться со способом соединения обмоток статора: звездой ( ) или треугольником ( ). На паспортном щитке двигателя приводится рекомендация:  – 220/380. Эту рекомендацию следует понимать так.

Если в трехфазной сети, куда подключается двигатель линейное напряжение  , то обмотки статора должны быть включены по схеме треугольника; тогда на одну фазу обмотки будет приходиться   В клеммой коробке выводы обмоток должны быть соединены, как это показано на рис. 10.1, а.

 

б

а

Рис. 10.1. Схема соединения выводов обмоток: а – в треугольник; б – в звезду

Если в сети линейное напряжение  , то обмотки статора надо соединять в звезду, тогда на одну фазу обмотки приходится U_Ф =  = U_Л/  = 220 В. Соединение выводов обмоток показано на рис. 10.1, б.

Этот способ отличается простотой, имеет недостатки. В момент непосредственного подключения обмоток статора к сети в обмотке возникает большой пусковой ток,  . При небольшой инерционности исполнительного механизма частота вращения двигателя быстро достигает установившегося значения и пусковой ток также быстро спадает, не вызывая перегрева обмоток статора.

Но частый пуск приводит к возрастанию перегрева обмоток, нагреву и старению изоляции. Двигатели 3–10 кВт допускают до 105 включений в час.

От броска тока в сети понижается напряжение, что пагубно сказывается на работе других электрических машин и механизмов; при большой мощности сети допускается понижение напряжения не более чем  на 12 %.

 

10.3. Способы пуска асинхронного двигателя при пониженном напряжении

В соответствии с (10.2) пусковой ток пропорционален подведенному напряжению  . Уменьшение напряжения вызывает соответствующее уменьшение пускового тока. Существует несколько способов понижения подводимого к двигателю напряжения.

 

10.3.1. Пуск переключением обмотки статора  со звезды на треугольник

Для асинхронных двигателей, работающих при соединении обмоток статора треугольником, можно применить пуск переключением обмоток статора со звезды на треугольник (рис. 10.2). В момент подключения двигателя к сети переключатель ставят  в положение Y. При этом фазное напряжение на фазе обмотки статора понижается в   раз, так как обмотка статора соединена в звезду. Во столько же раз уменьшается и ток в фазных обмотках двигателя. Кроме того, при соединении обмоток звездой линейный ток равен фазному, а при соединении  обмоток треугольником линейный ток больше фазного в   раз. Следовательно, включив обмотки статора звездой, добиваются уменьшения линейного тока в 3 раза.

После того, как  ротор двигателя разгонится до частоты вращения близкой к установившейся, переключатель приводят в положение треугольник Δ и фазные обмотки двигателя оказываются под номинальным напряжением.

 

 

Рис. 10.2. Схема включения при пуске асинхронного двигателя  переключением обмотки статора со звезды на треугольник

 

10.3.2. Понижение подводимого к двигателю напряжения  посредством реакторов

Под реактором понимается реактивная катушка. При пуске рубильник 2 разомкнут (рис. 10.3, а), а рубильник 1 включают. При этом ток из сети поступают в обмотке статора через реакторы Р, на которых происходит падение напряжения  . В результате на обмотку статора подается пониженное напряжение

                               (10.4)

 

где   – индуктивное сопротивление реактора.

 

Рис. 10.3. Схема пуска асинхронного двигателя при пониженном  напряжении: а – реакторный, б – автотрансформаторный

После раскручивания ротора включается рубильник 2 и подводимое к обмотке статора напряжение оказывается номинальным.

 

10.3.3. Пуск двигателя через понижающий  автотрансформатор

Схема включения приведена на рис. 10.3, б: первым замыкают рубильник 1; обмотки трансформатора включаются звездой. Затем рубильником 2подключают систему к сети. Обмотки статора оказываются подключенными на пониженное напряжение. При этом пусковой ток двигателя уменьшается.

После некоторого разгона ротора рубильник 1 размыкают, и автотрансформатор переходит на работу как реактор. Напряжение на выводах обмотки статора повышается, но все еще меньше номинального. Только после включения рубильника 3 на двигатель подается полное напряжение сети. В отличие от двух предыдущих случаев понижения напряжения при пуске, автотрансформаторный пуск происходит в три ступени.

Недостатком всех трех способов пуска является то, что уменьшение напряжения в   раз сопровождается уменьшением момента в   раз. Эти способы приемлемы для запуска двигателя на холостом ходу или при неполной нагрузке.

 

10.4. Пуск двигателя с фазным ротором

Асинхронные двигатели с фазным ротором применяются значительно реже двигателей с короткозамкнутым ротором. Они используются в следующих случаях: 1) когда двигатели с короткозамкнутым ротором не могут быть использованы по условиям регулирования частоты вращения; 2) когда статический момент сопротивления на валу   больше пускового момента   короткозамкнутого двигателя; из уравнения движения   следует, что ротор в этом случае не раскрутится. Пуск двигателей с фазным ротором производится с помощью пускового реостата в цепи ротора, рис. 10.4, а.

Когда ползунки трехфазного реостата ПР поставлены в положение I, то в цепь ротора вводится наибольшее активное сопротивление. Его подбирают такой величины, чтобы механическая характеристика двигателя имела вид кривой I (рис. 10.4, б). Таким образом, пусковой момент   будет равен максимальному   и  . Начнется разгон.

По мере разгона двигателя, например, при   ползунки реостата переводят в положение II, тем самым выводят часть сопротивления из цепи обмотки ротора. Двигатель переходит на новую механическую характеристику II, по которой разгоняется  до какого-то скольжения  , после чего ползунки перемещают в положение III. Все сопротивление выводится из цепи обмотки ротора, он становится короткозамкнутым и работает на своей естественной характеристике III, разгоняясь до установившегося скольжения  , когда  .

 

 

Рис. 10.4. Схема включения реостата: а – пускового;

б – механические характеристики при действии реостата

 

Пуск может быть с ручным управлением в том случае, кода при ступенчатом регулировании величины сопротивления используют контрол­леры, или пуск автоматический.

Коэффициент мощности. Экономические показатели коэффициента мощности.

При потреблении приемником активной мощности Р происходит необратимый процесс преобразования элект­рической энергии в механическую, тепловую, световую и другие виды энергии. Реактивная же мощность Q характеризует интенсивность обмена энергией между приемником и источником, при котором энергия на при­емнике не выделяется.

Ряд приемников, например электродвигатели, потреб­ляют активную и реактивную мощность одновременно,

их полная мощность S = √P² + Q² Эффективность энергопотребления приемника оценивается коэффи­циентом мощности, равным отношению активной мощности к полной мощности P/S. Коэффициент мощности показывает, какую часть от полной мощно­сти приемника составляет его активная мощность. Из рис. 4.23

P/S = cos φ. (4.19)

 

Из формулы (4.14)

I=p/(Ucosφ). (4.20)

Из формулы (4.20) следует, что уменьшение коэф­фициента мощности двигателя приводит к увеличению его тока, значит, к увеличению потерь на нагрев его об­моток. Вследствие низких значений коэффициента мощ­ности увеличиваются потери на нагрев проводов электри­ческих линий и трансформаторов. Это приносит экономи­ческий ущерб не только промышленным предприятиям, но и предприятиям электрических сетей, а также электро­станциям, которые при низком cos φ непроизводительно загружаются реактивной мощностью.

Возрастание тока линии за счет уменьшения соsφ приводит к увеличению потери напряжения в прово­дах линии, значит, к уменьшению напряжения на прием­нике.

Таким образом, для уменьшения потерь в электри­ческих сетях и недопущения снижения напряжения на приемниках необходимо повышать коэффициент мощно­сти (1).

Низкие значения соs φ связаны в первую очередь с повышенным потреблением активной мощности, так как cos φ = P/S = P/√P² +√Q². С целью повышения коэффициента мощности необходимо уменьшать реактив­ную мощность приемников (2). В первую очередь надо не допускать длительной работы приемников, например электродвигателей, в режиме холостого хода, при котором отсутствует полезная работа, а реактивная мощность потребляется. Надо стремиться загружать двигатели полностью, увеличивать потребляемую ими активную мощность, тогда по формуле (4.19) увеличится cosφ и работа приемника станет более эффективной.

Конденсатор, обмениваясь реактивной мощностью с двигателем, приводит к уменьшению реактивной мощ­ности в электрической сети, что повышает коэффициент мощности. Этот метод широко используется на практике.

устройство защитного отключения назначение принцип действия