книги из ГПНТБ / Китаев, В. Е. Трансформаторы учеб. пособие

Г Л А В А 7

ТРАНСФОРМАТОРЫ СПЕЦИАЛЬНЫХ ТИПОВ

§ 25. АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ

Автотрансформатором называется статический электромагнит­ ный аппарат, имеющий одну обмотку, часть которой принадлежит одновременно первичной и вторичной сети. Принципиальная схема понижающего автотрансформатора показана на

Отношение напряжений первичной и вторичной обмоток при холостом ходе называется коэффициентом трансформации авто­ трансформатора, т. е.

U j. _ wj _ ^

U2 wa

Если вторичную обмотку автотрансформатора замкнуть на ка­ кой-либо приемник энергии, во вторичной цепи будет протекать ток /2. Пренебрегая потерями энергии в автотрансформаторе, мощ­ ность, потребляемую автотрансформатором из сети, можно принять равной мощности, отдаваемой во вторичную сеть, т. е.

P^=U1I1 = l/2I2, откуда

/2 Ц>1 я

Таким образом, основные соотношения трансформатора оста­ ются без изменения в автотрансформаторах.

Пз условия постоянства магнитного потока при неизменном на­ пряжении сети Ui можно записать уравнение равновесия намагни­ чивающих сил автотрансформатора:

Кщ + 1^2 = 1QW1-

По части обмотка а — X с числом витков w% протекает ток / 12, равный геометрической сумме токов первичной и вторичной цепи:

70

Лг= Л.+ As-

с к а я с у м м а р а в н а а р и ф м е т и ч е с к о й р а з н о с т и , т . е.

Б понижающем автотрансформаторе ток / )2 совпадает по на­ правлению с током /2, в повышающем — направлен противополож­ но току /2. г

Конструктивно автотрансформатор отличается от обычного трансформатора только электрическим соединением между обмот­ ками. Преимуществом автотрансформатора перед трансформато­ ром той же полезной мощности является меньший расход активных материалов (меди и стали), меньшие потери энергии, более высокий к. п. д., меньшее изменение напряжения при изменениях нагрузки.

Вес меди автотрансформатора примерно в раз меньше ве­

са трансформатора при одинаковых плотностях тока. Это объясня­ ется тем, что у трансформатора на сердечнике имеется две обмот­ ки— первичная с числом витков W\, сечение провода которой рас­ считано на ток/ьИ вторичная с числом витков w2, сечение провода которой рассчитано на ток /2. У автотрансформатора также две

(часть а — X) имеет число витков w2 и сечение ее провода рассчи-j тано на разность токов /2—1\ = 112-

Сечение и вес стали магнитопровода автотрансформатора так­ же меньше сечения и веса стали магнитопровода трансформатора. Это объясняется тем, что в'трансформаторе энергия передается из первичной сети во вторичную магнитным путем вследствие электро­ магнитной связи между обмотками. В автотрансформаторе энергия передается из первичной сети во вторичную частично за счет элек­ трического соединения первичной и вторичной сетей, т. е. электри­ ческим путем. В процессе передачи этой части энергии магнитный поток не участвует, поэтому электромагнитная мощность у авто­ трансформатора меньше, чем у трансформатора.

Полезная мощность автотрансформатора при активной нагрузке

=2-

Имея в виду, что /2 = /г-}-/12, получим

^>2==^2^1“Ь^2^12==^,эл+ -Рм> '

где Ры— электромагнитная мощность автотрансформатора, опре­ деляющая необходимый магнитный поток, сечение и вес стали маг­ нитопровода. Эта мощность является расчетной или габаритной мощностью автотрансформатора.

Недостатками автотрансформаторов являются: малое сопро­ тивление короткого замыкания, что обусловливает большую крат­

71

ность тока короткого замыкания; возможность попадания высшего напряжения в сеть низшего напряжения за счет электрической свя­ зи между этими сетями. Кроме того, наличие электрической связи между сетью источника и приемника энергии делает невозможным применение автотрансформатора в случае, когда приемник энергии имеет заземленный полюс (в выпрямительных устройствах). Авто­ трансформаторы применяются при небольших коэффициентах трансформации (£=1ч-2).

Очень часто автотрансформаторы применяют в установке вы­ сокого и низкого напряжения в случаях, когда необходимо изме­ нить напряжение на каком-либо участке сети в небольших пределах

с ним создавало требуемое напряжение на выходе. При этом изо­ ляция вторичной обмотки должна быть рассчитана на напряжение U', а не на напряжение U2, как в обычном трансформаторе.

ность U212, т. е. расчетная мощность значительно меньше полезной мощности.

Возможны четыре схемы включения автотрансформатора, из которых две (рис. 34, а и б) применяют для повышения напряже­ ния в сети (U '> U ) и две (рис. 34, в и г) — для понижения напря­ жения. В последних двух схемах первичная обмотка имеет противо­ положное включение по сравнению со схемами, изображенными на рис. 34, а и б. Следовательно, вторичное напряжение U2 изменяет свою фазу, т. е. окажется направленным встречно приложенному напряжению U\, поэтому напряжение на выходе U' понижается.

Автотрансформаторы используют для связи высоковольтных се­ тей с близкими по-величине напряжениями, например 150 и 220 кв, 220 и 330 кв. Широко применяют автотрансформаторы также для пуска синхронных и асинхронных двигателей переменного тока. В трехфазных сетях используют трехфазные автотрансформаторы,

72

обмотки которых могут быть соединены в звезду или треугольник. Наибольшее распространение имеют трехфазные трансформаторы, обмотки которых соединены в звезду. В этом случае нулевую точ­ ку либо заземляют, либо присоединяют к нейтральному проводу.

§ 26. ТРЕХОБМОТОЧНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Если необходимо получить несколько напряжений, то вместо требующихся для этого нескольких отдельных двухобмоточных трансформаторов с различными коэффициентами трансформации может быть использован один многообмоточный трансформатор. Это позволяет упростить и удешевить трансформаторную подстан­ цию. Процессы, происходящие в двухобмоточных трансформаторах, можно обобщить и вывести общие уравнения, описывающие процес­ сы, происходящие в многообмоточном трансформаторе.

Пусть трансформатор имеет п обмоток. Для такого п-обмоточ- ного трансформатора справедливы уравнения равновесия э. д. с. и намагничивающих сил.

Обозначим через / ь /2, ..., /„ токи, протекающие в обмотках трансформатора, а через шь w2, ..., wn числа витков соответствую­ щих обмоток. Согласно закону магнитного равновесия получим:

Ixwx+ i2w2+ /3ш3 + • ■• + i nwn = 10шъ

т. е. сумма намагничивающих сил всех обмоток равна намагничи­ вающей силе холостого хода. Намагничивающая сила первичной обмотки создает магнитный поток в магнитопроводе и компенсиру­ ет размагничивающее действие токов всех остальных обмоток.

Рассмотрим трехобмоточные трансформаторы, имеющие широ­ кое распространение. Опыт холостого хода трехобмоточного транс­ форматора, когда обе вторичные обмотки разомкнуты, ничем не отличается от опыта холостого хода обычного двухобмоточного трансформатора и дает возможность определить ток холостого хо-- да / о, потери холостого хода Ро и коэффициенты трансформации.

В данном случае мы получим два коэффициента трансформации k\2 и &1з между первой и второй и между первой и третьей обмот­ ками трансформатора. По общему правилу

По известным двум коэффициентам трансформации можно оп­ ределить третий k2%между второй и третьей обмотками:

•ь _ Е-1 _ И>2_ k13

к23~ г? — — , •

Е3 k12w3

Для определения параметров короткого замыкания производят три опыта короткого замыкания: между обмотками 1 и 2 при ра­ зомкнутой обмотке 3; между обмотками 1 и 3 при разомкнутой обмотке 2; между обмотками 2 и 3 при разомкнутой обмотке 1.

73

Пусть ru r2, r3— активные сопротивления и xh х2, *з — индук­ тивные сопротивления соответствующих обмоток. В двухобмоточ­ ных трансформаторах индуктивные сопротивления обмоток опреде­ ляются потоками рассеяния этих же обмоток. В трехобмоточных трансформаторах индуктивные сопротивления обмоток определя­ ются некоторым эквивалентным потоком рассеяния, слагающимся из потока рассеяния данной обмотки и потоков рассеяния двух дру­ гих обмоток.

Обозначим через г2, г3 , х2, х3' активные и индуктивные сопро­ тивления обмоток 2 и 3, приведенные к первичной, через гМ2, гмз, гК2з, Хк12, хК1з, Яш — активные и индуктивные сопротивления корот­ кого замыкания, полученные из трех опытов короткого замыкания.

Активные сопротивления короткого замыкания:

Гк12 = Г 1 + Г2^ ^ 2 '| Гк 1 3 = Г х + Г3£ ? з ; Гк 2з = Г 2 + r3k 23.

Последнее равенство можно записать в ином виде, заменив k23

дробью — ;

где гк23— активное сопротивление, полученное из опыта короткого замыкания между обмотками 2 и 3 и приведенное к первичной обмотке.

Из записанных трех уравнений мы определим три неизвестных сопротивления:

Совершенно аналогично получим выражения для индуктивных сопротивлений обмоток 1, 2 и 3:

где Хигз — индуктивное сопротивление, полученное из опыта корот­ кого замыкания между обмотками 2 и 3 и приведенное к первичной обмотке.

Для трехобмоточного трансформатора, так же как и для двух­ обмоточного, можно построить эквивалентную схему (рис. 35) .

Наиболее широкое распространение имеют трехобмоточные трансформаторы, имеющие одну первичную и две'вторичные обмот­ ки. Как видно из векторной диаграммы и эквивалентной схемы та­ кого трансформатора, характерной особенностью его является вза­ имное влияние, вторичных обмоток. Если изменится нагрузка в од­ ной из обмоток (например, второй), то изменится напряжение U2 не только этой обмотки, но и напряжение U3 другой вторичной об­ мотки. Это объясняется тем, что изменение тока в какой-либо одной вторичной обмотке вызывает соответствующее изменение тока в

74

первичной обмотке. Вследствие изменения' падения напряжения в полном сопротивлении первичной обмотки меняются как э. д. с., так

инапряжения всех вторичных обмоток.

Вконструктивном отношении трехобмоточные трансформаторы подобны двухобмоточным. На магнитопроводе трехобмоточного трансформатора помещаются три

обмотки — высшего напряжения,* среднего напряжения и низшего' напряжения. На стержне магнитопровода обмотки могут распола­ гаться различным образом. Бли­ же к стержню может быть распо-£_ ложена обмотка НН, СН или ВН

но осуществить изоляцию ее от магнитопровода. При расположении обмотки ВН на периферии (рис. 36, а и б) индуктивные сопротив­ ления рассеяния и напряжения короткого замыкания между об­ мотками ВН и какой-либо другой (СН и НН) будут меньше для той обмотки, которая расположена ближе

к обмотке ВН.

Номинальной мощностью трехоб­ моточного трансформатора называется мощность его наиболее мощной обмот­

т сн вн сн т вн ки, которой всегда является обмотка

гВН. Изготовление трехобмоточного трансформатора в случае, когда мощ­ ность одной из его вторичных обмоток

75

иофазные) при напряжении обмоток ВН ПО—121 кв, СН 34,5—

38,5 кв и НН 3,15—15,75 кв.

В некоторых случаях применяют трехобмоточные трансформа­ торы с двумя первичными и одной вторичной обмоткой. Такие трансформаторы используют на крупных электрических станциях, когда возникает необходимость в работе двух или трех генераторов

Рис. 37. Схемы соединения обмоток, диаграммы векторов фазных э. д. с. и условные обозначения трехфазных трехобмоточных транс­ форматоров

на общую линию электропередачи через один мощный повышаю­ щий трансформатор. Иногда трансформаторы имеют две первич­ ные обмотки с различными номинальными напряжениями.

§ 27. СВАРОЧНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Сварочные трансформаторы применяют для контактной и дуго­ вой электросварки. Короткое замыкание вторичной обмотки транс­ форматора является нормальным режимом работы при контактной сварке (при соприкосновении электродов) и часто возникает при дуговой сварке. Для ограничения токов короткого замыкания сва­ рочные трансформаторы строятся с большим индуктивным сопро­ тивлением и имеют сравнительно низкий коэффициент мощности.

Индуктивное сопротивление обмоток сварочного трансформато­ ра может быть увеличено либо применением специальной конст­ рукции обмоток, либо включением дополнительной индуктивности в цепь вторичной или первичной обмоток. Увеличение индуктивных сопротивлений обмоток в самом трансформаторе достигается уве­ личением потоков рассеяния, для чего обмотки трансформатора размещают на разных стержнях магнитопровода или в различных местах по высоте стержня. Включение магнитных шунтов в магнитопровод (рис. 38, а) также резко увеличивает потоки рассеяния и индуктивное сопротивление обмоток трансформатора.

Трансформаторы для контактной сварки делают со вторичной обмоткой, состоящей из одного витка, напряжение на которой обычно не превышает 14 в. Для регулирования тока, протекающего

76

через свариваемую деталь, первичная обмотка сварочного транс­ форматора имеет несколько выводов, переключение которых позво­ ляет изменять число витков обмотки.

В настоящее время наиболее широко распространены свароч­ ные трансформаторы, предназначенные для дуговой электросвар­ ки. Такие трансформаторы строят на вторичное напряжение 60— 70 в (напряжение зажигания дуги). Особенностью работы этих

Рис. 38. Схемы устройства сварочных трансформаторов:

а —с магнитным шунтом, б —с индуктивной катушкой

трансформаторов является прерывистый режим работы с резкими переходами от холостого хода к короткому замыканию и обратно. Для устойчивого и непрерывного горения дуги необходимы незна­ чительные изменения тока и значительная индуктивность в свароч­ ной цепи.

Для регулирования тока в сварочной цепи последовательно со вторичной обмоткой трансформатора включают индуктивную ка­ душку со стальным магнитопроводом (рис. 38,6). Величина сва­ рочного тока зависит от диаметра электрода и регулируется реак­ тивным сопротивлением индуктивной катушки, которое зависит от величины воздушного зазора б. Увеличение воздушного зазора в магнитопроводе индуктивной катушки вызывает уменьшение ее ре­ активного сопротивления, вследствие чего ток в сварочной цепи увеличивается. Иногда индуктивные катушки совмещают в одно целое со сварочным трансформатором.

§ 28. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Измерительные трансформаторы применяют в- установках пере­ менного тока для изоляции цепей измерительных приборов и реле от сети высокого напряжения, для расширения пределов измерения измерительных приборов. Непосредственное включение измеритель­ ных приборов в цепь высокого напряжения сделало бы опасным прикосновение к ним. Конструкция приборов в этом случае была бы сильно усложнена, так как изоляция токоведущих частей долж­ на была бы быть рассчитана .на высокое напряжение, а их сече­ ние — на большие токи.

77

Измерительные трансформаторы делят на трансформаторы тока и трансформаторы напряжения. Их применение дает возможность пользоваться для измерения самых различных напряжений и токов одними и теми же приборами со стандартными пределами измере­ ния. Трансформаторы тока преобразу­ ют измеряемый ток большой силы в ток малой силы, а трансформаторы напряжения — измеряемое высокое на­ пряжение в низкое.

Рис. 39. Схема включения (а) и векторная диа­ грамма намагничивающих сил (б) трансформатора тока

Первичную обмотку т р а н с ф о р м а т о р а т о к а , имеющую малое число витков, включают последовательно в линию, в которой измеряют или контролируют ток (рис. 39, а). Начало и конец этой

сцифрами 1 и 2.

Вцепь вторичной обмотки трансформатора тока включают при­ бор с малым сопротивлением. Таким прибором может быть ампер­ метр, токовая катушка ваттметра, счетчика, какого-либо иного из­ мерительного прибора или реле. Приборы во вторичную цепь вклю­ чают так, чтобы положительное направление тока в приборе совпадало по направлению с положительным направлением тока в контролируемой цепи. Это очень важно для включения ваттметров

исчетчиков при измерении мощности и энергии.

Первичные номинальные токи трансформаторов тока стандарти­ зованы в пределах 5—15 000 а. Для вторичных номинальных токов установлены стандартные значения 5 а и в специальных случа­ ях 1 а.

В цепь вторичной обмотки трансформатора тока можно вклю­ чить несколько приборов, соединив их последовательно, чтобы че­ рез них проходил один и тот же ток. Однако включать в цепь вто­ ричной обмотки большое число измерительных приборов нежела­ тельно, так как это увеличивает сопротивление нагрузки транс­ форматоров и снижает точность измерения. Сопротивление нагруз­

78

Условия работы трансформатора тока близки к.короткому за­ мыканию вторичной обмотки силового трансформатора. Так как сопротивление нагрузки очень мало, напряжение на зажимах вто­ ричной обмотки трансформатора тока также мало. Следовательно, малы э. д. с. вторичной обмотки и магнитный поток в магиитопроводе трансформатора, необходимый для индуктирования этой э. д. с. Поэтому намагничивающий ток относительно мал и намаг­ ничивающие силы первичной и вторичной обмотОк практически взаимно уравновешены, т. е. / 1Ш1= /2ш2.

Зная коэффициент трансформации трансформатора тока kit т. е. отношение чисел витков вторичной и первичной обмоток, по показанию амперметра во вторичной цепи легко определить ток в первичной контролируемой цепи.

При увеличении сопротивления внешней нагрузки напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора тока также увели­ чивается. Это увеличит э. д. с. во вторичной обмотке и магнитный поток в магнитопроводе. Для создания большого магнитного пото­ ка требуется больший намагничивающий ток, что приводит к боль­ шим погрешностям при измерении, так как нарушается равнове­ сие намагничивающих сил первичной и вторичной обмоток {I\WxФ

Ф Ь w 2) .

Соответствующая неточность в цередаче значения измеряемого тока называется токовой погрешностью ( ) и определяется соот­ ношением

Допустимое значение токовой погрешности для трансформаторов тока классов точности 0,2; 0,5; 1; 3; 10 составляет соответственно 0,2; 0,5; 1; 3; 10% при номинальном первичном токе.

Кроме того, возникает неточность в показаниях ваттметра и счетчиков из-за угловой погрешности би которая определяется уг­ лом между векторами намагничивающих сил I\Wi и — /2ш2 в мину­ тах (рис. 39,6). Если вектор — /2ш2 опережает вектор I\Wь угловая погрешность считается положительной. Для трансформаторов тока классов точности 0,2; 0,5 и 1 угловая погрешность при номиналь­ ном токе не должна превышать соответственно 10; 40 и 80'. Для трансформаторов тока классов точности 3 и 10 угловая по­ грешность не нормирована. С увеличением намагничивающего тока увеличиваются как токовая, так и угловая погрешности.

У точных трансформаторов тока намагничивающая сила пер­ вичной обмотки при номинальном токе должна быть не менее 500 а. Число витков первичной обмотки выбирают в зависимости от номинального первичного тока и требуемой точности. Трансфор­ маторы тока могут быть одновитковыми (первичная обмотка име­ ет один виток), шинными (первичной обмоткой служит шина рас­ пределительного устройства) и многовитковыми (первичная обмот­ ка имеет два и более витков).

79