книги из ГПНТБ / Поярков К.М. Регулируемые трансформаторы и их эксплуатация, 1962. - 176 с. с

Особого внимания заслуживают схемы многообмо­ точных автотрансформаторов, регулирование напряже­ ния которых имеет свои особенности. Для таких транс­ форматоров различают схемы регулирования напряже­

(рис. 3,в). Как следует из рисунка, изменение числа ре­ гулировочных витков в первом случае приводит к изме­

новременному изменению напряжений Ui и U2.

Выбор той или иной схемы включений обмоток опре­ деляется (так же как и для трансформаторов) тем, со стороны какой из обмоток происходит большее измене­ ние напряжения. Если в процессе эксплуатации напря­ жение U\ изменяется в больших пределах, то рекомен­ дуется применять схему рис. 3,а, и при более заметных колебаниях напряжения U2— схему рис. 3,6.

Рис. 3. Схемы включения многообмоточных регулиру­ емых автотрансформаторов (обмотка низкого напря­ жения не показана).

а — регулирование напряжения на стороне ВН; б —то же в об­ мотке СН; в—то же в нейтрали автотрансформатора; / —регу­ лировочная обмотка; 2—последовательная обмотка; 3—общая обмотка.

10

в) Схемы для плавного регулирования напряжения

В ряде случаев для обеспечения определенных тех­ нологических процессов или в соответствии с требова­ ниями лабораторных исследований необходимо получить изменения напряжения на выходе трансформаторов в достаточно широких пределах. Применение в этих слу­ чаях различных схем ступенчатого регулирования не дает нужного эффекта, так как требует серьезного усложнения переключающей аппаратуры. Кроме того, как будет показано ниже, при больших диапазонах ре-

Рис. 4, Схема регулирования напряжения однофаз­ ного автотрансформатора с подвижной короткозамк­ нутой катушкой.

а, б, в—положения регулировки.

гулирования отключение значительной части витков ре­ гулировочных обмоток трансформатора нарушает рав­

номерное распределение магнитного потока и приводит к возникновению механических усилий в обмотках,

опасных при коротких замыканиях. Поэтому для очень больших диапазонов регулирования желательно иметь изменение напряжения трансформатора под нагрузкой без переключения витков обмотки.

Для этих целей получили распространение авто­ трансформаторы с подвижной короткозамкнутой катуш­ кой и соединением обмоток по схеме, приведенной на рис. 4. Неподвижные катушки автотрансформатора А, Б, В и Г расположены на среднем стержне замкнутого сердечника. За счет встречной намотки витков катуш­ ки А по отношению к виткам катушки В приложенное напряжение U\ создает в сердечнике два противополож­ но направленных магнитных потока. Кроме неподвижных,

11

имеется также равная им по высоте короткозамкну­ тая подвижная катушка Я, расположенная концен­ трически по отношению к катушкам Л и В. В зависимо­ сти от расположения подвижной катушки приложенное напряжение будет различно распределяться между не­ подвижными катушками.

Определим пределы изменения вторичного напряже­ ния автотрансформатора при холостом ходе. В первом положении (катушка Я вверху, рис. 4,а) система кату­ шек В и Я может быть представлена в виде трансфор­ матора Гь работающего в режиме короткого замыкания (вторичная обмотка Я замкнута). Напряжение на пер­ вичной обмотке В трансформатора Т\ является напря­ жением короткого замыкания и поэтому достаточно мало. Следовательно, можно считать, что почти все при­ ложенное к зажимам АХ напряжение Ux падает на сво­ бодную катушку А. Последняя в соединении с катушкой В составляет автотрансформатор с согласным вклю­ чением обмоток. Таким образом, на зажимах ах возни­ кает напряжение U2'= U i + AU', где AU' — положитель­ ная надбавка напряжения, индуктированная катушкой б. Случай, противоположный рассмотренному, имеет место при расположении катушки Я в крайнем нижнем поло­ жении (рис. 4,6). При этом роль трансформатора, рабо­ тающего в режиме короткого замыкания, выполняют катушки Л и Я .и все приложенное напряжение прихо­ дится на свободную катушку В. Так как последняя со­ единена с катушкой Г встречаю, напряжение на зажи­ мах ах уменьшается, т. е. U2"=Ui—AU", где AU" — от­ рицательная надбавка напряжения, индуктированная в противоположно намотанной катушке Г. На рис. 4,в ка­ тушка Я занимает некоторое среднее положение и вто­ ричное напряжение на зажимах ах равно U2=Ul+

-ЬтрДС/'— ^-ДЯ".Кроме рассмотренных трех положений,

катушка Я может занимать любое положение, чему со­ ответствует различное значение вторичного напряжения. Так, при перемещении из крайнего верхнего в крайнее нижнее положение вторичное напряжние будет плавно изменяться в пределах от U2 до U2".

Автотрансформатор с подвижной короткозамкнутой катушкой в зависимости от назначения может быть спроектирован в двух вариантах: как регулятор для

12

изменения под нагрузкой в широких пределах вторично­ го напряжения U2 при практически неизменном напря­ жении Ui и как стабилизатор для поддержания на одном уровне изменяющегося в некоторых пределах подведенного напряжения Uь В первом случае номиналь­ ная мощность аппарата соответствует только верхнему пределу вторичного напряжения, и отдаваемая мощность изменяется пропорционально отрегулированному вто­ ричному напряжению. В отличие от регулятора номи­ нальная мощность автотрансформатора-стабилизатора, равная U2 /2', яляется неизменной и практически не зави­ сит от изменяющегося в данных пределах напряже­ ния £/], так как вторичное напряжение U2 остается постоянным.

Основными недостатками рассмотренной конструк­ ции являются значительный ток холостого хода и отно­ сительно большие потери напряжения. К преимущест­ вам следует отнести отсутствие контактной системы, раз­ личного рода.гибких соединений и пазов для обмоток. Технические характеристики автотрансформаторов с по­ движной катушкой приведены в приложениях 9 и 10.

В других конструкциях трансформаторов с плавным регулированием напряжения используется подвижный сердечник, на котором закреплена вторичная обмотка. Магнигопровод такого трансформатора имеет броневую конструкцию, причем средний стержень, несущий вто­ ричную обмотку, допускает плавное осевое перемеще­ ние. При этом за счет относительного перемещения об­ моток вторичное напряжение будет плавно изменяться от значения + U2 до значения —'U2. Недостатками та­ кой конструкции являются трудность выполнения по­ движного стержня и значительное рассеяние обмоток.

Рассмотренные конструкции с подвижными частями получаются достаточно сложными и не вполне надеж­ ными. В ряде случаев такие конструкции не удовлетво­ ряют требованиям регулирования напряжения. Напри­ мер, при малых выдержках .времени и отсутствии на­ дежной тормозной системы отмечаются частые срабаты­ вания, что привадит к перерегулированию и повышенно­ му износу приводного механизма.

В связи с этим заслуживают рассмотрения схемы трансформаторов, в которых плавное регулирование на­ пряжения осуществляется без перемещения обмоток и

13

сердечника. Одна из них использует метод подмагничивания раздельных сердечников трансформатора постоян­ ным током, как показано на рис. 5. Первичные и вторич­ ные обмотки сердечников соединены последовательно и имеют различные коэффициенты трансформации. Ес­ ли в такой схеме изменять магнитную характеристику

недостаткам схемы можно отнести увеличение затрат активных материалов, неко­ торое снижение к. п. д. и повышенный расход реактив­ ной мощности из-за увеличения намагничивающих то­ ков. Теория и анализ процессов таких трансформаторов подробно рассмотрены в [Л. 11 и 12].

Благодаря относительной простоте конструкций, безинерционности регулирования напряжения и отсутст­ вию контактов такие трансформаторы найдут широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Так, например, однофазные конструкции могут быть ис­ пользованы для пофазного регулирования напряжения в условиях электроснабжения от контактных сетей элек­ трифицированных железных дорог, где отмечаются зна-

14

чительные несимметрии напряжений по фазам, вызван­ ные тятовой нагрузкой.

Другая схема трансформаторов, регулируемых подмапничиванием, использует специальный шунт для от­ ветвления части магнитного потока трансформатора. В отличие от конструкций с двумя сердечниками транс­ форматоры, регулируемые подмагничиванием шунтов, выполняются, как правило, в виде отдельных единиц, что более удобно. В простейших конструкциях первичная и вторичная обмотки располагаются на отдельных стерж­ нях, составляющих основную магнитную цепь трансфор­ матора; вне обмоток переменного тока располагается обмотка шунта. При таком расположении обмоток маг­ нитный поток первичной обмотки Ф1 делится на две ча­ сти—поток вторичной обмотки Ф2 , обусловливающий ве­ личину вторичного напряжения, и поток рассеяния Фш, проходящий по стержням магнитного шунта. Изменяя магнитное сопротивление шунта подмагничиванием, можно добиться принудительного изменения потока Фг, сцепленного со вторичной обмоткой, и, следовательно, изменения вторичного напряжения трансформатора U2-

Однако за счет раздельного расположения основных обмоток и плохой электромагнитной связи между ними подобные конструкции имеют весьма большое магнитное рассеяние, что является их основным недостатком, так как приводит к повышенному расходу' активных мате­ риалов. Существенное снижение рассеяния может быть получено, если разместить магнитные шунты вместе с их обмотками между силовыми обмотками трансфор­ матора, как показано на рис. 6. В этих более совершен­ ных конструкциях первичная обмотка W\ разделена на две равные части W\c и размещена на основных стержнях магнитопровода 1 я 2 (основная магнитная цепь). На стержнях 3 и 4, расположенных по обе стороны этой цепи, находится обмотка шунтов подмагничивания w(jc. Такое расположение магнитных шунтов приводит к ма­ лому рассеянию и снижению затрат активных материа­ лов. Вторичная обмотка трансформатора, также разде­ ленная на две части w2c, охватывает как стержни 1 я 2 с. первичной обмоткой, так и стержни 3 я 4 с обмоткой шунтов. Регулирование вторичного .напряжения осуще­ ствляется за счет изменения тока подмагничивания. При этом изменяется величина переменного потока, проходя­

15

щего по шунтам, и, следовательно, поток, сцепленный со вторичными обмотками.

Если использовать такие трансформаторы в качестве стабилизаторов вторичного напряжения, то при колеба­ ниях первичного напряжения в пределах от IIшин до Е'пцакс необходимо поддерживать неизменной величину потока Ф2, сцепленного со вторичной обмоткой w2. По­ следнее достигается за счет автоматического изменения

Рис. 6. Устройство трансформатора с подмапшчиваемым шунтом, расположенным между силовыми обмотками.

а —схема включения обмоток для конструкций с шихтованным сердечником; б — конструкция с витым сердечником.

величины постоянного тока подмапничивания. Изменение должно быть таким, чтобы наибольшее значение тока Id (при котором Фш~0) было при U[мин, а наименьшее (при котором фш —Фш.макс) — при ИшакеПри этом можно добиться постоянства потока Ф2 и поддержания вторичного напряжения U% на одном уровне при неиз­ менной нагрузке.

Схемы с магнитными шунтами обеспечивают регули­ рование напряжения в более широких пределах, чем с раздельными сердечниками, однако их распростране­ ние ограничено в основном трансформаторами малых мощностей.

Несмотря на преимущества плавного регулирования, эта проблема до настоящего времени не получила свое­ го полного практического разрешения ввиду высокой

16

стоимости (рис. 7) и технических трудностей выполне­ ния плавного регулирования на трансформаторах сред­ них и больших мощностей. Для сетевых трансформато­ ров экономически наиболее целесообразным является применение встроенной аппаратуры ступенчатого пере­ ключения под нагрузкой. При выборе таких трансфор-

Рис. 7. Кривые отношений стоимостей трансформаторов с регули­ рованием напряжения под нагрузкой и трансформаторов, без регу­ лирования в зависимости от мощности трансформаторов. (По верти­ кальной оси — превышение стоимости регулируемых конструкций над стоимостью нормальных, по горизонтальной оси — мощность

трансформаторов).

ных масляных трансформаторов с форсированным воздушным охлаждением и ступенчатым регулированием напряжения в обмотке ПО кв; 4~то же с форсиро­ ванным охлаждением и регулированием напряжения в обмотке 35 кв; 5—то же для трехобмоточных грозоупорных с регулированием в обмотке ПО кв.

маторов дополнительные затраты, вызванные установ­ кой аппаратуры регулирования напряжения, оценив а- ются соответствующим коэффициентом удорожания. Наиболее дорогими являются автотрансформаторы с подвижной катушкой и плавным регулированием на­ пряжения. Коэффициент удорожания для них составляет 2,9—3,2 (кривая 1). При ступенчатом регулировании более дорогими оказываются трансформаторы средних мощностей с регулированием в обмотках 35 т , коэффи­ циент удорожания которых равен 2,2—2,5 (кривая 2).

Для более крупных трансформаторов с аппаратурой в обмотках ПО кв этот коэффициент лежит ,в пределах

1,2—1,75 (кривые 3 и 5).

Коэффициенты удорожания для отечественных регу­ лируемых трансформаторов несколько выше, чем в неко­ торых зарубежных странах. Так, по данным Теплоэлектропроекта, коэффициенты удорожания трехобмоточных трансформаторов напряжением 112/38,5/6,3 кв бельгий­ ской фирмы Шарлеруа составляют 1,12—1,217 для мощ­ ностей 31,5—7,5 Мва соответственно. Эти же коэффи­ циенты для трансформаторов английской фирмы Инглиш Электрик равны 1,1—1,24 при изменении мощностей трансформаторов от 40 до 5,6 Мва.

На стоимость трансформатора значительное влияние оказывает стоимость аппаратуры переключения, которая у конструкций малых и средних мощностей составляет большую часть от стоимости самого трансформатора, чем у крупных.

2. ПРОЦЕСС ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ И ВЫБОР ТОКООГРАНИЧИВАЮЩИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

а) Основные требования к сопротивлениям

Всхемах ступенчатого регулирования напряжения переключение с одного ответвления на другое выпол­ няется без разрыва тока нагрузки. Эго достигается за счет определенной очередности движения контактов, при которых цепь предыдущего ответвления размыкается только после замыкания цепи последующей ступени ре­ гулирования. При этом некоторый промежуток времени

витки регулируемой секции будут замкнуты контактами и по ним потечет ток, ограниченный внутренним сопро-

пени регулирования, a zQ— полное -сопротивление секции в омах. Величина ес обычно мала, и циркулирующий ток может достигать величины, опасной для витков ре­ гулируемой секции. Для ограничения величины тока в момент одновременного соединения двух смежных ответ­ влений в схему включают токоограничивающие сопро­ тивления— индуктивные или активные. Индуктивные сопротивления, выполненные в виде реакторов со сталь­ ным -сердечником (реже — автотрансформаторов), мо-

18

гут быть рассчитаны как на кратковременную, так и на длительную работу в процессе переключения. Последнее более выгодно, так как дает возможность использовать промежуточные положения при переключениях в каче­ стве рабочих и повышает общую надежность всего устройства.

. Переключающие устройства с индуктивными токоограиичивающими сопротивлениями обычно применяют­ ся в соединении с электр©двигательным приводом с от­ носительно низкими (порядка нескольких секунд) ско­ ростями срабатывания.

Активные или омические сопротивления не могут вы­ полняться на длительное включение вследствие очень больших потерь в них. Конструкция сопротивлений при этом была бы очень громоздкой и дорогой. Если же рас­ считать омическое сопротивление на кратковременную работу, то оно может быть выполнено достаточно ком­ пактным.

На практике применяют токоограничивающие омиче­ ские сопротивления, рассчитанные на работу в течение весьма малого периода времени, исчисляемого десяты­ ми и даже сотыми долями секунды. Такие сопротивле­ ния могут работать только с быстродействующими пере­ ключающими механизмами, чаще всего снабженными пружинным приводом. Таким образо,м, характер то,не­ ограничивающего сопротивления во многом определяет тип приводного механизма..

Основные требования, предъявляемые к процессу .пепереключения и токоограничивающим сопротивлениям любой конструкции, сводятся к следующему: 1) пере­ ключение должно осуществляться без разрыва тока глав­ ной цепи; 2) циркулирующий в короткозамкнутой сек­ ции ток не должен превышать номинальный; 3) величи­ на полного сопротивления цепи должна быть такой, что­ бы не создавать больших колебаний напряжения в сети в момент переключения.

Перейдем к рассмотрению конкретных схем переклю­ чения обмоток регулируемых трансформаторов.

б) Процесс переключения ответвлений

Впринятых схемах переключения подвижные кон­