Мощности.

Потребляемая мощность , электромагнитная мощность.

Электрическая мощность передаваемая во вторичную обмотку .

P_эм ,Р_эл

Наивыгоднейший коэффициент трансформации . Покажем зависимость электромагнитной и электрической мощности от коэффициента трансформации, рис. 59.

Потери и расход меди у автотрансформатора меньше, чем у двухобмоточного трансформатора.

, ,.

Рис. 59

Недостатком автотрансформатора является то, что высокое напряжение может попасть на сторону низкого напряжения, токи короткого замыкания большие.

2-8-2. Трехобмоточные трансформаторы.

Использование трехобмоточных трансформаторов вместо двух двухобмоточных более экономично, рис. 60.

Схема замещения трехобмоточного трансформатора представлена на рис. 61.

Рис.60

Основные уравнения трансформатора:

Рис. 61

Векторная диаграмма трансформатора представлена на рис. 62.

Недостатком трансформатора является то, что при нагрузке одной вторичной обмотки происходит влияние на напряжение другой вторичной обмотки.

Рис. 62

2-8-3. Трансформаторы с расщепленными обмотками.

Разновидностью трехобмоточного трансформатора является трехфазный трансформатор с расщепленной обмоткой низшего напряжения. В таком трансформаторе обмотка низшего напряжения каждой фазы выполняется из двух частей (ветвей), расположенных симметрично по отношению к обмотке высшего напряжения. Номинальные напряжения ветвей обмотки одинаковы. Мощность каждой обмотки низшего напряжения составляет от общей мощности.

Каждая ветвь расщепленной обмотки имеет самостоятельные выводы, рис.63.

Рис. 63

Допускается любое распределение нагрузки между ветвями расщепленной обмотки, например при двух ветвях одна ветвь может быть полностью нагружена, а вторая отключена, или обе ветви нагружены полностью.

Рис. 64

Расположение обмоток однофазного трансформатора представлено на рис. 65.

Рис. 65

Достоинством трансформаторов с расщепленной обмоткой низшего напряжения является большое сопротивление короткого замыкания между ветвями, что дает возможность ограничить ток к.з. на стороне низшего напряжения, например на подстанциях.

Одной из характеристик трансформатора с расщепленной обмоткой является коэффициент расщепления , который для случая двух ветвей равен отношению сопротивления короткого замыкания между ветвями расщепленной обмоткик сопротивлению короткого замыкания между обмоткой высшего напряжения и параллельно соединенными ветвями расщепленной обмотки, рис…

для однофазных трансформаторов коэффициент расщепления =4, а для трехфазных трансформаторов=3,5. сопротивления лучей в схеме замещения трансформатора с обмоткой низшего напряжения, расщепленной на две ветви (рис…), могут быть определены из следующих выражений:

, после подстановки в которые соответствующих значенийполучим:

для однофазных трансформаторов

, .

Для трехфазных трансформаторов

, , видим. Что сопротивленияи

увеличены на 1,75 раза, что приводит к ограничению токов короткого замыкания.

2-8-4. Регулирование напряжения в трансформаторах.

Регулирование напряжения трансформаторов осуществляется изменением числа витков первичной обмотки путем переключения контактными или бесконтактными устройствами регулировочных ответвлений обмоток. Силовые трансформаторы оснащаются различными устройствами регулирования простейшими, для использования которых необходимо отключение трансформатора от электрической сети, или более сложными, обеспечивающими регулирование под нагрузкой.

Наряду с контактными переключающими устройствами широкое применение получает использование мощных полупроводниковых приборов, включаемых последовательно с обмотками трансформатора, позволяющих получать практически безинерционную стабилизацию напряжения при питании мощных ЭВМ, радиоэлектронных установок, специальных электротехнических устройств.

Необходимость поддержания напряжения в различных точках сети в достаточно узких пределах предопределяет необходимость его регулирования. Отклонение напряжения от номинального не должно превышать 5%. Трансформаторы общего назначения мощностью до 1600 кВа обычно имеют пять регулировочных ответвлений на стороне обмотки ВН (+5; +2,5; 0; -2,5; -5%).

В большинстве случаев ответвления выполняются в «нулевой» точке трехфазной обмотки, регулирование производится по способу – переключение без возбуждения (ПБВ). Схема такого переключения показана на рис. 66.

Переключение делается в средней части обмотки, так как здесь наименьшее усилие на обмотку.

Наиболее реальное значение на сегодняшний день имеет регулирование напряжения путем переключения регулировочных ответвлений трансформаторов под нагрузкой (РПН).

Трансформаторы, оснащаемые РПН, имеют в обмотке ВН большое число регулировочных ответвлений, выполняемых с небольшим шагом – до 1,5-1 %_ при общей зоне регулирования 10-20 %.

Рис. 66

Схема контактного переключения ответвлений для различных моментов трансформатора представлена на рис. 67.

1 2

3

4

5

Рис. 67

В связи с низкой эффективностью механических устройств для переключения под нагрузкой в диапазоне мощностей до 1000 квА и напряжением до 10кв в последние десятилетия интенсивно разрабатываются тиристорные и транзисторные системы регулирования, обеспечивающие дискретное или плавное бесконтактное изменение коэффициента трансформации с высоким быстродействием, в ряде

случаев составляющим доли полупериоде регулируемого переменного напряжения.

2-8-5. Трансформаторы для утроения и удвоения частоты.

Для питания устройства автоматики, телемеханики вычислительной и измерительyой техники часто необходимо переменный ток с частотой сети преобразовать в переменный той двойной или тройной частоты.

2-8-5-1. Трансформаторы для утроения частоты.

Рассмотрим принцип действия утроения частоты, состоящего из трех одинаковых однофазных трансформаторов с ферромагнитными сердечниками (групповой трансформатор).

Первичные обмотки трансформаторов соединены звездой, а вторичные - открытым треугольником., рис. 68.

~f₁

U_3вых

~3f₁

Рис. 68

Как известно, при холостом ходе однофазного трансформатора за счет насыщения магнитной системы, в области максимального потока при синусоидальном потоке, ток

холостого ходе резко несинусоидальный

при разложении несинусоидальной кривой тока в гармонический ряд получим первую и высшие гармоники тока. Но так как кривая тока симметрична относительно оси абсцисс, то в кривой тока четные гармоники будут отсутствовать. Третья гармоника буде иметь наибольшую амплитуду, а все нечетные гармоники более высокого порядка будут иметь меньшую амплитуду, рис. 69.

Рис. 69

При холостом ходе трехфазного группового трансформатора токи третьей гармоники одинаковы по величине и направлены в одну сторону, т.е. совпадают по фазе (рис. 70 ),

поэтому в первичных обмотках, соединенных в звезду (рис.), а это приведет к тому, что поток будет не синусоидальным, рис. 71.

В кривой потока появиться поток третьей гармоники совпадающий по фазе во всех фазах, который наведет в открытом треугольнике в каждой фазе ЭДС тройной частоты так же совпадающих по фазе (рис.), поэтому на выходе открытого треугольника получаем тройную частоту и сумму ЭДС в каждой фазе тройной частоты

Рис. 70

В открытом треугольнике сумма ЭДС от первой гармоники будет равна нулю, так как ЭДС в фазах

сдвинуты во времени на .

Рис. 71.

ЭДС высших гармоник (9-ой, 15-ой) и других нечетных гармоник (кратных трем), как правило, слабы и мало искажают синусоидальную форму выходного напряжения устроенной частоты. Конденсатор С, улучшает форму кривой выходного напряжения.

Рис. 71

2-8-5-2. Трансформаторы для удвоения частоты.

Для удвоения частоты может быть использован трансформатор с разветвленным магнитопроводом в виде двух независимых магнитопроводов и. (Рис. 72 )

Первичная обмотка, питающаяся от сети с частотой, охватывает сразу оба магнитопровода и ЭДС в ней возбуждается суммой потоков.

Вторичная обмотка 2, в которой индуктируется ЭДС двойной частоты , образуется из двух частей с числами витковрасполагающихся на разных магнитопроводах и включенных встречно.

Рис. 72

Потокосцепление вторичной обмотки оказывается пропорциональным разности потоков .

Как видно из графика

(рис. 73 ), при изменении суммы потоков . С частотой, разность потоковбудет изменяться с двойной частотой, если магнитопроводиподмагнитить в противоположных направлениях с помощью обмотки 0, питаемой постоянным токоми образующей МДСв каждом из магнитопроводов.

Рис. 73

2-8-6. Магнитные усилители.

Магнитные усилители используются в системах автоматики, телемеханики, в вычислительной технике и в системах автоуправления.

Устройство магнитного усилителя представлено на рис.74

Рис. 74

Если считать сопротивление рабочей обмотки чисто индуктивным а ток – близкий к синусоидальному, то,, где

Сопротивление(рабочей обмотки) зависит от возвратной магнитной проницаемостиматериала сердечника, основная кривая намагничивания которого приведена на рис.75. При отсутствии постоянного токав обмотке управленияпо нагрузке течет так называемый ток холостого хода, определяемый магнитной проницаемостью

симметричного частного цикла около точки 1. и

Рис. 75

соответствующем ей сопротивлением .

При этом большая часть напряжения схемы приложена к обмотке и уравновешивается ЭДС самоиндукции этой обмотки; амплитуда изменения индукции сердечникаB_~- максимальна (т.1, рис 76).

Появление тока управления вызывает появление напряженности постоянного магнитного поля; частичный цикл кривой намагничивания становится несимметричным и перемещается по мере возрастания тока управления из положения 1 в положение 2, а затем 3 (рис. 77). Если за возвратную магнитную проницаемость несимметричного частного цикла принять тангенс наклона касательной к кривой намагничивания в соответствующих точках 2 и 3, то по мере увеличениямагнитная проницаемость материала уменьшается (рис. 75), снижается индуктивное сопротивлениерабочих обмоток и ток в нагрузке увеличивается (рис. 74). Напряжение на обмоткеснижается, в результате чего уменьшается и амплитуда индукции(рис.2). Следовательно, путем изменения тока в обмотке управления, можно управлять током в нагрузке. Выполняя обмоткус числом витков, в несколько раз превышающим число витков обмотки, можно получить эффект усиления по току. В этом и заключается принцип действия магнитного усилителя. Направление токав данном случае не имеет значения. Поэтому простейший магнитный усилитель имеет характеристику вход-выход, т.е. зависимость выходной величиныот входной, не чувствительную к знаку управляющего сигнала (рис.4). Усилителю, схема которого дана на рис.1 присущи серьезные недостатки. Переменный ток наводит переменный магнитный поток, который наводит в обмотке управления, как во вторичной обмотке трансформатора, переменную ЭДС. Чтобы устранить протекание по цепи управления переменных токов, в эту цепь включена большая индуктивность L. Но эта индуктивность сильно увеличивает постоянную времени цепи управления и общие габариты. Для уменьшения ЭДС наводимой в обмотке управления, целесообразно разделить сердечник и обмоткуна две равные части, как показано на рисунке. Две рабочие обмотки должны быть соединены так, чтобы создаваемые ими потоки были направлены встречно относительно обмотки управления, охватывающей оба сердечника (рис.78). При этом переменная ЭДС в обмотке управления будет равна нулю.

На рис 79 индукция В_с соответствует такому идеальному случаю, при котором все напряжение схемы приложено к рабочим обмоткам и для создания магнитного потока из сети потребляется малый ток.

Напряженность соответствует другому, тоже идеальному режиму, при котором, несмотря на протекание токапо рабочим обмоткам, последние не создают падения напряжения.

У реального магнитного усилителя рабочие точки получатся как наложение эллипса на семейство кривых намагничивания (). Точки пересечения эллипса с кривыми Н=const, снесенные на координаты , образуют в четвертом квадрате характеристику усилителя с нагрузкой в координатах, которую можно легко пересчитать в характеристику вход-выход. Напряженности зависят от величины тока:

, .

Уравнение нагрузочного эллипса

с полуосями

, и , где- действующее значение напряжения сети.

, где , где,-сопротивление измерительных обмотоки вольтметра (измерительные обмотки наматываются на оба магнитопровода).

, токи ,

Если в схеме МУ имеется обратная связь, то сплошная кривая примет вид пунктирной кривой (рис.7), т.е. при той женапряженностьвозрастет, а это приведет к увеличению коэффициента усиления, рис. 80.

Если в магнитном усилителе имеется обмотка смещения, то кривая сместится влево от точки 0 (рис. 81). Видим, что при увеличении положительногонапряженностьвозрастает, а при увеличении отрицательногонапряженностьуменьшается.

Изменяя величины обратных связей и смещения можно получить требуемые характеристики вход-выход магнитных усилителей.