§62. Мощность трехфазной системы

При неравномерной нагрузке фаз активная мощность Р трехфазной системы равна сумме мощностей отдельных ее фаз:

P = P_A + P_B + P_C

При равномерной нагрузке трехфазной системы активные мощности Р_ф всех трех фаз равны, поэтому активная мощность трехфазной системы

P = 3U_фI_ф cos ?

где ? — угол сдвига фаз между фазным током и фазным напряжением.

Активную мощность можно выразить также через линейные ток I_л и напряжение U_л. Учитывая зависимости между фазными и линейными токами и напряжениями для схем «звезда» и «треугольник» при равномерной нагрузке фаз, имеем:

P = ?3U_лI_л cos ?

Аналогично могут быть получены формулы для реактивной и полной мощностей при равномерной нагрузке фаз:

Q = 3U_фI_ф cos ? = ?3U_лI_л cos ?;

S = 3U_фI_ф = ?3U_лI_л

§63. Назначение и принцип действия трансформатора

Назначение трансформатора. Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Трансформаторы позволяют значительно повысить напряжение, вырабатываемое источниками переменного тока, установленными на электрических станциях, и осуществить передачу электроэнергии на дальние расстояния при высоких напряжениях (110, 220, 500, 750 и 1150 кВ). Благодаря этому сильно уменьшаются потери энергии в проводах и обеспечивается возможность значительного уменьшения площади сечения проводов линий электропередачи.

В местах потребления электроэнергии высокое напряжение, подаваемое от высоковольтных линий электропередачи, снова понижается трансформаторами до сравнительно небольших значений (127, 220, 380 и 660 В), при которых работают электрические потребители, установленные на фабриках, заводах, в депо и жилых домах. На э. п. с. переменного тока трансформаторы применяют для уменьшения напряжения, подаваемого из контактной сети к тяговым двигателям и вспомогательным цепям.

Кроме трансформаторов, применяемых в системах передачи и распределения электроэнергии, промышленностью выпускаются трансформаторы: тяговые (для э. п. с), для выпрямительных установок, лабораторные с регулированием напряжения, для питания радиоаппаратуры и др. Все эти трансформаторы называют силовыми.

Трансформаторы используют также для включения электроизмерительных приборов в цепи высокого напряжения (их называют измерительными), для электросварки и других целей. Транс-

Рис. 212. Схема включения однофазного трансформатора

форматоры бывают однофазные и трехфазные, двух- и многообмоточные.

Принцип действия трансформатора. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из стального магнитопровода 2 (рис. 212) и двух расположенных на нем обмоток 1 и 3. Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны. К одной из обмоток подается электрическая энергия от источника переменного тока. Эту обмотку называют первичной. К другой обмотке, называемой вторичной, подключают потребители (непосредственно или через выпрямитель).

При подключении трансформатора к источнику переменного тока (электрической сети) в витках его первичной обмотки протекает переменный ток i₁, образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные э. д. с. е₁ и е₂. Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием э. д. с. е₂ по ее цепи проходит ток i₂.

Э. д. с, индуцированная в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его изменения. Магнитный поток каждого трансформатора является определенной величиной, зависящей от напряжения и частоты изменения переменного тока в источнике, к которому подключен трансформатор. Постоянна также и скорость изменения магнитного потока, она определяется частотой изменения переменного тока. Следовательно, в каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая э. д.с. В результате этого отношение действующих значений э. д. с. Е₁ и E₂, индуцированных в первичной и вторичной обмотках трансформатора, будет равно отношению чисел витков ?₁ и ?₂ этих обмоток, т. е.

E₁/E₂ = ?₁/ ?₂.

Отношение э. д. с. Е_вн обмотки высшего напряжения к э. д. с. E_нн обмотки низшего напряжения (или отношение чисел их витков) называется коэффициентом трансформации,

n = Е_вн / E_нн = ?_вн / ?_нн.

Коэффициент трансформации всегда больше единицы. Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (в трансформаторах средней и большой мощности они не превышают обычно 2—5 % номинальных значений напряжений U₁ и U₂), то можно считать, что отношение напряжения U₁ первичной обмотки к напряжению U₂ вторичной обмотки приблизительно равно отношению чисел их витков, т. е.

U₁/U₂? ?₁/ ?₂

Таким образом, подбирая требуемое соотношение между числами витков первичной и вторичной обмоток, можно увеличивать или уменьшать напряжение на приемнике, подключенном к вторичной обмотке. Если необходимо на вторичной обмотке получить напряжение большее, чем подается на первичную, то применяют повышающие трансформаторы, у которых число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной.

В понижающих трансформаторах, наоборот, число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной.

Трансформатор не может осуществить преобразование напряжения постоянного тока. При подключении его первичной обмотки к сети постоянного тока в трансформаторе создается постоянный по величине и направлению магнитный поток, который не может индуцировать э. д. с. в первичной и вторичной обмотках. Поэтому не будет происходить передачи электрической энергии из первичной обмотки во вторичную.

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока через эту обмотку проходит некоторый ток, называемый током холостого хода. При включении нагрузки по вторичной обмотке трансформатора начинает проходить ток, при этом увеличивается и ток, проходящий по первичной обмотке. Чем больше нагрузка трансформатора, т. е. электрическая мощность и ток i₂, отдаваемые его вторичной обмоткой подключенным к ней приемникам, тем больше электрическая мощность и ток i₁, поступающие из сети в первичную обмотку.

Ввиду того что потери мощности в трансформаторе обычно малы, можно приближенно принять, что мощности в первичной и вторичной обмотках одинаковы. В этом случае можно считать, что токи в обмотках трансформатора приблизительно обратно пропорциональны напряжениям: I₁/I₂ ? U₂/U₁ или что токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числам витков первичной и вторичной обмоток: I₁/I₂ ? ?₂/?₁. Это означает, что в повышающем трансформаторе ток во вторичной обмотке меньше, чем в первичной (во столько раз, во сколько напряжение U₂ больше напряжения U₁), а в понижающем ток во вторичной обмотке больше, чем в первичной. Поэтому в трансформаторах обмотки высшего напряжения выполняются из более тонких проводов, чем обмотки низшего напряжения.

Устройство трансформатора

Устройство трансформатора. Магнитопровод. Трансформаторы в зависимости от конфигурации магнитопровода подразделяют на стержневые, броневые и тороидальные.

В стержневом трансформаторе (рис. 213, а) обмотки 2 охватывают стержни магнитопровода 1; в броневом (рис. 213,б), наоборот, магнитопровод 1 охватывает частично обмотки 2 и как бы

Рис. 213. Устройство стержневого (а), броневого (б) и тороидального (в) трансформаторов

бронирует их; в тороидальном (рис. 213, в) обмотки 2 намотаны на магнитопровод 1 равномерно по всей окружности.

Трансформаторы большой и средней мощности обычно выполняют стержневыми. Их конструкция более простая и позволяет легче осуществлять изоляцию и ремонт обмоток. Достоинством их являются также лучшие условия охлаждения, поэтому они требуют меньшего расхода обмоточных проводов. Однофазные трансформаторы малой мощности чаще всего выполняют броневыми и тороидальными, так как они имеют меньшую массу и стоимость по сравнению со стержневыми трансформаторами из-за меньшего числа катушек и упрощения процесса сборки и изготовления. Тяговые трансформаторы с регулированием напряжения на стороне низшего напряжения — стержневого типа, а с регулированием на стороне высшего напряжения — броневого типа. Магнитопроводы трансформаторов (рис. 214) для уменьшения потерь от вихревых токов собирают из листов электротехнической

Рис. 214. Магнитопроводы однофазного тягового (а) и силового трехфазного (б) трансформаторов: 1 — стержень; 2 — ярмовые балки; 3 — стяжные шпильки; 4 — основание для установки катушек; 5 — ярмо

стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Обычно применяют горячекатаную сталь с высоким содержанием кремния или холоднокатаную сталь. Листы изолируют один от другого тонкой бумагой или лаком. Стержни магнитопровода трансформатора средней мощности имеют квадратное или крестовидное сечение, а у более мощных трансформаторов — ступенчатое, по форме приближающееся к кругу (рис. 215, а). При такой форме обеспечивается минимальный периметр стержня при заданной площади поперечного сечения, что позволяет уменьшить длину витков обмоток, а следовательно, и расход обмоточных проводов. В мощных трансформаторах между отдельными стальными пакетами из которых собираются стержни, устраивают каналы шириной 5—6 мм для циркуляции охлаждающего масла. Ярмо, соединяющее стержни, имеет обычно прямоугольное сечение, площадь которого на 10—15% больше площади сечения стержней. Это уменьшает нагрев стали и потери мощности в ней.

В силовых трансформаторах магнитопровод собирают из прямоугольных листов. Сочленение стержней и ярма обычно выполняют с взаимным перекрытием их листов внахлестку. Для этого листы в двух смежных слоях сердечника располагают, как показано на рис. 215, б, г, т. е. листы стержней 1, 3 и ярма 2, 4 каждого последующего слоя перекрывают стык в соответствующих листах предыдущего слоя, существенно уменьшая магнитное сопротивление в месте сочленения. Окончательную сборку магнитопровода осуществляют после установки катушек на стержни (рис. 215, в).

В трансформаторах малой мощности магнитопроводы собирают из штампованных листов П- и Ш-образной формы или из штампованных колец (рис. 216, а—в).

Большое распространение получили также магнитопроводы (рис. 216,г—ж), навитые из узкой ленты электротехнической стали (обычно из холоднокатаной стали) или из специальных железо-никелевых сплавов.

Обмотки. Первичную и вторичную обмотки для лучшей магнитной связи располагают как можно ближе друг к другу: на каждом стержне 1магнитопровода размещают либо обе обмотки 2 и 3

Рис. 215 Формы поперечного сечения (а) и последовательность сборки магнитопровода (б — г)

Рис. 216. Сердечники однофазных трансформаторов малой мощности, собранные из штампованных листов (о, б), колец (в) и стальной ленты (г—ж)

концентрически одну поверх другой (рис. 217,а), либо обмотки 2 и 3 выполняют в виде чередующихся дисковых секций — катушек (рис. 217,б). В первом случае обмотки называют концентрическими, во втором — чередующимися, или дисковыми. В силовых трансформаторах обычно применяют концентрические обмотки, причем ближе к стержням обычно располагают обмотку низшего напряжения, требующую меньшей изоляции относительно магнито-провода трансформатора, снаружи — обмотку высшего напряжения.

В трансформаторах броневого типа иногда применяют дисковые обмотки. По краям стержня устанавливают катушки, принадлежащие обмотке низшего напряжения. Отдельные катушки соединяют последовательно или параллельно. В трансформаторах э. п. с, у которых вторичная обмотка имеет ряд выводов для изменения напряжения, подаваемого к тяговым двигателям, на каждом стержне располагают по три концентрических обмотки (рис. 217, в). Ближе к стержню размещают нерегулируемую часть 4 вторичной обмотки, в середине — первичную обмотку 5 высшего напряжения и поверх нее — регулируемую часть 6 вторичной обмотки. Размещение регулируемой части этой обмотки снаружи упрощает выполнение выводов от отдельных ее витков.

В трансформаторах малой мощности используют многослойные обмотки из провода круглого сечения с эмалевой или хлопчатобумажной изоляцией, который наматывают на каркас из электрокартона; между слоями проводов прокладывают изоляцию из специальной бумаги или ткани, пропитанной лаком.

В мощных трансформаторах, устанавливаемых на э. п. с, тяговых подстанциях и пр., применяют непрерывные спиральные

Рис. 217. Расположение концентрических (а), дисковых (б) и концентрических трехслойных (в) обмоток трансформатора

(рис. 218, а) и винтовые параллельные (рис. 218,б) обмотки, обладающие высокой механической прочностью и надежностью. Непрерывную спиральную обмотку используют в качестве первичной (высшего напряжения) и регулируемой части вторичной обмотки (низшего напряжения). Эта обмотка состоит из ряда последовательно соединенных плоских катушек, имеющих одинаковые размеры. Катушки расположены друг над другом. Между ними устанавливают прокладки и рейки из электрокартона, которые образуют горизонтальные и вертикальные каналы для прохода охлаждающей жидкости (масла).

Для повышения электрической прочности при воздействии атмосферных напряжений две первые и две последние катушки первичной (высоковольтной) обмотки обычно выполняют с усиленной изоляцией. Усиление изоляции ухудшает охлаждение, поэтому площадь сечения проводов этих катушек берут большей, чем для остальных катушек первичной обмотки.

Винтовую параллельную обмотку используют в качестве нерегулируемой части вторичной обмотки. Ее витки наматывают по винтовой линии в осевом направлении подобно резьбе винта. Обмотку выполняют из нескольких параллельных проводов прямоугольного сечения, прилегающих друг к другу в радиальном направлении. Между отдельными витками и группами проводов располагают каналы для прохода охлаждающей жидкости.

Рис. 218. Непрерывная спиральная (а) и винтовая (б) обмотки мощных трансформаторов электрического подвижного состава: 1 — выводы; 2,6 — каналы для прохода охлаждающей жидкости; 3 — катушки; 4 — опорные кольца; 5 — рейки; 7 — бакелитовый цилиндр; 8 — проводники обмотки

Рис. 219. Устройство трансформаторов общего назначения (а) и тягового (б) с масляным охлаждением: 1— термометр; 2 — выводы обмотки высшего напряжения; 3—выводы обмотки низшего напряжения; 4, 6 — пробки для заливки масла; 5 — масломерное стекло; 7 — расширитель; 8 — сердечник; 9, 10 — обмотки высшего и низшего напряжений; 11 — пробка для спуска масла; 12 —бак для охлаждения масла; 13 — трубы для охлаждения масла; 14 — теплообменник; 15 — воздуховоды; 16, 18 — стойки для установки переключателя выводов трансформатора; 17 — заводской щиток; 19 — насос для циркуляции масла; 20 — опорные балки

Число параллельных проводов определяется током, проходящим по обмотке.

Система охлаждения. Способ охлаждения трансформатора зависит от его номинальной мощности. При увеличении мощности трансформатора необходимо увеличивать и интенсивность его охлаждения.

Трансформаторы малой мощности обычно выполняют с естественным воздушным охлаждением и называют «сухими». Отвод тепла в них происходит путем непосредственной теплоотдачи от нагретых поверхностей обмотки и магнитопровода к окружающему воздуху. В некоторых случаях трансформаторы малой мощности помещают в корпус, залитый термореактивными компаундами на основе эпоксидных смол или других подобных материалов.

В трансформаторах средней и большой мощности сердечник с обмотками целиком погружают в бак, наполненный тщательно очищенным минеральным (трансформаторным) маслом (рис. 219, а). Такой способ отвода тепла называют естественным масляным охлаждением. Трансформаторное масло обладает более высокой теплопроводностью, чем воздух, и хорошо отводит тепло от обмоток и сердечника трансформатора к стенкам бака, имеющего большую площадь охлаждения, чем сам трансформатор. Погружение трансформатора в бак с маслом обеспечивает также повышение электрической прочности изоляции его обмоток и предотвращает ее старение под влиянием атмосферных воздействий. Баки трансформаторов мощностью 20—30 кВ*А имеют гладкие стенки. В более мощных трансформаторах (например, в трансформаторах, устанавливаемых на тяговых подстанциях) для повышения теплоотдачи поверхность охлаждения увеличивают, применяя баки с ребристыми стенками или трубчатые. Нагревающееся внутри бака масло поднимается кверху, а охлаждающееся в трубах опускается вниз, создавая, таким образом, естественную циркуляцию, способствующую охлаждению трансформатора.

На э. п. с. переменного тока применяют трансформаторы с масляным охлаждением и принудительной циркуляцией масла через теплообменник, охлаждаемый воздухом (рис. 219,б). Такая система охлаждения позволяет существенно повысить индукцию в сердечнике и плотность тока в обмотках, т. е. уменьшить массу и габаритные размеры трансформатора.

В систему охлаждения обычно вводят струйное реле, которое не допускает включения трансформатора, если через него не циркулирует масло.

Масло в трансформаторе во время работы нагревается и расширяется. При уменьшении нагрузки оно, охлаждаясь, возвращается к первоначальному объему. Поэтому масляные трансформаторы снабжают дополнительным баком — расширителем, соединенным с внутренней полостью бака.При нагревании трансформатора масло переходит в расширитель. Применение расширителя позволяет значительно сократить поверхность соприкосновения масла с воздухом, что уменьшает его загрязнение и увлажнение.

При работе трансформатора масло, нагреваясь, разлагается и загрязняется, поэтому его периодически очищают или заменяют. Масляные трансформаторы во избежание опасности пожара и взрыва устанавливают в специально огражденных помещениях. Наибольшая температура обмоток трансформатора не должна превышать 105 °С, сердечника — 110 °С, верхних слоев масла — 95 °С.

Для защиты от возможной аварии трансформаторы средней и большой мощности снабжают специальными газовыми реле. Газовое реле устанавливают в трубопроводе между основным баком и расширителем. При значительном выделении взрывоопасных газов, образующихся в результате разложения масла, газовое реле автоматически выключает трансформатор, предупреждая развитие аварии. В трансформаторах мощностью более 1000 кВ*А устанавливают также выхлопную трубу, закрытую стеклянной мембраной. При образовании большого количества газов они выдавливают мембрану и выходят в атмосферу — этим предотвращается деформация бака.

Многообмоточные трансформаторы. Наиболее распространены двухобмоточные однофазные трансформаторы (рис. 220, а). При необходимости получения от одного трансформатора нескольких различных напряжений u₂₁, u₂₂, u₂₃ (рис. 220, б) используют многообмоточные трансформаторы, у которых на магнитопроводе расположено несколько вторичных обмоток с различным числом витков. Например, тяговые трансформаторы электровозов имеют обычно четыре обмотки: первичную (высшего напряжения) и три вторичные (низшего напряжения). Одна из них (тяговая) служит для питания через выпрямитель цепи тяговых двигателей, вторая — для питания электрических потребителей собственных нужд (цепей вспомогательных машин, управления, освещения и пр.) и третья — для питания электрических печей отопления пассажирских вагонов. Если на электровозе предусмотрено рекуперативное торможение, то в ряде случаев применяют специальную вторичную обмотку для питания обмоток возбуждения тяговых двигателей в этом режиме. На некоторых электровозах каждый тяговый двигатель питается от собственного выпрямительного блока и в трансформаторе предусматривают соответствующее число вторичных обмоток.

Рис. 220. Схемы двухобмоточного (а) и многообмоточного (б) трансформаторов