Трансформатори

2.1 Тема: Загальні відомості про трансформатори.

3. Типи трансформаторів.

Трансформатори, призначені для підвищення напруги, називають такими, що підвищуючі, а для пониження напруги - понижуючі.

Трансформатори поділяють на однофазні і трифазні.

За призначенням розрізняють наступні трансформатори:

а) силові - для перетворення електроенергії для живлення силового і освітлювального навантаження;

б) спеціальні - для живлення струмоприймачів спеціального призначення (електропечі, електрозварювання і ін.);

в) вимірні - для підключення вимірювальних приладів;

г) автотрансформатори - для перетворення напруги в невеликих межах в лабораторіях, при пуску в хід двигунів змінного струму, для побутових потреб
і інших цілей.

Запитання для самоперевірки

1. Які трансформатори називають підвищуючі, а які понижуючі?

2. Як за призначенням поділяють трансформатори?

3. Для чого произначені силові трансформатори?

4. Для чого произначені спеціальні трансформатори?

5. Для чого произначені вимірювальні трансформатори?

6. Для чого произначені автотрансформатори?

2.2 Тема: Робочий процес трансформатора.

3. Рівняння струмів і напруг.

4. Режим короткого замикання, його дослід.

5. Зміна вторинної напруги трансфоматора.

3. Рівняння струмів і напруг.

По формулі е. р. с. первинної обмотки Е₁ = 4,44 f₁ w₁ Ф_м. Нехтуючи падінням напруги в первинній обмотці, припустимо, що U₁ Е₁ = 4,44 f₁ w₁ Ф_м. Якщо напруга і частота в мережі постійні по величині, то можна написати наступну рівність:

Але у формулі 4,44, f₁ і w₁ -постійні числа, отже при постійній напрузі і частоті в мережі

магнітний потік трансформатора буде величиною постійною і від навантаження залежати не буде, тобто

Це рівняння називають рівнянням м. р. с. трансформатора. М. р. с. трансформатора при холостому ході I₀w₁ і у вторинній обмотці I₂w₂ нанесені на діаграму.

4.Режим короткого замикання, його дослід.

Коротке замикання трансформатора— це такий режим, коли вторинна обмотка замкнута накоротко (z_н = 0), при цьому вторинна напруга U₂ = 0. В умовах експлуатації, коли до трансформатора підведена номінальна напруга U_{1 ном}, коротке замикання є аварійним режимом і є великою небезпекою для трансформатора.

Не дивлячи на короткочасність процесу короткого замикання, він представляє собою значну безпеку для обмоток трансформатора: по – перше, безмежно великий струм к.з. різко збільшує температуру обмотки, що може зіпсувати її ізоляцію; по – друге, різко збільшуються електромагнітні сили в обмотках трансформатора.

При досліді к.з. обмотку нижчої напруги однофазного трансформатора замикають накоротко (мал. 3), а до обмотки вищої напруги підводять понижену напругу, поступово підвищуючи його регулятором напруги РНО до деякого значення U_{к. ном}, при якому струми к.з. у обмотках трансформатора стають рівними номінальним струмам в первинній (І_1к=І_1ном) і вторинній (І_2к=І_2ном) обмотках.

Мал. 3 Схема досліду к.з. однофазного трансформатора.

При цьому знімають свідчення приладів і будують характеристики к.з., що є залежністю струму к.з. І_1к, потужності к.з. Р_к і коефіцієнта потужності cos φ_к від напруги к.з. U_к.

Оскільки при досліді к. з. основний потік Ф_мах складає всього лише декілька відсотків в порівнянні з його значенням при номінальній первинній напрузі, то магнітними втратами, що викликаються цим потоком, можна нехтувати. Отже, можна вважати, що потужність Р_к, споживана трансформатором при досліді к. з., йде повністю на покриття електричних втрат в обмотках трансформатора:

5. Зміна вторинної напруги трансфоматора.

Зміною напруги трансформатора при заданому коефіцієнті потужності називають різницю алгебри між номінальною вторинною напругою і напругою, що встановлюється на затисках вторинної обмотки при номінальних значеннях вторинного струму, частоти і первинної напруги

Зміну напруги зазвичай визначають у відсотках від номінальної вторинної напруги

Приклад 1. Визначити ∆U трансформатора у відсотках, якщо U_2н = 400 В; U₂ = 380 В.

Рішення.

∆U трансформатора можна визначати шляхом зняття його зовнішньої характеристики.

Зовнішньою характеристикою трансформатора називають залежність напруги на затисках вторинної обмотки від струму навантаження при постійній первинній напрузі, частоті і cos φ₂.

Питання для самоперевірки

1. Розкажіть, як і для чого проводять дослід холостого ходу трансформатора?

2. Накресліть і поясніть принципову схему навантаженого трансформатора?

3. Напишіть рівняння струмів і напруг?

4. Розкажіть, як і для чого проводять дослід короткого замикання трансформатора?

5. Що називають зміною вторинної напруги трансформатора?

2.3 Тема: Елементи конструкції трансформаторів.

4. Серії трансформаторів невеликої та середньої потужності, шкала номінальних потужностей.

Наші електромашинобудівельні заводи випускають таку серію силових трансформаторів ТСМ і ТСМА.

В трансформаторах серії ТСМА обмотки виконані із алюмінію. Трансформатори серії ТСМ і ТСМА призначені для режима тривалого навантаження в закритих приміщеннях, на відкритому повітрі і в комплексних трансформаторних підстанціях.

В цій серії передбачено 10 типів трансформаторів з наступною шкалою потужностей:

І габарит: 20, 35, 60 і 100 кВт.

ІІ габарит: 180, 320 і 560 кВт.

Крім цього, другий габарит передбачає проміжні потужності: 135, 240 і 420 кВт.

Шкала номінальних напруг така: висока напруга – 3; 6; 6,3 і 10 кВ; низька напруга – 0,23; 0,4 і 0,525 кВ, дотогож напруга 6,3 кВ передбачається тільки для суттєвих установок.

Питання для самоперевірки

1. Яку серію силових трансформаторів випускають електромашинобудівельні заводи?

2. Яке призначення трансформаторів серії ТСМ і ТСМА?

3. Скільки типів трансформаторів і з якою шкалою потужностей передбачено в цій серії?

4. Яка шкала номінальних напруг?

2.4 Тема: Схеми і групи з’єднань обмоток трифазних трансформаторів.

4. Основні групи з’єднань обмоток трифазних

трансформаторів.

Основні групи з’єднань мають деякі переваги перед производными, так як передбачають одноіменне маркування виводів обмоток, що розташовані на одному стержні. Це в свою чергу зменшує ймовірність помилкових приєднань. Проте не всі групи з’єднання мають практичне застосування в трифазних трансформаторах.

При виготовленні або в процесі експлуатації трансформаторів іноді виникає необхідність в перевірці групи з’єднання. Існує декілька методів такої перевірки, але найбільш поширені методи фазометра і вольтметра.

Питання для самоперевірки

1. Які переваги мають основні групи з’єднань?

2. Чи всі групи з’єднань мають практичне застосування?

3. Коли виникає необхідність в перевірці групи з’єднання?

4. Які найбільш поширені методи перевірки групи з’єднання?

2.5 Тема: Паралельна робота трансформаторів.

4. Явища в трансформаторах при неоднаковій напрузі короткого замикання.

Якщо паралельно працюють трансформатори з неоднаковою напругою короткого замикання, то трансформатор з меншим значенням напруги короткого замикання перевантажується.

Опір трансформатора z_к пропорційний напрузі короткого замикання.

При включенні на паралельну роботу двох трансформаторів з різною
напругою короткого замикання на шинах установится однакова напруга U₂, так як падіння напруги у обох трансформаторів повинні бути однакові, тобто

тобто струми навантаження паралельно включених трансформаторів обернено пропорційні їх опорам короткого замикання.

У трансформаторів з меншим значенням напруги короткого замикання повинен проходити по обмотках більший струм, чим у трансформаторів з великим значенням напруги короткого замикання, щоб при однаковій потужності трансформаторів падіння напруги в їх обмотках були однакові. На малюнку 3 зображені зовнішні характеристики двох трансформаторів однакової потужності.

Мал. 3. Зовнішні характеристики для трансформаторів з

різними значеннями напруги короткого замикання.

Крива 1 для трансформатора з великим значенням напруги короткого замикання, а крива 2 - з меншим. Як видно з кривих, другий трансформатор перевантажується.

ГОСТ допускає різницю напруги короткого замикання не більше ніж на ±10% їх середнього арифметичного значення:

Розподіл навантаження між паралельно працюючими трансформаторами визначається по формулі:

де Sx - навантаження даного трансформатора (ква);

S - загальне навантаження всієї паралельної групи (ква);

е_кх - напруга короткого замикання даного трансформатора (%);

S_нх - номінальна потужність даного трансформатора (ква);

Питання для самоперевірки

1. Що відбудиться при вмиканні на паралельну роботу трансформаторів з

неоднаковими напругами короткого замикання?

2. Який струм повинен проходити у трансформаторів з меншим значенням

напруги?

3. За якою формулою визначається розподіл навантаження між паралельно

працюючими трансформаторами?

2.6 Тема: Спеціальні типи трансформаторів.

4. Вимірювальні трансформатори.

Вимірювальні трансформатори служать для підключення через них вимірювальних приладів в мережах змінного струму.

В установках високої напруги вимірювальні прилади і обслуговуючий персонал завдяки застосуванні вимірювальних трансформаторів ізолюються від високої напруги.

Вимірювальні трансформатори дають можливість розширити межі вимірювання, що дозволяє застосовувати одні і ті ж вимірювальні прилади із стандартними межами вимірювання при визначенні різної напруги і струмів.

Для включення вольтметрів, частотомірів і котушок напруги вимірювальних приладів (лічильників, ватметрів, реле і ін.) застосовуються трансформатори напруги (мал. 8). Трансформатор знижує напругу, що підводиться до вимірювальних приладів.

Практично трансформатор напруги працює в режимі холостого ходу. Трансформатори напруги виготовляють трифазні і однофазні.

Мал.8. Схема трансформатора напруги:

а - принципова; б - умовне позначення.

Трансформатори струму застосовують для включення амперметрів і котушок струмовимірювальних приладів і реле.

Первинну обмотку трансформатора струму включають в лінію послідовно, а до його вторинної обмотки підключають вимірювальний прилад (мал. 9).

Мал. 9. Схема трансформатора струму:

а - принципова; б - умовне позначення.

Оскільки опір котушок струму вимірювальних приладів відносно малий (менше 1 Ом), то трансформатор струму практично працює в режимі короткого замикання.

При роботі трансформатора струму струм первинної обмотки створює магнітний потік Ф ₁, величина якого залежить від струму навантаження. Струм у вторинній обмотці трансформатора струму створює магнітний потік Ф ₂, який розмагнічує сердечник трансформатора. Сумарний магнітний потік виходить невеликим. Якщо ж залишити вторинну обмотку трансформатора струму при навантаженні розімкнутою, то струм у вторинній обмотці і магнітний потік Ф ₂ будуть рівні нулю, а оскільки розмагнічуючий потік рівний нулю, то сумарним магнітним потоком буде магнітний потік первинної обмотки Ф_1.

Цей потік, залежний від навантаження, відносно великий. Він індукує у вторинній обмотці трансформатора велику ЕРС,.небезпечну для обслуговуючого персоналу, а окрім цього, при великій величині магнітного потоку Ф ₁ зростають втрати в сталі, внаслідок чого сталь сильно нагрівається, що може вивести з ладу трансформатор струму. Отже, не можна залишати, розімкненою вторинну обмотку трансформатора струму, включеного на навантаження. При знятті вимірювального приладу для ремонту вторинну обмотку трансформатора струму потрібно закорочувати.

Для безпеки обслуговуючого персоналу один із затисків вторинної обмотки і сталевий кожух трансформатора напруги і трансформатора струму заземляють.

Питання для самоперевірки

1. Для чого служать вимірювальні трансформатори?

2. Для чого застосовують трансформатори напруги?

3. Для чого застосовують трансформатори струму?

4. Що роблять з трансформаторами струму та напруги для безпеки обслуговуючого персоналу?

Розділ №3 Синхронні машини.

3.1 Тема: Будова і принцип дії синхронного генератора.

2. Будова синхронних генераторів.

Статор синхронного генератора складається з чавунної станини - корпусу, усередині якого знаходиться сердечник статора, зібраний з окремих листів електротехнічної сталі, ізольованої між собою лаком або тонким папером. У пази сердечника укладають обмотку статора з мідного ізольованого дроту (мал.2)

Мал. 2 Статор синхронної машини.

Ротори синхронних генераторів бувають двох типів - явнополюсними і неявнополюсними.

Явнополюсними виконують ротори синхронних генераторів е невеликим числом оборотів, зазвичай з’єднаних з тихохідними гідротурбінами, і генераторів невеликої і середньої потужності (мал. 3).

Мал. 3. Ротор явно полюсний синхронної машини

Ротори неявнополюсні застосовують в генераторах з великим числом оборотів (3000 об/мин) і великій потужності що зазвичай сполучаються на одному валу з паровими турбінами, називають ці генератори турбогенераторами (мал. 4).

Мал. 4. Ротор неявно полюсної синхронної машини.

Сердечники полюсів переважно виготовляють з литої сталі, а черевики - іноді з окремих листів електротехнічної сталі. Обмотку полюсів виконують з мідних ізольованих проводів. Для отримання синусоїдальної ЕРС, що змінюється, необхідно мати синусоїдальний розподіл магнітної індукції в повітряному зазорі. Це досягається нерівномірністю повітряного зазору між наконечником полюса і сталлю статора: але краям полюсів повітряний зазор більший, ніж під серединою полюса (мал. 5).

Мал. 5. Розподіл магнітної індукції в повітряному зазорі

між наконечником полюса і сталлю статора.

На вал генератора надягають два кільця, ізольованих від нього, до яких приєднують виводи обмотки збудження ротора, їх називають контактними кільцями. На контактні кільця встановлюють щітки, а до щіток підводять постійний струм від збудника.

Найчастіше в ролі збудника застосовують машину постійного струму, яку називають машинним збудником, а в останній час використовують для збудження тверді або механічні випрямлячі.

У більшої кількості синхронних машин збудник розташований на одному валу з генератором, а в останніх конструкціях збудник розташовують зверху статора синхронної машини.

Вітчизняною електропромисловістю випускаються синхронні генератори різної потужності горизонтальні і вертикальні.

Генератори потужністю до 400 кВт і більш випускаються на напругу 400/230 В і починаючи з потужності 400 кВт на напругу 6300 В.

Горизонтальні генератори типу СГ (С - синхронний, Г - генератор) випускаються з машинним збудником, із збудженням від твердих випрямлячів (СГС), із збудженням від механічних випрямлячів (СГТ)
та інші.

Вертикальні гідрогенератори типу ВГС (В - вертикальний, Г - гідрогенератор, С - синхронний) випускаються потужністю від 250 до 4800 кВт з машинними збудниками.

Випускаються синхронні генератори для сполучення з дизелями на одному валу типу СГД - потужністю до 1000 кВт.

Нашою електропромисловістю випускаються турбогенератори і гідрогенератори великих потужностей, до 300 000 кВт.

Турбогенератори мають водневе охолоджування і відрізняються високим ККД. Наприклад, турбогенератор потужністю 100 000 кВт має ККД. 98,7%.

Питання для самоперевірки

1. З чого складається статор синхронного генератора?

2. Які є типи роторів синхронних генераторів?

3. Які генератори називають турбогенераторами?

4. Що називають машинним збудником?

3.2 Тема: Обмотки машин змінного струму.