Схемы и группы соединений обмоток трансформаторов.

Вопрос4.

Вопрос5.

Векторные и энергетические диаграммы трансформатора.

Для уравнений трансформатора может быть предложена векторная диаграмма, являющаяся геометрической интерпретацией уравнений трансформатора на комплексной плоскости.

 

В приведенном трансформаторе числа витков первичной и вторичной обмоток одни и те же (ω ₁=ω ₂). При этом все электромагнитные процессы в реальном и приведенном трансформаторах протекают одинаково. В реальном и приведенном трансформаторах остаются неизменными потери, МДС, магнитные потоки, активные и реактивные мощности. Если определять коэффициент трансформации как отношение витков первичной обмотки к виткам вторичной (6), то можно для приведенного и реального трансформаторов составить следующие соотношения:

Реальный трансформатор

Приведенный трансформатор

 

Приведение напряжений и токов следует из равенства мощностей реальной и приведенной обмоток трансформатора:

(23)

Магнитодвижущие силы приведенной и реальной обмоток одинаковые

(24)

Чтобы магнитные поля в реальном и приведенном трансформаторах оставались неизменными, должны выполняться равенство (24) и сохраняться конфигурация обмоток. При этом сечения приведенной и реальной обмоток должны быть одинаковыми, поэтому сечение витка приведенной обмотки изменяется в п₁₂ раз.

Для трансформатора с приведенными обмотками уравнения выглядят следующим образом:

; (28)

; (29)

. (30)

Геометрической интерпретацией (28)—(30) является векторная диаграмма приведенного трансформатора (рис. 2, а).

Построение диаграммы лучше начать с уравнения (30), отложив поток в фазе Фm а затем строить (28) и (29).

Мощность, подводимая к первичной обмотке трансформатора (рис. 2, а),

(31)

Мощность, отдаваемая в нагрузку (мощность на вторичной обмотке),

(32)

при этом Р₂ < Р₁ , так как частьмощности расходуется на потери в трансформаторе.

На рис. 3 дана энергетическая диаграмма активной мощности в трансформаторе. Часть активной мощности расходуется на потери в меди первичной и вторичной , обмотках.

Кроме потерь, в меди есть потери в стали, которые мохут определяться через Ė ₁ и активную составляющую тока холостого хода I_0а,. Обмотки трансформаторов выполняются из меди и алюминия. Поэтому точнее говорить о потерях в металле обмоток, но принято эти потери называть потерями в меди, и пока нет необходимости заменять сложившуюся терминологию. Потери в меди иногда называют электрическими потерями.

Электромагнитная мощность трансформатора — это мощность, которая передается магнитным полем из первичной обмотки во вторичную или наоборот. Трансформаторы обратимы: как активная, так и реактивная мощность может передаваться из первичной обмотки во вторичную или из вторичной в первичную.

Для создания поля в трансформаторе необходима реактивная мощность, которая идет на создание основного поля — поля взаимной индукции — и полей рассеяния первичной и вторичной обмоток.

На рис.4 представлена энергетическая диаграмма реактивной мощности в трансформаторе. По векторной диаграмме реактивная мощность, поступающая в первичную обмотку, равна

(33)

На создание поля рассеяния расходуется мощность , а реактивная мощность

(34)

сосредоточивается в поле взаимной индукции. На создание поля рассеяния вторичной обмотки идет реактивная мощность . Реактивная составляющая электромагнитной мощности — это мощность, которая передается от первичной обмотки ко вторичной (рис. 4).

Если нагрузка трансформатора индуктивная, реактивная мощность от трансформатора поступает в нагрузку. Если нагрузка трансформатора емкостная и активная, то при большой емкости реактивная мощность поступает в трансформатор и в сеть. При этом Р_2р > Р_1р Направления активной и реактивной мощностей могут совпадать или быть встречными.

 

Характеристики синхронного генератора.

Внешние характеристики

Зависимости напряжения U от тока нагрузки I_а при неизменных токе возбуждения I_В, угле φ и частоте f₁ (постоянной частоте вращения ротора n₂) называют внешними характеристиками генератора. Их можно построить с помощью векторных диаграмм. Допустим, что при номинальной нагрузке I_{а ном} генератор имеет номинальное напряжение U_НОМ, что достигается путем соответствующего выбора тока возбуждения. При уменьшении тока нагрузки до нуля напряжение генератора становится равным ЭДС холостого хода E₀. Следовательно, векторная диаграмма построенная при номинальной нагрузке, сразу дает две точки внешней характеристики. Форма внешней характеристики зависит от характера нагрузки, т.е. от угла сдвига фаз φ между U и I_a, т.к. в зависимости от этого изменяется вектор Е₀ (при заданном значении U=U_НОМ).На рис. 6.27 показаны упрощенные ВД генератора с неявно выраженными полюсами для активной (а), активно-индуктивной (б) и активно-емкостной (в) нагрузок. При активной и активно-индуктивной нагрузках ЭДС Е₀> U; при активно-емкостной нагрузке ЭДС Е₀< U. Таким образом, в первых двух случаях при увеличении нагрузки напряжение генератора уменьшается, в третьем – увеличивается. Это объясняется тем, что при активно-емкостной нагрузке имеется продольная намагничивающая составляющая реакции якоря, а при активной и активно-индуктивной нагрузках – продольная размагничивающая составляющая (при чисто активной нагрузке угол ψ > 0).

На рис. 6.28, а изображены внешние характеристики генератора при различных видах нагрузки, полученные при одинаковом для всех характеристик значений U_НОМ, а на рис. 6.28, б – при одинаковом значении U₀=E₀. При U=0 (короткое замыкание) все характеристики пересекаются в одной точке, соответствующей значению тока I_К.

Регулировочные характеристикиЗависимости тока возбуждения I_В от тока нагрузки I_а при неизменных напряжении U, угле φ и частоте f₁ называют регулировочными характеристиками (рис. 6.29). Они показывают, как надо изменять ток возбуждения генератора, чтобы поддерживать его напряжение неизменным при изменении тока нагрузки. Очевидно, что с возрастанием нагрузки при φ > 0 необходимо увеличивать ток возбуждения, а при φ < 0 – уменьшать его. Чем больше угол φ по абсолютной величине, тем в большей степени требуется изменять ток возбуждения.

 

 

Рабочие характеристики (рис 6.47)

 

Они представляют собой зависимости тока I_а, электрической мощности Р₁, поступающей в обмотку якоря, КПД η и cosφ от отдаваемой механической мощности Р₂ при U_C=const, f_C=const и I_В=const. Часто эти характеристики строят в относительных единицах. Поскольку частота вращения двигателя постоянна, зависимость n₂=f(P₂) обычно не приводится; не приводится также и зависимость M=f(P₂), т.к. вращающий момент М пропорционален Р₂. Зависимость P₁=f(P₂) имеет характер, близкий к линейному.

 

Ток двигателя (I_а) при холостом ходе является практичеки реактивным. По мере роста нагрузки возрастает активная составляющая тока, в связи с чем зависимость I_а от мощности Р₂ является нелинейной. Кривая η =f(P₂) имеет характер, общий для всех электрических машин. СД могут работать при cosφ =1, но обычно их рассчитывают на работу при номинальной нагрузке с опережающим током и cosφ _ном=0, 9…0, 8. В этом случае улучшается суммарный cosφ сети, от которой питаются СД, т.к. создаваемая ими опережающая реактивная составляющая тока I_а компенсирует отстающую реактивную составляющую тока АД. Зависимость cosφ =f(P₂) при работе машин с перевозбуждением имеет максимум в области Р₂> Р_НОМ. При снижении Р₂ значение cosφ уменьшается, а отдаваемая в сеть реактивная мощность возрастает.

 

Синхронные компенсаторы

 

Синхронная машина, не несущая активной нагрузки и загруженная реактивным током, называется синхронным компенсатором. Такие компенсаторы применяются для повышения коэффициента мощности и поддержания нормального уровня напряжения в сетях.Нормальным является перевозбужденный режим работы синхронного компенсатора, когда он отдает в сеть реактивную мощность.В связи с этим компенсаторы, как и служащие для этих целей батареи конденсаторов, устанавливаемые на потребительских называют также генераторами реактивной мощности. Однако в периоды спада потребительских нагрузок (например ночью) нередко возникает необходимость работы синхронных компенсаторов также в недовозбужденном режиме когда они потребляют из сети индуктивный ток и реактивную мощность так как в этих случаях напряжения сети стремится возрасти и для поддержания его на нормальном уровне необходимо загрузить сеть индуктивными токами вызывающими в ней дополнительные падения напряжения. Для этого каждый синхронный компенсатор снабжается автоматическим регулятором возбуждения или напряжения, который регулирует его ток возбуждения так, что напряжения на зажимах компенсатора остается постоянным.

Синхронные компенсаторы лишены приводных двигателей и с точки зрения режима своей работы, в сущности, являются синхронными двигателями, работающими на холостом ходу. Мощные компенсаторы имеют водородное охлаждения.

Так как синхронные компенсаторы не развивают активной мощности, то вопрос о статической устойчивости работы для них теряет остроту. Поэтому они изготавливаются с меньшим воздушным зазором, чем генераторы и двигатели.

Уменьшение зазора позволяет облегчить обмотку возбуждения и удешевить машину.

 

Синхронные компенсаторы

Синхронные компенсаторы предназначены для компенсации коэффициента мощности сети и поддержания нормального уровня напряжения сети. Нормальным является перевозбужденный режим работы синхронного компенсатора, когда он отдает в сеть реактивную мощность.

В периоды спада нагрузок нередко возникает необходимость работы компенсаторов в недовозбужденном режиме, когда они потребляют из сети индуктивный ток и реактивную мощность, т.к. в этом случае напряжение стремится возрасти и для поддержания его на нормальном уровне необходимо загрузить сеть индуктивными токами. Для этого СК снабжают автоматическим регулятором возбуждения или напряжения, который регулирует величину его тока возбуждения так, что напряжение на зажимах компенсатора остается постоянным.

Принцип действия МПТВ режиме двигателя: при подаче на обмотку возбуждения U, по ней потечет Iвозб и в двигателе создается основное магнитное поле. Якорная обмотка также подключается к Uсети и по ней течет ток якоря.

По з. Ампера на проводник с током находящийся во внешнем магнитном поле действует сила Ампера. В результате этого создается вращающий момент и якорь двигателя поворачивается на какой то угол. В это время щетки перескакивают на соседние коллекторные пластины.

Этот процесс называется коммутацией. Таким образом в обмотке якоря потечет переменный ток, а коммутатор выполняет инвертора. Постоянный ток преобразует в переменный.В режиме генератора: якорь вращается внешним двигателем и по закону электромагнитной индукции в обмотке якоря наводится ЭДС, но эта ЭДС будет переменной. Коллектор в данном случае выполняет роль выпрямителя.

 

 

Самовозбуждение ГПТ

Самовозбуждение – это процесс возникновения магнитного поля в генераторе на ХХ и возникновение ЭДС ХХ.

Условия возникновения самовозбуждения:

1. На главных полюсах должна быть остаточная намагниченность.

Отсутствие магнитного поля:

- новая машина

- при КЗ длительного времени происходит размагничивание.

2. Направления вращения генератора должно соответствовать остаточной намагниченности, т.е. полярность включенной обмотки возбуждения должна соответствовать вращению.

3. Скорость вращения должна быть не ниже критической при заданной цепи обмотки возбуждения или сопротивления обмотки возбуждения должно быть не выше критического при заданной скорости.

ВАХ цепи возбуждения. В начальный момент времени остаточный магнитный поток приведет к появлению небольшой ЭДС в якоре. В результате действия данной ЭДС по обмотке возбуждения потечет ток, который вызывает увеличения магнитного поля, что «следует» увеличение протекания тока возбуждения.

 

Схемы и группы соединений обмоток трансформаторов.

Понятие о схемах и группах соединений имеет важное значение при эксплуатации трансформаторов.

В однофазных трансформаторах начала обмоток обозначаются А, а, а концы X, х. Большие буквы относятся к обмоткам высшего напряжения, а малые — к обмоткам низшего напряжения.В трехфазных трансформаторах начала обмоток высшего напряжения обозначаются А, В, С, а концы X, У, Z. Начала обмоток низшего напряжеиия— а, b, с, а концы — х, у, z. Нулевые точки — О и о. Если есть третья обмотка среднего напряжения, используются обозначения А_m, B_m, C_m; X_m, Y_m, Z_m. Если на одном стержне намотать правовивтовую и левовинтовую обмотки, а начала и концы принимать у них одинаковыми, то ЭДС кату­шек будут сдвинуты на 180°, Естественно, при изменении маркировки — перемене обозначений начала и концов обмоток— ЭДС в катушках не изменяются. Чтобы соединить катушки с правой и левой намотками параллельно, надо соединить начала и концы обмоток, т.е. а₁ и х₂; а₂ и х₁,. При условии равенства витков, когда , токи в катушках будут равны нулю. Если в этом случае соединить начала и концы обмоток, то в обмотках будет протекать ток, определяемый ЭДС, равной , и суммой сопротивлений обмоток.При включения трансформаторов на параллельную работу удобно соединять начала обмоток одного трансформатора с началом обмоток другого и стандартизовать обозначения. Чтобы не было ошибок при эксплуатации трансформаторов, введено понятие сдвига между напряжениями первичной и вторичной обмоток.

 

Рис. 1 – Группы соединения однофазных трансформатора

 

Принято сдвиг фаз между линейными напряжениями обмоток характеризовать положением стрелок на циферблате часов. Электродвижущую силу обмотки высшего напряжения совмещают с минутной стрелкой и устанавливают на цифре 12. Часовая (малая) стрелка совмещается с напряжением обмотки низшего напряжения.

Для однофазных трансформаторов возможны две группы соединений: нулевая и шестая(рис.40). Для нулевой (или двенадцатой) сдвиг между напряжениями равен 0° — минутная в часовая стрелки совпадают (рис. 1, а). Для шестой группы сдвиг между напряжениями 180°, стрелки показывают 6 ч (рис. 1, б). Эти группы обозначаются соответственно I/I—О и I/I—б. Стандартизована и применяется группа 0.В трехфазных и многофазных трансформаторах возможны большие комбинации обмоток, и поэтому рассматриваются схемы соединения обмоток. Наибольшее применение имеют схемы соединения в звезду и треугольник (рис.2).Схема соединения в зигзаг применяется редко (рис.3), а другое комбинации соединений обмоток практически не применяются.

Схема соединения в звезду обозначается буквой Y, соединения в треугольник — Δ, в зигзаг — Z.В соединениях в звезду и зигзаг можно вывести нулевую точку. В этом случае получаются соединения в звезду с нулевой точкой и в зигзаг с нулевой точкой.Для многофазных трансформаторов остаются эти же принципы соединения обмоток. Например, для пятифазной системысхемами соединения будут пятифазная звезда и пятиугольник (рис.4, а, б), для m-фазной системы—m-фазная звезда и m-угольник.В трехфазной системе схемы соединений Y и Δ образуют 12 групп соединений со сдвигом фаз линейных напряжений на 30°, что соответствует 12 цифрам циферблата часов.

Стандартизованы две группы соединений Y/Y—0 и Y/ Δ —11 (рис. 5) со сдвигом фаз 0° и 330°. В эксплуатации вполне достаточно иметь две группы соединений и не выпускать 10 остальных групп.

Изучая трансформаторы, необходимо иметь представление о том, как получаются группы б и 5.

Группы 0, 6 и 11, 5 — основные. Из них круговой перестановкой вы­водов получаются еще по три группы: из группы 0 образуются группы 4 и 8; из 6— 10 и 2; из 11— 3 и 7; из5— 9 и 1.

Опытным путем группа соединения определяется следующим образом. Соединяют одноименные выводы обмоток высшего и низшего напряжений, например А и а. Присоединяют трансформатор к сети с симметричным напряжением и измеряют напряжения между выводами трансформатора. По измеренным напряжениям строят векторную диаграмму, которая должна совпасть с одной из типовых. После этого определяют группу соединения трансформатора.

Схема соединения в зигзаг дает возможность получить любую схему соединения, т.е. любой угол между напряжениями. Как видно из рис.3, угол между векторами высшего и низшего напряжений зависит от соотношения чисел витков обмоток, соединенных последовательно в расположенных на разных стержнях. Это преимущество схемы взигзагиспользуется в специальных схемах, когда требуется получить промежуточные электрические углы между напряжениями, меньше 30°.

Вопрос4.

1234567Следующая ⇒

Поделиться: