Файл: 1. Приемники электрической энергии Введение.pdf

207
Разновидности трансформаторов
Среди многих разновидностей трансформаторов нас интересуют прежде всего силовые. Также позже будут рассмотрены измерительные.
Силовые трансформаторы преобразуют одно напряжение переменного тока в другое, то есть являются преобразователями переменного тока. Кроме мощных трансформаторов, о которых упоминалось выше, существует множество маломощных, используемых в самых разных электротехнических устройствах.
Российская промышленность выпускает в основном трансформаторы, рассчитанные на частоту 50 Гц. В авиационной технике принят стандарт 400
Гц, но в наземных электросетях он не применяется, так как при этом реактивное сопротивление ЛЭП значительно больше.
В принципе, любой трансформатор может работать в некотором диапазоне частот, однако при этом пропорционально частоте меняется сопротивление обмоток. В результате на высоких частотах существенно снижается мощность, а на низких ток возрастает до опасных значений. В небольших пределах отклонение частоты допустимо, например, бытовая техника обычно может работать от сети с американским стандартом – 60 Гц.
Трансформаторы с пониженной номинальной частотой – 16,7 и 25 Гц – использовались в некоторых странах на железнодорожном транспорте, однако сейчас это считается бесперспективным. Впрочем, с точки зрения физики устройство таких трансформаторов ничем не отличается от рассмотренных ранее.
Кроме однофазных, также бывают двухфазные, трехфазные и многофазные трансформаторы.
Трехфазные являются самыми распространенными.
В принципе, для трансформации трехфазного тока можно использовать три однофазных трансформатора, но это экономически нецелесообразно.
Выгоднее использовать общий магнитопровод, который может быть симметричным или несимметричным. Симметричный вариант имеет лучшие

208 характеристики, но сложнее и обладает большими габаритами. Конструкция симметричного магнитопровода показана на рис. 137.
Рис. 137. Симметричный магнитопровод
Если фазы нагружены равномерно, то магнитный поток через центральную часть равен нулю, поэтому конструкция симметричной магнитной системы может быть упрощена, как это показано на рис. 138.
Рис. 138. Симметричный магнитопровод – упрощенный вариант
Хотя по электрическим характеристикам трансформаторы с такими магнитными системами оптимальны, на практике обычно применяют более компактную магнитную систему. Она называется несимметричной и изображена на рис. 139.
Рис. 139. Несимметричная магнитная система
Даже если трансформатор имеет только первичную и вторичную трехфазные обмотки, составляющие их шесть однофазных обмоток могут быть соединены различными способами. В общем случае применяются схемы соединения «звездой» и «треугольником», показанные на рис. 140.
Рис. 140. Схемы соединения обмоток трансформатора

209
Заметим, что многообмоточные трансформаторы аналогичным образом соединяются в многолучевую звезду.
Так как каждая из шести обмоток имеет начало и конец, которые можно менять местами, возможны 12 вариантов соединения обмоток. При соединении «звезда – звезда» или «треугольник – треугольник» коэффициент трансформации будет соответствовать соотношению числа витков. При варианте «звезда – треугольник» он увеличится, а при варианте «треугольник
– звезда» уменьшится в
√3 раз.
Сдвиг фаз при одной вторичной обмотке равен 120
о
. Если вторичных обмоток две, причем одна соединена «звездой», а другая «треугольником», то сдвиг фаз уменьшится вдвое. Это применяется, например, в выпрямителях для уменьшения пульсаций.
По конструктивному исполнению трансформаторы подразделяются на два основных класса – сухие и масляные. Сухие охлаждаются воздухом за счет его естественной циркуляции или принудительно, с помощью вентиляторов. В масляных весь трансформатор, то есть и обмотки, и магнитопровод, располагается в баке, заполненном трансформаторным маслом. Стенки бака имеют ребристую поверхность или снабжены множеством трубок для лучшей циркуляции масла. Для компенсации изменений объема масла при температурных перепадах обязательно имеется расширительный бак.
Масло не только охлаждает трансформатор, но и является хорошим диэлектриком, что способствует повышению надежности всей конструкции.
Трансформаторное масло отличается от обычного минерального масла высокой степенью очистки и максимальным обезвоживанием. В качестве его основы используются высококачественные масла с низкой вязкостью.
В конструкции масляного трансформатора предусмотрено измерение температуры, взятие проб масла для оценки его качества, а также обдув с помощью вентиляторов.

210
Основными характеристиками трансформаторов, независимо от их конструктивных особенностей, являются следующие:
1. Номинальная мощность – мощность, при которой трансформатор способен работать в режиме, указанном в технической документации. Указывается в паспортной табличке.
2. Номинальные напряжения – напряжения на первичной и вторичной обмотках, измеренные в режиме холостого хода.
3. Номинальные токи – токи в первичной и вторичной обмотках, измеренные при паспортной мощности и номинальных напряжениях.
Также по паспортной табличке можно узнать напряжение короткого замыкания, способ охлаждения и режим работы.
Силовые трансформаторы обозначаются буквенно-цифровой группой.
Первая буква означает: О – однофазный, Т – трехфазный, А – автотрансформатор. За ней могут (не обязательно) следовать буква Р, означающая расщепление обмотки низкого напряжения, или Т, соответствующая трехобмоточному варианту.
Далее следуют одна или две буквы, характеризующие систему охлаждения. Буква С означает естественное воздушное охлаждение сухого трансформатора. Естественное масляное охлаждение обозначается буквой М, а масляное с обдувом – буквой Д. Циркуляции масла соответствует буква Ц, а сочетанию циркуляции масла с обдувом – ДЦ. Если далее следует буква Н, то в трансформаторе предусмотрено регулирование под нагрузкой, если такой буквы нет, то регулировка осуществляется переключением без возбуждения. Цифры указывают номинальную мощность в кВА и напряжение в кВ.
Например, обозначение АТДЦТН-250000/500/110-85 соответствует автотрансформатору трехфазному трехобмоточному, с масляным охлаждением, дутьем и циркуляцией. В трансформаторе предусмотрена регулировка под нагрузкой, номинальная мощность равна 250 МВА. Он

211 работает как понижающий с 500 кВ до 110 кВ. Цифры 85 указывают год изготовления.
Регулирование выходного напряжения трансформаторов
Как вы помните, выходное напряжение источника электроэнергии
(генератора, трансформатора) немного выше номинального питающего напряжения электроприемника. Так, например, с подстанции выходит 400 В, а к потребителю приходит в среднем 380 В. Это снижение связано с влиянием нагрузки, которая, как говорят, «подсаживает» линию электропередачи. Отклонение напряжения у потребителей от исходного может меняться с разной скоростью, например, различают сезонные и более частые изменения. Поэтому регулирование напряжения на вторичной обмотке силового трансформатора тоже может быть оперативным и неоперативным.
Способ регулирования напряжения во всех случаях одинаковый – изменение коэффициента трансформации. Это может быть выполнено путем изменения числа витков одной из обмоток. Обычно для этой цели выбирается обмотка высшего напряжения, так как в ней токи меньше, а большое количество витков позволяет обеспечивать достаточную точность регулирования. При необходимости повышения выходного напряжения число витков первичной обмотки уменьшают, а для его понижения – увеличивают. Регулирование изменением числа витков вторичной обмотки носит противоположный характер.
Регулирование напряжения переключением без возбуждения (ПБВ) проводится при выключенном питании трансформатора и заключается в механическом переключении ответвлений.
На маломощных трансформаторах имеются два ответвления ±5 %, а на мощных – четыре по
±2,5 %.
Для компенсации суточных и других сравнительно быстрых изменений напряжения вторичной цепи требуется оперативное изменение коэффициента трансформации. Это достигается регулированием под нагрузкой (РПН).

212
Хотя ответвления для такого способа изменяют коэффициент трансформации в меньших пределах, коммутация высоковольтных цепей при работе трансформатора является непростой задачей.
Во-первых, переключения высоковольтных цепей сопровождаются образованием электрической дуги, что требует принятия соответствующих мер. Во-вторых, на некоторое время часть обмотки между ответвлениями оказывается короткозамкнутой.
Даже при кратковременных коротких замыканиях необходимо ограничивать ток. Для этого могут применяться активные или индуктивные сопротивления, то есть резисторы и реакторы.
Схемы замещения силовых трансформаторов
Двухобмоточный трансформатор имеет всего две обмотки – первичную и вторичную. Напряжение на первичной обозначим U
вх
, а на вторичной, соответственно, U
вых
. Из различных схем замещения двухобмоточных трансформаторов воспользуемся наиболее известной – Г-образной, изображенной на рис. 141.
Рис. 141. Г-образная схема замещения двухобмоточного трансформатора
Продольные параметры схемы включают активное сопротивление R
тр
, индуктивное сопротивление X
тр и коэффициент трансформации идеального трансформатора k
тр
. Активное сопротивление определяется омическими потерями в первичной и вторичной обмотках, а реактивное – индуктивностью. Идеальный трансформатор так называется потому, что, кроме коэффициента трансформации, не обладает никакими другими

213 характеристиками. Также двухобмоточный трансформатор характеризуется напряжением холостого хода U
хх
– входным напряжением в отсутствие нагрузки, и напряжением короткого замыкания U
кз
– входным напряжением, при котором в короткозамкнутой вторичной обмотке протекает номинальный ток. U
кз является паспортной величиной.
Активное сопротивление трансформатора рассчитывается по формуле
????
тр
=
△????
кз
·????
ном
2
·10
−3
????
ном
2
[Ом], (50) где
△ ????
кз
– активные потери в режиме короткого замыкания, S
ном и U
ном
– полная мощность и напряжение на входе в рабочем режиме.
Индуктивное сопротивление рассчитывается по формуле
????
тр
=
????
кз
100%
·
????
ном
2
????
ном
[Ом]. (51)
Поперечные составляющие схемы замещения G
тр и B
тр обусловлены потерями активной и реактивной мощности в режиме холостого хода
△S =△P
хх
+j
△Q
хх
(52)
Активная мощность теряется из-за токов Фуко и гистерезиса, а реактивная связана с намагничиванием сердечника. Величину
△S используют вместо проводимости для описания активных и реактивных потерь трансформатора.
Величина
△P
хх является паспортной, а
△Q
хх определяется током холостого хода и номинальной мощностью трансформатора. Она рассчитывается по формуле
△ ????
хх
=
????
хх
·????
ном
100%
. (53)
Трехобмоточный трансформатор содержит три обмотки – высокого, среднего и низкого напряжения. В последующих рассуждениях относящиеся к ним величины будем обозначать соответствующими индексами «в», «с» и
«н». Схема замещения трехобмоточного трансформатора представлена на рис. 142.

214
Рис. 142. Схема замещения трехобмоточного трансформатора
Левая ветвь трехлучевой звезды замещает обмотку высокого напряжения. Она аналогична рассмотренной выше соответствующей части схемы замещения двухобмоточного трансформатора. Правые ветви содержат элементы активного и индуктивного сопротивления обмоток среднего и низкого напряжения, а также идеальные трансформаторы.
Для расчета активного и индуктивного сопротивлений используются те же выражения (50) и (51). При этом некоторые отличия касаются исходных данных. Паспортное значение потерь активной мощности
△ ????
кз
может быть указано в виде одного общего значения или отдельно по составляющим:
△ ????
кз
в
= 0,5 (△ ????
кз
в
−с
+△ ????
кз
в
−н
−△ ????
кз
с
−н
); (54)
△ ????
кз
с
= 0,5 (△ ????
кз
в
−с
+△ ????
кз
с
−н
−△ ????
кз
в
−н
); (55)
△ ????
кз
н
= 0,5 (△ ????
кз
в
−н
+△ ????
кз
с
−н
−△ ????
кз
в
−с
). (56)
Также для каждой обмотки могут быть заданы напряжения короткого замыкания:
????
кз
в
= 0,5 (????
кз
в
−с
+ ????
кз
в
−н
− ????
кз
с
−н
); (57)
????
кз
с
= 0,5 (????
кз
в
−с
+ ????
кз
с
−н
− ????
кз
в
−н
); (58)
????
кз
н
= 0,5 (????
кз
в
−н
+ ????
кз
с
−н
− ????
кз
в
−с
). (59)
Тогда активные и индуктивные сопротивления обмоток будут определяться формулами:
????
в
= △ ????
кз
в
·
????
ном
2
????
ном
2
; (60)
R
с
= △ P
кз с
·
U
ном
2
S
ном
2
; (61)
R
н
= △ P
кз н
·
U
ном
2
S
ном
2
; (62)
????
в
= ????
кз
в
·
????
ном
2 100·????
ном
2
; (63)

215
X
с
= ????
кз
с
·
U
ном
2 100·S
ном
2
; (64)
X
н
= ????
кз
н
·
U
ном
2 100·S
ном
2
. (65)
Если в паспорте трансформатора указано общее значение потерь активной мощности
△ ????
кз
, то потери для каждой обмотки составят
????
в
= ????
с
= ????
н
=
△????
кз
·????
ном
2 2????
ном
2
. (66)
Дроссели, реакторы и измерительные трансформаторы
Дроссели и реакторы, хотя и не выполняют функций преобразования напряжений и токов, имеют значительное конструктивное сходство с трансформаторами, поэтому будут рассмотрены в этом разделе.
Дросселем называется катушка индуктивности, используемая в цепи переменного тока. Конструктивно это трансформатор с единственной
(первичной) обмоткой.
На частоте 50 Гц применяются дроссели с сердечниками из листовой электротехнической стали, а для более высокочастотных сердечники изготавливаются из феррита или вовсе отсутствуют.
Сопротивление дросселя переменному току описывается известной формулой
????
????
= ????ɷ????, (67) где L – индуктивность, зависящая от количества и диаметра витков, а также материала сердечника. Из формулы следует, что высокие частоты проходят через дроссель хуже, чем низкие.
Дроссели имеют широкое применение в электротехнике и электронике.
В системах электроснабжения они применяются как элемент фильтра нижних частот, то есть препятствуют прохождению высокочастотных колебаний. Так как в электрических цепях при переключениях, замыканиях и воздействиях грозовых разрядов возникают броски тока, то есть импульсы с прямоугольным фронтом, дроссели их сглаживают, что видно на рис. 143.

216
Рис. 143. Прохождение импульса через дроссель
Применительно к рассмотренному выше примеру регулирования напряжения трансформатора под нагрузкой использование дросселя может ограничить ток короткого замыкания при переключении. Такие дроссели, ограничивающие броски тока в мощных электрических цепях, называются реакторами.
Измерение тока, напряжения и ряда других параметров в электрических цепях не всегда возможно путем непосредственного подключения прибора. Это имеет место, например, при больших значениях названых параметров. В таких случаях применяются измерительные трансформаторы. Они работают по тому же принципу, что и силовые, но имеют специальную и более сложную конструкцию, обеспечивающую высокую точность измерений.
Трансформаторы напряжения преобразуют высокое напряжение в низкое, обычно 100 В. Они работают в режиме холостого хода. Нейтраль трехфазных трансформаторов напряжения может быть глухозаземленной или изолированной. По исполнению они могут быть сухими и масляными.
Внешний вид трансформатора напряжения показан на рис. 144.
Рис. 144. Трансформатор напряжения
Трансформаторы тока аналогичным образом трансформируют ток, например, ток первичной обмотки 1000 А соответствует току вторичной обмотки 5 А. Такой трансформатор обозначается 1000/5. Есть и другие соотношения. Первичная обмотка такого трансформатора представляет собой