Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Трансформаторы

Общие сведения и классификация силовых трансформаторов

2.1.1. Основные определения

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством магнитного поля одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Различают двухобмоточные трансформаторы, имеющие две гальванические не связанные обмотки, трех- и многообмоточные трансформаторы с гальванически не связанными обмотками.

Рис. 2.1.1. Не связанные обмотки трансформатора

Автотрансформатором называется трансформатор, две или большее число обмоток которого гальванически связаны так, что они имеют общую часть. Передача энергии из первичной цепи во вторичную происходит как посредством магнитного поля, так и электрическим путем.

Рис. 2.1.2. Связанные обмотки трансформатора, имеющие общую часть

Трансформатор называется силовым, если он предназначен для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках для приема и использования электрической энергии. К силовым относятся трансформаторы трехфазные и многофазные мощностью 6,3 кВА и более, однофазные мощностью 5 кВА и более. При меньших мощностях трансформаторы называются трансформаторами малой мощности. Различают силовые трансформаторы общего назначения, предназначенные для включения в сети, не отличающиеся особыми условиями работы, и специальные силовые трансформаторы для сетей и приемников с особыми условиями работы.

 

Классификация силовых трансформаторов

Общего назначения

По системам охлаждения:

а) Естественное воздушное охлаждение – элементы трансформатора имеют непосредственное соприкосновение с окружающим воздухом, охлаждение происходит путем излучения и естественной конвекции воздуха. Применяется для мощностей до 2500 кВА и напряжений до 20 кВА.

б) Естественное масляное охлаждение – активная часть трансформатора помещается в бак, заливаемый трансформаторным маслом, служащим изолирующей средой и теплоносителем. Охлаждение обмоток и магнитной системы происходит путем естественной конвекции масла, поверхности бака – путем излучения и естественной конвекции воздуха. Применяется для мощностей до 10 000 кВА.

в) Масляное охлаждение с дутьем – теплоотдача с поверхности бака усиливается путем обдувания поверхности вентиляторами при естественной конвекции масла внутри бака. Применяется для мощностей 10 000–63 000 кВА.

г) Масляное охлаждение с принудительной циркуляцией масла – масло из бака откачивается насосом, прогоняется через водяной или воздушный теплообменник и охлажденное возвращается в бак. Применяется для мощностей 16 000 – 25 000 кВА и более.

По форме магнитной системы:

Различают магнитные системы плоские, т.е. такие, в которых продольные оси всех стержней и ярм расположены в одной плоскости и пространственные, в которых эти оси расположены в разных плоскостях.

 

            

Рис.2.1.3. Плоская и пространственная системы

По схеме магнитной системы:

а) Стержневые трансформаторы – ярма, замыкающие магнитную цепь, прилегают к торцевым поверхностям обмоток, не охватывая их боковых поверхностей.

            а)

б) Броневые трансформаторы – ярма охватывают не только торцевые, но и боковые поверхности обмоток, как бы «защищая» их броней.

 

б)           в)

в) Тороидальные трансформаторы- обмотки наматываются на кольцевой магнитопровод.

Рис.2.1.4. Виды трансформаторов по схеме магнитной системы

 

По расположению обмоток:

а) Трансформаторы с концентрическими обмотками – обмотки высокого и низкого напряжения (ВН и НН) выполняются в виде цилиндров и располагаются на стержне концентрически.

  а)   б)

Рис.2.1.5. Виды трансформаторов по расположению обмоток

б) Трансформаторы с чередующимися обмотками – обмотки ВН и НН выполняются в виде невысоких цилиндров и располагаются, чередуясь в осевом направлении.

В зависимости от мощности и класса напряжения силовые трансформаторы подразделяются на восемь габаритов:

 

Номера габаритов	Диапазон мощности, кВА	Класс напряжения, кВ
I	До 100	До 35 (включительно)
II	100 – 1 000	До 35 (включительно)
III	1 000 – 6 300	До 35 (включительно)
IV	Свыше 6 300	До 35 (включительно)
V	До 32 000	До 110 (включительно)
VI	32 000 – 80 000	До 330 (включительно)
VII	80 000 – 200 000	До 330 (включительно)
VII	Свыше 200 000	Выше 330

 

Для отличия по конструктивным признакам, назначению, мощности и напряжению все трансформаторы подразделяются на типы, которым присваивается условное обозначение. Структурная схема условного обозначения типа трансформатора имеет следующий вид:

 

Х  – Х / Х     Х  – Х

                            1 2 3  4   5

 

где 1 – буквенное обозначение типа;

2 – номинальная мощность трансформатора, кВА;

3 – класс напряжения обмотки ВН;

4 – дополнительное буквенное обозначение;

5 – климатическое исполнение и категория размещения.

 

Некоторые примеры обозначения типов трансформаторов:

ТМ – трансформаторы силовые масляные двухобмоточные общего назначения;

ТМН – то же, но с устройством переключения регулировочных отводов под нагрузкой (с устройством РПН);

ТДН – то же, что и для ТМН, но охлаждение с дутьем;

ТДНС – то же, что и для ТДН, но для собственных нужд электростанций;

ТМТН – то же, что и для ТМН, но трехобмоточный;

ТДТН – то же, что и для ТМТН, но охлаждение с дутьем;

ТД – трансформаторы силовые масляные общего назначения охлаждение с дутьем;

ТДЦ – то же, что и ТД но с охлаждением дутьем и принудительной циркуляцией масла;

ТРДН – то же, что и для ТДН, но с расщепленной обмоткой НН;

ТРДЦН – то же, что и для ТРДН, но с охлаждением дутьем и принудительной циркуляцией масла;

ТЦ – трансформаторы силовые масляные двухобмоточные общего назначения с принудительной циркуляцией масла;

ТНЦ – то же, что и для ТЦ, но с устройством РПН;

ТС – трансформаторы силовые трехфазные сухие общего назначения;

ТСЗ – то же, что и ТС, но защищенные;

ТСЗС – то же, что и ТСЗ но для собственных нужд электростанций;

ТСВ – трансформаторы рудничные силовые взрывобезопасные;

ТСШВ – трансформаторы сухие для угольных и сланцевых шахт, взрывобезопасные;

ТКШВС – то же, что и ТСШВ, но с кварцевым наполнением и изоляцией из стеклопластиков;

ТМП, ТДНПД – трансформаторы масляные для тиристорных электроприводов постоянного тока;

ОРЦ – двухобмоточный однофазный с расщепленной обмоткой и принудительной циркуляцией масла;

ОРДЦ – то же, что и для ОРЦ, но с охлаждением дутьем и принудительной циркуляцией масла;

ОСМ – однофазный сухой многоцелевого назначения для питания цепей управления, сигнализации и местного освещения;

АТДТН, АТДЦТН – автотрансформаторы с соответствующими параметрами для ТДТН и ТДЦТН.

 

Наиболее распространенные в распределительных сетях промышленных предприятий трехфазные двухобмоточные масляные трансформаторы с мощностями от 25 до 630 кВА могут иметь напряжения: ВН – 6, 10 и 35 кВ и НН – 0,4 и 0,69 кВ.

Рис.2.2.1. Опыт холостого хода

Режимом короткого замыкания называют режим работы при замкнутых накоротко зажимах вторичной обмотки трансформатора, рис.2.2.2. Режим КЗ, возникающий случайно в процессе эксплуатации при номинальном первичном напряжении, является аварийным процессом, сопровождающимся большими токами в обмотках.

Многократное повышение токов по сравнению с номинальными токами (в 10 -20 раз) может привести к повреждению изоляции обмоток

вследствие нагрева и к разрушению обмоток механическими силами, возникающими между обмотками.

Рис.2.2.2. Опыт короткого замыкания

 

Напряжением короткого замыкания двухобмоточного трансформатора называется напряжение, которое следует подвести к выводам первичной обмотки при замкнутой накоротко вторичной, чтобы в них установились номинальные токи.

Опыты холостого хода и короткого замыкания позволяют определить параметры Т-образной схемы замещения трансформатора (рис.2.2.3), построить внешнюю характеристику и зависимость КПД от тока нагрузки.

Реальный трансформатор можно представить в виде некоторой электрической схемы замещения, по которой определяются величины: токи в первичной и вторичной обмотках I₁, I₂, Р₁, электрические и магнитные потери ΔРэл ,  ΔРм . При этом электромагнитные процессы, протекающие в трансформаторе, эквивалентны процессам, протекающим в схеме замещения.

Рис.2.2.3. Т- образная схема замещения трансформатора

Первичная обмотка электрически соединена со вторичной обмоткой.

Соответственно, токи, протекающие в ветвях схемы замещения можно объединить следующим выражением

,

где  - ток первичной обмотки трансформатора;

 - ток холостого хода, протекающий в ветви намагничивания;

 - приведенное значение тока вторичной обмотки .

В реальном трансформаторе связь между обмотками магнитная, поэтому параметры вторичной обмотки приводятся к параметрам первичной обмотки. Для этого используются следующие выражения

 

где: r ₁ , r ^/ ₂ – активные сопротивления, характеризующие электрические потери в первичной и вторичной обмотках трансформатора;

x ₁ , x ^/ ₂ – индуктивные потери в обмотках трансформатора (от потоков

       рассеяния);

z ^/ _н – нагрузка во вторичной цепи;

r_m , x_m – ветвь намагничивания;   

r_m – активные потери на вихревые токи и перемагничивание материала (нагрев магнитопровода);

x_m – магнитные потери на создание основного потока.

Опыт холостого хода позволяет экспериментальным путем определить следующие параметры трансформатора (Тр): коэффициент трансформации, величину намагничивающего тока, сопротивления намагничивающего контура, потери в стали сердечника трансформатора, часть параметров схемы замещения трансформатора.

Проводится  по схеме рис. 2.2.1,  при разомкнутой  вторичной обмотке: i ₂ = 0, и номинальном напряжении на первичной обмотке U _1о = U _ном. По приборам, определяются значения

- тока первичной обмотки, тока ХХ, I₁₀ = Ι₀;

- напряжения на первичной обмотке, U₁₀;

- напряжения на вторичной обмотке, U₂₀;

- активные потери в режиме ХХ, эквивалентные нагреву магнитопровода, P₀.

По известной методике, производится обработка результатов эксперимента:

 

 

При ХХ схема замещения Тр (рис.2.2.3) преобразуется в следующий вид

Рис.2.2.4. Схема замещения при ХХ

 

Ток холостого хода во много раз меньше номинального тока, поэтому электрическими потерями в первичной обмотке можно пренебречь, и поток рассеяния во много раз меньше основного магнитного потока, поэтому r₁ и x₁ пренебрегаем.

Таким образом, из опыта ХХ определяем параметры ветви намагничивания - параметры r_m и x_m .

Опыт короткого замыкания позволяет экспериментальным путем определить следующие параметры Тр:  напряжение короткого замыкания, величины активных сопротивлений обмоток трансформатора, индуктивных сопротивлений рассеяния и электрические потери в обмотках, часть параметров схемы замещения трансформатора.

Проводится по схеме рис. 2.2.2, при замкнутой накоротко вторичной обмотке: U ₂ = 0, и пониженном напряжении на первичной обмотке U ₁ = U _к, соответствующему номинальному значению тока в первичной обмотке I _к = Ι _1ном. По приборам, определяются значения

- тока первичной обмотки, тока хх, I₁= Ι _к ;

- напряжения на первичной обмотке, U _к ;

- активные потери в режиме КЗ, эквивалентные нагреву обмоток Тр, P _к .

Обработка результатов эксперимента проводится по следующим выражениям

 

При КЗ схема замещения Тр (рис.2.2.3) преобразуется в следующий вид

Рис.2.2.5. Схема замещения при КЗ

 

При КЗ, напряжение составляет U _к = 5…15%  от номинального значения. Соответственно, магнитный поток Тр, пропорциональный квадрату напряжения, будет так же много меньше номинального значения. При этом, магнитными потерями можно пренебречь, и убрать ветвь намагничивания из схемы замещения Тр.

Внешняя характеристика Тр определяет изменение вторичного напряжения при переменных нагрузках, зависимость U ₂ = f (I ₂) или U ₂ = f (β). Условия снятия характеристик – постоянство U _1ном, f _1, cos(φ₂). Характеристики можно получить либо экспериментально, путем непосредственной загрузки Тр, либо расчетным путем, с использованием параметров схемы замещения. Исследовать реальный Тр опытным путем достаточно сложно, т.к. требуются реализовать практически соответствующие мощности регулируемой нагрузки, что в ряде случаев является трудновыполнимой задачей. Поэтому основным способом определения падения напряжения в Тр при изменении величины и характера нагрузки является расчетный способ.

Вторичное напряжение Тр при изменении нагрузки

где U₂₀ – напряжение на вторичной обмотке при номинальном напряжении на первичной обмотке в режиме холостого хода;

 - процентное изменение напряжение трансформатора при нагрузке,

где - коэффициент загрузки;

u_ka , u_kp – активное и реактивное составляющие напряжения КЗ, рассчитываются по параметрам схемы замещения Тр .

Семейство внешних характеристик при различных характерах нагрузки представлены на рис.2.2.6.

Зависимость коэффициента полезного действия от нагрузки в Тр определяет энергоэффективность работы, позволяет прогнозировать потери в Тр при изменении нагрузки, оптимизировать его работу в сетях электроснабжения. При этом следует учитывать, что у трансформаторов очень высокий КПД, близкий к единице, и определять его с помощью непосредственного изменение мощностей Р2 и Р1 достаточно точно не удается, т.к. погрешность измерений приборов соизмерима с разностью между измеряемыми величинами. ГОСТОМ рекомендуется определять кпд Тр косвенным методом, из опытов холостого хода и короткого замыкания.

 

Рис.2.2.6. Внешние характеристики

 

При расчете КПД используется следующие выражения

 

 ;    .

 

Результатом расчетов является построение энергетических характеристик Тр - зависимости η = f (I ₂) или η = f (β). Условия снятия характеристик – постоянство U _1ном, f _1, cos(φ₂).

Семейство КПД от нагрузки при различных характерах нагрузки представлено на рис.2.2.7.

 

Рис.2.2.7. Зависимости КПД от нагрузки

 

Разработаны методики, позволяющие рассчитать параметры схемы замещения, используя паспортные данные трансформатора (табл. 2.1). Основная расшифровка номинальных данных приведена выше.

Для правильного использования каталожных данных Тр требуется определить относительные величины:

- относительное напряжение короткого замыкания при I _ном в процентах от U _{но м} ,

;

- относительное значение тока ХХ в процентах от номинального тока первичной обмотки при номинальном напряжении

;

 

Ниже приведен пример расчета характеристик трансформатора.

 

Пример расчета характеристик трансформатора

По номинальным данным

 

Задание для расчета характеристик трансформатора по

Номинальным данным

 

    Для выполнения задания по расчету характеристик Тр требуется выполнить следующие расчеты и графические построения:

1. Дать характеристику трансформатора по условному обозначению.

2. Рассчитать по номинальным данным:

· коэффициент трансформации трансформатора;

· фазные напряжения первичной и вторичной обмоток при холостом ходе;

· номинальные линейные и фазные токи в обмотках трансформатора;

· ток первичной обмотки в режиме холостого хода, А;

· напряжение короткого замыкания, В;

· коэффициент мощности трансформатора при холостом ходе;

· параметры однофазной схемы замещения трансформатора при холостом ходе;

· потери в стали трансформатора;

· коэффициент мощности трансформатора при опыте короткого замыкания;

· параметры однофазной схемы замещения трансформатора при коротком замыкании;

· параметры однофазной схемы замещения трансформатора под нагрузкой;

· электрические потери в обмотках трансформатора в номинальном режиме.

3. Построить внешние характеристики   трансформатора при cos j₂ = 1 и cos j₂ = 0,8 для b = 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1; 1,25.

4. Построить зависимости КПД трансформатора от его загрузки при cos j₂ = 1и при cos j₂ = 0,8 для b =0; 0,05; 0,1; 0,25; 0,5; 0,75; 1; 1,25.

Данные для расчета характеристик Тр приведены в таблице 2.

 

Таблица 2

Трансформаторы

Общие сведения и классификация силовых трансформаторов

2.1.1. Основные определения

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством магнитного поля одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Различают двухобмоточные трансформаторы, имеющие две гальванические не связанные обмотки, трех- и многообмоточные трансформаторы с гальванически не связанными обмотками.

Рис. 2.1.1. Не связанные обмотки трансформатора

Автотрансформатором называется трансформатор, две или большее число обмоток которого гальванически связаны так, что они имеют общую часть. Передача энергии из первичной цепи во вторичную происходит как посредством магнитного поля, так и электрическим путем.

Рис. 2.1.2. Связанные обмотки трансформатора, имеющие общую часть

Трансформатор называется силовым, если он предназначен для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках для приема и использования электрической энергии. К силовым относятся трансформаторы трехфазные и многофазные мощностью 6,3 кВА и более, однофазные мощностью 5 кВА и более. При меньших мощностях трансформаторы называются трансформаторами малой мощности. Различают силовые трансформаторы общего назначения, предназначенные для включения в сети, не отличающиеся особыми условиями работы, и специальные силовые трансформаторы для сетей и приемников с особыми условиями работы.