Причины, вызывающие искрение на коллекторе. 2 страница

Тема: Устройство и принцип действия трансформатора

Современный трансформатор состоит из различных конструк­тивных элементов: магнитопровода, обмоток, вводов, бака и др. Магнитопровод с насаженными на его стержни обмотками со­ставляет активную часть трансформатора. Остальные элементы трансформатора называют неактивными (вспомогательными) частями. Рассмотрим подробнее конструкцию основных частей трансформатора.

Магнитопровод в трансформаторе выполняет две функции: во-первых, он составляет магнитную цепь, по кото­рой замыкается основной магнитный поток трансформатора, а во-вторых, он является основой для установки и крепления обмоток, отводов, переключателей. Магнитопровод имеет шихтован­ную конструкцию, т. е. он состоит из тонких (обычно толщиной 0,5 мм) стальных пластин, покрытых с двух сторон изолирующей пленкой (например, лаком). Такая конструкция магнитопровода обусловлена стремлением ослабить вихревые токи, наводимые в нем переменным магнитным потоком, а следовательно, умень­шить величину потерь энергии в трансформаторе. Силовые трансформаторы выполняются с магнитопроводами трех типов: стержневого, броневого и бронестержневого.

В магнитопроводе стержневого типа (рисунок 31,а) вертикальные стержни 1, на которых расположены обмотки 2, сверху и снизу замкнуты ярмами 3. На каждом стержне распо­ложены обмотки соответствующей фазы и проходит магнитный поток этой фазы: в крайних стержнях — потоки Ф_а и Ф_с, а в сред­нем стержне — поток Ф_в.

Рисунок 31

На рисунке 31, б показан внешний вид магнитопро­вода. При этом стержни имеют ступенчатое сече­ние, вписываемое в круг диаметром d (рисунок 32). Стержни трансформато­ров большой мощности имеют много ступеней, что обеспечивает лучшее использование площади круга внутри обмотки. Для лучшей теплоотдачи иногда между отдельными пакетами стержня оставляют воздушные зазоры шириной 5— 6 мм, служащие вентиляционными каналами.

Рисунок 32

Магнитопровод броневого типа представляет собой разветвленную конструкцию со стержнем и ярмами, частично прикрывающими («бронирующими») обмотки (рисунок 33). Магнит­ный поток в стержне магнитопровода броневого типа в два раза больше, чем в ярмах, каждое из которых имеет сечение, вдвое меньшее сечения стержня. Из-за технологической сложности изготовления магнитопроводы броневого типа не получили широ­кого распространения, их применяют лишь в силовых трансфор­маторах весьма малой мощности (радиотрансформаторы).

Рисунок 33

В трансформаторах большой мощности применяют бронестержневую кон­струкцию магнито­провода (рисунок 34), ко­торая хотя и требует несколько повышенного расхода электротехни­ческой стали, но позво­ляет уменьшить высоту магнитопровода (Н_бс<Нс), а следователь­но, и высоту трансформатора. Это имеет важное значение при транспортировке трансформаторов по железной дороге.

Рисунок 3 4

По способу сочленения стержней с ярмами различают стыко­вую и шихтованную конструкции стержневого магнитопровода (рисунок 35).

При стыковой конструкции (рисунок 35, а) стержни и ярма собирают раздельно, насаживают обмотки на стержни, а затем приставляют верхнее и нижнее ярма, заранее проложив изолирующие прокладки между стыкующими элементами, с целью ослабления вихревых токов, возникающих при взаимном пере­крытии листов стержней и ярм. После установки двух ярм всю конструкцию прессуют и стягивают вертикальными шпильками. Стыковая конструкция хотя и облегчает сборку магнитопровода, но не получила распространения в силовых трансформаторах из-за громоздкости стяжных устройств и необходимости механической обработки стыкующихся поверхностей для уменьшения магнитного сопротивления в месте стыка.

Рисунок 35

Шихтованная конструкция магнитопроводов си­ловых трансформаторов показана на рисунке 35, б, когда стержни и ярма собирают слоями в переплет. Обычно слой содержит 2-3 листа. В настоящее время магнитопроводы силовых транс­форматоров изготовляют из холоднокатаной электротехнической стали, у которой магнитные свой­ства вдоль направления прокат­ки листов лучше, чем поперек. Поэтому при шихтованной кон­струкции в местах поворота лис­тов на 90° появляются «зоны не­совпадения» направления прокат­ки с направлением магнитного потока. На этих участках наблю­даются увеличение магнитного сопротивления и рост магнитных потерь. С целью ослабления это­го явления применяют для ших­товки пластины (полосы) со ско­шенными краями. В этом случае вместо прямого стыка (рисунок 36, а) получают косой стык (рисунок 36, б), у которого «зона несовпадения» гораздо меньше.

Рисунок 36 Рисунок 37

Недостатком магнитопроводов шихтованной конструкции яв­ляется некоторая сложность сборки, так как для насадки обмо­ток на стержни приходится расшихтовывать верхнее ярмо, а затем после насадки обмоток вновь его зашихтовывать.

Стержни магнитопроводов во избежание распушения спрес­совывают (скрепляют). Делают это обычно наложением на стержень бандажа из стеклоленты или стальной проволоки Стальной бандаж выполняют с изолирующей пряжкой, что исключает создание замкнутых стальных витков на стержнях. Бандаж накладывают равномерно, с определенным натягом. Для опрессовки ярм 3 и мест их сочленения со стержнями 1 используют ярмовые балки 2, которые в местах, выходящих за крайние стержни (рисунок 37), стягивают шпильками.

Во избежание возникновения разности потенциалов между металлическими частями во время работы трансформатора, что может вызвать пробой изоляционных промежутков, разделяю­щих эти части, магнитопровод и детали его крепления обяза­тельно заземляют. Заземление осуществляют медными лентами, вставляемыми между стальными пластинами магнитопровода одними концами и прикрепляемыми к ярмовым балкам другими концами,

Магнитопроводы трансформаторов малой мощности (обычно мощностью не более 1 кВА) чаще всего изготовляют из узкой ленты электротехнической холоднокатаной стали путем навивки. Такие магнитопроводы делают разрезными (рисунок 38), а после насадки обмоток собирают встык и стягивают специальными хомутами.

Рисунок 38 Рисунок 39

Обмотки трансформаторов средней и большой мощ­ности выполняют из обмоточных проводов круглого или прямо­угольного сечения, изолированных хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой. Основой обмотки в большинстве случаев является бумажно-бакелитовый цилиндр, на котором крепятся элементы (рейки, угловым шайбы и т.п.), обеспечивающие об­мотке механическую и электрическую прочность.

По взаимному расположению на стержне обмотки разделяют на концентрические и чередующиеся. Концентрические обмотки выполняют в виде цилиндров, размещаемых на стержне концентрически: ближе к стержню обычно располагают обмотку НН (требующую меньшей изоляции от стержня), а сна­ружи обмотку ВН (рисунок 39, а).

Чередующиеся (дисковые) обмотки выпол­няют в виде отдельных секций (дисков) НН и ВН и располагают на стержне в чередующемся порядке (рисунок 39, б). Чередующие­ся обмотки применяют весьма редко, лишь в некоторых транс­форматорах специального назначения.

Концентрические обмотки в конструктивном отношении раз­деляют на несколько типов. Рассмотрим некоторые из них.

1. Цилиндрические однослойные или двухслойные обмотки из провода прямоугольного сечения (рисунок 40, а) используют главным образом в качестве обмоток НН на номинальный ток до 800 А.

2. Винтовые одно- и многоходовые обмотки выполняют из нескольких параллельных проводов прямоугольного сечения. При этом витки укладывают по винтовой линии, имеющей один или несколько ходов (рисунок 40, б). Для того чтобы все параллельные проводники одинаково нагружались током, выполняют транспо­зицию (перекладку) этих проводников. При транспозиции стре­мятся, чтобы в пределах одного витка каждый проводник зани­мал все положения. Транспозиция может быть групповой , когда параллельные провода делятся на две группы и перестановка осуществляется группами, и общей, когда меняется взаимное расположениевсех параллельных проводов.

3. Непрерывные обмотки (рисунок 40, в) состоят из отдельных дисковых обмоток (секций), намотанных по спирали и соединен­ных между собой без пайки, т. е. выполненных «непрерывно». Если обмотка выполняется несколькими параллельными проводами то в ней применяют транспозицию проводов. Непрерывные обмотки, несмотря на некоторую сложность изготовления, полу­чили наибольшее применение в силовых трансформаторах как в качестве обмоток ВН. так и в качестве обмоток НН. Это объяс­няется их большой механической прочностью и надежностью.

Рисунок 40

Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопровода (сердечника), выполненного из ферромагнитного материала (обычно листовая электротехническая сталь), и двух обмоток, расположенных на стержнях магнитопровода (рисунок 41, а). Одна из обмоток, которую называют первичной, присоединена к источ­нику переменного тока Г на напряжение U₁. К другой обмотке, называемой вторичной, подключен потребитель Z_н. Первичная и вторичная обмотки трансформатора не имеют электрической связи друг с другом, и мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем. Магнитопровод, на кото­ром расположены эти обмотки, служит для усиления индуктив­ной связи между обмотками.

Действие трансформатора основано на явлении электромаг­нитной индукции. При подключении первичной обмотки к источ­нику переменного тока в витках этой обмотки протекает пере­менный ток i₁, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками (первичной и вторичной) и инду­цирует в них ЭДС:

в первичной обмотке ЭДС самоиндукции

, (14)

во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции

(15)

где w₁и w₂ - число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

Рисунок 41

При подключении нагрузки Z_н к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС е₂ в цепи этой обмотки создается ток i₂, а на выводах вторичной обмотки устанавлива­ется напряжение U₂. В повышающих трансформаторах U₂>U₁, а в понижающих U₂<U₁/

Из формул видно, что ЭДС е₁ и е₂, наводимые в обмот­ках трансформатора, отличаются друг от друга лишь за счет разного числа витков w₁ и w₂ в обмотках, поэтому, применяя обмотки с требуемым соотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое отношение напряжений.

Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высо­ким напряжением, называют обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения, — обмоткой низшего напряжения (НН).

На рисунке 41, б показано изображение однофазного трансфор­матора на принципиальных электрических схемах.

Трансформаторы обладают свойством обратимости, один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повы­шающего и понижающего. Но обычно трансформатор имеет определенное назначение: либо он повышающий, либо — пони­жающий.

Трансформатор — это аппарат переменного тока. Если же его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то магнитный поток в магнитопроводе трансформатора также будет постоянным как по величине, так и по направлению ( =0), поэтому в обмотках трансформатора не будет наво­диться ЭДС, а следовательно, электроэнергия из первичной цепи не будет передаваться во вторичную.

Классифицируют трансформаторы по нескольким признакам:

§ по назначению — силовые общего назначения, сило­вые специального назначения, импульсные, для преобразования частоты и т. д.;

§ по виду охлаждения — с воздушным (сухие транс­форматоры) и масляным (масляные трансформаторы) охлаж­дением;

§ по числу трансформируемых фаз — однофаз­ные и трехфазные;

§ по форме магнитопровода — стержневые, броне­вые, бронестержневые, тороидальные;

§ по числу обмоток на фазу — двухобмоточные, многообмоточные.

Тема: Режимы работы трансформаторов

Опыт холостого хода.

Холостым ходом называют режим работы трансформатора при разомкнутой вторичной обмотке (z_н = ¥, I = 0). В этом случае уравнения напряжений и токов принимают вид

U₁ = (-E₁) + jI₀x₁ + I₀r₁; (16)

U¢₂₀ = E¢₂; I₁ = I₀. (17)

Так как полезная мощность при работе трансформатора вхолостую равна нулю, то мощность на входе трансформатора в режиме х.х. Р₀ расходуется на магнитные потери в магнитопроводе Р_м (потери на перемагничивание магнитопровода и вихревые токи) и электрические потери в меди I₀²r₁ (потери на нагрев обмотки при охлаждении по ней тока) одной лишь первичной обмотки. Однако ввиду небольшого значения тока I₀, который обычно не превышает 2-10% от I_1ном , электрическими потерями I₀²r₁ можно пренебречь и считать, что вся мощность х.х. представляет собой мощность магнитных потерь в стали магнитопровода. Поэтому магнитные потери в трансформаторе принято называть потерями холостого хода.

Рисунок 42 – Схемы опыта х.х. трансформаторов

Опыт х.х. однофазного трансформатора проводят по схеме изображенной на рисунке 42,а. Комплект электроизмерительных приборов, включенных в схему, дает возможность непосредственно измерить напряжение U₁ , подведенное к первичной обмотке; напряжение U₂₀ на выводах вторичной обмотки; мощность х.х. Р₀ и ток х.х. I₀.

Напряжение к первичной обмотке трансформатора обычно подводят через однофазный регулятор напряжения РНО, позволяющий плавно повышать напряжение от 0 до 1,15U_1ном. При этом через приблизительно одинаковые интервалы тока х.х. снимают показания приборов, а затем строят характеристики х.х.: зависимость тока х.х. I₀, мощности х.х. Р₀ и коэффициента мощности х.х. cos j₀ от первичного напряжения U₁ (рисунок 43).

Криволинейность этих характеристик обусловлена состоянием магнитного насыщения магнитопровода, которое наступает при некотором значении напряжения U₁.

Рисунок 43 – Характеристики х.х. трансформатора

В случае опыта холостого хода с трехфазным трансформатором напряжение U₁ устанавливают посредством трехфазного регулятора напряжения РНТ (рисунок 42,б). Характеристики х.х. строят по средним фазным значениям тока и напряжения для трех фаз:

I₀ = (I_{0 a} + I_{0 b} + I_{0 c})/3; (18)

U₁ = (U_{1 a} + U_{1 b} + U_{1 c})/3. (19)

Коэффициент мощности:

для однофазного трансформатора

(20)

для трехфазного трансформатора

(21)

где Р₀¢ и Р₀¢¢ - показания однофазных ваттметров;

U₁ и I₀ – фазные значения напряжения и тока.

По данным опыта х.х. можно определить: коэффициент трансформации

K = U₁/U₂₀ = ₁/ ₂; (22)

ток х.х. при U_1ном (в процентах от номинального первичного тока) потери в х.х. Р₀.

i₀ = (I_{0 ном} /I_{1 ном})100; (23)

В трехфазном трансформаторе токи х.х. в фазах неодинаковы и образуют несимметричную систему, поэтому мощность Р₀ следует измерять двумя ваттметрами по схеме, изображенной на рисунке 42,б. Падение напряжения в первичной ветви схемы замещения в режиме х.х. I₀(r₁ + jx₁) составляет весьма незначительную величину, поэтому, не допуская заметной ошибки, можно пользоваться следующими выражениями для расчета параметров ветви намагничивания:

z_m = U₁/I_0; (24)

r_m = z_m cos j₀; (25)

(26)

Обычно в силовых трансформаторах общего назначения средней и большой мощности при номинальном первичном напряжении ток х.х. i₀ = 10¸0,6%

Если же фактические значения тока х.х. I_{0 ном} и мощности х.х. Р_{0 ном}, соответствующие номинальному значению первичного напряжения U_{1 ном}, заметно превышают значения этих параметров, указанные в каталоге на данный тип трансформатора, то это свидетельствует о неисправности этого трансформатора: наличие короткозамкнутых витков в обмотках либо замыкании части пластин магнитопровода.

Опыт короткого замыкания.

Короткое замыкание трансформатора – это такой режим, когда вторичная обмотка замкнута накоротко (z_н = 0), при этом вторичное напряжение U₂ = 0. В условиях эксплуатации, когда к трансформатору подведено номинальное напряжение U_{1 ном}, короткое замыкание является аварийным режимом и представляет собой большую опасность для трансформатора.

При опыте к.з. обмотку низшего напряжения однофазного трансформатора замыкают накоротко (рисунок 44,а), а к обмотке высшего напряжения подводят пониженное напряжение, постепенно повышая его регулятором напряжения РНО до некоторого значения U_к.ном, при котором токи к.з. в обмотках трансформатора становятся равными номинальным токам в первичной (I_1к = I_1ном) обмотках. При этом снимают показания приборов и строят характеристики к.з., представляющие собой зависимость тока к.з. I_1к, мощности к.з. P_к и коэффициента мощности cos j_к от напряжения к.з. U_к (рисунок 45).

В случае трёхфазного трансформатора опыт проводят по схеме, показанной на рисунке 44,б, а значения напряжения к.з. и тока к.з. определяют как средние для трёх фаз:

U_к = (U_{к А} + U_{к В} + U_{к C})/3; (27)

I_{1 к} = (I_{к А} + I_{к В} + I_{к С})/3. (28)

Коэффициент мощности при опыте к.з.

cos j_к = P_к /(3U_кI_1к ). (29)

Рисунок 44

При этом активную мощность трёхфазного трансформатора измеряют методом двух ваттметров. Тогда мощность к.з.

(30)

где P^’_к и P^”_к – показания однофазных ваттметров, Вт.

Напряжения, при котором токи в обмотках трансформатора при опыте равных номинальным напряжением короткого замыкания и обычно выражают его в % от номинального:

u_к = (U_к /U_{1 ном} ) 100. (31)

Рисунок 45

Для силовых трансформаторов u_к = 5¸10 % от U_{1 ном}.

Следует, что магнитный поток в магнитопроводе трансформатора пропорционален первичному напряжению U₁. Но так как это напряжение при опыте к.з. составляет не более 10 % от U_{1 ном} , то такую же небольшую величину составляет магнитный поток. Для создания такого магнитного потока требуется настолько малый намагничивающий ток, что значением его можно пренебречь. В этом случае уравнение токов принимает вид

, (32)

а схема замещения трансформаторов для опыта к.з. не содержит ветви намагничивания (рисунок 46, а). Для этой схемы замещения можно записать уравнение напряжений

= _{1 к} (r₁ + ) + j _1к (x₁ + ), (33)

или

= _{1 к}r_к + j _1кx_к = _{1 к}Z_к . (34)

Здесь сопротивление трансформатора при опыте к.з.

Z_к = r_к + j x_к (35)

где r_к и x_к – активная и индуктивная составляющие сопротивления к.з. Z_к.

Рисунок 46

Воспользовавшись уравнениями токов (32) и напряжений (33), для опыта к.з. построим векторную диаграмму трансформатора (рисунок 46,б). Построение этой диаграммы начинают с вектора напряжения к.з. = _{1 к}Z_к. Затем под углом j_к к вектору U_к проводят вектор тока к.з. . Построив векторы падений напряжения в первичной обмотке _{1 к}r₁ и jI_1кx₁ и векторы падения во вторичной обмотке – и , получают прямоугольный треугольник АОВ, называемый треугольником короткого замыкания. Стороны этого треугольника будут: = _{1 к}r₁ + = _{1 к}r_к = _.а ; = _{1 к}j x₁ + = _{1 к} x_к = _р ; = _{1 к} Z_к = .

Здесь

(36)

где U_к.а и U_к.р – активная и реактивная составляющие напряжения к. з., В.

Полное, активное и индуктивное сопротивления схемы замещения при опыте к. з.: z_к = U_к /I_{1 к} ; r_к = z_к cos j_к ;

(37)

Полученные значения сопротивлений r_к и z_к , мощности P_к ,коэффициента мощности cos j_к и напряжения к. з. u_к следует привести к рабочей температуре обмоток +75^оC:

r_к75 = r_к (38)

z_к75 = (39)

cos j_к75 = r_к75 / z_к75 ; (40)

u_к75 = (I_{1 к} z_к75 /U_{1 ном} ) 100 (41)

Здесь r_к – активное сопротивление к. з. при температуре q₁; a = 0,004 – температурный коэффициент для меди и алюминия.

Так как при опыте к. з. основной поток Ф_max составляет всего лишь несколько процентов по сравнению с его значением при номинальном первичном напряжении, то магнитными потерями, вызываемыми этим потоком, можно пренебречь. Следовательно, можно считать, что мощность P_к, потребляемая трансформатором при опыте з. к., идёт полностью на покрытие электрических потерь в обмотках трансформатора:

Мощность к. з. приводят к рабочей температуре обмоток +75^оC:

P_к75 = 3 r_к75. (42)

Тема: Специальные трансформаторы

Автотрансформатор — это такой вид трансформатора, в кото­ром помимо магнитной связи между обмотками имеется еще и электрическая связь. Обмотки обычного трансформатора можно включить по схеме автотрансформатора, для чего выход X обмотки wax соединяют с выводом а обмотки W_ax (рисунок 47). Если выводы А_х подключить к сети, а к выводам ах подключить нагрузку Z_H, to получим понижающий автотрансформа­тор. Если же выводы ах подключить к сети, а к выводам А_х под­ключить нагрузку Z_H, то получим повышающий авто­трансформатор.

Рассмотрим подробнее работу понижающего автотрансформа­тора. Обмотка W_ax одновременно является частью первичной обмотки и вторичной обмоткой. В этой обмотке проходит ток I₁₂. Для точки а запишем уравнение токов:

I₂ = I₁ + I ₁₂, (43)

или

I₁₂ = I₂ - I₁₂, (44)

т. е. по виткам wax проходит ток I₁₂, равный разности вторичного I₂ и первичного I₁ токов. Если коэффициент трансформации автотрансформатора k_а=W_АХ / W_ах немногим больше единицы, то токи I₁ и I₂ мало отличаются друг от друга, а их разность составляет небольшую величину.