Электрические машины и трансформаторы

Прямая доставка чая из Китая

Гуманитарные науки

Гуманитарные науки

Выполнение 
работ на заказ. Контрольные, курсовые и дипломные работы

Выполнение работ на заказ. Контрольные, курсовые и дипломные работы

Занимайтесь онлайн 
        с опытными репетиторами

Занимайтесь онлайн
с опытными репетиторами

Приглашаем к сотрудничеству преподователей

Приглашаем к сотрудничеству преподователей

Готовые шпаргалки, шпоры

Готовые шпаргалки, шпоры

Отчет по практике

Отчет по практике

Приглашаем авторов для работы

Авторам заработок

Решение задач по математике

Закажите реферат

Закажите реферат

Трансформаторы
Устройство трансформаторов
Векторная диаграмма трансформатора
Переходные процессы в трансформаторах
Трансформатор для дуговой электросварки
Импульсные трансформаторы
Расчет тока холостого хода
Трансформаторы специального назначения
Трёхфазной цепи
Электрические машины
Классификация электрических машин
Асинхронные машины
Режимы работы машин двигателем, тормозом и генератором
Векторная диаграмма асинхронного двигателя
Вращающий момент в асинхронной машине
Рабочие характеристики двигателей
Регулирование скорости вращения
Однофазные асинхронные двигатели
Двухфазные двигатели.
Асинхронный преобразователь частоты 
Генераторы переменного тока
Трехфазный синхронный генератор
Индукционная нагрузочная характеристика
Однофазный синхронный генератор

Реактивная машина 

Потери и коэффициент полезного действия

Машины постоянного тока

Электродвижущие силы коммутируемой секции

Система "генератор – двигатель"

Переходные процессы в трансформаторах

Переходные процессы при включении и при внезапном коротком замыкании трансформаторов

При переходе трансформатора из одного уста­новившегося режима в другой возникают переход­ные процессы. Так как каждый установившийся режим характеризуется определенным значением энергии электромагнитных полей, то в течение переходного процесса происходит изменение энергии этих полей. Наибольший практический интерес представляют переходные процессы при включении трансформатора и коротком замыкании на зажимах вторичной обмотки.

Включение трансформатора в сеть. В этом случае результирующий магнитный поток можно рассматривать как сумму трех составляющих:

 Ф = Фуст+Фпер±Фост (4.1)

где Фуст — магнитный поток установившийся; Фпев — магнитный поток переходного процесса; Фост — магнитный поток остаточного магнетизма, направ­ленный либо согласно с установившимся потоком (знак «+»), либо встречно ему (знак «-»).

Магнитный поток переходного процесса затухающий и постоянен по направлению.

Рис. 4.1. Графики перехода процессов при включении трансформатора (а) и определение тока включения трансформа по кривой намагничивания (б)

Наиболее благоприятный случай включения трансформатора в сеть будет при потоке остаточного магнетизма, направленном встречно установившемуся потоку, и мгновенном значении первичного напряжения u1 = 0. При этом магнитный поток установившийся Фуст будет максимальным, так как он отстает по фазе от напряжения на угол приблизительно 90° (рис. 4.1, а). Магнитный поток Ф становится наибольшим приблизительно через половину периода после включения трансформатора. Если магнитопровод трансформатора не насыщен, то в момент включения трансформатора в первичной обмотке появится намагничивающий ток, пропорциональный магнитному потоку. Если же магнитопровод трансформатора насыщен, то при включении трансформатора намагничивающий ток включения достигает значительной силы, называемой сверхтоком холостого хода. Из построений, сделанных на кривой намагничивания (рис. 4.1, б), видно, что при магнитном потоке, превышающем в два раза установившееся значение Ф = 2Фуст, сверхток холостого хода достигает силы, во много раз превышающей установившееся значение тока х.х. (I1вкл>>I0). При наиболее неблагоприятных условиях сверхток х.х. может в 6—8 раз превысить номинальное значение первичного тока.

Так как длительность переходного процесса невелика и не превышает нескольких периодов переменного тока, то ток включения для трансформатора не опасен. Однако его следует учитывать при регулировке аппаратуры защиты, чтобы в момент включения трансформатора не произошло его неправильного отключения от сети. Бросок тока включения следует также учитывать при наличии в цепи первичной обмотки трансформатора чувствительных измерительных приборов. Во избежание поломки этих приборов нужно до включения трансформатора в сеть шунтировать их токовые обмотки.

Внезапное короткое замыкание на зажимах вторичной обмотки трансформатора. Оно возникает из-за различных неисправностей: механического повреждения изоляции или ее электрического пробоя при перенапряжениях, ошибочных действиях обслуживающего персонала и др. Короткое замыкание — это аварийный режим который может привести к разрушению трансформатора.

При внезапном коротком замыкании на зажимах вторичной обмотки в трансформаторе возникает переходный процесс, сопровождаемый возникновением большого мгновенного тока к.з. iк. Этот ток можно рассматривать как результирующий двух токов установившегося тока iк.уст и тока переходного процесса iк.пер, постоянного по направлению, но убывающего по экспоненциальному закону.

   (4.2)

Наиболее неблагоприятные условия к.з. могут быть в момент когда мгновенное значение первичного напряжения равно нулю(u1 = 0). На рис. 4.2 построена кривая тока к.з, iк для этого условия. Ток внезапного к.з. (ударный ток) может достигать двойного значения установившегося тока к.з. и в 20—40 раз превышать номинальное значение тока.

Рис. 4.2. Графики переходных процессов при внезапном к.з.

Переходный процесс при внезапном к.з. у трансформаторов малой мощности длится не более одного периода, а у трансформаторов большой мощности — 6—7 периодов. Затем трансформатор переходит в режим установившегося к.з., при этом в обмотках протекают токи iк.уст, значения которых хотя и меньше тока iк при переходном процессе, но все же во много раз превышают номи­нальное значение тока. Через несколько секунд срабатывают защитные устройства, отключаю­щие трансформатор от сети. Но несмотря на кратковременность процесса к.з., он представляет собой значительную опасность для обмоток трансформатора: во-первых, чрезмерно большой ток к.з. резко повышает температуру обмотки, что может повредить ее изоляцию; во-вторых, резко увеличиваются электромагнитные силы в обмотках трансформатора.

Значение удельной электромагнитной силы, действующей на витки обмоток, определяют произведением магнитной индукции поля рассеяния Вs на ток i в витке обмотки:

 F = Bsi,  (4.3)

где F — удельная электромагнитная сила, Н/м.

Но с увеличением тока растет также и индукция поля рассеяния, поэтому сила растет пропорционально квадрату тока (F = i2). Так, если в витке ток i = 100 А и индукция Вs = 0,1 Тл, то F = 0,1×100 = 10 Н/м. Такая си­ла не вызывает заметных деформаций витков обмотки. Но если при внезапном к.з. бросок тока достигнет значения iк, превышающего номинальный ток в 30 раз, то электромагнитная сила возрастет в 900 раз и станет равной 9000 Н/м. Такая сила может вызвать значительные механические разрушения в трансформаторе (рис. 4.3). Все это необходимо учитывать при проектировании трансформаторов и создавать достаточно прочные конструкции обмоток и надежное их крепление на сердечниках.

Рис. 4.3. Разрушение обмоток трансформатора при к.з.

§ 4.2. перенапряжения в трансформаторах и защита от перенапряжений

В нормальных условиях эксплуатации трансформатора между отдельными частями его обмоток, а также между обмотками и заземленными магнитопроводом и корпусом действуют синусоидальные напряжения номинальной частоты, не представляющие опасности для электрической изоляции. Однако периодически возникают условия, при которых между указанными элементами трансформатора появляются перенапряжения. В зависимости от причин, их порождающих, перенапряжения разделяются на два вида: внутренние и внешние.

Внутренние перенапряжения. Возникают либо в процессе коммутационных операций, например отключения или включения трансформатора, либо» в результате аварийных процессов (корот­кое замыкание, дуговые замыкания на землю и др.). Значение внутреннего перенапряжения обычно составляет (2,5 ¸ 3,5)UНОМ.

Внешние (атмосферные) перенапряжения. Обусловлены атмосферными разрядами: либо прямыми ударами молний в провода или опоры линий электропередач, либо грозовыми разрядами, индуцирующими в проводах линии электромагнитные волны высокого напряжения:. Значение перенапряжения в этом случае может достигать нескольких тысяч киловольт.

Рис. 4.4. Схемы замещения обмоток трансформатора

На процессы, происходящие в трансформаторе при перенапряжениях, существенное влияние оказывает скорость нарастания волны напряжения. При подходе волны напряжения к трансформатору напряжение между зажимом обмотки и землей нарастает весьма быстро. При этом скорость нарастания напряжения в зна­чительной степени влияет на вид схемы замещения обмотки. При напряжении промышленной частоты схема замещения обмотки имеет вид ряда после последовательно соединенных индуктивных и активных сопротивлений элементов этой обмотки (рис. 4.4, а). При подходе к трансформатору периодической волны перенапряжения, вызванной коммутационными процессами, скорость нарастания напряжения настолько увеличивается, что на процессы, происхо­дящие в трансформаторе, оказывают влияние емкостные связи между элементами обмотки и между обмоткой и заземленным магнитопроводом (рис. 4.4, 6). Наконец, при атмосферных перенапряжениях, когда к трансформатору устремляется апериодический импульс с крутым передним фронтом ПФ (рис. 4.5), при котором напряжение между вводом трансформатора и землей достигает наибольшего значения за (1—2)-10-6 с, индуктивные сопротивления в схеме замещеюия становятся настолько большими, что их влиянием можно пренебречь и считать схему замещения обмотки состоящей только из поперечных емкостей между элементом обмотки и магнитопровюдом (землей) Сq и продольных емкостей между смежными элементами обмотки Cd (рис. 4.4, в).

Рис. 4.5. Перенапряжение в виде импульса

Рассмотрим подробнее процессы в трансформаторе при атмосферных перенапряжениях, так как эти перенапряжения наиболее опасны. Обмотка в этом случае по отношению к быстро нарастающему напряжению представляет собой некоторую входную емкость СВХ, которая обусловливает входное (емкостное) сопротивление трансформатора хвх. В начальный момент подхода волны, когда скорость нарастания напряжения огромна (du/dt® ¥), входное сопротивление практически равно нулю (хвх ®0), т. е. трансформатор эквивалентен короткозамкнутому концу линии передачи. При этом напряжение на входе трансформатора сна­чала падает до нуля, затем, по мере зарядки емкости СВХ, повышается и достигает двукратной величины ам­плитуды импульса, а волна напряжения отражается от трансформатора. В этот период трансформатор эквивалентен разомкнутому концу линии передачи (рис. 4.6). Напряжение, возникающее меж­ду обмоткой и магнитопроводом (землей), создает токи через поперечные емкости Cq, при этом токи в продольных емкостях Сd по мере приближения к концу обмотки (точка X на рис. 4.4) уменьшаются. Это приводит к неравномерному распределению напря­жения вдоль обмотки. Характер начального распределения напряжения вдоль обмотки зависит от двух причин: от состояния нейтральной точки трансформатора (это точка X, которая заземлена на рис. 4.7, а и изолирована на рис. 4.7, б) и от соотношения емкостей Сq и Cd, определяемого коэффициентом

Рис. 4.6. Подход (а) и отражение (б) волны напряжения при атмосферном перенапряжении трансформатора

 (4.4).

При a ≥ 5, что соответствует реальным трансформаторам, начальное распределение напряжения не зависит от состояния нейтральной точки и весьма неравномерно, достигая максимального значения на начальных элементах обмотки. Это соз­дает опасность для изоляции между начальными элементами обмотки. При уменьшении а распределение напряжения вдоль обмотки становится более равномерным, особенно при зазем­ленной нейтрали, хотя наибольшее значение напряжения остается неизменным.

Через некоторое время после подхода волны к обмотке все обмотки приобретут установившийся потенциал. При распределение напряжения вдоль обмотки, называемое конечным, будет соответствовать кривым при a = 0, показания рис. 4.7.

4.7. Начальное распределение напряжения по длине обмотки при заземленной (а) и изолированной (б) нейтралях

Следовательно, между начальным и конечным распределением напряжением имеет место переходный процесс, связанный с затухающими электромагнитными колебаниями, обусловленными индуктивностью, емкостью и активным сопротивлением обмотки. За время переходного процесса напряжение каждой точки обмотки меняется и в отдельные моменты времени достигает значений, превышающих наибольшее его значение при начальном распределении напряжения. На рис. 4.8 представлена кривая изменения напряжения точки А (см. рис. 4.7, а) обмотки за время переходного процесса. Затухающий характер кривой обусловлен потерями в активном сопротивлении обмотки.

Рис. 4.8. Изменение потенциала одной точки обмотки трансформатора относительно земли в течение переходного процесса

Наибольшее напряжение возникает на изолированном конце обмотки (точка X при изолированной нейтрали) и может достигать значения uX = 1,9U, где U— максимальное напряжение на обмотке при начальном распределении напряжения. Таким образом, .наибольшую опасность для изоляции обмотки (межвитковой и относительно земли представляет собой переходный колебательный процесс.

В автотрансформаторах из-за наличия электрической связи между первичной и вторичной цепями возможна передача волн напряжения из одной сети в другую со значительным усилением их по амплитуде.

К мерам по защите трансформаторов от перенапряжений относятся внешняя защита — применение заземленных тросов и вентильных разрядников (эти меры позволяют ограничить амплитуду волн напряжения, подходящих к трансформатору) и внутренняя защита — усиление изоляции входных витков; установка емкостных колец и электростатических экранов (емкостная компенсация); применение обмоток с пониженным значением коэффициента a [см. (4.4)]. Цель последних двух мероприятий внутренней защиты сводится к сближению начального и конечного распределения напряжения. При этом практически устраняется переходный колебательный процесс.

Емкостные кольца представляют собой разомкнутые шайбообразные экраны, изготовляемые из металлизированного электрокартона. Этими кольцами прикрывают начало и конец обмотки, тем самым под­нимают кривую начального распределения напряжения, приближая ее к кривой конечного распределения.

Уменьшение неравномерности начального распределе­ния напряжения и сближение его с конечным распределением достигаются применением в трансформаторах дополнительных электростатических экранов в виде разомкнутых металлических колец (витков), охватывающих начальную часть обмотки и соединенных с ее вводом. Такой экран создает дополнительные емкости СЭ, через которые заряжаются поперечные емкости Сq в обход продольных емкостей Cd (рис. 4.9, а).

Рис. 4.9. Роль электростатического экрана

В результате кривая начального распределения напряжения 1 (рис. 4.9, 6) значительно спрямляется и становится почти такой же, как и кривая конечного распределения 2 для обмоток с заземленной нейтралью.

Трансформаторы с изолированной нейтралью также могут снабжаться электростатическими экранами, но в этом случае применяют специальные устройства — импидоры, включаемые между нейтралью и землей. Это устройство содержит емкость, включен­ную параллельно разряднику и реактору, которая при волновых процессах заземляет нейтраль трансформатора, а при промышленной частоте имеет большое сопротивление и практически изолирует нейтраль.

Контрольные вопросы

1. Каковы причины возникновения сверхтока холостого хода?

2. Как влияет состояние магнитного насыщения магнитопровода на силу тока включения трансформатора?

3. Каковы наиболее неблагоприятные условия внезапного короткого замыкания трансформатора?

4. Какова продолжительность переходного процесса при внезапном коротком замыкании трансформатора?

5. Какие виды перенапряжений возможны в трансформаторе?

6. В чем состоит внешняя и внутренняя защита трансформаторов от перенапряжений?

7. Каково назначение дополнительных электростатических экранов в трансформаторе?

Регулирование напряжения трансформаторов Обмотки ВН понижающих трансформаторов снабжают регулировочными ответвлениями, с помощью которых можно получить коэффициент трансформации, несколько отличающийся от номинального, соответствующего номинальному вторичному напряжению при номинальном первичном.

Группы соединения обмоток и параллельная работа трансформаторов

Параллельная работа трансформаторов Параллельной работой двух или нескольких трансформаторов называется работа при параллельном соединении их обмоток как на первичной, так и на вторичной сторонах. При параллельном соединении одноименные зажимы трансформаторов присоединяют к одному и тому же проводу сети

В трехобмоточном трансформаторе на каждую трансформируемую фазу приходится три обмотки. За номинальную мощность такого трансформатора принимают номинальную мощность наиболее нагружаемой его обмотки. Токи, напряжения и сопротивления других обмоток приводят к числу витков этой, наиболее мощной обмотки. Принцип работы трехобмоточного трансформатора по существу не отличается от принципа работы обычного двухобмоточного трансформатора.

Использование электрических машин в качестве генераторов и двигателей