Регулирование напряжения под нагрузкой

Для регулирования напряжения без отключения нагрузки нашей электропромышленностью выпускаются трансформаторы с переключением ответвлений под на­грузкой.

Армэлектрозавод в г. Ереване выпускает трансфор­маторы типа ТСМН на мощности 20, 35, 60 и 100 ква, на напряжение 10/0,4 кв, которые имеют одноступенчатое регулирование напряжения на 5% в обмотке высшего напряжения. Переключающее устройство включено ме­жду ответвлениями «Ном.» и +5% (рис. 133). Оно состоит из переключателя с подвижным контактом 4 и приводного электромагнита 3, переключающего этот контакт.

Если трансформатор работает в качестве понижающего и подвижный контакт 4 переключателя установлен на контакте, соединенном с ответвлением +5%, то для увеличения напряжения на 5% необходимо переключить подвижный контакт 4 на контакт, соединенный с ответ­влением «Ном.». Подвижный контакт перейдет сначала на средний контакт, и ток нагрузки будет проходить в обмотку через токоограничивающее сопротивление 1. Затем под­вижный контакт 4 замкнет верхний и средний неподвиж­ные контакты, но так как часть обмотки между этими кон­тактами замыкается накоротко через сопротивление 1, то ток короткого замыкания ограничивается. После пере­хода подвижного контакта 4 на верхний неподвижный контакт переключение заканчивается. При снижении нагрузки этим же устройством можно переключить кон­такт 4 на ответвление +5%, снизив напряжение на 5%. Конструкция электромагнита предусматривает установку выдержки времени до 30 сек, чтобы избежать излишних переключений при кратковременных колебаниях напря­жения, которые сокращают срок службы переключателя.

Переключения с одного ответвления обмотки на другое осуществляются автоматически. Все переключающее уст­ройство помещается внутри бака над магнитопроводом трансформатора.

Наша электропромышленность выпускает для сельской электрификации регулируемые трансформаторы и боль­ших мощностей, например типа ТМН мощностью от 560 до 7500 ква, на напряжение 35 кв на обмотке высшего напряжения.

Эти трансформаторы имеют пределы регулирования ±10% (±4 • 2,5%). Принципиальная схема ступенчатого регулирования силовых трансформаторов типа ТМН под нагрузкой приведена на рисунке 133, б. При переключении трансформатора с неподвижного контакта 7 переключа­теля на неподвижный контакт 8 сначала передвигают на контакт 8 нижний подвижный контакт переключателя П, в этом случае часть обмотки между контактами 7 я 8 будет замкнута на токоограничивающий реактор Р, затем на неподвижный контакт 8 передвигают верхний подвиж­ный контакт переключателя П. Вал переключателя при­водится в движение от электродвигателя через соедини­тельный механизм.

Регулирование напряжения осуществляется автомати­чески.

Специальные трансформаторы для регулирования на­пряжения, рассмотрены в главе XVI.

Вопросы для самопроверки

1 Какие схемы и группы соединений обмоток трансформаторов приняты в СССР?

2 Расскажите об области применения разных групп соедине­ний обмоток трансформаторов.

3 Объясните методику построения векторной диаграммы для

определения группы соедине­ния обмоток на примере 11 группы.

4 Постройте векторную диаграмму и определите труп пу соединений обмоток, соеди­ненных по схеме, приведенной на рисунке 134, при согласном направления э д с

5. Объясните причину пе­ренапряжения на отдельных фазах при несимметричной нагрузке трансформатора, сое­диненного по схеме Y/Y₀ —12.

6 Каковы преимущества и недостатки 11 и 12 групп соедине­ний обмоток?

7. Расскажите о способах регулирования напряжения транс­форматоров

8 Расскажите о принципе регулирования напряжения под нагрузкой в трансформаторе типа ТСМН.

§ 5. Лабораторная работа

Исследование трансформаторов

Цель работы. Научиться определять выводы обмоток трансформаторов, сопротивление обмоток, коэффициент трансформации, провести опыты холостого хода и корот­кого замыкания трансформатора.

План работы. 1. Ознакомиться с конструкцией и за­водским щитком трансформатора.

2. Проверить маркировку выводов его обмоток.

3. Определить сопротивление обмоток трансформатора и его коэффициент трансформации.

4. Подобрать приборы и оборудование и собрать схему для проведения опыта холостого хода и короткого замы­кания трансформатора.

5. Определить величину тока холостого хода в про­центах номинального, потери в стали, потери в меди, к. п. д., параметры короткого замыкания и изменение напряжения при номинальной мощности трансформатора и коэффициенте мощности 0,8.

6. Зарисовать в отчет схему опытов, записать данные Всех измерений и расчеты.

Пояснения к работе. Маркировку выводов обмоток одно­фазного трансформатора проверяют следующим образом.

Обмотку низшего напряжения соединяют перемычкой с обмоткой высшего напряжения и к последней подводят напряжение (рис. 135, а). Вольтметр соединяют одним проводом с зажимом А обмотки высшего напряжения, а вторым с переключателем П. Установив переключатель на контакт 1, измеряют подведенное к обмотке напряжение U, а затем, перекинув переключатель на контакт 2, измеряют напряжение U' между теми выводами обмоток трансформатора, которые не соединены между собой.

Если напряжение U > U', то между собой соединены одноименные выводы обмоток, например X и х (рис. 135, б), в этом случае э. д. с, индуктируемые в обмотках, вычи­таются. Если напряжение U<U', то соединены разно­именные выводы обмоток, например X и а (рис. 135, в), в этом случае э. д. с, индуктируемые в обмотках, склады­ваются. Этим способом можно проверять и трехфазные трансформаторы, определяя каждую фазу в отдельности. Если одноименные выводы всех трех фаз определены, то соединить обмотки в звезду или треугольник нетрудно.

Для определения маркировки выводов трехфазного трансформатора, обмотки которого соединены в звезду, к средней фазе и нулевой точке

подводят напряжение пе­ременного тока U (рис. 136). Индуктируемый при этом в среднем стержне магнитный поток Ф будет замыкаться через крайние стержни, причем в каждом крайнем стержне величина магнитного потока составит Ф/2, и э. д. с, индуктируемая им, будет меньше подведенного напряже­ния в 2 раза. При правильном соеди­нении выводов в звезду напряжения АВ и ВС будут равны по 1,5U каждое, при неправиль­ном — по 0,5U. При определении маркировки зажимов трансформатора тока используют вольтметр магнитоэлектрической системы (рис. 137). Вольтметр присоединяют к вторичной обмотке трансформатора тока, а к его первичной обмотке подклю­чают аккумулятор через сопротивление R и рубильник Р так, чтобы плюс аккумулятора соединялся с зажимом Л₁, а плюс вольтметра — с зажимом И₁. В момент кратковременного замыкания рубильника Р стрелка вольтметра отклонится вправо, если зажимы трансформатора тока размечены верно. При размыкании рубильника стрелка вольтметра отклонится в противопо­ложную сторону.

Сопротивление обмоток трансформатора измеряют ме­тодом амперметра и вольтметра. Этот метод измерения сопротивлений основан на использовании закона Ома для участка цепи (рис. 138).

Величину измеряемого сопротив­ления r_х определяют из формулы:

где U_x - падение напряжения на измеряемом сопротив­лении (в);

I_Х — ток в измеряемом сопротивлении (а).

Измерительные приборы нужно подбирать с таким расчетом, чтобы ток в обмотках, сопротивление которых измеряют, не был больше номи­нального, а стрелка прибора при измерении давала отклонение не менее чем на 40% шкалы прибора, в противном случае точность из­мерений будет недостаточна.

Источником тока может слу­жить аккумуляторная батарея.

Измеряемое сопротивление включают последовательно с ре­гулировочным сопротивлением R_рег, которым регулируется ток в цепи.

Порядок измерения сопротив­лений следующий:

1. Собирают схему для измере­ния сопротивления обмотки транс­форматора, имея в виду, что при

измерении больших сопротивлений, как обмотка высшего напряжения трансформатора, амперметр следует включать так, чтобы он не измерял тока катушки вольтметра (рис. 139, а), так как этот ток может внести значительную погреш­ность в измерения. При измерении малых сопротивлений, например обмотки низшего напряжения трансформатора, вольтметр нужно включать так, чтобы он не измерял падения напряжения на амперметре (рис. 136, б), так как при малом сопротивлении обмотки падение напряжения на амперметре может внести значительную погрешность в измерения.

2. Вводят полностью сопротивление регулировочного реостата, чтобы ток в измеряемой цепи в момент включения был наименьшим.

3. Прежде чем подать ток, вольтметр отключают. Это делают также при изменении величины тока регулиро­вочным реостатом и перед отключением тока в измеряемой цепи, в противном случае вольтметр может быть повре­жден, так как при включении и выключении тока в обмотке трансформатора индуктируется большая э. д. с. самоиндукции.

4. Регулировочным реостатом устанавливают в изме­ряемой цепи ток меньше номинального и, подключив вольт­метр, записывают показания приборов в следующую таб­лицу.

Измерения делают при трех различных значениях тока. За истинное значение измеряемого сопротивления считают среднеарифметическое из этих трех измерений:

5. Измерение сопротивлений обмоток трехфазных транс­форматоров делают для каждой фазы отдельно, если каждая фаза имеет выводы начала и конца.

При соединении обмоток в звезду с выведенной нуле­вой точкой измерения делают между выводом каждой фазы и нулевой точкой.

При соединении обмоток в звезду без вывода нулевой точки измерения выполняют между тремя выводами по­парно. Сопротивление обмотки каждой фазы участвует при этом в двух измерениях. Сопротивление каждой фазы можно найти, решая систему трех уравнений с тремя неизвестными. Если результаты трех измерений мало от­личаются друг от друга, то среднее сопротивление одной фазы равно

где r₁, r₂, r₃ — результаты проведенных при опыте трех измерений.

При соединении фаз в треугольник делают также три измерения попарно, и если все три измерения мало отли­чаются друг от друга, то среднее сопротивление находят из формулы

Если результаты трех измерений резко отличаются друг от друга, то для определения сопротивления обмотки каждой фазы распаивают одну вершину треугольника и измеряют сопротивление каждой фазы обмотки в отдель­ности.

6. При измерении сопротивления первичной обмотки следует закоротить вторичную обмотку и наоборот, это целесообразно с точки зрения техники безопасности, а также способствует быстрейшему успокоению стрелки вольтметра при незначительных колебаниях тока в из­меряемой цепи.

7. Определяют коэффициент трансформации, для чего берут два вольтметра и, подключив напряжение сети к обмотке высшего напряжения при разомкнутой вторич­ной обмотке, измеряют напряжение на зажимах обеих обмоток одновременно (рис. 140). Результаты измерений заносят в следующую таблицу.

В этой таблице

Среднее значение коэффициента трансформации равно

При проведении опыта холостого хода трансформатора определяют величину потерь в стали и ток холостого хода, а при проведении опыта короткого замыкания — величину потерь в меди. Зная величину потерь в стали и меди, можно определить к. п. д. трансформатора, а также изменение напряжения в трансформаторе при нагрузке.

Для опыта холостого хода лучше брать трансформатор на напряжение 220/380 в или 127/220 в, чтобы не иметь дела с высшим напряжением, которое опасно для жизни.

Если есть необходимость провести опыт холостого хода высоковольтно­го трансформатора, то при этом сле­дует строго соблюдать правила без­опасности. Напряжение при опыте подводят к обмотке низкого напря­жения, кожух трансформатора зазем­ляют, а выводы обмотки высокого напряжения надежно ограждают щи­тами.

Схема опыта для однофазного тран­сформатора приведена на рисунке 141, а для трехфазного на рисунке 142. Для опыта холостого хода берут следующие приборы: амперметр на ток около 10% I_н трансформатора, ваттметр на такой же ток и вольтметр на фазное напряжение. При испытании трехфазного трансформатора пользуются схе­мой Арона.

Токи измеряют во всех трех фазах, а затем находят среднее арифметическое значение токов по фор­муле

При проведении опыта с однофазным трансформатором для регулирования первичного напряжения применяют однофазный автотрансформатор, а с трехфазными — по­воротный трехфаз­ный автотрансформа­тор. При помо­щи автотрансформа­тора напряжение во время опыта поддер­живают номиналь­ным.

Перед включе­нием схемы в сеть шунтируют рубильниками Р₂ амперметр и токовую катушку ваттметра во из­бежание повреждения приборов броском тока. Затем, уста­новив при помощи автотрансформатора наименьшее напря­жение, включают трансформатор в сеть.

После включения устанавливают номинальное напряжение на зажимах обмотки трансформатора, размыкают рубильники Р₂ и записывают показания приборов в следующую таблицу.

По этим данным определяют cos ф₀ для однофазного трансформатора по формуле:

Для трехфазного трансформатора коэффициент мощ­ности определяют по формуле:

где I₀ — среднее арифметическое значение тока холостого хода (а), определяемое по формуле (110); Р₀ — алгебраическая сумма показаний двух ватт­метров

Р₀ = Р₀₁ + Р₀₂ (вт).

Если стрелка одного из ваттметров отклоняется влево, то для отсчета показаний этого ваттметра его переключают переключателем, а общую мощность определяют как раз­ность показаний двух ваттметров, причем из показаний ваттметра, стрелка которого отклонялась вправо, вычи­тают показания того ваттметра, стрелка которого отклоня­лась влево.

Ток холостого хода в процентах от номинального оп­ределяют по формуле

где I₀ — ток холостого хода трансформатора (а); I_н — номинальный ток трансформатора (а). Для опыта короткого замыкания берут следующие при­боры: амперметр и ваттметр, рассчитанные на номиналь­ный ток трансформатора, и вольтметр, рассчитанный на 10—15% напряжения той обмотки, к которой оно подво­дится.

При опыте обмотку низшего напряжения обычно замы­кают накоротко, а к обмотке высшего напряжения под­водят пониженное напряжение такой величины, чтобы токи в обмотках не превышали номинальных значений. Замы­кать накоротко обмотку нужно очень тщательно корот­кими перемычками большого сечения и не ставить в ее цепь амперметров. Если шкала ваттметра и амперметра не рассчитана на номинальный ток трансформатора, то их включают через трансформаторы тока.

Принципиальная схема опыта короткого замыкания однофазного трансформатора приведена на рисунке 143, а для трехфазного — на рисунке 144. Руководствуясь этими схемами, собирают монтажные схемы опыта.

Перед включением трансформатора в сеть понижают подводимое напряжение до наименьшей величины (3—5% U_н). Затем включают рубильник Р и увеличивают напряжение до тех пор, пока амперметр не покажет величины, равной номинальному току трансформатора. Показания приборов записывают в следующую таблицу.

Опыт не следует затягивать, так как обмотки трансфор­матора быстро нагреваются при прохождении по ним но­минального тока. Если при измерениях были использо­ваны трансформаторы тока, то при определении показаний амперметра и ваттметра учитывается коэффициент транс­формации трансформаторов тока.

Мощность короткого замыкания Р_к определяют так же, как алгебраическую сумму показаний двух ваттметров Р_к = Р₁ + Р₂.

По полученным данным определяют параметры корот­кого замыкания и коэффициент мощности:

а) для однофазного трансформатора коэффициент мощ­ности по формуле (95), а параметры короткого замыкания по формулам (92), (93) и (94);

б) для трехфазного трансформатора

Принято считать, что мощность, измеренная при опыте короткого замыкания трансформатора, идет в основном на покрытие потерь в меди, а при опыте холостого хода — на покрытие потерь в стали, поэтому

Коэффициент полезного действия трансформатора оп­ределяют по формуле (103), а изменение напряжения по формуле (100).

Глава XV