При несимметричной нагрузке.

Цель работы

Исследование распределения токов в обмотках трансформатора и определение напряжений и сопротивлений и сопротивлений нулевой последовательности.

Лабораторная установка.

В лабораторной работе используется трансформатор мощностью 1,5 кВт с номинальными напряжениями 380/220 В и 38 В. Вторичная обмотка разделена на две одинаковые части и позволяет собрать схему - зигзаг, Y звезда, - треугольник. В остальном лабораторная установка подобна установке, на которой производятся лабораторные работы №4, № 5.

Программа работы.

1. Измерить распределение токов в первичной обмотке трёхфазного трансформатора и линейные и фазные напряжения для случая предельной несимметрии (двухфазной и однофазной) для схем ; ; ;

2. Рассчитать распределение токов для указанных схем и нагрузок. Сравнить опытные и расчетные данные.

3. Построить векторные диаграммы линейных и фазных напряжений вторичной обмотки для схем ; ; ; ; определить смещение потенциала нейтральной точки в абсолютных и процентных величинах от .

4. Определить сопротивление нулевой последовательности трансформатора и рассчитать ЭДС Y/Y_o для схем Y/Y_o Д /Y, используя полученные величины токов при однофазной нагрузке. Расчётные величины Е_о для схем Y/Y_o Д/Y сравнить с соответствующими величинами смещения потенциала по векторной диаграмме.

Методические указания.

Несимметричная нагрузка и несимметрия первичных напряжений часто наблюдается при эксплуатации трансформаторов. Несимметричная нагрузка вызывает искажение напряжения трансформатора из-за неодинаковых токов в фазах и появление ЭДС нулевой последовательности.

Нулевой провод на низкой стороне трансформатора усиливает искажения напряжений, которые вредно сказываются на работе трансформаторов и потребителей электрической энергии.

Для исследования схемы режимов трансформатора задаются первичными линейными напряжениями и системой вторичных токов.

Для заданной схемы соединения обмоток находим:

1. Фазные токи на вторичной стороне.

2. Фазные и/линейные токи первичной стороны.

3. Фазные и линейные и напряжения вторичной стороны, фазные напряжения первичной.

Для исследования несимметричных режимов используем метод симметричных составляющих. Считаем сопротивления прямой и обратной последовательности одинаковыми. Исследуем предельные случаи несимметрии нагрузки для схем ; ; ; при симметрии первичных линейных напряжений, т.е. первичная обмотка трансформатора подключается к симметричной трёхфазной системе напряжений, одна или две фазы загружаются номинальными токами, остальные фазы в режиме холостого хода. Измеряются линейные и фазные токи первичной обмотки, линейные и фазные напряжения первичной и вторичной обмоток. Результаты экспериментов сравнить с расчётными данными.

Распределение токов в трансформаторе при несимметричной нагрузке зависит от схемы соединения обмоток

Рисунок 33–Схема соединения обмоток

Загружены фазы в и с током

;

Ток первичной обмотки

; ,

- коэффициент трансформации по току

Магнитные потоки в стержнях трансформатора при соединении обмоток по схеме рис. 33 уравновешены и поток нулевой последовательности равен нулю.

Загружены фазы в и с током .

Рисунок 34–Схема соединения обмоток

;

Фазные токи первичной обмотки:

; , ;

Линейные токи первичной обмотки:

; :

.

так как - 0, линейные токи можно выразить: ; ; .

Выражения для фазных токов первичной обмотки показывает, что намагничивающие силы в стержнях уравновешены при несимметричной нагрузке, т.е. магнитный поток нулевой последовательности равен нулю.

Рисунок 35–Схема соединения обмоток

Придельная несимметрия достигается загрузкой одной из фаз, например, с.

; . токи в первичной обмотке:

;

;

;

При загрузке одной фазы вторичной обмотки по всем трем фазам первичной обмотки протекают токи. Это обусловлено тем, что при соединении схемы трансформируются токи прямой и обратной последовательностей. Ток нулевой последовательности не трансформируется и имеет место только во вторичной обмотке. Ток нулевой последовательности создаёт магнитный поток одинаковый по величине и совпадающий по фазе во всех трёх стержнях. Потоки замыкаются через стенки бака и немагнитную среду и индуктируют ЭДС нулевой последовательности во всех трёх фазах первичной и вторичной обмотки. Это приводит к смещению нейтрали и неравенству фазных напряжений обеих обмоток. ГОСТ регламентирует ток нулевого провода не более 25% номинального тока обмотки. При соблюдении этого условия потенциал нулевой точки не превышает 5% номинального фазного напряжения.

Рисунок 36–Схема соединения обмоток

Номинальным током нагружена фаза с: ;

Во вторичной обмотке трансформатора появляются токи нулевой последовательности, который трансформируются в первичную. Первичная обмотка, соединенная в треугольник, представляет собой замкнутый контур, для токов нулевой последовательности. Токи нулевой последовательности вторичной обмотки полностью компенсируются токами нулевой последовательности, протекающим в замкнутом контуре Смещение потенциала нейтральной точки вторичной обмотки незначительно. Линейные токи первичной обмотки определяются соотношениями:

; ; , и не имеют составляющих нулевой последовательности.

Схема

Трёхфазные понижающие трансформаторы мощностью до 250 кВА могут иметь схему соединения звезда - зигзаг с нулевой точкой. Отличительной особенностью такой схемы является малое смещение потенциала нейтральной точки в условиях предельной несимметрии нагрузки, т.е. при ; . Так как вторичная фазная обмотка разделена на две равные половины, находящиеся на разных стержнях (рис. 15), то ток нагрузки создаёт магнитные потоки в двух стержнях.

Рисунок 37–Схема соединения обмоток

Токи в первичной обмотке определяются:

; ; .

Намагничивающие силы каждого стержня уравновешены, и магнитный поток нулевой последовательности равен нулю. Токи нулевой последовательности проявляются в схеме соединения обмоток трансформатора ; ; ; . Системе токов нулевой последовательности соответствует сопротивление нулевой последовательности . Расчёт сопротивлений нулевой последовательности сложен и проще определить опытным путём. При несимметричной нагрузке ток нулевой последовательности появляется во вторичной обмотке трансформатора. Поэтому при проведении опыта по определению вторичная обмотка запитывается от источника однофазного переменного тока. Однофазный ток соответствует току нулевой последовательности (рис. 38). Первичная обмотка соединяется в или .

Рисунок 38–Схема соединения обмоток

Опыт проводится по схеме рис. 38. По показаниям приборов определяются и определяются величины:

; ; .

Рисунок 39–Схема замещения при соединении обмоток

.

где - полное сопротивление вторичной обмотки;

— полное сопротивление нулевой последовательности, обусловленное потоком;

- индуктивное сопротивление нулевой последовательности;

- активное сопротивление нулевой последовательности, обусловленное потерями в стали потоком .

Для трёхфазных трансформаторов _o.

Опыт проводится по схеме рис. 40, а.

Рисунок 40 – а) Схема соединения обмоток .

б) Схема замещения

По измеренным величинам вычисляются сопротивления:

; ;

Для данной схемы намагничивающие силы тока нулевой последовательности первичной и вторичной обмоток уравновешиваются, что соответствует балансу намагничивающих сил в режиме короткого замыкания. По схеме замещения (рис. 40, б)

т.к.

Поэтому можно принять .

Сопротивление нулевой последовательности трансформатора при соединении обмоток; . мало и приблизительно равно . Определив сопротивление для схем соединения ; ; ₀, следует рассчитывать величину смещения потенциала нейтральной точки вторичной обмотки, приняв величину тока нулевой

последовательности

РАБОТА № 7

Исследование влияния схемы соединения обмоток

трёхфазного трансформатора на появление гармонических

в кривых напряжения и токов.

Цель работы

Определить влияние схем соединения обмоток трёхфазного трансформатора и конструктивного выполнения магнитопровода (трёхстержневой и групповой) на появление в кривых измеряемых напряжений, ЭДС и токов высших гармонических составляющих.

Лабораторная установка.

Лабораторная работа выполняется на стенде № 1, на котором выполняется работа № 6, но используется групповой трансформатор, т.е. трансформатор трёхфазный, состоящий из трёх однофазных трансформаторов (группа из трёх трансформаторов). В качестве стержневого трансформатора используется используется трансформатор мощностью 1,5 кВт с номинальными напряжениями 380/220 и 38 В.

Методические указания.

1. Соединить трансформатор по схеме и измерить при холостом ходе:

а) ток, линейные и фазные напряжения первичной и ЭДС вторичной обмоток;

б) по осциллографу провести наблюдения за формой кривых измеряемых напряжений, ЭДС и тока и перенести их на кальку.

2. Соединить трансформатор по схеме и измерить при различной величине подведённого напряжения :

а) первичный ток и напряжения первичной обмоток;

б) ЭДС и ток третьей гармоники;

в) по осциллографу провести наблюдение за формой кривых .измеряемых напряжений, ЭДС и токов и перенести их на кальку.

3. Соединить трансформатор по схеме и измерить:

а) напряжение и токи первичной обмотки;

б) значение линейной и фазной ЭДС вторичной обмотки;

в) по осциллографу провести наблюдение за формой кривых измеряемых напряжений, ЭДС и токов и перевести их на кальку.

4. На основании опытных данных подсчитать при всех схемах соединений обмоток трансформатора эффективные значения третьих гармоник ЭДС и тока.

В трансформаторах связь между током намагничивания и потоком нелинейна. Отсутствие третьей гармонической в кривой тока намагничивания ведёт к появлению третьей гармоники в намагничивающем токе, потоке, и ЭДС трёхфазного трансформатора зависит от схемы соединения его обмоток и конструкции магнитопроводов (трёхстержневая или групповая). Электрическая схема группового трансформатора приведена на рис. 41. На первичную обмотку подаём номинальное напряжение. Схема соединения обмоток рис. 41.

Рисунок 41– Схема соединения обмоток

Измеряется ток холостого хода, фазные и линейные напряжения или ЭДС первичной и вторичной обмоток. При соединении обмоток по схеме в намагничивающем токе отсутствуют третьи гармоники, так как в этом случае для них нет проводящего электрического контура. Как следствие появляются третьи гармоники магнитного потока и фазных ЭДС первичной и вторичной обмоток. Линейные ЭДС не содержат третьих гармоник, т.к. последние при векторной разности, представляющей линейную ЭДС, направлены друг против друга и взаимно уничтожаются. Отношение линейных ЭДС к фазным меньше величины

Пренебрегая гармониками более высокого порядка, третью гармонику ЭДС обмоток подсчитывают по формуле:

или

здесь - измеренное эффективное значение фазной ЭДС, представляющей квадратичную сумму эффективных значений отдельных гармоник:

,

- эффективное значение ЭДС первой гармоники, определяется по измеренным в опыте линейным ЭДС или напряжению, являющимися синусоидальными:

Процентное значение ЭДС Е₃ определяется по отношению к и_фн обмоток:

Вследствие малого магнитного сопротивления для третьих гармоник потока в групповом трансформаторе ЭДС выражены наиболее сильно, что вызывает повышение амплитудного значения фазных ЭДС обмоток. В условиях эксплуатации это может привести к пробою изоляции, поэтому для трёхфазных групповых трансформаторов схема не применяется, а в стержневых трансформаторах схема соединения применяется только до 1800 кВА.

При схеме соединения (рис.42) намагничивающий ток не содержит третьей гармоники. Вследствие этого появляются третьи гармоники магнитных потоков в сердечнике и третьи гармоники ЭДС и токов во вторичной обмотке, поскольку треугольник для этих токов является замкнутым контуром. Возникающие при этом вторичные потоки тройной частоты гасят соответствующие первичные магнитные потоки, благодаря чему фазные ЭДС получаются практически синусоидальными. Подтверждением этого при исследовании схемы может случиться отношение эффективных значений первичных напряжений - линейного к фазному (оно должно быть равно л/3 ) и синусоидальная форма кривых фазных напряжений, наблюдаемая по осциллографу.

Ток третьей гармоники измеряют амперметром, включенным в фазу треугольника. Если разомкнуть треугольник и в разрыв включить вольтметр, можно измерить арифметическую сумму вторичных ЭДС третьей, гармоники от первичных потоков этой же гармоники. ЭДС .

Рисунок 42–Схема соединения обмоток

Чтобы установить зависимость проявления третьих гармоник от степени насыщения стали сердечника, исследование схемы проводят при различной величине подводимого напряжения (от 0 до 1.3 ). Процентное значение третьих гармоник тока и ЭДС:

;

Осциллографирование напряжений и токов проводить при . Принимая форму кривых фазных напряжений за синусоидальную при замкнутом треугольнике, целесообразно понаблюдать за формой этих кривых, размыкая треугольник. Это позволяет наглядно убедиться в преимуществе схемы .

При схеме соединения обмоток (рис. 43) процесс намагничивания сердечников трансформаторов протекает аналогично процессу при .

Рисунок 43–Схема соединения обмоток

Разница состоит в том, что контуром для токов третьей гармоники является первичный треугольник Поэтому измеренный при опыте фазный ток представляет сумму эффективных значении токов отдельных гармоник:

,

Ток третьей гармоники:

; ,

где

Наличие в контуре первичного треугольника тока третьей гармоники оказывающей то же воздействие, что и вторичный треугольник в схеме приводит к тому, что магнитный поток в сердечнике и фазная ЭДС вторичной обмотки практически синусоидальны.