Рецензент – кандидат технических наук В.П. Гринченков
ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВЫХ
ТРЁХФАЗНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Методические указания
к лабораторным работам по курсу “Электромеханика”
НОВОЧЕРКАССК 2006
УДК (076.5) 001.57:621.314.25
Рецензент – кандидат технических наук В.П. Гринченков
Составитель Пахомин С.А.
Исследование силовых трёхфазных трансформаторов: Методические указания к лабораторным работам по курсу “Электромеханика” /Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006. – 30 с.
Методические указания предназначены для проведения лабораторных исследований силовых трёхфазных трансформаторов студентами очной и заочной форм обучения специальностей 140106, 140203, 140211, 140601, 140602, 140604, 140204, 140205.
© Южно-Российский государственный технический университет, 2006
© Пахомин С.А., 2006
Лабораторная работа № 1
МАРКИРОВКА ВЫВОДОВ ОБМОТОК ТРЁХФАЗНОГО
ДВУХОБМОТОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
Программа лабораторных исследований
1 Ознакомиться с конструкцией и паспортными данными исследуемого трансформатора (Тр).
2 Исследовать клеммный щиток Тр и определить сопротивления обмоток постоянному току.
2.1 Определить выводы, принадлежащие одной обмотке.
2.2 Определить сопротивления обмоток постоянному току и выводы высшего и низшего напряжений.
2.3 Найти пары обмоток, находящиеся на одном стержне.
2.4 Найти физические начала и концы обмоток.
Пояснения к исследованиям
Объектом исследования является трёхфазный силовой Тр с несимметричной магнитной системой, размещенный в металлическом корпусе. Трансформатор служит для преобразования параметров электрической энергии – повышает или понижает напряжение (ток). Работа трансформатора основана на использовании закона электромагнитной индукции, который отражает взаимосвязь ЭДС, наведённой в обмотке с числом витков w, с изменением во времени потокосцепления обмотки
.
Схематически Тр изображен на рисунке 1.1. На каждом стержне магнитопровода располагаются по две фазные обмотки – одна обмотка высшего напряжения (ВН) с числом витков 
и одна обмотка низшего напряжения (НН) с числом витков 
( 
). Фазные обмотки каждого напряжения (высшего или низшего) соединяются по одной их трёхфазных схем – звездой или треугольником, итого получаются две трёхфазные обмотки. Поэтому Тр называется двухобмоточным.
В печатном тексте соединения в звезду и треугольник обозначаются соответственно русскими буквами У и Д, а на рисунках и чертежах – значками Y и D [9].
Определение обмоток ВН и НН
В обмотках ВН и НН переменным потоком взаимной индукции наводятся соответствующие ЭДС, действующие значения которых
и 
,
где f– частота питающего напряжения (эту же частоту имеют переменный ток в обмотках ВН и НН, а также переменный поток взаимной индукции 
в сердечнике Тр); 
– число витков в первичной и вторичной обмотках.
Коэффициентом трансформации называют отношение ЭДС в первичной фазной обмотке к ЭДС во вторичной фазной обмотке, созданных основным магнитным потоком,
.
В отношении первичного и вторичного напряжений в первом приближении можно считать 
и 
. Пренебрегая потерями мощности в Тр, приравняем полные потребляемую и отдаваемую мощности 
, откуда следует 
.
Таким образом, повышая напряжение, Тр понижает ток, и наоборот. Обмотка фазы высшего напряжения (имеется в виду номинальное фазное напряжение) имеет в k раз большее число витков, чем обмотка фазы низшего напряжения. Кроме того, сечение фазного провода обмотки ВН в k раз меньше, чем обмотки НН. Поэтому сопротивление обмотки ВН постоянному току больше примерно в 
раз, чем обмотки НН.
Если сопротивления обмоток достаточно велики (больше 0,5 Ом) и существенно отличаются друг от друга (в 1,5 и более раз), то для разделения обмоток на ВН и НН можно использовать тестер.
Лабораторная работа № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛОВОГО
ТРЁХФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
Пояснения к исследованиям
Опыт холостого хода
Опыт ХХ позволяет определить ток холостого хода Тр, потери в стали, а также активное и индуктивное сопротивление намагничивающей ветви электрической схемы замещения.
Опыт ХХ проводится в режиме ХХ. Этот режим имеет место, когда на первичную обмотку (ВН или НН) подано напряжение, а вторичная обмотка отключена от нагрузки. Режим ХХ до напряжения примерно в 1.3 раза больше номинального для Тр не представляет опасности. Схема опыта ХХ приведена на рисунке 2.1.
В опыте ХХ на первичную обмотку подаётся ряд (примерно 5–6) значений практически симметричного трёхфазного напряжения номинальной частоты и синусоидальной формы, и при каждом из них измеряются потребляемая Тр активная мощность и линейные токи (рисунок 2.1). Регулирование напряжения на Тр осуществляется с помощью индукционного регулятора (ИР). ИР представляет собой асинхронную машину с фазным ротором, который заторможен.
Рекомендуется устанавливать примерно следующие величины напряжения в долях от номинального: 1,1; 1,0; 0,9; 0,7; 0,5; 0,3.
Вольтметр V служит для контроля при установке требуемых напряжений.
Активная мощность, потребляемая Тр, измеряется по методу двух ваттметров (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 – Схема опытов холостого хода и короткого замыкания
(при КЗ выводы вторичной обмотки А, В и С закоротить)
Мощность, потребляемая Тр, будет равна алгебраической сумме мощностей, измеренных каждым ваттметром. По причине несимметрии магнитной системы трёхстержневого Тр токи фаз оказываются в режиме ХХ неодинаковыми.
При включении Тр под напряжение во избежание повреждения амперметров и токовой обмотки ваттметра трансформаторы тока TA необходимо зашунтировать.
Итак, в опыте ХХ при одном значении питающего напряжения измеряются: 3 линейных напряжения первичной обмотки Тр посредством вольтметра со щупами; 3 линейных тока первичной обмотки; два значения мощности, со знаками «плюс» или «минус» соответственно. Данные опыта ХХ рекомендуется записывать в таблицу 2.1
Таблица 2.1
| № п/п | Первичные линейные напряжения | Первичные линейные токи | Мощности | Ном.напря-жение и ток ваттметра, В/А | Добавочное сопротивление, кОм | ||
| Uл1, Uл2, Uл3, дел | Цена деления, В/дел | Iл1, Iл2, Iл3, дел | Ном. первичный ток ТА, А | P1, P2, дел. | |||
| 115,4 114,7 113,5 | 2,32 1,74 2,27 | 0.5 0.5 0.5 | 75,3 -12,4 | 150/5 150/5 | - - - | ||
Содержание отчёта
В отчёт следует включить:
программу лабораторных исследований;
паспортные данные исследуемого Тр;
схему опыта ХХ и КЗ;
формулы обработки опытных данных и результаты расчётов (в таблицах);
графики характеристик ХХ: 
;
графики характеристик КЗ: 
;
Т-образную схему замещения Тр со всеми обозначениями и численными значениями параметров, рассчитанных по результатам опытов ХХ и КЗ;
формулу, расчёт и график зависимости 
;
формулу, расчёты и графики зависимости 
при 
и 
.
Лабораторная работа № 3
Пояснения к исследованиям
При включении Тр на параллельную работу их первичные обмотки питаются от одной и той же сети, а вторичные обмотки включены на общую нагрузку. Нагрузка между Тр при параллельной работе распределяется пропорционально их номинальным токам и установленная мощность используется полностью, если выполняются следующие условия включения Тр на параллельную работу:
§ одинаковы коэффициенты трансформации линейных напряжений (допускаются отклонения значений коэффициентов трансформации не более чем на 0,5 % от среднеарифметической величины);
§ одинаковы группы соединений;
§ одинаковы напряжения КЗ (допускаются отклонения напряжений КЗ не более чем на 10 % от среднеарифметической величины).
Невыполнение этих условий приводит к нерасчётным, либо к аварийным режимам работы Тр.
При неравенстве коэффициентов трансформации в обмотках Тр при отключённой нагрузке появляются так называемые уравнительные токи, а при включении нагрузки трансформаторы нагружаются непропорционально их номинальным токам (мощностям).
При неодинаковых напряжениях КЗ 
ток нагрузки распределяется между Тр также непропорционально их номинальным токам (мощностям). Это приводит к неполному использованию установленной мощности включённых на параллельную работу трансформаторов.
Различие в группах соединений Тр при параллельной работе не допускается, т.к. возникающие уравнительные токи либо равны токам КЗ, либо приближаются к ним (аварийные режимы).
Согласно ГОСТу не рекомендуется включать на параллельную работу Тр с отношением номинальных мощностей более чем 3:1.
Проверка групп соединений
Сведения о схеме и группе соединений Тр необходимы для его правильного включения на параллельную работу.
Группа соединений трансформатора характеризуется углом отставания векторов линейных напряжений обмотки НН от векторов одноименных линейных напряжений обмотки ВН в режиме ХХ при питании первичной обмотки симметричной системой напряжений прямого следования фаз. Группа соединений зависит от схемы соединений обмоток и маркировки линейных выводов обмоток.
Для выполнения требуемых схем и групп соединений обмоток Тр необходимо знать выводы, принадлежащие каждой фазной обмотке, принадлежность обмоток к ВН или НН, физические начала и концы обмоток и обмотки, сидящие на одном стержне. Поэтому рекомендуется использовать Тр, клемный щиток которого уже был исследован ранее. В противном случае клеммный щиток должен быть исследован согласно методике, изложенной в лабораторной работе № 1.
Трёхфазная обмотка Тр может быть соединена как в звезду, так и в треугольник двумя разными способами, показанными на рисунке 3.1. Линейные выводы могут находиться либо на началах, либо на концах фазных обмоток. Кроме того, в треугольнике может быть разная последовательность обхода фаз.
Для маркировки выводов первичных фазных обмоток используются пары букв А–Х, В–Y, C–Z, для вторичных фазных обмоток – пары букв а–х, в–y, c–z. Выводы нулевых точек обмоток обозначаются цифрой 0 (нуль). Буквы А, В, С, a, в, с, обозначающие линейные выводы фазных обмоток, называют началами, а буквы X, Y, Z, x, y, z – концами, при этом буквенная маркировка не обязательно должна совпадать с физическими началами (обозначаемыми точками) и концами обмоток. На рисунке 3.2 показаны схемы соединений и маркировки выводов Тр двух основных групп Y/Y–0 и Y/D–11, маркировка выводов которых совпадает с физическими началами и концами, и одна из десяти других групп Y/D–5 (рисунок 3.2, б), которая образуется за счёт перемаркировки выводов Тр.
Рисунок 3.1 – Соединение трёхфазной обмотки в звезду (а, б) и треугольник (в, г)
Рисунок 3.2 – Схема соединений и маркировка выводов Тр
Согласно ГОСТ 11677-85 [7] при нанесении буквенной маркировки должны выполняться следующие 4 основных условия:
1. Каждая из троек букв А, В, С; а, в, с; X, Y, Z; x, y, z ставится у трёх выводов, которые одновременно являются либо физическими началами, либо концами.
2. При соединении обмотки в звезду выводы, объединенные в нулевую точку, обозначаются буквами X, Y, Z и x, y, z.
3. Буквенные обозначения наносятся так, чтобы векторы линейных напряжений с разными группами соединений обмоток ВН – 
и НН – 
в симметричном режиме работы имели одинаковый порядок следования фаз (рисунок 3.3).
4. Буквенная маркировка должна обеспечивать требуемую группу соединений.
Рисунок 3.3 – Порядок следования фаз линейных напряжений Тр
Порядок следования фаз напряжений первичной обмотки считается прямым, так как задаётся питающей сетью и не зависит от буквенной перемаркировки этой обмотки. Порядок следования фаз напряжений вторичной обмотки зависит от буквенной маркировки первичной и вторичной обмоток. Он будет сохраняться прямым в случае перенесения соответствующих пар букв на обмотки соседних стержней Тр вкруговую (например, при исходном положении 
возможны варианты 
или 
) одновременно у обеих или у одной из обмоток, а также при перемене положения соответствующей пары букв относительно физических начал и концов с одновременной круговой перемаркировкой (например, при исходном положении 
возможны варианты 
; 
; 
).
Как видно из рисунка 3.3, при изменении схемы соединений или перемаркировке выводов угол сдвига фаз между векторами одноименных линейных напряжений также изменяется. Этот угол в режиме холостого хода и определяет группу соединений Тр.
Для удобства определения группы соединений используют часовой циферблат. Вектор одного из линейных напряжений ВН подобно минутной стрелке располагается против цифры 12. Цифра, на которую укажет вектор одноименного линейного напряжения НН, и определит группу соединений Тр (рисунок 3.4).
Рисунок 3.4 – Определение группы соединений с помощью циферблата часов
Исключение составляет цифра 12, которая определяет группу 0 (ноль). Если принять за исходную одинаковую маркировку выводов обмоток ВН и НН, совпадающую с физическими началами и концами и определяющую группы 
( 
) и 
( 
), то остальные группы могут быть получены:
– за счёт круговой перемаркировки одной из обмоток – группы 4, 8 (для 
и 
) и 3, 7 (для 
и 
);
– за счёт перемены положения пар букв относительно физических начал и концов плюс круговой перемаркировки одной из обмоток группы 6, 10, 2 (для и ) и 5, 9, 1 (для и ).
Однофазные Тр имеют только 2 группы соединений – 1/1–0 и 1/1–6.
Если известны физические начала и концы обмоток и пары обмоток, находящиеся на одном стержне, группу соединений можно проверить (определить) на основании топографических диаграмм [4] для обмоток Тр в режиме ХХ.
Условия построения топографической диаграммы следующие:
· топографическая диаграмма первичной обмотки считается заданной и соответствующей симметричной системе питающих напряжений прямого следования фаз;
· вектора напряжений обмоток, находящихся на одном стержне, отсчитываемые от физических начал к физическим концам, совпадают по фазе (например, 
на рисунке 3.2, а и 
на рисунке 3.2, б);
· выводы А и а электрически соединены, что определяет одинаковый электрический потенциал этих точек на диаграмме 
.
Показанные на рисунке 3.5 топографические диаграммы построены с учётом вышеперечисленных условий.
Рисунок 3.5 – Топографические диаграммы для схем соединений Тр,
показанных на рисунке 3.2
При заданных положениях векторов напряжений первичной обмотки ВН (например, вектор 
направлен от точки В к точке А) вектора напряжений вторичной обмотки строятся от точки А, поскольку . Вектор напряжений 
направлен в точку а, поскольку он имеет то же направление, что и вектор 
, согласно рисунку 3.2, а. Отложив от точки с потенциалом значение модуля вектора , получим точку х. Так как у звезды потенциалы точек x, y и z совпадают, то другие вектора фазных напряжений 
║ 
и 
║ 
определяются однозначно. Вектора линейных напряжений 
и , как и другие пары векторов, совпадают по фазе, что и определяет группу 
.
Аналогичное построение приемлемо и для схемы соединений , за исключением того, что в обмотке, соединённой в треугольник, совпадают потенциалы начал и концов фазных обмоток, соединённых между собой проводниками 
, 
, 
. Согласно рисунку 3.2, б вектор напряжений 
, направленный из точки а, будет иметь то же направление, что и вектор . Отложив из точки а с потенциалом 
модуль вектора , получим точку с потенциалом 
. Из точки с откладывается модуль вектора 
║ . Аналогично из точки с потенциалом 
строится вектор 
║ , замыкающий треугольник. Угол сдвига фаз между векторами линейных напряжений 
и 
равен 150 эл. град, что определяет группу 
.
Группа соединений может быть определена (проверена) экспериментально, без предварительных сведений о физических началах и концах обмоток и обмотках, находящихся на одном стержне. Существуют несколько методов по определению групп соединений [6], один из которых – метод двух вольтметров. Схема для проведения опыта показана на рисунке 3.6.
Рисунок 3.6 – Схема опыта для определения групп соединений
Для проведения опыта используют только линейные выводы обмоток ВН и НН (схемы соединений обмоток могут отличаться от показанных на рисунке 3.6 и задаются в каждом отдельном случае преподавателем). Выводы А и а соединяются между собой, согласно условиям построения топографической диаграммы. Одна из обмоток (обычно ВН) подключается к симметричному трёхфазному напряжению. Вольтметром V2 измеряют четыре напряжения между выводами обмоток ВН и НН: 
, 
, 
, 
. При этом вольтметром V1 измеряют три первичных линейных напряжения и контролируют одно из них во время измерения указанных ранее четырёх напряжений. Из диаграмм рисунка 3.5 можно сделать вывод, что напряжения 
, 
, 
и 
однозначно определяют взаимное расположение потенциалов линейных напряжений обмоток ВН и НН и, следовательно, между указанными четырьмя напряжениями и группой соединений Тр существует взаимно однозначное соответствие.
Топографическую диаграмму по значениям измеренных напряжений строят следующим образом. В определенном масштабе строят треугольник линейных напряжений первичной обмотки. С учётом того, что вершины А и а совмещены в общую точку, с помощью циркуля методом засечек по значениям напряжений , , и определяют положение вершин b и c треугольника линейных напряжений вторичной обмотки и строят его. Стрелки, определяющие направление векторов линейных напряжений, расставляют с учётом заданных схем соединений и условий построения топографических диаграмм. По углу между одноименными векторами линейных напряжений определяют группу соединений.
При экспериментальном определении группы соединений методом двух вольтметров порядок следования фаз питающего напряжения значения не имеет.
Косвенно о группе соединений можно судить и по потенциальной диаграмме (рисунок 3.7), где через равные промежутки по оси абсцисс отложены по оси ординат в одном масштабе величины напряжений , , и . Полученные точки соединяют отрезками прямых. Образующиеся при этом характерные ломаные линии свидетельствуют о той или иной группе соединений.
Для исследуемого Тр рекомендуется экспериментально исследовать следующие группы соединений (по выбору преподавателя): , , 
, 
, 
, 
, . Проверить правильность выполненных групп соединений методом двух вольтметров с построением топографических и потенциальных диаграмм.
Конкретное выполнение схем и буквенных маркировок, а также вид топографических и потенциальных диаграмм показан на рисунке 3.7.
Рисунок 3.7 – Варианты схем соединений, топографические и потенциальные диаграммы групп соединений:
а – 
, 
, 
;
б – 
, 
, .
Исследование параллельной работы трансформаторов
При параллельной работе двухобмоточных Тр их первичные обмотки питаются от одной и той же сети, а вторичные обмотки включены на общую нагрузку. Схема для исследования параллельной работы двух трёхфазных двухобмоточных трансформаторов показана на рисунке 3.8. На этой схеме: Тр1, Тр2 – трансформаторы; Р1, Р2 – сетевые рубильники первого и второго Тр; Н1, Н2 – лампы; S3– рубильник включения Тр на параллельную работу; 
– трёхфазный реостат нагрузки ( 
); S4 – рубильник подключения реостата нагрузки.
Рисунок 3.8 – Схема для исследования параллельной работы
трёхфазных двухобмоточных Тр
Прежде, чем включать Тр на параллельную работу, необходимо убедиться в том, что они действительно имеют одинаковую группу соединений. Для этого надо замкнуть рубильники S1 и S2, оставляя рубильники S3 и S4 разомкнутыми. Если напряжения на лампах Н1 и Н2 равны нулю, что кроме отсутствия свечения ламп должны подтвердить и измерения с помощью вольтметра, то группы соединений одинаковы и можно включать рубильник S3.
Включив рубильники S3 и S4, снять зависимости вторичных токов Тр от тока суммарной нагрузки при чисто активном её характере ( ) и постоянной величине питающего напряжения. Измерить линейные вторичные токи каждого из Тр ( 
) и линейный ток нагрузки 
. Нагрузку следует изменять от нуля до величины, при которой ток наиболее нагруженного Тр станет номинальным. В этом интервале достаточно установить 
значений нагрузки.
Таблицу для записи опытных данных составить самостоятельно. По полученным данным построить графики зависимостей
,
где 
, 
, 
,
– номинальные линейные вторичные токи Тр1 и Тр2.
Виды этих зависимостей для разных частных случаев приведены на рис. 3.9-3.11.
Рисунок 3.9 – Распределение нагрузок между параллельно
работающими трансформаторами при идеальных условиях параллельной работы
а) б)
Рисунок 3.10 – Распределение нагрузок между параллельно
работающими трансформаторами:
a – при неравенстве напряжений КЗ (uk(2) = 1,2uk(1));
б – при неравенстве коэффициентов трансформации (kЛ(2) = 0,98 kЛ(1))
Проанализировать отличие условий параллельной работы исследуемых трансформаторов от идеальных условий на основе полученных графиков , используя при этом сведения из учебников [1–5] и конспектов лекций, а также рисунки 3.9–3.10.
Контрольные вопросы
Ответы на первые семь вопросов необходимо дать перед выполнением лабораторной работы, ответы на остальные вопросы – при защите лабораторной работы.
1. Поясните назначение элементов на схеме экспериментального исследования параллельной работы Тр.
2. Как выполнить соединения трехфазной обмотки в звезду и треугольник?
3. Каковы правила нанесения буквенной маркировки на выводы фазных обмоток трехфазного Тр?
4. Что такое группа соединения Тр?
5. Как обозначаются схемы и группы соединений Тр?
6. Какие существуют методы проверки соответствия группы соединения заданной?
7. Каковы условия безаварийного включения двух трансформаторов на параллельную работу?
8. Как получить различные группы соединений и какие группы допускаются ГОСТом?
9. Что происходит при невыполнении каждого из условий включения Тр на параллельную работу?
10. Нарисовать схему исследования параллельной работы трехфазных двухобмоточных Тр. Как проводится опыт по исследованию параллельной работы?
11. Проанализировать зависимости 
параллельно работающих Тр.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Токарев Б.Ф. Электрические машины. - М.: Энергоатомиздат, 1990. – 624 с.
2. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины: В 2 ч. – М.: Высш. шк., 1987. - 319 с.
3. Сергенков Б.Н. Электрические машины: Трансформаторы. – М.: Высш.шк., 1989. – 351 с.
4. Гольдберг О.Д. Испытания электрических машин. – М.: Высш.шк., 1990. – 254 с.
5. Коварский Е.М., Янко Ю.Н. Испытания электрических машин. - М.: Энергоатомиздат, 1990. –319 с.
6. ГОСТ 3484.4-88. Трансформаторы силовые. Методы испытаний. – М.: Изд-во стандартов, 1995. – 55 с.
7. ГОСТ 11677-85. Трансформаторы силовые. Общие технические условия. – М.: Изд-во стандартов, 1977. – 55 с.
8. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей и правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей. - М.: Атомиздат, 1973. – 57 с.
9. ГОСТ 16110-80 (ст СЭВ 1103-78). Трансформаторы силовые. Термины и определения. – М.: Изд-во стандартов, 1980.
10. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учебник для студентов вузов. – М.: Высш. шк., 1978.-552 c.
11. Электротехнический справочник: В 3 т. М.: Энергоатомиздат, 1986. Т.1. Общие вопросы. Электротехнические материалы. – 520 с. Т.2. –Электротехнические устройства. – 712 с.
Учебно-практическое издание
ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВЫХ
ТРЁХФАЗНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Методические указания
к лабораторным работам по курсу “Электромеханика”
НОВОЧЕРКАССК 2006
УДК (076.5) 001.57:621.314.25
Рецензент – кандидат технических наук В.П. Гринченков
Составитель Пахомин С.А.
Исследование силовых трёхфазных трансформаторов: Методические указания к лабораторным работам по курсу “Электромеханика” /Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006. – 30 с.
Методические указания предназначены для проведения лабораторных исследований силовых трёхфазных трансформаторов студентами очной и заочной форм обучения специальностей 140106, 140203, 140211, 140601, 140602, 140604, 140204, 140205.
© Южно-Российский государственный технический университет, 2006
© Пахомин С.А., 2006
Лабораторная работа № 1