 |
Исследование несимметричной нагрузки трехфазного трансформатора
|
|
|
|
Цель работы: исследование влияния несимметричной нагрузки на симметрию напряжений при различных схемах соединения обмоток трансформатора и освоение методики опытного определения сопротивлений нулевой последовательности.
Содержание работы:
1. Ознакомиться с паспортными данными трансформатора.
2. Для схемы соединения трансформатора «звезда – звезда» (Y/Y) при однофазной и двухфазной нагрузке снять зависимости линейных и фазных напряжений вторичной обмотки, фазных напряжений и токов первичной обмотки, напряжение смещения нейтрали первичной обмотки трансформатора от тока нагрузки.
3. Для схемы соединения трансформатора «треугольник – звезда» (Δ/Y) при однофазной и двухфазной нагрузке снять зависимости линейных и фазных напряжений вторичной обмотки, линейные и фазные токи первичной обмотки трансформатора от тока нагрузки.
4. Определить сопротивление нулевой последовательности для схем Y/YN и Δ/YN.
5. По данным опытов п.п. 2 и 3 построить зависимости фазных напряжений вторичной обмотки от тока нагрузки и сравнить их между собой.
6. Для заданных точек из опытов п.п. 2 и 3 построить векторные диаграммы линейных и фазных напряжений вторичной обмотки и определить смещение нулевой точки в вольтах. По известным сопротивлениям нулевой последовательности и току нагрузки рассчитать смещение потенциала нулевой точки и сопоставить его с найденным графически из векторных диаграмм.
7. Рассчитать линейные токи первичной обмотки для п.п. 2 и 3 и сравнить их с опытными данными.
8. Дать оценку полученных результатов.
Выполнение работы
В эксплуатации трёхфазные трансформаторы могут быть нагружены несимметричной нагрузкой, при которой по отдельным фазам протекают разные токи. Это приводит к несимметрии напряжений являющейся нежелательной как для трансформатора, так и для потребителей электрической энергии. Так, например, асинхронные двигатели, присоединённые к сети с несимметричным напряжением, могут перегреваться из-за увеличенных потерь в них, что снижает срок их службы. Питание осветительной сети от трёхфазного трансформатора с несимметричным напряжением может привести к быстрому перегоранию ламп накаливания, если напряжение выше номинального, или недоиспользованию их световой энергии, если они включены на пониженное напряжение.
|
|
|
Кроме того, несимметричная нагрузка может неблагоприятно отражаться и на работе самого трансформатора: одни фазы его будут перегружены током, другие – недогружены, в нём могут возникнуть добавочные потери от токов нулевой последовательности (если они имеют место). Это приводит к увеличенному нагреву отдельных частей трансформатора и снижению его КПД.
Наиболее вероятная причина несимметричных явлений в трансформаторах – несимметричная нагрузка главным образом из–за неравномерности распределения по фазам однофазных потребителей – осветительных установок, однофазных асинхронных двигателей, однофазных сварочных аппаратов, выпрямительных установок однофазного тока и т. д. Кроме того, несимметричные режимы возможны при к. з. на линиях и обрывах проводов.
В настоящей работе проводятся исследования несимметрично нагруженного трансформатора при крайних случаях несимметрии нагрузки: однофазной и двухфазной.
Для исследования электрических несимметричных цепей применяется метод симметричных составляющих, согласно которому ток каждой фазы можно представить как сумму токов прямой, обратной и нулевой последовательностей.
Сопротивление для токов прямой и обратной последовательностей в трансформаторах одинаковы и равны сопротивлению короткого замыкания ZК. Поэтому токи прямой и обратной последовательности можно рассматривать совместно:
|
|
|
İа1 + İa2 = İa '
İb1 + İb2= İb ' (1)
İc1 + İc2= İc '
Фазные токи, учитывая равенство (1), можно записывать в следующем виде:
İа = İа ' + İа0
İb = İb ' + İb0 (2)
İc = İc ' + İc0,
где İa0 = İb0 = İc0 = İ0 − ток нулевой последовательности.
При несимметричной нагрузке ток нулевой последовательности появляется только в случаях, когда вторичная цепь трансформатора соединена с нагрузкой нулевым проводом. Токи нулевой последовательности создают потоки, имеющие во всех стержнях сердечника трансформатора в любой момент времени одинаковые направления и величину. Величина потока нулевой последовательности зависит от магнитного сопротивления пути, по которому он проходит, в связи с чем и величина сопротивления нулевой последовательности Z0 зависит от конструкции сердечника трансформатора. Наибольшее значение сопротивление нулевой последовательности имеет в трёхфазном групповом трансформаторе, а также в пятистержневом и броневом трансформаторах, где потоки нулевой последовательности замыкаются независимо друг от друга по стальным сердечникам, т. е. по путям с малым магнитным сопротивлением. В этом случае значение Z0 может приближаться к величине сопротивления холостого хода.
В трансформаторе с магнитосвязанной системой (трех стержневая конструкция) потоки нулевой последовательности трех фаз не могут замкнуться по стальному сердечнику, и вынуждены проходить по воздуху, т. е. по путям с большим магнитным сопротивлением, используя на своём пути стенки бака (в масляных трансформаторах) и металлические конструкции. В этом случае сопротивление Z0 может значительно меньше сопротивления холостого хода. На сопротивление Z0 в трансформаторах с магнитосвязанной системой большое влияние оказывает масляный бак.
В системах без нулевого провода (двухфазная нагрузка) в фазах вторичной обмотки будут протекать токи только прямой и обратной последовательностей, которые магнитно уравновешены токами первичной цепи в каждой фазе. В этом случае каждую фазу трехфазного трансформатора можно рассматривать как однофазный трансформатор.
|
|
|
Если первичная обмотка соединена в звезду (рис.7.1), то в ней ток нулевой последовательности протекать не может. Поэтому в первичную обмотку в этом случае будут трансформироваться токи только прямой и обратной последовательностей.
При соединении первичной обмотки в треугольник (рис.7.2) в ней будут трансформироваться токи как прямой, обратной, так и нулевой последовательностей. В этом случае каждую фазу трёхфазного трансформатора можно рассматривать как однофазный трансформатор.
До выполнения экспериментальной части работы необходимо ознакомиться с паспортными данными трансформатора и произвести расчёт номинальных токов первичной и вторичной обмоток трансформатора и привести их отчете.
При проведении опытов перед включением в сеть первичной обмотки трансформатора (автомат QF1) необходимо установить максимальным сопротивление нагрузки R1. После включения в сеть первичной обмотки уменьшают сопротивление нагрузки и устанавливают заданный ток во вторичной обмотке трансформатора.
Для экспериментального исследования соединения обмоток Y/YN и однофазной нагрузки собирается схема рис.7.1а; для соединения обмоток Y/Y и двухфазной нагрузки схема рис. 7.1б. Опыты проводятся для трёх значений тока нагрузки: 0; 0,5IH; IH. Данные измерений заносятся в таблицу 7.1. Измерение токов и напряжений первичной обмотки трансформатора производится измерительным комплектом К505. Измерение напряжений вторичной обмотки производится вольтметром V1.
Опытные данные распределения токов первичной обмотки могут быть проверены путём их сопоставления с расчётными, полученными по приводи-
мым ниже соотношениям (для абсолютных значений), в которых ток холостого хода принят равным нулю.
1. Схема Y/YN однофазная нагрузка (рис.7.1а).
Во вторичной обмотке трансформатора будут протекать токи всех трёх последовательностей. По нулевому проводу протекает ток, равный сумме токов нулевой по-
Таблица 7.1
Данные несимметричной нагрузки для схем Y/YN и Y/Y
|
|
|
| № п.п. | Первичная обмотка | Вторичная обмотка | |||||||||||||||
| UА | UВ | UС | UО | IА | IВ | IС | Ua | Ub | Uc | Uab | Ubc | Uac | Ia | ||||
| В | В | В | В | А | А | А | В | В | В | В | В | В | А | ||||
| Схема Y/YN. Однофазная нагрузка | |||||||||||||||||
| Схема Y/Y. Двухфазная нагрузка | |||||||||||||||||
следовательности трёх фаз. Значение тока нулевой последовательности фазы равно: 
İа0=İb0=İc0= 
İн. (3)
Токи в фазах вторичной обмотки равны:
İа= İн (4)
İb= İc=0.
Из равенства (2)÷(4) определим составляющие токов фаз, равные сумме токов прямой и обратной последовательностей:
İ ' а = İа − İа0 = 
İн;
İ ' b = İb − İb0 = − 
İн;
İ ' с = İс − İс0 = − 
İн.
Ток нулевой последовательности в первичной обмотке, соединённой в звезду без нулевого провода, протекать не может, так как для него нет проводящего контура. Поэтому токи первичной обмотки будут равны:
IА = 
= 
;
IB = 
= 
;
IC = 
= ,
где k = 
= 
− коэффициент трансформации.
Приведённые уравнения показывают, что, хотя на вторичной стороне нагружена лишь одна фаза, в первичной обмотке ток протекает по всем трём фазам. Это объясняется тем, что в трансформаторе при соединении его обмоток по схеме Y/YN трансформируются только токи прямой и обратной последовательностей, ток же нулевой последовательности не трансформируется и протекает только по фазам вторичной обмотки.
Ток нулевой последовательности, являясь намагничивающим, создаёт магнитный поток нулевой последовательности Фо, одинаковый по величине и направлению во всех трёх стержнях трансформатора. Потоки Фо отдельных фаз замыкаются от ярма к ярму через немагнитную среду и стенки бака, вызывая в нем добавочные потери и нагрев.
Во всех фазах первичной и вторичной обмоток трансформатора потоки Фо индуктируют ЭДС нулевой последовательности Ео, которая определяет смещение потенциала нулевой точки и нарушение равенства фазных напряжений обеих обмоток.
2. Схема Y/Y двухфазная нагрузка (рис.7.1б).
Линейные токи вторичной обмотки для этого случая:
Ia = Ib = IH; Ic = 0.
Линейные токи первичной обмотки равны фазным токам:
IA= IAф= 
; IB= IBф= 
; IC= IСф= 0.
Приведённые формулы показывают, что при соединении обмоток по схеме Y/Y при несимметрии нагрузки намагничивающие силы первичной и вторичной обмоток на каждом стержне трансформатора уравновешивают друг друга, и магнитный поток нулевой последовательности поэтому не возникает. Каждую фазу трансформатора можно в этом случае рассматривать независимо от других фаз, то есть как однофазный трансформатор.
|
|
|
3. Однофазная нагрузка для схемы Δ /YN (рис.7.2а).
Нагружена фаза а-х вторичной обмотки. Токи этой обмотки:
Iа = IН; Ib = Ic = 0.
Токи в фазах первичной обмотки:
Таблица 7.2
Данные несимметричной нагрузки для схем Δ/YN и Δ/Y
| № п.п. | Первичная обмотка | Вторичная обмотка | |||||||||||
| IА | IB | IC | IAф | IBф | ICф | Ua | Ub | Uc | Uab | Ubc | Uca | Ia | |
| А | А | А | А | А | А | В | В | В | В | В | В | А | |
| Схема Δ/YN. Однофазная нагрузка | |||||||||||||
| Схема Δ/Y. Двухфазная нагрузка | |||||||||||||
IAф = 
= 
; IBф = ICф = 0.
При соединении обмоток по схеме Δ/YN во вторичной обмотке появляется ток нулевой последовательности, который в данном случае будет трансформироваться в первичную обмотку, соединённую треугольником, представляющим для фазных токов нулевой последовательности, не имеющих временного сдвига, замкнутый контур. По закону Ленца этот ток создаёт поток, направленный навстречу потоку вторичной обмотки Ф0, и будет в значительной мере его ослаблять. Поэтому смещения потенциала нулевой точки вторичной обмотки будет незначительным.
Линейные токи первичной обмотки, определяемые соотношениями
IA = 
; IB = 0; IC = ,
не имеют составляющих нулевой последовательности.
4. Двухфазная нагрузка для схемы Δ/Y (рис.7.2б).
Токи вторичной обмотки: Ia = Ic = IH; Ib = 0.
Фазные токи первичной обмотки:
IAф = = 
; IBф = 
= 0; IСф = 
= 
.
Линейные первичные токи:
İА = İАф – İВф; İВ = İВф – İСф; İС = İСф − İАф.
При переходе к абсолютным значениям при условии IВф= 0 линейные токи могут быть записаны в следующем виде:
IA = ; IB = ; IC = + .
Уравнения для фазных токов показывают, что и в схеме Δ/Y при несимметричной нагрузке имеется равновесие намагничивающих сил первичной и вторичной обмоток на каждом стержне трансформатора, поэтому отсутствует магнитный поток нулевой последовательности.
|
|
|
