Как согласовать два трансформатора

Обновлено: 25.06.2024

Параллельная работа трансформаторов, т. е. включение их на одни сборные шины ВН и НН, а также СН, возможна: а) при равенстве их первичных и их вторичных напряжений; б) при равенстве напряжений короткого замыкания; в) тождественности групп соединения обмоток. На этих же условиях возможна параллельная работа и автотрансформаторов, а также трансформаторов с автотрансформаторами.

У трансформаторов, имеющих разные номинальные напряжения или разные коэффициенты трансформации, напряжения на зажимах вторичных обмоток неодинаковы. При включении таких трансформаторов на параллельную работу в замкнутых контурах первичных и вторичных обмоток возникнут уравнительные токи, обусловленные разностью вторичных напряжений.

Уравнительный ток равен:

где DU=U1-U2

— разность вторичных напряжений трансформаторов;
ZK1 и ZK2
— сопротивления первого и второго трансформаторов, определяемые по формуле

— напряжение КЗ трансформатора.

Два трансформатора с разными значениями вторичных напряжений включаются на параллельную работу. Трансформаторы имеют следующие параметры:
S1=S2=10000 кВ·А
;
U1=6600 В
;
U2=6300 В
;
uk1=uк2=8%
; группы соединения обмоток U/D-11. Определить уравнительный ток после включения на параллельную работу.

. Номинальные токи трансформаторов

Сопротивления трансформаторов

Разность вторичных напряжений

Уравнительный ток

Из примера видно, что при неравенстве вторичных напряжений трансформаторы будут загружаться уравнительным током даже в режиме холостого хода. При работе под нагрузкой уравнительный ток налoжится на ток нагрузки. Уравнительный ток, загружая обмотки трансформаторов, увеличивает потери энергии в них и снижает суммарную мощность подстанции. Поэтому разность вторичных напряжений при включении трансформаторов на параллельную работу должна быть минимальной. Отклонения по коэффициенту трансформации допускаются в пределах ±0,5% номинального значения. Напряжение короткого замыкания ик

является постоянной для каждого трансформатора величиной, зависящей исключительно от его конструкции. При работе трансформатора под нагрузкой необходимо равенство их
ик
. Это объясняется тем, что нагрузка между трансформаторами распределяется прямо пропорционально их мощностям и обратно пропорционально напряжениям короткого замыкания. В общем случае неравенство
ик
приводит к недогрузке одного трансформатора и перегрузке другого. Если два трансформатора номинальной мощности
S1
и
S2
имеют различные напряжения короткого замыкания
uк1
и
uк2
соответственно, то распределение общей нагрузки
S
между ними определяется по формуле

. На параллельную работу включаются два трансформатора мощностью
S1=S2=10000 кВ·А
, имеющих напряжения короткого замыкания
uк1
=8%,
uк2
=6,5%. Суммарная мощность нагрузки потребителей
S
=20000 кВ·А. Определить, как распределится нагрузка между трансформаторами.

Эквивалентное напряжение короткого замыкания

Нагрузки трансформаторов

Таким образом, при включении на параллельную работу трансформаторов с различными напряжениями короткого замыкания трансформатор с меньшим Uk

примет на себя бόльшую нагрузку. Некоторое перераспределение (выравнивание) нагрузки в данном случае можно получить путем изменения коэффициента трансформации, т. е. повышением вторичного напряжения недогруженного трансформатора. Но пользоваться этим способом в эксплуатации не следует, так как при этом возрастают потери от уравнительного тока.

Наилучшее использование установленной мощности трансформаторов возможно только при равенстве напряжений короткого замыкания. Однако в эксплуатации допускается включение на параллельную работу трансформаторов с отклонениями ик

на основном ответвлении не более чем на ± 10%. Такое допущение связано с технологией изготовления трансформаторов, т. е. с отступлениями в размерах обмоток, влияющих на
ик
.

Рис. 1. 8. Разность напряжений ДU при сдвиге векторов вторичных напряжений U1 и U2 по фазе на угол d

Не рекомендуется включение на параллельную работу трансформаторов с отношением номинальных мощностей более 1:3. Это вызвано тем, что даже при небольших перегрузках трансформаторы меньшей мощности будут больше загружаться в процентном отношении и, особенно в том случае, если они имеют меньшие ик

. Поэтому при отношении мощностей трансформаторов более 1: 3 целесообразно при возрастании нагрузок совсем отключить трансформатор меньшей мощности, чтобы не подвергать его недопустимой перегрузке.

Параллельная работа трансформаторов, принадлежащих к разным группам соединений обмоток, невозможна по той причине, что между вторичными обмотками одноименных фаз соединяемых трансформаторов появляется разность напряжений, обусловленная углом сдвига 5 между векторами вторичных напряжений (рис. 1.8). Уравнительный ток при сдвиге векторов на угол 5 определяется по формуле:

и
uк2
— напряжения короткого замыкания первого и второго трансформаторов;
I1 и I2
— номинальные токи первого и второго трансформаторов соответственно.

Подсчитаем значение уравнительного тока, предположив, что на параллельную работу оказались включенными два трансформатора с одинаковыми номинальными токами (
I
1=
I
2=
I
) и одинаковыми напряжениями короткого замыкания (
uk1=ик2=ик
), но при наличии сдвига векторов линейных напряжений вторичных обмоток на угол 60° (например, группы соединений Y/D-11 и Y/D-1). В этом случае уравнительный ток равен:

Например, при ик

=6,5% уравнительный ток достигает почти восьмикратного значения номинального, что равносильно короткому замыканию.

Группы соединения обмоток в ряде случаев могут быть изменены путем перемаркировки выводов и соответствующего присоединения к ним шин. В других случаях необходимо вскрытие трансформатора для изменения группы соединения его обмоток.

Требования сети

Включение трансформаторов на параллельную работу вызвано определенными особенностями эксплуатации электроустановок. Представленный подход позволяет решить проблемы электроснабжения.

При параллельном подключении силовых трансформаторов удается избежать увеличения токов основного устройства. Система менее подвержена перегрузкам. В процессе параллельного подключения обмоток трансформатора уменьшается показатель сбоев в работе электросети. Вероятность, что не будут работать сразу два трансформаторных устройства, крайне мала.

При эксплуатации силового оборудования высокой мощности необходимо обеспечить достаточное пространство (в высоту) для установки агрегата. В небольшом помещении допускается параллельная работа трансформаторов, согласно ПУЭ. На территории одной электроустановки со стандартными размерами пространства возможно использовать необходимое количество силовой аппаратуры. Для увеличения продуктивности, безопасности работающих от разных источников агрегатов, потребуется правильно создать параллельное соединение обмоток.

Условия

Существуют определенные условия параллельной работы трансформаторов. Всего установлено 5 пунктов. Включенные приборы работают правильно при следующих условиях:

Фазировка. Выполнение этого условия трансформаторами является обязательным. Иначе будет наблюдаться короткое замыкание. Токи вторичных цепей позволяют выполнить фазировку. Фазы соединений согласовываются со стороны низкого, высокого напряжения.
Напряжение на обмотках вторичных и первичных катушек при соединении должно быть разным. Это условие выполняется с соблюдением особенностей изоляции. Коэффициент трансформации всех элементов системы должен быть идентичным. Соединить устройство допускается, если отклонение показателя не превышает 0,5 %.
Напряжение короткого замыкания равно для всех агрегатов. Это способствует выполнению обмотками установленных функций. Сопротивление контура возрастает при высоком напряжении короткого замыкания. Увеличивая его уровень для маломощного агрегата, можно получить перегрузку. Для нормальных условий функционирования системы при выполнении стандартов отклонение между показателями короткого замыкания устройств не превышает 10%.
Включить параллельным соединением допускается одинаковые обмотки, соответствующие друг другу. При несоблюдении этого условия работающими приборами вырабатываются уравнительные токи. Наблюдается сдвиг фазы.
Мощность аппаратуры не должна отличаться в 3 раза. Это является важным условием правильной работы системы. В противном случае мощный прибор увеличивает нагрузку на следующие приборы. Маломощные агрегаты будут перегружены. Соединять подобные устройства запрещается правилами безопасности.

Следуя перечисленным условиям, обеспечивается стабильная, эффективная работа силового оборудования. Безопасность и надежность функционирования системы повышается.

Выполнение фазировки

Чтобы избежать появления короткого замыкания, на низшем выводе напряжения проводится фазировка. Если этот показатель в указанной точке не превышает 1000 В, применяется вольтметр. Его настраивают на соответствующий уровень напряжения.

Фазируемые обмотки соединяют. Это позволит получить замкнутый контур. Обмотки могут иметь заземленную нейтраль или выпускаться без нее. В первом случае контур замыкается через землю. Сопротивление между выводами замеряется. Результат сопоставляется с указанными производителем значениями.

Если нейтраль в конструкции не предусмотрена, потребуется ставить последовательно перемычку между соответствующими выводами двух трансформаторов. Между ними замеряют напряжение. Чтобы обеспечить безопасную работу агрегатов, соединяют те выводы, между которыми при замере не было напряжения.

Рассмотрев особенности параллельного соединения трансформаторных устройств, а также условия и рекомендации по проведению этого процесса, можно обеспечить стабильную и безопасную работу системы. Это предоставляет массу преимуществ в процессе энергоснабжения потребителей электричеством.

Невыполнение условий

Если не соблюдается хотя бы одно из условий, следует ожидать сбоев в работе оборудования. Нужно знать, в каком случае эксплуатация коммутированной установки будет небезопасной.

При использовании разных типов соединения появляется сдвиг фаз. При этом по контурам будет бежать ток, превышающий установленные производителем параметры. Максимальное увеличение значения появляется при возникновении короткого замыкания. Сдвиг фазы при этом составляет 180º для трансформаторов с группами обмоток 12 и 6.

Следующая небезопасная ситуация возможна при неравенстве коэффициентов трансформации. Во вторичной обмотке появится результирующее напряжение. Электричество будет протекать по цепи на холостом ходу.

При несовпадении показателей короткого замыкания будут неравны внутренние сопротивления. На холостом ходу электричество не появится, но нагрузка распределится в обратной зависимости от их сопротивления. Маломощный агрегат в такой ситуации будет перегружен.

Достоинства и недостатки

Среди достоинств рассматриваемого типа включения следует отметить следующие:

увеличение допустимой мощности потребителей;
возможность горячего резервирования питания особо требовательных групп потребителей;
улучшение условий охлаждения устройств;
возможность оперативного регулирования количества подключенных устройств в условиях значительного изменения мощности потребителей.

При проектировании питающих установок нужно учитывать, что параллельные схемы включения не лишены недостатков:

усложнение за счет установки коммутирующих и соединительных устройств;
необходимость установки однотипных устройств;
увеличение габаритов помещения;
сложность подключения.

Введение

Для подачи нагрузки, превышающей номинал существующего трансформатора, два или более трансформатора могут быть подключены параллельно с существующим трансформатором. Трансформаторы подключаются параллельно, когда нагрузка на один из трансформаторов больше, чем его емкость.

Принципы трансформаторов в параллельном соединении (часть 1)

Надежность увеличивается при параллельной работе, а не на одном большом блоке.

Стоимость, связанная с поддержанием запасных частей, меньше, когда два трансформатора соединены параллельно. Обычно экономично устанавливать другой трансформатор параллельно вместо замены существующего трансформатора на один большой блок.

Стоимость запасного устройства в случае двух параллельных трансформаторов (одинакового номинала) также ниже стоимости одного большого трансформатора. Кроме того, предпочтительнее иметь параллельный трансформатор по причине надежности.

Уравнительный ток равен:

где DU=U1-U2

— напряжение КЗ трансформатора.

. Номинальные токи трансформаторов

Сопротивления трансформаторов

Разность вторичных напряжений

Уравнительный ток

Эквивалентное напряжение короткого замыкания

Нагрузки трансформаторов

Рис. 1. 8. Разность напряжений ДU при сдвиге векторов вторичных напряжений U1 и U2 по фазе на угол d

Например, при ик

Требования сети

Условия

Фазировка. Выполнение этого условия трансформаторами является обязательным. Иначе будет наблюдаться короткое замыкание. Токи вторичных цепей позволяют выполнить фазировку. Фазы соединений согласовываются со стороны низкого, высокого напряжения.
Напряжение на обмотках вторичных и первичных катушек при соединении должно быть разным. Это условие выполняется с соблюдением особенностей изоляции. Коэффициент трансформации всех элементов системы должен быть идентичным. Соединить устройство допускается, если отклонение показателя не превышает 0,5 %.
Напряжение короткого замыкания равно для всех агрегатов. Это способствует выполнению обмотками установленных функций. Сопротивление контура возрастает при высоком напряжении короткого замыкания. Увеличивая его уровень для маломощного агрегата, можно получить перегрузку. Для нормальных условий функционирования системы при выполнении стандартов отклонение между показателями короткого замыкания устройств не превышает 10%.
Включить параллельным соединением допускается одинаковые обмотки, соответствующие друг другу. При несоблюдении этого условия работающими приборами вырабатываются уравнительные токи. Наблюдается сдвиг фазы.
Мощность аппаратуры не должна отличаться в 3 раза. Это является важным условием правильной работы системы. В противном случае мощный прибор увеличивает нагрузку на следующие приборы. Маломощные агрегаты будут перегружены. Соединять подобные устройства запрещается правилами безопасности.

Выполнение фазировки

Невыполнение условий

Достоинства и недостатки

Среди достоинств рассматриваемого типа включения следует отметить следующие:

увеличение допустимой мощности потребителей;
возможность горячего резервирования питания особо требовательных групп потребителей;
улучшение условий охлаждения устройств;
возможность оперативного регулирования количества подключенных устройств в условиях значительного изменения мощности потребителей.

усложнение за счет установки коммутирующих и соединительных устройств;
необходимость установки однотипных устройств;
увеличение габаритов помещения;
сложность подключения.

Введение

Принципы трансформаторов в параллельном соединении (часть 1)

Надежность увеличивается при параллельной работе, а не на одном большом блоке.

Давайте попробуем разобраться, как можно соединить между собой обмотки трансформатора. Будем разбираться с обычными, довольно маломощными трансформаторами, которые применяются в электронике.

Если посмотреть на схему трансформатора, то иногда можно заметить точки у некоторых выводов обмоток (пример).

Точки на графическом обозначении у краёв обмоток трансформатора обозначают начала этих обмоток.

Следует отметить, что точка, поставленная у одного из выводов обмотки, характеризуют направление намотки обмотки, от чего зависит полярность мгновенного значения напряжения между выводами данной обмотки (говоря по-научному — фаза выходного напряжения). Выводы, обозначенные точками, условно называются началами обмоток, а противоположные — концами обмоток.

Обозначения одноименных выводов обмоток условно: точки можно перенести на противоположные выводы всех обмоток одного и того же трансформатора — соотношение фаз выходных напряжений обмоток между собой не изменится.

Значение и направление переменной величины, соответствующее данному моменту времени, называется мгновенным значением переменной величины.

Знание выводов начала и конца обмоток значительно облегчает правильное соединение обмоток между собой или их правильное включение в электрическую схему, когда её работа зависит от взаимной фазировки подводимых напряжений.

Фазы подводимого к трансформатору напряжения (напряжения на первичной обмотке) и напряжений на вторичных обмотках совпадают.

Последовательное соединение первичных обмоток трансформатора.

Наиболее часто последовательное соединение первичных обмоток применяется в трансформаторах, выполненных на П-образном сердечнике с неразветвленным магнитным потоком (например сердечники типа ПЛ), обмотки которых выполнены симметрично на двух катушках (Рис. 1.).

Рис. 1. Внешний вид трансформатора на сердечнике типа ПЛ.

В этом случае обмотки включаются последовательно согласно (синфазно). Рабочее напряжение, подводимое к соединённым подобным образом обмоткам, равно сумме рабочих напряжений каждой из обмоток. Подробно включение обмоток подобных трансформаторов рассматривается далее.

Встречное (противофазное) включение первичных полуобмоток, выполненных на общем сердечнике типа ПЛ — запрещено. Данные полуобмотки, выполненные на двух абсолютно одинаковых катушках, имеют одинаковые параметры. При встречном включении их индуктивности взаимно компенсируются, и общая индуктивность всей первичной обмотки становится равной нулю. Поэтому нагрузкой сети будет являться только активное сопротивление провода этих обмоток, которое составляет доли ома. Результат — выход трансформатора из строя.

Сейчас более тщательно рассмотрим последовательное включение первичных обмоток двух различных трансформаторов (Рис. 2а). Показанная схема приводилась, как рекомендуемая, на одном из форумов. Вопрос стоял так:

Рис. 2. Последовательное включение первичных обмоток трансформаторов.

Пока не будем рассматривать соединение вторичных обмоток, а сосредоточимся на соединении первичных. На Рис. 2б приведена эквивалентная схема включения входных цепей двух трансформаторов. R_эTV1 — эквивалентное сопротивление трансформатора TV₁, R_эTV2 — TV₂. В режиме холостого хода (без нагрузки) или при одинаковой нагрузке трансформаторов напряжение сети U_сети делится поровну между одинаковыми эквивалентными сопротивлениями и составляет 110 В.

Из схемы видно, что трансформатор TV₁ питает цепь только положительного выходного напряжения, а трансформатор TV₂ — только отрицательного. Вполне возможен режим работы, когда вся нагрузка подключается только, например, к выходу положительного напряжения, а отрицательный вывод лабораторного БП остается отключенным. Тогда вся нагрузка приложена к трансформатору TV₁, а TV₂ при этом работает практически в режиме холостого хода.

Соотношение эквивалентных входных сопротивлений трансформаторов изменяется. Эквивалентное входное сопротивление трансформатора TV₁ падает, а эквивалентное сопротивление трансформатора TV₂ остается неизменным. Поэтому напряжения на первичных обмотках трансформаторов также изменяются — напряжение на входе TV₁ — U_TV1 уменьшается, а на входе TV₂ увеличивается на эту же величину, так как их сумма (напряжение сети) остается неизменной. То есть, это явление может привести к значительной перегрузке трансформаторов по величине входного напряжения и, при длительном её воздействии, даже к выходу их из строя.

Дополнительная нестабильность входного напряжения двух трансформаторов, которая возникает из-за последовательного включения их первичных обмоток, не добавляет популярности подобному включению, поэтому на практике оно применяется крайне редко.

Коротко условия последовательного включения первичных обмоток трансформаторов можно сформулировать следующим образом:

последовательно можно включить первичные обмотки двух конструктивно одинаковых трансформаторов с одинаковыми параметрами;

нагрузки обоих трансформаторов в процессе работы должны быть равны друг другу при любом режиме работы (от холостого хода до полной нагрузки).

В полной мере этим условиям удовлетворяют только разделенные на две одинаковые катушки обмотки трансформаторов на сердечниках типа ПЛ. Поэтому последовательное включение первичных полуобмоток широко применяется практически только в этих трансформаторах для взаимного соединения одинаковых половин обмоток одного трансформатора.

Параллельное соединение первичных обмоток трансформаторов.

Пример параллельного включения первичных обмоток двух трансформаторов питания приведен на Рис. 3.

Параллельное соединение первичных обмоток трансформаторов применяется каждым из нас практически ежедневно. Каждый день мы включаем в общую сеть ~220 вольт множество электронной аппаратуры, оснащенной силовыми трансформаторами питания. При этом никаких вопросов и сомнений по поводу мощности или фазировки первичных обмоток этих трансформаторов у нас не возникает.

Поэтому можно сделать вывод, что параллельно можно включать первичные обмотки трансформаторов любой мощности и любой конструкции. Взаимная фазировка первичных обмоток имеет смысл только при непосредственном соединении между собой также и вторичных обмоток подключаемых трансформаторов, например, как показано на Рис. 3.

Рис. 3. Параллельное соединение первичных обмоток трансформаторов.

Последовательное соединение вторичных обмоток трансформатора.

Чаще всего применяется последовательное соединение вторичных обмоток трансформаторов. Пример такого соединения приведен на Рис. 4а — согласное (синфазное) соединение, Рис. 4б — встречное (противофазное) соединение.

Рис. 4. Последовательное включение вторичных обмоток трансформатора.

При синфазном соединении конец одной обмотки соединяется с началом другой. Результирующее выходное напряжение такого соединения будет равно сумме выходных напряжений каждой обмотки, так как переменные выходные напряжения обмоток находятся в фазе.

Максимальная величина тока, получаемого от такой составной обмотки, не должна превышать меньший из максимально допустимых токов у любой из соединяемых обмоток. В противном случае — перегрев более слабой по току обмотки (меньший диаметр провода), выход трансформатора из строя.

Практически все взаимные подключения вторичных обмоток трансформаторов производятся последовательно-синфазно. Этим способом можно соединять обмотки с любым напряжением и максимально-допустимым током.

При таком соединении выходное напряжение будет равно разности напряжений обмоток. Подробно сложение противофазных величин описано в статье Фаза. Разность фаз.

Напряжения и максимально-допустимые токи каждой из обмоток могут быть любыми. То есть все особенности этого подключения, как и у последовательно-синфазного способа. И, так-же, максимальная величина тока, получаемого от такой составной обмотки, не должна превышать меньший из максимально допустимых токов у любой из соединяемых обмоток.

Для понимания работы противофазного соединения обмоток одного трансформатора удобно представить их в виде встречно включенных бифилярных обмоток. В такой бифилярной катушке магнитный поток, создаваемый током каждого витка одной обмотки, компенсируется магнитным потоком, создаваемым током через соответствующий виток другой обмотки. Суммарный поток соответствующих витков обеих катушек равен нулю (Рис. 5).

Рис. 5. Бифилярная намотка, не обладающая индуктивностью.

Общий поток суммы компенсирующих друг друга витков также равен нулю, поэтому не оказывает никакого влияния на магнитный поток сердечника и, таким образом, никак не влияет на мощность, потребляемую из сети. Но остаются витки в большей из обмоток, магнитный поток которых не компенсируется витками другой обмотки. Вот только эта избыточная часть витков большей обмотки и будет в полной мере учавствовать в работе трансформатора.

Основной недостаток такого соединения — увеличение сопротивления составной обмотки по сравнению с отдельной обмоткой на это же выходное напряжение (соответственно увеличение расхода меди, увеличение места, занимаемого обмотками, снижение КПД трансформатора).

Совсем другая картина возникает при встречном (противофазном) соединении обмоток разных трансформаторов. В этом случае катушки нельзя рассматривать, как бифилярные — сердечники у трансформаторов разные и магнитные потоки каждой обмотки никак не взаимодействуют друг с другом, потому что сосредоточены каждый в своём сердечнике.

Поэтому мощность, потребляемая от сети больше и равна сумме мощностей каждой отдельной обмотки, в отличие от тех же обмоток на одном трансформаторе, где мощность получаемая от сети примерно равна мощности только нескомпенсированной части большей обмотки. Напряжение составной обмотки всё также равно разности напряжений входящих в неё обмоток.

Последовательно-противофазное включение обмоток применяется очень редко, практически только для экспериментальных целей.

Параллельное соединение вторичных обмоток трансформатора.

Параллельное соединение вторичных обмоток может применятся, если ток, получаемый от одной обмотки, слишком мал для нормальной работы устройства. В этом случае можно соединить параллельно несколько обмоток с одинаковыми выходными напряжениями. Результирующий выходной ток такого соединения будет равен сумме выходных токов каждой обмотки. Выходное напряжение равно выходному напряжению одной обмотки.

Параллельное соединение вторичных обмоток показано на Рис 6.

Рис. 6. Параллельное включение вторичных обмоток трансформатора.

Рассмотрим требования, предъявляемые к обмоткам при их параллельном соединении.

Применяется только синфазное параллельное соединение обмоток (Рис 6а).

При параллельном-синфазном соединении начало одной обмотки соединяется с началом второй, конец первой — с концом второй.

При противофазном параллельном соединении (Рис 6б), начало одной обмотки соединяется с концом другой (получается последовательное синфазное соединение — выходное напряжение равно сумме выходных напряжений каждой обмотки), оставшиеся свободные концы так-же соединяются — получается короткое замыкание общей, объединенной обмотки и выход трансформатора из строя.

Поэтому параллельное противофазное соединение обмоток применять нельзя, что и показано на Рис. 6б.

Параметры соединяемых обмоток (выходное напряжение и максимально-допустимый ток) должны быть одинаковы.

Лучше соединять параллельно одинаковые обмотки одного трансформатора. Допускается разброс параметров обмоток до 3%. При увеличении разброса параметров возникают уравнивающие токи между параллельно соединенными обмотками трансформатора, которые никак не попадают в нагрузку и могут достигать значительной величины. Это резко снижает КПД трансформатора, увеличивает его нагрев, может привести к выходу из строя.

А мы рассмотрим специфику соединения обмоток трансформаторов, выполненных на сердечниках типа ПЛ. Основная особенность таких трансформаторов состоит в том, что их обмотки выполняются в виде двух абсолютно одинаковых катушек, располагаемых на двух разных кернах одного сердечника (посмотреть).

Конечно, существуют трансформаторы на стержневых сердечниках, обмотки которых выполнены на одной катушке (пример). Но подключение их обмоток ничем не отличается от описанных в части 1 этой статьи, поэтому сейчас они не рассматриваются.

Все обмотки трансформатора делятся пополам. Каждая полуобмотка наматывается на своей катушке. При включении в схему все полуобмотки одной катушки соединяются с соответствующими полуобмотками другой катушки последовательно-синфазно.

В исключительных случаях допускается параллельное соединение одинаковых полуобмоток одного трансформатора для увеличения отдаваемого тока. Но при этом необходим контроль за изменением режима работы трансформатора, хотя бы по изменению тока холостого хода.

Расположение всех обмоток на двух катушках снижает расход медного провода, улучшает теплоотвод от внутренних витков катушек, дает другие преимущества. Для упрощения и удешевления производства обе катушки наматываются по одной технологической схеме, то есть имеют одинаковое направление намотки. Этот факт немного усложняет правильное взаимное соединение обмоток.

Рис.1. Трансформатор на сердечнике типа ПЛ.

С точки зрения технологии (порядка изготовления катушек) — всё правильно. Намотка обеих катушек начинается, например, от вывода 3 (3’). Теперь посмотрим на Рис.1б, где изображены две одинаковые катушки, с одинаковым направлением намотки на сердечнике. Соединим их между собой, как указано на Рис.1а, то есть конец одной с концом другой.

Также на Рис.1б показано мгновенное направление тока через катушки стрелками зеленого цвета. В скобках около выводов катушек указана мгновенная полярность подводимого переменного напряжения. Теперь определим направление магнитного потока через катушки с помощью правила правой руки для соленоида.

Если обхватить соленоид ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца были направлены вдоль тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.

Для удобства над каждой катушкой нарисована ладонь правой руки. Направление магнитного поля внутри катушки указано красной стрелкой. Направление магнитного потока Ф₀ внутри сердечника совпадает с направлениями магнитных полей катушек, по величине равно сумме магнитных потоков каждой катушки и показано штрих-пунктирной линией красного цвета.

Если поменять местами выводы любой из катушек, то направление магнитного поля этой катушки изменится на противоположное. Поэтому магнитные потоки каждой катушки в сердечнике будут компенсировать друг друга и общий магнитный поток станет равным нулю.

Трансформатором называют приспособление, задача которого заключается в изменении напряжения переменного тока на переменный ток другого напряжения. Такие преобразователи являются неотъемлемыми элементами различных электрических систем таких как:

сварочные аппараты;
нагревательные аппараты;
выпрямительные устройства.

В данной статье речь пойдет о такой разновидности преобразующих устройств, как – согласующий трансформатор.

Сущность и принцип действия

Согласующий трансформатор (далее СТ) использует согласование импедансов различных частей электрической цепи во время трансформации и передачи электросигналов. Трансформаторные устройства согласовывают источник поступаемого сигнала с входным импедансом каскада в усилителях с низкими частотами (УНЧ).

Усилители низкой частоты – приспособления, увеличивающие частоты электрических волн до диапазона частот слышимых человеком (20 Гц – 20 кГц). Такие усилители используют как отдельное устройство либо применяют, как часть более сложного.

Примеры приборов с наличием усилителя:

микрофон;
телевизор;
радиоприемник и т.п.

1. Подложки диэлектрической; 2-4. Проводников; 5. Полоскового проводника; 6. Металлизации; 7. Контура щелевого; 8. Пластины ферритной; 9. Металлизации; 10–11. Зазоров; 12-13. Вспомогательных щелевых участков.

Принцип работы заключается:

Первичная обмотка 4 получает входной сигнал. Пластина 8 и металлизация 6 играют роль связующего звена между проводниками 2-4.
Затем вводятся новые элементы:
1. с одной стороны проводник 4 диэлектрической подложки;
2. с обратной – металлизация.
Коммутация проводников 2-4 обеспечивает уменьшение частоты в 2 раза. Данный вариант конфигурации СТ становится проще, отсутствует контакт между слоями. Согласующее устройство может быть исполнено как фрагмент печатной платы более усложненной схемы.

Конструкция

Устройства данного типа в своих конфигурациях используют ряд базовых элементов такие как:
- магнитный проводник;
- корпус для витков;
- сами обмотки;
- прочие вспомогательные элементы (крепежные фрагменты, средства защиты трансформатора).
СТ изготавливаются из магнитных проводников высокого качества. Существуют разновидности малых и больших размеров.
1. Конструктивные особенности СТ малых габаритов:
  1. пластины сердечника не нуждаются в дополнительной изоляции;
  2. каждая пластина имеет оксидную пленку, которая и образует изоляцию.
  1. пластины сердечника изолируются, путем покрытия с одной стороны изолирующего лака;
  2. устройства такой конфигурации используются при напряжениях на виток порядка менее десятых Вольта либо выше.
  Обмотки вокруг магнитопровода, как правило, наматывают из медной изолированной проволоки круглого сечения. Проводник прямоугольного сечения применяется в случае использования большого сечения, около 5-10 мм2.
  
  Корпус такого трансформатора зачастую выполняется цилиндрическим. Такая конструкция более проста в изготовлении и имеет меньшую величину индуктивности рассеяния.
  
  Сердечник отбирается по 2-м критериям:
  - конструкционная постоянная характеристика нижних частот, которая определяет частотный показатель устройства на низких частотах;
  - конструкционная постоянная магнитной индукции, которая определяет амплитуду составляющей магнитной индукции на самой низкой частоте.
  Величину сердечника выбирают, учитывая конструкционную постоянную нижних величин частот, а также постоянную величину магнитной индукции в сердечнике.
  
  Материал сердечника выбирают исходя из типа трансформатора, учитывая его рабочую среду, степень износа, а также конструкционные особенности и экономические затраты.
  
  Типы согласующих сигнальных трансформаторов
  
  В зависимости от области применения, внешних факторов и требований к аппаратуре существует большое множество разновидностей электрических преобразователей. Рассмотрим примеры моделей ТОТ, ТОЛ и ТВТ.
  
  Трансформаторные устройства типа ТОТ
  
  Предназначаются для работы в холодных климатических условиях при температуре (-60… +90 °С), с высокой вероятностью износа и относительной влажностью ~93 – 96%.
  
  Рис. 3. демонстрирует технические особенности устройства, с обозначение основных конструктивных параметров.
  
  Конструктивные размеры указаны в таблице 1. Производство данных разновидностей трансформаторных устройств использует современную технологию производства на печатных платах с заливкой, кроме того, использование лакирования позволяет противодействовать погодным и механическим воздействиям.
  
  Трансформаторные устройства типа ТОЛ
  
  Устройства данного типа применимы для работы в относительно холодных, тропических климатических условиях, с высокой вероятностью износа при температуре (-50… +130 °С) и относительной влажностью ~96 – 100%.
  
  На рис. 4. представлены изображения устройства с разных видов и обозначения основных конструктивных параметров.
  
  Производство приборов ТОЛ – обеспечивает работу не повреждая обмотки, а также исключает возникновения коррозии на стальных деталях. Кроме того, такие приборы обладают высокой стойкостью к высоким температурам, механическим воздействиям и длительным периодом службы.
  
  Трансформаторные устройства типа ТВТ
  
  Такие СТ изготавливаются малогабаритными, и используются в умеренно-холодных климатических условиях. Рабочая температура колеблется (-60… +85°С), влажность менее 95%. В таких перепадах температуры имеет место вероятность частичного износа трансформатора.
  
  Конструкционная особенность каркаса обеспечивает дополнительную жесткость посредством монтажных выводов. Участок между отводами рекомендуется выдерживать около 2,5 – 3,0 мм. При изготовлении применяются магнитные проводники в виде стержней с высокой магнитной проницаемостью (марки сталей – 79НМА и 50Н), а также высоким показателем индукции технического насыщения.
  
  В конце стоит отметить, что устройства с согласующим трансформатором, перед тем как будут запущены в эксплуатацию, должны пройти необходимые испытания и быть гарантированными для дальнейшей службы. Условием, необходимым для обеспечения соответствующей степени надежности, является реализация ограничений перенапряжения, поскольку при работе СТ может подвергаться более серьезным нагрузкам и иметь большую вероятность износа, нежели при тех, которые проводились на предварительных испытаниях.
  
  Параллельная работа трансформаторов, т. е. включение их на одни сборные шины ВН и НН, а также СН, возможна: а) при равенстве их первичных и их вторичных напряжений; б) при равенстве напряжений короткого замыкания; в) тождественности групп соединения обмоток. На этих же условиях возможна параллельная работа и автотрансформаторов, а также трансформаторов с автотрансформаторами.
  
  У трансформаторов, имеющих разные номинальные напряжения или разные коэффициенты трансформации, напряжения на зажимах вторичных обмоток неодинаковы. При включении таких трансформаторов на параллельную работу в замкнутых контурах первичных и вторичных обмоток возникнут уравнительные токи, обусловленные разностью вторичных напряжений.
  
  Уравнительный ток равен:
  
  где DU=U₁-U₂ - разность вторичных напряжений трансформаторов; Z_K1 и Z_K2 - сопротивления первого и второго трансформаторов, определяемые по формуле
  
  где u_к% - напряжение КЗ трансформатора.
  
  Пример. Два трансформатора с разными значениями вторичных напряжений включаются на параллельную работу. Трансформаторы имеют следующие параметры: S₁=S₂=10000 кВ·А; U₁=6600 В; U₂=6300 В; u_k1=u_к2=8%; группы соединения обмоток U/D-11. Определить уравнительный ток после включения на параллельную работу.
  
  Решение. Номинальные токи трансформаторов
  
  Сопротивления трансформаторов
  
  Разность вторичных напряжений
  
  Уравнительный ток
  
  Из примера видно, что при неравенстве вторичных напряжений трансформаторы будут загружаться уравнительным током даже в режиме холостого хода. При работе под нагрузкой уравнительный ток налoжится на ток нагрузки. Уравнительный ток, загружая обмотки трансформаторов, увеличивает потери энергии в них и снижает суммарную мощность подстанции. Поэтому разность вторичных напряжений при включении трансформаторов на параллельную работу должна быть минимальной. Отклонения по коэффициенту трансформации допускаются в пределах ±0,5% номинального значения. Напряжение короткого замыкания и_к является постоянной для каждого трансформатора величиной, зависящей исключительно от его конструкции. При работе трансформатора под нагрузкой необходимо равенство их и_к. Это объясняется тем, что нагрузка между трансформаторами распределяется прямо пропорционально их мощностям и обратно пропорционально напряжениям короткого замыкания. В общем случае неравенство и_к приводит к недогрузке одного трансформатора и перегрузке другого. Если два трансформатора номинальной мощности S₁ и S₂ имеют различные напряжения короткого замыкания u_к1 и u_к2 соответственно, то распределение общей нагрузки S между ними определяется по формуле
  
  где S' и S" - реальные нагрузки первого и второго трансформаторов; u'_к - некоторое эквивалентное напряжение короткого замыкания параллельно включенных трансформаторов.
  
  Пример. На параллельную работу включаются два трансформатора мощностью S₁=S₂=10000 кВ·А, имеющих напряжения короткого замыкания u_к1=8%, u_к2=6,5%. Суммарная мощность нагрузки потребителей S=20000 кВ·А. Определить, как распределится нагрузка между трансформаторами.
  
  Решение. Эквивалентное напряжение короткого замыкания
  
  Нагрузки трансформаторов
  
  Таким образом, при включении на параллельную работу трансформаторов с различными напряжениями короткого замыкания трансформатор с меньшим U_k примет на себя бόльшую нагрузку. Некоторое перераспределение (выравнивание) нагрузки в данном случае можно получить путем изменения коэффициента трансформации, т. е. повышением вторичного напряжения недогруженного трансформатора. Но пользоваться этим способом в эксплуатации не следует, так как при этом возрастают потери от уравнительного тока.
  
  Наилучшее использование установленной мощности трансформаторов возможно только при равенстве напряжений короткого замыкания. Однако в эксплуатации допускается включение на параллельную работу трансформаторов с отклонениями и_к на основном ответвлении не более чем на ± 10%. Такое допущение связано с технологией изготовления трансформаторов, т. е. с отступлениями в размерах обмоток, влияющих на и_к.
  
  Рис. 1. 8. Разность напряжений ДU при сдвиге векторов вторичных напряжений U₁ и U₂ по фазе на угол d
  
  Не рекомендуется включение на параллельную работу трансформаторов с отношением номинальных мощностей более 1:3. Это вызвано тем, что даже при небольших перегрузках трансформаторы меньшей мощности будут больше загружаться в процентном отношении и, особенно в том случае, если они имеют меньшие и_к. Поэтому при отношении мощностей трансформаторов более 1: 3 целесообразно при возрастании нагрузок совсем отключить трансформатор меньшей мощности, чтобы не подвергать его недопустимой перегрузке.
  
  Параллельная работа трансформаторов, принадлежащих к разным группам соединений обмоток, невозможна по той причине, что между вторичными обмотками одноименных фаз соединяемых трансформаторов появляется разность напряжений, обусловленная углом сдвига 5 между векторами вторичных напряжений (рис. 1.8). Уравнительный ток при сдвиге векторов на угол 5 определяется по формуле:
  
  где u_к1 и u_к2 - напряжения короткого замыкания первого и второго трансформаторов; I₁ и I₂ - номинальные токи первого и второго трансформаторов соответственно.
  
  Пример. Подсчитаем значение уравнительного тока, предположив, что на параллельную работу оказались включенными два трансформатора с одинаковыми номинальными токами (I₁=I₂=I) и одинаковыми напряжениями короткого замыкания (u_k1=и_к2=и_к), но при наличии сдвига векторов линейных напряжений вторичных обмоток на угол 60° (например, группы соединений Y/D-11 и Y/D-1). В этом случае уравнительный ток равен:
  
  Например, при и_к=6,5% уравнительный ток достигает почти восьмикратного значения номинального, что равносильно короткому замыканию.
  
  Группы соединения обмоток в ряде случаев могут быть изменены путем перемаркировки выводов и соответствующего присоединения к ним шин. В других случаях необходимо вскрытие трансформатора для изменения группы соединения его обмоток.
  
  Читайте также: