Условия включения трансформаторов на параллельную работу

Под параллельной работой нескольких трансформаторов понимается такая работа, когда их вторичные обмотки подключены к общей нагрузке, а первичные обмотки получают питание от одной сети (рис. 6.1). Параллельная работа находит широкое применение в электрических системах.

Рис. 6.1. Схемы параллельной работы однофазных (а) и трёхфазных (б) трансформаторов.

Параллельное включение трансформаторов используется:

1) при сильных сезонных и суточных колебаниях нагрузки. В этом случае в зависимости от общей нагрузки можно оставлять в работе столько трансформаторов, чтобы каждый из них имел нагрузку, близкую к номинальной, а суммарные потери в них были бы минимальными;

2) для обеспечения резервирования в электроснабжении при аварии или ремонте трансформатора;

3) если передаваемая мощность превышает мощностьна которую можно выполнить трансформатор.

При параллельной работе трансформатора следует стремиться к тому, чтобы каждый из них был нагружентоками, пропорциональными их номинальным мощности. В этом случае максимальная мощность, забираемая от всех включенных трансформаторов, может быть получена равной сумме их номинальных мощностей.

Для выполнения этого условия необходимо, чтобы трансформаторы, включаемые на параллельную работу:

– имели равные первичные и равные вторичные номинальные напряжения, а следовательно, и одинаковые коэффициенты трансформации;

– одинаковые группы соединений обмоток;

– одинаковые напряжения короткого замыкания.

Первые два условия необходимо соблюдать, чтобы избежать уравнительных токов в контуре из обмоток параллельно работающих трансформаторов, так как эти токи могут иметь опасное значение.

Нарушение третьего условия приведёт к непропорциональному распределению общей мощности нагрузки, подключённой к их вторичной обмотке. При увеличении общей нагрузки первым достигнет номинальной мощности тот трансформатор, у которого u_к минимальное. Дальнейшее увеличение общей нагрузки приведёт к перегрузке данного трансформатора. При этом остальные параллельно включённые трансформаторы останутся недогруженными. При равных u_к все параллельно включённые трансформаторы достигают номинальной мощности одновременно.

При отличии напряжений короткого замыкания распределение мощностей при параллельной работе двух трансформаторов определяется формулой

,

где u_к1, u_к2 напряжения короткого замыкания трансформаторов; S_1*= S₁/S_ном1, S_2*= S₂/S_ном2– мощности нагрузки трансформаторов в относительных единицах; S₁, S₂– мощности трансформаторов при нагрузке; S_ном1= mU_1номI_1ном, S_ном2= mU_1номI_2ном– номинальные мощности трансформаторов; I_1номI_2ном– номинальные токи трансформаторов; U_1ном– номинальное напряжение.

Отсюда следует что относительная нагрузка трансформаторов обратно пропорциональна их напряжениям короткого замыкания. Тот трансформатор, который имеет меньшее напряжение короткого замыкания будет иметь большую относительную нагрузку, чем трансформатор с большим значением u_к. При равенстве u_к1= u_к2трансформаторы будут нагружаться равномерно, пропорционально их номинальным мощностям.

Мощность, которой будет нагружен каждый из трансформаторов, можно выразить через общую мощность нагрузки S = S₁+ S₂:

При параллельной работе трансформаторов с разными значениями u_к установленная мощность полностью не используется. При загрузке трансформатора с меньшим значением и_к номинальной мощностью остальные работают с недогрузкой и поэтому общая забираемая мощность будет меньше суммы их номинальных мощностей.

Согласно ГОСТ при включении трансформаторов на параллельную работу допускается различие в напряжениях короткого замыкания не более чем на ±10% среднего значения.

АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ

Автотрансформатором называется трансформатор, у которого имеется электрическая связь между обмотками(рис. 8.1), вследствие этого мощность из первичной сети во вторичную передается не только электромагнитным, но и электрическим путем. Обмотка НН в автотрансформаторе является частью обмотки ВН.

Рис. 8.1. Схема однофазного понижающего автотрансформатора

Рис. 8.2. Видоизменённая схема автотрансформатора

Основные соотношения для трансформатора сохраняются и для трансформатора. Так, отношение напряжений

U₁/ U₂= U_ВН/ U_НН= w₁/w₂ = n_т,

отношение токов

I₁/ I₂= I_ВН/ I_НН= w₂/w₁ = 1/n_т,

где w₁ – полное число витков обмотки (между точками А и Х), w₂ — витки участка обмотки между точками а и х.

Рабочий магнитный поток в автотрансформаторе создаётся совместным действием первичного и вторичного тока:

(8.1)

Если пренебречь вследствие малости током I₁₂, то из (8.1) получим

, (8.2)

откуда следует, что токи I₁ и I₂ имеют противоположные направления. Поэтому в общей части обмотки (участок аХ) будет протекать ток ΔÍ, равный арифметической разности этих токов. Так как для понижающего автотрансформатора I₂> I₁, то

ΔI= I₂ - I₁ = I₁ (n_т - 1) = I₂ (1-1/ n_т). (8.3)

При n_т < 2 ток ΔI будет меньше тока I₁, что позволяет общую часть обмотки (участок аХ) выполнять из более тонких проводников.

Участки обмотки Аа и аХ связаны между собой, и мощность от одной части обмотки в другую передается электромагнитным путем. Эта мощность является расчетной для обмоток автотрансформатора и согласно рис. 8.2 будет равна:

для участка Аа

S_р1= I₁ (U₁ – U₂) = I₁U₁ (1-1/ n_т). (8.4)

для участка аХ

S_р2= ΔI U₂ = I₂U₂ (1-1/ n_т). (8.5)

Полная (проходная) мощность, забираемая автотрансформатором из сети, равна S_пр1=I₁U₁, а отдаваемая нагрузке S_пр2=I₂U₂. Пренебрегая потерями, можно принять S_р1= S_р2= S_р и S_пр1= S_пр2= S_пр.

Таким образом, в автотрансформаторе различают две мощности: расчетную S_р и проходную S_пр. Габариты и масса автотрансформатора определяются исходя из расчётной мощности S_р. Мощность S_пр больше, чем мощность S_р. Разность этих мощностей (S_пр - S_р) передается из первичной цепи во вторичную электрическим путем, через электрический контакт между этими цепями. За номинальную мощность автотрансформатора принимают полную мощность.

По сравнению с двухобмоточным трансформатором автотрансформатор при одной и той же номинальной мощности будет иметь меньшие габариты и массу. Связано это с тем, что в трансформаторах габариты и масса определяются номинальной мощностью, в то время как габариты и масса автотрансформатора зависят от расчетной мощности, которая является только частью его номинальной мощности.

Если сопоставить расчетные мощности автотрансформатора и трансформатора, то получим

S_р/ S_ном= I_номU_ном (1-1/ n_т)/I_номU_ном=1-1/ n_т. (8.6)

Согласно (8.6) различие в расчетных мощностях, а следовательно, и в габаритах автотрансформатора и трансформатора будет тем сильнее, чем ближе будет к единице коэффициент трансформации n_т. Поэтому автотрансформаторы обычно строят с n_т ≤2,5.

Снижение габаритов и массы автотрансформатора происходит как за счет обмоточного провода, так и за счёт стали. Расход обмоточного провода уменьшается вследствие объединения обмотки НН с обмоткой ВН, а также из-за уменьшения сечения проводников общей части обмотки (участок аХ). С уменьшением затрат провода уменьшается пространство, необходимое для размещения обмотки в окне магнитной системы, что позволяет уменьшить или высоту стержней, или длину ярм, а следовательно, сократить расход стали на изготовление автотрансформатора.

Снижение массы активных материалов приводит к уменьшению электрических и магнитных потерь. Поэтому при одинаковой номинальной мощности КПД автотрансформатора всегда выше, чем трансформатора.

Недостатком автотрансформатора является то, что у него вторичная цепь оказывается электрически соединенной с первичной цепью, поэтому изоляция обмоток автотрансформатора должна выбираться исходя из напряжения U_ВН. Другим недостатком автотрансформатора является то, что по сравнению с трансформатором имеет больший ток короткого замыкания. Происходит это потому, что ток короткого замыкания в автотрансформаторе ограничивается сопротивлением не всей обмотки, а только ее частью Аа.В трансформаторах ток короткого замыкания ограничивается сопротивлением Z_к, равным сумме сопротивленийдвух обмоток. Кроме того, поскольку при коротком замыкании часть обмотки аХ оказывается замкнутой накоротко, то все первичное напряжение будет приложено к части Аа, вследствие чего резко увеличится поток и насыщение сердечника. При этом произойдет увеличение намагничивающего тока до значения, в несколько раз превышающего номинальное значение тока обмотки. Это еще больше увеличит ток при коротком замыкании.

Двухобмоточный трансформатор может иметь только группу соединения 0.

Автотрансформаторы применяются как для понижения, так и для повышения напряжения.

Схема включения трехфазного автотрансформатора дана на рис. 8.3. Обмотки трехфазного автотрансформатора соединяют чаще всего по схеме звезда—звезда с нулевым проводом.

Рис. 8.3. Схема трёхфазного понижающего автотрансформатора

Автотрансформаторы мощностью до 1 кВА широко используются в автоматике и бытовой технике. Более мощные автотрансформаторы используются для понижения напряжения при пуске мощных двигателей переменного тока. Силовые автотрансформаторы большой мощности находят применение для соединения высоковольтных сетей с близкими напряжениями. Мощность таких автотрансформаторов достигает нескольких сотен мегавольт-ампер.