Pobierz ROZDZIAŁ IV. T R A N S F O R M A T O R Y . 64 ... i więcej Prezentacje w PDF z Maszyny elektryczne tylko na Docsity!
ROZDZIAŁ IV.
T R A N S F O R M A T O R Y.
64. Zasada budowy.
Transformatorami nazywamy w elektrotechnice przyrządy, służące do przetwarzania pracy prądu zmiennego jednego napięcia na pracę prądu zmiennego napięcia innego, wyższego lub niższego, od poprzedniego. Zasada budowy polega na zjawisku indukcji prądów zmien- nych w pewnym obwodzie tak zwanym w t ó r n y m , który znaj- duje się w pobliżu drugiego obwodu tak zwanego p i e r w o t n e g o , rys. 146. W obwodzie pierwotaym mamy źródło prądu, a w obwo- dzie wtórnym odbiorniki prądu.
Pomiędzy sobą obwody są skojarzone strumieniem magnetycz- nym <£, który przenika cewki, stanowiące transformator. O ile cewki transformatora są umieszczone jedna w drugiej, rys. 147, lub jedna nad drugą, rys. 148, bardzo blisko do siebie, to możemy uważać w przybliżeniu, że zawsze ten sam strumień magnetyczny przenika obie cewki.
Wtedy siły elektromotoryczne, indukowane w tych cewkach, będą wyrażone wzorami:
•nit — • di dt
gdzie Zy i z 2 są to liczby zwojów tych cewek. Pomijając straty napięcia wewnątrz cewek w przybliżeniu można przyjąć, że liczbowo
(^888888) OOOOOO OOOOOD
Rys. 147. Rys. 148.
napięcia na zaciskach abicd są równe siłom elektromotorycznym, a więc dla wartości skutecznych:
Stąd wypada następujący stosunek:
Liczbę k nazywamy przekładnią transformatora. Prądy, które powstają w transformatorze, zależą przedewszyst- kiem od oporności odbiorników: im mniejsza tam będzie oporność, tem większy będzie prąd wtórny. Prąd ten ma taką fazę wzglę- dem prądu pierwotnego, że osłabia nieco strumień magnetyczny i skutkiem tego prąd pierwotny również rośnie, gdyż maleje siła elektromotoryczna, indukowana w pierwotnej cewce Ex , powstrzy- mująca dopływ prądu z prądnicy.
65. Stosunek prądów w transformatorze.
W elektrotechnice prądów silnych transformatory buduje się zawsze z zamkniętym obwodem magnetycznym, rys. 149. Tu cewki
Stąd:
V*
66. Spadek napięcia w transformatorze.
Skutkiem oporności omowej uzwojeń i strumieni magnetycznych rozproszonych (t> 1 i <& 2 , rys. 151, wywołujących siły elektromoto- ryczne samoindukcji, napięcia w transformatorze nie są dokładnie
II
Rys. 151.
proporcjonalne do liczb zwojów cewek: pierwotnej i wtórnej. Napięcie wtórne wypada mniejsze. Różnicę pomiędzy napięciem wtórnem obliczonem według przekładni i napięciem rzeczywistem, nazywamy spadkiem napięcia w transformatorze. Spadek ten wynosi dla transformatorów oświetleniowych zazwyczaj od 2 do 3%; a w transformatorach, przeznaczonych do zasilania silników od 4 do 6%. Uzasadnienie podajemy dalej.
67. Wykres wektorowy obciążonego transformatora.
Napięcie na zaciskach pierwotnych transformatora można wyrazić wzorem wektorowym:
Tu Et — siła elektromotoryczna, wywołana w cewce pierwotnej przez główny strumień magnetyczny, /j x 1 — spadek napięcia indukcyjny skutkiem magnetycznego roz- proszenia w pierwotnej cewce, _Ii i_ — spadek napięcia omowy w pierwotnej cewce.
Podobnie dla cewki wtórnej, stanowiącej źródło prądu w obwo- dzie wtórnym: _
Przyjmując, że mamy obciążenie bezindukcyjne, wykres wek- torowy łączny dla obu obwodów wypada taki, jak pokazano na rys. 152.
-E,
-I Rys. 152.
Układ wektorów oczywiście będzie się zmieniać w zależności od właściwości obciążenia we wtórnym obwodzie, t. j. w zależno- ści od tego, czy obciążenie będzie indukcyjne, czy pojemnościowe i w jakiej mierze.
68. Obliczenie spadku napięcia.
Zredukujmy wykres napięć, rys. 152, do uzwojenia pierwot- nego, pamiętając, że
Wszystkie wektory wtórnego obwodu zmieńmy na wektory zredu- kowane :
Ii
k
L,r., (^) E, k
Wtedy możemy układ wektorów obwodu wtórnego nałożyć na układ wektorów obwodu pierwotnego tak, aby — pokryło Ex,
zobaczymy wtedy wyraźnie zależność pomiędzy napięciem wtór- nem a pierwotnem. Napięcia te wypadłyby równe, o ile nie byłoby spadków napięć. Na wykresie rys. 153, otrzymanym po nałożeniu, Iix 1 jest niemal
równoległe do (^) co wynika z uwag, poczynionych w § 64-ym.
Rys. 153. Rys 154. Rys. 155.
Zmieniając porządek układu wektorów i oznaczając ogólny spadek omowy napięcia przez It r , a indukcyjny przez It x , oraz zredukowane napięcie wtórne przez V 2 ' , otrzymamy wykres wek- torowy, podany na rys. 154. Tu:
- T | I'> X-j __ (^) T , li XiXi _ I , ĄX — i i X 1 -) ^ — l 1 Xi-f- ^ 2 — i (^) x ^ -f-
+
4* 1?
Stąd:
Tak samo:
Jeżeli obciążenie wtórne będzie indukcyjne, to wektory prądów obrócą się wstecz i wykres wektorowy przybierze postać, wskazaną na rys. 155.
') Przyjmujemy 72 = -~~ zgodnie z wywodami § 64.
Maszyny elektryczne i prostowniki.
Spadek napięcia wyraża się tu odcinkiem, który może być w przybliżeniu uważany za sumę rzutów odcinków It r i Ixx na kierunek F 2 ', wobec tego, że kąt pomiędzy Fx i F' 2 jest mały, gdyż Ii x i A r są odcinki małe w porównaniu do wektorów Fx i V./. Możemy więc w przybliżeniu obliczyć spadek napięcia w trans- formatorze ze wzoru: /, r cos <f -f- 7i x sin <p
Z tego samego wykresu można łatwo wyprowadzić i wzór dokładniejszy, w procentach od napięcia pierwotnego. Załóżmy: (^1 0 0) ,r *i/ • *
- = - {Ii r cos tp -+- lx x sin <p) = ex
1 0 0 ,... (^) r.
- = - {A r sin <p — / (^) t x cos <p) = e 2
wtedy procentowy spadek napięcia b ę d z i e 1 ) :
A (^) 0 = ą + 100 — |/10000 — (e 2 )^2
Przy obliczaniu spadku napięcia, należy brać /• dla uzwojeń w stanie gorącym^2 ).
69. Wykres Kappa.
Wpływ zmiany przesunięcia fazy prądu wtórnego względem napięcia wtórnego, na spadek napięcia, wyraża się szczególnie jasno zapomocą wykresu Kappa.
•V
e 22 F,^2 , /e, F 100 ,- +^1 ^ V 100
F,'-^—loo^.więc
r - _V'_*
7 l ' i (
**_e
_**
**_v
"_**
Ay 1002 T^ l 100 ]^ 1C Sląd:
- A u^2 — 2 (e, + 100) _bv + e\ + e_ + 2e, 100 = 0 ) Zwykle 50°C ponad temperaturę otoczenia, o ile transformator nie jest pogrążony w oleju, a w oleju—70°G ponad temperaturę otaczającego powietrza. W praktyce obliczamy zmianę napięcia transformatora przy obciążeniu w % od wtórnego napięcia normalnego.
70. Zwarcie transformatora.
W celu doświadczalnego wyznaczenia omowego i indukcyj-
nego spadku napięcia w transformatorze, przeprowadzamy próbę
zwarcia transformatora, rys. 157.
Wtórne zaciski zwieramy zapomocą krótkich przewodów, po-
łączonych z amperomierzem i dobieramy takie napięcie pierwotne,
przy którem oba amperomierze wskazują prądy normalne *)•
V i
Rys. 157. Rys.^ 158.
Wobec tego, że napięcie wtórne V 2 ' praktycznie jest równe
zeru, wykres, rys. 154. przybiera postać, wskazaną na rys. 158.
Moc, dostarczona do transformatora i wskazana przez wato-
mierz, zużywa się tylko na straty w uzwojeniu.
Straty energji w żelazie są przy zwarciu znikomo małe, gdyż
wielkość strumienia magnetycznego przystosowuje się do napięcia
na zaciskach pierwotnych, a napięcie to zawsze równoważy się
z siłą elektromotoryczną indukowaną i omowym spadkiem napięcia.
Jeżeli oznaczymy wskazanie watomierza, włączonego do obwo-
du pierwotnego, przy zwarciu obwodu wtórnego przez P*, to mamy:
Stąd:
a także:
otrzymany w ten sposób opór omowy zastępczy wypada zwykle
większy od obliczonego według wzoru:
l) Gdy transformator ma dużą przekładnię i wtórne uzwojenie jest na
wysokie napięcie, to dla osiągnięcia możliwie większej dokładności przy po-
miarach, zwiera się zawsze uzwojenie niskiego napięcia, a ze źródłem prądu
łączy się uzwojenie napięcia wysokiego.
jeśli i\ i r 2 są zmierzone prądem stałym. Zachodzi to wskutek czę-
ściowego skupiania się prądu zmiennego w pobliżu powierzchni prze-
wodów oraz z powodu ubocznych strat energji przez prądy wirowe,
indukowane w różnych częściach metalowych transformatora.
Opór zastępczy ;• bywa o kilkanaście procentów większy od
oporu, zmierzonego prądem stałym, różnica zależy od szczegółów
budowy transformatora.
Znając Fik i Ąr, otrzymujemy z trójkąta na rys. 158:
V\u zazwyczaj wynosi od 2,5 do 8% napięcia normalnego i mało
się różni od Ilx) o ile Ixr jest znacznie mniejsze od Ixx.
71. Stan jałowy transformatora.
Jeżeli obwód wtórny jest przerwany, rys. 159, to taki stan
nazywamy jałowym, gdyż prąd, płynący do transformatora, nie
wykonywa pracy pożytecznej.
Rys. 159.
Tu moc, wskazana przez watomierz, zużywa się przede-
wszystkiem na c i e p ł o w ż e l a z i e , gdzie mamy pełny stru-
mień magnetyczny zmienny, a więc na histerezę i prądy wirowe.
Oprócz tego wytwarza się oczywiście nieco ciepła w uzwojeniach
pierwotnych transformatora więc:
Po — wskazanie watomierza,
Pi — moc, pobrana przez żelazo,
I 02 r 1 — moc, zużyta na ciepło w uzwojeniu pierwotnem.
Prąd jałowy jest zwykle bardzo znacznie opóźniony w fazie
względem napięcia.
Tak, np., dla pewnego transformatora, którego pierwotne na-
pięcie wynosiło 6000 woltów i prąd pierwotny normalny 20 A,
są ściskane zapomocą bolców lub nitów. Bolce i nity izoluje się dokładnie od blach w celu uniknięcia powstawania obwodów elektrycznych z a m k n i ę t y c h , w których mogłyby wytwarzać się prądy elektryczne wewnętrzne, wywiązujące szkodliwe ciepło. Wogóle w całej konstrukcji transformatora trzeba unikać możliwości powstawania tych szkodliwych prądów wewnętrznych, indukowanych czy to przez główny strumień magnetyczny, czy też przez strumienie rozproszenia. Duże przekroje szkieletów żelaznych posiadają w środku szczeliny do przewietrzania. Cewki transformatorów bywają dwojakie: walcowe lub krążkowe. Również dwojakie są układy uzwojeń. Pierwszy z cewką walcową niskiego napięcia, którą otaczają cewki krążkowe wysokiego napięcia, rys. 162. Drugi — z cewkami krążkowemi wysokiego i niskiego napięcia przekładanemi, rys. 163. Cewki niskiego napięcia są dokładnie izolowane od cewek wysokiego napięcia zapomocą warstwy materjałn izolacyjnego odpowiedniej grubości, również odpowiednio izoluje się uzwoje- nia od żelaza.
Rys. 162. Rys. 163.
Dla jeszcze lepszej izolacji i zmniejszenia wymiarów trans- formatora używa się bardzo często chłodzenie olejowe, wtedy transformator pracuje pogrążony w oleju, który wypełnia skrzy- nię żelazną. Dla szybszego chłodzenia oleju ścianki skrzyni transforma- torowej bywają wykonywane z blachy falistej, lub zaopatrywane w płaskie wystające komory czy rury, przez co znacznie zwięk- sza się powierzchnia chłodząca. Transformatory olejowe na moc bardzo wielką, wynoszącą kilka tysięcy kilowoltamperów, zaopatruje się zwykle w chłodze- nie wodne, w osobnej chłodnicy, przez którą stale cyrkuluje olej transformatora.
Dla uchronienia oleju od niepożądanych chemicznych wpły- wów powietrza atmosferycznego, skrzynie transformatorowe zao- patruje się nieraz w tak zwane konserwatory. Są to małe kociołki cylindryczne umieszczone nad górną pokrywą skrzyni transforma- torowej, szczelnie zamknięte i połączone rurą ze skrzynią trans- formatora. Olej wypełnia skrzynię i rurę całkowicie, w konser- watorze zaś pozostawia się trochę powietrza, które zapewnia swobodę rozszerzania się całej masie oleju.
Moc transformatorów zawsze podajemy na zaciskach wtórnych w kilowoltamperach, gdyż wielkość transformatora zależy od tej mocy jaką on może dać przy obciążeniu bezindukcyjnem.
Szereg normalnych napięć stosowanych przy prądzie zmien- nym jest następujący:.24, 42, 125, 220, 380, 500, 1000, 3000, 6000, 10000, 15000, 20000, 30000, 45000, 60000, 80000, 100000, 150000, 200000, 300000 woltów. Transformatory dla probierni rr.aterjałów izolacyjnych bywają budowane na napięcia znacznie wyższe — do 2 miljonów woltów. Urządzenia tego rodzaju składają się zwykle z kilku transfor- matorów połączonych w kaskadę, przy zastosowaniu stopniowo coraz lepszej izolacji rdzeni żelaznych od ziemi. Przykłady transformatorów wykonanych^1 ):
- Transformator trójfazowy firmy „Elin" na 40 kVA, 5300/134 woltów, 50 okresów, chłodzenie powietrzne, ma żelazo o prze- kroju 105 cm^2 w rdzeniach i 136 cm^2 w jarzmie, wagę żelaza 210 kg, straty w żelazie 470 watów. Układ połączeń: gwiazda-trójkąt. Liczba zwojów 1110 i 52 na fazę, drut 2,27 mm^2 okrągły w pier- wotnem uzwojeniu i prostokątny 12 X 3,2 mm^2 we wtórnem, waga miedzi 71,5 kg, straty w miedzi 780 watów, napięcie zwarcia B,7%> sprawność 97%-
- Transformator trójfazowy firmy AEG, 1900 kVA, 70000/7200— 6000 woltów, 50 okresów;w oleju.
Przekrój rdzenia 690 cm^2 , jarzma 840 cm^2 , waga żelaza 4150 kg. Straty w żelazie 14000 watów. Układ połączeń: pierwotne gwiazda, wtórne trójkąt, zwojów pierwotnych 1818, wtórnych 270 -f- 54. Drut w pierwotnem uzwojeniu okrągły średnicy 2,6 mm, we wtórnem taśma 3 X 10 mm^2 i 3 x 18 mm^2. Waga miedzi 845 kg, straty w miedzi 18200 albo 16200 watów. Napięcie zwarcia 5,1%. Sprawność 98,4%. Waga oleju 6300 kg.
E. v. Rziha vi. J. Seidener — Starkstromtechnik.
75. Równoległe połączenie kilku transformatorów.
Jeżeli do zasilania pewnej sieci prądem, istniejący transfor- mator nie wystarcza, to włącza się drugi równolegle. Czasem i w nowem urządzeniu, zamiast jednego wielkiego transformatora, włącza się kilka mniejszych równolegle, aby w razie uszkodzenia jednego można było, chociaż częściowo, zasilać sieć z pozostałych, lub też potrzebny jest transformator rezerwowy.
Rys. 169. Rys. 170.
Jeżeli sieć niskiego napięcia rozciąga się na znaczny obszar, to w celu uniknięcia znacznych spadków napięcia, zasilamy ją w kilku punktach, zapomocą oddzielnych transformatorów, które będą ze sobą również połączone równolegle.
Ix _. Ix'
I Tran. JlTran.
R.\s. 171.
Rozważmy transformatory jednofazowe, rys. 169. Dla pra- widłowego działania, takie transformatory powinny samoczynnie brać na siebie obciążenie proporcjonalne do ich mocy normalnej, określonej przez konstruktora i zaznaczonej na tabliczce cechowej,
pozatem nie powinny powstawać wewnętrzne prądy wyrównawcze w obwodzie wtórnych cewek, połączonych szynami, ryf. 170. Dla osiągnięcia tego, transformatory, które mają być połączone rów- nolegle, powinny mieć:
- równe napięcia pierwotne i wtórne w stanie 'jałowym,
- równe napięcia przy zwarciu, co powoduje równy spadek napięcia przy obciążeniu (zwykle wystarcza dokładność + 10%),
- równe stosunki spadku napięcia omowego do spadku na- pięcia indukcyjnego. Jeżeliby te stosunki nie były równe, to, jak widać z rys. 171, prądy transformatorów nie byłyby ze sobą w fazie. Przez to prąd wypadkowy, pobierany przez sieć, nie byłby najekonomiczniejszy, gdyż dla otrzymania pewnego prądu wypadkowego, dwa prądy składowe wypadną najmniejsze wtedy, gdy będą zgodne w fazie. Zachowanie powyższych warunków, zapewnia równość napięć na transformatorach przy wszystkich obciążeniach. Włączając równolegle dwa transformatory, należy baczyć, aby połączenia z przewodami wysokiego i niskiego napięcia były wy- konane symetrycznie, jak nafrys. 169. Tu można powodować się umownemi oznaczeniami końcówek. W Europie środkowej końcówki wysokiegojiapięcia oznacza się zazwyczaj dużemi literami „U" i „ F " , a odpowiednie końcówki niskiego napięcia — małemi literami „u" i „«".
[•AAM/WS rAA/WWS V ¥ 1 1
V.
Rys. 172.
Dla uniknięcia pomyłek i dla sprawdzenia, należy, przy pierw- szej próbie równoległego połączenia, w jeden z łączników niskiego napięcia, rys. 172, wprowadzić próbną lampkę żarową. Jeżeli nie zaświeci, t o d o b r z e. Przy łączeniu równoległem transformatorów trójfazowych, należy przestrzegać jeszcze dwóch dodatkowych warunków, wy- wołanych koniecznością z g o d n o ś c i f a z napięć tych zacisków
— .125 —
Tu znowu pomocnem jest znakowanie zacisków. W środkowej Europie przyjęto znakowanie pokazane na rys. 174 i 175. „ £7" „ 7" „ W" oznacza zaciski wysokiego napięcia, „u" „v" „w" — zaciski niskiego napięcia. Czwarty zacisk, połączony w razie potrzeby z punktem zerowym, oznacza się zerem. Gdy potrzeba skontrolować połączenia, umieszczamy w dwóch fazach przyłączanego transformatora na niskiem napięciu dwie lampki próbne, rys. 176.
niskie nap.
wysokie nap. Rys. 176.
Jeśli lampki nie świecą, wszystko jest w porządku i można zaciski transformatora połączyć wprost z szynami. Praktycy zalecają unikać równoległego łączenia transforma- torów przy stosunku normalnej mocy transformatorów, większym od 3 : 1. Dla ułatwienia przystosowania do siebie napięć równolegle łączonych transformatorów, lub też w celu ustalenia wysokości wtórnego napięcia do wielkości wymaganej przez odbiorniki, uzwojenia wtórne transformatorów zaopatruje się w tak zwane za- c z e p y , t. j. odgałęzienia w kilku miejscach przy końcu cewek, rys. 177. Przestawiając odprowadzający przewód z jednego odgałęzienia na drugie, można zmieniać wtórne napięcie zwykle w grani- cach ± 4°/ 0 napięcia normalnego.
rWWWWWWi
Rys. 177.
ROZDZIAŁ V.
PRZETWARZANIE PRĄDU TRÓJFAZOWEGO NA PRĄD STAŁY.
76. Przetwornica dwumaszynowa silnikowo-prądnicowa.
Gdy zależy na tem, aby prąd trójfazowy był zupełnie nieza- leżny od prądu stałego, to bierzemy dwie maszyny, zazwyczaj mające wał wspólny lub wały sprzężone sztywnem czy elastycz- nem sprzęgłem. Jedna z tych maszyn jest silnikiem elektrycznym, druga zaś prądnicą; obie maszyny mogą być przystosowane odpowiednio do rodzaju prądu, który bierzemy z sieci i, który mamy dostarczać. Regulacja napięcia prądu stałego, o ile jest potrzebna, nie nastręcza żadnych trudności. Wielką jednak wadą takich zespo- łów dwumaszynowych jest ich mały spółczynnik sprawności. Pochodzi lo oczywiście stąd, że mamy tu dwustopniowe przekształcanie energji.
77. Przetwornica jednomaszynowa.
Lepszą sprawność od przetwornic dwumaszynowych mają przetwornice jednomaszynowe. Przetwornica jednomaszynowa stanowi prądnicę prądu stałego, która z przeciwnej strony kolektora ma na wale pierścienie, połą- czone z uzwojeniem twornika w ten sposób, jak w prądnicach prądu zmiennego. Przez te pierścienie doprowadzamy prąd zmienny, który w znacznej części przechodzi wprost na kolektor.
