Электрические машины. Часть 1: Трансформаторы.

Министерство образования и науки Российской Федерации
Северный (Арктический) федеральный университет имени
М.В.Ломоносова
Электрические машины. Часть 1:
Трансформаторы.
Методические указания
к выполнению лабораторных работ.
2014
Рассмотрены и рекомендован к изданию
методической комиссией института Энергетики и транспорта
Северного (Арктического) федерального университета имени М.В.
Ломоносова
«
»
2014 г.
Составитель
Кришьянис М. В., ст. преподаватель
Рецензент
УДК 621.3
Электрические машины. Часть 1. Трансформаторы. :Методические
указания к выполнению лабораторных работ. / сост. М. В. Кришьянис. –
Архангельск: С(А)ФУ, 2014. – 47 с.
Подготовлены кафедрой электротехники и энергетических систем
С(А)ФУ.
Методические указания к выполнению лабораторных работ
предназначены для студентов изучающих дисциплины «Электротехника и
электроника», «Общая электротехника», «Электромеханика» и «Электрические
машины» в соответствии с Государственным образовательным стандартом.
При изучении данных курсов лабораторные работы способствуют более
глубокому усвоению программного материала. С этой целью в методических
указаниях приведены теоретические сведения по основным разделам
изучаемого курса, порядок выполнения лабораторных работ, а также
требования к выполнению, оформлению и защитам.
Предназначены для студентов всех специальностей очной, очно-заочной
и заочной форм обучения.
Ил. 63 Табл. 30 Библиогр. 3 назв.
© Северный
(Арктический)
федеральный университет имени
М.В. Ломоносова, 2014
© Кришьянис М. В., 2014 г.
Общие методические указания.
Методические указания содержат сведения по теории трансформаторов,
порядок выполнения лабораторных работ, а также требования к их
оформлению и защитам.
Содержание и последовательность изложения материала в указаниях
соответствуют программе дисциплин «Электротехника и основы электроники»,
«Общая электротехника», «Электрические машины» и «Электромеханика» для
технических специальностей вузов.
Цель лабораторного практикума – дать студентам достаточно полное
представление о трансформаторах, их назначении, устройстве и принципе
действия,
а
также
основных
характеристиках.
При
этом
студенту
предполагается практически продемонстрировать знания основных законов
электротехники; привить начальные навыки экспериментальной работы; дать
практическое представление о системах единиц измерения и их практическом
использовании; закрепить навыки статистической обработки данных реальных
экспериментов.
Задачей лабораторного практикума является освоение теории физических
явлений,
положенных
в
основу
создания
и
функционирования
трансформаторов, а также в привитии практических навыков использования
методов анализа и расчета характеристик трансформаторов для решения
широкого круга задач.
При
изучении
дисциплины
предполагается,
что
студент
имеет
соответствующую математическую подготовку в области дифференциального и
интегрального
исчислений,
комплексных
чисел
и
тригонометрических
функций, а также знаком с основными понятиями и законами электричества и
магнетизма, рассматриваемыми в курсе физики.
Требования к оформлению лабораторной работы.
Лабораторные работы необходимо выполнять в виде отдельного отчета
для каждого студента индивидуально.
На
титульном
листе
отчета
помещаются
следующие
сведения:
наименование работы, номер группы, фамилию и инициалы студента и
преподавателя, вариант задания.
Отчет должен содержать кратко сформулированную цель работы, схему,
порядок выполнения работы (номера и названия опытов), результаты опытов в
табличной форме, формулы, необходимые для расчетов, графики и векторные
диаграммы, построенные по результатам проведения лабораторной работы.
Графики и векторные диаграммы строят в масштабе на миллиметровке.
Текст, формулы и числовые выкладки должны быть выполнены
аккуратно и без помарок.
Буквенные обозначения и единицы физических величин должны
соответствовать ГОСТу.
При расчетах придерживаются определенного порядка: сначала искомую
величину выражают формулой, затем подставляют в неё известные значения
величин, записывают результат расчета.
Правила выполнения и защиты работ.
Для успешного выполнения работы студент обязан подготовиться к ее
выполнению дома, используя описание работы. В практикуме для каждой
работающей группы каждая работа выполняется в соответствии со своим
вариантом в единственном экземпляре. Поскольку, студентам (особенно в
первой половине семестра) часто приходится выполнять работы, теоретические
основы которых еще не прочитаны в лекционном курсе, то для более глубокого
понимания
рекомендуется
изучить
материал,
представленный
на
соответствующих страницах учебного пособия.
Каждый
студент
сдает
работу
в
индивидуальной
беседе
с
преподавателем, предъявляя ему письменный отчет, обязательно включающий
в себя основы теории, схему эксперимента, таблицы и графики исходных
данных, а при необходимости - результаты статистической обработки. Все
параметры и данные измерений должны быть приведены с указанием их
размерностей. Форма защиты лабораторных работ определяется преподавателе
Основные сведения теории трансформаторов.
Назначение и области применения.
Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство,
имеющее две (или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенное
для преобразования посредством явления электромагнитной индукции одной
(первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему
переменного тока.
В общем случае вторичная система переменного тока может отличаться
от первичной любыми параметрами: значениями напряжения и тока, числом
фаз, формой кривой напряжения (тока), частотой. Наибольшее применение в
электротехнических установках, а также в энергетических системах передачи и
распределения электроэнергии имеют силовые трансформаторы, посредством
которых изменяют значения переменного напряжения и тока. При этом число
фаз, форма кривой напряжения (тока) и частота остаются неизменными.
В зависимости от назначения трансформаторы разделяют на силовые
трансформаторы общего назначения и трансформаторы специального
назначения. Силовые трансформаторы общего назначения применяются в
линиях передачи и распределения электроэнергии, а также в различных
электроустройствах для получения требуемого напряжения. Трансформаторы
специального назначения характеризуются разнообразием рабочих свойств и
конструктивного исполнения. К этим трансформаторам относятся печные и
сварочные трансформаторы, трансформаторы для устройств автоматики (пиктрансформаторы, импульсные, умножители частоты и т.п.), испытательные и
измерительные трансформаторы и т. д.
Принцип действия трансформаторов.
Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопровода
(сердечника), выполненного из ферромагнитного материала (обычно листовая
электротехническая сталь), и двух обмоток, расположенных на стержнях
магнитопровода (рис. 1, а). Одна из обмоток, которую называют первичной,
присоединена к источнику переменного тока Г на напряжение U1. К другой
обмотке,
б)
Рис. 1. Электромагнитная (а) и принципиальная (б) схемы
трансформатора.
называемой вторичной, подключен потребитель Zн. Первичная и вторичная
обмотки трансформатора не имеют электрической связи друг с другом, и
мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем.
Магнитопровод, на котором расположены эти обмотки, служит для усиления
индуктивной связи между обмотками.
Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной
индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного
тока в витках этой обмотки протекает переменный ток i1, который создает в
магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в
магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками (первичной и
вторичной) и индуцирует в них ЭДС:
в первичной обмотке ЭДС самоиндукции
e1 = –w1(dФ/dt),
(1)
во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции
е2 = –w2(dФ/dt),
(2)
где w1 и w2 — число витков в первичной и вторичной обмотках
трансформатора.
При подключении нагрузки Zн к выводам вторичной обмотки
трансформатора под действием ЭДС е2 в цепи этой обмотки создается ток i2, а
на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U2. В
повышающих трансформаторах U2 > U1, а в понижающих U2 < U1.
Из (1) и (2) видно, что ЭДС е1 и е2, наводимые в обмотках
трансформатора, отличаются друг от друга лишь за счет разного числа витков
w1 и w2 в обмотках, поэтому, применяя обмотки с требуемым соотношением
витков, можно изготовить трансформатор практически на любое отношение
напряжений.
Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким
напряжением, называют обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотку,
присоединенную к сети меньшего напряжения, — обмоткой низшего
напряжения (НН).
На рис. 1, б показано изображение однофазного трансформатора на
принципиальных электрических схемах.
Трансформаторы обладают свойством обратимости: один и тот же
трансформатор можно использовать в качестве повышающего и понижающего.
Но обычно трансформатор имеет определенное назначение: либо он
повышающий, либо — понижающий.
Трансформатор — это аппарат переменного тока. Если же его первичную
обмотку подключить к источнику постоянного тока, то магнитный поток в
магнитопроводе трансформатора также будет постоянным как по величине, так
и по направлению [(dФ/dt)=0], поэтому в обмотках трансформатора не будет
наводиться ЭДС, а следовательно, электроэнергия из первичной цепи не будет
передаваться во вторичную.
Классифицируют трансформаторы по нескольким признакам:
по назначению – силовые общего и специального назначения,
импульсные, для преобразования частоты и т.д.;
по виду охлаждения – с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным
(масляные трансформаторы) охлаждением;
по числу трансформируемых фаз – однофазные и трехфазные;
по форме магнитопровода — стержневые, броневые, бронестержневые,
тороидальные;
по числу обмоток на фазу — двухобмоточные, многообмоточные.
Устройство трансформаторов.
Современный трансформатор состоит из различных конструктивных
элементов: магнитопровода, обмоток, вводов, бака и др. Магнитопровод с
насаженными на его стержни обмотками составляет активную часть
трансформатора. Остальные элементы трансформатора называют неактивными
(вспомогательными) частями. Рассмотрим подробнее конструкцию основных
частей трансформатора.
Магнитопровод. Магнитопровод в трансформаторе выполняет две
функции: во-первых, он составляет магнитную цепь, по которой замыкается
основной магнитный поток трансформатора, а во-вторых, он предназначен для
установки и крепления обмоток, отводов, переключателей. Магнитопровод
имеет шихтованную конструкцию, т. е. он состоит из тонких (обычно
толщиной 0,5 мм) стальных пластин, покрытых с двух сторон изолирующей
пленкой (например, лаком). Такая конструкция магнитопровода обусловлена
стремлением ослабить вихревые токи, наводимые в нем переменным
магнитным потоком, а, следовательно, уменьшить величину потерь энергии в
трансформаторе.
Рис. 2. Магнитопровод трехфазного трансформатора
стержневого типа с обмотками
Силовые трансформаторы выполняются с магнитопроводами трех типов:
стержневого, броневого и бронестержневого.
Рис. 3. Форма сечения стержней:
а – трансформаторов малой и средней мощности;
б – трансформаторов большой мощности
В магнитопроводе стержневого типа (рис. 2, а) вертикальные стержни 1,
на которых расположены обмотки 2, сверху и снизу замкнуты ярмами 3. На
каждом стержне расположены обмотки соответствующей фазы и проходит
магнитный поток этой фазы: в крайних стержнях — потоки ФА и Фс, а в
среднем стержне — поток Фв. На рис. 2, б показан внешний вид
магнитопровода. При этом стержни имеют ступенчатое сечение, вписываемое в
круг диаметром d (рис. 3). Стержни трансформаторов большой мощности
имеют много ступеней, что обеспечивает лучшее заполнение сталью площади
внутри обмотки. Для лучшей теплоотдачи иногда между отдельными пакетами
стержня оставляют воздушные зазоры шириной 5—6 мм, служащие
вентиляционными каналами.
Рис. 4. Однофазный трансформатор броневого типа: а- устройство; бвнешний вид.
Магнитопровод броневого типа представляет собой разветвленную
конструкцию со стержнем и ярмами, частично прикрывающими
(«бронирующими») обмотки (рис. 4). Магнитный поток в стержне
магнитопровода броневого типа в два раза больше, чем в ярмах, каждое из
которых имеет сечение, вдвое меньшее сечения стержня. Из-за
технологической сложности изготовления магнитопроводы броневого типа не
получили широкого распространения, их применяют лишь в силовых
трансформаторах весьма малой мощности (радиотрансформаторы).
Рис. 5. Магнитопроводы бронестержневых трансформаторов: а —
однофазного; б — трехфазного
В трансформаторах большой мощности применяют бронестержневую
конструкцию магнитопровода (рис. 5), которая хотя и требует несколько
повышенного расхода электротехнической стали, но позволяет уменьшить
высоту магнитопровода (НБС < НС), а следовательно, и высоту трансформатора.
Это имеет большое значение при транспортировке трансформаторов.
По способу сочленения стержней с ярмами различают стыковую и
шихтованную конструкции стержневого магнитопровода (рис. 6).
Рис. 6. Стыковая (а) и шихтованная (б) конструкции магнитопроводов.
При стыковой конструкции (рис. 6, а) стержни и ярма собирают
раздельно, насаживают обмотки на стержни, а затем приставляют верхнее и
нижнее ярма, заранее проложив изолирующие прокладки между стыкующими
элементами, с целью ослабления вихревых токов, возникающих при взаимном
перекрытии листов стержней и ярм. После установки двух ярм всю
конструкцию прессуют и стягивают вертикальными шпильками. Стыковая
конструкция хотя и облегчает сборку магнитопровода, но не получила
распространения в силовых трансформаторах из-за громоздкости стяжных
устройств и необходимости механической обработки стыкующихся
поверхностей для уменьшения магнитного сопротивления в месте стыка.
Шихтованная конструкция магнитопроводов силовых трансформаторов
показана на рис. 6, б, когда стержни и ярма собирают слоями в переплет.
Обычно слой содержит 2–3 листа. В настоящее время магнитопроводм силовых
трансформаторов изготовляют из холоднокатаной электротехнической стали, у
которой магнитные свойства вдоль направления прокатки листов лучше, чем
поперек. Поэтому при шихтованной конструкции в местах поворота листов на
90° появляются «зоны несовпадения» направления прокатки с направлением
магнитного потока, На этих участках наблюдаются увеличение магнитного
сопротивления и рост магнитных потерь. С целью ослабления этого явления
применяют для шихтовки пластины (полосы) со скошенными краями. В этом
случае вместо прямого стыка (рис. 7, а) получают косой стык (рис. 7, б), у
которого «зона несовпадения» гораздо меньше.
Недостатком магнитопроводов шихтованной конструкции является
некоторая сложность сборки, так как для насадки обмоток на стержни
приходится расшлихтовывать верхнее ярмо, а затем после насадки обмоток
вновь его зашихтовывать.
Рис. 7. «Зоны несовпадения» при прямом
(а) и косом (6) стыках
Рис. 8. Опрессовка ярма
Стержни магнитопроводов во избежание распушения спрессовывают
(скрепляют). Делают это обычно наложением на стержень бандажа из
стеклоленты или стальной проволоки. Стальной бандаж выполняют с
изолирующей пряжкой, что исключает создание замкнутых стальных витков на
стержнях. Бандаж накладывают равномерно, с определенным натягом. Для
опрессовки ярм 3 и мест их сочленения со стержнями 1 используют ярмовые
балки 2, которые в местах, выходящих за крайние стержни (рис. 8), стягивают
шпильками.
Во избежание возникновения разности потенциалов между
металлическими частями во время работы трансформатора, что может вызвать
пробой изоляционных промежутков, разделяющих эти части, магнитопровод и
детали его крепления обязательно заземляют. Заземление осуществляют
медными лентами, вставляемыми между стальными пластинами
магнитопровода одними концами и прикрепляемыми к ярмовым балкам
другими концами.
Магнитопроводы трансформаторов малой мощности (обычно мощностью
не более 1 кВ·А) чаще всего изготовляют из узкой ленты электротехнической
Рис. 9. Ленточные
разрезные магнитопроводы
Рис. 10. Концентрическая (а) и
дисковая (б) обмотки
трансформаторов
холоднокатаной стали путем навивки. Такие магнитопроводы делают
разрезными (рис. 9), а после насадки обмоток собирают встык и стягивают
специальными хомутами.
Обмотки. Обмотки трансформаторов средней и большой мощности
выполняют из обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения,
изолированных хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой. Основой
обмотки в большинстве случаев является бумажно-бакелитовый цилиндр, на
котором крепятся элементы (рейки, угловые шайбы и т. п.), обеспечивающие
обмотке механическую и электрическую прочность.
По взаимному расположению на стержне обмотки разделяют на
концентрические и чередующиеся. Концентрические обмотки выполняют в
виде цилиндров, размещаемых на стержне концентрически: ближе к стержню
обычно располагают обмотку НН (требующую меньшей изоляции от стержня),
а снаружи – обмотку ВН (рис. 10, а).
Чередующиеся (дисковые) обмотки выполняют в виде отдельных секций
(дисков) НН и ВН и располагают на стержне в чередующемся порядке (рис. 10,
б). Чередующиеся обмотки применяют весьма редко, лишь в некоторых
трансформаторах специального назначения.
Концентрические обмотки в конструктивном отношении разделяют на
несколько типов. Рассмотрим некоторые из них.
1. Цилиндрические однослойные или двухслойные обмотки из провода
прямоугольного сечения (рис. 11, а) используют главным образом в качестве
обмоток НН на номинальный ток до 800 А.
а)
б)
Рис. 11. Конструкция обмоток
концентрических обмоток
2. Винтовые одно- и многоходовые обмотки выполняют из нескольких
параллельных проводов прямоугольного сечения. При этом витки укладывают
по винтовой линии, имеющей один или несколько ходов (рис. 11, б). Для того
чтобы все параллельные проводники одинаково нагружались током, выполняют
транспозицию (перекладку) этих проводников. При транспозиции стремятся,
чтобы в пределах одного витка каждый проводник занимал все положения.
Транспозиция может быть групповой (рис. 12, а), когда параллельные провода
делятся на две группы и перестановка осуществляется группами, и общей,
когда меняется взаимное расположение всех параллельных проводов (рис. 12,
б).
Рис. 12. Транспозиция в винтовых обмотках
3. Непрерывные обмотки (рис. 11, в) состоят из отдельных дисковых
обмоток (секций), намотанных по спирали и соединенных между собой без
пайки, т.е. выполненных «непрерывно». Если обмотка выполняется
несколькими параллельными проводами, то в ней применяют транспозицию
проводов.
Непрерывные обмотки, несмотря на некоторую сложность изготовления,
получили наибольшее применение в силовых трансформаторах как в качестве
обмоток ВН, так и в качестве обмоток НН. Это объясняется их большой
механической прочностью и надежностью.
В трансформаторах с масляным охлаждением магнитопровод с
обмотками помещен в бак, наполненный трансформаторным маслом (рис. 13).
Трансформаторное масло, омывая обмотки 2 и 3 и магнитопровод 1, отбирает
от них теплоту и, обладая более высокой теплопроводностью, чем воздух, через
стенки бака 4 и трубы радиатора 5 отдает ее в окружающую среду. Наличие
трансформаторного масла обеспечивает более надежную работу
высоковольтных трансформаторов, так как электрическая прочность масла
намного выше, чем воздуха. Масляное охлаждение интенсивнее воздушного,
поэтому габариты и вес масляных трансформаторов меньше, чем у сухих
трансформаторов такой же мощности.
Рис. 13 Устройство трансформатора с масляным охлаждением
В трансформаторах мощностью до 20—30 кВ·А применяют баки с
гладкими стенками. У более мощных трансформаторов для увеличения
охлаждаемой поверхности стенки бака делают ребристыми или же применяют
трубчатые баки. Масло, нагреваясь, поднимается вверх, а, охлаждаясь,
опускается вниз. При этом масло циркулирует в трубах, что способствует более
быстрому его охлаждению.
Для компенсации объема масла при изменении температуры, а также для
защиты масла от окисления и увлажнения при контакте с воздухом в
трансформаторах применяют расширитель 9, представляющий собой
цилиндрический сосуд, установленный на крышке бака и сообщающийся с ним.
Колебания уровня масла с изменением его температуры происходят не в баке,
который всегда заполнен маслом, а в расширителе, сообщающемся с
атмосферой.
В процессе работы трансформаторов не исключена возможность
возникновения в них явлений, сопровождающихся бурным выделением газов,
что ведет к значительному увеличению давления внутри бака, поэтому во
избежание повреждения баков трансформаторы мощностью 1000 кВ·А и выше
снабжают выхлопной трубой, которую устанавливают на крышке бака.
Нижним концом труба сообщается с баком, а ее верхний конец заканчивается
фланцем, на котором укреплен стеклянный диск. При давлении, превышающем
безопасное для бака, стеклянный диск лопается и газы выходят наружу.
В трубопровод, соединяющий бак масляного трансформатора с
расширителем, помещено газовое реле. При возникновении в трансформаторе
значительных повреждений, сопровождаемых обильным выделением газов
(например, при коротком замыкании между витками обмоток), газовое реле
срабатывает и замыкает контакты цепи управления выключателя, который
отключает трансформатор от сети. Обмотки трансформатора с внешней цепью
соединяют вводами 7 и 8. В масляных трансформаторах для вводов обычно
используют проходные фарфоровые изоляторы.
Такой ввод снабжен металлическим фланцем, посредством которого он
крепится к крышке или стенке бака. К дну бака прикреплена тележка,
позволяющая перемещать трансформатор в пределах подстанции. На крышке
бака расположена рукоятка переключателя напряжений 6 .
Свойства трансформатора определяются его номинальными
параметрами: 1)номинальное первичное линейное напряжение U1ном, В или кВ;
2) номинальное вторичное линейное напряжение U2ном(напряжение на выводах
вторичной обмотки при отключенной нагрузке и номинальном первичном
напряжении), В или кВ; 3) номинальные линейные токи в первичной I1ном и
вторичной I2ном обмотках, А; 4) номинальная полная мощность Sном, кВ·А (для
однофазного трансформатора Sном =U1ном I1ном, для трехфазного –
Sном  3U1ном I1ном ).
Номинальные линейные токи вычисляют по номинальной мощности
трансформатора: для трехфазного трансформатора
I1ном 
S ном103
S 103
; I 2 ном  ном
,
3U1ном
3U 2 ном
(3)
где Sном — номинальная мощность трехфазного трансформатора, кВ·А.
Каждый трансформатор рассчитан для включения в сеть переменного
тока определенной частоты. В России трансформаторы общего назначения
рассчитаны на частоту f = 50 Гц (в некоторых других странах f = 60 Гц), в
устройствах автоматики и связи применяют трансформаторы на частоты 50, 400
или 1000 Гц.
Лабораторная работа № 1.
Испытание однофазного трансформатора по методу холостого хода и
короткого замыкания.
Цель работы: исследовать характеристики трансформатора при работе его
в режимах холостого хода и короткого замыкания.
Определение коэффициента трансформации
1.1.
однофазного трансформатора.
Электрическая схема соединений.
V
V
P1.2
V
P1.1
508.2
347.1
P1
318.1
A2
A1
Описание электрической схемы соединений.
Автотрансформатор
А1
используется
в
качестве
регулируемого
источника синусоидального напряжения промышленной частоты.
Один из однофазных трансформаторов трехфазной трансформаторной
группы А2 является испытуемым.
С помощью мультиметров блока Р1 контролируются напряжения
первичной и вторичной обмоток испытуемого трансформатора.
Перечень аппаратуры.
Обозначен
ие
А1
Наименование
Регулируемый
автотрансформатор
Тип
Параметры
318.1
~ 0…240 В / 2 А
А2
Трёхфазная
347.1
трансформаторная группа
380 ВА;
230 В/242,235, 230, 226,
220, 133, 127 В
3 мультиметра
Р1
Блок мультиметров
508.2
0...1000 В /
0...10 А /
0…20 МОм
Указания по проведению эксперимента.

Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от
сети электропитания.

Соедините гнезда защитного заземления "
" устройств, используемых в
эксперименте, с гнездом "РЕ" автотрансформатора А1.

Соедините электрическим шнуром приборную вилку электропитания «220
В» автотрансформатора А1 с розеткой однофазной трехпроводной
электрической сети питания напряжением 220 В.

Соедините аппаратуру в соответствии с электрической схемой соединений.

Поверните регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 в крайнее
против часовой стрелки положение.

В трехфазной трансформаторной группе А2 переключателем установите
желаемое номинальное вторичное напряжение трансформатора, например, 127
В.

Включите выключатели «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 и
автотрансформатора А1.

Активизируйте мультиметры блока Р1, задействованные в эксперименте.

Вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора А1, выставьте
напряжение U1 на его выходе (выводах первичной обмотки испытуемого
однофазного трансформатора) равным, например 220 В.

Измерьте с помощью мультиметра блока Р1 напряжение U2 на выводах
вторичной обмотки испытуемого однофазного трансформатора.

Отключите выключатели «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 и
автотрансформатора А1.

Вычислите искомый коэффициент трансформации однофазного
трансформатора по формуле: KТР = U1 / U2.
1.2.
Снятие и определение характеристик холостого хода I0=f(U), Р0=f(U),
cosφ0=f(U) однофазного трансформатора.
Общие теоретические положения.
Холостым ходом трансформатора называют такой режим его работы,
когда его первичная обмотка присоединена к сети переменного тока, а
вторичная разомкнута. По первичной обмотке протекает ток холостого хода I0,
который создает магнитный поток, имеющий две составляющие. Первая
составляющая Ф представляет собой поток, замыкающийся по сердечнику и
сцепленный как с первичной, так и со вторичной обмотками. Этот переменный
поток индуктирует в обмотках ЭДС Е1 и Е2 . Вторая составляющая магнитного
потока проходит частично по воздуху. Она называется потоком рассеяния.
Поток рассеяния сцеплен только с первичной обмоткой и вызывает в ней
дополнительную ЭДС, которую обычно учитывают посредством ведения
понятия индуктивного сопротивления рассеяния первичной обмотки.
Магнитное
сопротивление
для
потока
рассеяния
в
основном
определяется сопротивлением пути потока по воздуху, поэтому поток
рассеяния пропорционален току I0 и совпадает с ним по фазе.
Ток холостого хода имеет две составляющих – реактивную намагничивающую
IР и активную I а . Составляющая IР является намагничивающим током, который
совпадает по фазе с потоком. Величина намагничивающего тока по закону
магнитной цепи связана с амплитудой потока соотношением
 m  2w1 I P / R M ,
(1.1)
где RM – магнитное сопротивление стального сердечника.
Полный ток холостого хода
I 0  I а2  I P2 .
(1.2)
Ток холостого хода силовых трансформаторов мал и обычно не
превышает нескольких процентов от номинального значения первичного тока
I1Н.
Падение напряжения в первичной обмотке вследствие небольшого тока
холостого хода невелико. Поэтому с большой степенью точности можно
записать: U 1  E 1 и U 1  E1 . На векторной диаграмме откладывается вектор
U 1 , равный и противоположный вектору Е1.
Составляющая тока холостого тока
Iа
определяется потерями в
стальном сердечнике: I а  РСТ / Е 1 . Сдвиг фаз φ0 близок к 90  .
Так как напряжение сети обычно поддерживается неизменным, то,
учитывая равенство U 1  E1 , приходим к выводу, что амплитуда основного
магнитного потока
при холостом ходе есть тоже величина неизменная.
Амплитуда магнитного потока
m 
E1
U1

.
4,44 w1 f 4,44 w1 f
(1.3)
Во вторичной цепи при холостом ходе ток не протекает. Поэтому
напряжение на зажимах вторичной обмотки равно ее ЭДС. Следовательно, при
холостом ходе отношение первичного и вторичного напряжений равно с
достаточной точностью коэффициенту трансформации:
U 1 / U 2  E1 / E 2  w1 / w2  k .
(1.4)
Мощность Р0, потребляемая трансформатором в режиме холостого хода,
определяется в основном потерями в стали на гистерезис и вихревые токи.
Электрическая схема соединений.
W
var
507.2
P2
A
V
P1.2
P1.1
508.2
347.1
P1
318.1
A2
A1
Описание электрической схемы соединений.
Автотрансформатор
А1
используется
в
качестве
регулируемого
источника синусоидального напряжения промышленной частоты.
Один из однофазных трансформаторов трехфазной трансформаторной
группы А2 является испытуемым.
С помощью мультиметров блока Р1 контролируются ток и напряжение
первичной обмотки испытуемого трансформатора.
С помощью измерителя Р2 контролируются активная и реактивная
мощности, потребляемые испытуемым трансформатором.
Перечень аппаратуры.
Обозначен
ие
А1
А2
Р1
Наименование
Регулируемый
автотрансформатор
Трёхфазная
Тип
Параметры
318.1
~ 0…240 В / 2 А
347.1
трансформаторная группа
Блок мультиметров
380 ВА;
230 В/242,235, 230, 226,
220, 133, 127 В
508.2
3 мультиметра
0...1000 В /
0...10 А /
0…20 МОм
Р2
Измеритель мощностей
507.2
15; 60; 150; 300; 600 В /
0,05; 0,1; 0,2; 0,5 А.
Указания по проведению эксперимента.

Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от
сети электропитания.

Соедините гнезда защитного заземления "
" устройств, используемых в
эксперименте, с гнездом "РЕ" автотрансформатора А1.

В»
Соедините электрическим шнуром приборную вилку электропитания «220
автотрансформатора
А1
с
розеткой
однофазной
трехпроводной
электрической сети питания напряжением 220 В.

Соедините аппаратуру в соответствии с электрической схемой соединений.

Поверните регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 в крайнее
против часовой стрелки положение.

Включите выключатели «СЕТЬ» блоков, задействованных в эксперименте.

Активизируйте мультиметры блока Р1, задействованные в эксперименте.

Вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора А1, изменяйте
напряжение U
на выводах первичной обмотки испытуемого однофазного
трансформатора в диапазоне 0…240 В и заносите показания вольтметра Р1.1
(напряжение U) и амперметра Р1.2 (ток I0 первичной обмотки трансформатора),
а также ваттметра и варметра измерителя Р2 (активная P0 и реактивная Q0
мощности, потребляемые трансформатором) в таблицу 1.2.1.
Таблица 1.2.1
U, В
I0, мА
P0, Вт
Q0, Вт

Отключите выключатели «СЕТЬ» блоков, задействованных в эксперименте.

Используя данные таблицы 1.2.1, вычислите соответствующие напряжению
U значения коэффициента мощности по формуле
cos  0 
P0
P0  Q0
2
2
;
Занесите полученные результаты в таблицу 1.2.2.
Таблица 1.2.2
U, В
cos 0

Используя данные таблиц 1.2.1 и 1.2.2 постройте искомые характеристики
холостого хода I0=f(U), Р0=f(U), cosφ0=f(U) однофазного трансформатора.

Снятие и определение характеристик короткого замыкания
1.3.
IК=f(U), РК=f(U), cosφК= f(U) однофазного трансформатора
Основные теоретические сведения.
В режиме короткого замыкания (КЗ) вторичная обмотка замкнута
(U2 = 0). При этом токи I1 и I2 сдвинуты по фазе почти на 180о и примерно
равны, поэтому
I1  I2  I10  0.
(1.5)
Напряжением короткого замыкания uК называется такое напряжение на
первичной обмотке (вторичная обмотка при этом замкнута), при котором ток
короткого замыкания в первичной обмотке
I 1K  I 1H .
равен номинальному току
Напряжение короткого замыкания uК выражают в процентах:
uK% 
uK
100 %. (1.6)
UH
Значение u K % составляет 5…10 % от UH, и ее величина, а также
активная и реактивная составляющие u K % приводятся в паспортных данных
трансформатора.
Мощность, потребляемая трансформатором
в режиме короткого
замыкания, определяется потерями в обмотках. Для номинального значения
тока эта мощность равна
PKH  mI H2 R K . (1.7)
Это
значение
мощности
приводится
в
паспортных
данных
трансформатора.
Электрическая схема соединений.
W
var
507.2
P2
A
V
P1.2
P1.1
508.2
323.2
P1
A13
347.1
A2
318.1
A1
Описание электрической схемы соединений.
Автотрансформатор
А1
используется
в
качестве
источника
регулируемого синусоидального напряжения промышленной частоты.
Один из однофазных трансформаторов трехфазной трансформаторной
группы А2 является испытуемым.
Реостат А13 ограничивает темп роста тока в обмотках испытуемого
трансформатора.
С помощью мультиметров блока Р1 контролируются напряжения
первичной и вторичной обмоток испытуемого трансформатора.
С помощью измерителя Р2 контролируются активная и реактивная
мощности, потребляемые испытуемым трансформатором.
Перечень аппаратуры.
Обозначен
Наименование
ие
А1
А2
Регулируемый
автотрансформатор
Трёхфазная
Тип
Параметры
318.1
~ 0…240 В / 2 А
347.1
трансформаторная группа
А13
Реостат
380 ВА;
230 В/242,235, 230, 226,
220, 133, 127 В
2×0…100 Ом / 1 А
323.2
3 мультиметра
Р1
Блок мультиметров
0...1000 В /
508.2
0...10 А /
0…20 МОм
Р2
Измеритель мощностей
507.2
15; 60; 150; 300; 600 В /
0,05; 0,1; 0,2; 0,5 А.
Указания по проведению эксперимента.

Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от
сети электропитания.

Соедините гнезда защитного заземления "
" устройств, используемых в
эксперименте, с гнездом "РЕ" автотрансформатора А1.

В»
Соедините электрическим шнуром приборную вилку электропитания «220
автотрансформатора
А1
с
розеткой
электрической сети питания напряжением 220 В.
однофазной
трехпроводной

Соедините аппаратуру в соответствии с электрической схемой соединений.

Поверните регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 в крайнее
против часовой стрелки положение.

В трехфазной трансформаторной группе А2 переключателем установите
желаемое номинальное вторичное напряжение трансформатора, например, 127
В.

Установите суммарное сопротивление реостата А13 равным, например, 100
Ом.

Включите выключатели «СЕТЬ» блоков, задействованных в эксперименте.

Активизируйте мультиметры блока Р1, задействованные в эксперименте.

Медленно вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 по
часовой стрелке, увеличивайте ток IК первичной обмотки испытуемого
однофазного трансформатора до тех пор пока показания амперметра Р1.2 не
достигнут 0,5 А (не более!) и заносите показания амперметра Р1.2 (ток I),
вольтметра Р1.1 (напряжение U), а также ваттметра и варметра измерителя Р2
(активная PК и реактивная QК мощности, потребляемые трансформатором) в
таблицу 1.3.1.
Таблица 1.3.1
IК, А
U, В
PК, Вт
QК, Вт

Отключите выключатели «СЕТЬ» блоков, задействованных в эксперименте.

Используя данные таблицы 1.3.1, вычислите соответствующие напряжению
U значения коэффициента мощности по формуле
cos  K 
PK
PK  QK
2
2
;
Занесите полученные результаты в таблицу 1.3.2.
Таблица 1.3.2
U, В
cos К

Используя данные таблиц 1.3.1 и 1.3.2 постройте искомые характеристики
короткого
замыкания
IК=f(U),
РК=f(U),
cosφК=f(U)
однофазного
трансформатора.
Контрольные вопросы.
1. С какой целью используют трансформатор в энергетике?
2. Поясните принцип работы трансформатора.
3. Объясните, как можно определить коэффициент трансформации.
4. Какие параметры трансформатора определяют из опыта холостого хода?
5.Перечислите основные характеристики трансформатора.
6. Какой трансформатор называется приведенным?
7. Нарисуйте схему замещения трансформатора и объясните физический смысл
ее элементов.
8. Какие параметры трансформатора определяют из опыта короткого
замыкания?
9.
Каким
образом
можно
рассчитать
КПД
трансформатора
по
экспериментальным данным холостого хода и короткого замыкания?
10. Перечислите виды потерь мощности в трансформаторе.
Лабораторная работа № 2.
Параллельная работа однофазных трансформаторов.
Цель работы: научиться определять группу соединения обмоток
трансформатора и опытным путем проверить основные условия, при которых
возможна параллельная работа трансформаторов.
Основные теоретические сведения.
Параллельной
работой
двух
или
нескольких
трансформаторов
называется работа при параллельном соединении их обмоток как на первичной,
так и на вторичной сторонах. При параллельном соединении одноименные
зажимы трансформаторов присоединяют к одному и тому же проводу сети (рис.
2.1, а).
Рис. 2.1. Включение трансформаторов на параллельную работу
Применение нескольких параллельно включенных трансформаторов
вместо одного трансформатора суммарной мощности необходимо для
обеспечения бесперебойного энергоснабжения в случае аварии в каком-либо
трансформаторе или отключения его для ремонта. Это также целесообразно при
работе трансформаторной подстанции с переменным графиком нагрузки,
например когда мощность нагрузки значительно меняется в различные часы
суток. В этом случае при уменьшении мощности нагрузки можно отключить
один
или
несколько
трансформаторов
для
того,
чтобы
нагрузка
трансформаторов, оставшихся включенными, была близка к номинальной. В
итоге эксплуатационные показатели работы трансформаторов (КПД и сosφ2)
будут достаточно высокими.
Для
того
трансформаторами
мощностям,
чтобы
нагрузка
распределялась
допускается
между
параллельно
пропорционально
параллельная
работа
работающими
их
номинальным
двухобмоточных
трансформаторов при следующих условиях:
1. При одинаковом первичном напряжении вторичные напряжения
должны быть равны. Другими словами, трансформаторы должны иметь
одинаковые коэффициенты трансформации: kI = kII= kIII=… При несоблюдении
этого условия, даже в режиме х.х., между параллельно включенными
трансформаторами возникает уравнительный ток, обусловленный разностью
вторичных напряжений трансформаторов U (рис. 2.2, а):
Iур  U Z kI  Z kII , (2.1)
где ZkI и ZkII — внутренние сопротивления трансформаторов.
Рис. 2.2. Появление напряжения ∆U при несоблюдении условий
включения трансформаторов на параллельную работу.
При нагрузке трансформаторов уравнительный ток накладывается на
нагрузочный. При этом трансформатор
с более высоким вторичным
напряжением х.х. (с меньшим коэффициентом трансформации) оказывается
перегруженным,
а
трансформатор
равной
мощности,
но
с
большим
коэффициентом трансформации — недогруженным. Так как перегрузка
трансформаторов недопустима, то приходится снижать общую нагрузку. При
значительной разнице коэффициентов трансформации нормальная работа
трансформаторов
становится
практически
невозможной.
Однако
ГОСТ
допускает включение на параллельную работу трансформаторов с различными
коэффициентами трансформации, если разница коэффициентов трансформации
не превышает ±0,5% их среднего значения:
k  k I  k II  k 100%  0,5% (2.2)
где k  k I k II
— среднее геометрическое значение коэффициентов
трансформации.
2.
Трансформаторы
соединения.
При
должны
несоблюдении
принадлежать
этого
условия
к
одной
вторичные
группе
линейные
напряжения трансформаторов окажутся сдвинутыми по фазе относительно друг
друга и в цепи трансформаторов появится разностное напряжение ∆U, под
действием которого возникнет значительный уравнительный ток. Так, если
включить на параллельную работу два трансформатора с одинаковыми
коэффициентами трансформации, но один из них принадлежит к нулевой
(Y/Y—0), а другой — к одиннадцатой (Y/A—11) группам соединения, то
линейное напряжение U2I первого трансформатора, будет больше линейного
напряжения U2II второго трансформатора в 3 раз (U2I / U2II = 3 ). Кроме того,
векторы этих напряжений окажутся сдвинутыми по фазе относительно друг
друга на угол 30° (рис. 2.2, б). В этих условиях во вторичной цепи
трансформаторов появится разностное напряжение ∆U. Для определения
величины ∆U воспользуемся построениями рис. 2.2, б: отрезок ОА равен
3 U2II/2 или, учитывая, что U2II = U2I / 3 , получим ОА = 0,5U2I. Следовательно,
треугольник, образованный векторами напряжений U2I, U2II и ∆U —
равнобедренный, а поэтому разностное напряжение ∆U = U2II. Появление
такого разностного напряжения привело бы к возникновению во вторичной
цепи трансформаторов уравнительного тока, в 15—20 раз превышающего
номинальный ток нагрузки, т. е, возникла бы аварийная ситуация. Величина ∆U
становится еще большей, если трансформаторы принадлежат нулевой и шестой
группам соединения (∆U = 2U2), так как в этом случае векторы линейных
вторичных напряжений окажутся в противофазе (см. рис. 2.2, б).
3. Трансформаторы должны иметь одинаковые напряжения к. з.:
u kI  u kII  u kIII  ... . Соблюдение этого условия необходимо для того, чтобы
общая нагрузка распределялась между трансформаторами пропорционально их
номинальным мощностям.
С
некоторым
приближением,
пренебрегая
токами
х.х.,
можно
параллельно включенные трансформаторы заменить их сопротивлениями к.з.
zkI и zkII и тогда от схемы, показанной на рис. 2.3, а, можно перейти к
эквивалентной схеме (рис. 2.3, б). Известно, что токи в параллельных ветвях
распределяются обратно пропорционально их сопротивлениям:
I I I II  Z kII Z kI . (2.3)
Умножим обе части равенства (2.3) на IIIномUном/(I1номUном), левую часть —
I1 I11номU номU ном Z kII I11номU ном100

.
I11I1номU номU ном
Z kI I1номU ном100
на Uном/Uном, а правую часть — на 100/100, получим
Затем преобразуем полученное равенство, имея в виду следующее: I1UHOМ
= S1, и I11 Uном = S11 — фактическая нагрузка первого и второго
трансформаторов соответственно, В-А; I1HOМ UHOМ= S1HOМ и I11HOМ UHOМ =S11HOМ
номинальные мощности этих трансформаторов, В-A; (I1HOМZkl/UHOМ)100=u1k и
(I11HOМZkl1/UHOМ)100=u11k — напряжения к.з. трансформаторов, %. В результате
получим
(S1/S1HOМ)( S11/S11HOМ)
(2.4)
S’1/ S’11=uk11/uk1
(2.5)
или
где
S’1=S1/S1HOМ,
S’11=S11/S11HOМ
—
соответственно
относительные
мощности (нагрузки) первого и второго трансформаторов.
Рис. 2.3. К понятию о распределении нагрузки при параллельной работе
трансформаторов.
Из соотношения (2.5) следует, что относительные мощности (нагрузки)
параллельно работающих трансформаторов обратно пропорциональны их
напряжениям к.з. Другими словами, при неравенстве напряжений к.з.
параллельно
работающих
трансформаторов
больше
нагружается
трансформатор с меньшим напряжением к.з. В итоге это ведет к перегрузке
одного трансформатора (с меньшим uк) и недогрузке другого (с большим uк).
Чтобы не допустить перегрузки трансформатора, необходимо снизить общую
нагрузку. Таким образом, неравенство напряжений к.з. не допускает полного
использования по мощности параллельно работающих трансформаторов.
Учитывая, что практически не всегда можно подобрать трансформаторы
с
одинаковыми
напряжениями
к.з.,
ГОСТ
допускает
включение
трансформаторов на параллельную работу при разнице напряжений к.з. не
более чем 10% от их среднего арифметического значения. Разница в
напряжениях
к.з.
трансформаторов
тем
больше,
чем
больше
эти
трансформаторы отличаются друг от друга по мощности. Поэтому ГОСТ
рекомендует, чтобы отношение номинальных мощностей трансформаторов,
включенных параллельно, было не более чем 3:1.
Помимо соблюдения указанных трех условий необходимо перед
включением трансформаторов на параллельную работу проверить порядок
чередования фаз, который должен быть одинаковым у всех трансформаторов.
Соблюдение всех перечисленных условий проверяется фазировкой
трансформаторов, сущность которой состоит в том, что одну пару,
противоположно расположенных зажимов на рубильнике (см. рис. 2.3, б),
соединяют проводом и вольтметром V0 (нулевой вольтметр) измеряют
напряжение между оставшимися несоединенными парами зажимов рубильника.
Если вторичные напряжения трансформаторов равны, их группы соединения
одинаковы и порядок следования фаз у них один и тот же, то показания
вольтметра V0 равны нулю. В этом случае трансформаторы можно подключать
на параллельную работу. Если вольтметр VQ покажет некоторое напряжение, то
необходимо выяснить, какое из условий параллельной работы нарушено.
Необходимо
устранить
это
нарушение
и
вновь
провести
фазировку
трансформаторов. Следует отметить, что при нарушении порядка следования
фаз вольтметр V0 покажет двойное линейное напряжение. Это необходимо
учитывать при подборе вольтметра, предел измерения которого должен быть не
менее
двойного
линейного
напряжения
на
вторичной
стороне
параллельную
работу
трансформаторов.
Общая
нагрузка
всех
включенных
на
трансформаторов S не должна превышать суммарной номинальной мощности
этих трансформаторов: S≤∑SHOМX .
Распределение
нагрузки
между
параллельно
работающими
трансформаторами определяется следующим образом:


S x  SS ном. х u kx  S ном. х u kx  , (2.6)
где Sx — нагрузка одного из параллельно работающих трансформаторов,
кВА; S—общая нагрузка всей параллельной группы, кВА; S —напряжение к.з.
данного трансформатора, %; SHOM.X — номинальная мощность данного
трансформатора, кВА. В выражении (2.7)
 S
ном. х
u kx   S ном1 u k1   S номII u kII   ... (2.7)
2.1.Определение уравнительного тока, вызванного неравенством
коэффициентов трансформации параллельно включенных
однофазных трансформаторов.
Электрическая схема соединений
V
A
P1.1
L1
L2
L3
N
РЕ
A
P1.2
508.2
P1
347.1
A2
306.1
A10
Вкл.
201.2
G1
347.1
A7
Описание электрической схемы соединений
Источник G1 - источник синусоидального напряжения промышленной
частоты.
По
одному
из
трансформаторных групп
активную нагрузку А10.
однофазных
трансформаторов
трехфазных
А2, А7 включаются на параллельную работу на
С помощью мультиметров блока Р1 контролируются токи нагрузки
параллельно включенных трансформаторов.
Перечень аппаратуры.
Обозначен
Наименование
Тип
Параметры
Трехфазный источник питания
201.2
~ 400 В / 16 А
ие
G1
А2, А7
Трёхфазная трансформаторная
группа
А10
380 ВА;
347.1
230 В/242,235, 230,
226, 220, 133, 127 В
Активная нагрузка
306.1
220 В / 30…50 Вт;
3 мультиметра
Р1
Блок мультиметров
0...1000 В /
508.2
0...10 А /
0…20 МОм
Указания по проведению эксперимента.

Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от
сети электропитания.

Соедините гнезда защитного заземления "
" устройств, используемых в
эксперименте, с гнездом "РЕ" трехфазного источника питания G1.

Соедините аппаратуру в соответствии с электрической схемой соединений.

Переключателями номинальных напряжений блоков А2 и А7 установите
коэффициенты
трансформации
трансформаторов,
например,
равными
соответственно 230/230 В и 230/220 В.

Установите переключателями активную нагрузку в фазах блока А10,
например, равной 30 %.

Включите выключатель «СЕТЬ» блока мультиметров Р1.

Активизируйте мультиметры блока Р1, задействованные в эксперименте.

Включите источник G1.

С помощью амперметров Р1.1 и Р1.2 измерьте токи I1 и I2 нагрузки
параллельно включенных однофазных трансформаторов.

Отключите источник G1.

Уравнительный
ток,
вызванный
неравенством
коэффициентов
трансформации параллельно включенных однофазных трансформаторов,
определяйте по формуле: Iу = │(I1 - I2) / 2│.
2.2. Определение группы соединений обмоток
трехфазного трансформатора
Основные теоретические сведения.
Рис. 2.4. Группы соединения обмоток однофазных трансформаторов:
а — группа I/I — 0; б — группа I/I — 6.
До сих пор при построении векторных диаграмм трансформатора
считалось, что ЭДС фазы обмотки ВН Е AX и обмотки НН Е ax совпадают по
фазе. Но это справедливо лишь при условии намотки первичной и вторичной
обмоток трансформатора в одном направлении и одноименной маркировке
выводов этих обмоток, как показано на рис.2.4, а. Если же в трансформаторе
изменить направление обмотки НН или же переставить обозначения ее
выводов, то ЭДС Е ax окажется сдвинутой по фазе относительно ЭДС Е AX на
180° (рис. 2.1, б). Сдвиг фаз между ЭДС Е AX и Е ax принято выражать группой
соединения. Так как этот сдвиг фаз может изменяться от 0 до 360°, а кратность
сдвига составляет 30°, то для обозначения группы соединения принят ряд
чисел: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,8,9, 10, 11 и 0.
Угол смещения вектора линейной ЭДС обмотки НН по отношению к
вектору линейной ЭДС обмотки ВН определяют умножением числа,
обозначающего группу соединения, на 30°. Угол смещения отсчитывают от
вектора ЭДС обмотки ВН по часовой стрелке до вектора ЭДС обмотки НН.
Например, группа соединения 5 указывает, что вектор ЭДС НН отстает по фазе
от вектора ЭДС ВН на угол 5·30° = 150°.
Рис. 2.5. Сравнение положения стрелок часов с обозначением групп
соединения.
Для лучшего понимания принятого обозначения групп соединения
пользуются сравнением с часами. При этом вектор ЭДС обмотки ВН
соответствует минутной стрелке, установленной на цифре 12, а вектор ЭДС
обмотки НН — часовой стрелке (рис.2.2). Так же необходимо иметь в виду, что
совпадение по фазе векторов ЭДС Е AX и Е ax , эквивалентное совпадению
стрелок часов на циферблате, обозначается группой 0 (а не 12). Кроме того,
следует помнить, что за положительное направление вращения векторов ЭДС
принято их вращение против часовой стрелки.
Таким образом, в однофазном трансформаторе возможны лишь две
группы соединения: группа 0, соответствующая совпадению по фазе Е AX и Е ax ,
и группа 6, соответствующая сдвигу фаз между Е AX и Е ax на 180°. Из этих
групп ГОСТ предусматривает лишь группу 0, она обозначается I/I—0.
Рис. 2.6. Схемы соединения обмоток и векторные диаграммы: а — для
группы ∆/∆—0; б — для группы Y/Y—6
Применением разных способов соединения обмоток в трехфазных
трансформаторах можно создать 12 различных групп соединения. Рассмотрим в
качестве примера схему соединений «звезда—звезда» (рис. 2.6, а). Векторные
диаграммы ЭДС показывают, что сдвиг между линейными ЭДС Е AВ и Е ab в
данном случае равен нулю. В этом можно убедиться, совместив точки А и а при
наложении векторных диаграмм ЭДС обмоток ВН и НН. Следовательно, при
указанных схемах соединения обмоток имеет место группа 0; обозначается
Y/Y—0. Если же на стороне НН в нулевую точку соединить зажимы а, b и с, а
снимать ЭДС с зажимов х, у и z, то ЭДС Е ab изменит фазу на 180°и
трансформатор будет принадлежать группе 6 (Y/Y—6) (рис.2.6,б).
При соединении обмоток «звезда—треугольник», показанном на рис. 2.5,
а, имеет место группа 11 (Y/∆—11). Если же поменять местами начала и концы
фазных обмоток НН, то вектор Е ab повернется на 180° и трансформатор будет
относиться к группе 5 (Y/∆—5) (рис. 2.7, б).
При одинаковых схемах соединения обмоток ВН и НН, например Y/Y и
∆/∆, получают четные группы соединения, а при 62 неодинаковых схемах,
например Y/∆ или ∆/Y, — нечетные.
Рис. 2.7. Схемы соединения обмоток и векторные диаграммы: а — для
группы Y/Д—11; б — для группы Y/Д—5.
Рассмотренные четыре группы соединения (0, 6, 11 и 5) называют
основными. Из каждой основной группы соединения методом круговой
перемаркировки выводов на одной стороне трансформатора, например на
стороне НН (без изменения схемы соединения), можно получить по две
производные группы. Например, если в трансформаторе с группой соединения
Y/Y—0 (рис. 2.3, а) выводы обмотки НН перемаркировать и вместо
последовательности аbс принять последовательность саb, то вектор ЭДС Е ab
повернется на 120°, при этом получим группу соединения Y/Y—4. Если же
выводы обмоток НН перемаркировать в последовательность bса, то вектор ЕаЬ
повернется еще на 120°, а всего на 240°; получим группу Y/Y—8.
Аналогично от основной группы 6 путем круговой перемаркировки
получают производные группы 10 и 2, от основной группы I/I — производные
группы 3 и 7, от основной группы 5 — производные группы 9 и 1.
Основные группы соединения имеют некоторое преимущество перед
производными, так как предусматривают одноименную маркировку выводов
обмоток, расположенных на одном стержне. Это уменьшает вероятность
ошибочных присоединений. Однако не все группы соединения имеют
практическое применение в трехфазных трансформаторах. ГОСТ определяет
схемы и группы соединения, применяемые для силовых двухобмоточных
трансформаторов общепромышленного назначения (рис. 2.8).
Рис. 2.8. Схемы и группы соединения обмоток трехфазных
двухобмоточных трансформаторов.
Соединяя обмотки НН в зигзаг в сочетании с соединением обмотки ВН в
звезду или треугольник, можно получить практически любой угол сдвига фаз
между ЭДС обмоток ВН и НН. Этого достигают разделением обмотки НН на
две части с различным соотношением витков в этих частях.
При изготовлении или в процессе эксплуатации трансформаторов иногда
возникает необходимость в опытной проверке группы соединения. Существует
несколько методов такой проверки, но наиболее распространены методы
фазометра и вольтметра.
Рис. 2.9. Проверка группы соединения Y/Y—0 методами фазометра (а) и
вольтметра (б).
Метод фазометра. Основан на непосредственном измерении угла
фазового сдвига между соответствующими линейными напряжениями (ЭДС)
обмоток ВН и НН с помощью фазометра φ, включенного по схеме, показанной
на рис. 2.9, а. Параллельную обмотку фазометра U—U подключают к стороне
ВН, а последовательную обмотку 1—1 — к стороне НН. Для ограничения тока в
последовательной обмотке ее подключают через добавочное сопротивление
гдоб.. Затем трансформатор включают в сеть с симметричным трехфазным
напряжением. Для удобства измерений желательно, чтобы фазометр имел
полную (360°) шкалу.
Метод вольтметра. Непосредственного измерения угла фазового сдвига
между линейными напряжениями (ЭДС) этот метод не дает. Это косвенный
метод и основан на измерении вольтметром напряжений (ЭДС) между
одноименными выводами обмоток ВН и НН. Если проверяют группу
соединения Y/Y—О (рис. 2.9, б), то, соединив проводом выводы А и а, измеряют
напряжение Uь-в (между выводами b и В) и Uc-С (между выводами с и С). Если
предполагаемая группа соединения Y/Y—0 соответствует фактической, то
напряжение (В)
U bB  U cC  U ab (k л  1), (2.1)
где kл=UАВ/Uab — отношение линейных напряжений (ЭДС) ВН и НН, т, е.
коэффициент трансформации линейных напряжений (ЭДС),
Если проверяют группы соединения 6, 11 или 5, то для проверки
измеренных значений напряжений пользуются формулами:
группа Y/Y—6
U b B  U cC  U xy (k л  1);
группа Y/ — 11
(2.8)


(2.9)


(2.10)
U bB  U cC  U ab 1  3k л  k л2 ;
группа Y/ —5
U bB  U cC  U ab 1  3k л  k л2 ;
Здесь UаЬ и Uxy — линейные напряжения на выводах обмоток НН, В.
Если условия равенства напряжений по приводимым формулам не
соблюдаются, то это свидетельствует о нарушениях в маркировке выводов
трансформатора.
Электрическая схема соединений
L1
L2
L3
N
РЕ
Аналоговые входы
Вкл.
347.1
A2
201.2
ACH0
ACH8
ACH1
ACH9 ACH2
ACH10 ACH3
ACH11
G1
AIGND
AISENSE
Аналоговые выходы
ACH4
ACH12 ACH5
ACH13 ACH6
ACH14 ACH7
ACH15
DAC0OUT DAC1OUT
AOGND
A3
330
401.1
A4
к компьютеру A5
Описание электрической схемы соединений.
Источник G1 - источник синусоидального напряжения промышленной
частоты.
Трехфазная трансформаторная группа А2 является испытуемой.
Измерительные трансформаторы напряжения в блоке А3 обеспечивают
гальваническую развязку силовой и измерительной цепей и преобразуют
первичное и вторичное линейные напряжения испытуемого трансформатора в
пропорциональные им нормированные напряжения.
Через аналоговые входы АСН0-АСН8 и АСН1-АСН9 коннектора А4
измеряемые напряжения вводятся в компьютер А5.
Перечень аппаратуры.
Обозначен
ие
G1
А2
Наименование
Тип
Параметры
Трехфазный источник питания
201.2
~ 400 В / 16 А
Трёхфазная трансформаторная
группа
380 ВА;
347.1
230 В/242,235, 230,
226, 220, 133, 127 В
3 трансформатора
напряжения
Блок измерительных
А3
трансформаторов тока и
401.1
напряжения
600 В / 3 В;
3 трансформатора
тока
0,3 А / 3 В
8 аналог. диф.
входов;
А4
Коннектор
330
2 аналог. выходов;
8 цифр. входов/
выходов
IBM совместимый,
А5
Персональный компьютер
550
Windows 9*,
монитор, мышь,
клавиатура,
плата сбора
информации
PCI-6023E
(PCI-6024E)
Указания по проведению эксперимента.

Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от
сети электропитания.

Соедините гнезда защитного заземления "
" устройств, используемых в
эксперименте, с гнездом "РЕ" трехфазного источника питания G1.

Соедините аппаратуру в соответствии с электрической схемой соединений.

В трехфазной трансформаторной группе А2 переключателем установите
желаемое номинальное вторичное напряжение трансформатора, например, 220
В.

Приведите в рабочее состояние персональный компьютер А5 и запустите
прикладную программу “Многоканальный осциллограф”.

Включите источник G1.

Нажмите кнопки «ВКЛ» включения сканирования первого и второго
каналов виртуального осциллографа.

Используя возможности программы “Многоканальный осциллограф”,
определяйте взаимный фазовый сдвиг между кривыми регистрируемых
напряжений и по нему определяйте группу соединений обмоток трехфазного
трансформатора.

По завершении эксперимента отключите источник G1.
2.3. Подтверждение недопустимости параллельной работы трехфазных
трансформаторов с различными группами соединения обмоток.
Электрическая схема соединений
V
V
P1.1
L1
L2
L3
N
РЕ
V
P1.2
508.2
P1
347.1
A2
Вкл.
201.2
G1
347.1
A7
Описание электрической схемы соединений.
Источник G1 - источник синусоидального напряжения промышленной
частоты.
Обмотки трехфазных трансформаторных групп А2 и А7 (трехфазных
трансформаторов) соединены соответственно по схемам Y / Y и Y / ∆.
С помощью мультиметров блока Р1 контролируются напряжения между
одноименными фазами трехфазных трансформаторов.
Перечень аппаратуры
Обозначен
ие
G1
А2, А7
Наименование
Тип
Параметры
Трехфазный источник питания
201.2
~ 400 В / 16 А
Трёхфазная трансформаторная
группа
380 ВА;
347.1
230 В/242,235, 230,
226, 220, 133, 127 В
3 мультиметра
Р1
Блок мультиметров
508.2
0...1000 В /
0...10 А /
0…20 МОм
Указания по проведению эксперимента.

Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от
сети электропитания.

Соедините гнезда защитного заземления "
" устройств, используемых в
эксперименте, с гнездом "РЕ" трехфазного источника питания G1.

Соедините аппаратуру в соответствии с электрической схемой соединений.

В трехфазных трансформаторных группах А2 и А7 переключателями
установите желаемые номинальные вторичные напряжения трансформаторов,
например, 127 и 230 В.

Включите источник G1.

Включите выключатель «СЕТЬ» блока мультиметров Р1.

Активизируйте мультиметры блока Р1, задействованные в эксперименте.

С помощью вольтметров Р1.1 и Р1.2 измерьте напряжения U1 и U2.

Отключите источник G1.

Рассчитайте ожидаемую кратность уравнительного тока IУ (по отношению к
номинальному току трансформаторов IН) при включении на параллельную
работу испытуемых трехфазных трансформаторов с данными группами
соединения обмоток по формуле
IУ / IН = 3  U1100 / (2 230UК),
где UК – напряжение короткого замыкания трансформаторов, %.

По ожидаемой величине кратности уравнительного тока сделайте вывод о
недопустимости
параллельной
группами соединения обмоток.
работы
трансформаторов
с
различными
Контрольные вопросы.
1. Что такое группа соединения и как она обозначается?
2. Какие группы соединения предусмотрены ГОСТом?
3. Как из основной группы соединения можно получить производную?
4. Как изменится отношение линейных напряжений трансформатора, если
нулевую группу соединения изменить на 11-ю?
5.
Какие
условия
необходимо
соблюдать
при
включении
трансформаторов на параллельную работу?
6. Что такое фазировка трансформатора и как она выполняется?
Список литературы.
1. Вольдек А. И. Электрические машины. Л., 1978. — 832 с.
2.Иванов-Смоленский
А.
В.
Электрические
1980. —928с.
3.Кацман М. М. Электрические машины. М., 1990. — 463 с.
машины.
М.,
Содержание.
Основные сведения теории трансформаторов………………………………
Лабораторная работа № 1.Испытание однофазного трансформатора по
методу холостого хода и короткого замыкания…………………………………
Лабораторная работа № 2. Параллельная работа однофазных
трансформаторов…………………………………………………………………
…