В процессе измерения напряжения на зажимах испытательного трансформатора необходимо плавно изменять до требуемой величины без отключения нагрузки. Регулирующее устройство не должно искажать форму кривой напряжения и вызывать в цепи высокого напряжения перенапряжений, появление которых может понизить точность измерения.
Искажение формы кривой напряжения высшими гармониками при емкостной нагрузке трансформатора приведет к появлению емкостных токов соответствующих гармоник; падение напряжения на реактивности испытательного трансформатора вызовет дополнительное искажение формы кривой напряжения на нагрузке. При этом форма кривой будет зависеть от, емкости в цепи объекта испытания.
Степень искажения формы кривой возрастает с увеличением реактивности трансформаторов. В этом случае нельзя пользоваться градуировочными таблицами, в которых дается связь между напряжением в первичной и вторичной цепях при холостом ходе или фиксированной нагрузке трансформатора (обычно емкость шарового разрядника). Наличие высших гармонических составляющих в кривой напряжения может привести к возникновению резонансных перенапряжений в цепи обмотки высокого напряжения.
Способ регулирования должен обеспечить изменение напряжения с требуемой скоростью и измерение с необходимой точностью. Потери энергии в регулирующих устройствах должны быть минимальными. Управление регулирующим устройством может иметь различную степень автоматизации и должно удовлетворять правилам техники безопасности.
Выбирая способ регулирования напряжения на зажимах трансформатора, следует учитывать величину регулируемого напряжения и мощности, пределы их регулирования, требуемую степень точности и скорости регулирования. Для широкого диапазона регулирования напряжения все перечисленные выше условия лучше всего удовлетворяются при питании испытательного трансформатора от специального генератора, вращаемого отдельным двигателем. Напряжение регулируется изменением величины сопротивления в цепи обмотки возбуждения генератора.
Если питание трансформатора производится от сети общего пользования, то регулирование напряжения можно производить с помощью различных устройств. Регулирование напряжения на зажимах трансформаторов небольшой мощности производится с помощью омических или индукционных сопротивлений, включаемых в цепь обмотки низкого напряжения.
На рис. 1-18 показаны основные схемы включения в цепь сопротивлений для регулирования напряжения. Плавному изменению сопротивления и напряжения на обмотке низкого напряжения соответствует плавное изменение напряжения на зажимах трансформатора.
Рис. 1-18. Схемы регулирования напряжения.
а — последовательное включение; б — потенциометрическое; в— последовательно-параллельное.
Ступенчатому изменению регулирующего сопротивления например, при включении контактных реостатов соответствует скачкообразное изменение напряжения на зажимах трансформатора.
Применение омических сопротивлений в схемах рис. 1-18 а и в сопровождается искажением формы кривой напряжения. Напряжение на зажимах трансформатора равно геометрической разнице напряжения сети и падения напряжения на реостате. Падение напряжения на реостате будет подобно кривой тока, содержащей третью гармонику. Степень искажения будет зависеть от магнитной индукции в трансформаторе. Третья гармоника при индукциях 14 000—15000 гс может иметь величину порядка 20—40% основной.
Схема рис. 1-18,а не позволяет изменять напряжение на зажимах трансформатора от его полной величины до нуля. Схема рис. 1-18,б обеспечивает наименьшее искажение формы кривой напряжения и позволяет регулировать напряжение на зажимах трансформатора от нуля до максимального значения. С помощью схемы рис. 1-18,в можно плавно регулировать наибольшую мощность. Регулируемое индуктивное сопротивление, включенное по схемам рис. 1-18, также позволяет изменять напряжение на зажимах трансформатора. Однако включение реактивного сопротивления в цепь обмотки низкого напряжения также может привести к изменению формы кривой напряжения на зажимах трансформатора.
Рис. 1-19. Электрическая схема питания трансформатора.
Рис. 1-120. Электрическая схема автотрансформатора.
Напряжение на зажимах обмотки высокого напряжения можно регулировать изменением коэффициента трансформации путем изменения числа включенных витков обмотки низшего напряжения.
На рис. 1-19 представлена электрическая схема питания трансформатора, у которого напряжение на обмотке высокой стороны регулируется изменением числа витков в обмотке низкого напряжения. Такой способ регулирования является наиболее экономичным и достаточно удобным. Недостатком этого способа регулирования являются специальная конструкция трансформатора, значительное увеличение его размеров и стоимости, а также скачкообразное изменение напряжения на зажимах обмотки высокого напряжения. Ввиду этих недостатков указанный способ регулирования напряжения применяется только для трансформаторов небольшой мощности.
Для регулирования напряжения широко применяются автотрансформаторы различной конструкции и различные схемы их включения. На рис. 1-20 представлена электрическая схема автотрансформатора.
Если первичное напряжение U1 подводится к зажимам АВ, то на зажимах вторичной цепи АС получается напряжение
U1 , где wx—
число витков первичной обмотки, a w2 — число витков вторичной обмотки между точками АС. Если выполнить контакт В скользящим, а первичное напряжение подводить к обмотке АС автотрансформатор будет повышающим. Если контакт С является скользящим, то возможна плавная регулировка напряжения на выходе трансформатора с точностью, определяемой напряжением на одном витке, конструкцией и размерами контакта. Для регулирования напряжения трансформаторов мощностью до 100 ква применяется также секционированный автотрансформатор со скользящим контактом.
Для более плавного регулирования напряжения применяют схемы включения автотрансформаторов с двумя переключателями: один из них — для грубой регулировки с большими ступенями, другой — для более плавной с меньшим числом витков в каждой ступени. На рис. 1-21 представлена схема регулирования высокого напряжения с двумя секционными переключателями. Плавное регулирование с помощью второго переключателя производится только в пределах одной ступени грубого регулирования. Перед переходом на следующую ступень грубого регулирования необходимо ручку плавного регулирования каждый раз возвращать на первый контакт. Переход с одного контакта на другой сопровождается разрывом цепи первичной обмотки и образованием электрической дуги на контактах.
Если выполнить переход с одного контакта переключателя на другой без разрыва, так чтобы скользящий переключатель замыкал одновременно два соседних контакта, то образуется короткое замыкание секции автотрансформатора. Для ограничения тока короткого замыкания скользящий контакт-щетку изготовляют из материала высокого сопротивления или делают ее из двух частей, между которыми включают сопротивление.
Рис. 1-21. Схема регулирования высокого напряжения автотрансформатором с двумя коммутаторами.
Тогда во время переключения часть подвижного разрезного скользящего контакта дает соединение с одним неподвижным контактом, а вторая ее часть еще находится на предыдущем неподвижном контакте. В таком случае переход с одного контакта на другой происходит без разрыва первичной цепи, а ток замыкания витков коммутируемой секции автотрансформатора ограничивается сопротивлением, вводимым в цепь.
Рис. 1-22. Схема плавного регулирования высокого напряжения.
Рис. 1-23. Принципиальная схема включения вольтодобавочного трансформатора.
На рис. 1-22 изображена схема плавного регулирования напряжения с помощью секционированного автотрансформатора и дополнительного индуктивного сопротивления. К одной системе контактов присоединены четные ответвления от автотрансформатора, а к другой — нечетные. При перемещении механически связанных между собой щеток из одного положения в другое одна из них, например 1. переходит на следующий контакт, а другая 2 скользит по своему непрерывному контакту; при переходе на следующую ступень щетка 1 скользит по своему непрерывному контакту, а щетка 2 переходит на следующий контакт и т. д. Вследствие этого секция автотрансформатора во время переключения оказывается включенной между щетками. Перемещая в одну сторону скользящий контакт включенного в цепь индуктивного сопротивления, можно плавно изменять напряжение в пределах одной ступени. После перехода на следующую ступень плавное изменение напряжения производится смещением движка на индукционном сопротивлении в другую сторону.
На рис. 1-23 представлена схема регулирования напряжения при помощи автотрансформатора и вольтодобавочного автотрансформатора с числом витков в 2 раза меньшим, чем у автотрансформатора. Первичные витки обмотки автотрансформатора и витки обмотки добавочного автотрансформатора расположены на одном сердечнике. В начальный момент регулирования скользящие контакты вольтодобавочного автотрансформатора находятся в положении крайнего удаления друг от друга.
Напряжение на вольтодобавочной обмотке направлено навстречу напряжению на автотрансформаторной обмотке, поэтому суммарное напряжение на выходе схемы при максимальном раздвижении щеток равно нулю. Сближение щеток уменьшает число витков вольтодобавочной обмотки, включенной навстречу автотрансформаторной первичной обмотке и, следовательно, вызывает возрастание суммарного напряжения на выходе схемы регулирования. Когда щетки находятся на одном и том же витке, добавочное напряжение равно нулю, и суммарное напряжение, снимаемое с середины обмотки автотрансформатора равняется половине величины напряжения сети.
Дальнейшее смещение щеток и их удаление друг от друга будет сопровождаться увеличением числа включенных витков вольтодобавочной обмотки. Суммарное напряжение на выходе схемы плавно возрастает, так как напряжения на автотрансформаторе и добавочном трансформаторе при удалении щеток друг от друга имеют один и тот же знак. С помощью данной схемы включения регулирующих автотрансформаторов можно плавно изменять напряжение от нуля до максимума. Величина регулируемой мощности ограничивается нагреванием щеток и не превышает нескольких киловольт-ампер.
При невысоком значении регулируемого напряжения применяют индукционные регуляторы, являющиеся разновидностью трансформаторов для регулирования напряжения.
Индукционные регуляторы представляют собой индукционные двигатели с заторможенным ротором. На рис. 1-24 представлена схема поперечного сечения однофазного индукционного регулятора, где видны статор и ротор, поворачиваемый приводом M. В пазах статора, собранного из листовой электротехнической стали, размещается обмотка.
Рис. 1-24. Однофазный индукционный регулятор.
Первичное напряжение U1 подводится к зажимам А-Х первичной обмотки, расположенной на роторе. Магнитное поле обмоток ротора показано пунктирными линиями. Без нагрузки, когда оси обмоток статора и ротора совпадают, как это показано на рис. 1-24 обмотка статора пронизывается наибольшим магнитным потоком и на зажимах вторичной обмотки а-х получается максимальное напряжение. Поворот обмоток ротора на некоторый угол и уменьшение магнитного потока, пронизывающего обмотки статора, сопровождается уменьшением напряжения на зажимах а-х.
Для уменьшения падения напряжения в регуляторе при работе на нагрузку служат компенсационные обмотки, уложенные в пазах 1, 2, 3,..., находящихся в полюсных башмаках ротора.
Плавное регулирование напряжения на зажимах трансформатора под нагрузкой можно производить с помощью трансформатора с передвижными обмотками. Схема устройства и действия трансформатора с передвижными обмотками показана на рис. 1,25, а, б, в. В середине стержня С регулировочного трансформатора в нескольких пазах уложена вторичная обмотка w2. Ярма Я, в пазах которых уложены витки первичной обмотки, закрепляются на раме и приводом перемещаются относительно стержня.
Рис. 1-25. Принципиальная схема трансформатора с подвижными обмотками.
Первичная обмотка состоит из двух частей, которые включаются в первичную сеть параллельно, как указано на рис. 1-25. Магнитные потоки, создаваемые обеими частями первичной обмотки, направлены навстречу друг другу. Перемещая ярма Я относительно сердечника С из положения а в положение в и, следовательно, изменяя относительное расположение первичной и вторичной обмоток, будем изменять напряжение на зажимах вторичной обмотки от — U до + U.
Для уменьшения потерь вторичную обмотку 2 делят на несколько катушек, укладывая их в раздельные пазы, как указано на рис. 1-26. Уложив в ярме компенсационную обмотку 3-3'-3" и соединив ее витки по схеме рис. 1-25, можно значительно уменьшить потоки рассеяния.
Рис. 1-26. Практическая схема трансформатора с подвижными обмотками.
Регулировочные трансформаторы с подвижными обмотками строятся на мощность до 1 000 ква. На рис. 1-27 изображен трехфазный регулировочный трансформатор на 500 ква. Схемы соединения первичной и вторичной обмоток, представленные на рис. 1-28, позволяют изменять напряжение на выходе регулировочного трансформатора в широких пределах.
При включении по схеме рис. 1-28,а электрической связи между первичной и вторичной обмотками регулировочного трансформатора нет. В этом случае напряжение на выходе регулировочного трансформатора изменяется от + U до —U. В случае включения по схеме рис. 1-28,6, когда первичная и вторичная обмотки связаны электрически, напряжение регулируется в пределах от 0 до 2 U. Схема включения обмоток, представленная на рис. 1-28,в, позволяет регулировать напряжение от 0 до U. Если включение произведено по схеме рис. 1-28,а, то обмотки регулировочного трансформатора электрически связаны между собой, а напряжение на выходе может изменяться в пределах от 0,5 U до U.
В отдельных случаях напряжение на зажимах объекта регулируется путем подключения объекта к соответствующим точкам делителя напряжения, питаемого от трансформатора. Таким образом, производится ступенчатое регулирование напряжения на зажимах объекта, как правило, при отключенном трансформаторе. В табл. П-4, П-5 и П-6 (см. приложения) .приведены основные данные о некоторых регулировочных устройствах (вариаторы, автотрансформаторы, индукционные регуляторы).
Описанные способы регулирования напряжения на зажимах трансформатора исходят из предположения, что величина подводимого первичного напряжения U1 в процессе регулирования сохраняется неизменной.
Рис. 1-27. Трехфазный регулировочный трансформатор на 500 ква.
Очевидно, что колебания первичного напряжения на входе схемы регулирования влекут за собой соответствующие колебания напряжения и на выходе схемы регулирования. Для поддержания на зажимах объекта устойчивого напряжения нужно предпринимать соответствующие меры его стабилизации или на входе схем регулирования, или на ее выходе, или же автостабилизацию. В случае автостабилизации сигналы о колебании напряжения на зажимах объекта подаются на вход или выход схемы регулирования и приводят в действие соответствующее корректирующее напряжение устройства.
Практически нашли применение все три системы регулирования напряжения на зажимах объекта и трансформатора.
Питание мощных испытательных трансформаторов происходит от отдельных подстанций необходимой установленной мощности.
Рис. 1-28. Схемы соединения обмоток трансформаторов с подвижными обмотками.
В таком случае первичное напряжение, подводимое к схеме регулирования, поддерживается с технически возможной стабильностью, и для решения практических задач обычно не возникает требований к дополнительной стабилизации величины первичного напряжения. Если питание схемы регулирования напряжения на трансформаторе осуществляется от отдельного генератора, то современные схемы регулирования напряжения на зажимах генератора также обеспечивают высокую стабильность напряжения.
Испытательные трансформаторы небольшой мощности, питаемые от общей сети переменного тока, часто требуют соответствующих устройств для стабилизации напряжения на зажимах схемы регулирования.
Такие устройства можно разделить на две группы: устройства для компенсации работы схемы регулирования при напряжении, отличном от номинального в продолжение длительного времени, и устройства для стабилизации напряжения при кратковременных его колебаниях.
Если установка длительное время должна работать при напряжении, отличном от номинального, то первичное напряжение следует привести к номинальному путем соответствующих переключений витков или изменения сопротивления в схеме регулирования. Поэтому автотрансформаторы схемы регулирования должны иметь соответствующие отпайки, позволяющие уменьшать или увеличивать число включенных витков первичной обмотки. Кратковременные колебания напряжения можно компенсировать только путем включения соответствующих устройств автоматической стабилизации напряжения.
Рис. 1-29. Электрическая схема стабилизатора напряжений с использованием явления феррорезонанса напряжения.
Рис. 1-30. Схема стабилизатора напряжений, работающая с использованием резонанса токов.
Распространенным и совершенным стабилизатором напряжения является феррорезонансный. Его устройство основано на явлении резонанса токов или напряжений в цепях, содержащих емкость и индуктивность со стальным сердечником.
На рис. 1-29 представлена электрическая схема стабилизатора напряжений с использованием явления феррорезонанса напряжения, где емкость и индуктивность соединены последовательно. Для компенсации изменения напряжения UL на индуктивности при изменении первичного напряжения сети включается вторичная обмотка компенсационного трансформатора, напряжение на которой UK находится в противофазе с напряжением UL.
Рис. 1-31. Схема соединений обмоток и магнитные потоки в КТРПШ.
w1—обмотка первичной цепи переменного тока; w2—обмотка вторичной цепи переменного тока; wd— обмотка цепи подмагничивания постоянным током; Ф1— весь переменный поток, сцепленный с первичной обмоткой; Фш — часть потока Ф1, пронизывающая обмотку и расположенную на шунте обмотку wd; Ф2 —часть переменного потока Ф1, сцепленная с обеими обмотками; Фd —постоянный поток подмагничивания.
На рис. 1-30 изображена электрическая схема стабилизатора напряжений, работающая с использованием явления резонанса токов: L — индуктивность с большим насыщением, Тр—компенсационный трансформатор. Параметры схемы стабилизатора выбираются такими, чтобы резонанс токов наступил при напряжении, равном значению стабилизируемого напряжения. В таком случае отклонение первичного напряжения от заданного будет вызывать преобладание емкостного или индуктивного тока и перераспределение падения напряжения в цепи.
Обе электрические схемы достаточно просты. Феррорезонансные стабилизаторы напряжений имеют к. п. д. 90%, при колебаниях напряжения на его входе от 20 до 10% дают высокую степень стабилизации ±0,2, имеют высокий коэффициент мощности до 0,98 и мало чувствительны к изменению нагрузки.
А. М. Бамдас и В. А. Сомов в Горьковском политехническом институте в 1957 г. разработали комбинированный трансформатор с плавным регулированием напряжения путем подмагничивания шунтов (КТРПШ).
Трансформатор имеет первичную и вторичную цепи переменного тока и цепь постоянного тока. Питание постоянным (выпрямленным) током производится от блока управления, приключенного к первичной или вторичной сети.
На рис. 1-31 представлена схема соединений обмоток и магнитные потоки в КТРПШ.
Характерным для КТРПШ является наличие двух магнитных шунтов (стержни 3 и 4), симметрично расположенных по обе стороны основного магнитопровода.
На шунтах помещены обмотки подмагничивания wd, включенные навстречу для получения удовлетворительной формы кривой вторичного напряжения и малой величины результирующей э. д. с., наводимой переменным потоком Фш в цени подмагничивания.
Каждая вторичная обмотка w2 охватывает одну из первичных обмоток и стержень одного магнитною шунта с размещенной на нем частью обмотки подмагничивания
Каждый из двух шунтов помещен в пространстве между первичной и вторичной обмотками. Такое размещение шунтов приводит к уменьшению рассеяния в трансформаторе.
Плавное регулирование вторичного напряжения КТРПШ осуществляется произвольным или автоматическим изменением постоянного тока протекающего по обмоткам подмагничивания w. При изменении Id меняется величина переменного магнитного потока Фш, проходящего по каждому шунту (3 и 4), а также и величина магнитного потока Ф2, проходящего по основному магнитопроводу.
КТРПШ могут в зависимости от системы питания обмоток подмагничивания и примененной схемы автоматического управления работать в различных режимах, в том числе как стабилизатор напряжения и как регулятор напряжения.
