Лабораторна установка та її електрична схема
2.1. Задачі, що необхідно реалізувати з допомогою лабораторної установки.
Основною складовою лабораторної установки є два однотипних силових трифазних трансформатори загального призначення з повітряним охолодженням. Призначення будь-якого трифазного трансформатора – безперебійне забезпечення виробництва електричною енергією змінного струму.
Зауважимо, що здебільшого електротехнічні установки, що використовуються у виробництвах, споживають активну та реактивну енергію. Активна енергія в них, виконуючи роботу, необоротно перетворюється в інші види енергії (механічну, теплову, хімічну тощо), а реактивна - періодично пульсує між генератором і споживачами. Разом з тим, реактивна індуктивна енергія широко використовується в установках, де необхідно утворити магнітне поле - АД, трансформатори, індукційні печі тощо.
Принципова схема передачі електроенергії від електростанції до промислового підприємства показана на рис. 10.1. Тут електроенергія, що виробляється на електростанціях у трифазних синхронних генераторах 1, підводиться по внутрішній трифазній лінії електропередачі 2 до трифазного трансформатора 3, який підвищує напругу генератора від номінальної Uг.н до лінійної напруги Uл повітряної лінії електропередачі 4 (ЛЕП). У трифазному трансформаторі 5 напруга понижується до номінальної напруги зовнішньої мережі 6 підприємства і подається по лініях живлення 7 до окремих приймачів 8, основну частину яких складають електроприводи (ЕП), електротехнологічні установки (ЕУ) та електричне освітлення (ЕО).
Зверніть увагу на таку особливість трансформатора, як його подвійність. Адже при передачі електричної енергії одна з його обмоток (первинна) є приймачем електричної енергії, а друга (вторинна) – джерелом електрорушійної сили. Звідси його широке розповсюдження та важливість у системі енергопостачання як у техніці, так і побуті.
Відмітимо, що для кожного виробничого підприємства співвідношення частки енергії, спожитої окремими приймачами, різне, як і різна взагалі тривалість споживання електричної енергії. Тобто електрична потужність, яка споживається приймачами на підприємстві, звичайно є змінною протягом доби (місяця, року), особливо якщо підприємство працює не цілодобово, а в одну (дві) зміни. У такому разі, встановлений трансформатор, потужність якого відповідає піковим (найбільшим) потребам в електроенергії, вночі працює з малим коефіцієнтом завантаження, тобто практично в режимі холостого ходу, отже з низьким ККД. Це стосується також побутових приймачів.
Крім того, якщо трансформаторна підстанція (ТП) підприємства має лише один трансформатор, то очевидно, що при виході його з ладу, робота підприємства буде паралізована на довготривалий час. Тому для збільшення надійності електропостачання та з метою покращення умов експлуатації і обслуговування трифазних силових трансформаторів їх часто вмикають на паралельну роботу.
Якщо на ТП підприємства встановлені два (або більше) трансформаторів, сумарна потужність яких відповідає піковій потужності підприємства, то за таких умов вихід з ладу одного з трансформаторів ТП звичайно негативно відобразиться на роботі підприємства взагалі, але є можливість енергопостачання найбільш важливих ділянок підприємства і, таким чином, його робота буде тривати. Отже, збитки від порушення енергопостачання підприємства будуть мінімізовані.
Крім того, при роботі такої ТП зі змінним графіком навантаження, наприклад коли потужність навантаження істотно змінюється протягом доби, по черзі один або декілька трансформаторів можуть бути відключеними для того, щоб навантаження трансформаторів, залишених ввімкнутими, наближалось до номінального. У підсумку експлуатаційні показники (ККД та cosj2) роботи трансформаторів будуть достатньо високими. Зручним також є від’єднання трансформаторів для проведення його профілактичного ремонту. Два – три трансформатори на підстанціях забезпечують надійне енергопостачання навіть у разі неполадок в одному з них без додаткового резервного трансформатора.
Звичайно трифазні трансформатори ТП вмикають на паралельну роботу.
Паралельною називають роботу двох і більше трансформаторів, коли затискачі їх первинних обмоток приєднані до відповідних спільних шин фаз, від яких здійснюється живлення трансформаторів, а затискачі вторинних обмоток – до відповідних спільних шин, від яких здійснюється розподілення енергії до споживачів.
На відміну від автономної, паралельна робота трансформаторів забезпечує такі основні техніко – економічні переваги:
а) підвищується надійність енергопостачання споживачів електроенергії завдяки усуненню перерв, пов’язаних з плановою ревізією або аварійними ремонтами окремих трансформаторів;
б) підвищується якість електропостачання споживачів завдяки вищій стабільності напруг при змінному навантаженні, зокрема під час пуску потужних електродвигунів;
в) підвищується економічність електропостачання завдяки раціональнішій узгодженості виробництва і споживання електроенергії у великих енергосистемах, забезпечуються умови для маневрування потужністю увімкнених трансформаторів залежно від змінного в часі електроспоживання. Це приводить до підвищення коефіцієнта завантаження і ККД працюючих трансформаторів. Значно знижуються витрати на резервування встановленої потужності трансформаторів.
Увімкнення трансформаторів на паралельну роботу є відповідальною операцією, яку здійснюють у відповідності зі спеціальною інструкцією. Електрична схема увімкнення двох трансформаторів на паралельну роботу наведена на рис.10.2.
2.2. Умови ввімкнення трансформаторів на паралельну роботу.
Для того, щоб навантаження між паралельно працюючими трансформаторами розподілялось пропорційно їх номінальним потужностям, дозволяється паралельна робота двообмоткових трансформаторів за виконання наступних умов:
1. За однакової первинної напруги вторинні напруги повинні бути рівними. Іншими словами, трансформатори повинні мати однакові коефіцієнти трансформації k1 = k2 =… = kN.
При невиконанні цієї умови між паралельно ввімкненими трансформаторами навіть у режимі холостого ходу виникає зрівнювальний струм, обумовлений різницею вторинних напруг трансформаторів (рис.10.2, а):
,
де Zk1 і Zk2 – комплекс повного опору вторинних обмоток трансформаторів (власний опір).
При навантаженні трансформаторів цей струм накладається на струм навантаження. При цьому трансформатор з більш високою вторинною напругою холостого ходу (з меншим коефіцієнтом трансформації) стане перевантаженим, а трансформатор такої ж потужності, але з більшим коефіцієнтом трансформації - недовантаженим. Оскільки перевантаження трансформаторів недопустиме, то змушені у даному разі зменшувати загальне навантаження трансформаторів.
При істотній різниці коефіцієнтів трансформації нормальна робота трансформаторів стає практично неможливою. Все ж Держстандартом допускається вмикання на паралельну роботу трансформаторів з різними коефіцієнтами трансформації, якщо їх різниця не перевершує ± 0,5 % їх середнього геометричного значення:
,
де 
- середнє геометричне значення коефіцієнта трансформації.
2. Трансформатори повинні належати до однієї групи з’єднання обмоток. Так, якщо ввімкнути на паралельну роботу два трансформатора з однаковими коефіцієнтами трансформації, але з різними групами з’єднань, наприклад, один Y/Y – 0, а інший Y/D – 11, то вектори їх лінійних вторинних напруг, які не тільки різні за величиною (U21 = Ö3U22), а ще й виявляться зсунутими за фазою відносно одна одної на кут 30° (рис.10.3, б). У такому разі, у вторинному колі трансформаторів з’явиться напруга різниці DU =U22, під дією якої виникне зрівнювальний струм, що перевершуватиме в 15-20 разів номінальний струм навантаження, тобто виникла б аварійна ситуація.
3. Трансформатори повинні мати однакові напруги короткого замикання (к.з.): u1 = u2 =… = uN. Дотримання цієї умови потрібно для того, щоб загальне навантаження розподілялось між трансформаторами пропорційно їх номінальним потужностям, оскільки відносні потужності (навантаження) паралельно працюючих трансформаторів оберненопропорційні їх напругам к.з. Іншими словами, якщо напруги к.з. не однакові, то більше буде навантажений трансформатор, напруга к.з. якого менша. Щоб уникнути такого перевантаження, змушені зменшувати загальне навантаження трансформаторів.
Враховуючи, що практично не завжди є можливість підібрати трансформатори з однаковою напругою к.з., Держстандартом допускається вмикання трансформаторів на паралельну роботу лише при різниці напруг к.з. не більшій ніж 10 % від їх середнього арифметичного значення. Крім того, чим більше відрізняються потужності трансформаторів, тим більша різниці напруг к.з. Тому Держстандартом рекомендується, що відношення номінальних потужностей паралельно ввімкнених трансформаторів повинно бути не більше ніж 3:1.
Крім дотримання означених вище умов перед вмиканням трансформаторів на паралельну роботу необхідно перевірити порядок чергування фаз, який повинен бути однаковий у всіх.Правильність увімкнення трансформаторів на паралельну роботу досягається попереднім їх фазуванням.
Фазуванням трансформаторів називають перевірку збігу за фазою вторинних напруг двох трансформаторів, первинні обмотки яких приєднані до однієї мережі. Якщо первинні та вторинні обмотки правильно ввімкнені, їх напруги діють узгоджено.
Для фазування двох трифазних трансформаторів групи Y/Y– 0 із заземленою нейтраллю PEN (рис.10.1) вмикають повітряні автомати QF1 та QF2 і рубильник Q1. При цьому трансформатор Т1 буде працювати під навантаженням, а трансформатор Т2 – в режимі холостого ходу. У такому разі потенціали Uа2, Uв2, Uс2 верхніх затискачів рубильника Q2 визначаться напругами вторинних обмоток трансформатора Т2, а нижніх - напругами вторинної обмотки трансформатора T1, тобто Uа1, Ub1, Uс1. Увімкнення трансформаторів Т1 і Т2 на паралельну роботу шляхом ввімкнення вимикача Q2 допускається тільки у випадку, якщо різниця потенціалів між точками а1 і а2, в1 і в2, с1 і с2 цього рубильника дорівнює нулю, тобто за відсутності зрівнювальних ЕРС.
Перевірку готовності трансформаторів до вмикання на паралельну роботу проводять так. Вольтметром PV зі щупами ХР1 і ХР2 спочатку вимірюють всі три лінійні напруги (Uаb, Ubc, Uсa) на виводах НН кожного трансформатора. Якщо всі вони рівні, то далі цим же вольтметром вимірюють різницю потенціалів між однойменними виводами вторинних обмоток трансформаторів, тобто а1 - а2; b1 - b2; c1 – c2.
У разі збігу фаз (зрівняльних ЕРС немає) вольтметр покаже нуль. У такому разі трансформатори можна вмикати на паралельну роботу за допомогою вимикача Q2. Якщо показання вольтметра, що підключений до затискачів а1 – а2, b1 - b2, c1 – c2 не дорівнюють нулю, то увімкнення рубильника Q2 неприпустимо.
Наявність різниці потенціалів між затискачами рубильника Q2 означає, що при збиранні схеми були або переплутані фази (і тому обмотки трансформаторів підключені до невідповідних шин), або трансформатори мають різні групи з’єднання обмоток, або десь є обрив. Зважаючи на це, фазування трифазного трансформатора низької напруги проводять за допомогою вольтметра, розрахованого на подвійну номінальну вторинну напругу трансформатора.
Важливо, що якщо нейтралі трансформаторів не заземлені або вторинні обмотки трансформаторів з’єднані за схемою «трикутник» (група Y/ 
-11), перед фазуванням потрібно з’єднати провідником будь – які дві однойменні клеми вторинних обмоток, інакше коло вольтметра при вимірюванні зрівняльної ЕРС буде розірване, тобто між вторинними обмотками трансформаторів Т1 і Т2 не буде електричного зв’язку. За таких умов, навіть при підключенні вольтметра до різнойменних затискачів рубильника, покази приладу будуть дорівнювати нулю.
Тому, наприклад, за відсутності заземленого нульового проводу PEN у схемі 10.2, відсутність зрівнювальних ЕРС між верхніми і нижніми затискачами рубильника Q2 перевіряють вольтметром PV тільки попередньо перемкнувши між собою два будь-яких однойменних затискачі рубильника, нехай с1 і с2. Тільки у такому разі відсутність різниці потенціалів між а1 – а2 і b1 - b2 вказує на готовність схеми до вмикання.
Принципова електрична схема увімкнення двох однотипних трифазних трансформаторів на паралельну роботу із спільним навантаженням показана на рис.10.3.
Навантаження трансформаторів утворюється з допомогою симетричного трифазного лампового реостатаrн (cosj2 = 1).
Для вимірювання напруг використовується переносний вольтметр РV зі щупами ХР1 та ХР2. Вимірювання струмів обмоток ВН і НН забезпечується амперметрами РА1-РА4. Фазні потужності первинних кіл трансформаторів вимірюються однофазними ватметрами РW1 та РW2, відімкненими до однойменних фаз.
Зверніть увагу, що у даному разі для вимірювання фазної потужності
(10.1)
ватметри вмикають з додатковими опорами rд, що за величиною обов’язково повинні відповідати внутрішньому опору rU обмотки напруги ватметра, яка буде задіяна при вимірюванні. За таких умов з’єднання, як показано на рис.10.3, обмотка та додаткові опори утворюють штучну нейтральну точку n і обмотка ватметра буде знаходитись під фазною напругою трифазної мережі живлення. У разі відсутності додаткових опорів потрібної величини використовується нейтральна точка джерела живлення.