Электрические трансформаторы

Электрический трансформатор — это статическое устройство, служащее для преобразования величины переменного напряжения.

Действие трансформаторов основано на явлении электромагнитной индукции. Трансформатор состоит из одной первичной обмотки, одной или нескольких вторичных обмоток и ферромагнитного магнитопровода, обычно замкнутой формы. Все обмотки расположены на магнитопроводе и индуктивно связаны между собой. Иногда вторичной обмоткой служит часть первичной, или наоборот. Такие трансформаторы называются автотрансформаторами.

Концы первичной обмотки подключают к источнику переменного напряжения, а концы вторичной — к потребителям. Переменный ток в первичной обмотке приводит к появлению в магнитопроводе переменного магнитного потока, который создаёт в первичной и вторичной обмотках электродвижущие силы (ЭДС). Эти ЭДС пропорциональны количеству витков в соответствующих обмотках. Отношение ЭДС в первичной обмотке к ЭДС во вторичной обмотке называют коэффициентом трансформации.

I. Силовые трансформаторы

Силовые трансформаторы — это наиболее распространенный вид электрических трансформаторов. Они служат для преобразования энергии переменного тока в электрических сетях энергетических систем, в радиотехнических устройствах, системах автоматики и др. и работают при постоянном действующем значении напряжения. Мощные силовые трансформаторыимеют КПД до 99%. Их обмотки изготовляют, как правило, из меди, магнитопроводы — из листов холоднокатаной электротехнической стали. Магнитопровод и обмотки силового трансформатора обычно помещают в бак, заполненный минеральным маслом, которое служит для изоляции и охлаждения обмоток. Масляные трансформаторы обычно устанавливают на открытом воздухе. Трансформаторы без масляного охлаждения называются сухими. Для лучшего отвода тепла силовые трансформаторы могут снабжаться радиаторами.

Помимо силовых, существуют трансформаторы различных типов и назначения: для измерения больших напряжений и токов (измерительные), для преобразования напряжения синусоидальной формы в импульсное (пик-трансформаторы), для преобразования импульсов тока и напряжения (импульсные), для выделения переменной составляющей тока, для разделения электрических цепей на гальванически не связанные между собой части, для их согласования и т.д.

II. Измерительные трансформаторы

Измерительный трансформатор — это электрический трансформатор, на первичную обмотку которого воздействует измеряемый ток или напряжение, а вторичная, понижающая, включена на измерительные приборы и реле защиты. Измерительные трансформаторы применяют главным образом в распределительных устройствах и в цепях переменного тока высокого напряжения для безопасных измерений силы тока, напряжения, мощности, энергии. С помощью измерительных трансформаторов можно измерять различные значения электрических величин электроизмерительными приборами. Различают измерительные трансформаторы напряжения (для включения вольтметров, частотомеров, параллельных цепей ваттметров, счётчиков, фазометров и реле напряжения) и измерительные трансформаторы тока (для включения амперметров, последовательных цепей ваттметров, счётчиков, фазометров и реле тока).

Измерительные трансформаторы напряжения предназначены для преобразования высокого напряжения в низкое в цепях измерения и контроля. Применение трансформаторов напряжения позволяет изолировать цепи вольтметров, частотомеров, электрических счётчиков, устройств автоматического управления и контроля и т. д. от цепи высокого напряжения и создаёт возможность стандартизации номинального напряжения контрольно-измерительной аппаратуры. 

Трансформаторы напряжения подразделяются на:

• трансформаторы переменного напряжения,
• трансформаторы постоянного напряжения.

Первичная обмотка трансформатора переменного напряжения состоит из большого числа витков и подключается к цепи с измеряемым напряжением параллельно. К зажимам вторичной обмотки с числом витков во много раз меньшим подсоединяют измерительные приборы или контрольные устройства. Так как внутреннее сопротивление последних относительно велико, трансформатор работает в условиях, близких к режиму холостого хода, что позволяет (пренебрегая потерями напряжения в обмотках) считать напряжения на первичной и вторичной обмотках пропорциональными количеству витков в обмотках. Зная коэффициент трансформации можно по результатам измерения низкого напряжения во вторичной обмотке определять высокое первичное напряжение.

Измерительные трансформаторы тока предназначены для измерения и контроля больших токов с использованием стандартных измерительных приборов и устройств автоматического управления и контроля. Одновременно трансформаторы тока служат для изоляции аппаратуры от потенциала сети, в которой производится измерение. 

Трансформаторы тока подразделяются на:

• трансформаторы переменного тока,
• трансформаторы постоянного тока.

Первичная обмотка трансформаторов переменного тока состоит из одного или нескольких витков провода относительно большого сечения и включается последовательно в цепь измеряемого тока. Вторичная обмотка состоит из большого числа витков провода сравнительно малого сечения; к ней подключают приборы и устройства с пренебрежимо малым внутренним сопротивлением (амперметры, счётчики, реле и т.п.). Отличительной особенность трансформаторов тока — независимость тока в первичной обмотке от режима работы вторичной обмотки (практически она короткозамкнута). Это позволяет, при известном коэффициенте трансформации, определять большой ток в первичной обмотке, измеряя относительно слабый ток во вторичной. 

Трансформаторы тока классифицируют по:

• назначению (измерительные, защитные, промежуточные, лабораторные),
• способу установки (наружные, внутренние, встроенные в электрические аппараты и машины, накладные, надеваемые на проходные изоляторы, переносные),
• числу ступеней (одноступенчатые, каскадные),
• способу крепления (проходные, в том числе электроизмерительные клещи, опорные),
• числу витков первичной обмотки (одновитковые, или стержневые, многовитковые),
• рабочему напряжению (низкого напряжения, высокого напряжения),
• виду изоляции обмоток (с сухой, бумажно-масляной, компаундной изоляцией).

III. Автотрансформаторы

Автотрансформатор — это электрический трансформатор, все обмотки которого гальванически соединены друг с другом. При малых коэффициентах трансформации автотрансформаторы легче и дешевле многообмоточных трансформаторов. Недостаток автотрансформаторов заключается в невозможности гальванического обособления цепей. Автотрансформаторы служат преобразователями электрического напряжения в пусковых устройствах мощных электродвигателей переменного тока, в схемах релейной защиты для плавного регулирования напряжения и др. Регулируемые автотрансформаторы позволяют благодаря механическому перемещению точки отвода вторичного напряжения сохранить его постоянным при изменениях первичного напряжения.

IV. Импульсные трансформаторы

Импульсный трансформатор — имеет ферромагнитный сердечник и применяется для преобразования импульсов электрического тока или напряжения. Импульсные трансформаторы в радиолокации, импульсной радиосвязи, автоматике и вычислительной технике применяют для согласования источника импульсов с нагрузкой, изменения полярности импульсов, разделения электрических цепей по постоянному и переменному току, сложения сигналов, поджигания импульсных ламп и т. д. Основное требование, предъявляемое к импульсным трансформаторам, — передача импульса с минимальными искажениями формы. Для этого необходимо, чтобы межвитковые ёмкости обмоток, паразитные ёмкости монтажа и индуктивность рассеяния трансформатора были минимальными. Уменьшение межвитковых ёмкостей достигается применением сердечников малых размеров, соответствующей намоткой и взаимным расположением обмоток, а также уменьшением числа витков (при этом снижается коэффициент трансформации). Сердечники импульсных трансформаторов изготавливаются из пермаллоя, кремнистой трансформаторной стали, ферритов и других материалов с высокой магнитной проницаемостью. Для уменьшения потерь на вихревые токи сердечники импульсных трансформаторов навивают из ферромагнитной ленты толщиной до 10 мкм; поверхность ленты покрывают изолирующим слоем. Ферритовые сердечники, имеющие малые потери на вихревые токи, изготавливают методами порошковой металлургии. Первичная обмотка импульсного трансформатора обычно содержит от 50 до 200 витков, коэффициент трансформации выбирается от 0,25 до 5, а в некоторых случаях до 100 и выше.

V. Пик-трансформаторы

Пик-трансформатор — это электрический трансформатор, преобразующий напряжение синусоидальной формы в импульсное напряжение с изменяющейся через каждые полпериода полярностью. Простейший пик-трансформатор имеет магнитопровод с разной толщиной стержней. Вторичная обмотка располагается на более тонком стержне. При протекании в первичной обмотке синусоидального тока в магнитопроводе возникает магнитный поток, который уже при малых значениях силы тока насыщает тонкий стержень магнитопровода, вследствие чего ЭДС, индуцированная во вторичной обмотке, имеет импульсный (пиковый) характер. Пик-трансформаторы используются как генераторы импульсов главным образом в исследовательских установках высокого напряжения, а также в устройствах автоматики.

Трансформаторные масла — это нефтяные или синтетические масла, применяемые в качестве электроизолирующей и теплоотводящей среды в трансформаторах и другом маслонаполненном электрооборудовании, а также в масляных выключателях для гашения электрической дуги при отключении тока. Основная доля трансформаторных масел приходится на масла нефтяные. Трансформаторное масло получают очисткой соответствующих нефтяных дистиллятов с помощью селективных растворителей (фенола, фурфурола), серной кислоты, адсорбентов или гидрированием. Процесс получения масел из сырья, содержащего парафиновые углеводороды, включает также стадию депарафинизации. Трансформаторные масла должны обладать высокой электрической прочностью и электрическим сопротивлением, минимальным тангенсом угла диэлектрических потерь, стабильностью к окислению, должны иметь малую вязкость, низкую испаряемость. Нефтяные трансформаторные масла имеют вязкость 6 — 10×10-6 м2/сек при 50 °С, температуру застывания не выше -45°С, температуру вспышки не ниже 135 °С, тангенс угла диэлектрических потерь не более 0,026 — 0,005 при 90 °С, диэлектрическая проницаемость 2,2 — 2,3; они не должны содержать воду и механические загрязнения. Из синтетических трансформаторных масел наибольшее распространение получили жидкости на основе хлорированных дифенилов и трихлорбензола (гексол, совтолы). В некоторых видах специальных трансформаторов применяются также углеводородные, кремнийорганические и фосфорорганические синтетические жидкости.

Устройство и принцип работы трансформатора. Силовые трансформаторы. Что это такое?

Что такое трансформатор?

Если коротко, то это стационарное устройство, используемое для преобразования переменного напряжения с сохранением частоты тока. Действие трансформатора основано на свойствах электромагнитной индукции.

Немного исторических фактов

В основу действия трансформатора легло явление магнитной индукции, открытое М. Фарадеем в 1831 г. Физик, работая с постоянным электрическим током, заметил отклонение стрелки гальванометра, подключенного к одной из двух катушек, намотанных на сердечник. Причем гальванометр реагировал только в моменты коммутации первой катушки.

Поскольку опыты проводились от источника постоянного тока, Фарадей не смог объяснить открытое явление.

Прообраз трансформатора появился лишь в 1848 году. Его изобрел немецкий механик Г. Румкорф, называя устройство индукционной катушкой особой конструкции. Однако Румкорф не заметил трансформации выходных напряжений.Датой рождения первого трансформатора считается день выдачи патента П. Н. Яблочкову на изобретение устройства с разомкнутым сердечником. Это случилось 30.11.1876 года.

Типы аппаратов с замкнутыми сердечниками появились в 1884 году. Их создали англичане Джон и Эдуард Гопкнинсоны.

По большому счету, технический интерес у электромехаников к переменному току возник только благодаря изобретению трансформатора. Идеи российского электротехника М. О. Доливо-Добровольского и всемирно известного Николы Тесла победили в спорах о преимуществах переменных напряжений именно благодаря возможности трансформации тока.

С победой идей этих великих электротехников потребности в трансформаторах резко выросла, что привело к их усовершенствованию и созданию новых типов приборов.

Конструкция и принцип работы

Обязательными элементами практически любого устройства преобразования напряжения являются изолированные обмотки, формированные из проволоки или ленты. Они располагаются на магнитопроводе, представленном сердечником из ферромагнитного материала. Связь между катушками осуществляется при помощи магнитного потока. В случае работы с высокочастотными токами (100 и более кГц) сердечник отсутствует.

Принцип работы трансформатора

В принципе работы трансформатора сочетаются основные постулаты электромагнетизма и электромагнитной индукции. Его можно рассмотреть на примере простейшего прибора с двумя катушками и стальным сердечником. Подача переменного напряжения на первичную обмотку приводит к возникновение магнитного потока в магнитопроводе, после чего во вторичной и первичной обмотке возникает ЭДС индукции, если подключить нагрузку ко вторичной обмотке то потечёт ток. Частота напряжения на выходе остаётся неизменной, а его величина зависит от соотношения витков катушек.

Трансформаторы бывают повышающие и понижающие, что бы это определить нужно узнать коэффициент трансформации , с его помощью можно узнать какой трансформатор. Если коэффициент меньше 1 то трансформатор повышающий(также это можно определить по значениям если во вторичной обмотке больше чем в первичной то такой повышающий) и наоборот если К>1, то понижающий(если в первичной обмотке меньше витков чем во вторичной).

Формула по вычислению коэффициента трансформации

где:

• U1 и U2 – напряжение в первичной и вторичной обмотки,
• N1 и N2 – количество витков в первичной и вторичной обмотке,
• I1 и I2 – ток в первичной и вторичной обмотки.

Конструкция силового трансформатора:

Режимы работы

Характеристики трансформаторов определяются условиями работы, где ключевая роль отводится сопротивлению нагрузки. За основу берутся следующие режимы:

1. Холостого хода. Выводы вторичной цепи находятся в разомкнутом состоянии, сопротивление нагрузки приравнивается бесконечности. Измерения тока намагничивания, протекающего в первичной обмотке, даёт возможность подсчитать КПД трансформатора. При помощи этого режима вычисляется коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике;
2. Под нагрузкой (рабочий). Вторичная цепь нагружается определённым сопротивлением. Параметры протекающего по ней тока напрямую связаны с соотношением витков катушек.
3. Короткого замыкания. Концы вторичной обмотки закорочены, сопротивление нагрузки равно нулю. Режим информирует о потерях, которые вызываются нагревом обмоток, что на профессиональном языке значится «потерями в меди».
   Режим короткого замыкания

Информация о поведении трансформатора в различных режимах получаются опытным путём с использованием схем замещения.

Расшифровка маркировки

Расшифровка маркировки, для увеличения схемы нажмите на неё

По числу и схеме соединения обмотки

СТ состоят из 2 или нескольких обмоток. Они индуктивно связаны внутри аппарата. Передающие силовые обмотки электрическую мощность потребителям, называют вторичной обмоткой. Многофазного типа силовая установка обмотками соединяется в звезду многими лучами. 3-фазные трансформаторы соединяются 3-лучевой схемой звезды, треугольник.

Мощность трансформатора

Нагрузка СТ рассчитывается условиями неисправности 1 из 2 СТ. 2 СТ обеспечивает потребителя электричеством. Он выдаёт проектную мощность, поддерживает: заданную частоту электрического тока, нормальное напряжение, силу тока, коэффициент φ=0,8. Трансформаторы создают электрическое питание с учётом перегрузочной способности.

Общие характеристики трансформаторов

К основным техническим характеристиками трансформаторов можно отнести:

• номинальную мощность;
• номинальное напряжение обмоток;
• номинальный ток обмоток;
• коэффициент трансформации;
• коэффициент полезного действия;
• число обмоток;
• рабочую частоту;
• количество фаз.

Мощность является одним из главных параметров трансформаторов. В паспортных (заводских) данных трансформатора указывается его полная мощность (обозначается буквой S), она зависит от типа используемого магнитопровода, количества и диаметра витков в обмотках, то есть от массогабаритных показателей электромагнитного аппарата.

Измеряется мощность в единицах В∙А (Вольт-Ампер). На практике для трансформаторов больших мощностей, как правило используются кратные Вольт-Амперам величины Киловольт-ампер — кВА (103 В∙А) и Мегавольт-ампер — МВА (106 В∙А).

Фактически каждый трансформатор имеет 2 значения мощности: входную (S1) — мощность, которую трансформатор потребляет из питающей его сети и выходную (S2) — мощность, которую трансформатор отдает подключенной к нему нагрузке, при этом выходная мощность всегда меньше входной за счет электрических потерь в самом трансформаторе (потери на нагрев обмоток, потери на вихревые токи и т.д.) величина этих потерь определяется другим основным параметром — коэффициентом полезного действия, сокращенно — КПД (обозначается буквой η), данный параметр указывается в процентах.

Например если КПД указано 92% — это значит, что выходная мощность трансформатора будет меньше входной на 8%, т.е. 8% -это потери в трансформаторе.

Формулы расчета мощности:

• Входная мощность: S1=U1х I1 ,ВА;
• Выходная мощность: S2=U2х I2 ,ВА;

где:

• I1,I2 — соответственно, токи в первичной и вторичной обмотках трансформатора в Амперах;
• U1,U2 — соответственно, напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора в Вольтах.

Следует помнить, что полная мощность состоит из активной (P) и реактивной (Q) мощностей:

• Активная мощность определяется по формуле: P=U х I х cosφ ,Ватт (Вт)
• Реактивная мощность определяется по формуле: Q=U х I х sinφ ,вольт-ампер реактивный (Вар)
• Коэффициент мощности: cosφ=P/S;
• Коэффициент реактивной мощности:sinφ=Q/S

Формулы расчета КПД (η) трансформатора:

Как уже было указано выше КПД определяет величину потерь в трансформаторе или иными словами эффективность работы трансформатора и определяется оно отношением выходной мощности (P2) к входной (P1):

η=P2/P1

В результате данного расчета значение КПД определяется в относительных единицах (в виде десятичной дроби), например — 0,92, чтобы получить значение КПД в процентах рассчитанную величину необходимо умножить на 100% (0,92*100%=92%).

Чем ближе КПД к 100% тем лучше, т.е. идеальный трансформатор — это трансформатор в котором P2=P1, однако в реальности из-за потерь в трансформаторе выходная мощность всегда ниже входной.

Это хорошо видно из так называемой энергетической диаграммы трансформатора (рис.3):

• P1 — активная мощность, потребляемая трансформатором от источника;
• P2 — активная (полезная) мощность, отдаваемая трансформатором приемнику;
• ∆Pэл  — электрические потери в обмотках трансформатора;
• ∆Рм  — магнитные потери в магнитопроводе трансформатора;
• ∆Рдоп — дополнительные потери в остальных элементах конструкции.

В режиме холостого хода (работы без подключенной к трансформатору нагрузки) КПД трансформатора η = 0. Мощность холостого хода P0, потребляемая трансформатором в этом режиме, расходуется на компенсацию магнитных потерь. С увеличением нагрузки в достаточно небольшом диапазоне (приблизительно β = 0,2) КПД достигает больших значений. В остальной части рабочего диапазона КПД трансформатора держится на высоком уровне. В режимах, близких к номинальному, КПД трансформатора η ном = 0,9 — 0,98.

Зависимость КПД от нагрузки представлена на следующем графике:

Первичное номинальное напряжение U1н — это напряжение, которое требуется подать на первичную катушку трансформатора, чтобы в режиме холостого хода получить номинальное вторичное напряжение U2н.

Вторичное номинальное напряжение U2н — это значение, которое устанавливается на выводах вторичной обмотки при подаче на первичную обмотку номинального первичного напряжения U1н, в режиме холостого хода.

Номинальный первичный ток I1н — это максимальный ток, протекающий в первичной обмотке, т.е. потребляемый трансформатором из сети, на который рассчитан данный трансформатор и при котором возможна его длительная работа.

Номинальный вторичный ток I2н —  это максимальный ток нагрузки, протекающий во вторичной обмотке, на который рассчитан данный трансформатор и при котором возможна его длительная работа.

Коэффициент трансформации (kт) — это отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке k=W1/W2.

Так же kт определяется как отношение напряжений на зажимах обмоток: kт=U1н/U2н.

Для понижающего трансформатора коэффициент трансформации больше 1, а для повышающего — меньше 1.

Примечание: для трансформаторов тока kт определяется как отношение номинальных значений первичного и вторичного токов kт=I1н/I2н

Число обмоток у однофазных трансформаторов чаще две, но может быть и больше. На первичную обмотку подают одно значение напряжения, а с вторичной обмотки снимают другое значение.

Когда требуются различные напряжения для питания нескольких приборов, то в этом случае вторичных обмоток может быть несколько. Также есть трансформаторы с общей точкой на вторичной обмотке для двуполярного питания.

Рабочая частота трансформаторов может быть различной. Но при одинаковых напряжениях первичной обмотки, трансформатор, разработанный для частоты 50 Гц, может использоваться при частоте сети 60 Гц, но не наоборот. При частоте меньше номинальной увеличивается индукция в магнитопроводе, что может повлечь его насыщение и как следствие резкое увеличение тока холостого хода и изменение его формы. При частоте больше номинальной повышается величина паразитных токов в магнитопроводе, повышается нагрев магнитопровода и обмоток, приводящий к ускоренному старению и разрушению изоляции.

Габариты трансформатора напрямую зависят от частоты тока в цепи, в которой он будет установлен. Конечно, трансформатор должен быть рассчитан на эту частоту. Зависимость эта обратная, т.е. с увеличением частоты габариты трансформатора значительно уменьшаются. Именно поэтому, импульсные блоки питания (с импульсными высокочастотными трансформаторами) намного компактнее.

В зависимости от назначения трансформаторы изготавливают однофазными и трехфазными.

Однофазный трансформатор представляет собой устройство для трансформирования электрической энергии в однофазной цепи. В основном имеет две обмотки, первичную и вторичную, но вторичных обмоток может быть и несколько.

Трехфазный трансформатор представляет собой устройство для трансформирования электрической энергии в трёхфазной цепи. Конструктивно состоит из трёх стержней магнитопровода, соединённых верхним и нижним ярмом. На каждый стержень надеты обмотки W1 и W2 высшего (U1) и низшего (U2) напряжений каждой фазы.

Силовые

Силовой трансформатор переменного электротока — это прибор, использующийся в целях трансформирования электроэнергии в подводящих сетях и электроустановках значительной мощности.

Необходимость в силовых установках объясняется серьезным различием рабочих напряжений магистральных линий электропередач и городских сетей, приходящих к конечным потребителям, требующимся для функционирования работающих от электроэнергии машин и механизмов.

Автотрансформаторы

Устройство и принцип работы трансформатора в таком исполнении подразумевает прямое сопряжение первичной и вторичной обмоток, благодаря этому одновременно обеспечивается их электромагнитный и электрический контакт. Обмотки устройств имеют не менее трех выводов, отличающихся своим напряжением.

Основным достоинством этих приборов следует назвать хороший КПД, потому как преобразуется далеко не вся мощность — это значимо для малых расхождениях напряжений ввода и вывода. Минус — неизолированность цепей трансформатора (отсутсвтие разделения) между собой.

Трансформаторы тока

Данным термином принято обозначать прибор, запитанный непосредственно от поставщика электроэнергии, применяющийся в целях понижения первичного электротока до подходящих значений для использующихся в измеряющих и защитных цепях, сигнализации, связи.

Первичная обмотка трансформаторов электротока, устройство которых предусматривает отсутствие гальванических связей, подключается к цепи с подлежащим определению переменным электротоком, а электроизмерительные средства подсоединяются к вторичной обмотке. Текущий по ней электроток примерно соответствует току первичной обмотки, поделенному на коэффициент трансформирования.

Трансформаторы напряжения

Назначение этих приборов — снижение напряжения в измеряющих цепях, автоматики и релейной защиты. Такие защитные и электроизмерительные цепи в устройствах различного назначения отделены от цепей высокого напряжения.

Импульсные трансформаторы

У импульсных трансформаторов другой тип действия. Они преобразуют напряжение до высоких частот с помощью схемы управления. Конечно из-за этого усложняется схема работы, но это позволяет накапливать большое количество энергии в катушках. Большое преимущество перед классическим трансформаторов — это компактность. Если классический трансформатор на 100 Вт будет большим, то импульсный в десятки раз меньше.

Из недостатков импульсных блоков питания — это наличие импульсных помех. Но и эти помехи удается сглаживать. Поэтому, все блоки питания в компьютерах, ноутбуках и зарядных устройствах чаще всего сделаны на импульсных трансформаторах.

Еще импульсные трансформаторы питают лампы подсветки в мониторах, которые подсвечивают матрицу. Это касается TFT мониторов.

Отличия импульсных трансформаторов от классических

Тезисно можно выделить несколько различий:

• Частота работы;
• Состав сердечника;
• Размеры;
• Схема работы;
• Стоимость.

А еще, как правило, у импульсных трансформаторов больше обмоток, чем у классических.

Разделительный тип

У этого прибора первичная и вторичная обмотки никак не связаны. Трансформатор используется для увеличения безопасного подключения к электрическим сетям, для случаев одновременного прикасания к токоведущим деталям и земле. Защищает от одновременного прикасания к деталям, которые не находятся под действием тока, но могут под ним оказаться в результате нарушения изоляции. Агрегаты призваны обеспечить гальваническую развязку (изоляцию) электрических цепей.

Пик-трансформатор

Служит для преобразования синусоидального тока в импульсное напряжение с полярностью, меняющейся через каждые полпериода.

Сдвоенный дроссель

Индуктивный встречный фильтр или сдвоенный дроссель представляет собой тип устройства с использованием двух обмоток. Из-за взаимной катушечной индукции он действует эффективнее, чем одинарный дроссель. Используется в качестве входного фильтровального приспособления перед блоками питания, в сигнальных дифференциальных цифровых контурах и в технике со звуком.

Броневой трехфазный

Выпускают две различных базовых конструкции:

• стержневую;
• броневую.

Обе конструкции не изменяют эксплуатационные качества и надежность прибора, но при изготовлении имеются существенные различия:

• стержневой тип включает сердечник и обмотки, при взгляде на конструкцию сердечник скрыт за обмотками, видно только нижнее и верхнее ярмо, ось обмоток имеет вертикальное расположение;
• броневой вид прибора включает сердечник в виде обмоток, при этом видно, что сердечник скрывает за собой часть обмоток трансформатора, ось обмоток может располагаться в вертикальном или горизонтальном положении.

Основные элементы трансформатора

Активным элементом является каждая конструктивная деталь. Трансформатор представляет собой довольно сложное оборудование, состоящее из нескольких десятков узлов. Но к главным относятся только магнитная система, в общем смысле представленная магнитопроводом, а также изоляция, обмотки в определенном количестве и расширитель. Дополнительными, способствующими работе элементами, являются баки и выводы, прибор для постоянного охлаждения, переключатели и регулировщики подачи напряжения, измерительные вариации и защитные кожухи, тележки для перевозки и тому подобное.

Магнитная система

Магнитопровод — основной конструктивный элемент системы трансформатора. Он работает в магнитной системе — собирательное название для узла. Поток тока подается через узел, что приводит в результате функционирования определенных приборов к преобразованию и достижению необходимых показателей.

Магнитный провод изготавливается в силовом тс из нескольких листов качественной стали. Используется специальный вид — электротехническая, обладающая повышенными характеристиками проводимости и прочности. В обязательном порядке эти листы, которые рассчитаны на работу с нужным показателем магнитной индуктивности, изолируются — используются специальные разделители. Это позволяет избежать скачка напряжения, а также потерь при прохождении тока.

Ранее использовались пласты из горячекатаной стали, которые показывали индуктивность до 1,45 Тл при уровне потерь до 3,5 Вт на кг. Толщина пластов составляла от 0,35 до 0,5 миллиметров. Теперь используется сталь, изготовленная холодно тканным методом с лучшими показателями. При удельных потерях, не превышающих 1,1 Вт на кг индукция составляет 1,7 Тл. Использование стали, сделанной по новейшим технологиям, дало массу преимуществ. В первую очередь, проводники стали выпускаться меньшего сечения. Это определяет не только то, что в результате получилось меньшее в два-три раза число обмоток трансформатора, но и то, что масса и размеры самого устройства значительно уменьшились.

В среднем сейчас вес трансформатора из расчета на единицу показываемой мощности составляет 74 сотых от тонны, в то время как сотню лет назад показатель минимум был 3,3. Следовательно, в результате использования новой методики холодно тканной стали удалось уменьшить размеры трансформатора, точней его магнитной части, в 4-5 раз.

Магнитная часть трансформатора работает с потерей холостого тока. Чтоб снизить влияние этой характеристики используются методики, касаемо уменьшения удельных потерь, магнитный провод тщательно обрабатывается перед сборкой.

Листы изолируются друг от друга в обязательном порядке. Если ранее для этой цели применялись обычные бумажные бруски, которые клеились на части пластины, то теперь их покрывают специальным лаком. Его слой едва достигает в 0,01 миллилитра, поэтому не влияет на работу магнитного провода. Он способствует уменьшению нагревания при функционировании и снижению риска повреждения.

Магнитопровод является основой трансформатора. К нему крепятся обмотки в определенном количестве и проводники. Часть активная, именно она отвечает за подсоединения выводов и обмоток.

Изоляция трансформатора

Изоляция оборудования является важной частью, которая регулирует эффективность, надежность и безопасность функционирования устройства. В масляных вариация тс основными элементами конструкции являются маслянистые смеси, в том числе и в сочетании с диэлектриками. Используется распространенная стабилизированная бумага. Она не восприимчива к нагреванию, обладает огромными диэлектрическими свойствами. Именно бумага является основным изоляционным вариантом в трансформаторах сухого типа.

К устройствам изоляции относят и конструктивные части механизма, в частности, стенки, крышки и дно. Радиаторы примыкают к стенкам, дно необходимо для закрепления деталей, а крышка позволяет закрепить вводы.

Конструктивные особенности больших и малых по весу и габаритам трансформаторов заметны визуально. Крышка небольшого варианта имеет разъем. При проведении планового осмотра или необходимых ремонтных работах она просто снимается. Если трансформатор массивный, то изоляция устанавливается на дно, потом заливается маслом. Доступ к ней осуществляется после слива активной части состава — она автоматически поднимается наверх. Дополнительными методиками изоляции являются и пакеты из стали или пластины из намагниченных элементов.

Обмотки трансформаторов

Обмотки выполняются чередующимися или концентрическими. Чередующиеся имеют вид невысоких цилиндров с равнозначными показателями, при этом они находятся параллельно друг другу. Такой вид обмотки довольно компактный, не так сильно греется. Но может использоваться только в ограниченных областях. В тоже время концентрированные обмотки размещаются на стержне и напротив друг друга.

Они удобны и практичны, довольно просты в сборке и ремонте, поэтому устанавливаются в большей части силовых тс.

Важные показатели обмоток — это прочность. Первое, что должна обеспечивать обмотка, – это защита от электричества, которое непременно возникают при протекании тока. Также обмотки обязательно должны быть механически прочными, так как при работе вводов и выводов возникают напряжения. Конструктивные узлы охлаждаются, так как перегрев грозит коротким замыканием.

Самые востребованные виды обмоток — медные и алюминиевые. Первые обладают механической прочностью, но не отличаются большим удельным сопротивлением, алюминий же показывает обратные характеристики.

Расширитель трансформатора

Расширитель — это цилиндрический сосуд, который необходим для снижения площадки взаимодействия воздуха и масла. Он соединяется с баком. Пр увеличении уровня начинает работу силикагель, поглощающий влагу из воздуха. Дополнение происходит постоянно.

Как выбрать силовой трансформатор

Трансформатор – это сердце понижающих и распределительных подстанций. Выбор силового трансформатора сопряжен с рядом нюансов и особенностей, которые были рассмотрены в данной статье. Основные учитываемые параметры следующие:

1. Первичное напряжение (ВН) – уровень высокого напряжения питающей сети. Например, 6, 10 или 20кВ.
2. Вторичное напряжение (НН) – уровень низкого напряжения, необходимого для питания потребителей электроэнергии. Например, 0,38кВ или 0,23кВ.
3. Количество фаз и частота (Гц).
4. Нагрузка в кВА, учитывающая потенциальный рост мощности в будущем.
5. Место установки силового трансформатора: снаружи/внутри помещения.
6. График нагрузки.
7. Категория надежности электроснабжения потребителей.
8. Перегрузочная способность трансформатора.

Когда дело касается выбора номинальной мощности исходят из суточного графика нагрузки, отображающего среднесуточную и максимальную активную нагрузку (кВт), а также из расчетной активной нагрузки (когда нет суточных графиков), темпа роста нагрузки и стоимости электроэнергии. Различают следующие типы силовых трансформаторов, представленные в таблице:

Основные показатели мощности силовых трансформаторов.

Если брать в качестве определяющих критериев другие показатели и характеристики, то можно выделить следующие виды силовых трансформаторов:

• количество фаз – одна или три. Трехфазный силовой трансформатор является наиболее распространенным электротехническим устройством, которое используется на подстанциях;
• число обмоток – трех- или двухобмоточные;
• по своему назначению трансформаторы могут быть повышающими или понижающими;
• если брать за критерий место установки, то различают внешние и внутренние устройства;
• по типу охлаждения устройства делятся на две категории – силовые сухие трансформаторы (с воздушным охлаждением) и силовые масляные трансформаторы.

Вне зависимости от типа, мощностных характеристик или габаритных размеров принцип действия силового трансформатора базируется на основе явления электромагнитной индукции. При подаче на устройство тока с определенными характеристиками он проходит через замкнутый магнитопровод и попадает на первичную и вторичную обмотку.

В зависимости от числа витков в обмотках определяется коэффициент напряжений. Если в первичной обмотке число витков меньше – то это повышающий трансформатор, если наоборот, то речь идет о понижающем трансформаторе. В практических условиях значение номинальной мощности выбирают в соответствии с графиком нагрузки и коэффициентом начальной нагрузки. Номинальная полная мощность трансформатора должна быть выше расчетной полной мощности. Необходимо также учитывать и температуру, при которой эксплуатируется трансформатор.

Обслуживание и ремонт

Работа аппаратов связана с высокими значениями мощностей. Поэтому их обслуживанию уделяется повышенное внимание. Ежедневно обслуживающий персонал совершает осмотры, контролирует показания измерительных приборов.

В процессе техобслуживания оцениваются следующие показатели:

1. Степень истощения прибора, поглощающего влагу.
2. Количество масла.
3. Износ механизмов регенерации масла.
4. Наличие подтекания, механических повреждений трубопроводов радиаторов, корпуса.

Если на объекте не предусмотрено круглосуточное дежурство персонала, периодическая ревизия производится раз в месяц. На трансформаторных пунктах осмотр выполняют раз в 6 месяцев.

При необходимости меняют или доливают масло. Его цвет контролируется при визуальном осмотре. Если оно стало темным, его меняют. Раз в год и при проведении капитального ремонта выполняют лабораторное исследование состава масла.

Для разрушения пленки окислов на медных и латунных элементах раз в 6 месяцев отключают установку от питания. Переключатель переводят через все положения несколько раз. Такую процедуру проводят перед сезонными колебаниями нагрузки.

Силовая аппаратура является важным элементом сети энергоснабжения. Они функционируют круглосуточно, поэтому важно уделять внимание особенностям их выбора и обслуживанию. Это одно из сложнейших, но крайне важных устройств.

Источники

• https://www.asutpp.ru/transformator-prostymi-slovami.html
• https://OFaze.ru/elektrooborudovanie/transformator
• https://OFaze.ru/elektrooborudovanie/silovoj-transformator
• https://elektroshkola.ru/transformatory/transformatory-naznachenie-vidy-i-xarakteristiki/
• https://ProTransformatory.ru/vidy/naznachenie-i-ustrojstvo
• https://tyt-sxemi.ru/transformator/
• https://tokar.guru/stanki-i-oborudovanie/princip-raboty-i-ustroystvo-transformatora.html
• https://OTransformatore.ru/vopros-otvet/osnovnye-elementy-konstruktsii-transformatora/
• https://ElectroInfo.net/transformatory/kak-ustroen-silovoj-transformator-i-gde-ego-primenjajut.html
• https://ProTransformatory.ru/vidy/silovye

Как вам статья?

Павел

Бакалавр «210400 Радиотехника» – ТУСУР. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Написать

Пишите свои рекомендации и задавайте вопросы

Силовой трансформатор Определение | Law Insider

• означает права на ввод генерации в качестве Ресурса генерирующей мощности в Систему передачи в точке присоединения, где генерирующие объекты подключаются к Системе передачи.

• означает все Объекты присоединения, которые не являются Объектами присоединения Потребителя и которые после передачи в соответствии с Тарифом, Приложение P, Приложение 2, раздел 5.5 Владельцу взаимосвязанной передачи прав собственности на любые Объекты присоединения Владельца передачи, которые построил Потребитель присоединения, принадлежат, контролируются, управляются и обслуживаются Владельцем взаимосвязанной передачи на стороне Владельца взаимосвязанной передачи в Точке присоединения, указанной в приложениях к Соглашению об услуге присоединения и к Договору об услуге строительства присоединения, включая любые модификации, дополнения или обновления, сделанные в таких объекты и оборудование, необходимые для физического и электрического соединения Объекта Заказчика с Системой передачи или взаимосвязанными распределительными объектами. Провайдер передачи: «Провайдер передачи» должен быть Управлением присоединения для всех целей, при условии, что Владельцы передачи будут нести ответственность за следующие определенные виды деятельности:

• означает точку (точки) подключения, в которой проект подключается к сети, т. е. он должен находиться на уровне шин 11 / 22 кВ подстанции MSEDCL.

• означает соединение между двумя или более отдельными системами передачи, которые обычно работают синхронно и имеют соединительную(ые) связь(и).

• означает устройство, которое соединяет систему сбора электроэнергии WECS и повышает напряжение для соединения с линиями электропередачи коммунального предприятия.

• означает оборудование, используемое для подключения системы электроснабжения штата к системам электроснабжения за пределами штата;

• означает классификацию электрического компонента или цепи, если их рабочее напряжение составляет > 60 В и ≤ 1500 В постоянного тока или > 30 В и ≤ 1000 В переменного тока среднеквадратичное значение (среднеквадратичное значение).

• означает воду, используемую в качестве единственного источника энергии для производства электроэнергии.

• означает Средства присоединения Владельца передачи и Средства присоединения Потребителя.

• означает средства передачи переменного или постоянного тока, которые соединены с Системой передачи или добавлены к ней в соответствии с Тарифом, Часть IV и Тарифом, Часть VI, и которые определены таким образом в Тарифе, Приложение Т, при условии, однако, что Торговые средства передачи не должны включать (i) какие-либо средства присоединения потребителей, (ii) любые физические средства системы передачи, существовавшие до 20 марта 2003 г. или ранее; (iii) любые расширения или усовершенствования Системы передачи, которые не определены как Коммерческие средства передачи в Региональном плане расширения передачи и Тарифах, Приложение Т, или (iv) любые средства передачи, которые включены в тарифную базу коммунального предприятия, и на котором зарабатывается регулируемый доход. Провайдер торговой передачи:

• означает все объекты и оборудование, находящиеся в собственности и/или под контролем, эксплуатируемые и обслуживаемые Заказчиком присоединения на стороне Заказчика присоединения в Точке присоединения, указанные в соответствующих приложениях к Договору об оказании услуг присоединения и к Договору об оказании услуг по строительству присоединения, включая любые модификаций, дополнений или модернизаций таких средств и оборудования, которые необходимы для физического и электрического соединения Объекта Заказчика с Системой передачи.

• означает соглашение между Продавцом и Связующим предприятием и ISO-NE, в зависимости от обстоятельств, относительно соединения Объекта с системой передачи Связующего предприятия, в которое время от времени могут вноситься поправки.

• означает электрическую цепь, включая соединительную систему для зарядки ПЭАС, работающую от высокого напряжения.

• означает соглашение между Оператором передачи, Потребителем присоединения и Владельцем взаимосвязанной передачи относительно присоединения в соответствии с Тарифом, Часть IV и Тарифом, Часть VI.

• означает субстехиометрическое окисление или паровую конверсию вещества с получением газообразной смеси, содержащей два или более из следующих компонентов: (i) оксиды углерода; (ii) метан; и (iii) водород;

Что такое силовой трансформатор и как он работает?

В некоторых из наших предыдущих статей мы обсуждали основы трансформатора и его различных типов. Одним из важных и часто используемых трансформаторов является силовой трансформатор 9.0068 . Он очень широко используется для повышения и понижения напряжения на электростанции и распределительной станции (или подстанции) соответственно.

Например, рассмотрим блок-схему, показанную выше. Здесь силовой трансформатор используется два раза при подаче электроэнергии потребителю, находящемуся далеко от генерирующей станции.

• Первый раз на электростанции для повышения напряжения, вырабатываемого ветрогенератором.
• Второй находится на распределительной станции (или подстанции) для понижения напряжения, полученного в конце линии передачи.

Потери мощности в линиях электропередачи

Существует много причин для использования силового трансформатора в электроэнергетических системах. Но одной из самых важных и простых причин применения силового трансформатора является снижение потерь мощности при передаче электроэнергии.

Теперь давайте посмотрим, как значительно снижаются потери мощности при использовании силового трансформатора:

Во-первых, уравнение потери мощности P = I*I*R.

Здесь I = ток через проводник, а R = сопротивление проводника.

Таким образом, потери мощности прямо пропорциональны квадрату тока, протекающего через проводник или линию передачи. Таким образом, чем меньше величина тока, проходящего через проводник, тем меньше потери мощности.

Как мы воспользуемся этой теорией, объясняется ниже:

• Допустим, начальное напряжение = 100 В, потребление нагрузки = 5 А и подаваемая мощность = 500 Вт. Тогда линии передачи здесь должны нести ток величиной 5А от источника к нагрузке. Но если мы увеличим напряжение на начальном этапе до 1000 В, тогда линии передачи должны будут нести только 0,5 А, чтобы обеспечить ту же мощность в 500 Вт.
• Итак, мы повысим напряжение в начале линии передачи с помощью силового трансформатора и используем другой силовой трансформатор для понижения напряжения в конце линии передачи.
• При такой настройке величина тока, протекающего по линии передачи протяженностью более 100 км, значительно снижается, что снижает потери мощности при передаче.

Разница между силовым трансформатором и распределительным трансформатором

• Силовой трансформатор обычно работает с полной нагрузкой, поскольку он рассчитан на высокую эффективность при 100% нагрузке. С другой стороны, распределительный трансформатор имеет высокий КПД при нагрузке от 50% до 70%. Таким образом, распределительные трансформаторы не подходят для непрерывной работы со 100% нагрузкой.
• Поскольку силовой трансформатор приводит к высоким напряжениям при повышении и понижении, обмотки имеют более высокую изоляцию по сравнению с распределительными трансформаторами и измерительными трансформаторами.
• Поскольку в них используется изоляция высокого уровня, они очень громоздкие и тяжелые.
• Поскольку силовые трансформаторы обычно не подключены к домам напрямую, они испытывают меньше колебаний нагрузки, в то время как распределительные трансформаторы испытывают большие колебания нагрузки.
• Они полностью загружены в течение 24 часов в сутки, поэтому потери меди и железа происходят в течение дня и остаются почти одинаковыми все время.
• Плотность потока в силовом трансформаторе выше, чем в распределительном трансформаторе.

Принцип работы силового трансформатора

Силовой трансформатор работает по принципу «закона электромагнитной индукции Фарадея». Это основной закон электромагнетизма, который объясняет принцип работы катушек индуктивности, двигателей, генераторов и электрических трансформаторов.

Закон гласит: « Когда проводник с замкнутым контуром или закороченный проводник приближается к переменному магнитному полю, в этом замкнутом контуре возникает ток» .

Чтобы лучше понять закон, остановимся на нем подробнее. Во-первых, давайте рассмотрим сценарий ниже.

Предположим, что постоянный магнит и проводник сначала поднесены близко друг к другу .

• Затем провод закорачивают с обоих концов проводом, как показано на рисунке.
• В этом случае в проводнике или петле не будет протекать ток, потому что магнитное поле, разрезающее петлю, стационарно, и, как упоминается в законе, только переменное или меняющееся магнитное поле может вызывать ток в петле.
• Итак, в первом случае стационарного магнитного поля поток в петле проводника будет нулевым.

Теперь рассмотрим, если магнит движется вперед и назад, как маятник , тогда магнитное поле, разрезающее петлю, продолжает изменяться. Поскольку в этом случае присутствует переменное магнитное поле, вступают в силу законы Фарадея, и, таким образом, мы можем видеть ток, протекающий в петле проводника.

Как вы можете видеть на рисунке, после того, как магнит движется вперед и назад, мы видим ток «I», протекающий через проводник и замкнутый контур.

Теперь давайте удалим постоянную батарею , чтобы заменить ее другими источниками переменного магнитного поля, как показано ниже.

• Теперь источник переменного напряжения и проводник используются для создания переменного магнитного поля.
• После того, как петля проводника приблизилась к диапазону магнитного поля, мы можем увидеть ЭДС, генерируемую поперек проводника. Из-за этой индуцированной ЭДС у нас будет ток «I».
• Величина индуцированного напряжения пропорциональна напряженности поля во втором контуре, поэтому чем выше напряженность магнитного поля, тем выше ток, протекающий в замкнутом контуре.

Хотя можно использовать один проводник, настроенный для понимания закона Фарадея. Но для лучшей практической работы предпочтительнее использовать катушку с обеих сторон.

Здесь через первичную катушку1 протекает переменный ток, который создает переменное магнитное поле вокруг проводящих катушек. И когда катушка 2 входит в диапазон магнитного поля, создаваемого катушкой 1, тогда на катушке 2 возникает напряжение ЭДС из-за Закон электромагнитной индукции Фарадея . И из-за этого напряжения в катушке 2 ток «I» протекает через вторичную замкнутую цепь.

Теперь вы должны помнить, что обе катушки подвешены в воздухе, поэтому среда проводимости, используемая магнитным полем, — воздух. А воздух имеет более высокое сопротивление по сравнению с металлами в случае проводимости магнитного поля, поэтому, если мы используем металлический или ферритовый сердечник в качестве среды для электромагнитного поля, мы можем более полно испытать электромагнитную индукцию.

Итак, теперь давайте заменим воздушную среду железной средой для дальнейшего понимания.

Как показано на рисунке, мы можем использовать железный или ферритовый сердечник для уменьшения потерь магнитного потока при передаче энергии от одной катушки к другой. За это время магнитный поток, просочившийся в атмосферу, будет значительно меньше, чем то время, когда мы использовали воздушную среду, так как сердечник является очень хорошим проводником магнитного поля.

Как только поле создается катушкой 1, оно проходит через железный сердечник, достигая катушки 2, и в соответствии с законом Фарадея катушка 2 создает ЭДС, которую считывает гальванометр, подключенный к катушке 2.

Теперь, если вы внимательно присмотритесь, вы обнаружите, что эта установка похожа на однофазный трансформатор. И да, каждый существующий сегодня трансформатор работает по одному и тому же принципу.

Теперь рассмотрим упрощенную конструкцию трехфазного трансформатора .

Трехфазный трансформатор

• Каркас трансформатора состоит из ламинированных металлических листов, которые используются для переноса магнитного потока. На схеме видно, что скелет окрашен в серый цвет. Каркас имеет три столбца, на которые намотаны обмотки трех фаз.
• Обмотка более низкого напряжения наматывается первой и наматывается ближе к сердечнику, а обмотка более высокого напряжения наматывается поверх обмотки более низкого напряжения. Помните, обе обмотки разделены изоляционным слоем.
• Здесь каждый столбец представляет одну фазу, поэтому для трех столбцов мы имеем трехфазную обмотку.
• Вся эта конструкция из каркаса и обмотки погружена в герметичный бак, наполненный индустриальным маслом для лучшей теплопроводности и изоляции.
• После намотки концевые выводы всех шести катушек были выведены из герметизированного бака через высоковольтный изолятор.
• Клеммы закреплены на достаточном расстоянии друг от друга во избежание скачков искры.

Особенности силового трансформатора

Применение передачи энергии

• Силовой трансформатор в основном используется в производстве электроэнергии и на распределительных станциях.