Устройство назначение и принцип работы трансформатора

6.1. Назначение, устройство и принцип действия трансформаторов.

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, преобразующие электрическую. энергию переменного тока с параметрами U1, I1 в электрическую энергию переменного тока с параметрами U2, I2 той же частоты. [1, 5].

Основное назначение трансформаторов – согласование уровней номинальных (рабочих) напряжений или токов источников и приёмников электрической. энергии. Кроме согласования трансформаторы применяются для выполнения разделительных, измерительных, дифференцирующих и некоторых других функций, а также специальных функций (например, сварочные трансформаторы ) [5].

Устройство назначение и принцип работы трансформатораУстройство трансформатора показано на рисунке 6.1.

6.1. К пояснению устройства и принципа действия трансформатора.

Трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного магнитопровода (сердечника), на котором расположены две обмотки, выполненные из медного или алюминиевого провода. Для уменьшения потерь в стали, сердечник собирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

Обмотка, с числом витков W1, подключаемая к источнику питания, называется первичной. К другой обмотке с числом витков W2, называемой вторичной, подключается приёмник Zн.

Все величины, относящиеся к первичной обмотке (напряжение, ток, мощность, число витков и т. д.) называются первичными, а величины, относящиеся ко вторичной обмотке, — вторичными.

Трансформатор, у которого W2 W1, то трансформатор называется повышающим.

Величина к = W1/ W2 называется коэффициентом трансформации трансформатора.

Трансформатор, имеющий первичную и одну вторичную обмотку, называется двухобмотачным. Если у трансформатора две или более вторичных обмоток, то он называется трёх- или многообмотачным.

В однофазных цепях синусоид тока применяют однофазные трансформаторы, в трёхфазных цепях – трёхфазные трансформаторы [Борисов, с. 288-289].

На рисунке 6.2. показаны условные графические обозначения трансформаторов в электрических схемах.

Устройство назначение и принцип работы трансформатора

Устройство назначение и принцип работы трансформатора

Рис. 6.2. Условные графические обозначения схем однофазного (а, б)

и трёхфазного (в, г) трансформаторов.

У однофазных трансформаторов начало и конец первичной обмотки обозначаются большими буквами: начало А, конец Х; вторичной обмотки – малыми буквами: начало а, конец х. Предполагается, что направление обмотки от начала к концу относительно магнитопровода обеих обмоток одинаковое: или по часовой, или против часовой стрелки [Зорин, с. 304].

По мощности трансформаторы подразделяются на трансформаторы:

малой мощности – до 50 – 1000 ВА;

средней мощности – до 20 – 500 кВА;

большой мощности – до 500 000 – 1 000 000 кВА.

(см. [Зорин, с. 332-333]).

Трансформаторы средней и большой мощности, используемые в системах передачи и распределения электроэнергии, а также при её использовании в промышленных установках называются силовыми.

Трансформаторы, устанавливаемые на электрических станциях и подстанциях, называются силовыми трансформаторами общего назначения. В промышленности широко распространены также силовые трансформаторы специального назначения: выпрямительных, сварочных и др. электроустановок.

Трансформаторы малой мощности применяются в радиотехнических системах и системах автоматического управления производственными процессами. Сюда относятся импульсные, разделительные, согласующие, дифференцирующие и др. типы маломощных трансформаторов.

Несмотря на большое разнообразие типов трансформаторов, принцип действия всех трансформаторов одинаков и основан на явлении электромагнитной индукции.

Назначение трансформатора. Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Трансформаторы позволяют значительно повысить напряжение, вырабатываемое источниками переменного тока, установленными на электрических станциях, и осуществить передачу электроэнергии на дальние расстояния при высоких напряжениях (110, 220, 500, 750 и 1150 кВ). Благодаря этому сильно уменьшаются потери энергии в проводах и обеспечивается возможность значительного уменьшения площади сечения проводов линий электропередачи.

В местах потребления электроэнергии высокое напряжение, подаваемое от высоковольтных линий электропередачи, снова понижается трансформаторами до сравнительно небольших значений (127, 220, 380 и 660 В), при которых работают электрические потребители, установленные на фабриках, заводах, в депо и жилых домах. На э. п. с. переменного тока трансформаторы применяют для уменьшения напряжения, подаваемого из контактной сети к тяговым двигателям и вспомогательным цепям.

Читайте также:  Почему сильно искрят щетки и что делать

Кроме трансформаторов, применяемых в системах передачи и распределения электроэнергии, промышленностью выпускаются трансформаторы: тяговые (для э. п. с), для выпрямительных установок, лабораторные с регулированием напряжения, для питания радиоаппаратуры и др. Все эти трансформаторы называют силовыми.

Трансформаторы используют также для включения электроизмерительных приборов в цепи высокого напряжения (их называют измерительными), для электросварки и других целей. Транс-

Устройство назначение и принцип работы трансформатораРис. 212. Схема включения однофазного трансформатора

форматоры бывают однофазные и трехфазные, двух- и многообмоточные.

Принцип действия трансформатора. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из стального магнитопровода 2 (рис. 212) и двух расположенных на нем обмоток 1 и 3. Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны. К одной из обмоток подается электрическая энергия от источника переменного тока. Эту обмотку называют первичной. К другой обмотке, называемой вторичной, подключают потребители (непосредственно или через выпрямитель).

При подключении трансформатора к источнику переменного тока (электрической сети) в витках его первичной обмотки протекает переменный ток i1, образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные э. д. с. е1 и е2. Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием э. д. с. е2 по ее цепи проходит ток i2.

Э. д. с, индуцированная в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его изменения. Магнитный поток каждого трансформатора является определенной величиной, зависящей от напряжения и частоты изменения переменного тока в источнике, к которому подключен трансформатор. Постоянна также и скорость изменения магнитного потока, она определяется частотой изменения переменного тока. Следовательно, в каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая э. д.с. В результате этого отношение действующих значений э. д. с. Е1 и E2, индуцированных в первичной и вторичной обмотках трансформатора, будет равно отношению чисел витков ?1 и ?2 этих обмоток, т. е.

Отношение э. д. с. Евн обмотки высшего напряжения к э. д. с. Eнн обмотки низшего напряжения (или отношение чисел их витков) называется коэффициентом трансформации,

Коэффициент трансформации всегда больше единицы. Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (в трансформаторах средней и большой мощности они не превышают обычно 2—5 % номинальных значений напряжений U1 и U2), то можно считать, что отношение напряжения U1 первичной обмотки к напряжению U2 вторичной обмотки приблизительно равно отношению чисел их витков, т. е.

Таким образом, подбирая требуемое соотношение между числами витков первичной и вторичной обмоток, можно увеличивать или уменьшать напряжение на приемнике, подключенном к вторичной обмотке. Если необходимо на вторичной обмотке получить напряжение большее, чем подается на первичную, то применяют повышающие трансформаторы, у которых число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной.

В понижающих трансформаторах, наоборот, число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной.

Трансформатор не может осуществить преобразование напряжения постоянного тока. При подключении его первичной обмотки к сети постоянного тока в трансформаторе создается постоянный по величине и направлению магнитный поток, который не может индуцировать э. д. с. в первичной и вторичной обмотках. Поэтому не будет происходить передачи электрической энергии из первичной обмотки во вторичную.

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока через эту обмотку проходит некоторый ток, называемый током холостого хода. При включении нагрузки по вторичной обмотке трансформатора начинает проходить ток, при этом увеличивается и ток, проходящий по первичной обмотке. Чем больше нагрузка трансформатора, т. е. электрическая мощность и ток i2, отдаваемые его вторичной обмоткой подключенным к ней приемникам, тем больше электрическая мощность и ток i1, поступающие из сети в первичную обмотку.

Читайте также:  Время вулканизации сырой резины таблица

Ввиду того что потери мощности в трансформаторе обычно малы, можно приближенно принять, что мощности в первичной и вторичной обмотках одинаковы. В этом случае можно считать, что токи в обмотках трансформатора приблизительно обратно пропорциональны напряжениям: I1/I2 ? U2/U1 или что токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числам витков первичной и вторичной обмоток: I1/I2 ? ?2/?1. Это означает, что в повышающем трансформаторе ток во вторичной обмотке меньше, чем в первичной (во столько раз, во сколько напряжение U2 больше напряжения U1), а в понижающем ток во вторичной обмотке больше, чем в первичной. Поэтому в трансформаторах обмотки высшего напряжения выполняются из более тонких проводов, чем обмотки низшего напряжения.

Транспортировка электрической энергии на большие расстояния неизбежно приводит к определенным потерям. Для того чтобы снизить потери, в системе передачи применяется свойство трансформации. С этой целью электрический ток проходит через трансформаторную подстанцию, с помощью которой осуществляется повышение амплитуды напряжения, подаваемого в ЛЭП для дальнейшей транспортировки.

Конечная точка ЛЭП подключается к вводу удаленной подстанции. Здесь выполняется снижение напряжения, после чего электричество распределяется среди потребителей. На обеих подстанциях установлены силовые трансформаторы, устройство и принцип действия которых позволяет преобразовывать электроэнергию большой мощности. Они отличаются особенностями устройства и техническими характеристиками.

Основные детали и системы силового трансформатора

Металлический корпус предназначен для размещения внутри него электрического оборудования трансформатора. Он представляет собой герметичный бак с крышкой, заполненный трансформаторным маслом. Такой сорт масла имеет высокие диэлектрические качества, с его помощью отводится тепло от деталей, подверженных значительным токовым нагрузкам.

Устройство назначение и принцип работы трансформатора

Охлаждение трансформатора осуществляется с помощью гидравлической системы. Залив и слив масла производится с использованием задвижек и вкручивающихся пробок. Отбор масла для химического анализа производится через запорный вентиль, расположенный в нижней части бака.

Циркуляция масла в силовом трансформаторе происходит по двум контурам – внешнему и внутреннему. В состав внешнего контура входит радиатор, состоящий из верхнего и нижнего коллекторов, соединенных между собой металлическими трубками. Нагретое масло проходит через магистрали охладителя, остывает и вновь поступает в бак. Внутри бака масло может циркулировать естественным путем или принудительно под действием давления, создаваемого насосами. Теплообмен значительно улучшается за счет специальных гофр, устанавливаемых на поверхности бака.

Устройство назначение и принцип работы трансформатора

Важнейшим элементом силового трансформатора является его электрическая схема. Все ее элементы размещаются внутри корпуса. Верхняя и нижняя балки составляют остов, на котором крепятся все остальные детали. В состав схемы входит магнитопровод, обмотки высокого и низкого напряжения, высоковольтные и низковольтные отводы, регулировочные ответвления обмоток. В нижней части располагаются вводы высокого и низкого напряжения.

Основной функцией магнитопровода является снижение потерь магнитного потока, проходящего через обмотки. Для его изготовления используется специальные сорта электротехнической стали. Ток нагрузки протекает через обмотки фаз. Изоляция витков выполняется специальными сортами хлопчатобумажной ткани или кабельной бумаги. Механическая и электрическая прочность обмоточной изоляции повышается за счет пропитки поверхностей специальным лаком. Подключение обмоток может выполняться по схеме «звезда», «треугольник» или «зигзаг». Для маркировки концов каждой обмотки используются латинские символы.

Принцип действия и режимы работы

Силовые трансформаторы действуют по такому же принципу, как и обычные трансформаторные устройства. Во входную обмотку поступает электрический ток, колебания которого изменяются по времени. Это приводит к наведению в магнитопроводе изменяющегося магнитного поля. Далее изменяющийся магнитный поток проходит через витки второй обмотки, после чего в ней возникает электродвижущая сила.

Устройство назначение и принцип работы трансформатора

Во время проверок и в процессе эксплуатации работа трансформатора может происходить в различных режимах:

  • Рабочий режим. В этом случае источник напряжения подключается к первичной обмотке, а нагрузка – к вторичной. Величина тока в каждой обмотке должна быть не более допустимого расчетного значения. В данном режиме обеспечивается устойчивое и надежное питание потребителей в течение длительного времени. В рабочем режиме может создаваться холостой ход и короткое замыкание с целью проверки характеристик трансформаторного устройства.
  • Холостой ход. Создается путем размыкания вторичной цепи, чтобы исключить протекание по ней тока. Данный режим позволяет определить коэффициент полезного действия, коэффициент трансформации, потери в стальных деталях, затраченные для намагничивания сердечника.
  • Режим короткого замыкания. В этом случае накоротко шунтируются выводы вторичной обмотки. На входе трансформатора напряжение оказывается заниженным до значения, при котором создается вторичный номинальный ток с постоянным значением. Данный способ позволяет установить потери в меди.
  • Аварийный режим. К нему относятся любые нарушения работы трансформатора, вызывающие отклонение рабочих показателей за пределы допустимого значения. Особую опасность представляет короткое замыкание, возникающее внутри обмоток. Для предотвращения последствий аварийного режима в силовых трансформаторах устанавливаются автоматические средства защиты и сигнализации. Они поддерживают нормальную работу первичной схемы и полностью отключают ее в случае неисправностей и аварийных ситуаций.
Читайте также:  Виды технологических процессов обработки материалов

Защита силовых трансформаторов

В первую очередь необходимо постоянно контролировать уровень масла, циркулирующего внутри бака. На его температуру оказывает влияние целый комплекс различных факторов. В связи с этим происходит постоянное изменение объема и главной задачей становится поддержание уровня масла в установленных границах. Важную роль в этом играет использование расширительного бачка, компенсирующего все объемные отклонения. Кроме того, он позволяет вести наблюдения за текущим уровнем масла.

Устройство назначение и принцип работы трансформатора

Данные о состоянии уровня снимаются с помощью маслоуказателя, подключаемого параллельно с расширительным бачком.

Силовые трансформаторы должны быть защищены от проникновения влаги, поскольку расширительный бак своей верхней частью плотно контактирует с окружающей средой. С этой целью устанавливается осушитель воздуха, создающий препятствия попаданию влаги в масло, что существенно снижает его диэлектрические свойства.

Важной составляющей масляной системы считается газовое реле, защищающее трансформатор от внутренних повреждений. Оно монтируется внутри трубопровода, который соединяет между собой основной и расширительный баки. Во время нагрева масло и органическая изоляция выделяют газы, попадающие в емкость газового реле, содержащую внутри чувствительный элемент.

Устройство назначение и принцип работы трансформатора

В некоторых случаях может возникнуть аварийное повышение давления внутри бака. В целях защиты на крышке трансформатора выполняется монтаж выхлопной трубы. Ее нижний конец должен сообщаться с емкостью бака, а масло – поступать внутрь до необходимого уровня в расширителе. Над расширителем возвышается верхняя часть трубы, которая отводится в сторону и незначительно загибается вниз. Ее конец герметично закрывает стеклянная предохранительная мембрана, разрушающаяся в случае аварийного повышения давления.

Силовые трансформаторы, имеющие обмотку высокого напряжения свыше 1000 В, оборудуются релейной защитой от основных повреждений и неисправностей. Непосредственными защитными устройствами являются вторичные реле прямого или косвенного действия. Их подключение осуществляется не напрямую, а через измерительные трансформаторы напряжения и тока.

Монтаж и дальнейшая эксплуатация силовых трансформаторов

Большинство конструкций силовых трансформаторов обладают значительным весом. Поэтому для их транспортировки к месту монтажа используется специальный транспорт. Оборудование поставляется полностью собранным и готовым к подключению.

Устройство назначение и принцип работы трансформатора

Монтаж силового трансформатора выполняется на заранее подготовленном фундаменте или в специальном помещении. Во избежание воздушных мешков под крышкой бака в процессе установки, под катки со стороны расширителя подкладываются стальные пластинки. Их толщина должна обеспечивать подъем 1% с узкой и 1,5% с широкой стороны трансформатора. Длина прокладок составляет не менее 150 мм. При массе устройства до 2 тонн установка выполняется непосредственно на фундамент. Корпус в обязательном порядке соединяется с системой заземления.

Перед началом установки силовые трансформаторы проходят испытания в лабораторных условиях. В это время измеряется коэффициент трансформации, проверяется качество соединений, изоляции, а также соответствие трансформаторного масла.

Релейная защита силового трансформатора