Силовой трансформатор принцип работы и устройство

Силовые трансформаторы — устройство и принцип действия

При транспортировке электроэнергии на большие расстояния для снижения потерь используется принцип трансформации. Для этого электричество, вырабатываемое генераторами, поступает на трансформаторную подстанцию. На ней повышается амплитуда напряжения, поступающего в линию электропередачи.

Второй конец ЛЭП подключен на ввод удаленной подстанции. На ней для распределения электричества между потребителями осуществляется понижение напряжения.

На обеих подстанциях трансформацией электроэнергии больших мощностей занимаются специальные силовые устройства:

Они имеют много общих признаков и характеристик, но отличаются определенными принципами работы. Эта статья описывает только первые конструкции, у которых передача электроэнергии между разделенными обмотками происходит за счет электромагнитной индукции. При этом изменяющиеся по амплитуде гармоники тока и напряжения сохраняют частоту колебаний.

Силовые трансформаторы в энергетике устанавливаются на заранее подготовленные стационарные площадки с прочными фундаментами. Для размещения на грунте могут монтироваться рельсы и катки.

Общий вид одного из многочисленных типов силовых трансформаторов, работающего с системами напряжений 110/10 кВ и обладающего величиной полной мощности 10 МВА, показан на фотографии ниже.

Отдельные ярко выраженные элементы его конструкции снабжены подписями. Более подробно устройство основных частей и их взаимное расположение демонстрирует чертеж.

Электрическое оборудование трансформатора размещается внутри металлического корпуса, изготовленного в форме герметичного бака с крышкой. Он заполнен специальным сортом трансформаторного масла, которое обладает высокими диэлектрическими свойствами и, одновременно, используется для отвода тепла от деталей, подвергаемых большим токовым нагрузкам.

Гидравлическая схема трансформатора

Упрощенно состав и взаимодействие ее основных элементов показано на картинке.

Для залива/слива масла используются специальные задвижки и вкручивающаяся пробка, а запорный вентиль, расположенный внизу бака, предназначен для отбора проб масла и последующего проведения его химического анализа.

В силовом трансформаторе образовано два контура циркуляции масла:

Первый контур представлен радиатором, состоящим из верхнего и нижнего коллекторов, соединенных системой металлических трубок. Через них проходит нагретое масло, которое, находясь в магистралях охладителя, остывает и возвращается в бак.

Внутри бака циркуляция масла может производиться:

принудительно за счет создания давления в системе насосами.

Часто поверхность бака увеличивается за счет создания гофр — специальных металлических пластин, улучшающих теплообмен между маслом и окружающей атмосферой.

Забор тепла от радиатора в атмосферу может выполняться обдувом системой вентиляторов или без них за счет свободной конвекции воздуха. Принудительный обдув эффективно повышает теплосъем с оборудования, но увеличивает затраты энергии на эксплуатацию системы. Они могут снизить нагрузочную характеристику трансформатора до 25%.

Тепловая энергия, выделяемая современными трансформаторами повышенной мощности, достигает огромных величин. Об ее размере может служить тот факт, что сейчас за ее счет стали реализовывать проекты отопления промышленных зданий, расположенных рядом с постоянно работающими трансформаторами. В них поддерживаются оптимальные условия работы оборудования даже в зимнее время.

Контроль уровня масла в трансформаторе

Масло постоянно циркулирует внутри бака. Его температура зависит от целого комплекса воздействующих факторов. Поэтому объем его все время изменяется, но поддерживается в определенных границах. Для компенсации объемных отклонений масла служит расширительный бачок. В нем удобно наблюдать текущий уровень.

Для этого используется маслоуказатель. Наиболее простые устройства изготавливают по схеме сообщающихся сосудов с прозрачной стенкой, заранее проградуированной в единицах объема.

Подключения такого маслоуказателя параллельно расширительному баку вполне достаточно для контроля эксплуатационных характеристик. На практике встречаются и другие, отличные от этого принципа работы маслоуказатели.

Защита от проникновения влаги

Поскольку верхняя часть расширительного бака контактирует с атмосферой, то в ней устанавливают осушитель воздуха, препятствующий проникновению влаги внутрь масла и снижению его диэлектрических свойств.

Защита от внутренних повреждений

Важным элементом масляной системы является газовое реле. Его монтируют внутри трубопровода, соединяющего основной бак трансформатора с расширительным. За счет этого все газы, выделяемые при нагреве из масла и органической изоляции, проходят через емкость с чувствительным элементом газового реле.

Этот датчик отстроен от работы на очень маленькое, допустимое газообразование, но срабатывает при его увеличении в два этапа:

1. на выдачу светового/звукового предупредительного сигнала обслуживающему персоналу о возникновении неисправности при достижении уставки первой величины;

2. на отключение силовых автоматических выключателей со всех сторон трансформатора для снятия напряжения при бурном газообразовании, свидетельствующем о начале мощных процессов разложения масла и органической изоляции, начинающихся при коротких замыканиях внутри бака.

Дополнительная функция газового реле — контроль уровня масла в баке трансформатора. При снижении его до критической величины газовая защита может отработать в зависимости от настройки:

только на сигнал;

на отключение с выдачей сигнала.

Защита от аварийного повышения давления внутри бака

На крышке трансформатора так монтируется выхлопная труба, чтобы ее нижний конец сообщался с емкостью бака, а масло поступало внутрь до уровня в расширителе. Верхняя часть трубы возвышается над расширителем и отводится в сторону, немного загибается вниз. Ее конец герметично закрыт стеклянной предохранительной мембраной, которая разрушается при аварийном повышении давления из-за возникновения нерасчетного нагрева.

Другая конструкция подобной защиты основана на монтаже клапанных элементов, которые открываются при повышении давления и закрываются при его сбросе.

Еще один вид — сильфонная защита. Она основана на быстром сжатии сильфона при резком повышении газа. В результате сбивается защелка, удерживающая боек, который в нормальном положении находится под воздействием сжатой пружины. Освобожденный боек разбивает стеклянную мембрану и тем самым осуществляет сброс давления.

Электрическая схема силового трансформатора

Внутри корпуса бака размещаются:

остов с верхней и нижней балкой;

обмотки высокого и низкого напряжения;

регулировочные ответвления обмоток;

низковольтный и высоковольтный отводы

нижняя часть вводов высокого и низкого напряжения.

Остов вместе с балками служит для механического закрепления всех составных деталей.

Конструкция внутренних элементов Магнитопровод служит для снижения потерь магнитному потоку, проходящему через обмотки. Его изготавливают из сортов электротехнической стали шихтованным способом.

По обмоткам фаз трансформатора протекает ток нагрузки. Материалами для их изготовления выбирают металлы: медь или алюминий с круглым либо прямоугольным сечением. Для изоляции витков используют специальные сорта кабельной бумаги или хлопчатобумажную пряжу.

Концентрические намотанные обмотки выполняют в виде цилиндров, расположенных один в другом. Для стороны высокого напряжения (ВН) создается непрерывная или многослойная обмотка, а для низкого (НН) — винтовая и цилиндрическая.

Обмотку НН располагают ближе к стержню: так легче выполнить слой для ее изоляции. Затем на нее устанавливают специальный цилиндр, обеспечивающий изоляцию между сторонами высокого и низкого напряжения, а на него монтируют обмотку ВН.

Описанный способ монтажа показан на левой части нижерасположенной картинки с концентрическим размещением обмоток на стержне трансформатора.

С правой стороны картинки показан способ размещения чередующихся обмоток, разделяемых изоляционным слоем.

Для повышения электрической и механической прочности изоляции обмоток их поверхность пропитывают специальным сортом глифталевого лака.

Для подключения обмоток одной стороны напряжения между собой используют схемы:

При этом концы каждой обмотки маркируют буквами латинского алфавита, как показано в таблице.

Устройство и принцип работы трансформатора

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем знакомство с электронными компонентами и в этой статье рассмотрим устройство и принцип работы трансформатора.

Трансформаторы нашли широкое применение в радио и электротехнике и применяются для передачи и распределения электрической энергии в сетях энергосистем, для питания схем радиоаппаратуры, в преобразовательных устройствах, качестве сварочных трансформаторов и т.п.

Трансформатор предназначен для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины.

В большинстве случаев трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника) с расположенными на нем двумя катушками (обмотками) электрически не связанных между собой. Магнитопровод изготавливают из ферромагнитного материала, а обмотки мотают медным изолированным проводом и размещают на магнитопроводе.

Одна обмотка подключается к источнику переменного тока и называется первичной (I), с другой обмотки снимается напряжение для питания нагрузки и обмотка называется вторичной (II). Схематичное устройство простого трансформатора с двумя обмотками показано на рисунке ниже.

1. Принцип работы трансформатора.

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

Если на первичную обмотку подать переменное напряжение U1, то по виткам обмотки потечет переменный ток Io, который вокруг обмотки и в магнитопроводе создаст переменное магнитное поле. Магнитное поле образует магнитный поток Фo, который проходя по магнитопроводу пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует (наводит) в них переменные ЭДС – е1 и е2. И если к выводам вторичной обмотки подключить вольтметр, то он покажет наличие выходного напряжения U2, которое будет приблизительно равно наведенной ЭДС е2.

При подключении к вторичной обмотке нагрузки, например, лампы накаливания, в первичной обмотке возникает ток I1, образующий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1 изменяющийся с той же частотой, что и ток I1. Под воздействием переменного магнитного потока в цепи вторичной обмотки возникает ток I2, создающий в свою очередь противодействующий согласно закону Ленца магнитный поток Ф2, стремящийся размагнитить порождающий его магнитный поток.

В результате размагничивающего действия потока Ф2 в магнитопроводе устанавливается магнитный поток Фo равный разности потоков Ф1 и Ф2 и являющийся частью потока Ф1, т.е.

Результирующий магнитный поток Фo обеспечивает передачу магнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу е2, под воздействием которой во вторичной цепи течет ток I2. Именно благодаря наличию магнитного потока Фo и существует ток I2, который будет тем больше, чем больше Фo. Но и в то же время чем больше ток I2, тем больше противодействующий поток Ф2 и, следовательно, меньше Фo.

Из сказанного следует, что при определенных значениях магнитного потока Ф1 и сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки устанавливаются соответствующие значения ЭДС е2, тока I2 и потока Ф2, обеспечивающие равновесие магнитных потоков в магнитопроводе, выражаемое формулой приведенной выше.

Таким образом, разность потоков Ф1 и Ф2 не может быть равна нулю, так как в этом случае отсутствовал бы основной поток Фo, а без него не мог бы существовать поток Ф2 и ток I2. Следовательно, магнитный поток Ф1, создаваемый первичным током I1, всегда больше магнитного потока Ф2, создаваемого вторичным током I2.

Величина магнитного потока зависит от создающего его тока и от числа витков обмотки, по которой он проходит.

Напряжение вторичной обмотки зависит от соотношения чисел витков в обмотках. При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке будет приблизительно равно напряжению, подаваемому на первичную обмотку, и такой трансформатор называют разделительным.

Если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подаваемого на первичную обмотку, и такой трансформатор называют повышающим.

Если же вторичная обмотка содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее будет меньше, чем напряжение подаваемое на первичную обмотку, и такой трансформатор называют понижающим.

Следовательно. Путем подбора числа витков обмоток, при заданном входном напряжении U1 получают желаемое выходное напряжение U2. Для этого пользуются специальными методиками по расчету параметров трансформаторов, с помощью которых производится расчет обмоток, выбирается сечение проводов, определяются числа витков, а также толщина и тип магнитопровода.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то в магнитопроводе образуется магнитный поток постоянный во времени, по величине и направлению. В этом случае в первичной и вторичной обмотках не будет индуцироваться переменное напряжение, а следовательно, не будет передаваться электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Однако если в первичной обмотке трансформатора будет течь пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение частота которого будет равна частоте пульсации тока в первичной обмотке.

2. Устройство трансформатора.

2.1. Магнитопровод. Магнитные материалы.

Назначение магнитопровода заключается в создании для магнитного потока замкнутого пути, обладающего минимальным магнитным сопротивлением. Поэтому магнитопроводы для трансформаторов изготавливают из материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях. Материалы должны иметь малые потери на вихревые токи, чтобы не перегревать магнитопровод при достаточно больших значениях магнитной индукции, быть достаточно дешевыми и не требовать сложной механической и термической обработки.

Магнитные материалы, используемые для изготовления магнитопроводов, выпускаются в виде отдельных листов, либо в виде длинных лент определенной толщины и ширины и называются электротехническими сталями.
Листовые стали (ГОСТ 802-58) изготавливаются методом горячей и холодной прокатки, ленточные текстурованные стали (ГОСТ 9925-61) только методом холодной прокатки.

Также применяют железноникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллой, перминдюр и др. (ГОСТ 10160-62), и низкочастотные магнитомягкие ферриты.

Для изготовления разнообразных относительно недорогих трансформаторов широко применяются электротехнические стали, имеющие небольшую стоимость и позволяющие трансформатору работать как при постоянном подмагничивании магнитопровода, так и без него. Наибольшее применение нашли холоднокатаные стали, имеющие лучшие характеристики по сравнению со сталями горячей прокатки.

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, предназначенных для работы при повышенных и высоких частотах 50 – 100 кГц.

Недостатком таких сплавов является их высокая стоимость. Так, например, стоимость пермаллоя в 10 – 20 раз выше стоимости электротехнической стали, а пермендюра – в 150 раз. Однако в ряде случаев их применение позволяет существенно снизить массу, объем и даже общую стоимость трансформатора.

Другим их недостатком является сильное влияние на магнитную проницаемость постоянного подмагничивания, переменных магнитных полей, а также низкая стойкость к механическим воздействиям – удар, давление и т.п.

Из магнитомягких низкочастотных ферритов с высокой начальной проницаемостью изготавливают прессованные магнитопроводы, которые применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, работающих на высоких частотах от 50 – 100 кГц. Достоинством ферритов является невысокая стоимость, а недостатком является низкая индукция насыщения (0,4 – 0,5 Т) и сильная температурная и амплитудная нестабильность магнитной проницаемости. Поэтому их применяют лишь при слабых полях.

Выбор магнитных материалов производится исходя из электромагнитных характеристик с учетом условий работы и назначения трансформатора.

2.2. Типы магнитопроводов.

Магнитопроводы трансформаторов разделяются на шихтованные (штампованные) и ленточные (витые), изготавливаемые из листовых материалов и прессованные из ферритов.

Шихтованные магнитопроводы набираются из плоских штампованных пластин соответствующей формы. Причем пластины могут быть изготовлены практически из любых, даже очень хрупких материалов, что является достоинством этих магнитопроводов.

Ленточные магнитопроводы изготавливаются из тонкой ленты, намотанной в виде спирали, витки которой прочно соединены между собой. Достоинством ленточных магнитопроводов является полное использование свойств магнитных материалов, что позволяет уменьшить массу, размеры и стоимость трансформатора.

В зависимости от типа магнитопровода трансформаторы подразделяются на стрежневые, броневые и тороидальные. При этом каждый из этих типов может быть и стрежневым и ленточным.

В магнитопроводах стержневого типа обмотки располагается на двух стержнях (стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки). Это усложняет конструкцию трансформатора, но уменьшает толщину намотки, что способствует снижению индуктивности рассеяния, расхода проволоки и увеличивает поверхность охлаждения.

Стержневые магнитопроводы используют в выходных трансформаторах с малым уровнем помех, так как они малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей низкой частоты. Это объясняется тем, что под влиянием внешнего магнитного поля в обеих катушках индуцируются напряжения, противоположные по фазе, которые при равенстве витков обмоток компенсируют друг друга. Как правило, стержневыми выполняются трансформаторы большой и средней мощности.

В магнитопроводе броневого типа обмотка располагается на центральном стержне. Это упрощает конструкцию трансформатора, позволяет получить более полное использование окна обмоткой, а также создает некоторую механическую защиту обмотки. Поэтому такие магнитопроводы получили наибольшее применение.

Некоторым недостатком броневых магнитопроводов является их повышенная чувствительность к воздействию магнитных полей низкой частоты, что делает их малопригодными к использованию в качестве выходных трансформаторов с малым уровнем помех. Чаще всего броневыми выполняются трансформаторы средней мощности и микротрансформаторы.

Тороидальные или кольцевые трансформаторы позволяют полнее использовать магнитные свойства материала, имеют малые потоки рассеивания и создают очень слабое внешнее магнитное поле, что особенно важно в высокочастотных и импульсных трансформаторах. Но из-за сложности изготовления обмоток не получили широкого применения. Чаще всего их делают из феррита.

Для уменьшения потерь на вихревые токи шихтованные магнитопроводы набираются из штампованных пластин толщиной 0,35 – 0,5 мм, которые с одной стороны покрывают слоем лака толщиной 0,01 мм или оксидной пленкой.

Лента для ленточных магнитопроводов имеет толщину от нескольких сотых до 0,35 мм и также покрывается электроизолирующей и одновременно склеивающейся суспензией или оксидной пленкой. И чем тоньше слой изоляции, тем плотнее происходит заполнение сечения магнитопровода магнитным материалом, тем меньше габаритные размеры трансформатора.

За последнее время наряду с рассмотренными «традиционными» типами магнитопроводов находят применение новые формы, к числу которых следует отнести магнитопроводы «кабельного» типа, «обращенный тор», катушечный и др.

На этом пока закончим. Продолжим во второй части.
Удачи!

1. В. А. Волгов – «Детали и узлы радио-электронной аппаратуры», Энергия, Москва 1977 г.
2. В. Н. Ванин – «Трансформаторы тока», Издательство «Энергия» Москва 1966 Ленинград.
3. И. И. Белопольский – «Расчет трансформаторов и дросселей малой моности», М-Л, Госэнергоиздат, 1963 г.
4. Г. Н. Петров – «Трансформаторы. Том 1. Основы теории», Государственное Энергетическое Издательство, Москва 1934 Ленинград.
5. В. Г. Борисов, – «Юный радиолюбитель», Москва, «Радио и связь» 1992 г.

Принцип действия и конструкция трансформаторов

Рис. 1. Принцип действия однофазного трансформатора

Принцип действия трансформатора [1] основан на явлении электромагнитной индукции (рис. 1). Если одну из обмоток трансформатора подключить к источнику переменного напряжения , то по этой обмотке потечет переменный ток , который создаст в сердечнике переменный магнитный поток . Этот поток сцеплен как с одной, так и с другой обмоткой и, изменяясь, будет индуцировать в них ЭДС и . Так как в общем случае обмотки могут иметь различное число витков , то индуцируемые в них ЭДС будут отличаться по значению. В той обмотке, которая имеет большее число витков, индуцируемая ЭДС будет больше, чем в обмотке, имеющей меньшее число витков. Индуцируемая в первичной обмотке ЭДС примерно равна приложенному напряжению и будет почти полностью его уравновешивать. Ко вторичной обмотке подключаются различные потребители электроэнергии, которые будут являться нагрузкой для трансформатора. В этой обмотке под действием индуцируемой в ней ЭДС возникает ток , а на ее выводах установится напряжение , которые будут отличаться от тока и напряжения первичной обмотки. В этом случае магнитный поток создается токами обеих обмоток.

Трансформатор нельзя включать в сеть постоянного тока, т.к. в этом случае магнитный поток будет неизменным во времени и не будет индуцировать ЭДС в обмотках. Вследствие этого в первичной обмотке будет протекать большой ток, т.к. при отсутствии ЭДС он будет ограничиваться только относительно небольшим активным сопротивлением обмотки, что недопустимо во избежание перегорания обмотки.

Данное устройство чаще всего состоит из двух (а иногда и большего числа) взаимно неподвижных электрически не связанных между собой обмоток, расположенных на ферромагнитном магнитопроводе. Обмотки имеют между собой магнитную связь, осуществляемую переменным магнитным полем. Магнитопровод всегда выполняют ферромагнитным для усиления магнитной связи между обмотками.

Обмотка трансформатора, потребляющая энергию из сети, называется п е р в и ч н о й обмоткой (обмотка 1 на рис. 1), а обмотка, отдающая энергию в сеть, – в т о р и ч н о й (обмотка 2 на рис. 1). Обмотки трансформатора подключаются к сетям с различными напряжениями. Обмотка, предназначенная для присоединения к сети с более высоким напряжением, называется о б м о т к о й в ы с ш е г о н а п р я ж е н и я(ВН), а подсоединяемая к сети с меньшим напряжением – о б м о т к о й н и з ш е г о н а п р я ж е н и я(НН). Если вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется п о н и ж а ю щ и м, а если больше – п о в ы ш а ю щ и м. В зависимости от включения тех или иных обмоток к сети каждый трансформатор может быть как повышающим, так и понижающим.

Трансформаторы с двумя обмотками называются д в у х о б м о т о ч н ы- м и, с тремя – т р е х о б м о т о ч н ы м и. Изготавливаются и многообмоточные трансформаторы, которые имеют несколько первичных или вторичных обмоток. В зависимости от числа фаз трансформаторы подразделяются на о д н о ф а з н ы е, т р е х ф а з н ы е и м н о г о ф а з н ы е.

Наиболее широкое распространение получили трехфазные силовые трансформаторы, предназначенные для передачи и распределения электроэнергии, вырабатываемой на электростанциях. Силовые трансформаторы бывают м а с л я н ы е и с у х и е. В масляных трансформаторах сердечник с обмотками помещают в бак с трансформаторным маслом, которое выполняет одновременно роль электрической изоляции и охлаждающего агента. Однако трансформаторное масло является горючим, в связи с чем при аварии таких трансформаторов существует определенная опасность возникновения пожара. Поэтому в общественных и жилых зданиях, а также в ряде других случаев применяются сухие трансформаторы, охлаждение которых осуществляется воздухом.

М а г н и т о п р о в о д является конструктивной основой трансформатора и служит для проведения основного магнитного потока. Для уменьшения магнитного сопротивления по пути потока, а следовательно, и МДС и тока, необходимых для создания потока, магнитопровод выполняют из специальной электротехнической стали. Так как магнитный поток в трансформаторе изменяется во времени, то для уменьшения потерь от вихревых токов в магнитопроводе он собирается из отдельных электрически изолированных друг от друга листов толщиной 0,35 – 0,5 мм (в зависимости от частоты питающего напряжения). Обычно при частоте питающей сети толщина листов составляет 0,35 мм. Изоляция листов осуществляется чаще всего с помощью лаковой пленки, которая наносится с двух сторон листа.

В магнитопроводе различают стержни и ярма.

С т е р ж е н ь – это та часть магнитопровода, на которой располагаются обмотки.

Я р м о – часть, не несущая обмоток и служащая для замыкания цепи.

В зависимости от взаимного расположения стержней, ярм и обмоток магнитопроводы разделяют на с т е р ж н е в ы е и б р о н е в ы е (рис. 2).

В стержневых магнитопроводах ярма прилегают к торцевым поверхностям обмоток, не охватывая их боковых поверхностей (рис. 2(а)). В броневых магнитопроводах ярма охватывают не только торцевые, но и боковые поверхности обмоток, как бы закрывая их «броней» (рис. 2(б)).

Устройство и принцип работы силового трансформатора

Электроэнергия является одним из необходимых ресурсов. Без нее жизнь человека была бы лишена многих удобных вещей. Но напряжение в магистральных сетях не всегда соответствует требуемому потребителем. Поэтому на распределительных станциях используется специальное оборудование, работа которого заключается в изменении параметров и передаче электроэнергии пользователям.

Одними из таких приборов являются трансформаторы. Они бывают нескольких типов и способны решать различные задачи. В этой статье будет рассмотрен один из самых распространенных – силовой. Что представляет собой устройство силового трансформатора и где он применяется? Для решения каких задач он необходим? Вот что следует узнать, прежде чем приобретать такое оборудование.

Область применения

Современная электроэнергетика не сможет обходиться без приборов, используемых для преобразования энергии в магистральных сетях и установках, занимающихся ее приемом и распределением. Благодаря их появлению удалось значительно сократить расход цветных металлов и снизить потери. Но чтобы оборудование работало эффективно необходимо предварительно выполнить расчет потерь в силовом трансформаторе. Сделать это можно как самостоятельно, так и при помощи специалистов.

Силовые трансформаторы применяются на высоковольтных линиях и распределительных станциях. Они стали необходимым элементом во многих отраслях промышленности, где необходимо преобразование или распределение электроэнергии:

• В схемах включения вентилей;
• Для сварки;
• Для питания электротермических установок;
• Для цепей с электроизмерительными и другими приборами.

Устройство и принцип действия

Чтобы понять, как работает такой прибор необходимо изучить его комплектацию. В устройство силового трансформатора включены как основные части, так и дополнительные детали.

К первым относятся:

• Магнитопровод;
• 2 или 3 обмотки;
• Расширитель;
• Корпус;
• Входы;
• Изоляционные элементы.

Магнитопровод представлен как система, выполненная из электромеханической стали. Эта часть устройства силового трансформатора служит основой для крепления различных деталей. Обмотки – это часть электроцепи. Они изготавливаются из провода и изоляции. Кабель может быть медном или алюминиевым. В конструктивном плане обмотки – это последовательные катушки. Их фазы допускается соединять двумя способами:

Магнитопровод с обмотками находится в баке с минеральным маслом. Эта конструкция называется силовым трансформатором. Она может оснащаться радиатором, предназначенным для отвода тепла. Некоторые модели таких устройств имеют в своей конструкции также защитные системы. Обычно оборудование этого класса устанавливаются на улице.

Принцип действия силового трансформатора базируется на физическом законе электромагнитной индукции. Он заключается в следующем. Подсоединение обмотки устройства к электросети приводит к образованию магнитного потока. Он индуцирует ЭДС в другой обмотке прибора. Такой принцип работы объясняется наличием магнитной связи в приборе.

Классификация установок

Деление оборудования на классы зависит от различных параметров.

Оно может осуществляться по:

1. Назначению;
2. Способу установки;
3. Числу ступеней;
4. Типу изоляции;
5. Номинальному напряжению.

Исходя из особенностей использования приборы бывают:

Причем первые подразделяются на трансформаторы тока и напряжения.

Смотрим видео, принцип работы и виды трансформаторов:

Что касается установки, то такое оборудование может быть расположено не только в закрытых помещениях, но и на улице. Поэтому исходя из этого параметра различают приборы следующих типов:

Изоляция обмоток у трансформаторов может быть, как сухой, так и бумажно-масляной или компаундной. Имеются отличия и в числе ступеней. В зависимости от этого параметра устройства делятся на:

Еще одной отличительной чертой различных моделей может быть номинальное напряжение. Согласно его значению, трансформаторы классифицируются на низко- и высоковольтные.

Кроме того, силовые устройства могут подключаться к одно или трехфазным электросетям.

Высоковольтные трансформаторы чаще всего имеют масляное охлаждение. Приборы этой серии отличаются высоким КПД и хорошими показателями защиты от перегрева. Они требуют минимального обслуживания в процессе эксплуатации.

По конструктивному исполнению силовые трансформаторы делятся на имеющие следующие типы вводов:

• С главной изоляцией фарфоровой покрышки;
• С маслобарьерной;
• С бумажно-масляной;
• С полимерной.
• Конденсаторные проходные;

Характеристики и расчет трансформатора

Обычно основные параметры прибора указываются в технической документации, входящей в его комплектацию. Для трансформаторов таковыми являются:

• Мощность и напряжение (номинальные);
• Максимальный ток обмотки;
• Габариты;
• Масса.

Рассмотрим более подробно, что они обозначают. Номинальная мощность устройства рассчитывается и указывается производителем. Она выражается в киловольт-амперах.

Номинальное напряжение состоит из первичного, на которое рассчитана соответствующая обмотка и вторичного, измеряемого на зажимах. Величина этого параметра может изменяться до 5% в сторону уменьшения или увеличения. Определить ее можно выполнив упрощенный расчет силового трансформатора.

Смотрим видео, делаем правильный расчет:

Номинальные мощность и ток прибора должны соответствовать существующим ГОСТам. Сегодня выпускаются сухие модели, у которых этот показатель может иметь следующее значение:

Мощность прибора обычно указывается в паспорте прибора, а зная ее можно вычислить номинальное значение тока. Для этого используется следующая формула:

I=S√3U, где величины S и U обозначают номинальную мощность и напряжение.

Исходя из того для какой из обмоток рассчитывается значение тока будут изменяться и входящие в формулу величины. Расчет мощности силового трансформатора по нагрузке лучше доверить специалистам. Это позволит избежать неприятных моментов в процессе эксплуатации.

Кроме этого номинальными напряжениями считают значение линейной величины при холостом ходе на обеих обмотках. Значения токов рассчитываются по мощности прибора. Выбирая оборудование следует учитывать, что расчет силового тороидального трансформатора будет несколько отличаться от приведенного выше. Найти информацию по этому вопросу можно в сети.

Особенности монтажа и эксплуатации

Большинство моделей силового оборудования имеют значительный вес. Поэтому на место установки они доставляются специальным транспортом. Причем поставка оборудования осуществляется в собранном виде и полностью готовым к включению.

Смотрим видео, запуск и диагностика оборудования:

Монтаж прибора осуществляется на заранее подготовленный фундамент или в специальное помещение. Чтобы при установке устройства не образовывались воздушные мешки под крышкой бака со стороны расширите под катки укладывают стальные пластинки. Их толщина должна быть такой, чтобы получился подъем в 1% по узкой и 1,5% по широкой стороне трансформатора. Длина прокладок начинает от 150 мм. Если вес прибора не превышает 2 тонн, то он устанавливается непосредственно на фундамент. Его корпус при этом обязательно присоединяется к сети заземления.

Однако, следует помнить, что перед установкой прибор проходит испытания в лабораторных условиях. В процессе проведения этих работ производят измерение коэффициента трансформации, проверку качественного выполнения соединений. А также испытывают устройство повышенным напряжением изоляции, проверяют соответствие трансформаторного масла.

После доставки на объект прибор подвергается внешнему осмотру. При этом обращают внимание на отсутствие протечки масла, посторонних шумов в процессе работы. Проверяется состояние проходных изоляторов и контактных соединений на предмет из нагрева.

После запуска трансформатора необходимо периодически осуществлять контроль температуры. Измерения выполняют при помощи стеклянных термометров. Они погружаются в специальную гильзу, расположенную на крышке прибора. Температура здесь не должна превышать 95°C.

Чтобы избежать аварийных ситуаций в работе трансформатора необходимо регулярно замерять нагрузки. Это позволит определить перекосы по фазам, ведущие к искажению напряжений. Осмотр оборудования без его отключения должен выполняться каждый полгода. Но в зависимости от состояния прибора сроки могут изменяться.

Силовые трансформаторы устройство и принцип действия

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

Что такое трансформатор: устройство, принцип работы, схема и назначение

Может быть, кто-то думает, что трансформатор – это что-то среднее между трансформером и терминатором. Данная статья призвана разрушить подобные представления.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного электрического тока одного напряжения и определенной частоты в электрический ток другого напряжения и той же частоты.

Работа любого трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции, открытой Фарадеем.

Назначение трансформаторов

Разные виды трансформаторов используются практически во всех схемах питания электрических приборов и при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Электростанции вырабатывают ток относительно небольшого напряжения – 220, 380, 660В. Трансформаторы, повышая напряжение до значений порядка тысяч киловольт, позволяют существенно снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, а заодно и уменьшить площадь сечения проводов ЛЭП.

Непосредственно перед тем как попасть к потребителю (например, в обычную домашнюю розетку), ток проходит через понижающий трансформатор. Именно так мы получаем привычные нам 220 Вольт.

Самый распространенный вид трансформаторов – силовые трансформаторы. Они предназначены для преобразования напряжения в электрических цепях. Помимо силовых трансформаторов в различных электронных приборах применяются:

• импульсные трансформаторы;
• силовые трансформаторы;
• трансформаторы тока.

Принцип работы трансформатора

Трансформаторы бывают однофазные и многофазные, с одной, двумя или большим количеством обмоток. Рассмотрим схему и принцип работы трансформатора на примере простейшего однофазного трансформатора.

Кстати, в других статьях можно почитать, что такое фаза и ноль в электричестве.

Из чего состоит трансформатор? Во простейшем случае из одного металлического сердечника и двух обмоток. Обмотки электрически не связаны одна с другой и представляют собой изолированные провода.

Одна обмотка (ее называют первичной) подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, называемая вторичной, подключается к конечному потребителю тока.

Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, в витках его первичной обмотки течет переменный ток величиной I1. При этом образуется магнитный поток Ф, который пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС.

Бывает, что вторичная обмотка не находится под нагрузкой. Такой режимы работы трансформатора называется режимом холостого хода. Соответственно, если вторичная обмотка подключена к какому-либо потребителю, по ней течет ток I2, возникающий под действием ЭДС.

Величина ЭДС, возникающей в обмотках, напрямую зависит от числа витков каждой обмотки. Отношение ЭДС, индуцированных в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению количества витков соответствующих обмоток.

Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор – трансформатор, в котором отсутствуют потери энергии. В таком трансформаторе энергия тока в первичной обмотке полностью преобразуется сначала в энергию магнитного поля, а далее – в энергию вторичной обмотки.

Конечно, такого трансформатора не существует в природе. Тем не менее, в случае, когда теплопотерями можно пренебречь, в расчетах удобно пользоваться формулой для идеального трансформатора, согласно которой мощности тока в первичной и вторичной обмотках равны.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Потери энергии в трансформаторе

Коэффициент полезного действия трансформаторов достаточно высок. Тем не менее, в обмотке и сердечнике происходят потери энергии, приводящие к тому, что температура при работе трансформатора повышается. Для трансформаторов небольшой мощности это не представляет проблемы, и все тепло уходит в окружающую среду – используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.

В более мощных трансформаторах воздушного охлаждения оказывается недостаточно, и применяется охлаждение маслом. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В трансформаторах высоких мощностей дополнительно применяются выхлопные трубы – если масло закипает, образовавшимся газам нужен выход.

Конечно, трансформаторы не так просты, как может показаться на первый взгляд — ведь мы рассмотрели принцип действия трансформатора кратко. Контрольная по электротехнике с задачами на расчет трансформатора внезапно может стать настоящей проблемой. Специальный студенческий сервис всегда готов оказать помощь в решении любых проблем с учебой! Обращайтесь в Zaochnik и учитесь легко!