Содержание
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
ВИДЫ И ТИПЫ — ХАРАКТЕРИСТИКИ — ПРИМЕНЕНИЕ
Трансформаторы — это устройства предназначенные для преобразования электроэнергии. Их основная задача — изменение значения переменного напряжения. Трансформаторы используются как в виде самостоятельных приборов, так и в качестве составных элементов других электротехнических устройств.
Достаточно часто трансформаторы используются при передаче электроэнергии на дальние расстояния. Непосредственно на электрогенерирующих предприятиях они позволяют существенно повысить напряжение, которое вырабатывается источником переменного тока.
Повышая напряжение до 1150 кВт, трансформаторы обеспечивают более экономную передачу электроэнергии: значительно снижаются потери электричества в проводах и появляется возможность уменьшить площадь сечения кабелей, используемых в линиях электропередач.
Принцип работы трансформатора основан на эффекте электромагнитной индукции. Классическая конструкция состоит из металлического магнитопровода и электрически не связанных обмоток выполненных из изолированного провода. Та обмотка, на которую подается электроэнергия, называется первичной. Вторая — подсоединённая к устройствам, потребляющим ток, называется вторичной.
После того как трансформатор подсоединяют к источнику переменного тока в его первичная обмотка формирует переменный магнитный поток. По магнитопроводу он передается на витки вторичной обмотки, индуцируя в них переменную ЭДС (электродвижущую силу). При наличии устройства потребления в цепи вторичной обмотки возникает электрический ток.
Соотношение между входным и выходным напряжением трансформатора прямо пропорционально отношению количества витков соответствующих обмоток.
Эта величина называется коэффициентом трансформации: Ктр=W1/W2=U1/U2, где:
- W1, W2 — количество витков первичной и вторичной обмоток соответственно;
- U1,U2 — входное и выходное напряжения соответственно.
Обмотки могут быть расположены либо в виде отдельных катушек либо одна поверх другой. У маломощных устройств обмотки выполняются из провода с хлопчатобумажной или эмалевой изоляцией. Микро трансформатор имеет обмотки из алюминиевой фольги толщиной не более 20—30 мкм. В качестве изолирующего материала выступает оксидная пленка, полученная естественным окислением фольги.
ВИДЫ И ТИПЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Трансформаторы — это достаточно широко распространенные устройства, поэтому существует множество их разновидностей. По конструктивному исполнению и назначению они делятся на:
Автотрансформаторы. Они имеют одну обмотку с несколькими отводами. За счет переключения между этими отводами можно получить разные показатели напряжения. К недостаткам следует отнести отсутствие гальванической развязки между входом и выходом. Импульсные трансформаторы. Предназначены для преобразования импульсного сигнала незначительной продолжительности (около десятка микросекунд). При этом форма импульса искажается минимально. Обычно используется в цепях обработки видеосигнала. Разделительный трансформатор. Конструкция этого устройства предусматривает полное отсутствие электрической связи между первичной и вторичными обмотками, то есть обеспечивает гальваническую развязку между входными и выходными цепями. Используется для повышения электробезопасности и, как правило, имеет коэффициент трансформации равный единице. Пик—трансформатор. Используется для управления полупроводниковыми электрическими устройствами типа тиристоров. Преобразует синусоидальное напряжение переменного тока в пикообразные импульсы.
Стоит выделить способ классификации трансформаторов по способу их охлаждения.
Различают сухие устройства с естественным воздушным охлаждением в открытом, защищенном и герметичном исполнении корпуса и с принудительным воздушным охлаждением.
Устройства с жидкостным охлаждением могут использовать различные типы теплообменной жидкости. Чаще всего это масло, однако встречаются модели где в качестве теплообменного вещества используется вода или жидкий диэлектрик.
Кроме того производят трансформаторы с комбинированным охлаждением жидкостно-воздушным. При этом каждый из способов охлаждения может быть как естественным, так и с принудительной циркуляцией.
В начало
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНСФОРМАТОРОВ
К основным техническим характеристиками трансформаторов можно отнести:
- уровень напряжения: высоковольтный, низковольтный, высоко потенциальный;
- способ преобразования: повышающий, понижающий;
- количество фаз: одно- или трехфазный;
- число обмоток: двух- и многообмоточный;
- форму магнитопровода: стержневой, тороидальный, броневой.
Один из основных параметров — это номинальная мощность устройства, выраженная в вольт-амперах. Точные граничные показатели могут несколько различаться в зависимости от количества фаз и других характеристик. Однако, как правило, маломощными считаются устройства, преобразовывающие до нескольких десятков вольт-ампер.
Приборами средней мощности считаются устройства от нескольких десятков до нескольких сотен, а трансформаторы большой мощности работают с показателями от нескольких сотен до нескольких тысяч вольт-ампер.
Рабочая частота – различают устройства с пониженной частотой (менее стандартной 50 Гц), промышленной частоты – ровно 50 Гц, повышенной промышленной частоты (от 400 до 2000 Гц) и повышенной частоты (до 1000 Гц).
В начало
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
Трансформаторы получили широкое распространение, как в промышленности, так и в быту. Одной из основных областей их промышленного применения является передача электроэнергии на дальние расстояния и ее перераспределение.
Не менее известны сварочные (электротермические) трансформаторы. Как видно из названия, данный тип устройств применяется в электросварке и для подачи питания на электротермические установки. Также достаточно широкой областью применения трансформаторов является обеспечение электропитания различного оборудования.
В зависимости от назначения трансформаторы делят на:
Силовые.
Являются наиболее распространенным типом промышленного трансформатора. Применяются для повышения и понижения напряжения. Используется в линиях электропередач. По пути от электрогенерирующих мощностей до потребителя электроэнергия может несколько раз проходить через повышающие силовые трансформаторы, в зависимости от удалённости конкретного потребителя.
Перед подачей непосредственно на приборы потребления (станки, бытовые и осветительные приборы) электроэнергия претерпевает обратные преобразования, проходя через силовые понижающие трансформаторы.
Тока.
Выносные измерительные трансформаторы тока используются для обеспечения работоспособности цепей учета электроэнергии защиты энергетических линий и силовых автотрансформаторов. Они имеют различные размеры и эксплуатационные показатели. Могут размещаться в корпусах небольших приборов или являться отдельными, габаритными устройствами.
В зависимости от выполняемых функций различают следующие виды:
- измерительные — подающее ток на приборы измерения и контроля;
- защитные — подключаемые к защитным цепям;
- промежуточные — используется для повторного преобразования.
Напряжения.
Они применяются для преобразования напряжения до нужных величин. Кроме того, такие устройства используются в цепях гальванической развязки и электро- радио- измерениях.
В начало
Трансформаторы
Трансформа́тор (от лат. transformo — преобразовывать) — статическое (не имеющее подвижных частей) электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток обычно другого напряжения при неизменной частоте.
Трансформатор состоит из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток намотанных на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного материала, или набранный из тонких листов электротехнической стали.
Напряжение U1, поддерживаемое на выводах первичной обмотки источником переменного тока, создает в этой обмотке переменный электрический ток, который возбуждает в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Ф. Вследствие периодического изменения этого потока в каждом витке обмотки трансформатора возникает (индуцируется) э. д. с. (электродвижущая сила).
Отношение эффективных значений э. д. с. обмоток трансформатора равно отношению чисел витков этих обмоток и называется коэффициентом трансформации k.
k =E1/ E2 = w1/ w2 (1)
При нормальных рабочих условиях э. д. с. индуктируемые магнитным потоком в обмотках трансформатора, мало отличаются от соответствующих напряжений на выводах обмоток, поэтому
U1 ≈ E1; U2 ≈ E2. (2)
Коэффициент полезного действия трансформатора весьма высок, поэтому при нормальных нагрузках мощность P2 отдаваемая вторичной обмоткой, мало отличается от мощности P1, потребляемой первичной обмоткой
U1I1 = P1 ≈ P2 = U2I2
Исходя из равенств (1), (2) и (3), можно сделать вывод о том, что при нормальной работе трансформатора напряжения на выводах его обмоток приблизительно пропорциональны числу витков этих обмоток, а отношение токов приблизительно обратно пропорционально числу витков обмоток, т. е.
U1/ U2 ≈ w1/ w2 ≈ I1 / I2
Мощность трансформаторов указывается в киловольт – амперах (ква) или вольт – амперах (ва).
Виды трансформаторов
Силовой трансформатор — трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии.
Автотрансформа́тор — вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения. Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию — это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно. Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью. В промышленных сетях, где наличие заземления нулевого провода обязательно, этот фактор роли не играет. Особенно эффективен автотрансформатор в случаях, когда необходимо получить вторичное напряжение, не сильно отличающееся от первичного.
Трансформа́тор то́ка — трансформатор, питающийся от источника тока. Типичное применение — для снижения первичного тока до величины, используемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации. Номинальное значение тока вторичной обмотки 1А , 5А. Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, равен току первичной обмотки, деленному на коэффициент трансформации.
Условное обозначение трансформаторов
Буквенная часть условного обозначения должна содержать обозначения в следующем порядке:
1. Назначению трансформатора (может отсутствовать)
А — автотрансформатор
Э — электропечной
2. Количество фаз
О — однофазный трансформатор
Т — трехфазный трансформатор
3. Расщепление обмоток (может отсутствовать)
Р — расщепленная обмотка НН;
4. Cистема охлаждения
1. Сухие трансформаторы
С — естественное воздушное при открытом исполнении
СЗ — естественное воздушное при защищенном исполнении
СГ — естественное воздушное при герметичном исполнении
СД — воздушное с дутьем
2. Масляные трансформаторы
М — естественное масляное
МЗ — с естественным масляным охлаждением с защитой при помощи азотной подушки без расширителя
Д — масляное с дутьем и естественной циркуляцией масла
ДЦ — масляное с дутьем и принудительной циркуляцией масла
Ц — масляно-водяное с принудительной циркуляцией масла
3. С негорючим жидким диэлектриком
Н — естественное охлаждение негорючим жидким диэлектриком
НД — охлаждение негорючим жидким диэлектриком с дутьем
4. Особенность трансформатора (может отсутствовать)
Л — исполнение трансформатора с литой изоляцией;
Т — трехобмоточный трансформатор (Для двухобмоточных трансформаторов не указывают);
Н — трансформатор с РПН;
5. Назначение (может отсутствовать)
С — исполнение трансформатора для собственных нужд электростанций
П — для линий передачи постоянного тока
Для автотрансформаторов при классах напряжения стороны СН или НН 110 кВ и выше после класса напряжения стороны ВН через черту дроби указывают класс напряжения стороны СН или НН.
Примечание. Для трансформаторов, разработанных до 01.07.87, допускается указывать последние две цифры года выпуска рабочих чертежей.
Схемы и группы соединения обмоток трёхфазных двухобмоточных трансформаторов
Понятия о схемах и группах соединения обмоток трехфазных трансформаторов имеют большое значение при эксплуатации. Фазные обмотки трехфазных трансформаторов могут быть соединены в схемы «звезда» (условное обозначение У) или «треугольник» (Д) или «зигзаг» (Z). В схемах соединений «звезда» и «зигзаг» можно вывести нейтральную точку (Ун, Zн). В зависимости от схемы соединения обмоток и порядка соединения их начал и концов (направление намотки обмоток предполагается одинаковым) получаются различные группы соединения обмоток.
Соединение обоих обмоток в звезду широко используется в трансформаторах небольшой и средней мощности (приблизительно до 560 кв). Соединение в звезду удобно при высоких напряжениях; при больших токах удобнее соединение треугольником, поэтому соединение со звезды на треугольник является наиболее распространенным в трансформаторах большой мощности в тех случаях, когда на стороне низшего напряжения не требуется нулевого провода.
Соединение обмотки треугольником выгодно использовать в высоковольтных трансформаторах, когда сила тока высока, а напряжение относительно низкое, как например, в обмотке низшего напряжения в повышающих трансформаторах.
Группа соединения обмоток трансформатора определяется углом сдвига между векторами одноименных линейных ЭДС (например, EAB и Eab или EBA и Eba) обмоток высшего и низшего напряжений.
Для обозначения группы (и соответственно угла сдвига) векторы линейных ЭДС уподобляют стрелкам часового циферблата. Вектор линейной ЭДС обмотки BН совмещают с минутной стрелкой часов и устанавливают неподвижно против цифры 12 (0). Вектор линейной ЭДС обмотки НН, совмещают с часовой стрелкой, и устанавливают против той цифры часового циферблата, которая определяет номер группы соединения, причем угол между стрелками равен углу сдвига между векторами одноименных линейных ЭДС. Возможно получение следующих групп соединения обмоток трехфазных трансформаторов: 0-я, 1-я, 2-я, … и 11-я группы. Этим группам соответствуют углы сдвига между векторами одноименных линейных ЭДС обмоток ВН и НН: 0°, 30°, 60°, и 330°.
Четные группы (2, 4, 6, 8, 10, 12) получаются, если обмотки высшего напряжения (ВН) и обмотки низшего напряжения (НН) соединены одинаково – в звезду или в треугольник.
Нечетные группы (1, 3, 5, 7, 9, 11) получаются, если одна обмотка соединена в звезду, а другая в треугольник.
ГОСТ 11677-85 предусматривает изготовление трехфазных двухобмоточных трансформаторов имеющих следующие схемы и группы соединения обмоток: У/Ун-0, У/Д-11, Ун/Д-11, У/Zн-11, Д/Ун-11, Д/Д-0. При этом первым обозначено соединение обмотки ВН, вторым – соединение обмотки НН.
Для маркировки выводов обмотки НН согласно заданным схеме и группе соединения обмоток необходимо:
1) вычертить заданную схему соединения обмоток ВН и НН и произвольно промаркировать выводы обмотки ВН;
2) построить векторные диаграммы линейных и фазных ЭДС обмоток ВН и НН (см. например, рис.2.2 и рис.2.4);
3) анализировать угол сдвига между векторами фазных ЭДС обмоток ВН и НН;
4) промаркировать выводы обмотки НН с учетом того факта, что на одном стержне магнитопровода могут быть расположены только те фазные обмотки НН и ВН, которым соответствуют векторы фазных ЭДС этих обмоток совпадающие по фазе или находящиеся в противофазе.
Наиболее часто используемая комбинация У/11 означает, например, наличие 30º смещения нейтрали между напряжениями двух сторон.
