Принципы работы трансформатора: принцип работы, виды и конструкция устройства

Содержание

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.

Трансформаторы

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.

Схематичное устройство трансформатора

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.

Работа трансформатора без нагрузки

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.

Работа трансформатора под нагрузкой

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.

Формула магнитного потока

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.

Схематичное изображение разделительного трансформатора

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.

Схематичное изображение повышающего трансформатора

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

.

Схематичное изображение понижающего трансформатора

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.

Магнитопроводы из электротехнической стали

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.

Магнитопроводы из сплавов с высокой магнитной проницаемостью

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.

Магнитопроводы из магнитомягких прессованных ферритов

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.

Шихтованные магнитопроводы

Магнитопровод из плоских шихтовых пластин

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.

Ленточные магнитопроводы

Трансформатор с ленточным магнитопроводом

Тороидальный трансформатор из ленточного магнитопровода

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

Стержневые.

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.

Схематичное изображение трансформатора стержневого типа

Трансформатор стержневого типа

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.

Броневые.

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.

Схематичное изображение трансформатора броневого типа

Трансформатор броневого типа

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.

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.

Схематичное изображение тороидального трансформатора

Тороидальный трансформатор

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.

Новые формы магнитопроводов

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

Литература:

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.

Трансформатор: назначение, принципы работы и правила подключения

Автор Даниил Леонидович На чтение 9 мин. Просмотров 7.4k. Опубликовано

Свойства магнитного поля изучаются учеными давно. Впервые электромагнитную индукцию описал Майкл Фарадей. А именно как появляется прочная электромагнитная взаимосвязь в обмотках при создании переменного тока в первой катушке. Во вторичной же катушке повышается напряжение, но мощность и частота остаются прежними. Конечно, несведущему человеку в электричестве сложно понять конструкцию, принцип действия, предназначение трансформатора. Однако, это неотъемлемый прибор с установкой во многих сферах: радиотехника, электроэнергетика.

Трансформаторы напряжения: назначение и принцип действия

Трансформатор – электрическое устройство. Преобразует переменный ток одного напряжения в электрический ток другого напряжения. Частота, согласно явлению электромагнитной индукции, остается неизменной.

Состоит статический трансформатор из:

  • первичной и вторичной обмотки;
  • сердечника.

Применяется устройство в разных схемах питания и электроприборах. Передает электроэнергию на большие расстояния и:

  • снижает потери энергии;
  • уменьшает площадь сечения проводов ЛЭП.

Трансформаторы напряжения

Разновидности прибора:

  • повышающий;
  • понижающий;
  • силовой;
  • вращающийся;
  • импульсный;
  • разделительный;
  • согласующий.

Понижающий трансформатор применяется в быту. Именно через него проходит и поступает ток в домашние розетки с мощностью 220 Вт.

Силовой агрегат в составе из сердечника и нескольких обмоток преобразует напряжение в электроцепи по принципу электромагнитной индукции. Также значение напряжения переменного тока без изменений его частоты. Применяется для распределения и передачи электрической энергии. Напряжение в обмотках – свыше 300 кВ. Мощность – от 4 кВ до 200000 кВА.

Справка! Трансформатор служит для понижения либо повышения переменного напряжения. Основой является ферромагнитный сердечник. В дополнение для бесперебойной работы – обмотки, изоляция, магнитопровод, система охлаждения.

Обмотки выполнены из изолированных медных проводов прямоугольного сечения. Между их слоями находятся пустоты для циркуляции охлаждающего масла. Роль которого – отбирать тепло у обмоток, передавать через радиаторные трубки в окружающую среду.

принцип действия трансформатора

Принцип действия устройства основан на:

  • изменении магнитного потока;
  • создании электромагнитной индукции при прохождении через обмотку;
  • подаче напряжения на первичную обмотку;
  • воспроизведении магнетизма электрическим током, изменяющимся во времени.

Переменный ток, протекая по первичной обмотке, начинает создавать в магнитопроводе магнитный ток. Постепенно приводит к потоку во всех обмотках, преобразуя гальваническую развязку (переменное напряжение), но без видоизменения частоты.

Стоит знать! Действие прибора основано на электромагнитной индукции. За счет переменного тока образуется магнитное переменное поле вокруг проводника, видоизменяется в электродвижущую силу. Напряжение на выходе полностью зависит от используемого (понижающего, повышающего) трансформатора. Коэффициент ЭДС в обмотках прямо пропорционален количеству витков.

Для чего нужен трансформатор напряжения?

Трансформатор напряжения – универсальное устройство. Передает и распределяет энергию.

Используются в:

  • электроустановках;
  • блоках питания;
  • агрегатах передачи электроэнергии;
  • устройствах обработки сигналов;
  • источниках питания приборов.

Силовой трансформатор с большим напряжением применяется для:

  • подачи энергии в электросети на электростанциях;
  • повышения напряжения генератора, линии электропередач;
  • снижения напряжения, доходящего до потребительского уровня.

принцип действия силового трансформатора

Трехфазный прибор со специальной системой охлаждения используется в электросетях. Сердечник в составе – общий для всех 3-ех фаз.

Область применения сетевого трансформатора – источники электропитания, узлы электроприборов с разным напряжением. Импульсные агрегаты незаменимы для радиотехнических, электронных устройств. Сначала выпрямляют переменное напряжение в блоках питания. Далее за счет инвертора преобразуют высокочастотные импульсы, стабилизирующие постоянное напряжение.

Трансформаторы входят в состав многих схем питания для обеспечения минимального уровня высокочастотных помех. Например, разделительные установки предотвращают угрозу поражения электрическим током для человека. Ведь включение бытовых приборов в сеть через трансформатор становится безопасным.

Вторая цепь у прибора будет изолирована от контактов с землей, если конечно, речь идет о заземлении электрического оборудования. Измерительные силовые приборы применяются в схемах генераторов переменного тока. Количество фаз у генератора из трансформатора должно совпадать для достижения стабильного напряжения на выходе.

Согласующие трансформаторы незаменимы для электронных устройств с высоким входным сопротивлением и высокочастотных линий, но с разным сопротивлением нагрузки.

Как работает трансформатор напряжения?

Приборы преобразуют энергию источника в необходимый коэффициент напряжения. Работают исключительно при переменном напряжении с постоянной частотой. В основе работы – электромагнитная индукция как явление, срабатываемое при изменении во времени магнитного потока, порождении ЭДС в обмотках.

Работа трансформатора начинается в первичной обмотке, где сердечник создает магнитный поток. Далее задействуется переменный ток, намагничивает сердечник, повышает индуктивность первичной обмотки, препятствует нарастанию тока на выводах обмотки напряжения. Если первичная обмотка отдает магнитный поток, то вторичная принимает его, изменяет с определенной скоростью, пронизывая все ветки и создавая ЭДС.

принцип действия трансформатора

Напряжение на ветках в полной мере зависит от быстроты изменения магнитного потока в сердечнике. Хотя получается одинаковым на ветках первичной и вторичной обмотки благодаря прохождению через них одного и того же магнитного потока.

Он в свою очередь создает вокруг себя электрическое поле в сердечнике, некий вихрь с воздействием на электроны, начиная толкать их в определенную сторону.

Справка! Если сказать проще, то принцип работы трансформатора напряжения основан на возбуждении напряжения во второй обмотке за счет возникшего переменного тока в магнитопроводе.

Чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения?

Источником питания для трансформатора тока является непосредственно ток. Если он не будет проходить через обмотки, тот агрегат быстро выйдет из строя. Питание для трансформатора напряжения – источники напряжения и он также не будет функционировать при повышенных нагрузках тока.

Отличие между устройствами в разных электрических величинах и схемах включения.

Измерительные трансформаторы напряжения и тока

Приборы с работой под высоким напряжением нуждаются в периодическом измерении.

принцип действия измерительного трансформатора

Для чего этих целей в помощь – измерительные устройства, которые:

  • снижают величину напряжения до нужного уровня;
  • обеспечивают гальваническую развязку измерительному оборудованию от цепей с повышенной опасностью.

Номинальная мощность, напряжение и ток

Номинальная – мощность, с которой трансформатор работает в определенном классе точности и в соответствии с ГОСТом. Выражается в вольтах, амперах. Незначительные отклонения мощности допускаются, но не выше нормированных величин.

Важно! Во избежание повышения погрешности вторичной нагрузки суммарное потребление обмоток измерительных приборов и реле не должно быть более номинальной мощности трансформатора. Узнать номинальную мощность можно в паспорте к агрегату либо на щитке.

Порог номинального напряжения у трансформатора – 10кВ.

Разница в зависимости от мощности электроприборов составляет для:

  • питания электроприемников – 3-6,3кВ;
  • крупногабаритных электродвигателей – до 1000В.

Мощность трехфазного трансформатора вычитается по формуле: – S=квадратный корень цифры 3 UIU—номинальное междуфазное напряжение, В; / — ток в фазе, А. Коэффициенты рабочих токов в обмотках при рабочем состоянии трансформатора не должны быть выше номинальных Хотя кратковременные перегрузки в масляных и сухих агрегатах до определенных пределов (2,5 -3%) приемлемы.

Закон Фарадея

закон Фарадея

По закону электромагнитной индукции во вторичной обмотке создается ЭДС напряжение. Вычисляется по формуле – U2 = −N2*dΦ/dt.

Справка! Фарадея – основной закон электродинамики. Гласит о том, что генерируемая электродвижущая сила равняется скорости изменения магнитного потока, но взятой со знаком минус. Именно Майкл Фарадей сделал открытие, когда в ходе экспериментов объявил, что электродвижущая сила начинает появляться в проводнике только при изменении магнитного поля. Величина этой силы прямо пропорциональна скорости изменения магнитного поля.

Все факты содержатся в одном уравнении. Однако, знак минус в законе – правило Ленца, указывающее на возникновение индукционного электрического тока при изменении магнитного поля в проводнике. Действие тока направлено на магнитное поле, начинающего противодействовать изменению магнитного потока.

Правило Ленца не подчиняется законам электродинамики, ведь индукционный ток появляется как в обмотках, так и в сплошных металлических блоках.

Уравнения идеального трансформатора

В таком трансформаторе силовые линии проходят через все ветки первичной, вторичной обмотки. Значит, отсутствуют вихревые потоки и потери энергии. Магнитное поле изменяется, но порождает идентичную ЭДС во всех витках, поэтому становится прямо пропорциональным их общему числу.

Энергия при поступлении из первичной цепи трансформируется в магнитное поле, далее поступает во вторичной цепи.

Формула уравнения идеального трансформатора – P1 = I1 • U1 = P2 = I2 • U2:

  • R1 – коэффициент поступающей мощности из первой цепи на трансформатор;
  • R2 – коэффициент преобразованной мощности с поступлением во вторичную цепь.

Если повысить напряжение на концах вторичной обмотки, то снизится уровень тока первичной цепи. Согласно уравнению – U2/U1 = N2/N1 = I1/I2 преобразование сопротивления одной цепи к сопротивлению другой возможно только при умножении величины на квадрат отношения.

Как правильно подключить

Во всех тонкостях электрики сложно разобраться простому человеку, но при использовании трансформатора понижающего типа в быту важно понимать, как происходит процесс подключения.

Бывает, что возникает потребность подключения агрегата сразу на нескольких потребителей.

Стоит знать:

  1. При подключении трансформатора сразу на несколько потребителей важно учитывать количество выходных клемм.
  2. Общая потребляемая мощность для жильцов должна быть идентичной мощности трансформатора либо немного ниже. По мнению специалистов, идеальный второй показатель выше первого – на 20%.
  3. Подключается агрегат через электрическую проводку, размер которой не должен быть слишком большим. Достаточно 2 м при монтаже светодиодного освещения во избежании потери мощности.
  4. Суммарная мощность электроприборов не должна быть выше мощности трансформатора.

Если посмотреть на схему подключения понижающего трансформатора, то видно, что монтируется между распределительной коробкой мощностью 220 Вт и лампами накаливания. Провода из распредкоробки подключаются непосредственно к выключателю.

Подключение трансформатора напряженияПодключение трансформатора напряжения

Дополнительная информация! Стоит изначально определять правильное место установки электрического понижающего трансформатора. Нельзя его усердно прятать от посторонних глаз, ведь доступ для демонтажа либо замены должен быть свободным. При этом потребляемая мощность – не ниже мощности трансформатора, иначе процесс монтажа проводить запрещено.

При подключении важно, чтобы совпадали все уравнения, касающиеся модели прибора. Также существенное значение имеет фазировка, если в одну цепь подключается сразу несколько приборов параллельно. Во избежание больших потерь мощности фазы должны быть правильно соединены между собой с образованием замкнутого контура. При несовпадении фаз начнет расти нагрузка и падать мощность. Может произойти короткое замыкание.

Важно! Смотрите на фото, как выглядит упрощенный вид трансформатора.

Трансформатор – электромагнитный аппарат. Повышает либо понижает напряжение переменного тока. Он лишен подвижных частей. Значит, является статическим. По размерам бывает с трехэтажное здание либо миниатюрное, помещаемое в руку. В составе – сердечник и несколько обмоток с расположением на магнитопроводе. Хотя может содержать всего одну обмотку без сердечника.

При работе трансформатора срабатывает принцип электромагнитного взаимодействия. Переменный ток подается на первичную обмотку, меняет направление дважды за цикл. Значит, что вокруг обмотки образуется магнитное поле, но ежесекундно исчезает. Вторичная обмотка – проводник электромагнитного взаимодействия. Там же индуцируется напряжение.

Конечно, простому человеку сложно понять конструкцию, назначение прибора. Для познания можно просто разобрать, прозвонить, подключить или демонтировать в домашних условиях.

§63. Назначение и принцип действия трансформатора

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.

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-

Рис. 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.

E1/E2 = ?1/ ?2.

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

n = Евн / Eнн = ?вн / ?нн.

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.

U1/U2? ?1/ ?2

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.

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.

Принцип работы силового трансформатора

Трансформаторные будки есть практически на каждой улице любого города вне зависимости от размеров. Вся планета подвержена власти электричества. Что такое силовой трансформатор? Для чего они? Принцип работы силового трансформатора? При должном объяснении все станет понятно любому школьнику.

Зачем это нужно?

Трансформатор служит для повышения или понижения подаваемой электроэнергии. Зачем нужно преобразовывать ток? Смысл в том, что согласно закону Джоуля-Ленца тепло, которое выделяет проводник при прохождении по нему электрического тока выделяется в зависимости от силы тока. Причем зависимость эта квадратичная, так как сила тока в формуле имеет вторую степень.

На практике это означает, что увеличение силы тока в 2 раза приведет к увеличению тепловыделений в 4 раза. Все бы ничего, но закон сохранения энергии пока никто не отменял. На нагрев проводника расходуется электроэнергия, которую с таким трудом добывает человечество. Единственный выход: повысить напряжение до максимум.

Согласно закону Ома всегда сохраняется некое равенство: произведение силы тока на сопротивление равняется напряжению в сети. Предположим, что сопротивление не изменяется, так как оно зависит от свойств проводящего материала. Тогда единственным выходом будет максимально задрать напряжение, чтобы уменьшить силу тока в сети.

Высоковольтные линии придумали не ради развлечения. Единственная цель столь сложной системы с трансформаторами: максимальное сокращение потерь.

Принцип работы силового трансформатора

Чтобы говорить о принципе работы силового трансформатора требуется вспомнить некоторые понятия из школьного курса физики. В итоге будет проще понять объяснения рабочей схемы устройства.

Индукция

Чтобы понять, как работает силовой трансформатор, надо разбираться в понятии индукции. Именно на ней основана львиная доля современной электроники. Суть этого явления в том, что при прохождении через проводник ток создает переменное электрическое поле. Движение электронов в свою очередь порождает переменное магнитное поле, которое при попадании в другой проводник породит так переменное электрическое поле.

То есть, если поставить рядом два проводника, причем один из них подключить к источнику тока, а другое не подключать – электричество будет течь в обоих проводниках. Причем во втором проводнике направление тока будет противоположным таковому в исходном варианте.

Свойство индукции используется достаточно часто: в усилителях, передатчиках и, конечно, школьных опытах

Устройство трансформатора

Корпус аппарата представляет собой бак, в который заливается масло. Масло насыщается минералами, чтобы лучше отводить тепло. Выбросы тепловой энергии при работе трансформатора огромны. Однако даже такие потери в тысячи раз меньше возможных утечек энергии при транспортировке.

Масло циркулирует по внутреннему и внешнему контуру трансформатора. Отдельно отметим, что внешний контур часто представляет собой оребренный радиатор. Увеличение площади теплоотдачи приводит к улучшению отдачи тепла. Проще говоря, чем больше площадь соприкосновения масла из внутреннего контура и внешнего радиатора – тем лучше будет отводится тепло, тем меньше вероятность аварии на трансформаторной подстанции.

Само устройство силового трансформатора представляет собой квадратного сечения сердечник, набранный из тонких электростальных пластинок. Используются именно наборные сердечники, чтобы свести к минимум появление самоиндукционных токов, которые приводят к перегреву и увеличению потерь энергии.

На противоположные стороны квадрата наносят обмотку. Обмотка, на которую поддается ток, называется первичной, обмотка, отдающая преобразованную энергию, вторичной.

Принцип работы

Схема работы силового трансформатора выглядит так:

  1. Ток подается на первичную обмотку.
  2. Первичная обмотка в результате прохождения электрического тока начинает генерировать переменное магнитное поле.
  3. Магнитное поле, проходящее сквозь вторичную обмотку, вызывает в ней электрический ток.

Вес секрет процесса в количестве витков. Отношение принятого напряжения к отданному равняется отношению количества витков первичной обмотки к количеству витков вторичного обмотки. Это же отношение называют коэффициентом трансформации. То есть коэффициент показывает, во сколько раз уменьшится или увеличится выходное напряжение на подстанции.

Схема простейшего трансформатора Схема простейшего трансформатора

Почему трансформатор называют силовым

Как мы уже сказали, силовые трансформаторы используют для понижения высоковольного тока до приемлемых для города параметров, то есть 220/360 В – в зависимости от местности и прочих условий. Но нужно отметить, что напряжение высоковольтных линий ненамного больше 1000 к В, а это больше миллиона вольт. Именно за трансформацию столь сильного напряжения, устройство и назвали таким красивым именем.

Установленный силовой трансформатор Установленный силовой трансформатор

Именно силовые трансформаторы используются для преобразования электричества городских и квартальных сетей. Получается многоступенчатая система снабжения страны электроэнергией:

  1. Сначала повышающие трансформаторы увеличивают напряжение до огромных значений
  2. По проводам ток течет в города и села
  3. Понижающие трансформаторы понижают напряжение сначала до общегородских, а потом и до квартальных значений.

Отдельно нужно сказать, что иногда приходится понижать значение напряжения до 360 В в городе, потому что высоковольтные линии проводить в городской черте запрещено.

Виды трансформаторов

Уже были названы повышающие и понижающие трансформаторы. В зависимости от места использования можно выделить сетевые и силовые аппараты. Сетевые трансформаторы используются в устройствах, поскольку даже квартальные параметры тока слишком высоки для простого телевизора или ноутбука. Поэтому используется трансформатор, чтобы преобразовать ток в подходящий для конкретного предмета бытовой техники.

Сразу использовать маленькие параметры в городе нельзя из тех же соображений экономии. К тому же, разные приборы требуют разных параметров – всем производителям электроники не угодишь, а потому проще каждому встраивать в свой прибор трансформатор.

Отдельной строкой идут автомобильные трансформаторы, которые позволяют заводить машину с использованием небольшого электрического импульса. Выделяют и импульсные и многие другие трансформаторы, но всех их объединяет одно: принцип работы. Отличия кроются только в рабочих параметрах тока и предназначении трансформатора.

Сетевой трансформатор Сетевой трансформатор

Контроль работы устройства

Во время сервисных работ строго запрещается заглядывать внутрь бака, сливать полностью масла и проводить какие-либо манипуляции с содержимым корпуса трансформатора. Работоспособность изделия проверяется путем химической оценки пробы масла и холостого подключения аппарата. В результате удается узнать, насколько трансформатор работоспособен в данный момент времени.

Даже к месту монтажа привозят уже готовую конструкцию, которую остается только подключить к сети. Заливка маслом производится на заводе, не говоря уже о более сложных процедурах. Для доставки оборудования используется специализированная техника.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 66 чел.
Средний рейтинг: 2.9 из 5.

Принцип работы трансформатора. Устройство и режимы работы

Здравствуйте, дорогие читатели! Сегодня поговорим про принцип работы трансформатора, рассмотрим его устройство и режимы работы. И так…

В энергетике, электронике и других отраслях прикладной электротехники большая роль отводится преобразованиям электромагнитной энергии из одного вида в другой. Этим вопросом занимаются многочисленные трансформаторные устройства, которые создаются под различные производственные задачи.

Одни из них, имеющие наиболее сложную конструкцию, выполняют трансформацию мощных потоков высоковольтной энергии, например 500 или 750 киловольт в 330 и 110 кВ или в обратном направлении.

Принцип работы трансформатора

   Высоковольтный трансформатор

Другие работают в составе малогабаритных устройств бытовой техники, электронных приборов, системах автоматизации. Они также широко используются в различных блоках питания мобильных устройств.

 Принцип работы трансформатора
   Плата с трансформатором, от блока питания, для мобильных устройств

Трансформаторы работают только в цепях переменного напряжения разной частоты и не предназначены для применения в схемах постоянного тока, в которых используются преобразователи других типов.

Общий принцип работы трансформатора

Мы знаем, что электромагнитная энергия неразрывна. Но ее принято представлять двумя составляющими:

  1. электрической
  2. магнитной

Так проще понимать происходящие явления, описывать процессы, делать расчеты, конструировать различные устройства и схемы. Целые разделы электротехники посвящены раздельным анализам работы электрических и магнитных цепей.

Электрический ток, как и магнитный поток, протекает только по замкнутой цепи, обладающей сопротивлением (электрическим или магнитным). Его создают внешние приложенные силы — источники напряжения соответствующих энергий.

Однако, при рассмотрении принципов работы трансформаторных устройств придётся одновременно исследовать оба этих фактора, учесть их комплексное воздействие на преобразование мощности.

Простейший трансформатор состоит из двух обмоток, выполненных намоткой витками изолированной проволоки, по которым протекает электрический ток и одной магистрали для магнитного потока. Ее принято называть сердечником или магнитопроводом.

Принцип работы трансформатора
   Принцип работы трансформатора

К вводу одной обмотки приложено напряжение от источника электроэнергии U1, а с выводов второй оно после преобразования в U2, подается на подключенную нагрузку R.

Под действием напряжения U1 в первой обмотке по замкнутой цепи протекает ток I1, величина которого зависит от полного сопротивления Z, состоящего из двух составляющих:

  1. активного сопротивления проводов обмотки
  2. реактивной составляющей, обладающей индуктивным характером

Величина индуктивного сопротивления оказывает большое влияние на работу трансформатора.

Протекающая по первичной обмотки электрическая энергия в виде тока I1 представляет собой часть электромагнитной, магнитное поле которой направлено перпендикулярно движению зарядов или расположению витков проволоки. В его плоскости размещен сердечник трансформатора — магнитопровод, по которому замыкается магнитный поток Ф.

Все это наглядно отражено на картинке и строго соблюдается при изготовлении. Сам магнитопровод тоже замкнут, хотя в отдельных целях, например, для снижения магнитного потока в нем могут делать зазоры, увеличивающие его магнитное сопротивление.

За счет протекания первичного тока по обмотке магнитная составляющая электромагнитного поля проникает в магнитопровод и циркулирует по нему, пересекая витки вторичной обмотки, которая замкнута на выходное сопротивление R.

Под действием магнитного потока во вторичной обмотке наводится электрический ток I2. На его величине сказывается значение приложенной напряженности магнитной составляющей и полной сопротивление цепи, включая подключенную нагрузку R.

При работе трансформатора внутри магнитопровода создается общий магнитный поток Ф и его составные части Ф1 и Ф2.

Как устроен и работает автотрансформатор

Среди трансформаторных устройств особой популярностью пользуются упрощенные конструкции, использующие в работе не две разные отдельно выполненные обмотки, а одну общую, разделенную на секции. Их называют автотрансформаторами.

Принцип работы трансформатора
   Схема устройства автотрансформатора

Принцип работы трансформатора такой схемы практически остался прежним. Происходит преобразование входной электромагнитной энергии в выходную. По виткам обмотки W1 протекают первичные токи I1, а по W2 — вторичные I2. Магнитопровод обеспечивает путь движения для магнитного потока Ф.

У автотрансформатора имеется гальванически связь между входными и выходными цепями. Так как преобразованию подвергается не вся приложенная мощность источника, а только часть ее, то создается более высокий КПД, чем у обычного трансформатора.

Такие конструкции позволяют экономить на материалах: стали для магнитопровода, меди для обмоток. Они обладают меньшим весом и стоимостью. Поэтому их эффективно используют в системе энергетики от 110 кВ и выше.

Особых отличий в режимах работы трансформатора и автотрансформатора практически нет.

Рабочие режимы трансформатора

При эксплуатации любой трансформатор может находиться в одном из состояний:

  1. выведен из работы
  2. номинальный режим
  3. холостой ход
  4. короткое замыкание
  5. перенапряжение

1. Режим вывода из работы

Для его создания достаточно снять питающее напряжение источника электроэнергии с первичной обмотки и этим исключить прохождение электрического тока по ней, что и делают всегда в обязательном порядке с подобными устройствами.

Однако на практике при работе со сложными трансформаторными конструкциями такая мера не обеспечивает полностью меры безопасности: на обмотках может оставаться напряжение и приносить вред оборудованию, подвергать опасности обслуживающий персонал за счет случайного воздействия разрядов тока.

Как это может произойти?

У малогабаритных трансформаторов, которые работают в качестве блока питания, как показано на верхней фотографии, постороннее напряжение никакого вреда не причинит. Ему там просто неоткуда взяться. А на энергетическом оборудовании его обязательно следует учитывать. Разберём две часто встречающиеся причины:

  1. Подключение постороннего источника электроэнергии
  2. Действие наведенного напряжения
   Подключение постороннего источника электроэнергии

На сложных трансформаторах работает не одна, а несколько обмоток, которые используются в разных цепях. Со всех их необходимо отключать напряжение.

Кроме того, на подстанциях, эксплуатируемой в автоматическом режиме без постоянного оперативного персонала к шинам силовых трансформаторов подключают дополнительные трансформаторы, обеспечивающие собственные нужды подстанции электроэнергией 0,4 кВ. Они предназначены для питания защит, устройств автоматики, освещения, отопления и других целей.

Их так и называют — ТСН или трансформаторы собственных нужд. Если со входа силового трансформатора снято напряжение и его вторичные цепи разомкнуты, а на ТСН проводятся работы, то существует вероятность обратной трансформации, когда напряжение 220 вольт с низкой стороны проникнет на высокую по подключенным шинам питания. Поэтому их необходимо обязательно отключать.

   Действие наведенного напряжения

Если около шин отключенного трансформатора проходит высоковольтная линия, находящаяся под напряжением, то токи, протекающие по ней, способны наводить напряжение на шинах. Необходимо применять меры для его снятия.

2. Номинальный режим работы

Это обычное состояние трансформатора во время его эксплуатации для которого он и создан. Токи в обмотках и приложенные к ним напряжения соответствуют расчетным значениям.

Трансформатор в режиме номинальной нагрузки потребляет и преобразует мощности, соответствующие проектным значениям в течение всего предусмотренного ему ресурса.

3. Режим холостого хода

Он создается в том случае, когда на трансформатор подано напряжение от источника питания, а на выводах выходной обмотки отключена нагрузка, то есть разомкнута цепь. Этим исключается протекание тока по вторичной обмотке.

Трансформатор в режиме холостого хода потребляет минимально возможную мощность, определяемую его конструкторскими особенностями.

4. Режим короткого замыкания

Так называют ситуацию, когда нагрузка, подключенная к трансформатору оказывается закороченной, наглухо зашунтированной цепочками с очень малыми электрическими сопротивлениями и на нее действует вся мощность питания источника напряжения.

В этом режиме протекание огромных токов КЗ ни чем практически не ограничивается. Они обладают огромной тепловой энергией и способны сжечь провода или оборудование. Причем действуют до тех пор, пока схема питания через вторичную или первичную обмотку не выгорит, разорвавшись в наиболее слабом месте.

Это самый опасный режим, который способен возникнуть при работе трансформатора, причем, в любой, самый неожиданный момент времени. Его появление можно предвидеть, а развитие следует ограничивать. С этой целью используют защиты, которые отслеживают превышение допустимых токов на нагрузке и максимально быстро их отключают.

5. Режим перенапряжения

Обмотки трансформатора покрыты слоем изоляции, который создается для работы под определенным напряжением. При эксплуатации возможно его превышение по различным причинам, возникающим как внутри электрической системы, так и в результате воздействия атмосферных явлений.

В заводских условиях определяется величина допустимого превышения напряжения, которое может действовать на изоляцию до нескольких часов и кратковременных перенапряжений, создаваемых переходными процессами при коммутациях оборудования.

Для предотвращения их воздействия создают защиты от повышения напряжения, которые при возникновении аварийной ситуации отключают питание со схемы в автоматическом режиме или ограничивают импульсы разрядов.

Видео, принцип работы трансформатора

 

Смотрите также по теме:

   Трансформатор Тесла (Tesla coil). Делаем своими руками.

 

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

Устройство и принцип действия трансформатора

Трансформаторы

С открытием и началом промышленного использования электричества возникла необходимость создания систем его преобразования и доставки к потребителям. Так появились трансформаторы, о принципе действия которых и пойдет речь.

Появлению их на свет предшествовало открытие явления электромагнитной индукции великим английским физиком Майклом Фарадеем почти 200 лет назад. Позже он и его американский коллега Д. Генри нарисовали схему будущего трансформатора.

Трансфрматор Фарадея Трансформатор Фарадея

Первое воплощение идеи в железо состоялось в 1848 году с создания индукционной катушки французским механиком Г. Румкорфом. Свою лепту внесли и российские ученые. В 1872 году профессор Московского университета А. Г. Столетов открыл петлю гистерезиса и описал структуру ферромагнетика, а 4 года спустя, выдающийся российский изобретатель П. Н. Яблочков получил патент на изобретение первого трансформатора переменного тока.

Трансформатор Яблочкова

Как устроен и как работает трансформатор

Трансформаторы – это название огромного «семейства», куда входят однофазные, трехфазные, понижающие, повышающие, измерительные и множество других типов трансформаторов. Основное их назначение – преобразование одного или нескольких напряжений переменного тока в другое на основе электромагнитной индукции при неизменной частоте.

Итак, кратко, как работает простейший однофазный трансформатор. Он состоит из трех основных элементов – первичной и вторичной обмоток и объединяющего их в единое целое магнитопровода, на который они как бы нанизаны. Источник подключается исключительно к первичной обмотке, в то время, как вторичная снимает и передает уже измененное напряжение потребителю.

Принцип работы трансформатораПринцип работы трансформатора

Подключенная к сети первичная обмотка создает в магнитопроводе переменное электромагнитное поле и формирует магнитный поток, который начинает циркулировать между обмотками, индуцируя в них электродвижущую силу (ЭДС). Ее величина зависит от числа витков в обмотках. К примеру, для понижения напряжения необходимо, чтобы в первичной обмотке витков было больше, чем во вторичной. Именно по такому принципу работают понижающие и повышающие трансформаторы.

Важная особенность конструкции трансформатора состоит в том, что магнитопровод имеет стальную структуру, а обмотки, как правило имеющие форму цилиндра, изолированы от него, непосредственно не связаны друг с другом и имеют свою маркировку.

Трансформаторы напряжения

Это, пожалуй, наиболее многочисленная разновидность семейства трансформаторов. В двух словах, их основная функция – сделать произведенную на электростанциях энергию доступной для потребления различными устройствами. Для этого существует система передачи электроэнергии, состоящая из повышающих и понижающих трансформаторных подстанций и линий электропередач.

Передаяа энергии по ЛЭП

Вначале электроэнергия, произведенная электростанцией, подается на повышающую трансформаторную подстанцию (к примеру, с 12 до 500 кВ). Это необходимо для того, чтобы компенсировать неизбежные потери электроэнергии при передаче на большие расстояния.

Следующий этап – понижающая подстанция, откуда электроэнергия уже по низковольтной линии подается на понижающий трансформатор и далее к потребителю в виде напряжения 220 в.

Но на этом работа трансформаторов не заканчивается. В большинстве окружающих нас бытовых электроприборов — в ПК, телевизорах, принтерах, стиральных машинах-автоматах, холодильниках, микроволновых печах, DVD и даже в энергосберегающих лампочках установлены понижающие трансформаторы. Пример индивидуального «карманного» трансформатора – зарядное устройство мобильного телефона (смартфона).

Адаптер питания

Гигантскому разнообразию современных электронных устройств и выполняемых ими функций соответствует множество различных типов трансформаторов. Это далеко не полный их список: силовые, импульсные, сварочные, разделительные, согласующие, вращающиеся, трехфазные, пик-трансформаторы, трансформаторы тока, тороидальные, стержневые и броневые.

Какие они, трансформаторы будущего

Считается, что трансформаторная отрасль весьма консервативна. Тем не менее и ей приходится считаться с революционными изменениями в области электротехники, где все громче о себе заявляют нанотехнологии. Как и множество других устройств, они постепенно «умнеют».

Элегазовые трансформаторыЭлегазовые трансформаторы

Активно ведется поиск новых конструкционных материалов – изоляционных и магнитных, способных обеспечить более высокую надежность трансформаторного оборудования. Одним из направлений может стать использование аморфных материалов, что значительно повысит его пожарную безопасность и надежность.

Появятся взрыво- и пожаробезопасные трансформаторы, в которых хлордифенилы, используемые для пропитки электроизоляционных материалов, будут заменены нетоксичными жидкими, экологически безопасными диэлектриками.

Элегазовые трансформаторыЭлегазовые трансформаторы

Примером тому — элегазовые силовые трансформаторы, где функцию хладагента выполняет негорючий элегаз гексафторид серы, вместо далеко не безопасного трансформаторного масла.

Вопрос времени – создание «умных» электросетей, оснащенных полупроводниковыми твердотельными трансформаторами с электронным управлением, с помощью которых появится возможность регулировать напряжение в зависимости от потребностей потребителей, в частности, подключать к домашней сети возобновляемые и промышленные источники питания, или наоборот отключать лишние, когда в них нет необходимости.

Еще одно перспективное направление – низкотемпературные сверхпроводимые трансформаторы. Работа по их созданию началась еще в 60-е годы. Главная проблема, с которой столкнулись ученые – огромные размеры криогенных систем, необходимых для изготовления жидкого гелия. Все изменилось в 1986 году, когда были открыты сверхпроводниковые высокотемпературные материалы. Благодаря им, появилась возможность отказаться от громоздких охлаждающих устройств.

Трансформатор с полупроводниковым преобразователемТрансформатор с полупроводниковым преобразователем

Сверхпроводимые трансформаторы обладают уникальным качеством: при высокой плотности тока потери в них минимальны, зато, когда ток достигает критических значений, сопротивление от нулевого уровня резко увеличивается.Трансформатор с полупроводниковым преобразователем

принцип работы и типы приборов

маленький трансформатор

Трансформатор — незаменимое устройство в электротехнике.

Без него энергосистема в ее нынешнем виде не могла бы существовать.

Присутствуют эти элементы и во многих электроприборах.

Желающим познакомиться с ними поближе предлагается данная статья, тема которой — трансформатор: принцип работы и виды приборов, а также их назначение.

 

Что такое трансформатор

Так называют устройство, изменяющее величину переменного электрического напряжения. Существуют разновидности, способные менять и его частоту.

Таким аппаратами оснащают многие приборы, также они применяются в самостоятельном виде.

Например, установки, повышающие напряжение для передачи тока по электромагистралям.

Генерируемое электростанцией напряжение они поднимают до 35 – 750 кВ, что дает двойную выгоду:

  • уменьшаются потери в проводах;
  • требуются провода меньшего сечения.
В городских электросетях напряжение снова уменьшается до величины в 6,1 кВ, опять же с использованием трансформатора. В распределительных сетях, раздающих электричество потребителям, напряжение понижают до 0,4 кВ (это привычные нам 380/220 В).

Принцип работы

Работа трансформаторного устройства основана на явлении электромагнитной индукции, состоящей в следующем: при изменении параметров магнитного поля, пересекающего проводник, в последнем возникает ЭДС (электродвижущая сила). Проводник в трансформаторе присутствует в форме катушки или обмотки, и общая ЭДС равна сумме ЭДС каждого витка.

Для нормальной работы требуется исключить электрический контакт между витками, потому используют провод в изолирующей оболочке. Эту катушку называют вторичной.

Магнитное поле, необходимое для генерации во вторичной катушке ЭДС, создается другой катушкой. Она подключается к источнику тока и называется первичной. Работа первичной катушки основана на том факте, что при протекании через проводник тока, вокруг него формируется электромагнитное поле, а если он смотан в катушку, оно усиливается.

принципы работы трансформатора

Как работает трансформатор

При протекании через катушку постоянного тока параметры электромагнитного поля не меняются и оно неспособно вызвать ЭДС во вторичной катушке. Поэтому трансформаторы работают только с переменным напряжением.

На характер преобразования напряжения влияет соотношение количества витков в обмотках – первичной и вторичной. Его обозначают «Кт» – коэффициент трансформации. Действует закон:

Кт = W1 / W2 = U1 / U2,

где,

  • W1 и W2 — количество витков в первичной и вторичной обмотках;
  • U1 и U2 — напряжение на их выводах.

Следовательно, если в первичной катушке витков больше, то напряжение на выводах вторичной ниже. Такой аппарат называют понижающим, Кт у него больше единицы. Если витков больше во вторичной катушке — трансформатор напряжение повышает и называется повышающим. Его Кт меньше единицы.

трансформатор на улице

Большой силовой трансформатор

Если пренебречь потерями (идеальный трансформатор), то из закона сохранения энергии следует:

P1 = P2,

где Р1 и Р2 — мощность тока в обмотках.

Поскольку P = U * I, получим:

  • U1 * I1 = U2 * I2;
  • I1 = I2 * (U2 / U1) = I2 / Кт.

Это означает:

  • в первичной катушке понижающего устройства (Кт > 1) протекает ток меньшей силы, чем в цепи вторичной;
  • с повышающими трансформаторами (Кт < 1) все наоборот: сила тока в первичной катушке выше, чем в цепи вторичной.

Данное обстоятельство учитывают при подборе сечения проводов для обмоток аппаратов.

Конструкция

Трансформаторные обмотки надевают на магнитопровод — деталь из ферромагнитной, трансформаторной или иной магнитомягкой стали. Он служит проводником электромагнитного поля от первичной катушки ко вторичной.

Под действием переменного магнитного поля в магнитопроводе также генерируются токи — они называются вихревыми. Эти токи приводят к потерям энергии и нагреву магнитопровода. Последний, с целью свести данное явление к минимуму, набирают из множества изолированных друг от друга пластин.

На магнитопроводе катушки располагают двояко:

  • рядом;
  • наматывают одну поверх другой.

Обмотки для микротрансформаторов изготавливают из фольги толщиной 20 – 30 мкм. Ее поверхность в результате окисления становится диэлектриком и играет роль изоляции.

части трансформатора

Конструкция трансформатора

На практике добиться соотношения Р1 = Р2 невозможно из-за потерь трех видов:

  1. рассеивание магнитного поля;
  2. нагрев проводов и магнитопровода;
  3. гистерезис.

Потери на гистерезис — это затраты энергии на перемагничивание магнитопровода. Направление силовых линий электромагнитного поля постоянно меняется. Каждый раз приходится преодолевать сопротивление диполей в структуре магнитопровода, выстроившихся определенным образом в предыдущей фазе.

Потери на гистерезис стремятся уменьшить, применяя разные конструкции магнитопроводов.

Итак, в реальности величины Р1 и Р2 отличаются и соотношение Р2 / Р1 называют КПД устройства. Для его измерения используются следующие режимы работы трансформатора:

  • холостого хода;
  • короткозамкнутый;
  • с нагрузкой.

В некоторых разновидностях трансформаторов, работающих с напряжением высокой частоты, магнитопровод отсутствует.

Режим холостого хода

Первичная обмотка подключена к источнику тока, а цепь вторичной разомкнута. При таком подключении в катушке течет ток холостого хода, в основном представляющий реактивный ток намагничивания.

Такой режим позволяет определить:

  • КПД устройства;
  • коэффициент трансформации;
  • потери в магнитопроводе (на языке профессионалов — потери в стали).
холостой ход

Схема трансформатора в режиме холостого хода

Короткозамкнутый режим

Выводы вторичной обмотки замыкают без нагрузки (накоротко), так что ток в цепи ограничивается лишь ее сопротивлением. На контакты первичной подают такое напряжение, чтобы ток в цепи вторичной обмотки не превышал номинального.

Такое подключение позволяет определить потери на нагрев обмоток (потери в меди). Это необходимо при реализации схем с применением вместо реального трансформатора активного сопротивления.

Режим с нагрузкой

В этом состоянии к выводам вторичной обмотки подключен потребитель.

Охлаждение

В процессе работы трансформатор греется.

Применяют три способа охлаждения:

  1. естественное: для маломощных моделей;
  2. принудительное воздушное (обдув вентилятором): модели средней мощности;
  3. мощные трансформаторы охлаждаются при помощи жидкости (в основном используют масло).
охлаждение прибора

Прибор с масляным охлаждением

Виды трансформаторов

Аппараты классифицируются по назначению, типу магнитопровода и мощности.

Силовые трансформаторы

Наиболее многочисленная группа. К ней относятся все трансформаторы, работающие в энергосети.

Автотрансформатор

У этой разновидности между первичной и вторичной обмотками имеется электрический контакт. При намотке провода делают несколько выводов — при переключении между ними задействуется разное число витков, отчего меняется коэффициент трансформации.

Достоинства автотрансформатора:

  • Повышенный КПД. Объясняется тем, что преобразованию подвергается только часть мощности. Это особенно важно при незначительной разнице между напряжением на входе и выходе.
  • Низкая стоимость. Это обусловлено меньшим расходом стали и меди (автотрансформатор имеет компактные размеры).

Эти устройства выгодно применять в сетях напряжением 110 кВ и более с эффективным заземлением при Кт не выше 3-4.

Трансформатор тока

Используется для снижения силы тока в подключенной к источнику питания первичной обмотке. Устройство находит применение в защитных, измерительных, сигнальных и управляющих системах. Преимущество в сравнении с шунтовыми схемами измерения, состоит в наличии гальванической развязки (отсутствие электроконтакта между обмотками).

Первичная катушка включается в цепь переменного тока – исследуемую или контролируемую –  с нагрузкой последовательно. К выводам вторичной обмотки подключают исполнительное индикаторное устройство, к примеру, реле, или прибор измерения.

типы трансформаторов

Трансформатор тока

Допустимое сопротивление в цепи вторичной катушки ограничено мизерными значениями — почти короткое замыкание. У большинства токовых трансформаторов величина номинального тока в этой катушке составляет 1 или 5 А. При размыкании цепи в ней формируется высокое напряжение, способное пробить изоляцию и повредить подключенные приборы.

Импульсный трансформатор

Работает с короткими импульсами, продолжительность которых измеряется десятками микросекунд. Форма импульса практически не искажается. В основном используются в видеосистемах.

Сварочный трансформатор

Данное устройство:

  • понижает напряжение;
  • рассчитано на номинальный ток в цепи вторичной обмотки до тысяч ампер.

Регулировать сварочный ток можно изменением числа витков обмоток, задействованных в процессе (они имеют по нескольку выводов). При этом изменяется величина индуктивного сопротивления или вторичное напряжение холостого хода. Посредством дополнительных выводов обмотки разбиты на секции, потому регулировка сварочного тока осуществляется ступенчато.

Габариты трансформатора во многом зависят от частоты переменного тока. Чем она выше, тем более компактным получится устройство.

ТДМ 70-460

Сварочный трансформатор ТДМ 70-460

На этом принципе основано устройство современных инверторных сварочных аппаратов. В них переменный ток перед подачей на трансформатор подвергается обработке:

  • выпрямляется посредством диодного моста;
  • в инверторе — управляемом микропроцессором электронном узле с быстро переключающимися ключевыми транзисторами — снова становится переменным, но уже с частотой 60 – 80 кГц.

Потому эти сварочные аппараты такие легкие и небольшие.

Также устроены блоки питания импульсного типа, например, в ПК.

Разделительный трансформатор

В этом устройстве обязательно присутствует гальваническая развязка (нет электрического контакта между первичной и вторичной обмотками), а Кт равен единице. То есть разделительный трансформатор напряжение оставляет неизменным. Он необходим для повышения безопасности подключения.

Прикосновение к токоведущим элементам оборудования, подключенного к сети через такой трансформатор, к сильному удару током не приведет.

В быту такой способ подключения электроприборов уместен во влажных помещениях— в ванных и пр.

Кроме силовых трансформаторов, существуют сигнальные разделительные. Они устанавливаются в электроцепи для гальванической развязки.

Магнитопроводы

Бывают трех видов:

  1. Стержневые. Выполнены в виде стержня ступенчатого сечения. Характеристики оставляют желать лучшего, но зато просты в исполнении.
  2. Броневые. Лучше стержневых проводят магнитное поле и вдобавок защищают обмотки от механических воздействий. Недостаток: высокая стоимость (требуется много стали).
  3. Тороидальные. Наиболее эффективная разновидность: создают однородное сконцентрированное магнитное поле, чем способствуют уменьшению потерь. Трансформаторы с тороидальным магнитопроводом имеют наибольший КПД, но они дороги из-за сложности изготовления.

Мощность

Мощность трансформатора принято обозначать в вольт-амперах (ВА). По данному признаку устройства классифицируются так:
  • маломощные: менее 100 ВА;
  • средней мощности: несколько сотен ВА;

Существуют установки большой мощности, измеряемой в тысячах ВА.

Трансформаторы отличаются назначением и характеристиками, но принцип действия у них одинаков: переменное магнитное поле, генерируемое одной обмоткой, возбуждает во второй ЭДС, величина которого зависит от числа витков.

Необходимость в преобразовании напряжения возникает очень часто, потому трансформаторы получили самое широкое распространение. Данное устройство можно изготовить самостоятельно.

Что такое трансформатор? Конструкция, работа, типы и применение.

Что такое трансформатор? Его части, эксплуатация, типы, ограничения и применение

Что такое трансформатор?

  • Как следует из названия, трансформатор передает электроэнергию из одной электрической цепи в другую электрическую цепь. Это не меняет значение силы.
  • Трансформатор не изменяет частоту цепи во время работы.
  • Трансформатор работает на электрическом я.е. взаимная индукция.
  • Трансформатор работает, когда обе цепи вступают в силу взаимной индукции.
  • Трансформатор не может повышать или понижать уровень постоянного напряжения или постоянного тока.
  • Трансформатор только повышает или понижает уровень переменного или переменного тока.
  • Трансформатор не меняет значение магнитного потока.
  • Трансформатор не будет работать при постоянном напряжении.

What is a Transformer, Its Types, Construction, Working, & Applications What is a Transformer, Its Types, Construction, Working, & Applications

Без трансформаторов электрической энергии, генерируемой на электростанциях, вероятно, будет недостаточно для питания города.Только представьте, что нет трансформаторов. Как вы думаете, сколько электростанций нужно настроить, чтобы обеспечить город энергией? Нелегко настроить электростанцию. Это дорого.

Для обеспечения достаточной мощности необходимо установить множество электростанций. Трансформаторы помогают, усиливая выход трансформатора (повышая или понижая уровень напряжения или тока).

Когда число витков вторичной катушки больше числа витков первичной катушки, такой трансформатор называется повышающим трансформатором.

Аналогично, когда число витков катушки первичной катушки больше, чем у вторичного трансформатора, такой трансформатор известен как понижающий трансформатор.

Конструкция трансформатора (детали трансформатора)

Construction of a Transformer Construction of a Transformer Детали трансформатора
1 Клапан масляного фильтра 17 Клапан слива масла
2 Консерватор 18 Подъемный патрон
3 Реле Бухгольца 19 Стопор
4 Клапан масляного фильтра 20 Фундаментный болт
5 Вентиляционное отверстие 21 Клемма заземления
6 Высоковольтная втулка 22 Опорная база
7 Низковольтная втулка 23 Катушка
8 Подвеска 24 Прижимная пластина катушки
9 BCT Termin al 25 Core
10 Бак 26 Клеммная коробка для защитных устройств
11 Устройство обесточивания ответвления 27 Паспортная табличка
12 Рукоятка переключателя 28 Циферблатный термометр
13 Крепеж для сердечника и катушки 29 Радиатор
14 Подъемный крюк для сердечника и катушки 30 Люк
15 Торцевая рама 31 Подъемный крюк
16 Болт давления катушки 32 Указатель уровня масла циферблатного типа

Принцип работы трансформатора

Трансформатор статическое устройство (и не содержит вращающихся частей, следовательно, нет потерь на трение), которое с преобразовывать электрическую энергию из одной цепи в другую, не меняя ее частоту.Шаг вверх (или шаг вниз) уровня переменного напряжения и тока.

Трансформатор работает по принципу взаимной индукции двух катушек или по закону Фарадея об электромагнитной индукции. Когда ток в первичной катушке изменяется, поток, связанный со вторичной катушкой, также изменяется. Следовательно, ЭДС индуцируется во вторичной катушке из-за законов электромагнитной индукции Фарадея.

Трансформатор основан на двух принципах: во-первых, электрический ток может создавать магнитное поле (электромагнетизм), а во-вторых, что изменяющееся магнитное поле в катушке с проволокой вызывает напряжение на концах катушки (электромагнитная индукция). ).Изменение тока в первичной катушке изменяет магнитный поток, который развивается. Изменяющийся магнитный поток индуцирует напряжение во вторичной катушке.

Operating-Working-Principle-of-a-Transformer Operating-Working-Principle-of-a-Transformer

Простой трансформатор имеет сердечник из мягкого железа или кремниевой стали и обмотки (железный сердечник). Как сердечник, так и обмотки изолированы друг от друга. Обмотка, подключенная к основному источнику питания, называется первичной, а обмотка, подключенная к цепи нагрузки, называется вторичной.

Обмотка (катушка), подключенная к более высокому напряжению, называется обмоткой высокого напряжения, а обмотка, подключенная к низкому напряжению, называется обмоткой низкого напряжения.В случае повышающего трансформатора первичной обмоткой (обмоткой) является обмотка низкого напряжения, число витков обмотки вторичной обмотки больше, чем у первичной обмотки. Наоборот для понижающего трансформатора.

Как объяснено ранее, ЭДС индуцируется только изменением величины потока.

Когда первичная обмотка подключена к сети переменного тока, через нее течет ток. Поскольку обмотка связана с сердечником, ток, протекающий через обмотку, будет создавать переменный поток в сердечнике.ЭДС индуцируется во вторичной катушке, так как переменный поток связывает две обмотки. Частота наведенной ЭДС такая же, как у потока или подаваемого напряжения. Operating & Working Principle of a Transformer Operating & Working Principle of a Transformer

При этом (изменение потока) энергия передается от первичной обмотки к вторичной обмотке посредством электромагнитной индукции без изменения частоты напряжения, подаваемого на трансформатор. Во время процесса в первичной катушке возникает самоиндуцированная ЭДС, которая противодействует приложенному напряжению.ЭДС самоиндукции называется обратной ЭДС.

Ограничение трансформатора

Чтобы понять основные моменты, мы должны обсудить некоторые основные термины, связанные с работой трансформатора. Итак, давайте вернемся к основному на некоторое время.

Трансформатор - это машина переменного тока, которая повышает или понижает переменное напряжение или ток. Однако трансформатор, являющийся машиной переменного тока, не может повышать или понижать постоянное напряжение или постоянный ток. Это звучит немного странно, хотя. Вы можете подумать: «А разве нет трансформаторов постоянного тока?»

Чтобы ответить на два вопроса, есть ли трансформаторы постоянного тока или нет, и знать, «почему трансформатор не может увеличивать или понижать напряжение постоянного тока», необходимо знать, как электрический ток и магнитное поле взаимодействуют друг с другом в работе трансформатора.

Электромагнетизм

Взаимодействие между магнитным полем и электрическим током называется электромагнетизмом. Токопроводящие проводники создают магнитное поле, когда ток проходит через него. Движение электронов в проводнике приведет к появлению электрического тока (дрейфующих электронов), который возникает в результате ЭДС, установленной на проводнике.

ЭДС, установленная через проводник, может быть в форме той, которая хранится в химической энергии или магнитном поле. Токопроводящий проводник, помещенный в магнитные поля, будет испытывать механическую силу, в то время как проводник, помещенный в магнитное поле, будет дрейфовать электронами, что приведет к электрическому току.

Field Flux

Два магнита разных полюсов будут притягивать друг друга, в то время как магниты одинаковых полюсов будут отталкивать друг друга (так же как и с электрическими зарядами). Каждый магнит окружен силовым полем и представлен воображаемыми линиями, исходящими от северного полюса магнита, идущими в южный полюс того же магнита.

Прочтите важные термины, относящиеся к потоку поля и магнитному полю, с формулами Здесь

«Линии, связывающие северный и южный полюс магнита, представляющего силовое поле, связывающее катушки в трансформаторе, называются магнитным потоком».

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция - это явление, объясняющее, как ЭДС и ток индуцируются или могут индуцироваться в катушке при взаимодействии катушки и магнитного поля. Это явление «электромагнитная индукция» объясняется законами электромагнитной индукции Фарадея. Направление наведенной ЭДС в катушке объясняется законом Ленца и правилом правой руки Флеминга.

Законы Фарадея об электромагнитной индукции

После того, как Ампер и другие исследовали магнитное влияние тока, Майкл Фарадей попытался сделать обратное.В ходе своей работы он обнаружил, что при изменении магнитного поля, в котором размещалась катушка, в катушке индуцировалась ЭДС.

Это происходило только тогда, когда он перемещал катушку или магнит, который использовал в эксперименте. ЭДС индуцировалась в катушке только при изменении потока поля (если катушка зафиксирована, перемещение магнита к катушке или от нее вызывает индукцию ЭДС). Таким образом, законы электромагнитной индукции Фарадея состоят в следующем;

Первый закон Фарадея

Первый закон электромагнитной индукции Фарадея гласит, что «ЭДС индуцируется в катушке при изменении потока, связывающего катушку».

Второй закон Фарадея

Второй закон электромагнитной индукции Фарадея гласит, что «величина индуцированной ЭДС в катушке прямо пропорциональна скорости изменения потока, связывающего катушку».

e = N dϕ / dt

Где

  • e = индуцированная ЭДС
  • N = число витков
  • dϕ = изменение потока
  • dt = изменение во времени

Похожие сообщения: Есть ли Возможно ли эксплуатировать трансформатор 50 Гц на частоте 5 Гц или 500 Гц?

Закон Ленца

Закон Ленца предусматривает, как можно определить направление наведенной ЭДС в катушке.«Таким образом, в нем говорится, что направление наведенной ЭДС таково, что оно противостоит изменению, вызывающему его.

Другими словами, когда в цепи индуцируется Э.М.Ф., текущая установка всегда противодействует движению или изменению тока, который его вызывает. ИЛИ

Индуцированная ЭДС приведет к тому, что ток будет течь в замкнутой цепи в таком направлении, что его магнитный эффект будет противодействовать изменению, вызвавшему его.

Согласно этому закону (введенному Лансом в 1835 году), направление тока может быть найдено.когда ток через катушку меняет магнитное поле, напряжение создается в результате изменения магнитного поля, направление индуцированного напряжения таково, что оно всегда противодействует изменению тока.

очень простыми словами, закон Ленца, утверждающий, что индуцированный эффект всегда таков, чтобы противостоять причине, вызвавшей его. Lenz-Law Lenz-Law

Правило правой руки Флеминга

В нем говорится, что «если большой, указательный и средний пальцы удерживаются таким образом, что они взаимно перпендикулярны друг другу (составляет 90 ° углов), затем указательный палец указывает направление поля, большой палец указывает направление движения проводника, а средний палец указывает направление индуцированного тока (от ЭДС).Lenz-Law Lenz-Law

Почему трансформаторы не могут повышать или понижать постоянное напряжение или ток?

Трансформатор не может повышать или понижать постоянное напряжение. Не рекомендуется подключать источник постоянного тока к трансформатору, потому что, если к катушке (первичной) трансформатора приложено номинальное напряжение постоянного тока, поток, создаваемый в трансформаторе, не изменится по своей величине, а останется тем же и результат ЭДС не будет индуцироваться во вторичной катушке, кроме как в момент включения, поэтому трансформатор может начать курить и гореть, потому что;

В случае питания постоянного тока, Частота равна нулю .Когда вы подаете напряжение на чистую индуктивную цепь, то в соответствии с

X L = 2 π f L

Где:

  • X L = Индуктивная реактивность
  • L = Индуктивность
  • f = частота

, если мы введем частоту = 0, то общий X L (индуктивное сопротивление) также будет равен нулю.

Теперь перейдем к току, I = V / R (а в случае индуктивной цепи, I = V / X L )….Основной закон Ома

Если мы установим индуктивное сопротивление равным 0, то ток будет бесконечным (короткое замыкание)…

Итак, если мы подадим постоянное напряжение на чисто индуктивную цепь, цепь может начать дымиться и гореть.

Таким образом, трансформаторы не способны повышать или понижать постоянное напряжение. Также в таких случаях не будет самоиндуцированной ЭДС в первичной катушке, которая возможна только с изменяющейся магнитной связью, чтобы противостоять приложенному напряжению. Сопротивление первичной катушки является низким, и, как таковой, сильный ток, протекающий через него, приведет к выгоранию первичной катушки из-за чрезмерного нагрева, создаваемого током.

Читайте также: При каких условиях источник питания постоянного тока безопасно подключается к первичной обмотке трансформатора?

Типы трансформаторов

Существуют различные типы трансформаторов в зависимости от их использования, конструкции и конструкции.

Типы трансформаторов на основе своих фаз
  1. Однофазный трансформатор
  2. Трехфазные трансформаторы
Типы трансформаторов на основе своей базовой конструкции
  • Тип сердечника трансформатора
  • Тип оболочки 9 Трансформатор
  • Тип корпуса 9 Трансформатор
  • Тип корпуса 9 Трансформатор
  • Тип оболочки 9 Трансформатор
  • Тип оболочки 9 Трансформатор
  • Тип оболочки 9 Трансформатор
  • Трансформатор
Типы трансформаторов на основе его сердечника
  • Воздушный сердечник Трансформатор
  • Трансформатор с ферромагнитным / железным сердечником
Типы трансформаторов на основе Преобразователь Большой000000
    Распределительный трансформатор
  • Малый силовой трансформатор
  • Знаковый осветительный трансформатор
  • Управляющий и сигнальный трансформатор
  • Газоразрядная лампа Трансформатор
  • Звонящий трансформатор
  • Инструментальный трансформатор
  • Трансформатор постоянного тока
  • Серия Трансформатор для уличного освещения

Похожие сообщения: Разница между силовыми и распределительными трансформаторами?

Типы трансформаторов на основе изоляции и охлаждения
  • Трансформатор с воздушным или сухим воздушным охлаждением
  • Сухой тип с воздушным охлаждением
  • с масляным погружением, с автоматическим охлаждением (OISC) или ONAN (масло натуральное, воздушное натуральное)
  • с масляным погружением, комбинация с самоохлаждением и воздушной струей (ONAN)
  • с масляным погружением, с водяным охлаждением (OW)
  • с масляным погружением, принудительным масляным охлаждением
  • с масляным погружением, сочетание с автоматическим охлаждением и водяным охлаждением (ONAN + OW)
  • Принудительное масло с воздушным охлаждением (OFAC)
  • Принудительное масло с водяным охлаждением (FOWC)
  • Принудительное масло с автоматическим охлаждением (OFAN)
Типы измерительных трансформаторов

Связанные должности: Защита силовых трансформаторов и неисправности

Использование и применение трансформатора

Использование и применение трансформатора уже обсуждались в этом предыдущем посте.

Преимущества 3-фазного трансформатора над 1-фазным трансформатором

Ознакомьтесь с преимуществами и недостатками однофазного и трехфазного трансформатора здесь.

Похожие сообщения:

.
Принципов трансформаторов в параллельном соединении (1)

Введение

Для подачи нагрузки, превышающей номинальную мощность существующего трансформатора, два или более трансформаторов могут быть подключены параллельно с существующим трансформатором. Трансформаторы подключаются параллельно, когда нагрузка на один из трансформаторов превышает его мощность.

Principles of Transformers in Parallel Connection (part 1) Principles of Transformers in Parallel Connection (part 1) Принципы трансформаторов в параллельном соединении (часть 1)

Надежность увеличивается при параллельной работе, чем при использовании одного более крупного устройства.

Расходы на обслуживание запчастей меньше, когда два трансформатора соединены параллельно. Обычно экономически выгодно устанавливать другой трансформатор параллельно вместо замены существующего трансформатора на один более крупный блок.

Стоимость запасного устройства в случае двух параллельных трансформаторов (одинакового номинала) также ниже, чем одного большого трансформатора. Кроме того, для обеспечения надежности предпочтительно иметь параллельный трансформатор.

С этим по крайней мере половина нагрузки может быть снабжена одним трансформатором из строя .


Условие для параллельной работы трансформатора

Для параллельного подключения трансформаторов первичные обмотки трансформаторов подключаются к шинам источника, а вторичные обмотки подключаются к шинам нагрузки.

Различные условия, которые должны быть выполнены для успешной параллельной работы трансформаторов:
  1. Одинаковое напряжение и коэффициент поворотов (номинальное напряжение как первичного, так и вторичного напряжения одинаково)
  2. Импеданс в процентах и ​​отношение X / R
  3. Идентичная позиция устройства РПН
  4. Те же КВА рейтинги
  5. Одинаковое смещение фазы (векторная группа одинакова)
  6. Рейтинг той же частоты
  7. Такая же полярность
  8. Та же последовательность фаз

Некоторые из этих условий удобны, а некоторые являются обязательными.

Удобные условия : одинаковое соотношение напряжения и числа витков, одинаковое сопротивление в процентах, одинаковое значение КВА, одинаковое положение устройства РПН.

Обязательные условия Условиями являются: одинаковый сдвиг угла фазы, одинаковая полярность, одинаковая последовательность фаз и одинаковая частота. При несоблюдении удобных условий параллельная работа возможна, но не оптимальна.


1. Отношение напряжения и поворотов (на каждом кране)

Если трансформаторы, подключенные параллельно, имеют слегка отличающиеся соотношения напряжения, то из-за неравенства индуцированных эдс во вторичных обмотках циркулирующий ток будет течь в контуре, образованном вторичными обмотками, в режиме холостого хода, который может быть очень большим больше, чем нормальный ток холостого хода.

Ток будет довольно высоким, поскольку сопротивление утечки низкое. Когда вторичные обмотки нагружены, этот циркулирующий ток будет иметь тенденцию создавать неравную нагрузку на два трансформатора, и может оказаться невозможным принять полную нагрузку от этой группы из двух параллельных трансформаторов (один из трансформаторов может быть перегружен).

Если два трансформатора с разным коэффициентом напряжения подключены параллельно с одним и тем же напряжением первичной сети, будет иметь место разница во вторичных напряжениях.

Теперь, когда вторичные обмотки этих трансформаторов подключены к одной и той же шине, между вторичными обмотками и, следовательно, между первичными обмотками также будет циркулирующий ток. Поскольку внутренний импеданс трансформатора невелик, небольшая разница напряжений может вызывать достаточно высокий циркулирующий ток, вызывая ненужные дополнительные потери I 2 R.

Оценки как первичных, так и вторичных должны быть одинаковыми. Другими словами, трансформаторы должны иметь одинаковый коэффициент поворота, т.е.е. коэффициент трансформации.


2. То же процентное сопротивление и отношение X / R

Если два трансформатора соединены параллельно с аналогичными импедансами на единицу , они в основном будут распределять нагрузку в соотношении их номинальных значений кВА. Здесь нагрузка в основном одинакова, потому что возможно иметь два трансформатора с одинаковыми импедансами на единицу, но разными отношениями X / R. В этом случае ток в линии будет меньше суммы токов трансформатора, и суммарная мощность будет соответственно уменьшена.

Разница в соотношении значения реактивного сопротивления к значению сопротивления на единицу импеданса приводит к разному фазовому углу токов, переносимых двумя параллельными трансформаторами; один трансформатор будет работать с более высоким коэффициентом мощности, а другой - с более низким коэффициентом мощности, чем у комбинированного выхода. Следовательно, реальная мощность не будет пропорционально распределена между трансформаторами.

Ток, распределяемый между двумя трансформаторами, работающими параллельно, должен быть пропорционален их номинальным значениям MVA.

Ток, переносимый этими трансформаторами, обратно пропорционален их внутреннему сопротивлению.

Из приведенных выше двух утверждений можно сказать, что полное сопротивление параллельно работающих трансформаторов обратно пропорционально их номинальным значениям MVA. Другими словами, процентное сопротивление или значение сопротивления на единицу должно быть одинаковым для всех параллельно работающих трансформаторов.

При подключении однофазных трансформаторов в трехфазных банках правильное согласование импедансов становится еще более важным.В дополнение к соблюдению трех правил для параллельной работы также рекомендуется попытаться согласовать отношения X / R трех последовательных импедансов, чтобы поддерживать балансировку выходных напряжений трехфазного тока.

Когда однофазные трансформаторы с одинаковыми значениями KVA подключены в Y-∆ Bank, несоответствие импеданса может вызвать значительный дисбаланс нагрузки между трансформаторами

Рассмотрим следующие различные случаи среди импеданса, коэффициента и КВА.

Если однофазные трансформаторы соединены в Y-Y банке с изолированной нейтралью, тогда импеданс намагничивания также должен быть равен омическому.

В противном случае трансформатор с наибольшим намагничивающим сопротивлением будет иметь самый высокий процент возбуждающего напряжения, увеличивая потери в сердечнике этого трансформатора и, возможно, приводя его сердечник в состояние насыщения.


Случай 1: Равный импеданс, отношения и те же кВА

Стандартный метод параллельного подключения трансформаторов заключается в том, чтобы иметь одинаковые отношения поворота, процентное сопротивление и номинальные значения кВА. Параллельное подключение трансформаторов с одинаковыми параметрами приводит к равномерному распределению нагрузки и отсутствию циркулирующих токов в обмотках трансформатора.

Пример Параллельное подключение двух трансформаторов импеданса 2000 кВА, 5,75%, каждый с одинаковым отношением витков к нагрузке 4000 кВА.

  • Нагрузка на трансформаторы-1 = кВА1 = [(кВА1 /% Z) / ((кВА1 /% Z1) + (кВА2 /% Z2))] X кВАл
  • кВА1 = 348 / (348 + 348) х 4000 кВА = 2000 кВА.
  • Нагрузка на трансформаторы-2 = кВА1 = [(кВА2 /% Z) / ((кВА1 /% Z1) + (кВА2 /% Z2))] X кВАл
  • кВА2 = 348 / (348 + 348) х 4000 кВА = 2000 кВА
  • Следовательно, КВА1 = КВА2 = 2000 кВА
Случай 2: равные импедансы, отношения и различные кВА

Этот параметр не является обычной практикой для новых установок, иногда к одной общей шине подключаются два трансформатора с разными кВА и одинаковыми процентными сопротивлениями.В этой ситуации разделение тока приводит к тому, что каждый трансформатор несет свою номинальную нагрузку. Там не будет циркулирующих токов, потому что напряжения (отношения поворота) одинаковы.

Пример Соединение трансформаторов 3000 кВА и 1000 кВА параллельно, каждый с сопротивлением 5,75%, каждый с одинаковыми коэффициентами поворота, подключенный к общей нагрузке 4000 кВА.

  • Нагрузка на трансформатор-1 = кВА1 = 522 / (522 + 174) х 4000 = 3000 кВА
  • Нагрузка на трансформатор-1 = кВА2 = 174 / (522 + 174) х 4000 = 1000 кВА

Из приведенного выше расчета видно, что при различных значениях кВА для трансформаторов, подключенных к одной общей нагрузке, такое разделение тока приводит к тому, что каждый трансформатор нагружается только до его номинальных значений в кВА.Ключевым моментом здесь является то, что процентное сопротивление одинаково.


Случай 3: неравный импеданс, но те же отношения и кВА

Чаще всего этот параметр используется для повышения мощности электростанции путем параллельного подключения существующих трансформаторов, которые имеют одинаковую номинальную мощность кВА, но с различным процентным сопротивлением.

Это часто встречается, когда бюджетные ограничения ограничивают покупку нового трансформатора с такими же параметрами.

Нам нужно понять, что ток делится в обратных пропорциях к импедансам, и больший ток протекает через меньший импеданс.Таким образом, трансформатор с более низким процентным сопротивлением может быть перегружен при большой нагрузке, тогда как другой трансформатор с более высоким процентным сопротивлением будет слегка нагружен.

Пример Два параллельных трансформатора 2000 кВА, один с сопротивлением 5,75% и другой с сопротивлением 4%, каждый с одинаковыми коэффициентами поворота, подключен к общей нагрузке 3500 кВА.

  • Нагрузка на Трансформатор-1 = кВА1 = 348 / (348 + 500) х 3500 = 1436 кВА
  • Нагрузка на Трансформатор-2 = кВА2 = 500 / (348 + 500) x 3500 = 2064 кВА

Видно, что, поскольку процентное сопротивление трансформатора не совпадает, его нельзя загрузить до их суммарного значения кВА.Распределение нагрузки между трансформаторами не равно. При нагрузке ниже комбинированной номинальной кВА трансформатор сопротивления 4% перегружен на 3,2%, а трансформатор сопротивления 5,75% - на 72%.


Случай 4: неравные импедансы и одинаковые коэффициенты кВА

Этот конкретный трансформатор редко используется в промышленных и коммерческих объектах, подключенных к одной общей шине с разными кВА и неравным процентным сопротивлением. Тем не менее, может быть одна ситуация, когда две несимметричные подстанции могут быть связаны друг с другом с помощью шины или кабелей для обеспечения лучшей поддержки напряжения при запуске большой нагрузки.

Если процентное сопротивление и номинальные значения кВА различны, следует соблюдать осторожность при загрузке этих трансформаторов.

Пример Два трансформатора параллельно с одним 3000 кВА (кВА1) с сопротивлением 5,75%, а другой - 1000 кВА (кВА2) с сопротивлением 4%, каждый с одинаковыми коэффициентами поворота, подключенными к общей нагрузке 3500 кВА.

  • Нагрузка на Трансформатор-1 = кВА1 = 522 / (522 + 250) х 3500 = 2366 кВА
  • Нагрузка на Трансформатор-2 = кВА2 = 250 / (522 + 250) х 3500 = 1134 кВА

Поскольку процентное сопротивление в трансформаторе 1000 кВА меньше, он перегружен при нагрузке меньше, чем объединенная.


Случай 5: Равный импеданс и неравные коэффициенты кВА

Небольшие различия в напряжении приводят к большой циркуляции тока. Важно отметить, что параллельные трансформаторы всегда должны быть подключены к одному ответвлению. Циркуляционный ток полностью не зависит от нагрузки и распределения нагрузки. Если трансформаторы полностью загружены, это приведет к значительному перегреву вследствие циркулирующих токов.

Точка, которую следует помнить, что циркулирующие токи не протекают по линии, их нельзя измерить, если контрольное оборудование находится выше или ниже общих точек подключения.

Пример Два параллельно подключенных трансформатора 2000 кВА, каждый с сопротивлением 5,75%, с одинаковым отношением X / R (8), трансформатор 1 с отводом 2,5% от номинала и трансформатор 2 с номиналом. Какой процент циркулирующего тока (% IC)

  • % Z1 = 5,75, So% R ’=% Z1 / √ [(X / R) 2 + 1)] = 5,75 / √ ((8) 2 + 1) = 0,713
  • % R1 =% R2 = 0,713
  • % X1 =% R x (X / R) =% X1 =% X2 = 0,713 x 8 = 5,7
  • Пусть% e = разница в отношении напряжения, выраженная в процентах от нормы, и k = кВА1 / кВА2
  • Циркуляционный ток% IC =% eX100 / √ (% R1 + k% R2) 2 + (% Z1 + k% Z2) 2.
  • % IC = 2,5X100 / √ (0,713 + (2000/2000) X0,713) 2 + (5,7 + (2000/2000) X5,7) 2
  • % IC = 250 / 11,7 = 21,7

Циркуляционный ток составляет 21,7% от тока полной нагрузки .


Случай 6: неравный импеданс, кВА и различные соотношения

Этот тип параметра маловероятен на практике. Если оба соотношения и импеданс разные, циркулирующий ток (из-за неравного соотношения) должен быть объединен с долей тока каждой нагрузки каждого трансформатора для получения фактического общего тока в каждом устройстве.

Для коэффициента мощности, равного единице, циркулирующий ток 10% (из-за неравных отношений поворота) дает только половину процента от общего тока. При более низких коэффициентах мощности циркулирующий ток резко изменится.

Пример Два параллельно подключенных трансформатора, 2000 кВА1 с сопротивлением 5,75%, отношение X / R 8, 1000 кВА2 с сопротивлением 4%, отношение X / R 5, 2000 кВА1 с отводом, отрегулированным на 2,5% от номинальной и 1000 кВА2 постучал по номиналу.

  • % Z1 = 5,75, So% R ’=% Z1 / √ [(X / R) 2 + 1)] = 5.75 / √ ((8) 2 + 1) = 0,713
  • % X1 =% R x (X / R) = 0,713 x 8 = 5,7
  • % Z2 = 4, поэтому% R2 =% Z2 / √ [(X / R) 2 + 1)] = 4 / √ ((5) 2 + 1) = 0,784
  • % X2 =% R x (X / R) = 0,784 x 5 = 3,92
  • Пусть% e = разница в отношении напряжения, выраженная в процентах от нормы, и k = кВА1 / кВА2
  • Циркуляционный ток% IC =% eX100 / √ (% R1 + k% R2) 2 + (% Z1 + k% Z2) 2.
  • % IC = 2,5X100 / √ (0,713 + (2000/2000) X0,713) 2 + (5,7 + (2000/2000) X5,7) 2
  • % IC = 250/13.73 = 18,21.

Циркуляционный ток составляет 18,21% от тока полной нагрузки .


3. Та же полярность

Полярность трансформатора означает мгновенное направление наведенной эдс во вторичной обмотке. Если мгновенные направления индуцированной вторичной ЭДС в двух трансформаторах противоположны друг другу, когда на оба трансформатора подается одинаковая входная мощность, считается, что трансформаторы находятся в противоположной полярности.

Трансформаторы должны быть правильно подключены с учетом их полярности.Если они связаны с неправильной полярностью, то две ЭДС, индуцированные во вторичных обмотках, которые параллельны, будут действовать вместе в локальной вторичной цепи и создавать короткое замыкание.

Полярность всех параллельно работающих трансформаторов должна быть одинаковой, иначе в трансформаторе протекает огромный циркулирующий ток, но нагрузка от этих трансформаторов не подается.

Если мгновенные направления индуцированной вторичной ЭДС в двух трансформаторах одинаковы, когда на оба трансформатора подается одинаковая входная мощность, считается, что трансформаторы имеют одинаковую полярность.


4. Та же последовательность фаз

Фазовая последовательность линейных напряжений обоих трансформаторов должна быть одинаковой для параллельной работы трехфазных трансформаторов. Если последовательность фаз неверна, в каждом цикле каждая пара фаз будет закорочена.

Это условие должно строго соблюдаться при параллельной работе трансформаторов.


5. Одинаковый сдвиг угла фазы (нулевое относительное смещение фазы между напряжениями вторичной линии)

Обмотки трансформатора могут быть подключены различными способами, которые производят различные величины и сдвиги фаз вторичного напряжения.Все соединения трансформатора могут быть классифицированы на отдельные группы векторов.

Группа 1: Смещение нулевой фазы (Yy0, Dd0, Dz0)
Группа 2: Смещение фазы 180 ° (Yy6, Dd6, Dz6)
Группа 3: -30 ° смещение фазы (Yd1, Dy1, Yz1 )
Группа 4: смещение фазы + 30 ° (Yd11, Dy11, Yz11)

Чтобы иметь нулевое относительное смещение фазы вторичных напряжений на боковой линии, трансформаторы, принадлежащие к той же группе, могут быть параллельными.Например, два трансформатора с соединениями Yd1 и Dy1 могут быть подключены параллельно.

Трансформаторы групп 1 и 2 могут быть параллельны только с трансформаторами их собственной группы. Однако трансформаторы групп 3 и 4 могут быть параллельны, если поменять последовательность фаз одного из них. Например, трансформатор с соединением Yd1 1 (группа 4) можно параллельно подключить к трансформатору с соединением Dy1 (группа 3) путем изменения последовательности фаз как первичных, так и вторичных клемм трансформатора Dy1.

Мы можем только параллельно Dy1 и Dy11 , пересекая две входящие фазы и две одинаковые выходные фазы на одном из трансформаторов, поэтому если у нас есть трансформатор DY11, мы можем пересекать фазы B & C на первичной и вторичной обмотках, чтобы изменить + Сдвиг фазы на 30 градусов в сдвиг на -30 градусов, который будет параллелен Dy1, при условии, что все остальные пункты выше выполнены.


6. Те же рейтинги КВА

Если два или более трансформатора соединены параллельно, то распределение нагрузки% между ними соответствует их номинальной мощности.Если все они имеют одинаковый рейтинг, они будут делиться равными нагрузками

Трансформаторы с неравными значениями кВА будут распределять нагрузку практически (но не точно) пропорционально их номиналам, при условии, что коэффициенты напряжения одинаковы, а процентные сопротивления (при их собственном значении кВА) идентичны или очень близки в этих случаях. обычно доступно более 90% суммы двух рейтингов.

Рекомендуется, чтобы трансформаторы, номинальные значения кВА которых отличаются более чем на 2: 1, не работали постоянно параллельно.

Трансформаторы, имеющие различные значения kva, могут работать параллельно, с разделением нагрузки, так что каждый трансформатор несет свою пропорциональную долю общей нагрузки. Для достижения точного распределения нагрузки необходимо, чтобы трансформаторы были намотаны с одинаковым отношением витков, и чтобы процент Сопротивление всех трансформаторов должно быть одинаковым, когда каждый процент выражен на основе ква соответствующего трансформатора. Также необходимо, чтобы отношение сопротивления к реагенту во всех трансформаторах было одинаковым.

Для удовлетворительной работы циркулирующий ток для любых комбинаций отношений и импеданса, вероятно, не должен превышать десяти процентов от номинального тока полной нагрузки меньшего блока.


7. Идентичный переключатель РПН и его работа

Единственный важный момент, который следует запомнить, это переключатели ответвлений должны находиться в одинаковом положении для всех трех трансформаторов и должны проверять и подтверждать, что вторичные напряжения одинаковы.

При необходимости изменения напряжения ответвления все три переключателя переключения должны работать одинаково для всех трансформаторов.Настройки OL на SF6 также должны быть идентичны. Если подстанция работает в режиме полной нагрузки, отключение одного трансформатора может вызвать каскадное отключение всех трех трансформаторов.

Выходное напряжение в трансформаторах можно контролировать либо с помощью переключателя ответвлений вне цепи (ручное переключение ответвлений), либо с помощью переключателя ответвлений нагрузки - OLTC (автоматическое изменение).

В трансформаторе с OLTC это замкнутая система со следующими компонентами:

1. AVR (Автоматический регулятор напряжения) - электронное программируемое устройство).С помощью этого AVR мы можем установить выходное напряжение трансформаторов. Выходное напряжение трансформатора подается на AVR через панель LT. AVR сравнивает напряжение SET и выходное напряжение и выдает сигналы ошибки, если они есть, на OLTC через панель RTCC для изменения ответвления. Этот AVR установлен в RTCC.

2. RTCC (шкаф дистанционного изменения ответвлений) - это панель, состоящая из AVR, дисплея для положения ответвления, напряжения и светодиодов для реле подъема и опускания ответвлений, селекторных переключателей для автоматического ручного выбора… В режиме AUTO MODE Напряжение контролируется AVR.В ручном режиме оператор может увеличивать / уменьшать напряжение, изменяя ответвления вручную с помощью кнопки в RTCC.

3. OLTC установлен на трансформаторе - Он состоит из двигателя, управляемого RTCC, который меняет отводы в трансформаторах.

Оба трансформатора должны иметь одинаковое отношение напряжения на всех отводах, и при параллельной работе трансформаторов он должен работать в одинаковом положении. Если у нас есть OLTC с панелью RTCC, один RTCC должен работать как ведущий, а другой - как подчиненный, чтобы поддерживать одинаковые положения ответвлений трансформатора.

Однако циркулирующий ток может протекать между двумя резервуарами, если импедансы двух трансформаторов различны или если ответвления устройства РПН (OLTC) временно не совпадают из-за механической задержки. Циркуляционный ток может стать причиной неисправности защитных реле.

Список литературы
  • Скажи, М.Г. Производительность и дизайн машин переменного тока.
  • Руководство по применению, погрузка трансформатора, Нэшвилл, Теннесси, США.
  • Торо, В.Д. Принципы электротехники.
  • Stevenson, W.D. Элементы анализа энергосистем.
  • MIT Press, Магнитные цепи и трансформаторы, Джон Вили и сыновья.
,
Практическая реализация шести наиболее распространенных принципов защиты трансформаторов

Лучшая защита трансформатора от стоимости

Эта техническая информация опирается на ранее опубликованную статью (6 аварийных сигналов от трансформатора подстанции, к которой вы ДОЛЖНЫ относиться очень серьезно), но гораздо больше посвящена реализации принципов релейной защиты. Вы знаете, что трансформатор является одним из наиболее важных звеньев в системе передачи. К сожалению, его широкий спектр характеристик и особенностей делает полную защиту сложной.

Practical implementation of the six most common transformer protection principles Практическая реализация шести наиболее распространенных принципов защиты трансформаторов

Выбор подходящей защиты для трансформаторов также зависит от стоимости, так как номинальные параметры, необходимые для систем передачи и распределения, варьируются от нескольких кВА до нескольких сотен МВА.

Предохранители

используются для трансформаторов с более низким номиналом. Более высокие рейтинги, однако, требуют лучшей защиты, которая может быть разработана.

Наиболее распространенные принципы защиты трансформаторов включают в себя следующее:

  1. Защита от перегрева
  2. Защита от сверхтоков
  3. Защита от замыканий на землю (ограниченная и резервная)
  4. Смещенная дифференциальная защита
  5. Защита от обнаружения газа и
  6. Защита от переполнения (большие трансформаторы или там, где существует риск избыточного потока).

1. Защита от перегрева

Номинальная мощность трансформатора основана на повышении температуры выше предполагаемой максимальной температуры воздуха . Температура масла около 95 ° C считается максимальным рабочим значением, после которого дальнейшее повышение температуры на 8-10 ° C будет оказывать вредное влияние на изоляцию трансформатора. Это снизит срок службы трансформатора, если он будет устойчивым.

Большие трансформаторы имеют датчики температуры масла и / или обмотки.Можно использовать как прямой (масляный), так и непрямой (обмоточный) методы измерения температуры или их комбинацию.

Обычно эти устройства устанавливаются, как показано на рисунке 1.

Typical instrument for direct measurement of temperatures Typical instrument for direct measurement of temperatures Рисунок 1 - Типичный прибор для прямого измерения температуры

ЛЕГЕНДА:

  • A - термочувствительная лампа
  • B - капиллярная трубка
  • C - трубка Бурдона
  • D - Шатун
  • E - главный шпиндель
  • F - Пластина с ртутными выключателями
  • G - ртутный выключатель в цепи сигнализации
  • H - ртутный выключатель в цепи двигателя, связанный с циркуляцией охлаждающей жидкости
  • K - ртутный выключатель в цепи контактора линий электропередачи
  • L - регулировка рабочей точки ртутного выключателя G
  • M - регулировка рабочей точки ртутного выключателя H
  • N - регулировка рабочей точки ртутного выключателя K
  • O - максимальный указатель
  • P - шкала
  • Q - Звуковое сигнальное устройство
  • R - Сигнальная лампа
  • S - Электродвигатель, связанный с циркуляцией охлаждающей жидкости (воздух / масло)
  • T - Указатель указатель
  • U - Компенсатор температуры окружающей среды

Прямой метод для прибора, измеряющего температуру масла, показан на рисунке 1 выше.Датчик температуры содержит ртутных стальных колб A . Он соединен капиллярной трубкой B с трубкой Бурдона C , которая закреплена на одном конце.

Повышение температуры вызывает расширение ртути, что приводит к повышению давления в трубке Бурдона. Это заставляет свободный конец отклоняться. Отклонение вызывает вращение пластины F .

На этой плите установлены несколько выключателей. Положение этих переключателей определяет время и последовательность их работы , то есть, насколько пластина должна вращаться, чтобы инициировать работу.Обратите внимание, что старые устройства используют ртутные выключатели, современные трансформаторы имеют микровыключатели, поскольку они не работают из-за вибраций, вызванных землетрясениями или из-за неисправностей.

Компенсация за изменения температуры воздуха обеспечивается профилированной биметаллической полосой U, установленной в соединении между трубкой Бурдона и металлической пластиной. Указатели T и O указывают фактическую температуру колбы, а также максимальную температуру, которой она подверглась.

Выключатели выполняют функции отключения и / или сигнализации .

Тот же принцип может применяться для косвенного метода, который измеряет температуру обмотки трансформатора. Детекторный элемент другого типа используется из показанной простой лампы.

Ртутная лампа окружена катушкой нагревателя, или нагреватель включен в прибор. Он питается от трансформатора тока, который отражает фактический ток в обмотке трансформатора. Если нагреватель спроектирован надлежащим образом, прибор может быть скомпонован для измерения либо средней обмотки, либо температуры "горячей точки" .Температура горячей точки используется чаще. (Обратите внимание, что горячая точка является самой горячей точкой в ​​обмотках, вызванной локальным нагревом.)

Как правило, два температурных прибора обмотки устанавливаются на более мощный силовой трансформатор. Каждый инструмент имеет до четырех контактов переключателя.

Прибор для измерения температуры обмотки предназначен для запуска охлаждающих вентиляторов и насосов и подачи аварийного сигнала (120 ° C) и отключения (130 ° C) . Прибор для измерения температуры масла также предназначен для подачи аварийного сигнала (95 ° C) и отключения (105 ° C), обычно автоматического выключателя более низкого напряжения.

В таблице 1 приведены типичные настройки для этих инструментов.

Таблица 1 - Типичные настройки температуры

Температура обмотки Температура масла
Инструмент 1 Инструмент 2
Кулеры В 90 ° C
Вне 73 ° C
Сигнализация 95 ° C
Сигнализация 120 ° C
Поездка 130 ° C - -

Примечание В случаях, когда принудительное охлаждение не используется, обычно устанавливается только датчик температуры масла.

Вернуться к таблице содержания ↑


2. Защита от перегрузки по току

Защита от избыточного тока была самой ранней развитой системой защиты. Исходя из этого базового принципа, система защиты от сверхтоков была введена для защиты от сбоев . Большинство системных помех, использующих этот метод, обнаруживаются с помощью реле IDMT, то есть реле, имеющих:

  1. Обратная характеристика (чем больше ток повреждения, тем быстрее выполняется операция) и
  2. Определенное минимальное время работы .

Степень защиты от перегрузки по току, предоставляемой трансформатору с помощью реле IDMT, ограничена. Обычно настройки этих реле должны быть высокими, то есть от 150% до 200% . Это связано с тем, что реле не должны работать в условиях аварийной перегрузки.

Таким образом, эти реле обеспечивают незначительную защиту от неисправностей внутри бака трансформатора .

Вернуться к таблице содержания ↑


3. замыкание на землю (ограничено)

Как правило, простая схема максимального тока и замыкания на землю, используемая в типичном приложении защиты линии, не обеспечивает достаточной защиты обмотки, соединенной звездой.

Степень защиты значительно повышается за счет применения дифференциальной схемы замыкания на землю блока (или ограниченной защиты от замыканий на землю) . Это показано на рисунке 2. На этой схеме показано реле высокого сопротивления.

Система защиты работает при неисправностях в зоне трансформаторов тока. Практически полное покрытие для замыканий на землю получается, особенно когда точка звезды надежно заземлена.

Restricted earth fault connection for star connected transformers with neutral solidly or resistance connected earth Restricted earth fault connection for star connected transformers with neutral solidly or resistance connected earth Рис. 2. Подключение с ограниченным замыканием на землю для трансформаторов со звездообразным подключением с нейтралью или заземлением с сопротивлением

Звездная и треугольная обмотки могут быть защищены отдельно с ограниченной защитой от замыканий на землю.Это обеспечивает высокую скорость защиты от замыканий на землю для всего трансформатора с помощью относительно простого оборудования.

Типичная защита от замыкания на землю для обмоток, соединенных треугольником, показана на рисунке 3. Эта диаграмма показывает, что схема с ограничением замыкания на землю также защищает трансформатор заземления (задание заземления, используемое для ограничения тока замыкания на землю).

Заземляющий трансформатор защищен главным дифференциальным трансформатором и устройством избыточного давления в баке (Buchholz) .

Earth fault protection delta connected windings Earth fault protection delta connected windings Рисунок 3 - Защита от замыканий на землю с обмоткой треугольника

Вернуться к таблице содержания ↑


4. Дифференциальная защита

Дифференциальная защита предназначена для покрытия всего трансформатора. Это возможно из-за высокой эффективности работы трансформатора и почти одинаковых ампер-витков, развиваемых в первичной и вторичной обмотках. (MVA «в» примерно равно MVA «в»).

Схема защиты этого типа сравнивает текущие величины, поступающие в сеть, с величинами, вытекающими из сети .Разница между этими значениями называется током «разлива», доступным для работы защитного реле.

Основными причинами тока разлива являются следующие:


Коэффициент Трансформатора

Номинальные токи на первичной и вторичной сторонах отличаются обратным отношением к напряжениям . Эта разница преодолевается главным образом путем соответствующего выбора коэффициентов трансформатора тока.


Устройство для смены метчиков

Если трансформатор имеет диапазон ответвлений, то в дифференциальной схеме должно учитываться изменение напряжения.Это связано с тем, что трансформаторы тока и соединения выбраны для балансировки при номинальном коэффициенте отвода трансформатора . Любое изменение отношения от номинального положения ответвления приведет к дисбалансу, пропорциональному изменениям отношения напряжения.

При определенных условиях (особенно в условиях сбоя вне зоны), этот ток дисбаланса может быть достаточным для работы реле, когда операция
не требуется.

Чтобы компенсировать эти эффекты разлива, выбранное защитное реле обычно включает пропорциональную величину смещения.


Пусковой ток намагничивания

Когда трансформатор изначально находится под напряжением, требуется ток намагничивания. Ток появляется только на первичной стороне трансформатора , поэтому весь ток намагничивания проявляется как дисбаланс в дифференциальной защите.

Поскольку это явление является только кратковременным, стабильность защиты может поддерживаться путем использования ограничителя второй гармоники , который наиболее широко используется для предотвращения действия пускового тока намагничивания.Это происходит потому, что форма волны, создаваемая пусковыми токами, имеет значительное количество вторых гармоник.

Типичная осциллограмма пусковых токов трансформатора из-за намагничивания сердечника трансформатора показана на рисунке 4.

Transformer magnetizing inrush current typical oscillogram Transformer magnetizing inrush current typical oscillogram Рисунок 4 - Типичная осциллограмма пускового тока намагничивания трансформатора

Начальное пиковое значение пускового тока в любой фазе зависит от момента переключения и остаточного магнитного состояния сердечника. Максимальные пиковые значения в 8 раз превышают номинальный ток трансформатора.

Основная несмещенная схема, применяемая к дельта / звездному трансформатору , показана на рисунке 5 ниже.

Баланс получается при использовании трансформаторов тока со звездообразным соединением на стороне треугольника и треугольников с трансформатором тока со звездообразной стороны с правильным соотношением.

Differential protection basic unbiased scheme applied to delta/star transformer Differential protection basic unbiased scheme applied to delta/star transformer Рисунок 5 - Основная несмещенная схема дифференциальной защиты, применяемая к трансформатору треугольник / звезда

Защита силовых трансформаторов с переменным отношением (из-за оборудования для замены отводов нагрузки) должна включать функцию смещения, если необходимо получить низкую настройку отказа и высокую рабочую скорость.

Высокоскоростное дифференциальное реле со смещением, включающее гармоническое ограничение, будет предотвращать срабатывание реле при любом отклонении в соотношении, которое связано с переключением ответвлений и влиянием пускового тока намагничивания .

Основная схема смещения, примененная к трансформатору треугольник / звезда, показана на рисунке 6.

Differential protection basic biased scheme applied to delta/star transformer Differential protection basic biased scheme applied to delta/star transformer Рисунок 6 - Принципиальная схема дифференциальной защиты, применяемая к трансформатору треугольник / звезда

Вернуться к таблице содержания ↑


5.Обнаружение газа

Неисправности внутри масляной электростанции (например, трансформаторов) приводят к образованию газа. Если неисправность серьезная, происходит движение масла.

Генерация газа используется в качестве средства обнаружения неисправности в реле газа / масла . Это включает в себя одну или две навесные лопасти, ковши или аналогичные плавучие массы, вставленные в трубопровод между маслоохладителем и баком трансформатора.

Рисунок 7 показывает его общее применение.

Поплавки удерживаются в равновесии с нефтью. Поднимающиеся пузырьки (образующиеся в результате медленной генерации газа из-за незначительной неисправности) проходят вверх к консерватору. Когда они попадают в камеру реле, происходит падение уровня масла внутри камеры. Это приводит к перемещению поплавка, замыкает пару контактов в ртутном или герконовом переключателе, который инициирует аварийный сигнал .

Тяжелый сбой приведет к быстрой генерации газа. Это вызывает сильное вытеснение масла, которое перемещает систему защиты от перенапряжений реле.Это приводит к замыканию другой пары контактов (импульсных контактов), которые используются для отключения автоматических выключателей трансформатора.

Typical location gas detection relay (Buchholz relay) Typical location gas detection relay (Buchholz relay) Рисунок 7 - Типовое реле обнаружения газа (реле Бухгольца)

Реле Бухгольца, работающее на газе / масле, показано на рис. 8. Это реле обеспечивает наилучшую возможную защиту от таких условий, как неисправности в зарождающейся (низкоуровневой) обмотке, неисправности сердечника и ситуации короткого замыкания.

Элемент сигнализации будет работать при потере масла, как и элемент отключения, если потеря масла продолжится.Этот аварийный сигнал и отключение иногда работают в холодных условиях, если уровень масла в консерваторе не поддерживается.

Анализ пробы газа, собираемой в камере Бухгольца, часто может помочь в диагностике типа неисправности. Скорость образования газа указывает на серьезность неисправности.

Селекторные переключатели ответвлений, установленные отдельно от основного масляного бака, могут быть снабжены отдельным реле, приводимым в действие маслом / газом. Альтернативно, трубопровод может быть устроен таким образом, что одно реле используется для обоих резервуаров.

Одной из самых больших проблем, связанных с более ранней защитой от газа / масла с использованием ртутных выключателей, является вибрация (например, землетрясения и т. Д.). Это может привести к неправильной работе, однако проблема была преодолена с помощью герконовых реле вместо ртутный выключатель старого типа.

Трансформаторы

оснащены устройствами для сброса давления для предотвращения разрыва бака в случае серьезной внутренней неисправности. Старый тип состоял из тонкой диафрагмы в верхней части рельефного отверстия.Новый тип представляет собой подпружиненную самовосстанавливающуюся диафрагму, которая также активирует микропереключатель для отключения трансформатора.

Gas detection relay and gas receiver (Buchholz relay) Gas detection relay and gas receiver (Buchholz relay) Рисунок 8 - Реле обнаружения газа и приемник газа (реле Бухгольца)

Вернуться к таблице содержания ↑


6. Переполнение

Переполнение трансформатора вызвано перенапряжением и / или снижением частоты системы . Перенапряжение вызывает увеличение создаваемого потока и нагрузку на изоляцию. Увеличение плотности потока вызывает увеличение потерь в железе и увеличение тока намагничивания.

Поток отводится от многослойного сердечника трансформатора в стальную конструкцию. Это приводит, в частности, к болтам с сердечником, несущим больше флюса
, чем их расчетные пределы. В этих условиях болты сердечника могут быстро нагреваться до температуры, которая разрушает окружающую их изоляцию.

Это может повредить изоляцию сердечника .

Снижение частоты имеет тот же эффект, что и увеличение потока в сердечнике, следовательно, из этого следует, что трансформатор может работать с некоторым перенапряжением, если оно сопровождается увеличением частоты.Однако работа не должна продолжаться в течение длительных периодов в условиях высокого напряжения и низкой частоты.

Отношение напряжение / частота (V / f) должно быть меньше или равно 1-1 , где самое высокое расчетное рабочее напряжение трансформатора и номинальная частота системы принимаются соответственно как единое целое.

Защита от переполнения используется в основном на генераторах / трансформаторах. Переполнение может произойти, когда генераторы запускаются для синхронизации с системой.

Вернуться к таблице содержания ↑

Источник: Руководство оператора коммутации - Коммутация коробки передач Horizon Power

,
Принципы дифференциальной защиты трансформатора

Неисправности между обмотками

Как и в случае шинной защиты, трансформаторы защищены дифференциальными реле. Сбои между обмотками (короткие замыкания) и замыкания на землю в силовых трансформаторах могут быть обнаружены с помощью этой схемы защиты.

Transformer Differential Protection Principles Принципы дифференциальной защиты трансформаторов Transformer Differential Protection Principles (на фото трансформаторная подстанция Penelec Collinsville 4 от PA Powerliner @ Flickr)

Невозможность обнаружить эти неисправности и быстро изолировать трансформатор может вызвать серьезное повреждение устройства .

Помните, что дифференциальное реле - это реле мгновенного максимального тока, которое работает на разность тока, протекающего в защищенную зону и из нее.

Для трансформаторов дифференциальная защита ( Рис. 1 ) в основном такая же, как и для шины, но есть некоторые различия, на которые мы более подробно рассмотрим.

Эти различия являются прямым результатом трех характеристик или трансформатора:

1. Трансформатор имеет коэффициент витков, поэтому ток на самом деле не равен току на выходе. Трансформаторы тока, скорее всего, не совсем точно соответствуют коэффициенту оборотов трансформатора, поэтому в рабочей катушке дифференциального реле трансформатора всегда будет дисбаланс тока.

2. Трансформаторы требуют тока намагничивания. В первичной обмотке трансформатора будет небольшой ток, даже если вторичная обмотка разомкнута.

3. Трансформатор имеет пусковой ток.После подачи напряжения на трансформатор существует период времени, пока магнитное поле в сердечнике не станет симметричным. Размер и длина этого броска зависит от остаточного поля в сердечнике и от точки в цикле переменного тока, на которую трансформатор снова подается.

В больших трансформаторах вход может быть в десять или двадцать раз больше тока полной нагрузки, и может потребоваться несколько минут, чтобы уменьшить его до незначительных значений.


Transformer Differential Protection Transformer Differential Protection Рисунок 1 - Дифференциальная защита трансформатора

Трансформаторные дифференциальные реле имеют удерживающие катушки, как указано в Рисунок 1 .Значение рабочего тока должно быть на определенный установленный процент выше, чем ток, протекающий в ограничительных катушках. По этой причине трансформаторные дифференциальные реле называются дифференциально-дифференциальными реле.

Обращаясь снова к , рисунок 1 , вы заметите, что при первом включении трансформатора ток CT2 не протекает. Вторичный ток CT1 I1s протекает через удерживающую и управляющую катушки и предотвращает работу, если ток не очень высокий.

Ограничительные катушки также предотвращают работу реле из-за переключений ответвлений, когда отношение входного тока трансформатора к выходному току может непрерывно изменяться.

Еще один элемент, включенный в дифференциальные реле трансформатора, но не показанный на схеме, - это ограничение второй гармоники.

При первом включении трансформаторов происходит чрезмерное течение (насыщение) сердечника, и большой пусковой ток возбуждения имеет искаженную форму волны. Этот сигнал описывается как имеющий высокое содержание второй гармоники.

Дифференциальные реле трансформатора используют этот известный факт и добавляют дополнительную сдержанность при обнаружении этой второй гармоники . Эта дополнительная функция предотвращает отключение трансформатора из-за тока намагничивания при подаче питания, но не добавляет никакой временной задержки.

Поскольку дифференциальное реле не будет работать с током нагрузки или неисправностями за пределами защищенных зон (из-за неисправностей), его можно настроить на работу при низком значении тока, что обеспечивает быструю работу при возникновении неисправности.Нет необходимости задерживать время срабатывания реле, поэтому можно использовать реле быстрого действия.

Ресурс: Основы науки и реакторов - электротехника - Техническая учебная группа CNSC

,

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о