Трансформаторы электротехника – Презентация на тему: “ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА Трансформаторы. Назначение и области применения трансформаторов Трансформатором (от лат. transformo

Содержание

Электрический трансформатор. Основное оборудование электрических станций и подстанций.

Основное оборудование электрических станций и подстанций

Трансформатор

Трансформатор - это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты.

Трансформатор осуществляет преобразование переменного напряжения и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения - электроэнергетике, электронике и радиотехнике.

Конструктивно трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток (катушек), охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкого материала.

Базовые принципы действия трансформатора

Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:

  • Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм)
  • Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)

На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток намагничивания создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку.

В некоторых трансформаторах, работающих на высоких или сверхвысоких частотах, магнитопровод может отсутствовать.

Форма напряжения во вторичной обмотке связана с формой напряжения в первичной обмотке довольно сложным образом. Благодаря этой сложности удалось создать целый ряд специальных трансформаторов, которые могут выполнять роль усилителей тока, умножителей частоты, генераторов сигналов и т.д.

Исключение - силовой трансформатор. В случае классического трансформатора переменного тока, предложенного П.Яблочковым, он преобразует синусоиду входного напряжения в такое же синусоидальное напряжение на выходе вторичной обмотки.

В случае силового трансформатора, работающего в схеме Преобразователя Мотовилова, он преобразует постоянный силовой ток первичной обмотки в постоянный силовой ток вторичной обмотки при прямоугольном переменном напряжении на обеих обмотках. Последнее выпрямляется в постоянное напряжение так, что на входе и выходе схемы Мотовилова действуют постоянные токи при постоянном напряжении.

Основные части конструкции трансформатора

Основными частями конструкции трансформатора являются:

  • магнитопровод
  • обмотки
  • каркас для обмоток
  • изоляция
  • система охлаждения
  • прочие элементы (для монтажа, доступа к выводам обмоток, защиты трансформатора и т.п.)

В практичной конструкции трансформатора производитель выбирает между тремя различными базовыми концепциями:

  • Стержневой
  • Броневой
  • Тороидальный

Любая из этих концепций не влияет на эксплуатационные характеристики или эксплуатационную надежность трансформатора, но имеются существенные различия в процессе их изготовления. Каждый производитель выбирает концепцию, которую он считает наиболее удобной с точки зрения изготовления, и стремится к применению этой концепции на всём объёме производства.

В то время как обмотки стержневого типа заключают в себе сердечник, сердечник броневого типа заключает в себе обмотки. Если смотреть на активный компонент (т.e. сердечник с обмотками) стержневого типа, обмотки хорошо видны, но они скрывают за собой стержни магнитной системы сердечника. Видно только верхнее и нижнее ярмо сердечника. В конструкции броневого типа сердечник скрывает в себе основную часть обмоток.

Ещё одно отличие состоит в том, что ось обмоток стержневого типа, как правило, имеет вертикальное положение, в то время как в броневой конструкции она может быть горизонтальной или вертикальной.

Режимы работы трансформатора

Режим холостого хода

Данный режим характеризуется разомкнутой вторичной цепью трансформатора, вследствие чего ток в ней не течёт. По первичной обмотке протекает ток холостого хода, главной составляющей которого является реактивный ток намагничивания. С помощью опыта холостого хода можно определить КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике (т.н. «потери в стали»).

Режим нагрузки

Этот режим характеризуется работой трансформатора с подключенными источником в первичной и нагрузкой во вторичной цепи трансформатора. В вторичной обмотке протекает ток нагрузки, а в первичной - ток, который можно представить как сумму тока нагрузки (пересчитанного из соотношения числа витков обмоток и вторичного тока) и ток холостого хода. Данный режим является основным рабочим для трансформатора.

Режим короткого замыкания

Этот режим получается в результате замыкания вторичной цепи накоротко. Это разновидность режима нагрузки, при котором сопротивление вторичной обмотки является единственной нагрузкой. С помощью опыта короткого замыкания можно определить потери на нагрев обмоток в цепи трансформатора («потери в меди»). Это явление учитывается в схеме замещения реального трансформатора при помощи активного сопротивления.

Режим холостого хода

При равенстве вторичного тока нулю (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток, протекающий через первичную обмотку, равен переменному току намагничивания, нагрузочные токи отсутствуют. Для трансформатора с сердечником из магнитомягкого материала (ферромагнитного материала, трансформаторной стали) ток холостого хода характеризует величину потерь в сердечнике (на вихревые токи и на гистерезис) и реактивную мощность перемагничивания магнитопровода. Мощность потерь можно вычислить, умножив активную составляющую тока холостого хода на напряжение, подаваемое на трансформатор.

Для трансформатора без ферромагнитного сердечника потери на перемагничивание отсутствуют, а ток холостого хода определяется сопротивлением индуктивности первичной обмотки, которое пропорционально частоте переменного тока и величине индуктивности.

Напряжение на вторичной обмотке в первом приближении определяется законом Фарадея.

Режим короткого замыкания

В режиме короткого замыкания, на первичную обмотку трансформатора подаётся переменное напряжение небольшой величины, выводы вторичной обмотки соединяют накоротко. Величину напряжения на входе устанавливают такую, чтобы ток короткого замыкания равнялся номинальному (расчётному) току трансформатора. В таких условиях величина напряжения короткого замыкания характеризует потери в обмотках трансформатора, потери на омическом сопротивлении. Мощность потерь можно вычислить, умножив напряжение короткого замыкания на ток короткого замыкания.

Данный режим широко используется в измерительных трансформаторах тока.

Режим нагрузки

При подключении нагрузки к вторичной обмотке во вторичной цепи возникает ток нагрузки, создающий магнитный поток в магнитопроводе, направленный противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате в первичной цепи нарушается равенство ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения.

Мгновенный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора определяется интегралом по времени от мгновенного значения ЭДС в первичной обмотке и в случае синусоидального напряжения сдвинут по фазе на 90° по отношению к ЭДС. Наведённая во вторичных обмотках ЭДС пропорциональна первой производной от магнитного потока и для любой формы тока совпадает по фазе и форме с ЭДС в первичной обмотке.

Виды трансформаторов

Силовой трансформатор

Силовой трансформатор переменного тока - трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии. Слово «силовой» отражает работу данного вида трансформаторов с большими мощностями. Необходимость применения силовых трансформаторов обусловлена различной величиной рабочих напряжений ЛЭП (35-750 кВ), городских электросетей (как правило 6,10 кВ), напряжения, подаваемого конечным потребителям (0,4 кВ, они же 380/220 В) и напряжения, требуемого для работы электромашин и электроприборов (самые различные от единиц вольт до сотен киловольт).

Силовой трансформатор постоянного тока используется для непосредственного преобразования напряжения в цепях постоянного тока. Термин «силовой» показывает отличие таких трансформаторов от измерительных устройств класса «Трансформатор постоянного тока».

Автотрансформатор

Автотрансформатор - вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения. Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию - это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно.

Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью. Применение автотрансформаторов экономически оправдано вместо обычных трансформаторов для соединения эффективно заземленных сетей с напряжением 110 кВ и выше при коэффициентах трансформации не более 3-4. Существенным достоинством является меньший расход стали для сердечника, меди для обмоток, меньший вес и габариты, и в итоге - меньшая стоимость.

Трансформатор тока

Трансформатор тока - трансформатор, питающийся от источника тока. Типичное применение - для снижения первичного тока до величины, используемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации, кроме того, трансформатор тока осуществляет гальваническую развязку (отличие от шунтовых схем измерения тока). Номинальное значение тока вторичной обмотки 1А, 5А. Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, равен току первичной обмотки, деленному на коэффициент трансформации. ВНИМАНИЕ! Вторичная обмотка токового трансформатора должна быть надёжно замкнута на низкоомную нагрузку измерительного прибора или накоротко. При случайном или умышленном разрыве цепи возникает скачок напряжения, опасный для изоляции, окружающих электроприборов и жизни техперсонала! Поэтому по правилам технической эксплуатации необходимо неиспользуемые вторичные обмотки закорачивать, а все вторичные обмотки трансформаторов тока подлежат заземлению.

Трансформатор напряжения

Трансформатор напряжения - трансформатор, питающийся от источника напряжения. Типичное применение - преобразование высокого напряжения в низкое в цепях, в измерительных цепях и цепях РЗиА. Применение трансформатора напряжения позволяет изолировать логические цепи защиты и цепи измерения от цепи высокого напряжения.

Импульсный трансформатор

Импульсный трансформатор - это трансформатор, предназначенный для преобразования импульсных сигналов с длительностью импульса до десятков микросекунд с минимальным искажением формы импульса. Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса (максимально крутой фронт и срез, относительно постоянная амплитуда). Он служит для трансформации кратковременных видеоимпульсов напряжения, обычно периодически повторяющихся с высокой скважностью. В большинстве случаев основное требование, предъявляемое к ИТ заключается в неискажённой передаче формы трансформируемых импульсов напряжения; при воздействии на вход ИТ напряжения той или иной формы на выходе желательно получить импульс напряжения той же самой формы, но, быть может, иной амплитуды или другой полярности.

Разделительный трансформатор

Разделительный трансформатор - трансформатор, первичная обмотка которого электрически не связана со вторичными обмотками. Силовые разделительные трансформаторы предназначены для повышения безопасности электросетей, при случайных одновременных прикасаниях к земле и токоведущим частям или нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения изоляции. Сигнальные разделительные трансформаторы обеспечивают гальваническую развязку электрических цепей.

Согласующий трансформатор

Согласующий трансформатор - трансформатор, применяемый для согласования сопротивления различных частей (каскадов) электронных схем при минимальном искажении формы сигнала. Одновременно согласующий трансформатор обеспечивает создание гальванической развязки между участками схем.

Пик-трансформатор

Пик-трансформатор - трансформатор, преобразующий напряжение синусоидальной формы в импульсное напряжение с изменяющейся через каждые полпериода полярностью.

Сдвоенный дроссель

Сдвоенный дроссель (встречный индуктивный фильтр) - конструктивно является трансформатором с двумя одинаковыми обмотками. Благодаря взаимной индукции катушек он при тех же размерах более эффективен, чем обычный дроссель. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике.

Трансфлюксор

Трансфлюксор - разновидность трансформатора, используемая для хранения информации. Основное отличие от обычного трансформатора - это большая величина остаточной намагниченности магнитопровода. Иными словами трансфлюксоры могут выполнять роль элементов памяти. Помимо этого трансфлюксоры часто снабжались дополнительными обмотками, обеспечивающими начальное намагничивание и задающими режимы их работы. Эта особенность позволяла (в сочетании с другими элементами) строить на трансфлюксорах схемы управляемых генераторов, элементов сравнения и искусственных нейронов.

История создания трансформаторов

Для создания трансформаторов необходимо было изучение свойств материалов: неметаллических, металлических и магнитных, создания их теории.

Столетов Александр Григорьевич (профессор Московского университета) сделал первые шаги в этом направлении - обнаружил петлю гистерезиса и доменную структуру ферромагнетика (1880-е).

Братья Гопкинсоны разработали теорию электромагнитных цепей.

В 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции, лежащее в основе действия электрического трансформатора, при проведении им основополагающих исследований в области электричества.

Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своём приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного тока.

В 1848 году французский механик Г.Румкорф изобрёл индукционную катушку особой конструкции. Она явилась прообразом трансформатора.

30 ноября 1876 года, дата получения патента Яблочковым Павлом Николаевичем, считается датой рождения первого трансформатора переменного тока. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки.

Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон. В 1885г. венгерские инженеры фирмы «Ганц и К°» Отто Блати, Карой Циперновский и Микша Дери изобрели трансформатор с замкнутым магнитопроводом, который сыграл важную роль в дальнейшем развитии конструкций трансформаторов.

Большую роль для повышения надежности трансформаторов сыграло введение масляного охлаждения (конец 1880-х годов, Д.Свинберн). Свинберн помещал трансформаторы в керамические сосуды, наполненные маслом, что значительно повышало надежность изоляции обмоток.

С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току. Русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский в 1889г. предложил трёхфазную систему переменного тока с тремя проводами (трехфазная система переменного тока с шестью проводами изобретена Николой Тесла), построил первый трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутой обмоткой типа «беличья клетка» и трехфазной обмоткой на роторе (трехфазный асинхронный двигатель изобретен Николой Тесла), первый трёхфазный трансформатор с тремя стержнями магнитопровода, расположенными в одной плоскости. На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891г. Доливо-Добровольский демонстрировал опытную высоковольтную электропередачу трёхфазного тока протяжённостью 175 км. Трёхфазный генератор имел мощность 230 кВт при напряжении 95 В.

1928 год можно считать началом производства силовых трансформаторов в СССР, когда начал работать Московский трансформаторный завод (впоследствии - Московский электрозавод).

В начале 1900-х годов английский исследователь-металлург Роберт Хедфилд провёл серию экспериментов для установления влияния добавок на свойства железа. Лишь через несколько лет ему удалось поставить заказчикам первую тонну трансформаторной стали с добавками кремния.

Следующий крупный скачок в технологии производства сердечников был сделан в начале 30-х годов XX в, когда американский металлург Норман П. Гросс установил, что при комбинированном воздействии прокатки и нагревания у кремнистой стали появляются незаурядные магнитные свойства в направлении прокатки: магнитное насыщение увеличивалось на 50%, потери на гистерезис сокращались в 4 раза, а магнитная проницаемость возрастала в 5 раз.



www.gigavat.com

Электротехника и электроника Трансформаторы



Электротехника и электроника

  • Трансформаторы


Трансформаторы

  • Принцип действия трансформатора и его уравнения



Определение трансформатора

  • Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно-связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.



Схема двухобмоточного трансформатора без магнитопровода



Уравнения трансформатора



Уравнения трансформатора в комплексной форме



Режимы работы трансформатора

  • Режим холостого хода:

  • ZH = , U2 =0.

  • Режим короткого замыкания:

  • ZH = О, U2 = 0.

  • Режим нагрузки.



Режим холостого хода

  • Вторичная обмотка не оказывает влияния на физические процессы в первичной обмотке, при этом первичная обмотка эквивалентна цепи, состоящей из последовательно включенных R1 и L1.



Уравнения трансформатора в режиме холостого хода



Режим короткого замыкания

  • Так как ток I2к во вторичной обмотке велик, то даже при малом входном напряжении U1k ток в первичной обмотке I1k достигает больших значений.

  • Это может привести к перегреву или даже перегоранию одной из обмоток трансформатора.



Уравнения трансформатора в режиме короткого замыкания



Режим нагрузки

  • Ток вторичной обмотки I2 оказывает существенное влияние на ток в первичной обмотке I1. Это обусловлено встречным включением обмоток, при котором общий магнитный поток в первичной обмотке равен разности магнитных потоков, создаваемых в ней токами первичной и вторичной обмоток: магнитный поток от тока I2 уменьшает общий магнитный поток через первичную обмотку, а стало быть, уменьшает суммарную, индуцируемую в ней ЭДС, что приводит к увеличению тока I1 в ней до такой его величины, при которой ее суммарная ЭДС совместно с падением напряжения на активном сопротивлении и, уравновесят приложенное к первичной обмотке напряжение U1 .



Уравнения для идеального трансформатора



Виды трансформаторов

  • Автортрансформаторы

  • Однофазные трансформаторы

  • Трехфазные трансформаторы

  • Измерительные трансформаторы



Автотрансформаторы

  • Автотрансформатор — специальный тип трансформатора с одной обмоткой, часть которой принадлежит первичной и вторичной цепям.

  • Автотрансформаторы могут быть повышающие и понижающие, однофазные, трехфазные, регулируемые и нерегулируемые.



Повышающий и понижающий автотрансформаторы



Особенности автотрансформаторов

  • Ток в общей части обмотки автотрансформатора меньше, чем в остальной ее части, поскольку по общей части обмотки протекают почти встречные токи первичной и вторичной цепей.

  • Мощность первичной цепи передается во вторичную цепь как электромагнитным (трансформаторным), так и электрическим способами.



Достоинства автотрансформаторов:

  • экономичность — обмоточные материалы расходуются только на одну обмотку;

  • меньшие потери в меди и больший КПД - токи в общей части направлены встречно;

  • возможность плавной регулировки напряжения U2 вторичной цепи при непрерывном скольжении контакта по зачищенной поверхности витков.



Трехфазные трансформаторы



Измерительные трансформаторы

  • Измерительные трансформаторы напряжения и тока.

  • Используются для подключения измерительных приборов в цепи высокого напряжения и больших токов.

  • Выполняются как обычные двухобмоточные трансформаторы.



Измерительные трансформаторы напряжения



Измерительные трансформаторы тока



Конструкция трансформаторов

  • Конструктивное исполнение трансформатора зависит от его назначения и области применения.

  • Однако почти все трансформаторы имеют одни и те же главные конструктивные элементы — магнитную систему и обмотки.

  • Наиболее широко применяются силовые трансформаторы, которые служат для передачи электрической энергии и распределения ее между потребителями.



Плотность тока в обмотках

  • Плотность тока в обмотках выбирают по условиям нагрева в пределах (1-2,5)·106А/м2 в сухих и (2-4,5)·106 А/м2 в масляных в зависимости от мощности и конструктивного выполнения трансформатора.

  • По условиям технологии максимальное сечение круглого проводника выбирается примерно до 20 мм2, а прямоугольного — 80 мм2.

  • Предельный ток одного проводника — соответственно 45 и 360 А.



Элементы обмотки

  • Основным элементом обмотки является виток, который выполняется одним или группой параллельных проводов.

  • Ряд витков на цилиндрической поверхности называется слоем.

  • Витки могут группироваться в катушки.

  • По направлению намотки обмотки делятся на правые и левые подобно резьбе винта.

  • Большинство обмоток трансформаторов выполняются с левой намоткой для удобства изготовления.



Разновидности обмоток

  • Определяющими для конструкции обмотки являются число витков, сечение витка и класс напряжения.

  • По способу размещения обмоток на стержне различают обмотки концентрические и дисковые или чередующиеся.

  • По конструктивно-технологическим признакам обмотки делятся на следующие основные типы: цилиндрические, винтовые и непрерывные.



Разновидности обмоток

  • Обмотки каждого из этих типов могут подразделяться на одно- или многослойные цилиндрические, одно- или многоходовые винтовые, дисковые, переплетенные.

  • В мощных трансформаторах, предназначенных для питания электропечей, применяют обмотки из листовой меди или алюминия, а также кованые катушки выполненные из шинной меди или алюминия.



Типы обмоток трансформаторов

  • а — концентрические;

  • б — дисковые или чередующиеся;

  • НН — обмотки низкого напряжения;

  • ВН — обмотки высокого напряжения



Цилиндрическая двухслойная обмотка



Цилиндрические слоевые обмотки

  • Цилиндрические слоевые обмотки выполняются из проводов прямоугольного или круглого сечения. Слои обмотки составляют витки, наматываемые по винтовой линии. При намотке каждый виток слоя укладывают вплотную к предыдущему витку в направлении высоты обмотки.

  • Переход из слоя в слой осуществляется в процессе намотки без пайки. Витки состоят из одного или нескольких параллельных проводов, располагаемых обычно рядом в осевом направлении.



Катушечная многослойная цилиндрическая обмотка



Катушечная многослойная цилиндрическая обмотка

  • Катушечная многослойная цилиндрическая обмотка состоит из ряда последовательно соединенных многослойных катушек.

  • Такое разделение необходимо для уменьшения напряжения между слоями.

  • Обычно катушечные обмотки выполняют в виде последовательно соединенных парных (двойных) катушек.



Дисковая катушка чередующейся обмотки из круглого провода



Дисковые катушечные обмотки

  • Дисковые катушечные обмотки состоят из ряда одинарных или двойных катушек.

  • Число витков в одной катушке достигает 20—25, число параллельных проводников в витке - до 8. Витки катушки намотаны один на другой по спирали в радиальном направлении. Намотанные катушки собирают на шаблоне и соединяют пайкой. Осевые и радиальные каналы образуются П-образными замковыми прокладками.

  • Такие обмотки широко применяются в высоковольтных трансформаторах в качестве входных катушек.



Винтовые обмотки

  • Винтовая обмотка состоит из ряда витков, наматываемых по винтовой линии.

  • В трансформаторах большой мощности число параллельных проводников может достигать многих десятков.

  • Винтовые обмотки бывают одно-, двух- и многоходовыми.

  • Двухходовые и многоходовые обмотки состоят соответственно из двух или более отдельных винтовых обмоток, вмотанных одна в другую. Каналы для охлаждения образуются так же, как и в непрерывной обмотке.



Винтовые обмотки

  • а — одноходовая; б — двухходовая



Непрерывные обмотки

  • Непрерывная обмотка состоит из ряда катушек, расположенных в осевом направлении и соединенных между собой последовательно без пайки.

  • Число катушек в обмотке - от 30 до 150. Витки в катушке наматываются плашмя по спирали в радиальном направлении.

  • Катушки наматываются на рейках, образующих вертикальные каналы.

  • На рейки надеваются прокладки, создающие радиальные каналы между катушками.



Непрерывные обмотки

  • Каждый виток обмотки может состоять из одного или нескольких параллельных проводов.

  • Путем перестановки (транспозиции) параллельных проводов на переходах из катушки в катушку обеспечивается выравнивание их активного и индуктивного сопротивлений.



Конструкции магнитных систем

  • Конструкции магнитных систем трансформаторов можно разделить на два основных типа: стержневые и броневые.

  • Для силовых трансформаторов применяют преимущественно магнитные системы стержневого типа.



Однофазные стержневые трансформаторы

  • Однофазные стержневые трансформаторы имеют два стержня 2, несущие обмотки 3, 4.



Трехфазные стержневые трансформаторы

  • Трехфазные стержневые трансформаторы имеют три стержня.

  • Стержни соединяются верхним и нижним ярмами.



Однофазный броневой трансформатор

  • Однофазный броневой трансформатор имеет один стержень 2 и два ярма 1, закрывающие (бронирующие) обмотки.



Трехфазный броневой трансформатор

  • Трехфазный броневой трансформатор получается из трех однофазных, если их поставить друг на друга. При такой конструкции потоки в ярмах равны половине потока в стержнях.

  • 1, 2, 3 — обмотки НН фаз А, В, С;

  • 1’, 2', 3'— обмотки ВН фаз А, В, С.



Конструкция силовых трансформаторов

  • В силовых трансформаторах мощностью свыше 100 МВ·А и напряжениями 220 кВ и выше применяют бронестержневую или многостержневую конструкцию. Эта конструкция получается из стержневой, если добавить два стержня,закрывающих обмотки двух фаз, расположенных на крайних стержнях трехфазного стержневого трансформатора. По сравнению со стержневыми бронестержневые трансформаторы имеют меньшую высоту магнитопроводов, что очень важно при транспортировке, так как позволяет им лучше вписаться в железнодорожные габариты.



Типы магнитных систем

  • По взаимному расположению стержней и ярм магнитные системы могут иметь плоское и пространственное выполнение.

  • По способу соединения стержней с ярмами магнитные системы делятся на стыковые, шихтованные и навитые.



Стыковые конструкции

  • Стержни и ярма собираются отдельно и крепятся друг с другом стяжными шпильками.

  • В месте стыков ставятся изоляционные прокладки, которые устраняют замыкание листов стали стержней и ярм.

  • Немагнитные зазоры при стыковой конструкции увеличивают магнитное сопротивление, что приводит к увеличению тока холостого хода.

  • Поэтому стыковые соединения применяются редко, хотя стыковые конструкции менее трудоемки.



Магнитопроводы стыковых конструкций

  • а - однофазный, б – трехфазный



Схемы укладки листов стали в шихтованных магнитопроводах



Материал магнитной системы

  • В качестве материала магнитной системы используется главным образом холоднокатаная текстурованная электротехническая сталь марок 3413, 3404, 3405, 3406, которая поставляется на заводы в рулонах. Толщина стали 0,3; 0,35; 0,5 мм.

  • Сталь толщиной 0,3 и 0,35 мм имеет электроизоляционное нагревостойкое покрытие, а сталь толщиной 0,5 мм не имеет электроизоляционного покрытия.

  • Применение этой стали позволило повысить магнитную индукцию в магнитопроводах силовых трансформаторов до 1,7—1,8 Тл при одновременном уменьшении массы, потерь и тока холостого хода.



Шихтованные конструкции

  • В шихтованных конструкциях стержни и ярма не являются отдельными элементами, а их пластины переплетаются (шихтуются) в смежных слоях. Магнитная система собирается из отдельных слоев, каждый из которых состоит из одной или нескольких пластин, уложенных в слое встык.

  • По форме стыка шихтованные магнитные системы могут выполняться с прямым и косым стыками, что необходимо для уменьшения длины участков магнитной цепи, на которых направление магнитного потока не совпадает с направлением прокатки электротехнической стали.



Трехфазный бронестержневой трансформатор

  • 1 — ярма; 2— стержни; 3, 4, 5 — обмотки фаз высшего и низших напряжений А, В, С



Остов трансформатора

  • Стержни 1 и ярмо 2 вместе с прессующими деталями (3— балка, 4 — шпилька) образуют остов трансформатора.



Магнитные системы микротрансформаторов



Общий вид трансформатора мощностью 100 кВ-А и напряжением 6 кВ

  • 1 – расширитель;

  • 2 – газовое реле;

  • 3 – выхлопная труба



Схемы и группы соединений

  • В однофазных трансформаторах начала обмоток обозначаются А, а, а концы X, х. Большие буквы относятся к обмоткам высшего напряжения, а малые — к обмоткам низшего напряжения.

  • В трехфазных трансформаторах начала обмоток высшего напряжения обозначаются А, В, С, а концы X, У,Z. Начала обмоток низшего напряжения — а, в, с, а концы — х, у,z. Нулевые точки — О и о. Если есть третья обмотка среднего напряжения, используются обозначения Аm, Bm, Сm и Хт, Уm,Zт.



Группы соединений однофазных трансформаторов

  • Дня однофазных трансформаторов возможны две группы соединений: нулевая и шестая.

  • Для нулевой (или двенадцатой) сдвиг между напряжениями равен 0° - минутная и часовая стрелки совпадают.

  • Для шестой группы сдвиг между напряжениями 180°, стрелки показывают 6 ч.

  • Эти группы обозначаются соответственно I/I-0 и I/I-6.

  • Стандартизована и применяется группа 0.



Группы соединений однофазных трансформаторов



Схемы и группы соединений

  • При включении трансформаторов на параллельную работу удобно соединять начала обмоток одного трансформатора с началом обмоток другого и стандартизовать обозначения.



Схемы и группы соединений

  • Принято сдвиг фаз между линейными напряжениями обмоток характеризовать положением стрелок на циферблате часов. Электродвижущую силу обмотки высшего напряжения совмещают с минутной стрелкой и устанавливают на цифре 12. Часовая (малая) стрелка совмещается с напряжением обмотки низшего напряжения.



Схемы и группы соединений

  • В трехфазных и многофазных трансформаторах наибольшее применение имеют схемы соединения в звезду и треугольник.

  • Схема соединения в зигзаг применяется редко, а другие комбинации соединений обмоток практически не применяются.

  • Схема соединения в звезду обозначается буквой Y, соединения в треугольник — ∆, в зигзаг — Z.



Схемы и векторные диаграммы соединения обмоток Y и ∆



Схема соединения в зигзаг

  • В соединениях в звезду и зигзаг можно вывести нулевую точку.

  • В этом случае получаются соединения в звезду с нулевой точкой и в зигзаг с нулевой точкой.



Принципы соединения обмоток для многофазных трансформаторов

  • Например, для пятифазной системы схемами соединения будут пятифазная звезда и пятиугольник (рисунок а, б),

  • для m-фазной системы — m-фазная звезда и m-угольник.



Группы соединений трехфазных систем

  • В трехфазной системе схемы соединений Y и ∆ образуют 12 групп соединений со сдвигом фаз линейных напряжений на 30°, что соответствует 12 цифрам циферблата часов.

  • Стандартизованы две группы соединений Y/Y-О и Y/∆-11 со сдвигом фаз 0° и 330°. В эксплуатации вполне достаточно иметь две группы соединений и не выпускать 10 остальных групп.



Группы соединений трехфазных трансформаторов «О» и «11»



Определение группы соединений

  • Соединяют одноименные выводы обмоток высшего и низшего напряжений, например А и а.

  • Присоединяют трансформатор к сети с симметричным напряжением и измеряют напряжения между выводами трансформатора.

  • По измеренным напряжениям строят векторную диаграмму, которая должна совпасть с одной из диаграмм таблицы 1.

  • После этого определяют группу соединения трансформатора.


rpp.nashaucheba.ru

Трансформаторы тока и напряжения: виды, конструкция, принцип действия!

Без электроснабжения невозможно представить нашу жизнь. Чтобы электрическая система работала без сбоев или не пришла в негодность из-за неисправности в кабеле или в силовом оборудовании, её параметры необходимо контролировать, замерять. Диагностика, заключающаяся в проведении электрических измерений, способна выявить причины сбоев и вовремя устранить их. Для этого применяются приборы, измеряющие величины токов, напряжений, мощности.

Но если в электроустановках с низким напряжением возможно подключение измерительных приборов напрямую, непосредственно к измеряемому узлу, то в высоковольтных цепях проблематично отследить параметры без применения измерительных трансформаторов. В электроустановках напряжение доходит до 750 кВ и выше, а токи устанавливаются в десятки килоампер и более. Для «прямого» измерения потребовались бы громоздкое и дорогое оборудование, а иногда измерения вообще не возможно было бы произвести. Также, при обслуживании приборов, напрямую подключенных к сети высокого напряжения, персонал подвергался бы опасности поражения током.

Измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН) способствуют расширению пределов измерений обычных измерительных устройств и одновременно изолируют их от цепей высокого напряжения. Измерительные трансформаторы создаются с высоким классом точности. Во время эксплуатации их метрологические характеристики подлежат первичной и периодической поверке на правильность работы.

Наиболее часто в сетях переменного тока применяются электромагнитные трансформаторы. Они состоят из магнитопровода, первичной и одной или нескольких вторичных обмоток. ТТ преобразовывает замеряемый высокий ток в малый, а ТН — измеряемое высшее напряжение в низшее. Измерительные трансформаторы включаются в цепи между высоковольтным оборудованием и контрольно-измерительными приборами: амперметрами, вольтметрами, ваттметрами, приборами релейной защиты, телемеханики и автоматики, счетчиками энергии.

Зачем нужны измерительные трансформаторы напряжения

Содержание статьи

Измерительные ТН относятся к преобразователям электрической энергии, которые:

  • трансформируют напряжение участка сети или установки в напряжение приемлемой величины для осуществления измерений с помощью стандартных измерительных устройств, питания релейной защиты, устройств сигнализации, автоматики, телемеханики;
  • изолируя вторичные приборы и цепи, защищают оборудование от высокого напряжения и персонал, имеющего доступ к обслуживанию электроустановок, от поражения током.

Подключение ТН к высоковольтной части электроустановки осуществляется соединением его первичной обмотки «в параллель» к цепи высокого напряжения. Номинал вторичных обмоток трансформатора напряжения составляет обычно 100 В. Так как сопротивление измерительных приборов, подключаемых к вторичной обмотке, велико, током можно пренебречь. Поэтому основной режим работы ТН подобен режиму холостого хода типового силового трансформатора.

Трансформаторы напряжения и их конструкция

Трансформаторы напряжения подразделяются:

  • по числу фаз: на одно- и трехфазные;
  • по числу вторичных обмоток: двухобмоточный ТН имеет одну вторичную обмотку, трехобмоточный — две: основную и дополнительную;
  • по назначению вторичных обмоток: с основной вторичной обмоткой, с дополнительной, со специальной компенсационной — для контроля изоляции цепи;
  • по особенностям исполнений — на трансформаторы защищенного типа, водозащищенного типа (защита от капель и влаги), герметичные, со встроенным предохранителем и с антирезонансной конструкцией;
  • по принципу действия и особенностям конструкций: на каскадные, ёмкостные, заземляемые и не заземляемые.

У каскадного ТН первичная обмотка разделена на несколько поочередно соединенных секций, передача энергии от которых к вторичным обмоткам происходит посредством связующих и выравнивающих обмоток. У ёмкостного ТН в конструкции имеется ёмкостный делитель. Заземляемый однофазный ТН — устройство, у которого один конец первичной обмотки должен быть заземлен. У заземляемого трехфазного ТН должна быть заземлена нейтраль первичной обмотки. Все части первичной обмотки не заземляемого ТН изолированы от земли.

Зачем нужны трансформаторы тока

Трансформатор тока — базовый измерительный аппарат в электроэнергетике, применяемый для преобразования тока первичной сети во вторичный стандартный ток величиной 5 А или 1 А. Первичная обмотка соединяется непосредственно с цепью высокого напряжения последовательным способом подключения. Вторичная обмотка включается во вторичные цепи измерений, защиты и учета. 5А — часто встречающийся номинал вторичной обмотки.

Принцип действия и конструкция трансформаторов тока

Первичная обмотка ТТ включается в разрез линейного провода (последовательно с нагрузкой), в котором измеряется сила тока. Вторичная обмотка замкнута на измерительное устройство с малым сопротивлением. Поэтому, в отличие от силового трансформатора, для которого режим короткого замыкания является аварийным, нормальным режимом для измерительного ТТ являются условия, близкие к КЗ, так как сопротивление во вторичной цепи у него мало.

Через первичную обмотку, имеющую определённое количество витков, течет ток. Вокруг катушки наводится магнитный поток, который улавливается магнитопроводом. Пересекая перпендикулярно ориентированные витки вторичной обмотки, магнитный поток формирует электродвижущую силу. Под влиянием последней возникает ток, протекающий по катушке и нагрузке на выходе. Одновременно на зажимах вторичной цепи образуется падение напряжения.

По конструктиву и применению ТТ условно подразделяются на несколько разновидностей:

    • Опорные монтируются на опорной плоскости.
    • Проходные используются в качестве ввода и устанавливаются в металлических конструкциях, в проемах стен или потолков.
    • Встраиваемые размещаются в полости оборудования: электрических выключателей, генераторов и других электроаппаратов и машин.
    • Разъемные не имеют своей первичной обмотки. Их магнитопроводы из двух половинок, стягиваемых болтами, можно размыкать и закреплять вокруг проводников под током. Эти проводники исполняют роль первичных обмоток.
    • Шинные изготавливаются тоже без первичных обмоток — их роль выполняют пропущенные сквозь окна магнитопроводов ТТ токоведущие шины распредустройств.
    • Накладные надеваются сверху на проходной изолятор.
    • Переносные предназначаются для лабораторных и контрольных измерений.

По выполнению первичной обмотки ТТ подразделяются на одновитковые и многовитковые, а по числу вторичных обмоток — на устройства с одной обмоткой и с несколькими вторичными обмотками (до четырёх, пяти). По числу ступеней трансформации — на одноступенчатые и каскадные.

К общей классификации трансформаторов обоих типов относятся: количество коэффициентов трансформации (однодиапазонные и многодиапазонные), критерии по материалу диэлектрика между первичной и вторичной обмотками и по материалу внешней изоляции — маслонаполненные, газонаполненные, сухие, с литой, фарфоровой и прессованной изоляцией, с вязкими заливочными компаундами, комбинированные бумажно-масляные. ТТ и ТН устанавливаются на открытом воздухе, в закрытых и в подземных установках, на морских и речных судах, внутри оболочек электроустановок и связываются контрольными проводами и кабелями с оборудованием вторичных цепей. По диапазону рабочего напряжения выделяют трансформаторы, функционирующие в устройствах до 1000 В и выше 1000 B. Трансформаторы также классифицируются по классу точности.

Видео про трансформаторы тока

Кратко о назначении трансформатора тока, составе и особенностях конструкции, о схеме и принципе работы. Почему нельзя допускать размыкание вторичных цепей трансформатора тока без предварительного их замыкания накоротко? Почему на напряжение выше 330 кВ изготавливаются ТТ каскадного типа? Об этом и об измерительном трансформаторе тока для подстанции 750 кВ вы узнаете из видео.

Похожие статьи

electricity-help.ru

Устройство трансформатора - ТОЭ, РЗА

Конструктивно трансформатор представляет собою две или несколько обмоток, насаженных на замкнутый магнитопровод (сердечник) из магнитомягкого ферромагнитного материала: какой-либо электротехнической стали или пермаллоя – сплава с малой коэрцитивной силой Нс~10…100 А/м. Обмотки навиваются на каркас медным проводом. Одна из обмоток является первичной, на неё поступает входное напряжение и1(t). Вторичных обмоток, откуда снимаются выходные напряжения, может быть одна или несколько. Все обмотки тщательно изолируются как от магнитопровода, так и друг от друга.

Использование магнитопровода преследует две цели: 1) уменьшить рассеяние магнитного потока Ф почти до нуля, так как почти все линии поля В (индукции) направляются по магнитопроводу;  2) сделать индуктивное сопротивление катушек ωLr − их активного сопротивления, что уменьшает тепловые потери в трансформаторе ΔР=I2r, так что КПД даже маломощных трансформаторов достигает 90%, а мощных – 98-99%.



   Магнитопровод делается не цельным, а набирается из листов железа (или пермаллоя) толщиной обычно 0,35 мм, которые изолируются друг от друга слоем лака (он также может навиваться из железной ленты). Такая конструкция позволяет уменьшить тепловые потери в магнитопроводе, так как уменьшаются контуры развития вихревых токов: они циркулируют уже не по всему сечению магнитопровода, а лишь по сечениям отдельных листов (рис. 1), что резко увеличивает сопротивление вихревым токам.

По форме магнитопровода трансформаторы бывают стержневые и броневые. Стержневые набираются из П-образных пластин, а броневые – из Ш-образных. В обоих случаях магнитопровод может не набираться из листов, а навиваться из ленты, как показано на рис. 2. Ленточные магнитопроводы более экономичны, так как у них плавняе обводы (нет углов), что заметно уменьшает рассеяние потока из магнитопровода и, следовательно, увеличивает индуктивную связь обмоток.

В трансформаторах, работающих на высоких частотах, магнитопроводы делают из порошковых материалов – ферритов, так как даже в тонких пластинах потери от вихревых токов на высоких частотах оказываются недопустимо большими.

В трансформаторах большой мощности – в десятки и сотни мегаватт – интенсивность тепловыделения и нагрев обмоток настолько велики, что трансформатор приходится принудительно охлаждать, помещая его в кожух, заполненный циркулирующим трансформаторным маслом.

 


elekt.com.ua

Трансформатор тока - устройство, принцип работы, применение

 

Что такое трансформатор тока

Трансформатор тока очень интересная и важная тема в электротехнике. Здравствуй, дорогой читатель. Постараюсь доходчиво и подробно рассказать, что такое трансформатор тока, описать его конструкцию и для чего он нужен.

Сильно не заморачивайтесь, трансформатор тока — такой же трансформатор, как и все другие, в основном. Я бы назвал трансформатор тока измерительным трансформатором. Почему измерительным, спросите вы. Отвечаю: все, кто хоть мало-мальски разбирается в основах электротехники или электромонтажа, сталкивался с амперметром (измерительный прибор, показывающий силу тока). Так вот, им вы можете померить маленькие токи по значению. А если мне нужно узнать силу тока, которая больше 600 А? Что делать? Для этого и нужен трансформатор тока. Он понизит большой ток до нужного амперметру значения. В принципе, трансформатор тока, только этим и занимается — он помощник амперметра в измерении силы тока.

Устройство трансформатора тока

Как я уже говорил выше, трансформатор тока — обычный трансформатор, сердечник и две обмотки, первичная и вторичная. Первичную обмотку, которая содержит небольшое количество витков, включают последовательно в цепь, у которой необходимо измерить ток, а к вторичной, с большим числом витков, подключают амперметр. Так как сопротивление амперметра маленькое, я думаю, что трансформатор тока работает в режиме короткого замыкания, при котором сумма магнитных потоков равна разности потоков, созданных первичной и вторичной обмотками.

Принцип работы

Измеряемый ток, протекая по первичной обмотке с маленьким сопротивлением, мы уже знаем, на первичной мало витков, создает на ней небольшое падение напряжения, которое трансформируется во вторичную обмотку. Поскольку число витков вторичной обмотки значительно больше, чем у первичной, то на ней получается большее напряжение при меньшем токе. Чем больше ток, тем меньше напряжение и наоборот.

Применение

Мы уже знаем, что трансформатор тока это друг амперметра, они вместе показывают нам силу тока. Однако, его также можно применить для включения токовых обмоток ваттметров (мощность) и некоторых других приборов. Выводы обмоток трансформатора тока маркируют таким образом: первичная обмотка — Л1 и Л2 (линия), вторичная — И1 и И2 (измеритель).

Совет напоследок: вторичную обмотку работающего трансформатора тока не размыкайте. Она всегда должна быть замкнута на прибор или закоротите. Почему так надо делать? При разомкнутом состоянии, образуется большой магнитный поток, который создаст на вторичной трансформатора тока высокое напряжение, опасное для жизни.

Ну вот, в принципе, всё, что сегодня я хотел вам поведать об одном из приборов электротехники. Статью дополнили информацией о подключении трансформатора тока. Много полезного, связанного с электромонтажными работами и электротехникой вы можете найти на карте сайта. Пишите комментарии, всего доброго.

podvi.ru

Специальные трансформаторы

Автотрансформаторы. В некоторых случаях из экономических соображений целесообразно применять так называемые автотрансформаторы. Отличие их от обычных трансформаторов заключается в том, что обмотки имеют не только магнитную, но и гальваническую связь. На рис. 2.25 показан эскиз понижающего автотрансформатора и его схема. Первичная обмотка с выводами А и Х имеет витков, а вторичная с выводами а и витков, . Выводы а и х соединены с первичной обмоткой. Повышающий автотрансформатор показан на рис. 2.26.

Здесь первичная обмотка с выводами А и Х имеет витков, а вторичная с выводами а и витков, .

Если пренебречь падениями напряжения в обмотках и током холостого хода, то для обоих автотрансформаторов коэффициент трансформации

.

В общей части обмотки протекают токи и , и так как при выбранных на рис. 2.25 и 2.26 положительных направлениях они находятся в противофазе (если пренебречь током холостого хода), то

.

При близких значениях и ток намного меньше тока . В обычном трансформаторе ток вторичной обмотки понижающего трансформатора . Поэтому

необходимое сечение провода и габариты автотрансформатора меньше, чем трансформатора той же мощности. Чем ближе коэффициент трансформации к единице, тем автотрансформатор выгоднее обычного трансформатора. Обычно автотрансформатор применяется при .

Недостатком автотрансформатора является наличие гальванической связи между обмотками, что требует соответствующей изоляции для обеспечения безопасности обслуживающего персонала. Автотрансформаторы находят широкое применение для пуска мощных синхронных и асинхронных двигателей, для регулирования напряжения, для передачи электрической энергии с различными напряжениями и малым коэффициентом трансформации, например 110 и 220 кВ.

При экспериментальных работах применяются лабораторные автотрансформаторы (ЛАТР).

Они имеют регулируемый коэффициент трансформации, так что можно плавно, в широких пределах изменять напряжение.

Измерительные трансформаторы. Для расширения пределов измерения приборов переменного тока применяются измерительные трансформаторы напряжения и тока.

Такие трансформаторы отделяют цепи высокого напряжения от измерительных цепей, что обеспечивает безопасность обслуживания приборов и упрощает изоляцию токоведущих частей. Включение измерительных трансформаторов позволяет пользоваться стандартными амперметрами с номинальным значением 5 или 1 А и вольтметрами с номинальным значением 100 В. Такие трансформаторы применяются также в цепях защитных реле.

Трансформаторы напряжения. Принципиальная схема трансформатора и включение его в сеть высокого напряжения показаны на рис. 2.27. Измеряемое высокое напряжение подается на первичную обмотку трансформатора с выводами А и X; к вторичной обмотке низшего напряжения с выводами а и х подключается вольтметр. Так как сопротивление вольтметра очень велико (примерно 1000 Ом и более), то трансформатор напряжения работает в режиме, близком к холостому ходу. Номинальный коэффициент трансформации , откуда следует, что высокое напряжение . Однако из-за падений напряжения в обмотках трансформатора действительный коэффициент трансформации отличается от паспортного значения , поэтому есть погрешность измерения напряжения

Чем меньше сопротивление обмоток

и

(см. (2.8) и (2.9)) по сравнению с сопротивлением нагрузки , тем меньше погрешность измерения напряжения . Кроме погрешности измерения напряжения есть и так называемая угловая погрешность. Эта погрешность связана с тем, что между напряжениями и имеется сдвиг фаз, определяемый углом, что важно при измерении мощности и энергии (для ваттметров и счетчиков).

Трансформаторы напряжения так же, как и измерительные приборы, имеют классы точности 0,5; 1,0; 3,0.

Трансформаторы тока. Принципиальная схема трансформатора и схема его включения показаны на рис. 2.28.

Первичная обмотка трансформатора с выводами Л1 и Л2 включается в цепь или линию, в которой определяется ток , а вторичная обмотка с выводами И1, И2 замыкается амперметром. Если, кроме амперметра, включаются токовые обмотки защитного реле, ваттметра и других приборов, то все они соединяются последовательно. Сопротивления этих обмоток очень малы, и поэтому трансформатор работает в режиме, близком к короткому замыканию. Поэтому можно считать, что . Ток находится через коэффициент трансформации по показанию амперметра:

.

Это справедливо, если ток холостого хода трансформатора . Однако , поэтому есть погрешность в определении тока .

Эта погрешность определяется аналогично погрешности измерения напряжения у трансформатора напряжения. Как и у трансформатора напряжения, есть еще угловая погрешность, обусловленная сдвигом фаз между токами и , определяемая углом .

Трансформаторы тока имеют классы точности 0,2; 0,5;1; 3; 10. Для классов точности 0,2; 0,5; 1 погрешность соответствует значениям угла от 10′ до 180′, а для классов точности 3; 5; 10 — не нормируется.

У трансформатора тока, включенного в линию последовательно, нельзя размыкать вторичную обмотку, так как в этом случае размагничивающий магнитный поток вторичной обмотки отсутствует и поток трансформатора, определяемый током в линии, резко возрастает, а вместе с ним возрастают ЭДС вторичной обмотки и потери в стали трансформатора. Это может привести к опасным для жизни перенапряжениям и разрушению изоляции. Если во время работы нужно включенный амперметр или другой прибор отсоединить, то предварительно вторичную обмотку следует закоротить. Для этой цели в схему включается специальный рубильник Q (рис. 2.28), который нормально разомкнут.

Так как нагрузка может влиять на значение погрешности, то нагрузка измерительного трансформатора должна быть близкой к номинальной для вторичной обмотки измерительного трансформатора.

Угловые погрешности измерительных трансформаторов вносят ошибку при измерении угла сдвига фаз между напряжением и током , так как угол сдвига фаз будет отличаться от действительного угла между напряжением и током .

Трансформаторы для дуговой электросварки. Для обеспечения высококачественной сварки ток должен оставаться почти неизменным. При этом условии обеспечивается устойчивое горение дуги. Для получения такого тока внешняя характеристика трансформатора должна резко падать (рис. 2.29). Такая характеристика получается потому, что конструктивно трансформатор 1 на рис. 2.30 выполнен со специально увеличенным потоком рассеяния (увеличена индуктивность рассеяния обмоток). При холостом ходе напряжение равно  60—70 В, а при номинальном токе—30 В. Обмотки трансформатора расположены на стержнях 2 и 3 магнитопровода (рис. 2.30), что и увеличивает поток рассеяния. Ток сварки между электродом 6 и изделием 7 регулируется изменением зазора 8 между сердечником и якорем 5 дросселя 4. При коротком замыкании дроссель ограничивает ток дуги и трансформатора.

electrono.ru

ГЛАВА 7 Трансформатор – важнейший элемент электротехнического оборудования

ГЛАВА 7 Трансформатор – важнейший элемент электротехнического оборудования

Введение

Трансформатор уже более 130 лет является важнейшим элементом современных систем электроснабжения. Генерируемая на электростанциях электроэнергия подвергается многократной трансформации для распределения энергии между потребителями. Поэтому количество трансформаторов и их суммарная мощность в 7-8 раз превышает число и мощность генераторов. На каждый киловатт генераторной мощности приходится 7-8 кВ · А трансформаторной мощности.

На подстанциях 35-750 кВ энергосистем России работает более 2500 силовых трансформаторов и автотрансформаторов общей мощностью около 600 тыс. МВ· А, что почти втрое больше установленной мощности электростанций.

Как уже отмечалось (см. гл. 5), прообразом первого трансформатора с замкнутым магнитопроводом явилась схема М. Фарадея (1831 г.)

Индукционная катушка – простейший трансформатор с разомкнутым магнитопроводом

В 30-40 гг. XIX в. было создано несколько типов индукционных катушек, представляющих собой изолированный железный цилиндр или изолированный пучок железных проволок, на которые наматывали две спирали – одну из толстой проволоки, другую из тонкой, изолированных друг от друга. Катушки предназначались для получения искрового разряда во вторичной обмотке при прерывании с помощью прерывателя тока в первичной, включенной в цепь батарей.

В создании индукционных катушек принимало участие много ученых и инженеров, например в Англии за 22 года было выдано 19 патентов на изобретения. Среди многих изобретателей наибольшую известность получил немецкий механик Генрих Румкорф (1803-1877), создавший в 1848 г. более совершенную катушку, которая долго время называлась «индукционной катушкой Румкорфа».

Впервые на практике катушку Румкорфа применил Б.С. Якоби для дистанционного взрывания электрических мин. Позднее катушки получили широкое применение в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания.

В 1876 г. П.Н. Яблочков впервые включил индукционные катушки в цепь переменного тока в созданной им «системе дробления электрической энергии» для питания дуговых ламп. Дело в том, что при последовательном соединении нескольких дуговых свечей выход из строя одной вызывал погасание всех других. Яблочков предложил включать свечи во вторичные обмотки индукционных катушек, первичные обмотки которых соединялись последовательно (рис. 7.1). Поэтому режим работы свечей не зависел друг от друга (напомним, что это могло быть только в случае разомкнутого магнитопровода катушек). Как уже отмечалось, в схеме Яблочкова индукционная катушка впервые работала в режиме трансформатора. В системе Яблочкова впервые получила оформление электрическая сеть с ее основными элементами: первичный двигатель – генератор – линия передачи – трансформатор – приемник.

Рис. 7.1. Схема распределения энергии с помощью индукционных катушек (трансформаторов) П.Н. Яблочкова:

1 – прерыватель; 2 – индукционная катушка; 3 – электросвечи

На Второй петербургской электротехнической выставке в 1882 г. всю систему «дробления энергии» смонтировал и демонстрировал препаратор Московского университета И.Ф. Усагин, катушки (или «бобины», как их называли, имели одинаковое число витков в обеих обмотках). И.Ф. Усагин наглядно доказал универсальность применения переменного тока, впервые изготовив собственную установку (рис. 7.2), включив во вторичные обмотки катушек кроме свечей и другие приемники: электродвигатель, нагревательную проволочную спираль, дуговую лампу с регулятором. Усагин продемонстрировал возможность отключения любого приемника, не нарушая работы других, что «произвело на зрителей большое впечатление» и вызвало аплодисменты. За свое изобретение И.Ф. Усагин был награжден почетной медалью.

Рис. 7.2. Система «дробления» энергии И.Ф. Усагина

Рис. 7.3. Трансформатор Голяра и Гиббса:

1 – индукционная катушка; 2 – выдвижные сердечники

В последующие годы усилиями ученых и инженеров разных стран конструкция трансформатора с разомкнутым магнито- проводом получила дальнейшее усовершенствование. В 1882 г. была запатентована во Франции система «распределения света и двигательной силы», предложенная английским электротехником Дж. Д. Голяром (1850-1888) и французским электротехником Люстеном Гиббсом (умер в 1912 г.). Отличительной особенностью этих трансформаторов (рис. 7.3) была возможность преобразования напряжения на вторичной обмотке (т.е. коэффициент трансформации уже отличался от единицы). Изобретатели назвали свой трансформатор «вторичным генератором»: на деревянной подставке укреплялось несколько индукционных катушек, первичные обмотки которых включались последовательно, а вторичные были секционированы, и каждая секция имела два вывода для подключения приемников. Изобретатели впервые сделали сердечники катушек выдвижными 2, с помощью рукоятки могло регулироваться напряжение на вторичных обмотках. Такие трансформаторы были установлены в 1883 г. на четырех подстанциях Лондонского метрополитена, а в 1884 г. на выставке в Турине (Италия), где линия передачи составляла 40 км при напряжении 2000 В.

Создание трансформаторов с замкнутым магнитопроводом

Как известно, современные трансформаторы имеют замкнутый магнитопровод, а их первичные обмотки включаются в сеть параллельно. В системе Яблочкова магнитопровод трансформатора был разомкнутым, и поэтому при последовательном включении первичных обмоток включение и выключение свечей во вторичных обмотках не оказывало существенного влияния на работу приемников. Но по мере эксплуатации трансформаторов было установлено, что замкнутый магнитопровод уменьшает потери энергии и повышает КПД.

Первые трансформаторы с замкнутым магнитопроводом были созданы английскими инженерами братьями Джоном и Эдвардом Гопкинсонами в 1884 г. Магнитопровод 1 был набран из стальных полос, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери на вихревые токи. Первичные 2 и вторичные 3 катушки (соответственно высшего и низшего напряжений) размещались на магнитопроводе, чередуясь между собой, что уменьшало магнитное рассеяние (рис. 7.4).

К середине 80-х гг. XIX в. в связи с бурным развитием промышленности, торговли и транспорта все более остро возникает потребность в решении проблемы экономичной передачи электроэнергии на значительные расстояния. Исследования ученых и инженеров показали, что наиболее эффективный путь – в использовании переменного тока высокого напряжения.

Рис. 7.4. Трансформатор братьев Гопкинсонов

Рис. 7.5. Первые трансформаторы Будапештского завода фирмы «Ганц и К°»: а – кольцевой; б – броневой; в – серийный стержневой

Выдающийся вклад в создание однофазного трансформатора с замкнутой магнитной системой и более высокими эксплуатационными характеристиками был сделан в 1884-1885 гг. талантливыми венгерскими инженерами Миклошем Дери (1854-1934), Отто Блати (1860-1938) и Кароем Циперновским (1853 – 1942), работавшими на электромашиностроительном заводе фирмы «Ганц и К°» в Будапеште. Ими было предложено три модификации трансформатора: кольцевой, броневой и серийный стержневой (рис. 7.5), содержавшие все основные элементы современных конструкций трансформаторов. Важно, что изобретатели в патентной заявке (1885 г.) отметили большое значение замкнутого шихтованного магнитопровода, особенно для мощных трансформаторов. Ими впервые был предложен сам термин «трансформатор». Кольцевой трансформатор представлял собой кольцеобразный сердечник, состоящий из согнутых в кольцо изолированных железных проволок. Это кольцо было обмотано изолированной медной проволокой, образующей первичную и вторичную обмотки.

Второй – броневой трансформатор: у него внутри были уложены две кольцеобразные медные обмотки из изолированной медной проволоки, а на них намотана железная проволока. Такой трансформатор отличался меньшими потерями в железе и применялся для изготовления измерительных трансформаторов.

В стержневом трансформаторе сердечник состоял из отдельных листков стали, изолированных друг от друга лаком или олифой. На вертикальных стержнях размещались на одном – первичная, на другом – вторичная обмотки. Фирма «Ганц и К°» до конца 1887 г. построила 24 установки с однофазными трансформаторами Дери, Блати и Циперновского на общую мощность около 3000 кВт. На территории завода «Ганц и К°» был построен музей, где подробно отражена история создания первых трансформаторов с замкнутым магнитопроводом.

Создание трехсразного трансформатора – один из важнейших этапов в становлении современной системы электроснабжения

Как и следовало ожидать, первые системы электроснабжения переменным током рождались в жесткой конкурентной борьбе многочисленных электротехнических фирм. Достаточно напомнить, что непримиримым борцом против переменного тока в 80-х гг. выступил уже известный во всем мире Эдисон. В связи с этим была опубликована интересная статья нашего знаменитого физика А.Г. Столетова в журнале «Электричество» в 1889 г. «Невольно вспоминается, – писал Столетов, – та травля, которой подвергались трансформаторы в нашем отечестве, по поводу недавнего проекта фирмы «Ганц и К°» осветить часть Москвы. И в ученых докладах и в газетных статьях система обличалась, как нечто еретическое, ненациональное и безусловно гибельное; доказывалось, что трансформаторы начисто запрещены во всех порядочных государствах Запада и терпятся ради какой-нибудь Италии, падкой на дешевизну. Защитники «национальности в электричестве» забывали, что первую идею о трансформации тока в технике сами иностранцы приписывают Яблочкову… что на Всероссийской выставке 1882 г. в Москве ранее Годдарда, Гиббса и др., весьма определенно демонстрировал г. Усагин, за что награжден медалью».

После убедительной демонстрации трехфазных систем использование трансформаторов вначале предполагало установку в линии передачи трех однофазных трансформаторов. Но такое решение было экономически не выгодным, и, естественно, вызвало необходимость создания одного аппарата вместо трех – т.е. трехфазного трансформатора.

Рис. 7.6. Трехфазный трансформатор Доливо-Добровольского с радиальным расположением магнитопроводов

Такой трансформатор впервые был изобретен в 1889 г. М.О. Доливо-Добровольским. Интересна инженерная логика создания трехфазного трансформатора, которую продемонстрировал изобретатель. Доливо-Добровольский впервые обратил внимание на то, что заторможенный асинхронный двигатель представляет собой трехфазный трансформатор. Чтобы магнитная система трансформатора была симметричной, она должна иметь пространственную форму с тремя стержнями, на которых расположены обмотки. Вначале его конструкция напоминала машину с выступающими полюсами, в которой был устранен воздушный зазор, а обмотки ротора перенесены на стержни (рис. 7.6) – можно сказать, что это был трансформатор с радиальным расположением магнитопроводов. Продолжая усовершенствовать конструкцию, Доливо-Добровольский предложил несколько типов так называемых «призматических» трансформаторов с более компактной формой магнито- провода (рис. 7.7).

На рис. 7.8 показана эволюция магнитопровода стержневого типа. При соединении в одну конструкцию трех однофазных магнитопроводов получалась довольно сложная пространственная схема магнитопровода, технология изготовления которой оказалась весьма сложной, при этом возрастали отходы трансформаторной стали при штамповке отдельных листов. Это заставило Доливо-Добровольского упростить конструкцию и создать трехфазный трансформатор с параллельным расположением трех стержней в одной плоскости (рис. 7.9). О том, насколько продуманный и совершенной была такая конструкция, можно судить по тому, что она сохранилась до наших дней.

Рис. 7.7. Трехфазный трансформатор призматического типа

Рис. 7.8. Эволюция магнитопровода стержневого типа: Фд, Фд, Фс – магнитные потоки в фазах А, В, С

Рис. 7.9. Трансформатор с параллельным расположением трех стержней

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

tech.wikireading.ru