Трансформатор напряжения. Основы и классификация.

Трансформаторы напряжения. Общие сведения и примеры.

Что такое трансформатор? Классификация и устройство.

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования  электрической энер­гии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения при неизменной частоте.

Во второй части статьи читайте про рабочие характеристики, потери и другую детальную информацию.

Трансформатор, как правило, состоит из стального замкнутого магнитопровода (сердечника) и двух или нескольких изолированных друг от друга обмоток, размещенных на сердечнике и электрически между собой не связанных (исключение составляют автотрансформа­торы), клеммного щитка  и корпуса (бака). Силовые трансформаторы мощностью свыше 20 кВ·А могут иметь масляное охлаждение, при котором сердечник с обмотками располагается в масляном баке.

Устройство трансформатораРис. 1 — Устройство трансформатора

По типу магнитопровода различают стержневые (рис. 1, а) и броневые (рис. 1, б) трансформаторы. Часть сердечника, которая соединяет между собой стержни и служит для замыкания магнитной цепи, называют ярмом. Пространство, ограниченное замкнутым сердечником и служащее для размещения обмотки, называют окном. Сердечник набирается (шихтуется) из изолированных листов специальной трансформаторной (электротехнической) стали толщиной 0,35 или 0,5 мм с малыми удельными потерями на гистерезис. Шихтовка сердечника позволяет в значительной степени уменьшить потери от вихревых токов.

По числу фаз трансформаторы делятся на однофазные, трехфазные и многофазные. В свою очередь однофазные трансформаторы могут быть двух- или многообмоточными.

Обмотки судового трансформатора изготовляются из медного провода круглого или прямоугольного поперечного сечения. По способу расположения на стержнях различают концентрические (рис. 1, а) и чередующиеся обмотки (рис. 1, б).

Обмотки, к которым энергия подводится от сети, называются первичными, другие, к которым подключаются потребители, называются вторичными. Аналогично все величины (число витков, напряжение, ток, мощность и др.), относящиеся к соответствующим обмоткам, называют первичными или вторичными и обозначают символами с цифрами (соответственно W1, U1,  I1, P1 или W2, U2,  I2, P2 и др.)

Если вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется понижающим, если больше — повышающим. При концентрической форме обмоток ближе к стержню располагают обмотки низкого напряжения (НН), затем — обмотки высокого напряжения (ВН) (рис. 1, а). По назначению трансформаторы разделяют на силовые и на специальные — сварочные, измерительные и т.п.

Все судовые трансформаторы имеют воздушное охлаждение и по исполнению делятся на водозащищенные (мощностью от 0,25 до 4,0 кВ·А при частоте 50 Гц и мощностью от 0,25 до 10 кВ·А при частоте 400 Гц), брызгозащищенные (от 6,3 до 100 кВ·А при 50 Гц и от 16 до 100 кВ·А при 400 Гц) и открытые (без защитного бака). К последним относятся однофазные трансформаторы мощностью 0,26, 0,63 и 1,0 кВ·А.

Защитный бак выполняют сварным из листовой стали. У трансформаторов водозащищенного исполнения он имеет цилиндрическую форму, у брызгозащищенного — прямоугольную. В баке предусмотрены сальники ввода кабелей и лапы для крепления трансформатора. На корпусе бака прикреплен заводской щиток, на котором приведены следующие данные:

— завод-изготовитель, год выпуска и заводской номер трансформатора;
— тип трансформатора;
— номинальная мощность, в киловольт-амперах, число фаз, номинальное напряжение обмоток при холостом ходе, частота тока;
— схема и группа соединения обмоток трансформатора, которые необходимы для правильного включения трансформаторов на параллельную работу;
— напряжение короткого замыкания Uк% (в процентах от номинального напряжения), КПД при номинальной нагрузке, полная масса, исполнение корпуса, номинальные токи обмоток;
— расположение контактных зажимов, их обозначение и прин­ципиальная схема соединения обмоток.

Про принцип действия генератора постоянного тока читайте в нашей статье.

Принцип действия трансформатора

В основу работы трансформатора положен принцип электромагнитного взаимодействия двух или, в общем случае, любого числа контуров (обмоток), неподвижных друг относительно друга. Количественно это взаимодействие определяется уравнениемпринцип электромагнитного взаимодействия двух или, в общем случае, любого числа контуров (обмоток)

где e — мгновенное значение индуктируемой в контуре ЭДС; ψ- потокосцепление; w — число витков контура; Φ — магнитный поток взаимной индукции.

Принципиальная схема простейшего трансформатора

 

Рис. 2 — Принципиальная схема простейшего трансформатора

Принципиальная схема простейшего однофазного двухобмоточного трансформатора приведена на рис.2. Работает он следующим образом. При подключении первичной обмотки с числом витков w1 к сети переменного тока с синусоидальным напряжением u1 в обмотке возникает ток i0, называемый током холостого хода и создающий магнитодвижущую силу (МДС) F0 = i0w1, под действием которой по сердечнику замыкается синусоидально изменяющийся во времени магнитный поток Φ0. Этот поток называют основным магнитным потоком, или магнитным потоком взаимоиндукции.

Этот процесс может быть представлен логической цепочкой взаимодействий

 

Поток Φ0 пронизывает обе обмотки и индуктирует в них ЭДC e10 и e20 соответственно. Этот процесс может быть представлен логической цепочкой взаимодействий. Применение сердечника из электротехнической стали умень­шает магнитное сопротивление Rμ магнитному потоку Φ0 и служит для усиления электромагнитной связи между обмотками. В соответствии с законом Ома для магнитной цепи:

В соответствии с законом Ома для магнитной цепи

где μ0 и μr — магнитная постоянная и относительная магнитная проницаемость стали; ℓ и s — длина и поперечное сечение магнитопровода.

Таким образом, для создания определенного магнитного потока Φ0  требуется тем меньшая МДС и тем меньший ток i0, чем меньше сопротивление  Rμ, т.е. чем больше магнитная проницаемость сердечника μr. Величина тока холостого хода в трансформаторе обычно составляет 3…5% от номинального тока нагрузки.

Понятие о трехфазных и специальных трансформаторах

Трехфазные трансформаторы

Для преобразования переменного тока в трехфазных цепях применяются трехфазные трансформаторы, имеющие, как правило, трехстержневой магнитопровод (рис. 3, б).

Групповой (а) и стержневой (б) трехфазные трансформаторы

Рис. 3  — Групповой (а) и стержневой (б) трехфазные трансформаторы

Обмотки фаз трансформатора соединяются звездой (Υ) или треугольником (Δ). Первичные и вторичные обмотки каждой фазы размещаются на одном и том же сердечнике и сцеплены с одним магнитным потоком.

Присущая таким трансформаторам небольшая магнитная несимметрия из-за того, что фаза, расположенная на среднем стержне, находится в несколько иных условиях, чем фазы на крайних стержнях, при эксплуатации не имеет большого значения. Намагничивающие токи обмоток фаз, размещенных на крайних сердечниках, больше, чем в средней, на 10…15%.

Трехфазный трансформатор был получен путем объединения трех однофазных (рис. 3, а), поэтому рабочие процессы в нем протекают также, как в трех однофазных, и для каждой фазы трехфазного трансформатора справедливы уравнения электрического равновесия, векторная диаграмма и схема замещения однофазного трансформатора.

При использовании трансформаторов предельной мощности используется трехфазная группа однофазных трансформаторов (рис. 3 ,а), т.к. на большую мощность изготовление однофазных трансформаторов технологически проще, хотя при этом расход активных материалов (меди, стали) увеличивается.

 

 Автотрансформатор

У автотрансформатора (рис. 4) обмотка низкого напряжения является частью обмотки высокого напряжения, т.е. обмотки имеют не только магнитную, но и электрическую связь.

Схема понижающего автотрансформатора

Рис. 4 — Схема понижающего автотрансформатора

Так же как и обычные трансформаторы, автотрансформаторы могут быть повышающие и понижающие, однофазные и трехфазные.

Применяются автотрансформаторы чаще всего при необходимости изменить напряжение в небольших пределах при коэффициенте трансформации К = 1,0…1,5 — при пуске синхронных и асинхронных двигателей, для регулирования напряжения нагревательных печей, в электротермии и в лабораторных установках. Мощные автотрансформаторы изготовляются для подстанций, связывающих электроэнергетические системы с различным номинальным напряжением. Практически везде, где необходимо преобразовывать близкие напряжения (110 и 220, 220 и 330, 330 и 500, 500 и 750 кВ) используются только автотрансформаторы. Их применение взамен обычных трансформаторов да ет выиг­рыш в КПД, массе и габаритах, снижении расхода активных материалов.

Автотрансформаторы применяются также в низковольтных сетях в качестве лабораторных регуляторов напряжения (ЛАТР). В таких автотрансформаторах регулирование напряжения осуществляется при перемещении скользящего контакта по виткам обмотки. При замыкании соседних витков в ЛАТР не происходит витковых замыканий, так как токи сети и нагрузки в совмещенной обмотке автотрансформатора близки друг другу и направлены встречно.

В конструктивном отношении автотрансформаторы не отличаются от обычных трансформаторов. На стержнях магнитопровода располагаются две обмотки, а выводы берутся от двух обмоток и общей точки.

Различают проходную мощность автотрансформатора :

проходная мощность автотрансформатора

(мощность, которую он может передать) и расчетную мощность :

расчетная мощность

(передаваемую магнитным путем).

проходная мощность автотрансформатора и расчетная

Расчетная мощность определяет габариты автотрансформатора и зависит от коэффициента трансформации:

Расчетная мощность определяет габариты автотрансформатора и зависит от коэффициента трансформации

где – k = w1/w2  отношение числа витков.

Из последней формулы следует, что автотрансформатор при небольших коэффициентах трансформации требует меньше активных материалов, поэтому имеет меньшую стоимость и несколько лучшие энергетические показатели.

Сварочные трансформаторы

Сварочные трансформаторы (рис. 5,а) предназначены для обеспечения сварочных работ. Поскольку сопротивление сварочной дуги весьма мало, то при работе трансформатор находится в режиме, близком к короткому замыканию и поэтому должен иметь мягкую внешнюю характеристику с ограниченным током короткого замыкания (рис. 5 ,б). Получение такой внешней характеристики достигается за счет больших индуктивных сопротивлений или в самом трансформаторе, или во внешних устройствах. Для этого последовательно со вторичной обмоткой включают дроссель с регулируемым воздушным зазором.

Сварочный трансформатор (а) и его внешние характеристики (б)

Рис.5 — Сварочный трансформатор (а) и его внешние характеристики (б)

Регулирование величины сварочного тока достигается изменением индуктивного сопротивления дросселя за счет изменения воздушного зазора. Чем меньше воздушный зазор δ (рис. 5 а и б) в сердечнике дросселя, тем больше его индуктивное сопротивление и тем меньше сварочный ток – ток нагрузки трансформатора.

Измерительные трансформаторы

Измерительные трансформаторы применяются для расширения пре­делов измерения токов и напряжений в схемах переменного тока. Кроме того, они позволяют изолировать измерительные приборы от сети, в которой производится измерение. Различают измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН).

Трансформатор тока понижает величину измеряемого тока. Его первичная обмотка состоит из одного или нескольких витков провода большого сечения и включается последовательно в цепь, ток который необходимо измерить. Вторичная обмотка наматывается из большого числа витков сравнительно малого сечения и замыкается на приборы с малым сопротивлением — амперметры, последовательные обмотки ваттметров, фазометров и т.п.

Таким образом, рабочий режим трансформатора тока – это режим короткого замыкания. При отключенном измерительном приборе трансформатор тока переходит в режим холостого хода и во вторичной обмотке возникают высокие напряжения, представляющие опасность и для самой обмотки и для обслуживающего персонала. Поэтому трансформатор тока запрещается включать в цепь при разомкнутой вторичной обмотке.

Трансформаторы напряжения используются для включения вольтметров, частотомеров и параллельных цепей ваттметров, счетчиков и других приборов, имеющих большое сопротивление. Рабочий режим трансформатора напряжения — режим холостого хода, поэтому его обмотки имеют значительно меньшее сечение по сравнению с силовыми трансформаторами и малую номинальную мощность.

Схемы включения в однофазную сеть переменного тока амперметра, ваттметра и вольтметра при помощи измерительных трансформаторов показаны на рис. 6.

Схема измерений с использованием измерительных трансформаторов

Рис. 6 — Схема измерений с использованием измерительных трансформаторов

Показания обычных измерительных приборов, включенных в сеть через внешние измерительные трансформаторы тока и напряжения, следует определять с учетом коэффициентов трансформации. В некоторых случаях на шкале прибора указывается, что он должен включаться в цепь только при помощи трансформаторов тока или напряжения, имеющих определенный коэффициент трансформации.

Номинальное значение тока (или напряжения) первичной обмотки указывают на щитке трансформатора.

Обозначения выводов и группы соединения трансформаторов

Согласно ГОСТ 11677-85  начала обмоток двухобмоточного однофазного трансформатора обозначают буквами А и а, концы – Х и х. В трехфазных двухобмоточных трансформаторах начала и концы обмоток обозначают соответственно буквами А, В, С; а, в, с; X, Y, Z; x, y, z. Прописные буквы относятся к обмоткам высшего напряжения, а строчные – к обмоткам низшего напряжения. Понятия начала и конца обмоток условны. В трехфазных трансформаторах возможны следующие схемы соединений: Y/Y, Δ/Δ, Δ/Z, Y/Δ, Δ/Y, Y/Z (Y-соединение звездой, Δ – треугольник, Z – зигзаг, (в числителе указаны соединения обмотки высшего напряжения, в знаменателе – низшего). Эти схемы  образуют 12 различных групп соединений.

Говоря о работе трансформатора, следует иметь в виду возможность их параллельной работы. Поэтому одного указания на схему соединения трансформаторов недостаточно. Необходимо еще знать угол сдвига фаз между первичными и вторичными векторами линейных напряжений трансформаторов. Величина этого угла определяет группу соединения трансформатора и зависит от направления, в котором намотана обмотка, от способа соединения обмоток трехфазного трансформатора. Для наглядности и лучшего понимания принятого обозначения пользуются циферблатом часов. Вектор напряжения обмотки высшего напряжения совмещают с минутной стрелкой и всегда устанавливают на цифре 12.

Группы соединения трансформаторов

Рис. 7 — Группы соединения трансформаторов

 

Информацию про режимы работы трансформаторов их рабочие рабочие характеристики, про приведенный трансформатор и параллельную работу читайте в статье

 

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector