Содержание
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.
Рис. 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 уравнением
где e — мгновенное значение индуктируемой в контуре ЭДС; ?- потокосцепление; w — число витков контура; ? — магнитный поток взаимной индукции.
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 ?0. Этот поток называют основным магнитным потоком, или магнитным потоком взаимоиндукции.
Поток ?0 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 R? магнитному потоку ?0 и служит для усиления электромагнитной связи между обмотками. В соответствии с законом Ома для магнитной цепи:
где ?0 и ?r — магнитная постоянная и относительная магнитная проницаемость стали; ? и s — длина и поперечное сечение магнитопровода.
Таким образом, для создания определенного магнитного потока ?0 требуется тем меньшая МДС и тем меньший ток i0, чем меньше сопротивление R?, т.е. чем больше магнитная проницаемость сердечника ?r. 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).
Рис. 3 — Групповой (а) и стержневой (б) трехфазные трансформаторы
Обмотки фаз трансформатора соединяются звездой (?) или треугольником (?). 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.
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 :
(мощность, которую он может передать) и расчетную мощность :
(передаваемую магнитным путем).
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.
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 ? (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.
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, ?/?, ?/Z, Y/?, ?/Y, Y/Z (Y-соединение звездой, ? – 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.
Рис. 7 — Группы соединения трансформаторов