Андрей Смирнов
Время чтения: ~11 мин.
Просмотров: 0

Устройство и схема трансформатора

Эквивалентная схема трансформатора

Для расчёта электрических параметров трансформатора применяют различные эквивалентные схемы. Данные схемы должны соответствовать следующим условиям:

  • схема должна учитывать наиболее существенные электромагнитные процессы и обеспечивать достаточную точность расчётных характеристик различных режимов трансформаторов;
  • схема должна описываться уравнениями невысокого порядка, чтобы в явном виде определялась связь между электрическими характеристиками и конструктивными параметрами трансформатора.

Ввиду противоречивости данных условий возможно опустить из расчётов ряд конструктивных параметров, которые незначительно влияют на электрические характеристики трансформатора. Кроме того при практической реализации трансформатора его конструктивные размеры всегда отличаются в той или иной степени от расчётных значений.

Поэтому для анализа и расчёта трансформатора используют эквивалентную схему трансформатора изображённую ниже

В данной схеме используют следующие параметры:

LC – индуктивность намагничивания трансформатора, усчитывающая запасание энергии в основном потоке взаимной индукции магнитопроводе при приложении напряжения к первичной обмотке,

RC – эквивалентное сопротивление активных потерь в магнитопроводе на перемагничивание и вихревые токи,

LS1и L’S2 – индуктивность рассеивания первичной обмотки и приведённая индуктивность вторичной обмотки, учитывающие запасание энергии в потоках рассеяния,

R и R’2 – активное  сопротивление первичной обмотки и приведённое сопротивление вторичной обмотки, учитывающие потери энергии при протекании по ним тока нагрузки,

С01 и С’02 – собственная емкость первичной обмотки и приведённая емкость вторичной обмотки,

С12 – межобмоточная емкость трансформатора.

С учётом данной эквивалентной схемы запишем уравнения работы трансформатора

Большинство параметров эквивалентной схемы трансформатора рассчитываются по таким же выражениям, что и параметры эквивалентной схемы дросселя, рассмотренной в одной из предыдущих статей. Однако для трансформатора вводится новый параметр – межобмоточная ёмкость С12.

Для чего нужен трансформатор напряжения?

Трансформатор напряжения – универсальное устройство. Передает и распределяет энергию.

Используются в:

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

Силовой трансформатор с большим напряжением применяется для:

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

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

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

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

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

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

Назначение и типы

трехфазный трансформатор

Трансформатор, можно назвать преобразователем одной величины напряжения или тока в другую.

Они могут быть:

  • трёхфазными;
  • однофазными;
  • понижающими;
  • повышающими;
  • измерительными и т.д.;

Назначение прибора: передаёт и распределяет электроэнергию заказчику.

В приборе есть активные компоненты: обвивка и сердечник магнитопоровода. В свою очередь, сердечник может быть стержневым и броневым. Для них используется холоднокатаная горячекатаная электротехническая сталь.

Обвивку используют непрерывную, винтовую, цилиндрическую, дисковую.

Среди современных изделий можно отметить следующие:

  • тороидальные;
  • броневые;
  • стержневые;

Они имеют характеристики похожие друг с другом, с высокой надёжностью. Единственное, что их различает – это способ изготовления.

В стержневом варианте, обвивка наматывается вокруг сердечника, тогда как в броневом типе идёт включение в сердечник. Поэтому, в стержневом типе, обвивку можно увидеть и располагается она только горизонтально, а в броневом, она скрыта, но может быть, как горизонтально, так и вертикально размещена.

Какой бы тип мы не рассматривали, у него имеются 3 компонента:

  • система охлаждения;
  • обвивка;
  • магнитопровод;

За счёт приборов удаётся значительно повысить напряжённость, идущую с электрических станций, на дальние расстояния, при этом, потери энергии будут минимальные по проводам. На основании вышеизложенного, можно использовать провода на линиях передач, с меньшей площадью сечения.

Потребителю также можно уменьшать потребление энергии с высоковольтных линий до номинальных значений (380, 220, 127 В).

Обслуживание измерительных трансформаторов

Перед началом работы с поверхности трансформаторов удаляется смазка, пыль и прочие загрязнения. Протирка производится с использованием уайт-спирита. Ветошь не должна оставлять ворс. 

Трансформатор исследуется на наличие сколов, трещин и наличие следов коррозии. 

После визуального осмотра трансформатор подвергают испытанию или проверяют прибором/мегомметром (2500 В) на достаточность сопротивления изоляции.  Вторичная обмотка проверяется мегомметром со шкалой деления на 1000 В.

Ток холостого хода проверяется со стороны вторичной обмотки под напряжением равным 1,2 от номинального. Отличие полученного результата не должно быть отличным от паспортного больше чем на ±10%.

Основное требование к трансформаторам – номинальная мощность не должна быть больше указанных в паспорте изделия.

Качество электроэнергии в сети должно быть соответствующим требованиям ГОСТ 32144. 

Установка трансформатора должна производиться на место с обеспеченным доступом к клеммным контактам.

При обслуживании трансформатора измерения проверяют надежность контактного соединения.

Разомкнутые треугольные обмотки однофазных индукционных ТН обеспечивают безаварийность кабельных систем распределения энергии.

Для повышения надежности разомкнутых треугольных обмоток трансформатора напряжения в цепь добавляют стабилизаторы напряжения, ограничители, стабилитроны. Эти устройства поддерживают работоспособность систем распределения электроэнергии после аварий и сбоев.

Работы по обслуживанию измерительных трансформаторов производятся по наряду в соответствии с технологическими картами. Капитальный ремонт, например, у трансформаторов тока не делают. Если испытания и замеры сопротивления основной изоляции показали неудовлетворительные результаты трансформатор меняют на другой. Основная изоляция должна иметь сопротивление не менее 300 МОм.

Вторичная обмотка в отключенном и отсоединенном состоянии должна показать сопротивление не менее 50 МОм, с подключенными вторичными цепями не менее 1 МОм.

При обслуживании трансформаторов тока проверяют переходное сопротивление болтового контактного соединения. Оно не должно превышать 33 мкОм для контактов на 2000 А и не выше 60 мкОм для контактных соединений на 630 А. 

Технология ремонта измерительных трансформаторов: разборка магнитопровода, демонтаж и ремонт катушек, перемотка обмоток, замена пластин магнитопровода и прочее схожи с ремонтом силовых трансформаторов. На время ремонта трансформатора обмотки закорачивают между собой, чтобы исключить возможный контакт и обратную трансформацию и напряжение при выполнении ремонтных работ. 

Трансформаторы напряжения

Трансформаторы напряжения предназначены для трансформации и снижения напряжения в более низкое. Обычно необходимо это для измерения напряжения электроэнергии, идущей из сети. Трансформаторы напряжения помогают изолировать цепи измерения и защиты от самой электросети с электроэнергией высокого напряжения.

Трансформаторы напряжения бывают заземляемыми и незаземляемыми. Заземляемый трансформатор может быть однофазным и трехфазным. Однофазный имеет один заземленный конец первичной обмотки, а в трехфазном заземлена нейтраль обмотки первого уровня.

В незаземляемом трансформаторе напряжения вся первичная обмотка изолирована и земли.

Кроме того, различают трансформаторы напряжения каскадные и емкостные. В каскадных первичную обмотку разделяют на несколько секций, последовательно соединенных друг с другом. В этом случае мощность к обмотке вторичной передается с помощью дополнительных, играющих соединительную роль, обмоток. В емкостном трансформаторе напряжения есть емкостный делитель.

Также трансформаторы напряжения различаются по количеству обмоток. В двухобмоточных есть лишь одна вторичная обмотка, в трехобмоточных помимо основной вторичной обмотки присутствует и вторая. В зависимости от того, где необходимы трансформаторы напряжения, выбирают тот или иной тип устройств.

Назначение и принцип действия трансформаторов тока

Трансформаторы тока преобразуют первичный ток во вторичный ток меньшей величины в процессе гальванического разделения цепи. Они служат для включения амперметров и токовых катушек приборов измерения, отличающихся очень малым сопротивлением. 

Трансформаторы тока постоянно работают в режиме короткого замыкания. Вторичная цепь защищается от сильных токов за счет эффекта насыщения стального сердечника.  

Применяются ТТ там, где затруднительно произвести замеры токовых величин напрямую. 

С использованием измерительных трансформаторов выполняют учет потребления электроэнергии.

О измерительных трансформаторах напряжения иы вкратце узнали. За более подробной информацией обращайтесь к менеджеру компании «КубаньЭлектрощит»  Задавайте вопросы на сайте. Мы ответим в самые короткие сроки.

Классификация трансформаторов тока

Типы измерительных трансформаторов тока подразделяют на следующие классы:

  • по функциональности: на измерительные и защитные;

  • по току: постоянного и переменного тока;

  • по коэффициенту трансформации: одно и многодиапазонные;

  • по способу монтажа: внутреннего и наружного размещения, встроенные, накладные;

  • по напряжению: низкого и среднего;

  • по типу изготовления и диэлектрическому материалу: газо- и маслонаполненные, сухие.

Рис. №4. Внешний вид трансформатора тока ТОЛ-СЭЩ-20 


Рис. №5. Опорный трансформатор тока ТОЛ-СЭЩ-10, внешний вид

Измерительные подключают напрямую к считывающему, записывающему и вычисляющему измерительному оборудованию. Также их подключают к защите от сверхтоков. Разделяются на однопроводниковые ТТ и трансформаторы с первичной обмоткой. Однопроводниковый трансформатор – это устройство с проемом для первичной цепи, он устанавливается на первичный проводник. 

Мощность трансформаторов тока зависит от коэффициента трансформации и поперечного сечения сердечника. 

При низком токе первичной обмотки применяется трансформатор тока с высокой пропускной способностью. Для того чтобы получить трансформатор тока с первичной обмоткой через однопроводниковый трансформатор несколько раз пропускают первичный проводник.

Маркировка клемм первичной обмотки: Р1 (К) и Р2 (L), вторичной S1 (k) S2 (i). Полярность соответствует направлению прохождению тока.

Трансформатор постоянного тока

Трансформатор для измерения постоянного тока работает по принципу магнитного усилителя и включает в свою конструкцию ферромагнитный сердечник и две обмотки постоянного и переменного тока. 

РАЗДЕЛ 2. ТРАНСФОРМАТОРЫ

Трансформатор – электромагнитное статическое устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный другого напряжения той же частоты.

При помощи трансформаторов осуществляются повышение и понижение напряжения, преобразование чисел фаз и в некоторых случаях преобразование частоты переменного тока. Трансформаторы используются при передаче и распределении электрической энергии в энергетических установках, а также для разнообразных преобразований переменного тока в промышленных установках, в устройствах связи, радио, автоматики, телемеханики и т.д.

Наибольшее значение имеют следующие типы трансформаторов:

1. Силовые трансформаторы – используются для передачи и распределения электроэнергии;

2. Силовые трансформаторы специального назначения – печные, сварочные, для выпрямительных установок;

3. Автотрансформаторы – для преобразования напряжения в небольших пределах;

4. Измерительные – для включения в схемы измерительных приборов;

5. Испытательные – для производственных испытаний под высоким напряжением;

6. Индукционные регуляторы – для регулирования напряжения.

Трансформатор является одним и важнейших элементов каждой электрической сети или системы. Передача электрической энергии на большие расстояния от места её производства до места потребления требует в современных системах не менее 4-х, 5-ти кратной трансформации напряжения. С этой целью в сетях энергосистем и энергопотребителей применяются силовые повышающие и понижающие трансформаторы. Для режима их работы характерны частота переменного тока 50 Гц. Суммарная установленная мощность трансформаторов должна в несколько раз превышать установленную мощность генераторов. Современная электромашиностроительная промышленность освоила выпуск 2-х и 3-х обмоточных трансформаторов мощностью от долей ВА до 1000 МВА в трёхфазном исполнении, с номинальным напряжением на стороне высокого напряжения (ВН) 6, 10, 35, 110, 220, 330, 400, 500, 750, 1150 кВ. Однофазные трансформаторы по расходу материалов и КПД менее выгодны, чем 3-фазные.

Рассмотрим принцип действия трансформатора на примере 1-фазного двухобмоточного трансформатора (рис. 2.1). Электромагнитная система 1-фазного двухобмоточного трансформатора состоит из двух обмоток, размещённых на замкнутом магнитопроводе, который выполнен из ферромагнитного материала. Применение ферромагнитного магнитопровода позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т.е. уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток.

Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции Максвелла:

, (2.1)

где е – переменная ЭДС, индуктируемая в обмотке изменяющимся во времени t магнитным потоком Ф и пропорциональная числу витков обмотки w.

Первичная обмотка подключается к источнику переменного напряжения:

, (2.2)

при этом в этой обмотке возникает переменный ток i1, который создаёт переменный магнитный поток, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуктирует в первичной и вторичной обмотке переменные ЭДС, мгновенные значения которых е1 и е2, согласно закону Максвелла, будут соответственно:

, (2.3)

. (2.4)

Следовательно, отношение мгновенных и действующих значений ЭДС в обмотках определяется выражением

. (2.5)

Если пренебречь падением напряжения в обмотках трансформатора, то получим

. (2.6)

Если вторичное напряжение , то трансформатор – повышающий, если , то трансформатор – понижающий. Таким образом, в трансформаторе преобразуются только напряжения и токи, мощность же остаётся приблизительно постоянной, только несколько уменьшается из-за внутренних потерь энергии в трансформаторе.

Отношение ЭДС обмотки высшего напряжения к ЭДС обмотки низшего напряжения называют коэффициентом трансформации:

. (2.7)

В системах передачи и распределения энергии, и в устройствах радиоэлектроники и автоматики в ряде случаев применяют трёхобмоточные и многообмоточные трансформаторы, что даёт возможность при питании одной из обмоток получать два или большее число различных напряжений для энергоснабжения нескольких потребителей. В трёхобмоточных трансформаторах различают обмотки высшего, среднего и низшего напряжения.

Выводы:

· Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции;

· Трансформатор может работать только в сетях переменного тока;

· Отношение ЭДС обмотки высшего напряжения к ЭДС обмотки низшего напряжения называют коэффициентом трансформации;

· Трансформатор преобразует напряжения и токи, мощность практически не изменяется.

Изменение силы тока в автотрансформаторе

По силе тока есть простое правило — ток в обмотке более высокого напряжения меньше, чем ток в обмотке с более низким напряжением.

Другими словами, если используется понижающий отвод от первичной обмотки автотрансформатора – то ток на вторичной обмотке будет больше, а напряжение ниже и наоборот, если используется повышающий отвод – то ток на вторичной обмотке будет ниже, а напряжение выше.

Мощности же на обеих обмотках примерно одинаковы, поэтому, согласно закону ОМА:

I1U1 = I2U2, где I1 – ток в первичной обмотке, I2 – ток во вторичной обмотке, U1- напряжение в первичной обмотке, U2 – Напряжение во вторичной обмотке.

Соответственно ток, например, в первичной обмотке рассчитывается так: I1 = U2*I2/U1

Зная, как изменяется ток, можно заранее правильно подобрать кабели питания и защитную автоматику.

Теперь, когда вы знакомы с принципом работы автотрансформатора и знаете его конструкцию, давайте рассмотрим какие они бывают, их назначение и места применения, какие у них плюсы и минусы и чем принципиально отличаются от обычных трансформаторов. Всё это и многое другое читайте во второй части этой статьи. Подписывайтесь на нашу группу вконтакте, следите за выходом новых материалов!

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации