Трансформаторы. Назначение, устройство и принцип действия

Трансформатор – электромагнитный аппарат с двумя или более обмотками,

имеющими между собой магнитную связь, который служит для преобразования

переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения

той же частоты.

Если первичное напряжение больше вторичного, то трансформатор называют понижающим, если первичное напряжение меньше вторичного – повышающим.

Использование трансформаторов

1. Для передачи и распределения электрической энергии (силовые трансформаторы).

Генераторы дают напряжение от 6 до 24 кВ, передают энергию на напряжении 110, 220, 330, 500, 750 кВ. Для повышения напряжения используют трансформаторы. При потреблении электроэнергии напряжение понижают до 220/380 В, следовательно, тоже необходимы трансформаторы. Таким образом, электроэнергия пока она доходит до потребителя обычно преобразуется 5-6 раз.

2. Для обеспечения схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжения на входе и выходе преобразователя (преобразовательные трансформаторы).

В вентильных преобразователях для выпрямления тока и преобразования его в переменный ток, отношение напряжения на входе и на выходе зависит от схемы включения вентилей. Следовательно, при подаче на вход стандартного напряжения на выходе будет нестандартное; поэтому нужен трансформатор.

3. Для технологических целей – сварка, питание электрических печей (печные и сварочные трансформаторы).

4. Для преобразования частоты, получения импульсных сигналов, питания цепей радиоаппаратуры, устройств связи автоматически и телемеханики электробытовых приборов.

5. Для включения измерительных приборов – преобразуют ток или напряжение (измерительные трансформаторы тока и напряжения).

Классификация трансформаторов

• По числу фазных обмоток трансформаторы бывают однофазные, трехфазные и многофазные.

• По числу систем фазных обмоток - двухобмоточные и многообмоточные.

• По конструкции силовые трансформаторы делятся на два типа: сухие и масляные. Сухие трансформаторы охлаждаются воздухом. В масляных трансформаторах магнитопровод с обмотками находится в баке, заполненном трансформаторным маслом. Недостатком масла является его горючесть и, при некоторых условиях, способность образовывать с воздухом взрывоопасные смеси. Для устранения этих недостатков вместо масла используют специальные жидкости: совтол и пиранол (не окисляющиеся и химически устойчивые).

Основные элементы трансформатора – магнитная система (сердечник) с обмотками.

Магнитопровод состоит из стержней – часть, охватываемая обмотками, и ярма – участка, который связывает стержни.

Сердечник набирается из листов специальной трансформаторной стали толщиной 0,35; 0,5 мм. Для изоляции листов применяется бумага толщиной 0,03 мм и масляный лак.

Бумага дешевле лака, но имеет меньшую теплопроводность, нагревостойкость и механическую прочность.

Магнитная система бывает двух типов:

- стержневая (на каждом стержне обмотка); рис.1.2.1(а)

- броневая (все обмотки на одном стержне); рис.1.2.1(б)

а) б)

Рисунок 1.2.1

В силовых трансформаторах мощностью более 100 МВА и напряжением 220 кВ применяют бронестержневые конструкции. Она получается из стержневой, если добавить два стержня, закрывающих обмотки фаз. Рис.(2.1.2)

Рисунок 1.2.2

Бронестержневые трансформаторы имеют меньшую высоту магнитопровода, что важно при транспортировке, так как в этом случае трансформатор проходит под железнодорожные габариты.

В основном выпускаются стержневые трансформаторы.

• По взаимному расположению стержней и ярм магнитные системы могут иметь плоское (рис.1.2.3 (а)) и пространственное выполнение (рис.1.2.3 (б)).

а) б)

Рисунок 1.2.3

В качестве материала магнитной системы также используется холоднокатонная анизотропная текстурированная сталь марок 3413, 3404, 3403, 3406 в рулонах толщиной 0,3; 0,35; 0,5 мм. Сталь толщиной 0,3 и 0,35 мм имеет электроизоляционное покрытие.

Магнитопровод шихтуется (т.к. при этом уменьшаются потери на вихревые токи), пластины ярма и стержней переплетаются.(рис.1.2.4)

Обычно располагают по 2-3 листа (позиции 1 и 2) в слое. Стык может быть прямым и косым. При косом стыке уменьшается длина участка магнитной цепи, на котором направление потока не совпадает с направлением проката (уменьшаются потери холостого хода)(рис.1.2.5)

Рисунок 1.2.4

Форма стержня стремится к цилиндру, следовательно, пакеты выполняются ступенями. Приближение к окружности даёт лучшее заполнение пространства обмотками, уменьшение габаритов трансформатора.

(рис.1.2.6) Рисунок 1.2.5

Сечение ярма можно выполнять без ступеней, на ярме их делают меньше. Ступени нужны, чтобы магнитный поток распределялся более равномерно. Кроме того сечение ярма выполняют на 10…15% больше, чем стержня для уменьшения тока холостого хода.

Рисунок 1.2.6

Ярмо и стержни стягиваются шпильками.

Кроме магнитной системы и обмоток в масляном трансформаторе имеются:

- бак (чугун, конструкционная сталь). Он может быть гладким (до 30 кВА) или трубчатым (до 3000 кВА), чтобы увеличить поверхность охлаждения трансформатора.

- расширитель – резервуар, частично заполненный маслом.

- маслоуказатель – располагается на расширителе, позволяет определить уровень масла. Уровень рассчитывается таким образом, чтобы при любых внешних изменениях окружающей среды, нагреве (при возрастании нагрузки) обмоток маслу было куда расширяться. Бак должен быть полностью залит трансформаторным маслом, чтобы уменьшить поверхность контактирования масла с воздухом (окисление ведет к ухудшению свойств трансформаторного масла).

- радиаторы – располагаются на баке, используются в крупных трансформаторах для увеличения поверхности охлаждения (до 10000 кВА).

- изоляторы ВН и НН – располагаются на крышке, выполняются из фарфора или керамики. Размеры зависят от мощности трансформатора. В крупных трансформаторах изоляторы могут быть маслонаполненными.

- регулятор напряжения – позволяет изменять напряжение на ±5%.

- выхлопная труба – соединяется с баком – это стальная труба со стеклянной мембраной на конце толщиной 3-5 мм. Служит для газовой защиты. Повреждение обмоток приводит к испарению масла, выделяются газы, которые выдавливают мембрану, деформации бака не происходит.

- газовое реле – осуществляет тепловую защиту трансформатора. Располагается между расширителем и баком. Перегрев способствует разрушению изоляции, следовательно, газы попадают в реле и вытесняют оттуда масло, а поплавок опускается и замыкает сигнальную цепь.

Обмотки трансформатора

Выполняются из медного или алюминиевого провода.

Конструкция обмоток включает:

- изоляционные детали (для создания главной и продольной изоляции);

- выводные концы;

- регулировочные ответвления;

- емкостные кольца и экраны.

Основным элементом обмотки является виток, который выполняется одним проводом или группой параллельных проводов. Ряд витков на цилиндрической поверхности образуют слой.

Слой – совокупность проводников, находящихся на одном расстоянии от стержня.

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

• По способу размещения обмоток на стержне различают обмотки:

1. Концентрические – в каждом поперечном сечении окружности, имеющие общий центр. Обмотка низкого напряжения внутри, так как ее легче изолировать от стержня.(рис. 1.2.7)

Рисунок 1.2.7

2. Чередующиеся – части обмоток высшего и низшего напряжения попеременно следуют друг за другом по высоте стержня. Применяются только в специальных трансформаторах (электропечных, испытательных)(рис.1.2.8)

• По конструкции и способу намотки обмотки подраз-

деляются на:

1. Цилиндрические (одно- или многослойные).

2. Катушечные (непрерывные, дисковые, переплетен

ные).

3. Винтовые (одно- и двухходовые).

Рисунок 1.2.8 Основные эксплуатационные требования к обмоткам:

- электрическая прочность изоляции (изоляция должна выдерживать без повреждений перенапряжения в сети);

- механическая прочность (гарантия от механических деформаций и повреждений при таких коротких замыканиях).

- нагревостойкость (обеспечение свободной теплоотдачи) при заданном классе изоляции.

Ι. Цилиндрические обмотки

Это наиболее простая обмотка, применяется в трансформаторах до 630 кВА в качестве обмоток низкого напряжения и в масляных трансформаторах в качестве обмоток высшего напряжения до 400 кВА и напряжения до 35 кВ.

Это обмотка, состоящая из расположенного на цилиндрической поверхности слоя витков без интервалов (то есть витки наматываются по винтовой линии вдоль образующей цилиндра вплотную друг к другу)(рис.1.2.9).

Многослойная цилиндрическая обмотка состоит из двух или более концентрически расположенных слоев.

При сечении провода менее 8…10 мм² – обмотка многослойная из круглого провода. При больших сечениях – двухслойная из прямоугольного провода (плашмя или на ребро).

Между слоями устанавливают изоляцию из электрокартона.

ΙΙ. Винтовая обмотка

Может образовывать от 4 до 20 параллельных ветвей и используется при токах более 300…400 А. Представляет собой видоизмененную цилиндрическую обмотку и подразделяется на простую винтовую (одноходовую) – как цилиндрическая, но между двумя соседними по высоте проводниками оставляют канал, то есть расстояние, и полувинтовую – (двухходовую) – каждые два витка, кроме концевых, объединяют в одну катушку без канала (рис.1.2.10).

В винтовых обмотках для равномерного распределения тока меж- ду параллельными витками делают Рисунок 1.2.10 транспозицию (перекладку) провоников.

Тогда все проводники будут в одинаковом положении, относительно поля, и магнитный поток будет также распределяться по ним равномерно.

Сущность транспозиции – каждый из параллельных проводников в разных катушках перекладывается из одного слоя в другой так, что на всей длине обмотки этот проводник будет находиться во всех слоях, следовательно, активное и индуктивное сопротивления между началом и концом провода будут одинаковы у всех параллельных проводов.

Транспозиция бывает групповая, общая, совершенная и несовершенная (рис.1.2.11).

Рисунок 1.2.11

Совершенная – когда проводник после перекладки оказывается на том же месте.

Рисунок 1.2.12

ΙΙΙ. Катушечные обмотки.

Группу последовательно соединенных витков, намотанную в виде плоской спирали и отделенную от других таких же групп, называют катушкой, а обмотку, состоящую из ряда катушек, расположенных в осевом направлении – катушечной.

Катушечные обмотки могут быть дисковыми и непрерывными.

Дисковая обмотка состоит из ряда отдельно намотанных одинарных или двойных (спаренных) катушек, каждая из которых имеет несколько витков, намотанных один на другой по спирали.

Изоляция – кабельная бумага.

Дисковые обмотки трудоемки, широко применяются в мощных трансформаторах.

Различают одинарные или двойные дисковые катушки. В одинарных катушках количество паек в два раза больше (пайка наружных и внутренних концов). Используется прямоугольный провод. Число витков в катушке 4…25.

Замковые прокладки выполняют из электрокартона (они образуют горизонтальные каналы) и пластин (штампованных)(рис.1.2.13).

Непрерывная обмотка – ряд плоских катушек (дисков), отделенных друг от друга каналами. Особенность – катушки соединяются между собой без пайки путем особого способа перекладки одной из катушек в каждой паре.

Рисунок 1.2.13

Преимущества непрерывной обмотки:

- отсутствие разрывов при намотке;

- большая опорная поверхность, следовательно, устойчивость к осевым усилиям при коротких замыканиях;

- относительно свободный проход масла как вдоль, так и поперек поверхности (в горизонтальные каналы между катушками), следовательно, хорошее охлаждение и можно увеличить мощность обмотки;

- непрерывные обмотки могут выполняться с ответвлениями для регулирования напряжения.

Переплетенная обмотка – более сложная и трудоемкая, но обеспечивает защиту от импульсных перенапряжений для обмоток от 220 до 750 кВ. В такой обмотке порядок последовательного соединения витков отличается от последовательности их расположения в катушках. Каждая катушка наматывается двумя параллельными проводами, а затем производится соединение этих проводов по отдельной схеме. В переплетенной обмотке используются емкостные кольца (для защиты от импульсных перенапряжений), в отличие от других обмоток здесь нет необходимости в экранирующих витках.

Принцип действия трансформатора

При подключении первичной обмотки (1) трансформатора к сети с синусоидальным напряжением в обмотке возникает ток I₁, который создает синусоидальный поток Ф, замыкающийся по сердечнику. Поток Ф индуцирует ЭДС в первичной и вторичной обмотке, под действием ЭДС возникает ток I₂ и на зажимах (2) устанавливается некоторое напряжение U₂.

Результирующий поток Ф_С

Рисунок 1.2.14 создаётся током обеих обмоток.

Ф_σ1, Ф_σ2 – потоки рассеяния, которые ослабляют основной поток Ф_С и замыкаются в основном по воздуху.

Дата добавления: 2014-01-13