принцип работы трансформатора

Что такое однофазный трансформатор

Электрическая установка, которая содержит две и более катушки, связанные индуктивно, называется трансформатором. Этот прибор способен преобразовывать электроток одной напряженности в переменный ток другой напряженности. На данный момент особой популярностью пользуются трехфазные и однофазные электротрансформаторы.

Схема простейшего однофазного трансформатора

Обычный однофазный прибор представляет собой замкнутый сердечник из ферромагнитного вещества, который обматывают первичной и вторичной катушками. Для снижения токов вихревого типа сердечник делают из тонких (пол-миллиметра) слоев специальной стали.

Обратите внимание! На схемах трансформаторов обычно применяют плюсовые направления всех значений, которые характеризуют процессы работы. Исходит это из того, что первичная катушка — это приемник энергии, а вторичная — источник

Однофазный трансформатор NDK-50VA 230/24 IEC

Защита силовых трансформаторов

В первую очередь необходимо постоянно контролировать уровень масла, циркулирующего внутри бака. На его температуру оказывает влияние целый комплекс различных факторов. В связи с этим происходит постоянное изменение объема и главной задачей становится поддержание уровня масла в установленных границах. Важную роль в этом играет использование расширительного бачка, компенсирующего все объемные отклонения. Кроме того, он позволяет вести наблюдения за текущим уровнем масла.

Данные о состоянии уровня снимаются с помощью маслоуказателя, подключаемого параллельно с расширительным бачком.

Силовые трансформаторы должны быть защищены от проникновения влаги, поскольку расширительный бак своей верхней частью плотно контактирует с окружающей средой. С этой целью устанавливается осушитель воздуха, создающий препятствия попаданию влаги в масло, что существенно снижает его диэлектрические свойства.

Важной составляющей масляной системы считается газовое реле, защищающее трансформатор от внутренних повреждений. Оно монтируется внутри трубопровода, который соединяет между собой основной и расширительный баки

Во время нагрева масло и органическая изоляция выделяют газы, попадающие в емкость газового реле, содержащую внутри чувствительный элемент.

В некоторых случаях может возникнуть аварийное повышение давления внутри бака. В целях защиты на крышке трансформатора выполняется монтаж выхлопной трубы. Ее нижний конец должен сообщаться с емкостью бака, а масло – поступать внутрь до необходимого уровня в расширителе. Над расширителем возвышается верхняя часть трубы, которая отводится в сторону и незначительно загибается вниз. Ее конец герметично закрывает стеклянная предохранительная мембрана, разрушающаяся в случае аварийного повышения давления.

Силовые трансформаторы, имеющие обмотку высокого напряжения свыше 1000 В, оборудуются релейной защитой от основных повреждений и неисправностей. Непосредственными защитными устройствами являются вторичные реле прямого или косвенного действия. Их подключение осуществляется не напрямую, а через измерительные трансформаторы напряжения и тока.

Монтаж, подключение, опасные факторы

При пробое изоляции обмоток возникает возможность поражения током, но риск предотвращается заземлением вывода (обозначается на корпусе) вторички.

На выводы вторичной катушки И1 и И2 токи полярные, они обязательно постоянно подсоединены на нагрузку. Идущая по первичной цепи энергия со значительным потенциалом (S=UI). В другой происходит трансформация, и при обрыве в ней там падает напряжение. Потенциал разомкнутых концов при протекании энергии большой, что представляет значительную опасность.

По описанным выше причинам все вторичные цепи ТТ собирают особо тщательно и надежно, на них и кернах, выведенных из функционирования, всегда ставят шунтирующие закоротки.

Как подключается ТТ

Есть несколько схем для изделий защитного типа. Рассмотрим подключение ТТ на трехфазное напряжение.

Полная звезда:

• самая распространенная, защита одно- и многофазных систем от КЗ;
• три ТТ соединяются в звезду.

Если ток ниже настроек на реле КА1–КА3, то это нормальная ситуация, защита не активируется. Ток на К0 — это сумма всех 3 фаз. При возрастании величин в одной из них растет ток и в ТТ. Произойдет сработка реле при КЗ и при превышении нагрузок.

Неполная звезда:

• защита от межфазных замыканий для создания цепей с нейтралью с заземлением;
• для маломощных приемников с другими вариантами защиты.

Схема «треугольник и звезда» — для дифференциальной защиты.

Схема без обесточивания при КЗ на землю используется, но редко по этой же причине. Для защиты от замыканий между фазами и всплесков в одной из них.

ТТИ подсоединяются простым последовательным подключением первичных витков изделия.

Монтаж

Монтаж трансформаторов тока:

1. Ревизия устройства, проверка изоляции (должно быть выше 1 кОм на 1 В);
2. Отключают ЭУ;
3. Убедится в обесточивании, зафиксировать заземления.
4. Разметка, установка креплений. Запрещено размещать трансформатор вплотную к ЭУ (минимальный зазор — 10 см).
5. Выставляются таблички, ограждения.
6. Первичные витки подсоединяются последовательно, но с нагрузкой на вторичных. Если нет возможности подключить измеритель, то ее контакты замыкают, чтобы не было высоких мощностей на ней, которые приведут его повреждению.

ТТ не допускает холостого функционирования, его режим близок к КЗ: вторичные витки при подключении прибора к измеряемому току обязательно замыкаются. Иначе происходит перегревание, повреждающее изоляцию. Перед отсоединением измерителей сначала закорачивают катушки. У некоторых моделей для этого есть узлы клеммы, перемычки.

Расчет

Расчет трансформатора тока можно провести по онлайн-калькуляторам, подобрать по номиналу (например, для 10 кВ). Но это слишком упрощенные инструменты. Исчисления и параметры для выбора — чрезвычайно обширная тема, поэтому опишем основы.

Точность чрезвычайно важная, поэтому потребуются тщательные исчисления специалистами. Необходимо знать множество специфических нюансов, например:

• при разных схемах подсоединения, видах КЗ, есть разные формулы определения сопротивления;
• проверяют первичный ток на термо- и электродинамическую стойкость;
• есть свои нюансы для ТТ, для релейной защиты и для учетных целей, измерений.

Правила, как выбрать трансформатор тока в общих чертах:

• номинальное рабочее напряжение ТТ должно превышать или сравниваться с номиналом ЭУ (стандартные значения 0.66, 3, 6, 10, 15, 20, 24, 27, 35, 110, 150, 220, 330, 750 кВ). Если обслуживаемое оборудование имеет 10 кВ, то изделие должно быть рассчитано на этот показатель;
• первичный ток ТТ — больше номинального тока у ЭУ, но учитывая перегрузочную способность;
• оценивают ТТ по номинальной мощности вторичной нагрузки, которая должны превышать расчетное ее значение. (Sном>=Sнагр);
• оценивают размеры и расположение для установки, номинальные нагрузки (есть таблица), наработка до отказа, срок службы, класс точности.

Проверка после расчета

Правила:

• после расчета ТТ проверяют по загрузке при макс. и мин. значениях, протекающих через него нагрузок;
• по п. 1.5. 17 ПУЭ при макс. подключенной нагрузке ток во вторичной катушке — не менее 40 % номинала счетчика, при мин. — не менее 5 %;
• макс. загрузка должна быть от 40 %, а мин. — от 5 %, и в любом случае она не должна превышать 100 %, иначе возникнет перегрузка трансформатора;
• если рассчитанные величины макс./мин. загрузок меньше 40 % и 5 % соответственно, то надо подбирать изделие с меньшим номиналом, а если этого нельзя сделать по параметрам макс. нагрузки, надо предусмотреть монтаж двух счетчиков — для макс. и мин. нагрузки.

Конструкция однофазного трансформатора

Конструкция простейшего однофазного электрического трансформатора такова: замкнутый ферромагнитный стальной сердечник, находящийся внутри двух катушек (их может быть и больше). Та обмотка, которая соединена с источником электрической энергии, называется первичной. Катушка, соединенная с потребителем энергии, называется вторичной.

Обратите внимание! Все параметры и величины в таком приборе делятся на первичные и вторичные. Это зависит от того, где они наблюдаются (в той или иной обмотке) и на что влияют

В процессе протекания по прибору электрического тока в первичной катушке возникают напряжение и сила намагничивания, возбуждающая поток магнитных волн в стальном сердечнике. Этот поток в первой катушке появляется благодаря силе самоиндукции, а во второй — взаимоиндукции.

Конструкция аппарата

Немного истории

Благодаря английскому физику Майклу Фарадею в 1831 году человечество познакомилось с электромагнитной индукцией. Великому учёному не суждено было стать изобретателем трансформатора, поскольку в его опытах фигурировал постоянный ток. Прообразом устройства можно считать необычную индукционную катушку француза Г. Румкорфа, которая была представлена учёному миру в 1848-м.

В 1876 году русский электротехник П. Н. Яблочков запатентовал трансформатор переменного тока с разомкнутым сердечником. Современному виду устройство обязано англичанам братьям Гопкинсон, а также румынами К. Циперановскому и О. Блати. С их помощью конструкция приобрела замкнутый магнитопровод и сохранила схему до наших дней.

Виды магнитопроводов

Принцип работы трансформатора

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Если на первичную обмотку подать переменное напряжение , то по виткам обмотки потечет переменный ток , который вокруг обмотки и в магнитопроводе создаст переменное магнитное поле. Магнитное поле образует магнитный поток , который проходя по магнитопроводу пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует (наводит) в них переменные ЭДС – и . И если к выводам вторичной обмотки подключить вольтметр, то он покажет наличие выходного напряжения , которое будет приблизительно равно наведенной ЭДС (рис. 3).

 
Рис. 3 — Работа трансформатора без нагрузки

При подключении к вторичной обмотке нагрузки, например, лампы накаливания, в первичной обмотке возникает ток , образующий в магнитопроводе переменный магнитный поток изменяющийся с той же частотой, что и ток . Под воздействием переменного магнитного потока в цепи вторичной обмотки возникает ток , создающий в свою очередь противодействующий согласно закону Ленца магнитный поток , стремящийся размагнитить порождающий его магнитный поток (рис. 4).

 
Рис. 4 — Работа трансформатора с нагрузкой

В результате размагничивающего действия потока в магнитопроводе устанавливается магнитный поток равный разности потоков и и являющийся частью потока , т.е.

Результирующий магнитный поток обеспечивает передачу магнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу , под воздействием которой во вторичной цепи течет ток . Именно благодаря наличию магнитного потока и существует ток , который будет тем больше, чем больше . Но и в то же время чем больше ток , тем больше противодействующий поток и, следовательно, меньше .

Из сказанного следует, что при определенных значениях магнитного потока и сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки устанавливаются соответствующие значения ЭДС , тока и потока , обеспечивающие равновесие магнитных потоков в магнитопроводе, выражаемое формулой приведенной выше.

Таким образом, разность потоков и не может быть равна нулю, так как в этом случае отсутствовал бы основной поток , а без него не мог бы существовать поток и ток . Следовательно, магнитный поток , создаваемый первичным током , всегда больше магнитного потока , создаваемого вторичным током .

Величина магнитного потока зависит от создающего его тока и от числа витков обмотки, по которой он проходит.

Напряжение, которое выдает нам трансформатор на вторичной обмотке, зависит от количества витков, которые намотаны на первичной и вторичной обмотке!

где  — напряжение на вторичной обмотке — напряжение на первичной обмотке — количество витков первичной обмотки — количество витков  вторичной обмотки — сила тока первичной обмотки —  сила тока вторичной обмотки

Из этой формулы можно сделать вывод: увеличиваем напряжение – уменьшается ток, уменьшаем
напряжение – увеличивается ток.

Отношение напряжений между первичной и вторичной обмотками называют коэффициент трансформации.

В трансформаторе соблюдается закон сохранения энергии, то есть  какая мощность в трансформатор заходит, такая и выходит.

Для переменного тока мощность определяется также, но только вместо постоянного напряжения берется среднеквадратичное напряжение.

Мощность трансформатора зависит от размеров сердечника, рабочей частоты преобразования.

Трансформаторы, которые выдают одинаковые напряжения на выходе и на входе, называют разделительными (развязывающими) (рис. 5).

 
Рис. 5 — Схематичное изображение разделительного трансформатора

Если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подаваемого на первичную обмотку, и такой трансформатор называют повышающим (рис. 6). У повышающего трансформатора вторичная обмотка наматывается
более тонким проводом, чем первичная, так как максимальный ток вторичной обмотки будет меньше тока первичной обмотки.

 
Рис. 6 — Схематичное изображение повышающего трансформатора

Если же вторичная обмотка содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее будет меньше, чем напряжение подаваемое на первичную обмотку, и такой трансформатор называют понижающим (рис. 7). Первичная обмотка понижающего трансформатора всегда будет намотана более тонким проводом, чем вторичная. Связано это с тем, что при понижении напряжения возможно увеличение тока во вторичной обмотке, следовательно, нужен провод большего сечения.

 
Рис. 7 — Схематичное изображение понижающего трансформатора

Устройство и принцип работы однофазного двухобмоточного трансформатора

Назначение, области применения и классификация трансформаторов

Трансформаторы.

Трансформатором называется электромагнитное устройство, служащее для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения без изменения частоты.

Потребность трансформирования, т.е. повышения и понижения переменного напряжения вызвана необходимостью передачи электрической энергии на большие расстояния. Чем выше величина передаваемого напряжения, тем, при равной мощности генератора, меньше ток. Следовательно, для передачи энергии потребуются провода меньшего сечения, что приводит к экономии цветных металлов, к уменьшению веса и стоимости линий электропередач (ЛЭП). Кроме того, с уменьшением тока уменьшаются потери мощности в линиях передач ∆P=I2Rл.

По применению трансформаторы можно разделить на следующие типы:

1. Силовые трансформаторы, используемые в сетях передачи и распределения электроэнергии.

2. Автотрансформаторы, имеющие плавную регулировку выходного напряжения и используемые для его изменения (регулирования).

3. Измерительные трансформаторы, применяемые в качестве элементов измерительных устройств.

4. Трансформаторы специального назначения (печные, сварочные, пиковые, изолирующие и т.д.)

Применяемые в настоящее время изоляционные материалы позволяют увеличить напряжения в ЛЭП до 1250кВ.

Трансформатор состоит из ферромагнитного (стального) сердечника (ФМС) и двух обмоток: первичной с числом витков W1, к которой подводится напряжение источника U1, и вторичной – с числом витков W2,на зажимах которой возникает напряжение U2.Сердечник трансформатора собирается из отдельных листов электротехнической стали (толщиной 0,3-0,5 мм), изолированных друг от друга для уменьшения потерь на вихревые токи.

В основу работы трансформатора положен принцип взаимоиндукции. При включении первичной обмотки W1 на переменное напряжение U1 в ней появится ток I0.Этот ток, протекая по виткам W1, вызовет появление магнитного потока первичной обмотки, который состоит из основного или, по-другому, рабочего потока Ф, замыкающегося по сердечнику и потока рассеяния Фδ1, замыкающегося по воздуху (рис. 4.3.). Электрическая энергия передается из первичной обмотки во вторичную с помощью рабочего потока.

Переменный синусоидальный рабочий магнитный поток Ф на основании закона электромагнитной индукции наводит в первичной обмотке ЭДС самоиндукции E1, а во вторичной обмотке — ЭДС взаимоиндукции Е2, которая создает на зажимах вторичной обмотки напряжение U2.

Если ко вторичной обмотке трансформатора присоединить нагрузку Zн(рис. 4.4.), то в ней появится ток I2, который, протекая по виткам W2, вызовет появление магнитного потока во вторичной обмотке. Этот поток состоит из потока Ф2, замыкающегося по сердечнику и потока рассеяния Фδ2, замыкающегося по воздуху.

Вторичный поток Ф2 по правилу Ленца всегда направлен навстречу потоку первичной обмотки и стремится его уменьшить. Уменьшение потока Ф повлечет за собой уменьшение ЭДС Е1. В результате увеличится разность между напряжением U1 и ЭДС Е1, что приведет увеличению токапеовичной обмоткиI0 до тока I1, что компенсирует поток Ф2 (рис.4.4). Таким образом, суммарный рабочий магнитный поток Ф1 — Ф2останется неизменным и приблизительно равным первоначальному потоку Ф, сцепленному с обеими обмотками трансформатора.

Переменные магнитные потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток Фδ1 и Фδ2 сцеплены с одной из обмоток и наводят в них соответствующие ЭДС рассеяния Еδ1 и Еδ2.

Устройство и принцип работы однофазного двухобмоточного трансформатора

Назначение, область применения и классификация трансформаторов

Трансформеры.

Трансформатор – это электромагнитное устройство, используемое для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения без изменения частоты.

Необходимость преобразования, то есть увеличения и уменьшения переменного напряжения, вызвана необходимостью передачи электрической энергии на большие расстояния. Чем выше значение передаваемого напряжения, тем меньше ток при той же мощности генератора. Следовательно, для передачи энергии потребуются провода меньшего сечения, что приведет к экономии цветных металлов, снижению веса и стоимости линий электропередачи (ЛЭП). Кроме того, с уменьшением тока потери мощности в линиях передачи уменьшаются ∆P = I2Rl.

По применению трансформаторы можно разделить на следующие типы:

1. Силовые трансформаторы, используемые в сетях передачи и распределения.

2. Автотрансформаторы с постепенной регулировкой выходного напряжения и используемые для его изменения (регулирования).

3. Измерительные трансформаторы, используемые как элементы измерительных приборов.

4. Трансформаторы специального назначения (печь, пайка, пик, изоляция и т.д.)

Используемые в настоящее время изоляционные материалы позволяют повысить напряжение в ЛЭП до 1250 кВ.

Трансформатор состоит из ферромагнитного (стального) сердечника (ФМС) и двух обмоток: первичной с числом витков W1, на которую подается напряжение источника U1, и вторичной – с числом витков W2, на клеммах которых напряжение U2 Сердечник трансформатора собирается из отдельных листов электротехнической стали (толщиной 0,3-0,5 мм), изолированных друг от друга для уменьшения потерь на вихревые токи.

Работа трансформатора основана на принципе взаимной индукции. При включении первичной обмотки W1 переменным напряжением U1 в ней появится ток I0, который, протекая по виткам W1, вызовет появление магнитного потока первичной обмотки, состоящей из основных или, по-другому, рабочий поток Ф, замыкающийся по сердечнику, и поток дисперсии Фδ1, замыкающийся в воздухе (рис. 4.3.). Электричество передается от первичного к вторичному через рабочий процесс.

Переменный синусоидальный рабочий магнитный поток, основанный на законе электромагнитной индукции, индуцирует в первичной обмотке ЭДС самоиндукции E1, а во вторичной обмотке – ЭДС взаимной индукции E2, которая создает напряжение U2 на выводах ‘ вторичная обмотка.

Если к вторичной обмотке трансформатора подключить нагрузку Zн (рис. 4.4.), В ней появится ток I2, который, протекая по виткам W2, вызовет появление магнитного потока во вторичной обмотке. Этот поток состоит из потока Ф2, закрытого в активной зоне, и вытекающего потока Фδ2, закрытого в воздухе.

Вторичный поток F2, согласно правилу Ленца, всегда направлен навстречу потоку первичной обмотки и стремится его уменьшить. Уменьшение расхода Ф приведет к уменьшению ЭДС E1. В результате разница между напряжением U1 и ЭДС E1 увеличится, что приведет к увеличению тока обмотки I0 до тока I1, который компенсирует магнитный поток Ф2 (рисунок 4.4). Таким образом, общий рабочий магнитный поток F1 – F2 останется неизменным и примерно равен начальному потоку F, приложенному к обеим обмоткам трансформатора.

Переменные потоки магнитной дисперсии первичной и вторичной обмоток Фδ1 и 2 связаны с одной из обмоток и наводят в них соответствующие ЭДС дисперсии Еδ1 и 2.

Режимы работы

Подобно любым преобразовательным устройствам трансформатор имеет два режима работы:

• так называемый «холостой ход»;
• режим нагрузки.

При холостом ходе устройство работает без нагрузки и потребляет минимум мощности, рассеиваемой только в первичной обмотке. Ток в ней также минимален и составляет обычно не более 3-10% от значения, наблюдаемого при подключенной нагрузке. Во втором случае в витках вторичной обмотки начинает течь ток, величина которого обратно пропорциональна количеству витков в катушке.

В понижающем трансформаторе напряжение в ней ниже, а ток – больше. В этом режиме мощность в нагрузку передается с учетом теплового рассеяния в сердечнике трансформатора.

Технические характеристики

Важной характеристикой являются коэффициенты трансформации. Они показывают зависимость выходного напряжения от соотношения витков в обмотках

Коэффициент трансформации является базовым параметром при расчете.

Другая важная характеристика трансформатора – его КПД. В некоторых аппаратах этот показатель составляет 0,9 – 0,98, что характеризует незначительные потери магнитных полей рассеяния. Мощность P зависит от площади S сечения магнитопровода. По значению S, при расчетах параметров трансформатора, определяют количество витков в катушках: W = 50 / S.

На практике мощность выбирают исходя из предполагаемой нагрузки, с учетом потерь в сердечнике. Мощность вторичной обмотки Pн= Uн× Iн, а мощность первичной катушки Pс= Uс× Iс. В идеале Pн = Pс (если пренебречь потерями в сердечнике). Тогда k = Uс / Uн = Iс / Iн , то есть, токи в каждой из обмоток имеют обратно пропорциональную зависимость от их напряжений, следовательно, и от количества витков.

Особенности работы ТН в сетях с изолированной и заземленной нулевой точкой

Электрические высоковольтные сети имеют два исполнения: с изолированной нулевой шиной, либо с компенсированной и заземленной нейтралью. Первый режим подсоединения нулевой точки позволяет не отключать сеть при однофазных (ОЗ) или дуговых замыканиях (ДЗ). ПУЭ допускают работу линий с изолированной нейтралью до восьми часов при однофазном замыкании, но с оговоркой, что в это время ведутся работы по устранению неисправности.

Повреждение электрооборудования возможно из-за повышения фазного напряжения до линейного и последующего за этим появления дуги, носящей переменный характер. Независимо от причины возникновения и режима работы это наиболее опасный вид замыканий с большим коэффициентом перенапряжения. Именно в этом случае велика вероятность появления феррорезонанса в сети.

Феррорезонансный контур в силовых сетях с изолированной нейтралью представляет собой цепочку нулевой последовательности с нелинейным намагничиванием. Трехфазный не заземляемый ТН по сути – это три однофазных трансформатора, соединенные по схеме звезда-звезда. При перенапряжениях в зонах, где он установлен, индукция в его сердечнике увеличивается примерно в 1,73 раза, являясь причиной появления феррорезонанса.

Для защиты от этого явления разработаны особые методы:

• изготовление ТН и ТТ с низкой собственной индукцией;
• включение в их цепь дополнительных демпферных элементов;
• изготовление 3-хфазных трансформаторов с единой магнитной системой в 5-тистержневом исполнении;
• заземление нейтрального провода через токоограничивающий реактор;
• использование компенсационных обмоток и т.п.;
• применение релейных схем, защищающих обмотки ТН от сверхтоков.

Эти меры защищают измерительные ТН, но полностью не решают проблему безопасности. Помочь в этом могут заземляемые приборы, устанавливаемые в сетях с изолированной нейтральной шиной.

В ПУЭ приводится обоснование допустимости кратковременного заземления нейтрали небольшой индуктивностью обмотки ТН. Для этого в сети используется автоматика, которая силовыми контактами при возникновении ОЗ через 0,5 секунды ненадолго подключает трансформатор к сборным шинам. Благодаря эффекту глухозаземленной нейтрали при однофазном замыкании на землю в защитной цепи начинает течь ток, ограниченный индуктивностью ТН. Вместе с тем его величина достаточна для того, чтобы сработала аппаратура защиты от ОЗ и создала условия для гашения опасного дугового разряда.