Силовые трансформаторы: устройство и принцип действия

Виды трансформаторов тока

Следует выделить три основных вида.

1. Сухие трансформаторы: у них первичная обмотка имеет физическую связь со вторичной. Значение вторичного тока непосредственно зависит от коэффициента трансформации.
2. Тороидальные: устанавливаются на шину или кабель и потому не имеют первичной обмотки. Первичный ток протекает по проводнику в середине корпуса. Такие трансформаторы с раздвоенным ядром (могут открываться без отключения первичной цепи) могут выполнять защитную функцию (от КЗ сети).
3. Высоковольтные (масляные или газовые): могут быть с первичной обмоткой или без нее (шинного типа). Кроме измерительной могут иметь дополнительную вторичную обмотку – для обеспечения работы релейной защиты.

Компания https://www.liderteh.ru/ специализируется на продаже, монтаже и сервисном обслуживании:

• стабилизаторов напряжения;
• источников бесперебойного питания;
• электростанций.

История создания трансформаторов

Для создания трансформаторов необходимо было изучение свойств материалов: неметаллических, металлических и магнитных, создания их теории.

Столетов Александр Григорьевич (профессор Московского университета) сделал первые шаги в этом направлении – обнаружил петлю гистерезиса и доменную структуру ферромагнетика (1880-е).

Братья Гопкинсоны разработали теорию электромагнитных цепей.

В 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции, лежащее в основе действия электрического трансформатора, при проведении им основополагающих исследований в области электричества.

Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своём приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного тока.

В 1848 году французский механик Г.Румкорф изобрёл индукционную катушку особой конструкции. Она явилась прообразом трансформатора.

30 ноября 1876 года, дата получения патента Яблочковым Павлом Николаевичем, считается датой рождения первого трансформатора переменного тока. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки.

Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон. В 1885г. венгерские инженеры фирмы «Ганц и К°» Отто Блати, Карой Циперновский и Микша Дери изобрели трансформатор с замкнутым магнитопроводом, который сыграл важную роль в дальнейшем развитии конструкций трансформаторов.

Большую роль для повышения надежности трансформаторов сыграло введение масляного охлаждения (конец 1880-х годов, Д.Свинберн). Свинберн помещал трансформаторы в керамические сосуды, наполненные маслом, что значительно повышало надежность изоляции обмоток.

С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току. Русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский в 1889г. предложил трёхфазную систему переменного тока с тремя проводами (трехфазная система переменного тока с шестью проводами изобретена Николой Тесла), построил первый трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутой обмоткой типа «беличья клетка» и трехфазной обмоткой на роторе (трехфазный асинхронный двигатель изобретен Николой Тесла), первый трёхфазный трансформатор с тремя стержнями магнитопровода, расположенными в одной плоскости. На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891г. Доливо-Добровольский демонстрировал опытную высоковольтную электропередачу трёхфазного тока протяжённостью 175 км. Трёхфазный генератор имел мощность 230 кВт при напряжении 95 В.

1928 год можно считать началом производства силовых трансформаторов в СССР, когда начал работать Московский трансформаторный завод (впоследствии – Московский электрозавод).

В начале 1900-х годов английский исследователь-металлург Роберт Хедфилд провёл серию экспериментов для установления влияния добавок на свойства железа. Лишь через несколько лет ему удалось поставить заказчикам первую тонну трансформаторной стали с добавками кремния.

Следующий крупный скачок в технологии производства сердечников был сделан в начале 30-х годов XX в, когда американский металлург Норман П. Гросс установил, что при комбинированном воздействии прокатки и нагревания у кремнистой стали появляются незаурядные магнитные свойства в направлении прокатки: магнитное насыщение увеличивалось на 50%, потери на гистерезис сокращались в 4 раза, а магнитная проницаемость возрастала в 5 раз.

Дополнительные исходные величины

К данным параметрам относятся характеристики материалов и величины связанные с электрическим режимом и геометрией трансформатора.

К характеристикам материалов относятся удельные сопротивления ρ₂₀ и плотность магнитного и проводникового ρ_К материала.

Для горячекатаной стали ρ_С = 7,55, холоднокатаной стали ρ_С = 7,65, сплавов 50Н ρ_С = 8,2, 80НХС, 79НМ ρ_С = 8,5 г/см3, для меди ρ_К = 8,9, для алюминия 2,7 г/см3.

Режимы работы трансформатора

Режим холостого хода

Данный режим характеризуется разомкнутой вторичной цепью трансформатора, вследствие чего ток в ней не течёт. По первичной обмотке протекает ток холостого хода, главной составляющей которого является реактивный ток намагничивания. С помощью опыта холостого хода можно определить КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике (т.н. «потери в стали»).

Режим нагрузки

Этот режим характеризуется работой трансформатора с подключенными источником в первичной и нагрузкой во вторичной цепи трансформатора. В вторичной обмотке протекает ток нагрузки, а в первичной – ток, который можно представить как сумму тока нагрузки (пересчитанного из соотношения числа витков обмоток и вторичного тока) и ток холостого хода. Данный режим является основным рабочим для трансформатора.

Режим короткого замыкания

Этот режим получается в результате замыкания вторичной цепи накоротко. Это разновидность режима нагрузки, при котором сопротивление вторичной обмотки является единственной нагрузкой. С помощью опыта короткого замыкания можно определить потери на нагрев обмоток в цепи трансформатора («потери в меди»). Это явление учитывается в схеме замещения реального трансформатора при помощи активного сопротивления.

Режим холостого хода

При равенстве вторичного тока нулю (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток, протекающий через первичную обмотку, равен переменному току намагничивания, нагрузочные токи отсутствуют. Для трансформатора с сердечником из магнитомягкого материала (ферромагнитного материала, трансформаторной стали) ток холостого хода характеризует величину потерь в сердечнике (на вихревые токи и на гистерезис) и реактивную мощность перемагничивания магнитопровода. Мощность потерь можно вычислить, умножив активную составляющую тока холостого хода на напряжение, подаваемое на трансформатор.

Для трансформатора без ферромагнитного сердечника потери на перемагничивание отсутствуют, а ток холостого хода определяется сопротивлением индуктивности первичной обмотки, которое пропорционально частоте переменного тока и величине индуктивности.

Напряжение на вторичной обмотке в первом приближении определяется законом Фарадея.

Режим короткого замыкания

В режиме короткого замыкания, на первичную обмотку трансформатора подаётся переменное напряжение небольшой величины, выводы вторичной обмотки соединяют накоротко. Величину напряжения на входе устанавливают такую, чтобы ток короткого замыкания равнялся номинальному (расчётному) току трансформатора. В таких условиях величина напряжения короткого замыкания характеризует потери в обмотках трансформатора, потери на омическом сопротивлении. Мощность потерь можно вычислить, умножив напряжение короткого замыкания на ток короткого замыкания.

Данный режим широко используется в измерительных трансформаторах тока.

Режим нагрузки

При подключении нагрузки к вторичной обмотке во вторичной цепи возникает ток нагрузки, создающий магнитный поток в магнитопроводе, направленный противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате в первичной цепи нарушается равенство ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения.

Мгновенный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора определяется интегралом по времени от мгновенного значения ЭДС в первичной обмотке и в случае синусоидального напряжения сдвинут по фазе на 90° по отношению к ЭДС. Наведённая во вторичных обмотках ЭДС пропорциональна первой производной от магнитного потока и для любой формы тока совпадает по фазе и форме с ЭДС в первичной обмотке.

Виды трансформаторов

Автотрансформатор 

Это вариант трансформатора, принцип работы которого заключается в соединении вторичной и первичной обмотки напрямую, в обмотках прослеживается электрическая и электромагнитная связь. Для подключения и получения различного напряжения в обмотке предусмотрено несколько выводов.

Этот вид приборов работает с высоким коэффициентом полезного действия, так как преобразовывается только некоторая часть мощности, что важно при небольшой разнице входного и выходного напряжения. 

К отрицательным характеристикам относится отсутствие гальванической развязки (изолирующего слоя) между вторичной и первичной цепью. Используют автотрансформаторы на месте обычных агрегатов для соединения заземленных контуров с показателями напряжения от 110 КВт, при этом коэффициент трансформации не должен превышать показание 3−4.

Положительным является низкая стоимость из-за меньшего веса сердечнниковой стали, медных проводов, отсюда маленькая масса прибора и небольшие габариты.

Силовой

Обычный стандартный прибор для преобразования электричества в сетях и устройствах, принимающих и использующих электрическую энергию.

Трансформатор тока

Принцип работы и устройство трансформатора заключается в подаче питания от источника электричества. Наиболее актуальным является использование для снижения первичных показателей тока до величины, применяемой в измерительных и защитных цепях, сигнализации и управления. Во вторичной обмотке отмечаются показатели тока 5 А или 1 А. Измерительные устройства подключаются к вторичной обмотке, а к первичной подключается цепь, в которой измеряют ток. Для расчета тока во второй обмотке используют показания в первичной обмотке и делят на коэффициент трансформации.

Трансформатор напряжения

Это прибор для преобразования больших показателей напряжения в низкие значения в стандартных цепях, измерительных линиях, и контурах РЗиА. Устройство питается от источника электрического напряжения, изолирует логические защитные контуры и измерительные цепи от цепи с высокими показателями напряжения.

Импульсного действия

Прибор используется для преобразования сигналов импульса с минимальным искажением формы и длительностью до десятков микросекунд. В основном применяется для передачи импульса прямоугольного типа (наиболее крутой срез и фронт, примерно постоянное колебание амплитуды). Служит для преобразования коротких видеоимпульсов, постоянно повторяющихся, основной задачей является передача трансформируемых импульсов в первоначальном и неискаженном виде. На выходе обмоток требуется получить ту же форму импульса напряжения, но иногда меняется полярность или амплитуда.

Разделительный тип

У этого прибора первичная и вторичная обмотки никак не связаны. Трансформатор используется для увеличения безопасного подключения к электрическим сетям, для случаев одновременного прикасания к токоведущим деталям и земле. Защищает от одновременного прикасания к деталям, которые не находятся под действием тока, но могут под ним оказаться в результате нарушения изоляции. Агрегаты призваны обеспечить гальваническую развязку (изоляцию) электрических цепей.

Пик-трансформатор

Служит для преобразования синусоидального тока в импульсное напряжение с полярностью, меняющейся через каждые полпериода.

Сдвоенный дроссель

Индуктивный встречный фильтр или сдвоенный дроссель представляет собой тип устройства с использованием двух обмоток. Из-за взаимной катушечной индукции он действует эффективнее, чем одинарный дроссель. Используется в качестве входного фильтровального приспособления перед блоками питания, в сигнальных дифференциальных цифровых контурах и в технике со звуком.

Броневой трехфазный

Выпускают две различных базовых конструкции:

• стержневую;
• броневую.

Обе конструкции не изменяют эксплуатационные качества и надежность прибора, но при изготовлении имеются существенные различия:

• стержневой тип включает сердечник и обмотки, при взгляде на конструкцию сердечник скрыт за обмотками, видно только нижнее и верхнее ярмо, ось обмоток имеет вертикальное расположение;
• броневой вид прибора включает сердечник в виде обмоток, при этом видно, что сердечник скрывает за собой часть обмоток трансформатора, ось обмоток может располагаться в вертикальном или горизонтальном положении.

ВИДЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ

В зависимости от специфических функций, выполняемых трансформаторами, они подразделяются на несколько основных типов:

• силовые, предназначенные для трансформации мощности;
• измерительные, к которым относятся трансформаторы тока и напряжения;
• разделительные, служащие для разделения электрических цепей.

Силовые трансформаторы используются на электрических станциях, в распределительных сетях и в точках потребления электроэнергии. Основная их функция — трансформирование передаваемой электрической энергии с одной ступени напряжения в другую.

Смысл смены ступеней напряжения заключается в том, что выработка, транспортировка и потребление электрической энергии происходит на разных уровнях напряжения.

Мощные турбогенераторы электрических станций вырабатывают электроэнергию напряжением 20 кВ. Передача энергии на большие расстояния осуществляется по воздушным линиям (ЛЭП), имеющим напряжение сотни киловольт — 110, 220, 500 кВ.

Более высокое напряжение (750 и 1150 кВ) применяется реже ввиду дороговизны оборудования и ряда технических сложностей. Повышение напряжения транспортировки электроэнергии позволяет снизить её потери.

Потребляется же большая часть электричества с напряжением 0,4 кВ. Максимальное напряжение конечных электрических устройств составляет не более нескольких киловольт. К таким устройствам относятся высоковольтные приводные двигатели мощных производственных механизмов, тяговые двигатели электровозов, питающихся от контактных электрических сетей.

Таким образом, электрическая энергия на своём пути от её производства до поступления к конечному потребителю несколько раз изменяет уровень напряжения. Эту работу выполняют силовые трансформаторы, установленные на электрических станциях и подстанциях распределительных сетей.

Измерительные трансформаторы используются в цепях измерения, защиты и контроля. Устройства этого типа осуществляют преобразование первичных значений тока и напряжения в пропорциональные им вторичные величины, необходимые для работы измерительных приборов, устройств защиты и автоматики.

Преобразование токовых величин осуществляется трансформаторами тока, для контроля уровня напряжения служат трансформаторы напряжения. Измерительные трансформаторы относятся к средствам измерений и подлежат периодической метрологической поверке, так же как все измерительные приборы.

Разделительные трансформаторы используются в тех случаях, когда необходимо обеспечить гальваническую развязку между отдельными участками электросетей.

Необходимость такого разделения может диктоваться требованиями электробезопасности. Например, таким способом осуществляется питание некоторых видов медицинского оборудования. В данном случае используется одно из основных свойств, присущих трансформатору — отсутствие гальванической связи между его обмотками.

 

Устройство трансформатора

Корпус аппарата представляет собой бак, в который заливается масло. Масло насыщается минералами, чтобы лучше отводить тепло. Выбросы тепловой энергии при работе трансформатора огромны. Однако даже такие потери в тысячи раз меньше возможных утечек энергии при транспортировке.

Масло циркулирует по внутреннему и внешнему контуру трансформатора. Отдельно отметим, что внешний контур часто представляет собой оребренный радиатор. Увеличение площади теплоотдачи приводит к улучшению отдачи тепла. Проще говоря, чем больше площадь соприкосновения масла из внутреннего контура и внешнего радиатора – тем лучше будет отводится тепло, тем меньше вероятность аварии на трансформаторной подстанции.

Само устройство силового трансформатора представляет собой квадратного сечения сердечник, набранный из тонких электростальных пластинок. Используются именно наборные сердечники, чтобы свести к минимум появление самоиндукционных токов, которые приводят к перегреву и увеличению потерь энергии.

На противоположные стороны квадрата наносят обмотку. Обмотка, на которую поддается ток, называется первичной, обмотка, отдающая преобразованную энергию, вторичной.

Разновидности трансформаторов тока

Выбирать прибор, подходящий под напряжение сети или конкретные работы, необходимо на основании классификации по разным признакам.

Назначение

Существуют такие трансформаторы:

• измерительные – замеряют параметры цепи;
• защитные – предотвращают перегрузки, выход оборудования из строя;
• промежуточные – подключаются в цепь с релейной защитой, выравнивают токи в схемах дифзащиты;
• лабораторные – отличаются высокой точностью.

Тип монтажа

Для частного дома и квартиры можно подобрать аппарат, монтируемый внутри или снаружи помещения. Некоторые модификации встраиваются в оборудование, а также надеваются на проходную изоляцию. Для измерения и лабораторных тестов используются переносные модели.

Конструкция первичной обмотки

Существуют шинные, одновитковые (со стержнем) и многовитковые (с катушкой, обмоткой петлевого типа и «восьмеркой») устройства.

Тип изоляции

Бывают следующие преобразователи:

• сухая изоляция – на основе литой эпоксидки, фарфора или бакелита;
• бумажно-масляная – стандартная или конденсаторная;
• газонаполненные – внутри находится неорганический элегаз с высоким пробивным напряжением;
• компаундные – внутри находится заливка из термоактивной и термопластичной смолой.

В зависимости от количества ступеней трансформации можно подобрать одноступенчатые и каскадные модели. Вся линейка имеет рабочее напряжение более 1000 В.