Трансформаторы. Дима. Трансформаторы Общее устройство и назначение
 Скачать 438.29 Kb.
|
|
Трансформаторы 1.Общее устройство и назначение Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения. Такое преобразование необходимо во всех отраслях промышленности. В частности в энергетике применение трансформаторов обеспечивает основное преимущество электрической энергии – возможность передачи ее на большие расстояния с минимальными потерями. При передаче электроэнергии в линии электропередачи возникают потери энергии. Эти потери определяются током Iл в линии передачи и сопротивлением ее проводов Rл Мощность, передаваемая в линии передачи, определяется током и напряжением в ЛЭП: P = IлUл . Назначение трансформаторов Разные виды трансформаторов используются практически во всех схемах питания электрических приборов и при передаче электроэнергии на большие расстояния. Электростанции вырабатывают ток относительно небольшого напряжения – 220, 380, 660В. Трансформаторы, повышая напряжение до значений порядка тысяч киловольт, позволяют существенно снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, а заодно и уменьшить площадь сечения проводов ЛЭП. Непосредственно перед тем как попасть к потребителю (например, в обычную домашнюю розетку), ток проходит через понижающий трансформатор. Именно так мы получаем привычные нам 220 Вольт. Самый распространенный вид трансформаторов – силовые трансформаторы. Они предназначены для преобразования напряжения в электрических цепях. Помимо силовых трансформаторов в различных электронных приборах применяются: импульсные трансформаторы; силовые трансформаторы; трансформаторы тока. Промышленный СТ производят на крупных электротехнических заводах страны. Промышленность выпускает установки мощностью свыше 1 млн. кВА. Амплитуда классов промышленных напряжений достигает 1,15 – 1,5 мегавольт. СТ с генераторов ТЭС снимает со щёточных аппаратов ток амплитудой до 24 кВ. Дальнейшее повышение амплитуды происходит в СТ до классов: 110 – 1150 кВ. По территории России ЛЭП работают амплитудой: 10 – 1050 кВ. Потребителям по ВЛ понижающими устройствами ток подаётся амплитудой: 0,4 -10 кВ промышленного назначения, 220 – 380 В сферы ЖКХ, населению МКД, частных секторов.  Схема передачи электроэнергииВ сетях подстанций происходит многократного цикла трансформация электричества. Она меняется регулярно мощными СТ. Их потенциал, амплитуды в 30 раз выше, снятой со щёточных аппаратов генераторов ТЭС, ГЭС, АЭС, ВЭС. Промышленный СТ поддерживает постоянной частоту тока 50 (+/- 1%) Гц. Предел отклонения по ПУЭ держат 1% по причине выхода из строя всех установок потребителей. СТ промышленного применения делают 3-фазного исполнения. Для 1-фазной сети производят 1-фазные устройства. Принцип работы трансформатораТрансформаторы бывают однофазные и многофазные, с одной, двумя или большим количеством обмоток. Рассмотрим схему и принцип работы трансформатора на примере простейшего однофазного трансформатора. Кстати, в других статьях можно почитать, что такое фаза и ноль в электричестве. Из чего состоит трансформатор? Во простейшем случае из одного металлического сердечника и двух обмоток. Обмотки электрически не связаны одна с другой и представляют собой изолированные провода. Одна обмотка (ее называют первичной) подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, называемая вторичной, подключается к конечному потребителю тока. Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, в витках его первичной обмотки течет переменный ток величиной I1. При этом образуется магнитный поток Ф, который пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС. Бывает, что вторичная обмотка не находится под нагрузкой. Такой режимы работы трансформатора называется режимом холостого хода. Соответственно, если вторичная обмотка подключена к какому-либо потребителю, по ней течет ток I2, возникающий под действием ЭДС.  Величина ЭДС, возникающей в обмотках, напрямую зависит от числа витков каждой обмотки. Отношение ЭДС, индуцированных в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению количества витков соответствующих обмоток.  Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки. Технические характеристики Показатели, которыми характеризуются любой ТР, это: напряжение в обеих обмотках; ток в обеих обмотках; коэффициент трансформации. Каждый провод может пропускать через себя сигнал с ограниченными параметрами U и I, поэтому данные величины тоже указывают в параметрах. Коэффициент трансформации показывает, как меняется величина сигнала при переходе из первичной обмотки во вторичную. Хотя в технической документации указываются такие данные, как: Мощность. Потери мощности в различных режимах работы. Заявленные уровни напряжения. Габариты, вес. Схема соединения обмоток. Группа соединения проводов. Структура условного обозначения трансформатора Буквы в начале условного обозначения означают:
 Холостой ход трансформатора и работа под нагрузкой. Трансформатор на холостом ходу (нагрузка отсутствует) При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Сердечник концентрирует магнитное поле, так что магнитный поток существует практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях. В режиме холостого хода, то есть при разомкнутой цепи вторичной обмотки, ток в первичной обмотке весьма мал из-за большого индуктивного сопротивления обмотки. В этом режиме трансформатор потребляет небольшую мощность. Если полную ЭДС индукции, возникающую в первичной обмотке (имеющей N1 витков) обозначить как ε1, а полную ЭДС индукции, возникающую во вторичной обмотке (N2 витков) как ε2, то имеет место следующее соотношение:
Активное сопротивление обмоток трансформатора мало, и им можно пренебречь. В этом случае модуль напряжения на зажимах катушки приблизительно равен модулю ЭДС индукции.
Величина K называется коэффициентом трансформации. При K > 1 трансформатор является понижающим, а при K < 1 – повышающим. Работа нагруженного трансформатора Если к концам вторичной обмотки присоединить нагрузку, потребляющую электроэнергию, то сила тока во вторичной обмотке уже не будет равна нулю. Появившийся ток создает в сердечнике свой переменный магнитный поток, который по правилу Ленца должен уменьшить изменения магнитного потока в сердечнике. Уменьшение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока должно уменьшить и ЭДС индукции в первичной обмотке. Но это невозможно, так как модуль напряжения на зажимах первичной катушки по прежнему приблизительно равен модулю ЭДС индукции. Поэтому при замыкании цепи вторичной обмотки автоматически увеличивается сила тока в первичной обмотке. Его амплитуда возрастает таким образом, чтобы восстановить прежнее значение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока. Мощность в первичной цепи при нагрузке трансформатора, близкой к номинальной, приблизительно равна мощности во вторичной цепи:
Отсюда:
Таким образом, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот). Коэффициент трансформации Коэффициентом трансформации трансформаторов называется отношение напряжения обмотки высшего напряжения (ВН) к напряжению обмотки низшего напряжения (НН) при холостом ходе:  Где: Кл- коэффициент трансформации линейных напряжений; U1 — линейное напряжение обмотки ВН; U2 — линейное напряжение обмотки НН. При определении коэффициента трансформации однородных трансформаторов или фазного коэффициента трансформации трехфазных трансформаторов отношение напряжения можно приравнять к отношению чисел витков обмотки где: Кф — фазный коэффициент трансформации; U1ф,U2ф — фазные напряжения обмоток ВН и НН соответственно; WI,W2 — число витков обмоток ВН и НН соответственно. При измерении линейного коэффициента трансформации трехфазного трансформатора равенство отношения высшего и низшего линейных напряжения обмоток и соответственно числа витков ВН и НН сохраняется лишь при одинаковых группах соединения этих обмоток. Если первичная и вторичная обмотки соединены по одинаковой схеме, например, обе в звезду, обе в треугольник и так далее, фазный и линейный коэффициенты трансформации равны друг другу. При различных схемах соединений обмоток, например, одной в звезду, а другой в треугольник, линейньй и фазный коэффициенты трансформации неодинаковы (они в данном случае отличаются друг от друга в 3 раз). Определение коэффициента трансформации производится на всех ответвлениях обмоток и для вех фаз. Эти измерения, кроме проверки самого коэффициента трансформации дают возможность проверить также правильность установки переключателя напряжения на соответствующих ступенях, а также целостность обмоток. Для определения коэффициента трансформации применяют метод двух вольтметров (рис.2)  Рис.2 Определение коэффициента трансформации. Со стороны высокого напряжения (ВН) подводится трехфазовое напряжение 220 В и измеряется напряжение на вторичной обмотке. Внимание! Напряжение подводится только к обмоткам ВН (А, В, С). Результаты измерений заносятся в таблицу 2. Пределы измерения вольтметров: PV1-250 В,PV2-15В. Примечание: В данной работе трансформатор имеет одно положение переключателя. Коэффициент трансформации отдельных фаз, замеренных на одних и тех же ответвлениях не должен отличаться друг от друга более чем на 2% Для определения потерь напряжения должны быть известны сопротивления жил кабелей и токи нагрузки в цепях напряжения. Сопротивление жил кабелей измеряется или определяется по формуле
где l - длина кабеля, м; - удельная проводимость, принимаемая для меди равной 57 и для алюминия - 34,5; q - сечение кабеля, мм2. Токи нагрузки определяются по наибольшим значениям потребляемой мощности аппаратуры, питающейся по данному кабелю, и могут быть подсчитаны для любого кабеля по выражениям (3) и (5). Для вычисления тока нагрузки следует разделить полученное значение потребляемой мощности на напряжение, которому соответствует эта мощность. При соединении ТН в открытый треугольник наибольший ток будет в фазе в, поэтому мощность должна определяться по нагрузкам, присоединенным к этой фазе (Saв и Sвс). Потери напряжения определяются как падение напряжения в последовательно соединенных кабелях в цепях основных обмоток трансформатора напряжения по выражению
где I1, I2, In - токи в последовательно соединенных n кабелях.; K1, K2, Kn - коэффициенты для пересчета фазного падения напряжения на линейное; при питании нагрузки по трем фазам коэффициент равен  , а при питании по двум жилам кабеля нагрузки, включенной на линейное напряжение, - 2.Определение потерь линейного, а не фазного напряжения производится потому, что потери линейного напряжения в вольтах равны потерям напряжения в процентах. В цепи 3Uо обычно последовательно соединены не более двух кабелей:
где коэффициентом 2 учитывается обратный провод. При необходимости прокладки нового кабеля в цепях напряжения (например, для питания новых нагрузок) сечение его жил должно выбираться по допустимым потерям напряжения. Если кабель присоединяется непосредственно к ТН, то для цепи основных обмоток
где Uдоп - допустимая для новой нагрузки потеря напряжения; Iнагр - ток новой нагрузки. Для цепи 3Uо
Если новый кабель присоединяется к ТН через другие питающие кабели, то вместо Uдоп в выражениях и следует подставлять Uдоп - Uпит, где Uпит потери напряжения в питающих кабелях. По полученному значению rпр.макс с помощью выражения вычисляется сечение жил кабеля q. Что такое КПД трансформатора и от чего зависит Коэффициентом полезного действия (полная расшифровка данной аббревиатуры) называют отношение полезной электроэнергии к поданной на прибор. Кроме энергии, показатель КПД может определяться расчётом по мощностным показателям при соотношении полезной величины к общей. Эта характеристика очень важна при выборе аппарата и определяет эффективность его использования. Величина КПД зависит от потерь энергии, которые допускаются в процессе работы аппарата. Эти потери существуют следующего типа: электрического – в проводниках катушек; магнитного – в материале сердечника. Величина указанных потерь при проектировании устройства зависит от следующих факторов: габаритных размеров устройства и формы магнитной системы; компактности катушек; плотности составленных комплектов пластин в сердечнике; диаметра провода в катушках. Снижение потерь в агрегате достигается в процессе проектирования устройства, с применением для изготовления сердечника магнито-мягких ферромагнитных материалов. Электротехническая сталь набирается в тонкие пластины, изолированные друг относительно друга специальным слоем нанесённого лака. Методы определения КПД КПД трансформатора можно подсчитать, с использованием нескольких методов. Данная величина зависит от суммарной мощности устройства, возрастая с увеличением указанного показателя. Значение эффективности колеблется в пределах от 0,8 до 0,92 при значении мощности от 10 до 300 кВт Формула для вычисления данного показателя может быть представлена в нескольких выражениях: ɳ = (Р2/Р1)х100% = (Р1 – ΔР)/Р1х100% = 1 – ΔР/Р1х100%, в которой: ɳ – значение КПД; Р2 и Р1 – соответственно величина полезной и потребляемой сетевой мощности; ΔР – величина суммарных мощностных потерь. Из указанной формулы видно, что значение показателя КПД не может превышать единицу. Мощность трансформатора При проектировании трансформаторов основным параметром является его мощность. Именно она определяет габариты трансформатора. При этом основным определяющим фактором будет полная мощность, отдаваемая в нагрузку:  Для трансформатора с большим количеством вторичных обмоток полную мощность можно определить, просуммировав мощности, потребляемые нагрузками, подключенными ко всем его обмоткам:  При полностью резистивной нагрузке (отсутствие индуктивной и емкостной составляющей в токе) потребляемая мощность активна и равна отдаваемой мощности S2. При расчете трансформатора важным параметром является типовая или габаритная мощность трансформатора. В этом параметре кроме полной мощности учитывается мощность, потребляемая трансформатором от сети по первичной обмотке. Типовая мощность трансформатора вычисляется следующим образом:  Определим типовую мощность для трансформатора с двумя обмотками. Полная мощность первичной обмотки S1 = U1I1, где U1, I1 — действующие значения напряжения и тока Именно этой мощностью определяются габариты первичной обмотки. При этом число витков первичной обмотки трансформатора зависит от входного напряжения, сечение провода от протекающего по ней максимального тока (действующее значение). Габаритная мощность трансформатора определяет необходимое сечение сердечника sс. Ее можно рассчитать следующим образом:  Трехфазные трансформаторы, схемы соединений обмоток Трехфазный трансформатор служит для более эффективной транспортировки энергии до требуемой точки. Он преобразует напряжение переменного тока до необходимых величин. Преобразовывать энергию можно и однофазным трансформатором – иногда для трехфазных систем приходится использовать группу таких устройств. Они довольно мощные, применяются в основном на крупных электросетях. Обмотки таких конструкций соединяются звездой или треугольником, друг с другом не объединены магнитной связкой. Тем не менее, трехфазный ток практичнее трансформировать одним трансформатором на три фазы. У такого трансформатора обмотки имеют одну магнитную цепь. Его электрические и электромагнитные цепи соединены в одну систему. Такая система более совершенна, но и более сложна в производстве и ремонте, что ограничивает распространенность ее применения в устройствах мощностью до 250 кВ-А. В статье читатель найдет видео c наглядным разбором принципа работы трехфазного трансформатора и сможет скачать учебное пособие Е. И. Забудского «Расчет основных размеров трехфазных трансформаторов». Схемы соединений обмоток трехфазных трансформаторов Трехфазный трансформатор имеет две трехфазные обмотки - высшего (ВН) и низшего (НН) напряжения, в каждую из которых входят по три фазные обмотки, или фазы. Таким образом, трехфазный трансформатор имеет шесть независимых фазных обмоток и 12 выводов с соответствующими зажимами, причем начальные выводы фаз обмотки высшего напряжения обозначают буквами A, B, С, конечные выводы - X, Y, Z, а для аналогичных выводов фаз обмотки низшего напряжения применяют такие обозначения: a,b,c,x,y,z. Каждая из обмоток трехфазного трансформатора — первичная и вторичная — может быть соединена тремя различными способами, а именно: звездой; треугольником; зигзагом. В большинстве случаев обмотки трехфазных трансформаторов соединяют либо в звезду, либо в треугольник  Типы обмоток низкого и высокого напряжения Трехфазный трансформатор имеет две трехфазные обмотки - высшего (ВН) и низшего (НН) напряжения, в каждую из которых входят по три фазные обмотки, или фазы. Таким образом, трехфазный трансформатор имеет шесть независимых фазных обмоток и 12 выводов с соответствующими зажимами, причем начальные выводы фаз обмотки высшего напряжения обозначают буквами A, B, С, конечные выводы - X, Y, Z, а для аналогичных выводов фаз обмотки низшего напряжения применяют такие обозначения: a,b,c,x,y,z По тому, как располагается обмотка, выделяют следующие ее виды: Концентрическая. Они имеют цилиндрическую форму и располагаются на магнитном проводе. В этом случае обмотки НН (низкого напряжения) и ВН (высокого напряжения) располагаются напротив друг друга. Как правило, ближе к проводу расположена НН обмотка. Чередующаяся – это обмотка НН и ВН трансформатора. Они меняются местами вверх по оси стержня. При сильном напряжении изолировать обмотки бывает трудно. Именно поэтому чаще всего прибегают к первому варианту. |
