Трансформатор: создание и принцип действия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Трансформатор: создание и принцип действия

2. Классификация трансформаторов

3. Устройство трансформатора

Заключение

Список литературы

Введение

Цель написания реферата - ознакомится с историей изобретения трансформаторов, основными определениями, принципом действия и классификацией трансформаторов, устройством трансформаторов.

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока. В общем случае вторичная система переменного тока может отличаться любыми параметрами: величиной напряжения и тока, числом фаз, формой кривой напряжения (тока), частотой. Наибольшее применение в электротехнических установках, а также в энергетических системах передачи и распределения электроэнергии имеют силовые трансформаторы, посредством которых изменяют величину переменного напряжения и тока. При этом число фаз, форма кривой напряжения (тока) и частота остаются неизменными. Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопровода (сердечника, выполненного из ферромагнитного материала (обычно листовая электротехническая сталь), и двух обмоток, расположенных на стержнях магнитопровода (рис.1). Одна из обмоток присоединена к источнику переменного тока Г на напряжение U), эту обмотку называют первичной. К другой обмотке подключен потребитель ZH, ее называют вторичной. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток I1, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками (первичной и вторичной) и индуктирует в них ЭДС:

При подключении нагрузки ZH к выводам вторичной обмотки транс-форматора под действием ЭДС е1 в цепи этой обмотки создается ток I2 , а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U2. В повышающих трансформаторах U2 > U1, а в понижающих U2 <U1.

Из (1) и (2) следует, что ЭДС е1 и е2 отличаются друг от друга числом витков обмоток, в которых они наводятся. Поэтому, применяя обмотки с требуемым соотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое отношение напряжений.

Рис. 1 Конструктивная (а) и принципиальная (б) схемы однофазного двухобмоточного трансформатора

Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения,- обмоткой низшего напряжения (НН). Трансформаторы обладают свойством обратимости: один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повышающего и понижающего. Но обычно трансформатор имеет определенное назначение: либо он является повышающим, либо понижающим. Трансформатор -- это аппарат переменного тока. Если же его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то магнитный поток в магнитопроводе трансформатора также будет постоянным как по величине, так и по направлению. Поэтому в обмотках трансформатора не будет наводиться ЭДС.

1. Трансформатор: создание и принцип действия

Одним из важнейших преимуществ переменного тока перед постоянным является легкость и простота, с которой можно преобразовать переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Достигается это посредством простого и остроумного устройства - трансформатора, созданного в 1876 г. замечательным русским ученым Павлом Николаевичем Яблочковым.

П.Н. Яблочков предложил способ «дробления света» для своих свечей при помощи трансформатора. В дальнейшем конструкцию трансформаторов разрабатывал другой русский изобретатель И.Ф. Усагин, который предложил применять трансформаторы для питания не только свечей Яблочкова, но и других приемников.

В дальнейшем несколько конструкций однофазных трансформаторов с замкнутым магнитопроводом были созданы венгерскими электротехниками О. Блати, М. Дери и К. Циперновским. Для развития трансформаторостроения и вообще электромашиностроения большое значение имели работы профессора А.Г. Столетов по исследованию магнитных свойств стали и расчету магнитных цепей.

Важная роль в развитии электротехники принадлежит М.О. Доливо-Добровольскому. Он разработал основы теории многофазных и, в частности, трехфазных переменных токов и создал первые трехфазные электрические машины и трансформаторы. Трехфазный трансформатор современной формы с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости, был сконструирован им в 1891 г. С тех пор происходило дальнейшее конструктивное усовершенствования трансформаторов, уменьшалась их масса и габариты, повышалась экономичность. Основные положения теории трансформаторов были разработаны в трудах Е. Арнольда и М. Видмара.

В развитии теории трансформаторов и совершенствовании их конструкции большое значение имели работы советских ученых В.В. Корицкого, Л.М. Пиотровского, Г.Н. Петрова, А.В. Сапожникова, А.В. Трамбицкого и др.

Трансформатор представляет собой сердечник из тонких стальных изолированных одна от другой пластин, на котором помещаются две, а иногда и больше обмоток из изолированного провода. Обмотка, к которой присоединяется источник электрической энергии переменного тока, называется первичной обмоткой, остальные обмотки - вторичными.

Если во вторичной обмотке трансформатора намотано в три раза больше витков, чем в первичной, то магнитное поле, созданное в сердечнике первичной обмоткой, пересекая витки вторичной обмотки, создаст в ней в три раза больше напряжение.

Применив трансформатор с обратным соотношением витков, можно так же легко и просто получить пониженное напряжение.

С допустимой для практики точностью можно считать, что отношение числа витков первичной обмотки к вторичной равно отношению приложенного напряжения к выходному.

Это отношение, называемое коэффициентом трансформации, обычно сокращают на меньшее из чисел, и тогда коэффициент трансформации получают в виде отношения единицы к некоторому числу (1:4; 1:50) или, наоборот, некоторого числа к единице (4:1; 50:1).

В радиоаппаратуре трансформаторы используются в первую очередь в питающих устройствах, позволяющих питать приемники от осветительной сети переменного тока. Такие трансформаторы называются силовыми. Кроме того, трансформаторы используются для понижения и повышения напряжения различной частоты в усилителях и радиоприемниках. Для низких (звуковых) частот эти трансформаторы изготовляются с сердечниками из листовой стали. Для токов сравнительно высокой частоты трансформаторы, как и катушки индуктивности, делаются или совсем без стальных сердечников или с сердечниками из магнетита, альсифера, карбонильного железа и других специальных металлов.

Иногда для экономии провода и стали применяют трансформаторы, в которых одна обмотка является частью другой, то есть гальванической развязки между входной и выходной цепью нет. Такие трансформаторы, называют автотрансформаторами, они могут повышать напряжение, для чего обмотка, включаемая в сеть, должна составлять часть обмотки, дающей выходное напряжение, и понижать его, для чего обмотка, с которой снимается напряжение, должна составлять часть сетевой обмотки.

Применение автотрансформаторов в радиоприемниках связано с некоторыми неудобствами, поэтому в любительских и улучшенных промышленных радиоприёмниках автотрансформаторы широкого распространения не получили. В основном они нашли применение в дешевых массовых промышленных приемниках, а также в качестве устройств для поддержания необходимого напряжения при питании радиоприемников от осветительной сети, напряжение которой подвержено колебаниям.

2. Классификация трансформаторов

трансформатор электромагнитный ток индукция

Конструкция трансформаторов в значительной степени зависит от их назначения, по этому признаку трансформаторы разделяют на следующие основные виды:

1) силовые, применяемые:

а) в системах передачи и распределения электроэнергии;

б) для установок со статическими преобразователями (ионными или полупроводниковыми) при преобразовании переменного тока в постоянный (выпрямители) или постоянного в переменный (инверторы);

в) для получения требуемых напряжений в цепях управления электроприводами и в цепях местного освещения;

2) силовые специального назначения -- печные, сварочные т. п.;

3) измерительные -- для включения электрических измерительных приборов в сети высокого напряжения или сильного тока;

4) испытательные -- для получения высоких и сверхвысоких напряжений, необходимых при испытаниях на электрическую прочность электроизоляционных изделий;

5) радиотрансформаторы -- применяемые в устройствах радио- и проводной связи, в системах автоматики и телемеханики для получения требуемых напряжений, согласования сопротивлений электрических цепей, гальванического разделения цепей и др.

Трансформаторы одного и того же назначения могут различаться:

по виду охлаждения--с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением;

по числу трансформируемых фаз--однофазные и многофазные;

по форме магнитопровода -- стержневые, броневые, бронестержневые, тороидальные;

по числу обмоток -- двухобмоточные и многообмоточные (одна первичная и две или более вторичных обмоток);

по конструкции обмоток -- с концентрическими и чередующимися обмотками.

3. Устройство трансформатора

Магнитопровод.

Трансформаторы в зависимости от конфигурации магнитопровода подразделяют на стержневые, броневые и тороидальные.

В стержневом трансформаторе (рис. 3, а) обмотки 2 охватывают стержни магнитопровода 1; в броневом (рис. 3,б), наоборот, магнитопровод 1 охватывает частично обмотки 2 и как бы бронирует их; в тороидальном (рис. 3, в) обмотки 2 намотаны на магнитопровод 1 равномерно по всей окружности.

Рис. 2 Устройство стержневого (а), броневого (б) и тороидального (в) трансформаторов

Трансформаторы большой и средней мощности обычно выполняют стержневыми. Их конструкция более простая и позволяет легче осуществлять изоляцию и ремонт обмоток. Достоинством их являются также лучшие условия охлаждения, поэтому они требуют меньшего расхода обмоточных проводов. Однофазные трансформаторы малой мощности чаще всего выполняют броневыми и тороидальными, так как они имеют меньшую массу и стоимость по сравнению со стержневыми трансформаторами из-за меньшего числа катушек и упрощения процесса сборки и изготовления. Тяговые трансформаторы с регулированием напряжения на стороне низшего напряжения -- стержневого типа, а с регулированием на стороне высшего напряжения -- броневого типа.

Магнитопроводы трансформаторов (рис. 4) для уменьшения потерь от вихревых токов собирают из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Обычно применяют горячекатаную сталь с высоким содержанием кремния или холоднокатаную сталь. Листы изолируют один от другого тонкой бумагой или лаком.

Рис. 3 Магнитопроводы однофазного тягового (а) и силового трехфазного (б) трансформаторов: 1 -- стержень; 2 -- ярмовые балки; 3 -- стяжные шпильки; 4 -- основание для установки катушек; 5 -- ярмо

Стержни магнитопровода трансформатора средней мощности имеют квадратное или крестовидное сечение, а у более мощных трансформаторов -- ступенчатое, по форме приближающееся к кругу (рис. 5, а). При такой форме обеспечивается минимальный периметр стержня при заданной площади поперечного сечения, что позволяет уменьшить длину витков обмоток, а следовательно, и расход обмоточных проводов. В мощных трансформаторах между отдельными стальными пакетами из которых собираются стержни, устраивают каналы шириной 5--6 мм для циркуляции охлаждающего масла. Ярмо, соединяющее стержни, имеет обычно прямоугольное сечение, площадь которого на 10--15% больше площади сечения стержней. Это уменьшает нагрев стали и потери мощности в ней.

В силовых трансформаторах магнитопровод собирают из прямоугольных листов. Сочленение стержней и ярма обычно выполняют с взаимным перекрытием их листов внахлестку. Для этого листы в двух смежных слоях сердечника располагают, как показано на рис. 5, б, г, т. е. листы стержней 1, 3 и ярма 2, 4 каждого последующего слоя перекрывают стык в соответствующих листах предыдущего слоя, существенно уменьшая магнитное сопротивление в месте сочленения. Окончательную сборку магнитопровода осуществляют после установки катушек на стержни (рис. 5 в).

В трансформаторах малой мощности магнитопроводы собирают из штампованных листов П- и Ш-образной формы или из штампованных колец (рис. 6, а--в).

Большое распространение получили также магнитопроводы (рис. 6,г--ж), навитые из узкой ленты электротехнической стали (обычно из холоднокатаной стали) или из специальных железо-никелевых сплавов.

Обмотки. Первичную и вторичную обмотки для лучшей магнитной связи располагают как можно ближе друг к другу: на каждом стержне 1магнитопровода размещают либо обе обмотки 2 и 3

Рис. 4 Формы поперечного сечения (а) и последовательность сборки магнитопровода (б -- г)

Рис. 5 Сердечники однофазных трансформаторов малой мощности, собранные из штампованных листов (о, б), колец (в) и стальной ленты (г--ж)

Концентрически одну поверх другой (рис. 7,а), либо обмотки 2 и 3 выполняют в виде чередующихся дисковых секций -- катушек (рис. 7,б). В первом случае обмотки называют концентрическими, во втором -- чередующимися, или дисковыми. В силовых трансформаторах обычно применяют концентрические обмотки, причем ближе к стержням обычно располагают обмотку низшего напряжения, требующую меньшей изоляции относительно магнито-провода трансформатора, снаружи -- обмотку высшего напряжения.

В трансформаторах броневого типа иногда применяют дисковые обмотки. По краям стержня устанавливают катушки, принадлежащие обмотке низшего напряжения. Отдельные катушки соединяют последовательно или параллельно. В трансформаторах э. п. с, у которых вторичная обмотка имеет ряд выводов для изменения напряжения, подаваемого к тяговым двигателям, на каждом стержне располагают по три концентрических обмотки (рис. 7, в). Ближе к стержню размещают нерегулируемую часть 4 вторичной обмотки, в середине -- первичную обмотку 5 высшего напряжения и поверх нее -- регулируемую часть 6 вторичной обмотки. Размещение регулируемой части этой обмотки снаружи упрощает выполнение выводов от отдельных ее витков.

В трансформаторах малой мощности используют многослойные обмотки из провода круглого сечения с эмалевой или хлопчатобумажной изоляцией, который наматывают на каркас из электрокартона; между слоями проводов прокладывают изоляцию из специальной бумаги или ткани, пропитанной лаком.

В мощных трансформаторах, устанавливаемых на э. п. с, тяговых подстанциях и пр., применяют непрерывные спиральные и винтовые параллельные (рис. 8,б) обмотки, обладающие высокой механической прочностью и надежностью. Непрерывную спиральную обмотку используют в качестве первичной (высшего напряжения) и регулируемой части вторичной обмотки (низшего напряжения). Эта обмотка состоит из ряда последовательно соединенных плоских катушек, имеющих одинаковые размеры. Катушки расположены друг над другом. Между ними устанавливают прокладки и рейки из электрокартона, которые образуют горизонтальные и вертикальные каналы для прохода охлаждающей жидкости (масла).

Рис. 6 Расположение концентрических (а), дисковых (б) и концентрических трехслойных (в) обмоток трансформатора

Для повышения электрической прочности при воздействии атмосферных напряжений две первые и две последние катушки первичной (высоковольтной) обмотки обычно выполняют с усиленной изоляцией. Усиление изоляции ухудшает охлаждение, поэтому площадь сечения проводов этих катушек берут большей, чем для остальных катушек первичной обмотки.

Винтовую параллельную обмотку используют в качестве нерегулируемой части вторичной обмотки. Ее витки наматывают по винтовой линии в осевом направлении подобно резьбе винта. Обмотку выполняют из нескольких параллельных проводов прямоугольного сечения, прилегающих друг к другу в радиальном направлении. Между отдельными витками и группами проводов располагают каналы для прохода охлаждающей жидкости.

Рис. 7 Непрерывная спиральная (а) и винтовая (б) обмотки мощных трансформаторов электрического подвижного состава: 1 -- выводы; 2,6 -- каналы для прохода охлаждающей жидкости; 3 -- катушки; 4 -- опорные кольца; 5 -- рейки; 7 -- бакелитовый цилиндр; 8 -- проводники обмотки

Число параллельных проводов определяется током, проходящим по обмотке.

Система охлаждения. Способ охлаждения трансформатора зависит от его номинальной мощности.При увеличении мощности трансформатора необходимо увеличивать и интенсивность его охлаждения.

Трансформаторы малой мощности обычно выполняют с естественным воздушным охлаждением и называют «сухими». Отвод тепла в них происходит путем непосредственной теплоотдачи от нагретых поверхностей обмотки и магнитопровода к окружающему воздуху. В некоторых случаях трансформаторы малой мощности помещают в корпус, залитый термореактивными компаундами на основе эпоксидных смол или других подобных материалов.

В трансформаторах средней и большой мощности сердечник с обмотками целиком погружают в бак, наполненный тщательно очищенным минеральным (трансформаторным) маслом (рис. 9, а). Такой способ отвода тепла называют естественным масляным охлаждением. Трансформаторное масло обладает более высокой теплопроводностью, чем воздух, и хорошо отводит тепло от обмоток и сердечника трансформатора к стенкам бака, имеющего большую площадь охлаждения, чем сам трансформатор. Погружение трансформатора в бак с маслом обеспечивает также повышение электрической прочности изоляции его обмоток и предотвращает ее старение под влиянием атмосферных воздействий. Баки трансформаторов мощностью 20--30 кВ*А имеют гладкие стенки. В более мощных трансформаторах (например, в трансформаторах, устанавливаемых на тяговых подстанциях) для повышения теплоотдачи поверхность охлаждения увеличивают, применяя баки с ребристыми стенками или трубчатые. Нагревающееся внутри бака масло поднимается кверху, а охлаждающееся в трубах опускается вниз, создавая, таким образом, естественную циркуляцию, способствующую охлаждению трансформатора.

На э. п. с. переменного тока применяют трансформаторы с масляным охлаждением и принудительной циркуляцией масла через теплообменник, охлаждаемый воздухом (рис. 9,б). Такая система охлаждения позволяет существенно повысить индукцию в сердечнике и плотность тока в обмотках, т. е. уменьшить массу и габаритные размеры трансформатора.

В систему охлаждения обычно вводят струйное реле, которое не допускает включения трансформатора, если через него не циркулирует масло.

Масло в трансформаторе во время работы нагревается и расширяется. При уменьшении нагрузки оно, охлаждаясь, возвращается к первоначальному объему. Поэтому масляные трансформаторы снабжают дополнительным баком -- расширителем, соединенным с внутренней полостью бака. При нагревании трансформатора масло переходит в расширитель. Применение расширителя позволяет значительно сократить поверхность соприкосновения масла с воздухом, что уменьшает его загрязнение и увлажнение.

При работе трансформатора масло, нагреваясь, разлагается и загрязняется, поэтому его периодически очищают или заменяют. Масляные трансформаторы во избежание опасности пожара и взрыва устанавливают в специально огражденных помещениях. Наибольшая температура обмоток трансформатора не должна превышать 105 °С, сердечника -- 110 °С, верхних слоев масла -- 95 °С.

Для защиты от возможной аварии трансформаторы средней и большой мощности снабжают специальными газовыми реле. Газовое реле устанавливают в трубопроводе между основным баком и расширителем. При значительном выделении взрывоопасных газов, образующихся в результате разложения масла, газовое реле автоматически выключает трансформатор, предупреждая развитие аварии. В трансформаторах мощностью более 1000 кВ*А устанавливают также выхлопную трубу, закрытую стеклянной мембраной. При образовании большого количества газов они выдавливают мембрану и выходят в атмосферу -- этим предотвращается деформация бака.

Многообмоточные трансформаторы. Наиболее распространены двухобмоточные однофазные трансформаторы (рис. 10, а). При необходимости получения от одного трансформатора нескольких различных напряжений u21, u22, u23 (рис. 10, б) используют многообмоточные трансформаторы, у которых на магнитопроводе расположено несколько вторичных обмоток с различным числом витков. Например, тяговые трансформаторы электровозов имеют обычно четыре обмотки: первичную (высшего напряжения) и три вторичные (низшего напряжения). Одна из них (тяговая) служит для питания через выпрямитель цепи тяговых двигателей, вторая -- для питания электрических потребителей собственных нужд (цепей вспомогательных машин, управления, освещения и пр.) и третья -- для питания электрических печей отопления пассажирских вагонов. Если на электровозе предусмотрено рекуперативное торможение, то в ряде случаев применяют специальную вторичную обмотку для питания обмоток возбуждения тяговых двигателей в этом режиме. На некоторых электровозах каждый тяговый двигатель питается от собственного выпрямительного блока и в трансформаторе предусматривают соответствующее число вторичных обмоток.

Рис. 8 Схемы двухобмоточного (а) и многообмоточного (б) трансформаторов

Заключение

Трансформаторы широко используются для следующих целей:

1. Для передачи и распределения электрической энергии.

В настоящие время для высоковольтных линий электропередач применяются силовые трансформаторы с масляным охлаждением напряжением 330, 500 и 750 кВ, мощностью до 1200 - 1600 МВ*А.

2. Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжения на входе и выходе преобразователя.

Трансформаторы, применяются для этой цели, называются преобразовательными. Их мощность достигает тысячи киловольт-ампер, напряжение 110 кВ; они работают при частоте 50 Гц и более. Рассматриваемые трансформаторы выполняют одно-, трех- и многофазными с регулированием выходного напряжения в широких пределах и без регулирования.

3. Для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питание электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др. Мощность их достигает десятков тысяч киловольт-ампер при напряжение до 10 кВ; они работают обычно при частоте 50 Гц.

4. Для включение электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов, например реле, в электрические цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности.

Трансформаторы, применяемые для этой цели, называются измерительными. Они имеют сравнительно большую мощность, определяемую мощность, потребляемой электроизмерительными приборами, реле и др.

5. Для питания различных цепей радио- и телевизионной аппаратуры; устройств связи, автоматики и телемеханики, электробытовых приборов; для разделения электрических цепей различных элементов этих устройств; для согласования напряжений и т.п.

Трансформаторы, используемые в этих устройствах, обычно имеют малую мощность (от нескольких вольт-ампер до нескольких киловольт-ампер), невысокое напряжение, работают при частоте 50 Гц и более. Их выполняют двух-, трех- и многообмоточными; условия работы, предъявляемые к ним требования и принципы проектирования весьма специфичны.

Как правило, трансформаторы питания изготавливаются комбинированными, т.е. позволяющими снимать несколько напряжений; при этом первичная обмотка (сетевая) может быть выполнена в виде одной обмотки с двумя отводами или двух одинаковых обмоток с одним отводом в каждом из них. Во втором варианте первичная обмотка на различные напряжения (110, 127 или 220 В) переключается специальным сетевым переключателем.

Повышающая обмотка трансформатора питания выполняется со средним выводом при использовании двухполупериодного выпрямителя на двух диодах и без среднего вывода для мостовой схемы выпрямителя.

Список литературы

1. Азаров В.С.Силовые трансформаторы. М.,2009г.

2. Вольдек А.И.. Электрические машины.П., 2009г

3. Иванов И.И.. Электротехника и основы электроники, 2012г.

4.Львов М.Ю. Эксплуатация и диагностика высоковольтных вводов трансформаторов, 2004г

Размещено на Allbest.ru