Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Изобретателем трансформатора является русский ученый П.Н.Яблочков. В 1876г. Яблочков использовал индукционную катушку с двумя обмотками в качестве трансформатора для питания изобретенных им электрических свечей. Трансформатор Яблочкова имел незамкнутый сердечник. Трансформаторы с замкнутым сердечником, подобные применяемым в настоящее время, появились значительно позднее, в 1884г. С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току, который до этого времени не применялся.

Выдающийся русский электротехник М.О.Доливо-Добровольский в 1889г. Предложил трехфазную систему переменного тока, построил первый трехфазный асинхронный двигатель и первый трехфазный трансформатор. На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891г. Доливо-Добровольский демонстрировал опытную высоковольтную электропередачу трехфазного тока протяженностью 175 км; трехфазный генератор имел мощность 230 КВт при напряжении 95 В.

В дальнейшем начали применять масляные трансформаторы, так как было установлено, что масло является не только хорошей изоляцией, но и хорошей охлаждающей средой для трансформаторов.

1. Основные понятия

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования энергии переменного тока одного напряжения в энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте тока. Трансформаторы широко используются для передачи и распределения электроэнергии переменным током. Для более экономной передачи электроэнергии на большие расстояния, т. е. с меньшими потерями и с большей экономией цветного металла, необходимо передавать ток большого напряжения.

Трансформаторы, увеличивающие напряжение переменного тока, называются повышающими, а уменьшающие напряжение -- понижающими.

Силовые трансформаторы в зависимости от конструкции и назначения бывают различных типов. Тип трансформатора обозначается буквами и цифрами. Первая буква обозначает фазность (О--однофазный; Т -- трехфазный), вторая буква или вторая и третья -- вид охлаждения (М -- естественное масляное; Д -- дутьевое, обдувание масляных радиаторов; Ц -- циркуляция масла принудительная, с помощью масляных насосов; ДЦ -- принудительная циркуляция масла через охладители, обдуваемые воздухом; С -- сухой, с воздушным охлаждением). Дальше буквы указывают: А -- алюминиевые обмотки; Н -- с регулятором напряжения под нагрузкой; АН -- со стабилизирующим устройством для регулирования напряжения под нагрузкой; Р -- для ртутного выпрямителя. Цифра в числителе указывает полную мощность трансформатора в киловольт-амперах, а в знаменателе -- высшее напряжение в киловольтах. Например, ТМН-630/10 -- трехфазный трансформатор с естественным масляным охлаждением, с регулятором напряжения под нагрузкой мощностью 630 кВ * А и высшим напряжением 10 кВ.

На каждом трансформаторе имеется щиток, на котором указываются тип трансформатора, линейные токи при номинальной мощности, частота, число фаз, схема и группа соединения обмоток.

Кроме силовых трансформаторов, изготовляется ряд трансформаторов специального назначения (автотрансформаторы, сварочные, измерительные и т. д.).

2. Устройство однофазного трансформатора

Однофазный трансформатор применяется в однофазной цепи переменного тока. Трансформатор состоит из сердечника и двух или трех обмоток изолированного провода, размещенных на сердечнике. Обмотки выполняются в виде катушек прямоугольной или круглой формы. Обмотка, подключаемая к источнику тока, называется первичной, а обмотка, с которой снимается напряжение,-- вторичной. У трехобмоточного трансформатора имеются две вторичные обмотки, что дает возможность получить два различных напряжения. Сердечник делается из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм и служит магнитопроводом трансформатора. Для уменьшения вихревых токов, а следовательно, и потерь в стали листы сердечника изолируются лаком.

В зависимости от формы сердечника однофазные трансформаторы бывают стержневые и броневые. В стержневом трансформаторе магнитопровод имеет форму замкнутого прямоугольника (рис. 154,а), а первичная и вторичная обмотка надеты на оба стержня, причем одна половина обмотки -- на одном стержне, а другая половина -- на другом. Обмотка с меньшим числом витков толстого провода размещается ближе к сердечнику и обозначается на схемах НН (низшее напряжение), поверх нее наматывается обмотка с большим числом витков тонкого провода и обозначается на схемах ВН (высшее напряжение). Намотка обмоток на обоих стержнях проводится так, чтобы их магнитные потоки складывались, т. е. если в обмотке на первом стержне намотка идет по часовой стрелке, то на втором -- против.

В броневом трансформаторе первичная и вторичная обмотки находятся на среднем стержне магнитопровода, который разветвляется и охватывает обмотки (рис.). Обмотка броневого трансформатора выполняется так же, как и стержневого, или в виде дисковой катушки, где чередуются диски высшего и низшего напряжения.

3. Принцип действия трансформатора. Холостой ход

Работа трансформатора основана на принципе взаимоиндукции.

На рисунке схематически показано устройство однофазного трансформатора. При подключении первичной обмотки трансформатора к синусоидальному напряжению сети в ней возникает ток i_o = I_msinщt, создающий магнитный поток первичной обмотки. Основная часть этого магнитного потока Ф сосредоточивается в магнитопроводе и называется рабочим потоком. Из-за гистерезиса в магнитопроводе рабочий магнитный поток отстает по фазе от намагничивающего тока:

Небольшая часть магнитного потока замыкается около витков, проходя в основном путь по воздуху, и называется потоком рассеяния Ф_р. Поток рассеяния совпадает по фазе с током:

Магнитный поток рассеяния возбуждает в первичной обмотке трансформатора ЭДС рассеяния:

Где _щ1 - число витков в обмотке.

Из уравнения (1) видно, что ЭДС самоиндукции отстает по фазе от магнитного потока рассеяния на 90 °.

Рабочий магнитный поток одновременно пронизывает первичную и вторичную обмотки трансформатора и возбуждает в первичной обмотке ЭДС самоиндукции е_ь а во вторичной -- ЭДС взаимоиндукции е_2.

Мгновенное значение ЭДС самоиндукции:

Следовательно, ЭДС самоиндукции отстает по фазе от рабочего магнитного потока на 90°. Величина, стоящая перед знаком синуса, представляет собой амплитуду переменной величины:

Из равенства (2) действующее значение ЭДС самоиндукции выразится формулой

ЭДС взаимоиндукции выразится аналогичной формулой, так как возбуждается тем же магнитным потоком:

Действующее значение ЭДС рассеяния е_р =4, 44щ1f Фm_p.

-- ЭДС самоиндукции первичной обмотки, по правилу Ленца направлены в сторону, противоположную подведенному к первичной обмотке напряжению U₁.

Следовательно, подведенное напряжение U₁ уравновешивает ЭДС самоиндукции е₁ и создает падение напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки r₁I₀

Математически это можно записать:

Холостым ходом трансформатора называется такой режим работы, при котором вторичная обмотка разомкнута (I₂ = 0).

Ток холостого хода трансформатора составляет 3--10 % номинального тока и обозначается /₀.

Коэффициентом трансформации трансформатора называется отношение ЭДС обмоток трансформатора. Для однофазного трансформатора коэффициент трансформации выразится формулой

е₂можно измерить при непосредственном подключении вольтметра к клеммам незамкнутой вторичной обмотки.

В силовых трансформаторах падение напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки при холостом ходе трансформатора составляет 1--2 % подведенного напряжения.

Таким образом, коэффициент трансформации с учетом указанных допущений можно определить путем измерения напряжения в сети и ЭДС вторичной обмотки трансформатора:

Режим холостого хода трансформатора дает возможность практически определить коэффициент трансформации. В паспорте трансформатора указывается коэффициент трансформации как отношение высшего напряжения к низшему: например, 110/35; 10/0,4 (напряжения взяты в киловольтах).

4. Рабочий режим трансформатора

Рабочим режимом трансформатора называется работа трансформатора при замкнутой на нагрузку вторичной обмотке. Во вторичной обмотке при этом появится ток I₂, создающий ее магнитный поток. Магнитный поток первичной обмотки Ф₁ создается током I_ь который определяется напряжением U₁, а Ф₂ -- током I₂ созданным ЭДСе₂,которая направлена противоположно (правило Ленца). Следовательно, и магнитный поток Ф₂ имеет направление, противоположное направлению магнитного потока Ф1.Уменьшение магнитного потока первичной обмотки ведет к уменьшению ее реактивного сопротивления и увеличению тока I_1.

Следовательно, при постоянном напряжении сети U₁, ток в первичной обмотке 1₁возрастает до значения, обеспечивающего восстановление основного магнитного потока Ф до первоначальной величины. Таким образом, основной магнитный поток и при холостом ходе, и при нагрузке трансформатора остается неизменным и равным векторной сумме потоков первичной (Ф₁)и вторичной (Ф₂) обмоток:

С увеличением нагрузки трансформатора увеличиваются токи I₂и I_1,значит, растет и мощность, поступающая из сети. При уменьшении нагрузки уменьшается вторичный ток, следовательно, и первичный ток тоже должен уменьшиться. В этом сказывается общий принцип саморегулирования, который действителен для всех электрических машин.

При номинальной нагрузке КПД трансформатора, если не учитывать небольшую разницу между cos ц₁иcos ц₂ можно записать:

Следовательно,

т. е, токи в обмотках трансформатора при номинальной и близкой к номинальной нагрузках обратно пропорциональны напряжениям на обмотках.

5. КПД трансформатора

КПД трансформатора, как и всякой другой машины, определяется отношением полезной мощности ко всей подведенной. Полезной мощностью длятрансформатора является мощность, снимаемая со вторичной обмотки P2 = I₂U₂ cos ц₂,а подведенной -- мощность P₁ идущая из сети в первичную обмотку. Поступающая из сети мощность может быть выражена через полезную мощность и потери мощности в трансформаторе.

6. Устройство и принцип действия трехфазных трансформаторов

Трансформирование трехфазного тока на мощных трансформаторных подстанциях производится тремя однофазными трансформаторами, соединяемыми в трехфазную группу по определенным правилам. Однако на распределительных подстанциях большей частью применяются специальные трехфазные трансформаторы стержневого типа, представляющие выгоды в стоимости установки по сравнению с трехфазной группой.

Устройство трехфазного трансформатора показано на рис.

Рис. 1. Трехфазный трансформатор

Расположение листов сердечника при сборке дано на рис.2, а сечение стержней на рис.4сечение сердечников трансформаторов.

Каждый стержень служит для размещения обмоток одной фазы. Обмотки помещаются концентрически, причем обмотки низшего напряжения ближе к стержню. На рис.1 обмотки условно показаны сдвинутыми одна к другой по оси стержня. Как первичные, так и вторичные обмотки могут соединятся в звезду (Y) или в треугольник (Д).

Однако ГОСТ оставляет только три схемы: звезда - звезда с выведенным нулем (Y/Y₀), звезда - треугольник (Y/Д) и звезда с нулем - треугольник (Y₀/Д). Числитель в обозначении показывает соединение обмотки ВН, знаменатель - НН.

При соединении первичных и вторичных обмоток в звезду или треугольник, в трехфазных трансформаторах, надо иметь в виду, что обмотки связаны магнитно (рис.1): поток Ф_Азамыкается через стержни В и С, поток Ф_В - через стержни А и С и поток Ф_С - через стержни А и В. Намагничивающие токи в обмотках, например в AX, BY, CZ, всегда сдвинуты по фазе, как показано на рис.3. совпадающие с токами потоки стержней Ф_А, Ф_В, Ф_С, очевидно, в каждый момент времени дадут сумму

В частности, для одного момента времени на рис.3

рис.4 Звезда фазных э.д.с. вторичной обмотки

На щитке трансформатора за обозначением схемы соединений обмоток стоит цифра: Y/Y₀-12, Y/Д-11, Y₀/Д-11. Цифра условно обозначает так называемую группу соединения трансформатора. Группа указывает угловой сдвиг линейной э.д.с. обмотки низшего напряжения относительно линейной э.д.с. высшего напряжения по часовой стрелке. За единицу принят угол 30°. Таким образом, при группе 12 сдвиг равен 360°, а при группе 11-330°. Группу необходимо знать при включении трансформаторов на параллельную работу.

рис.5 Потенциальная диаграмма при определении группы соединения

Определим группу соединения трансформатора, показанного на рис.1. Если при разомкнутом рубильнике р₂ включить рубильник р₁, то диаграмма потенциалов зажимов А, В, С изобразится представленной на рис.5 (точки А, В, С). Соединим электрические зажимыА и а. Тогда точки А и а на диаграмме совместятся как точки равного потенциала. Все обмотки правые и, значит, вторичные э.д.с. во всех фазах совпадают по фазе с первичными. Поэтому, отложив от точки а вектор Е_а в фазе с Е_А, найдем на диаграмме потенциал нулевой точки вторичной обмотки (точка 0). Построив векторы U_bи U_c в фазе с U_Bи U_C, получим звезду вторичных э.д.с. На диаграмме можно видеть, что сдвиг вторичного линейного напряжения U_ab относительно первичного линейного напряжения U_АВ равен нулю или 360°. Группа соединения двенадцатая, так как 360:30=12.

7. Сварочный трансформатор

Сварочный трансформатор служит для сварки деталей и различных изделий электрической дугой. Сварочный трансформатор состоит из силового трансформатора и реактора, включенного в цепь вторичной обмотки трансформатора. Сварочный трансформатор является понижающим и работает в режиме, близком к короткому замыканию. Реактор представляет собой катушку с раздвижным сердечником, который служит для изменения реактивного сопротивления и тока во вторичной обмотке трансформатора, т. е. сварочного тока.

Для зажигания дуги сварочный трансформатор в режиме холостого хода должен создать 60--70 В напряжения, а после зажигания при коротком замыкании резкий спад напряжения и ограничение тока во вторичной обмотке до значения не более удвоенного номинального тока (/₂ = 2/_н) Ограничение тока при зажигании дуги обеспечивается большим магнитным рассеянием в самом трансформаторе или в отдельном реакторе.

Для обеспечения безопасности при работе сварочные трансформаторы делаются двухобмоточными, чтобы напряжение первичной обмотки при пробое изоляции не могло попасть на вторичную обмотку. Ручка, удерживающая электрод, делается из изоляционного материала, а глаза электросварщика защищаются световыми фильтрами.

8. Маркировка трансформаторов

трансформатор трехфазный маркировка сборка

Каждый трансформатор снабжен щитком из материала, не подверженного атмосферным влияниям. Щиток прикреплен к баку трансформатора на видном месте и содержит его номинальные данные, которые нанесены травлением, гравировкой, выбиванием или другим способом, обеспечивающим долговечность знаков. На щитке трансформатора согласно ГОСТ 11677-65 указаны следующие данные:

1. Марка завода-изготовителя.

2. Год выпуска.

3. Заводской номер.

4. Обозначение типа.

5. Номер стандарта, которому соответствует изготовленный трансформатор.

6. Номинальная мощность. (Для трехобмоточных трансфор-аторов указывают мощность каждой обмотки).

7. Номинальные напряжения и напряжения ответвлений обмоток.

8. Номинальные токи каждой обмотки.

9. Число фаз.

10. Частота тока.

11. Схема и группа соединения обмоток трансформатора.

12. Напряжение короткого замыкания.

13. Род установки (внутренняя или наружная).

14. Способ охлаждения.

15. Полная масса трансформатора.

16. Масса масла.

17. Масса активной части.

18. Положения переключателя, обозначенные на его приводе.

Для трансформатора с искусственным воздушным охлаждением дополнительно указана мощность его при отключенном охлаждении. Заводской номер трансформатора выбит также на баке под щитком, на крышке около ввода ВН фазы А и на левом конце верхней полки ярмовой балки магнитопровода.

Условное обозначение трансформатора состоит из буквенной и цифровой частей. Буквы означают следующее: Т - трехфазный трансформатор, О - однофазный, М - естественное масляное охлаждение, Д - масляное охлаждение с дутьем (искусственное воздушное и с естественной циркуляцией масла), Ц - масляное охлаждение с принудительной циркуляцией масла через водяной охладитель, ДЦ - масляное с дутьем и принудительной циркуляцией масла, Г - грозоупорный трансформатор, Н - в конце обозначения - трансформатор с регулированием напряжения под нагрузкой, Н - на втором месте - заполненный негорючим жидким диэлектриком, Т на третьем месте - трехобмоточный трансформатор.

Первое число, стоящее после буквенного обозначения трансформатора, показывает номинальную мощность (кВ·А), второе число - номинальное напряжение обмотки ВН (кВ·А). Так, тип ТМ 6300/35 означает трехфазный двухобмоточный трансформатор с естественным масляным охлаждением мощностью 6300 кВ·А и напряжением обмотки ВН 35 кВ·А; тип ТЦТНГ-6300/220 означает трехфазный трехобмоточный трансформатор с принудительной циркуляцией масла при масло-водяном охлаждении, с регулированием напряжения под нагрузкой, грозоупорный, мощностью 63000 кВ·А и напряжением обмотки ВН 220 кВ.

Буква А в обозначении типа трансформатора означает автотрансформатор. В обозначении трехобмоточных автотрансформаторов букву А ставят либо первой, либо последней. Если автотрансформаторная схема является основной (обмотки ВН и СН образуют автотрансформатор, а обмотка НН дополнительная). Букву А ставят первой, если трансформаторная схема является дополнительной, букву А ставят последней.

Размещено на Allbest.ru