Трансформатор

treugoma.ru › Электрические машины и аппараты › 

Трансформатор

Трансформатор-это статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования (понижения или повышения) напряжения в сетях переменного тока

Трансформатор-это статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования (понижения или повышения) напряжения в сетях переменного тока.

Первый в мире трансформатор был создан русским инженером Яблочковым П.Н., который в 1876 высказал идею о возможности трансформации переменного тока, а в 1885 г. предложил передавать электроэнергию на значительные расстояния, используя для этой цели высокое напряжение переменного тока.

В простейшем виде трансформатор представляет собой устройство, в котором на сердечник С, собранный из пластин электрической стали, намотаны две обмотки (рисунок №1). Одна из которых – первичная I – подключена к источнику энергии, к другой - вторичной II- присоединен потребитель – нагрузка Н.

Ток, протекающий в первичной обмотке от источника энергии, создает в сердечнике переменный магнитный поток Ф, индуктирующий во вторичной обмотке электродвижущую силу. Для любого трансформатора отношение напряжений первичной U1 и вторичной U2 обмоток при холостом ходе приблизительно равно отношению чисел их витков:

, (1)

где w1 и w2 – соответственно число витков первичной и вторичной обмоток.

Отношение (1) принято называть коэффициентом трансформации.

Если напряжение вторичной обмотки больше чем подведенное к первичной, то трансформатор называют повышающим; в противном случае, когда вторичное напряжение меньше первичного, - понижающим. Один и тот же трансформатор можно использовать в качестве понижающего и повышающего. Значение коэффициента трансформации, указанное в паспорте трансформатора, определено как отношение высшего напряжения к низшему.

Мощности в первичных и во вторичных обмотках примерно равны между собой. Таким образом, для однофазного трансформатора

(2),

где I1 и I2 – соответственно ток в первичной и во вторичной обмотках.

Тогда коэффициент трансформации:

(3),

Следовательно, токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны напряжениям, а значит, и числам витков. Поэтому обмотку высшего напряжения всегда делают из большего числа витков провода меньшего сечения, тогда как обмотку низшего напряжения выполняют из меньшего числа витков провода большего сечения.

По числу фаз трансформаторы разделяют на однофазные и трехфазные. По назначению различают силовые (предназначенные для передачи и распределения электрической энергии) и специальные (сварочные, измерительные, печные, испытательные, инструментальные и тд.) трансформаторы.

По способу охлаждения классификация такова: трансформаторы с воздушным, масляным, а также с масляным и принудительным воздушным охлаждением.

Сердечник и ярма трансформаторов набирают из отдельных листов специальной электрической стали, хорошо проводящей магнитные потоки. Листы стали изолируют друг от друга. Это уменьшает вихревые потоки в сердечнике, снижает тепловые потери энергии в нем, а вследствие этого увеличивается коэффициент полезного действия трансформатора.

Для трансформирования трехфазного тока можно использовать группу, составленную из трех однофазных трансформаторов (рисунок №2, а), или один трехфазный трансформатор (рисунок №2, б). Трехфазная группа однофазных трансформаторов имеет ряд существенных недостатков: громоздкость, большая масса, высокая стоимость. Поэтому такой способ трансформации применяют только при очень больших мощностях (свыше 10 кВ∙А), когда конструкция трехфазного трансформатора получается излишне громоздкой.

Сердечник трехфазного трансформатора состоит из трех вертикальных стержней, которые по концам замкнуты стальными ярмами. На каждом из сердечников помещают первичную и вторичную обмотки одной из трех фаз.

Трансформатор называется силовым, если он применяется для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электроэнергии. К силовым относятся трансформаторы трёхфазные и многофазные мощностью 6,3 кВа и более, однофазные мощностью 5 кВа и более. При меньших мощностях трансформаторы называются трансформаторами малой мощности. Различают силовые трансформаторы общего назначения, предназначенные для включения в сети, не отличающиеся особыми условиями работы, или для непосредственного питания электроприёмников, не отличающихся особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы, силовые трансформаторы специального назначения для непосредственного питания сетей или приёмников электроэнергии, если эти сети или приёмники отличаются особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы (подземные рудничные и шахтные сети и установки, выпрямительные установки, электрические печи и т.д.).

В зависимости от числа обмоток различают двухобмоточные (в том числе, с расщеплённой обмоткой низшего напряжения) и трёхобмоточные трансформаторы. Последние применяются при сочетаниях напряжений 220/35/10(6) кВ и 110/35/10(6) кВ. Двухобмоточные понижающие трансформаторы имеют номинальную мощность не более 16 МВА, а трансформаторы с расщеплённой обмоткой выпускают с номинальной мощностью 25 МВА и выше. Применение трансформаторов с расщеплённой обмоткой объясняется необходимостью уменьшения токов КЗ на стороне НН, а также уменьшения влияния КЗ в цепи одной расщеплённой обмотки на работу нагрузки, подключенной к другой расщеплённой обмотке. У двухобмоточных трансформаторов мощностью 25 МВА и более токи КЗ на стороне НН часто превышают 20 кА – номинальный ток отключения наиболее распространённых выключателей (вакуумных, элегазовых, маломасленных). Поэтому, начиная с номинальной мощности 25 МВА, на подстанции с двумя напряжениями (110 кВ и 10 кВ) следует выбирать трансформаторы с расщеплённой обмоткой.

Вид системы охлаждения трансформаторов обозначают буквами: М – естественное масляное; Д – естественное масляное с использованием дутьевых вентиляторов, встроенных в конструкцию масляных радиаторов; ДЦ – принудительное (с маслонасосом) масляное охлаждение с дутьевыми вентиляторами; С – сухой трансформатор без масла и специальных охладителей. У трансформаторов с номинальной мощностью до 2,5 МВА включительно буква Н означает: трансформатор с негорючим диэлектриком (совтолом). Буква З для ТМ означает, что трансформатор вместо расширителя имеет азотную подушку (защиту). У ТС буква З обозначает защищённое исполнение.

При работе в трансформаторе создаётся магнитное поле, которое для расчётов, определения параметров можно условно разделить на две части: основное поле и поле рассеяния. Основное поле характеризуется магнитным потоком, который замыкается по магнитопроводу и сцеплён со всеми витками первичной и вторичной обмоток. Поток поля рассеяния замыкается частично или полностью вне магнитопровода и не сцеплён с витками всех обмоток.

Номинальной мощностью двухобмоточного трансформатора является номинальная мощность каждой из его обмоток, в трёхобмоточном трансформаторе – наибольшая их номинальных мощностей трёх его обмоток. За номинальное напряжение обмотки принимается напряжение между соответствующими зажимами, связанными с данной обмоткой при холостом ходе трансформатора.

Основные обозначения: S – мощность, ВА; Sф – мощность на одну фазу, ВА; Рк – потери холостого хода Вт; Е – действующее значение ЭДС, В; U – действующее значение напряжения, В; I – действующее значение тока, А; J – плотность тока, А/м2; Ф – рабочий магнитный поток, Вб; В – магнитная индукция, Тл; Ix, Ia, Ip – действующее значение тока холостого хода и его активная и реактивная составляющие, А; i0 – ток холостого хода в процентах к номинальному, %; Z1, Z2 – полные сопротивления обмоток, Ом; Z = r + jx – сопротивление фазы нагрузки, Ом; uK, ua, up – напряжение короткого замыкания и его активная и реактивная составляющие, %; w – число витков в обмотке; m – число фаз; cos – коэффициент мощности вторичной цепи; – коэффициент загрузки (отношение фактической нагрузки к номинальной мощности). Индексы величин: н – номинальных; ф – фазных; р – относящихся к рассеянию; к – относящихся к короткому замыканию; в – относящихся к витку.

Принцип работы.

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к сети переменного тока по ней потечёт ток i0, который создаст в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Магнитный поток Ф наведёт во вторичной обмотке ЭДС взаимной индукции:

При холостом ходе u2 = e2.

Действующее значение ЭДС во вторичной обмотке

Е2 = 4,44fw2Ф.

Подбирая соответствующим образом числа витков обмоток, можно при заданном напряжении U1 получить требуемое U2 = E2. При U1 U2 трансформатор понижающий, при U1 < U2 – трансформатор повышающий. Если вторичную обмотку нагрузить током i2, то МДС со стороны вторичной обмотки, согласно закону Ленца, будет стремиться изменить магнитный поток Ф. Однако в действительности этого не произойдёт, т.к. одновременно увеличится ток i1 в первичной обмотке, который и компенсирует размагничивающее действие i2 и поддержит магнитный поток Ф const. При замкнутом магнитопроводе ток i0 составляет 0,5 3 % номинального тока первичной обмотки, что позволяет, рассматривая режим работы под нагрузкой, принимать i0 0.

Обозначения, схемы и группы соединения обмоток трансформатора.

Для силовых трансформаторов согласно ГОСТ 11677-85 установлены стандартные обозначения (маркировка) начал и концов (выводов) обмоток и их ответвлений (отводов). В однофазном трансформаторе начало и конец обмотки ВН обозначают соответственно прописными латинскими буквами А и Х, а начало и конец обмотки НН – строчными латинскими буквами а и х. При наличии третьей обмотки с промежуточным (средним) напряжением начало и конец её обозначают соответственно Am, Xm. В трёхфазном трансформаторе начала и концы обмоток ВН обозначают соответственно А, В, С и X, Y, Z; начала и концы обмоток СН – Am, Bm, Cm и Xm, Ym, Zm; начала и концы обмоток НН – a, b, c и x, y, z. При этом чередование фаз А, В, С принято считать слева направо, если смотреть на трансформатор со стороны отводов ВН. Если обмотка ВН или НН имеет регулировочные ответвления, то их обозначают теми же буквами, что и начало и конец обмотки, но с цифровыми индексами 1, 2, 3 и т.д.

В трёхфазных трансформаторах обмотки могут быть соединены по схемам звезда, треугольник или зигзаг, которые соответственно обозначаются буквами У, Д и Z. При выводе от нейтрали у схемы звезда или зигзаг отвода (ответвления) его обозначают: О – на высшем и низшем, Оm – среднем напряжении. При этом к буквенным обозначениям схем соединения обмоток добавляют индекс ״ н ״ (УН, ZH). При соединении в Z обмотку разделяют на части, концы которых обозначают буквой со штрихом (А, а, B, b, C, c ). Схемы соединения обмоток трёхфазного трансформатора обозначают в виде дроби, в числителе которой ставят обозначения схемы соединения обмотки ВН, а в знаменателе – обмотки НН (Д/УН). При наличии третьей обмотки СН обозначение схем соединения обмоток трансформатора будет иметь вид Д/У/УН, т.е. обозначение обмотки СН располагают между ВН и НН. В практике эксплуатации трансформаторов кроме указанных схем соединения необходимо знать взаимное направление ЭДС в обмотках. Группа соединения обмоток трансформатора характеризуется угловым смещением векторов линейных ЭДС обмотки НН (в трёхобмоточном трансформаторе также СН) по отношению к векторам линейных ЭДС обмотки ВН. Группа обозначается числом, которое следует умножить на 300 (угловое смещение, принятое за единицу) для получения угла смещения в градусах. Угол смещения всегда отсчитывается от вектора линейной ЭДС ВН по часовой стрелке до одноимённого вектора ЭДС НН (или СГ). Из всех возможных групп соединений для трёхфазных двухобмоточных трансформаторов нормализованы только две группы: 0 и 11 с выводом в случае необходимости нулевой точки. Однофазные трансформаторы изготавливаются только нулевой группы.

Параллельная работа трансформаторов.

Параллельной работой двух или нескольких трансформаторов называется работа, при параллельном соединении не менее чем двух основных обмоток одного из них с таким же числом основных обмоток другого трансформатора (других трансформаторов). При параллельном соединении одноимённые зажимы трансформаторов присоединяются к одному и тому же проводу сети. В целях правильного распределения нагрузки между параллельно работающими трансформаторами пропорционально их номинальным мощностям, параллельная работа двухобмоточных трансформаторов допускается если:

- коэффициенты трансформации равны или различаются не более чем на ± 0,5%;

- напряжения короткого замыкания равны или различаются не более чем на ± 10%;

- группы соединения одинаковы;

- отношение номинальных мощностей не превышает 3:1;

- параллельно работающие трансформаторы должны быть сфазированы.

При несоблюдении первого и третьего условий в обмотках трансформаторов возникают уравнительные токи, которые в отдельных случаях, особенно при несовпадении групп, могут достигнуть и даже превысить значения тока полного КЗ. Не соблюдение второго условия приводит к тому, что общая нагрузка распределяется между трансформаторами непропорционально их номинальным мощностям.

Основные соотношения силового трансформатора.

-Активное сопротивление трёхфазного двухобмоточного трансформатора, Ом:

-Реактивное (индуктивное) сопротивление двухобмоточного трансформатора (Ur Uk), отнесённое к номинальному напряжению, Ом:

-Реактивное (индуктивное) сопротивление двухобмоточного трансформатора с

расщеплённой на две цепи обмоткой НН при объединённых одноимённых зажимах обмоток Н1 и Н2 (хВН). Реактивные сопротивления элементов схемы замещения трёхфазного трансформатора, Ом:

-Реактивное (индуктивное) сопротивление КЗ трёхобмоточного трансформатора, а также автотрансформатора с обмоткой НН, Ом:

-Реактивное (индуктивное) сопротивление нулевой последовательности трёхфазного

двухобмоточного трансформатора (х0) с соединением обмоток УН/Д со стороны обмотки, соединённой в звезду, равно индуктивному сопротивлению прямой последовательности трансформатора. Со стороны обмотки, соединённой в треугольник, х0 = ∞.

-Активная проводимость двух- и трёхобмоточных трансформаторов, 1/Ом:

-Реактивная (индуктивная) проводимость двух- и трёхобмоточных трансформаторов, 1/Ом:

-Падение напряжения, % UНОМ:

-Потеря напряжения в трансформаторе (при UrUa), кВ:

-Коэффициент полезного действия КПД при заданной нагрузке, %:

-Наибольшее значение имеет место при коэффициенте загрузки =

-Наибольшая кратность установившегося сквозного тока трёхфазного КЗ через трансформатор (при его питании от источника бесконечной мощности):

К=

Потери мощности трансформатора.

Потери Активной кВт Реактивной квар
Холостого хода при UHOM РХ QX=
КЗ при IHOM РК QK= 3I2HOMx
КЗ при нагрузке, отличной от IHOM РК 2QK
Полные Р = РХ+2РК Q = QX + 2QK

Несимметричная нагрузка трёхфазных двухобмоточных трансформаторов.

Трёхфазный трансформатор может быть нагружен несимметричной нагрузкой, когда по отдельным фазам протекают разные по значению токи. Такая нагрузка вызывает изменение фазных напряжений трансформатора и поэтому является нежелательной как для трансформатора, так и для питающихся от него потребителей. При этом на потребителе неблагоприятно сказываются искажения симметрии вторичных фазных напряжений. У самого трансформатора несимметричная нагрузка может вызвать перегрузку отдельных обмоток, а также чрезмерное повышение отдельных фазных напряжений и насыщение магнитопровода. Наибольшее искажение симметрии фазных напряжений даже при малейшей не симметрии нагрузки имеет место при схеме У/УН в трёхфазной группе и в трёхфазных броневом и бронестержневом трансформаторах. В трёхстержневых трансформаторах с соединением обмоток У/УН фазные напряжения искажаются значительно меньше. В трансформаторах со схемами соединения Д/УН, У/ZH, У/Д/УН независимо от конструкции магнитопровода искажение фазных напряжений меньше, чем в схеме У/УН.

Трансформаторы с расщеплёнными обмотками.

В некоторых случаях с целью создания более рациональных условий коммутации электрических цепей одна из обмоток разделяется на две или большее число гальванически не связанных частей, суммарная номинальная мощность которых равна номинальной мощности трансформатора, а напряжения КЗ которых относительно другой обмотки практически равны, так что эти части допускают независимую нагрузку или питание. Такие обмотки, обычно обмотки НН, называются расщеплёнными. Схема соединения обмоток однофазного и трёхфазного трансформаторов с расщеплённой обмоткой, показана на рис. №3.

При КЗ в цепи одной из частей расщеплённой обмотки в обмотках трансформатора возникают токи и напряжения существенно меньшие, чем в том же трансформаторе с нерасщеплённой обмоткой НН. Такие трансформаторы в первом приближении можно рассматривать как два независимых трансформатора 1 - 2 и 3 – 4, питаемых от общей сети.

На рис.№4 показан повышающий трансформатор с расщеплённой обмоткой.

В повышающих трансформаторах в ряде случаев обмотку НН расщепляют на две или три обмотки, размещённые на разных стержнях общего магнитопровода и питаемые от отдельных генераторов I,II,III. Обмотки ВН на всех при этом соединяются параллельно. Такой трансформатор также можно рассматривать как два или три независимых, параллельно включённых трансформатора. Влияние обмоток одного стержня на обмотки других стержней весьма незначительно, особенно в тех случаях, когда для снижения высоты трансформатора применяют бронестержневую разветвлённую конструкцию магнитопровода.

Регулирование и стабилизация напряжения трансформаторов.

В соответствии с ГОСТ1167-85 и стандартами на трансформаторы различных классов напряжений и диапазонов мощностей, большинство силовых масляных трансформаторов допускают регулирование, т.е. изменение в соответствии с заданным режимом, или стабилизацию напряжения на одной или двух обмотках. Регулирование напряжения осуществляется путём переключения ответвлений обмотки посредством переключателя. Различают ТМ, переключаемые без возбуждения (ПБВ), и регулируемые под нагрузкой (РПН). ПБВ допускается только на отключенном от сети трансформаторе. РПН осуществляется на возбуждённом и нагруженном трансформаторе без перерыва нагрузки и без отключения от сети.

Наибольшее распространение имеют системы с РПН, применяемые в трансформаторах мощностью более 1000кВа. Основные виды регуляторов показаны на рис. №5. Где: а – без реверсирования регулировочной обмотки; б – с реверсированием; в – со ступенью грубой регулировки; 1 – первичная обмотка; 2 – вторичная обмотка; 3 – регулировочная обмотка с ответвлениями; 4 – переключающее устройство; 5 – предызбиратель. Регулировочная обмотка в таких трансформаторах обычно выполняется в виде отдельного концентра, как правило внешнего, для облегчения подвода регулировочных ответвлений к переключающему устройству.

Таблица. №1.

Диапазон и число ступеней регулирования РПН трансформаторов и АТ.

Класс напряжения, кВ Мощность, МВА Диапазон и число ступеней регулирования. Обмотка с ответвлениями.
Двухобмоточные трансформаторы.
35 1 – 6,3 ±4 х 2,5%; ±6 х 1,5 ВН
110 2,5 + 15% + 10

- 12% - 8 ступеней
НН
110 6,3 - 125 ± 16%; ± 9 ступеней. ВН (в нейтрали)
220 32 - 200 ±12%; ±12 ступеней ВН (в нейтрали)
Трёхобмоточные трансформаторы.
110 6,3 - 80 ± 16%; ± 9 ступеней. ВН (в нейтрали)
220 25 - 63 ± 12%; ± 12 ступеней ВН (в нейтрали)
Автотрансформаторы.
220 63 - 250 ± 12 %, ± 8 ступеней (для 63 МВА),

± 12 %, ± 6 ступеней (для 125, 220 и 250 МВА)
СН (в линии)

Основные недостатки механических систем РПН связаны с проблемой износостойкости контактов. Одним из радикальных решений этой проблемы является сочетание тиристорных и механических систем регулирования, обеспечивающих переключение регулировочных обмоток трансформатора, и использование систем бесконтактного регулирования напряжения.

Системы плавного бесконтактного регулирования напряжений структурно представляют собой подмагничиваемые автотрансформаторы; трансформаторы и автотрансформаторы или трансформаторы, снабжённые специальной системой коммутации обмоток мощными полупроводниковыми приборами. В настоящее время имеется большое количество схемно – конструктивных решений трансформаторно – полупроводниковых регуляторов – стабилизаторов напряжения, которые можно отнести к следующим типам:

-Плавно регулируемые трансформаторы с подмагничиванием, в которых регулирование выходного напряжения основано на принципе изменения магнитного потока, сцеплённого со вторичной обмоткой (ТРМК, АТРМК – трансформаторы и автотрансформаторы, регулируемые магнитной коммутацией), или перераспределением напряжения между имеющимися двумя группами первичных и вторичных обмоток (ТРПН, АТРПН – трансформаторы и автотрансформаторы, регулируемые перераспределением напряжения);

-Регулируемые трансформаторы дискретного типа, имеющие большое число ответвлений, коммутируемых электронными или релейными ключами;

- Трансформаторы с плавным регулированием коэффициента трансформации за счёт одно – или многократного переключения в пределах полупериода питающего напряжения регулировочных ответвлений обмоток.

Современные конструкции ТРМК (АТРМК) работают по принципу изменения магнитного

потока, сцеплённого со вторичной обмоткой, которая значительно удалена от первичной обмотки. В трансформаторах имеются обмотки подмагничивания, размещённые на специальных элементах магнитной системы, которые в зависимости от тока нагрузки и подмагничивания в разной степени шунтируют главный магнитный поток, изменяя магнитную связь между первичной и вторичной обмотками.

В случае необходимости стабилизации сетевого напряжения в относительно узком диапазоне, рационально использование АТРПН (ТРПН). Фактически АТРПН представляет собой совмещённые в одной конструкции, последовательно включённые повышающий и понижающий автотрансформаторы, работающие попеременно в пределах полупериода сетевого напряжения, управление которыми осуществляется обмотками подмагничивания.

В системах дискретного типа регулирование напряжения достигается за счёт ступенчатого переключения по двоичному коду последовательно соединённых секций обмоток. Переключение осуществляется в момент перехода тока через нулевое значение. Регуляторы такого типа не искажают выходное напряжение.

Среди многообразия систем плавного фазового регулирования коэффициента трансформации наиболее рациональными являются устройства, в которых отвод нижней ступени регулирования соединяется с нагрузкой через индуктивность или ёмкость, причём коммутаторы включаются как на входе, так и на выходе трансформатора.

Таблица №2.

Габариты трансформаторов

Габарит;Мощность, кВА;Напряжение, кВ

I До 100 до 35
II От 100 до 1000 до 35
III От 1000 до 6300 до 35
IV Свыше 6300 до 35
V До 32000 до 110
VI Свыше 32000 до 80000 до 330
VII Свыше 80000 до 200000 до330
VIII Свыше 200000 более 330


Опубликовать


Если вам понравилась эта статья, разместите ссылку у себя на сайте или форуме. Для этого скопируйте текст, расположенный ниже:

Ссылка на статью для форума (bbcodes):
[url=http://treugoma.ru/machines/transformator/]Трансформатор[/url]
html ссылка:
<a target="_blank" title="Трансформатор" href="http://treugoma.ru/machines/transformator/">Трансформатор</a>


Поиск по сайту

© 2010 - 2017 treugoma.ru


Warning: include_once(/home/p/phones3gru/new_netcat4/public_html/cnstats/cnt.php) [function.include-once]: failed to open stream: Нет такого файла или каталога in /home/p/phones3gru/new_netcat4/public_html/netcat/index.php(67) : eval()'d code on line 168

Warning: include_once() [function.include]: Failed opening '/home/p/phones3gru/new_netcat4/public_html/cnstats/cnt.php' for inclusion (include_path='/home/p/phones3gru/new_netcat4/public_html/netcat/require/lib/') in /home/p/phones3gru/new_netcat4/public_html/netcat/index.php(67) : eval()'d code on line 168