Что такое трансформатор: устройство, принцип работы, схема и назначение

Принцип действия и устройство силового трехфазного трансформатора

В конструкцию этого аппарата входят:

• Магнитопровод. К нему крепятся все части аппарата. Также он служит для создания основного магнитного потока. Магнитопровод может быть стержневым, бронестержневым, броневым.
• Обмотки. В каждой фазе присутствуют две обмотки – понижающая и повышающая. Обмотки могут соединяться «звездой» или «треугольником» В первом случае линейное напряжение (между началами фаз) в 1,73 раза выше фазного (между началом и концом фазы). При соединении «треугольником» линейное и фазное напряжения одинаковы. Соединение «звездой» эффективно при значительных напряжениях, «треугольником» – при высоких токах.
• Вводы и выводы. Необходимы для присоединения концов обмоток к ЛЭП. Ввод соединяется с первичной обмоткой, вывод – со вторичной.

В каталоге силовых трансформаторов представлены «сухие» и «масляные» модели. В маломощных трансформаторах охлаждение осуществляется воздушным способом. Такие аппараты называют «сухими». Высокомощные устройства имеют масляное охлаждение, благодаря чему их называют «масляными». Масло не только охлаждает обмотки, которые нагреваются из-за протекания по ним электрического тока, но и повышает изоляционные характеристики.

• При подключении первичной обмотки в сеть в ней начинает протекать переменный .
• В сердечнике магнитопровода появляется магнитный поток, охватывающий обмотки всех фаз. В каждом витке присутствует ЭДС, равная по направлению и величине.
• Если количество витков в первичной обмотке больше, чем число витков во вторичной обмотке, то выходное напряжение больше входного. И наоборот.

Силовые сухие трехфазные трансформаторы — особенности эксплуатации и характеристики

Преимущества сухих трехфазных трансформаторов с выходным напряжением 380 В:

• Возможность установки в непосредственной близости от людей и оборудования, в любом помещении. Необходимо только предусмотреть защитное ограждение, вентиляционную систему, средства мониторинга.
• Безопасность. Эти аппараты взрывобезопасны, поскольку элегаз и жидкий диэлектрик отсутствуют.
• Экологичность. Масляные испарения отсутствуют. Поэтому такие модели разрешены для установки возле дошкольных, учебных, медицинских учреждений.
• Простота эксплуатации. Необходимо контролировать только основные параметры – температуру обмоток, отсутствие или наличие КЗ.
• Современные комплектующие. Благодаря им удалось уменьшить габариты и массу аппаратов.

Недостатки моделей «сухого» типа:

• Чувствительность к условиям окружающей среды – температуре, влажности, запыленности, сейсмическим воздействиям.
• Отсутствие моделей, рассчитанных на напряжение более 35 кВ и мощность выше 4000 кВА.
• Вероятность появления микротрещин в обмотке, которые развиваются и становятся причиной выхода устройства из строя и даже его возгорания.

Цены на сухие трансформаторы зависят от мощности аппарата и материала (медь, алюминий), из которого изготовлены обмотки. Также на стоимость влияет исполнение: открытое, защищенное, герметичное.

Трехфазные силовые трансформаторы масляного типа – плюсы и минусы конструкции

Преимущества масляных силовых трехфазных трансформаторов:

• Неприхотливость к условиям окружающей среды.
• Привычная конструкция для электриков старшего поколения.
• Отсутствие межвитковых и межслойных замыканий, благодаря теплопроводности масла.
• Отсутствие вероятности появления микроскопических трещин в обмотках.
• Наличие моделей, рассчитанных на значительные напряжение (375 кВ и выше) и мощность (40000 кВА и выше).

У обоих видов трансформаторов имеются собственные достоинства и недостатки. Поэтому при выборе конкретного типа оборудования инженеры-электрики учитывают запланированные эксплуатационные условия, требования СНиПов, ГОСТов, ПУЭ, рекомендации изготовителя.

Источник

Силовые трансформаторы

Силовые трансформаторы – это устройства стационарные, которые имеют как минимум две обмотки, использующиеся для преобразования напряжения и тока до необходимого в работе уровня. Как правило, частота преобразованной электроэнергии остается прежней. Силовые трансформаторы состоят из клемм, охладителей и приборов для регулирования уровня выходного напряжения. Кроме того, на такой трансформатор можно установить газовое реле, устройства для сброса давления, защиты от перенапряжений и резкого повышения давления. Также возможна установка на силовые трансформаторы поглотителей влаги и дополнительных трансформаторов тока, расходомеров, индикаторов температуры, давления, уровня масла и горючих газов. Помимо данных устройств, на силовые трансформаторы можно установить полозья или колеса, которые сделают их транспортабельными.

Обычно силовые трансформаторы применяют в случае необходимости увеличить ток и снизить напряжение электроэнергии, идущей от основной электростанции, поэтому силовые трансформаторы используются в различных отраслях промышленности. То есть везде, где применяют устройства, работающие на электроэнергии, а также везде, где жизненно необходимо регулировать параметры электричества, преобразуя ее в электричество нужного тока и напряжения и препятствуя резким скачкам этих параметров.

Силовые масляные трансформаторы

Во многих отраслях народного хозяйства активно используются силовые масляные трансформаторы.
Такой большой спрос на них обуславливается тем, что установить их легко можно как снаружи, так и внутри помещения.
Обмотки силовых масляных трансформаторов отлично защищены от воздействия окружающей среды, за счет чего заметно увеличивается и их срок службы.
Это делает их также надежными и неприхотливыми в процессе эксплуатации.

Есть у силовых масляных трансформаторов и недостаток – он заключается в том, что окружающая среда должна иметь минимум пыли в воздухе.
Кроме того, она должна быть пассивной химически и совершенно невзрывоопасной.
Этот недостаток можно назвать единственным, но при этом он довольно существенный.

Силовые масляные трансформаторы, в которых устанавливается еще маслоуказатель МС, способны выдерживать очень большие нагрузки напряжения.
Использовать трансформаторы можно как в жарком, так и в холодном климате.
Необходимы они с целью понижения напряжения в сети электрической.

Трехфазные и высоковольтные трансформаторы

Могут быть трансформаторы трехфазными и высоковольтными.Высоковольтные трансформаторы отличаются способностью выдерживать достаточно высокую нагрузку.
За счет этого использовать их можно даже на крупных предприятиях.
Их основная работа заключается в том, чтобы от высоковольтной линии преобразовывать ток в более низкие частоты.

Трехфазные трансформаторы способны преобразовывать ток при разных температурах воздуха.
Но в условиях тряски, вибрации или ударов такие трансформаторы использовать запрещено.

Основные преимущества и недостатки

Практически каждый вид сопровождается рядом технических характеристик, достоинств и недостатков. Далее представим основные критерии, по которым определяются положительные или отрицательные позиции:

• Уровень температуры. Основная цель охлаждения – поддерживать естественную и благоприятную рабочую среду для оборудования. Последнее во многом определяется средой установки, уровнем нагрузки электростанций.
• Стоимость внедрения. Практически все коммунальные предприятия хотят снизить затраты на оборудование, поэтому используют старые проверенные решения в виде масляного охлаждения.
• Степень защищенности. Это важный критерий, который предполагает использование того или иного решения на разных энергетических установках. Для АЭС предпочтительнее использовать более современные и рациональные предложения по поддержанию необходимого температурного режима. При размещении на подстанции распределительной сети с небольшими токами можно использовать вариант типа C.

Обращаем ваше внимание, что в России, Беларуси, Украине используются силовые трансформаторы с системой охлаждения NMC, NDC

СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ «С»

Система охлаждения сухих трансформаторов маркируется в отечественных нормативах буквой «С». В таких устройствах не предусмотрено использование охлаждающего масла.

Нормализация температуры магнитопровода и обмотки происходит путем естественной циркуляцией конвекционных потоков воздуха.

Существует несколько разновидностей систем охлаждения для оборудования такого типа:

• С — открытое исполнение корпуса;
• СГ — устройство герметично;
• СЗ — корпус защищен от внешнего механического воздействия;
• СД — возможна установка дополнительных элементов для принудительной циркуляции воздушных потоков направленных на охладительный радиатор корпуса.

Воздушное охлаждение характеризуется низкой эффективностью, поэтому для контроля температуры обмоток каждой фазы в таких устройствах устанавливается термические сенсоры. Сухие трансформаторы имеют небольшую мощность, параметры большинства моделей не превышают 1600 кВА при напряжении до 15 кВ.

В соответствии с ГОСТ 11677-85 максимально допустимое превышение температуры обмотки трансформаторного оборудования разных классов серии «С» не должно превышать следующих граничных величин:

• «А» — 60°С;
• «Е» — 75°С;
• «В» — 80°С;
• «F» — 100°C;
• «Н» — 125°С.

Трансформаторы с сухой системой охлаждения имеют следующие преимущества:

1. Высокая устойчивость к ударному и переменному напряжению;
2. Возможность эксплуатации при повышенной влажности и загрязненности;
3. Высокий уровень пожарной безопасности;
4. Экологическая безопасность — нет риска загрязнения окружающей среды выбросами масла;
5. Небольшие размеры;
6. Низкий уровень шума;
7. Нет необходимости в систематическом обслуживании;
8. Высокая устойчивость коротким замыканиям и длительным тепловым нагрузкам;
9. Гибкость установки — возможна реализация различных вариантов использование внешних вентиляторов, что допускает увеличение мощности некоторых моделей до 50%.

Область применения силовых трансформаторов с сухой системой охлаждения разнообразна. Прежде всего, это системы распределения электроэнергии в зданиях и сооружениях общественного, административного, бытового и жилого назначения с повышенными требованиями пожаро- и взрывозащищенности, а также необходимостью низкого уровня шумового загрязнения.

Чаще всего они применяются в гостиницах, офисных центрах, банках, больницах высотных зданиях любого типа и электротранспорте, как наземном, так и метрополитене.

Рынок может предложить потребителю сухие трансформаторы, рассчитанные на особые условия эксплуатации: тропический или северный климат, регионы с высокой сейсмической активностью.

Немного из истории

Изобретение трансформаторов начиналось ещё в 1876 году великим русским учёным П.Н. Яблоковым. Его изделие не имело замкнутого сердечника, он появился позже – в 1884 году. И с появлением прибора учёные активно стали интересоваться переменным током.

Например, уже в 1889 году М.О. Доливо-Добровольским (русским электротехником) была предложена трёхфазная система переменного тока. Им был построен первый трёхфазный асинхронный двигатель и трансформатор. Через два года была представлена презентация трёхфазной высоковольтной линии протяженностью 175 км, где успешно повышалась и понижалась электроэнергия.

Чуть позже появились масляные агрегаты, так как масло не только оказалось хорошим изолятором, но и прекрасной охлаждающей средой.

Определение и виды прибора

Трехфазный трансформатор — это статический аппарат с тремя парами обмоток. Прибор предназначен для преобразования напряжения при передаче мощности на значительные дистанции.

Классификация по количеству фаз:

• однофазные;
• трехфазные.

Однофазные трансформаторы имеют небольшую мощность. Основными областями их применения являются быт и проведение работ специального назначения (сварка, измерения, испытания).

Диапазон мощности трёхфазных трансформаторов варьируется в больших пределах. Поэтому и область их применения весьма разнообразна:

• для питания токоприёмников специального назначения;
• для присоединения измерительных приборов;
• для изменения значения напряжения при испытаниях;
• для увеличения или уменьшения напряжения при подключении освещения или силовой нагрузки.

Виды трансформаторов

Современные устройства-трансформеры имеют множество разновидностей и используются в самых разных областях.

Силовые трансформаторы

Дистанционная передача электроэнергии осуществляется с помощью силовых трансформаторов. Эти низкочастотные устройства выполняют прием и преобразование. Свое название они получили благодаря работе с напряжением, которое может достигать более 1000 киловольт.

В городах такие трансформаторы понижают напряжение до 0,4 кВ, превращая его в 380 или 220 вольт, которые необходимы для нормального потребления. Эти устройства оснащены двумя, тремя и более обмотками, что позволяет одновременно преобразовывать напряжение от нескольких генераторов. Нормальный температурный баланс поддерживается с помощью трансформаторного масла, а в особо мощных устройствах дополнительно устанавливается активная система охлаждения.

Сетевые трансформаторы

До недавнего времени однофазные сетевые трансформаторы устанавливались практически во всех электрических устройствах. С помощью этих устройств нормальное сетевое напряжение 220 вольт было снижено до необходимого уровня 5, 12, 24 и 48 В.

В сетевых трансформаторах практиковалось устанавливать одновременно несколько вторичных обмоток. Эта конструкция подавала питание на разные части схемы от разных источников питания одновременно. Например, в схемах с радиолампами обязательно присутствовал трансформатор накаливания.

В современных устройствах этого типа используются W-образные, тороидальные или стержневые сердечники. В их основе лежат листы из электротехнической стали. Благодаря тороидальной форме магнитопровода трансформаторы более компактны, обмотка проходит по всей поверхности, не оставляя пустых участков ярма.

Автотрансформаторы

Автотрансформаторы – это также низкочастотные устройства, в которых первичная и вторичная обмотки дополняют друг друга. Между ними существует не только магнитная, но и электрическая связь. Одна обмотка оснащена несколькими выводами одновременно, что позволяет получать разные значения напряжения. Эти устройства имеют более низкую стоимость, поскольку для обмоток требуется меньше проволоки и для сердечника меньше стали. Следовательно, общий вес устройства также уменьшается.

Устройства с негорючим диэлектриком

Мощность таких установок составляет до 2500 кВА. Трансформаторы этого типа применяются в тех случаях, когда технические условия не допускают использования других устройств. Чаще всего это связано с условиями окружающей среды и недопустимостью открытой установки масляных трансформаторов.

Применение устройств с негорючим диэлектриком имеет серьезные ограничения в связи с высокой токсичностью совтола, используемого для охлаждения. Данная жидкость, обладая противопожарными и взрывобезопасными свойствами, может нанести серьезный вред человеческому организму, привести к раздражению носовых и глазных слизистых оболочек.

Основное преимущество этих устройств заключается в возможности их ввода в эксплуатацию без проведения предварительной ревизии. В процессе дальнейшей работы они не требуют обслуживания и ремонта.

Типы трансформаторов

В соответствии со своими параметрами и характеристиками, все трансформаторы разделяются на следующие виды:

• По количеству фаз могут быть одно- или трехфазными.
• В соответствии с числом обмоток, трансформаторы бывают двух- или трехобмоточными, а также двух- или трехобмоточными с расщепленной обмоткой.
• По типу изоляции – сухие (С) и масляные (М) или с негорючим заполнением (Н).
• По видам охлаждения – с естественным масляным охлаждением (М), с масляным охлаждением и воздушным дутьем (Д), принудительная циркуляция масляного охлаждения (Ц), сухие трансформаторы с воздушным охлаждением (С). Кроме того, существуют устройства без расширителей, для защиты которых используется азотная подушка.

Принцип работы трансформаторов тока

1.3 Принцип работы Трансформатор тока состоит из замкнутого сердечника, набранного из тонких листов электротехнической стали, и двух обмоток — первичной и вторичной. Первичную обмотку включают последовательно в контролируемую цепь, ко вторичной обмотке присоединяют токовые катушки различных приборов и реле.

Рисунок 1 – Трансформатор тока: а — устройство, б, в — схемы включения амперметра непосредственно в контролирующую цепь и через трансформатор тока Устройство трансформатора тока и схемы включения амперметра показаны на рисунке 1, а—в. Магнитный поток в магнитопроводе 3 создается токами первичной 1 и вторичной 2 обмоток. Соотношение первичного I1 и вторичного I2 токов определяется формулой: KТТ = I1/I2 = w2/wl , где KТТ — коэффициент трансформации; w1 и w2 — число витков первичной и вторичной обмоток. Если в силовых трансформаторах и трансформаторах напряжения увеличение сопротивления во вторичной цепи вызывает уменьшение тока во вторичной и в первичной цепях, а напряжение на выводах обеих обмоток почти не изменяется, то у трансформаторов тока увеличение сопротивления во вторичной цепи приводит к повышению напряжения на выводах вторичной обмотки. Это объясняется тем, что ток в первичной цепи не зависит от нагрузки трансформатора тока. Ток во вторичной цепи трансформатора тока практически не меняется с изменением ее сопротивления при данном режиме первичной цепи. Вследствие этого нагрузка трансформатора тока увеличивается с возрастанием сопротивления во вторичной цепи, складывающегося из сопротивлений, подключенных к трансформатору тока аппаратов и приборов, соединительных проводов и переходных контактов. Трансформаторы тока для электроустановок напряжением до 1000 В показаны на рисунке 2, а, б, в (катушечный, шинный ТШ-0,5 и шинный с литой изоляцией ТШЛ-0,5). В шинных трансформаторах тока в качестве первичной обмотки используют шину, пропускаемую через окно 5 сердечника трансформатора тока, на который намотана вторичная обмотка. Проходные трансформаторы тока для внутренней установки на напряжение 10 кВ выполняют многовитковыми, одновитковыми и шинными с фарфоровой и пластмассовой (литой) изоляцией (Рисунок 3, а—в). Опорный трансформатор тока ТФНД-220 для наружной установки на напряжение 220 кВ (Рисунок 4) имеет обмотки, помещенные в фарфоровый корпус 3, залитый маслом и укрепленный на основании 4. На верхнем торце фарфорового корпуса укреплен чугунный расширитель 1 для масла с маслоуказателем и зажимами 2 первичной обмотки. Сердечник с вторичной обмоткой охватывается первичной обмоткой, имеющей в этом месте форму кольца. Выводы вторичной обмотки размещены в коробке 5 на основании трансформатора.

Рисунок 2 – Трансформаторы тока на напряжение до 1000 В: а — катушечный, б, в — шинные ТШ-0,5 и ТШЛ-0,5; 1 — каркас, 2, 4 — зажимы вторичной и первичной обмоток, 3 — защитный кожух, 5 — окно

Советуем изучить — Механические характеристики электроприводов

Рисунок 3 – Трансформаторы тока на напряжение 10 кВ с литой изоляцией: а — многовитковый ТПЛ-10, б — одновитковый ТПОЛ-10, в —шинный ТПШЛ-10; 1, 2 — зажимы первичной и вторичной обмоток, 3 — литая изоляция, 4 — установочный угольник, 5 — сердечник

Рисунок 4 – Опорный трансформатор тока ТФНД-220 наружной установки В высоковольтных распределительных устройствах подстанций применяют проходные (Рисунок 5, а) и опорные (Рисунок 5, б) трансформаторы тока.

Рисунок 5 – Трансформаторы тока: а — проходной ТПФМ-10 на 10 кВ, б — опорный ТФН-35М на 35 кВ; 1 и 3 — первичная и вторичная обмотки, 2 — фарфоровый изолятор, 4 — сердечник вторичной обмотки, 5 — контактный угольник, 6 — крышка, 7 — кожух, 8 — верхний фланец, 9 — зажимы выводов вторичной обмотки, 10 — якореобразный болт, 11 — крышка, 12 — фарфоровая покрышка, 13 — изоляционное масло, 14 — кольцевые обмотки («восьмеркой»), 15 — полухомут, 16 — масловыпускатель, 17 — цоколь, 18 — коробка вторичных выводов, 19 — кабельная муфта, 20 — маслоуказатель

Конструктивная особенность

Трехфазный трансформатор имеет основу – магнитный сердечник, собранный из трёх ферромагнитных стержней. На стержнях располагаются первичная обмотка высокого напряжения и вторичная обмотка низкого напряжения. Для соединения фаз первичных обмоток применяют схемы «треугольник» либо «звезда». Аналогичным способом соединения выполняются и вторичные обмотки.

На первичную обмотку подаётся электроэнергия из питающей сети, а на вторичную подключается нагрузка. Электроэнергия передаётся за счет электромагнитной индукции. Главная функция магнитопровода – обеспечить между обмотками магнитную связь. Магнитопровод изготавливают из тонких стальных пластин (электротехническая листовая сталь). Чтобы сократить потери, стальные листы между собой изолируют, используя оксидную пленку или специальный лак.

Трансформатор силовой трехфазный с литой изоляцией ТСЛ (ТСГЛ) и ТСЗЛ (ТСЗГЛ)

Трансформатор силовой трехфазный ТС и ТСЗ

Трансформатор-стабилизатор высоковольтный дискретный ВДТ-СН

Обмотки с магнитопроводом погружаются в бак, в котором находится трансформаторное масло. Оно одновременно выполняет функцию изоляции и охлаждающей среды. Такие трансформаторы называются масляными. Трехфазный трансформатор, у которого в качестве охлаждения и изоляции используется воздух, называют сухим. Недостаток масляных трансформаторов заключается в повышенной пожароопасности.

Потери энергии в трансформаторе

Коэффициент полезного действия трансформаторов достаточно высок. Тем не менее, в обмотке и сердечнике происходят потери энергии, приводящие к тому, что температура при работе трансформатора повышается. Для трансформаторов небольшой мощности это не представляет проблемы, и все тепло уходит в окружающую среду – используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.

В более мощных трансформаторах воздушного охлаждения оказывается недостаточно, и применяется охлаждение маслом. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В трансформаторах высоких мощностей дополнительно применяются выхлопные трубы – если масло закипает, образовавшимся газам нужен выход.

Конечно, трансформаторы не так просты, как может показаться на первый взгляд — ведь мы рассмотрели принцип действия трансформатора кратко. Контрольная по электротехнике  с задачами на расчет трансформатора внезапно может стать настоящей проблемой. Специальный студенческий сервис всегда готов оказать помощь в решении любых проблем с учебой! Обращайтесь в Zaochnik и учитесь легко!

Простое объяснение принципа работы прибора

Как устроена работа трансформатора:

Как только к одной из обмоток подводят электроток, появляется сильное магнитное поле вокруг стального сердечника, на котором она обмотана. А когда к процессу подключают вторичную обмотку, по закону электромагнитной индукции электрический ток передается от одной катушки к другой.

Любой трансформатор способен работать в 3-х режимах: 

1. Рабочий режим — когда вторичная катушка трансформатора получает ток, напряжение и сопротивление от первичной цепи.
2. Режим холостого хода предполагает размыкание вторичной обмотки. Этот режим позволяет произвести расчет коэффициента трансформации и измерить ток, который течет в первичной цепи.
3. Режим короткого замыкания предполагает замыкание концов вторичной обмотки напрямую, при котором сопротивление в цепи равно нулю. В этом режиме можно определить потери, которые происходят за счет нагревания обмоток.

Зависимость напряжения от количества витков

Возникающее напряжение и КПД в устройстве на второй обмотке напрямую зависит от количества витков на ней.

Рассмотрим наиболее распространенные разновидности, касающиеся этого вопроса:

1. Разделительный трансформатор. Здесь электрическое соединение обмоток отсутствует, а количество витков на второй из них равно первой. То есть, n1 / n2 = 1.
2. Понижающий. В этом случае на вторичной обмотке находится меньше витков проводника, чем на первичной, или n1 / n2 ˃ 1.
3. Повышающий трансформатор. Здесь ситуация прямо противоположна предыдущему случаю на вторичной обмотке витков больше, чем на первичной n1 / n2 ˂ 1.

В некоторых устройствах есть возможность изменять режим работы и параметр n2 в зависимости от потребностей конечного потребителя и изменяющихся условий эксплуатации.