Принципи роботи трансформаторів

Принципи роботи трансформаторів

Введення

Трансформа тор (від лат. Transformo - перетворювати) - статичне (не має рухомих частин) електромагнітний пристрій, призначений для перетворення за допомогою електромагнітної індукції системи змінного струму однієї напруги в систему змінного струму звичайно іншої напруги при незмінній частоті і без істотних втрат потужності.

Трансформатор може складатися з однієї (автотрансформатор) або кількох ізольованих дротяних, або стрічкових обмоток, які охоплюються загальним магнітним потоком, намотаних, як правило, на магнітопровід (сердечник) з феромагнітного магніто-м'якого матеріалу.

1. Історія

Для створення трансформаторів необхідно було вивчення властивостей матеріалів: неметалічних, металевих і магнітних, створення їх теорії.

Столєтов Олександр Григорович (професор МУ) зробив перші кроки в цьому напрямку - виявив петлю гістерезису і доменну структуру феромагнетика. Брати Гопкінсони розробили теорію електромагнітних ланцюгів.

У 1831 році англійським фізиком Майклом Фарадеєм було відкрито явище електромагнітної індукції, лежаче в основі дії електричного трансформатора, при проведенні ним основних досліджень в області електрики.

Схематичне зображення майбутнього трансформатора вперше з'явилося в 1831 році в роботах Фарадея і Генрі. Проте ні той, ні інший не відзначали в своєму приладі такої властивості трансформатора, як зміна напруг і струмів, тобто трансформація змінного струму.

У 1848 році французький механік Г. Румкорфом винайшов індукційну котушку. Вона стала прообразом трансформатора.

30 листопада 1876, дата отримання патенту Яблочковим Павлом Миколайовичем, вважається датою народження першого трансформатора. Це був трансформатор з розімкненим сердечником, що представляли собою стрижень, на який намотувалися обмотки.

Перші трансформатори із замкнутими сердечниками були створені в Англії в 1884 році братами Джоном і Едуардом Гопкінсон.

З винаходом трансформатора виник технічний інтерес до змінного струму. Російський електротехнік Михайло Осипович Доліво-Добровольський у 1889 р. запропонував трифазну систему змінного струму, побудував перший трифазний асинхронний двигун і перший трифазний трансформатор. На електротехнічній виставці у Франкфурті-на-Майні в 1891 р. Доліво-Добровольський демонстрував дослідну високовольтних електропередач трифазного струму протяжністю 175 км трифазний генератор мав потужність 230 КВт при напрузі 95 В.

1928 можна вважати початком виробництва силових трансформаторів у СРСР, коли почав працювати Московський трансформаторний завод (згодом - Московський електрозавод).

На початку 1900-х років англійський дослідник-металург Роберт Хедфілд провів серію експериментів для встановлення впливу добавок на властивості заліза. Лише через кілька років йому вдалося поставити замовникам першу тонну трансформаторної сталі з добавками кремнію.

Наступний великий стрибок в технології виробництва сердечників був зроблений на початку 30-х років XX ст, коли американський металург Норман П. Гросс встановив, що при комбінованому впливі прокату і нагрівання у кременистої стали з'являються неабиякі магнітні властивості в напрямку прокатки: магнітне насичення збільшувалася на 50 %, втрати на гістерезис скорочувалися в 4 рази, а магнітна проникність зростала в 5 разів.

2. Види трансформаторів

2.1 Силовий трансформатор

Силовий трансформатор - трансформатор, який призначений для перетворення електричної енергії в електричних мережах та в установках, призначених для прийому і використання електричної енергії.

2.2 Автотрансформатор

Автотрансформа тор - варіант трансформатора, в якому первинна і вторинна обмотки сполучені безпосередньо, і мають за рахунок цього не тільки електромагнітний зв'язок, а й електричну. Обмотка автотрансформатора має кілька висновків (як мінімум 3), підключаючись до яких, можна отримувати різні напруги. Перевагою автотрансформатора є більш високий ККД, оскільки лише частина потужності піддається перетворенню - це особливо суттєво, коли вхідний і вихідний напруги відрізняються незначно. Недоліком є відсутність електричної ізоляції (гальванічної розв'язки) між первинною і вторинною ланцюгом. У промислових мережах, де наявність заземлення нульового проводу обов'язково, цей чинник ролі не грає. Натомість істотною є менша витрата стали для сердечника, міді для обмоток, меншу вагу і габарити, і в результаті - менша вартість. Особливо ефективний автотрансформатор у випадках, коли необхідно отримати вторинна напруга, не сильно відрізняється від первинного.

2.3 Трансформатор струму

Трансформа тор то ка - трансформатор, який живиться від джерела струму. Типове застосування - для зниження первинного струму до величини, яка використовується в ланцюгах вимірювання, захисту, управління і сигналізації. Номінальне значення струму вторинної обмотки 1А, 5А. Первинна обмотка трансформатора струму включається в ланцюг з вимірюваним змінним струмом, а у вторинну включаються вимірювальні прилади. Струм, що протікає по вторинній обмотці трансформатора струму, дорівнює струму первинної обмотки, поділене на коефіцієнт трансформації.

2.4 Трансформатор напруги

Трансформатор напруги - трансформатор, який живиться від джерела напруги. Типове застосування - перетворення високої напруги в низьке в ланцюгах, у вимірювальних ланцюгах і ланцюгах РЗіА. Застосування трансформатора напруги дозволяє ізолювати логічні ланцюги захисту і ланцюга вимірювання від ланцюга високої напруги.

2.5 Імпульсний трансформатор

Імпульсний трансформатор - трансформатор, який призначений для перетворення імпульсних сигналів з тривалістю імпульсу до десятків мікросекунд з мінімальним спотворенням форми імпульсу. Основне застосування полягає в передачі прямокутного електричного імпульсу (максимально крутий фронт і зріз, відносно постійна амплітуда). Він служить для трансформації короткочасних відеоімпульсів напруги, зазвичай періодично повторюються з високою шпаруватістю. У більшості випадків основна вимога, що пред'являється до ІТ полягає в неспотвореній передачі форми трансформованих імпульсів напруги; при дії на вхід ІТ напруги тієї або іншої форми на виході бажано отримати імпульс напруги тієї ж самої форми, але, можливо, інший амплітуди або іншої полярності.

2.6 Розділовий трансформатор

Розділовий трансформатор - трансформатор, первинна обмотка якого електрично не пов'язана з вторинними обмотками. Силові розділові трансформатори призначені для підвищення безпеки електромереж, при випадкових одночасних торкань до землі і струмоведучих частин або неструмоведучих частин, які можуть опинитися під напругою у разі пошкодження ізоляції. Сигнальні розділові трансформатори забезпечують гальванічну розв'язку електричних ланцюгів.

2.7 Пік-трансформатор

Пік-трансформатор - трансформатор, що перетворює напругу синусоїдальної форми в імпульсна напруга з мінливих через кожні полперіода полярністю.

У практичною конструкції трансформатора виробник вибирає між двома різними базовими концепціями.

Будь-яка з цих концепцій не впливає на експлуатаційні характеристики або експлуатаційну надійність трансформатора, але є істотні відмінності у процесі їх виготовлення. Кожен виробник обирає концепцію, яку він вважає найбільш зручною з точки зору виготовлення, і прагне до застосування цієї концепції на всьому обсязі виробництва.

У той час як обмотки стрижневого типу містять в собі сердечник, сердечник броньового типу містить в собі обмотки. Якщо дивитися на активний компонент (тобто, сердечник з обмотками) стрижневого типу, обмотки добре видно, але вони приховують за собою стрижні магнітної системи сердечника. Видно тільки верхнє і нижнє ярмо сердечника. У конструкції броньового типу сердечник приховує в собі основну частину обмоток.

Ще одна відмінність полягає в тому, що вісь обмоток стрижневого типу, як правило, має вертикальне положення, в той час як у броньової конструкції вона може бути горизонтальної чи вертикальної.

3. Конструкція трансформтора

Основними частинами конструкції трансформатора є:

магнітна система (магнітопровід)

обмотки

система охолодження

3.1 Магнітна система (магнітопровід)

Магнітна система (магнітопровід) трансформатора - комплект елементів (найчастіше пластин) електротехнічної сталі або іншого феромагнітного матеріалу, зібраних в певній геометричній формі, призначений для локалізації в ньому основного магнітного поля трансформатора. Магнітна система в повністю зібраному вигляді спільно з усіма вузлами і деталями, що служать для скріплення окремих частин в єдину конструкцію, називається остовом трансформатора.

Частина магнітної системи, на якій розташовуються основні обмотки трансформатора, називається - стержень.Часть магнітної системи трансформатора, що не несе основних обмоток і служить для замикання магнітного ланцюга, називається - ярмо.

У залежності від просторового розташування стержнів, виділяють:

Плоска магнітна система - магнітна система, в якій поздовжні осі всіх стрижнів і ярем розташовані в одній площині.

Просторова магнітна система - магнітна система, в якій поздовжні осі стрижнів або ярем, або стрижнів і ярем розташовані в різних площинах.

Симетрична магнітна система - магнітна система, в якій всі стрижні мають однакову форму, конструкцію та розміри, а взаємне розташування будь-якого стрижня по відношенню до всіх ярмам однаково для всіх стрижнів.

Несиметрична магнітна система - магнітна система, в якій окремі стрижні можуть відрізнятися від інших стержнів за формою, конструкції або розмірами або взаємне розташування будь-якого стрижня по відношенню до інших стержнів або ярмам може відрізнятися від розташування будь-якого іншого стрижня.

3.2 Обмотки

Основним елементом обмотки є виток - електричний провідник, або ряд паралельно з'єднаних таких провідників (багатодротяна жила), одноразово обхоплюють частина магнітної системи трансформатора, електричний струм якого спільно з струмами інших таких провідників та інших частин трансформатора створює магнітне поле трансформатора і в якому під дією цього магнітного поля наводиться електрорушійна сила.

Обмотка - сукупність витків, що утворюють електричний ланцюг, у якій підсумовуються ЕРС, наведені у витках. У трифазному трансформаторі під обмоткою зазвичай мають на увазі сукупність обмоток однієї напруги трьох фаз, що з'єднуються між собою.

Провідник обмотки в силових трансформаторах зазвичай має квадратну форму для найбільш ефективного використання наявного простору (для збільшення коефіцієнта заповнення у вікні осердя). При збільшенні площі провідника провідник може бути розділений на два і більше паралельних провідних елементів з метою зниження втрат на вихрові струми в обмотці і полегшення функціонування обмотки. Провідний елемент квадратної форми називається жилою.

Кожна жила ізолюється за допомогою або паперової обмотки, або емалевого лаку. Дві окремо ізольованих і паралельно з'єднаних жили іноді можуть мати загальну паперову ізоляцію. Дві таких ізольованих жили в загальній паперової ізоляції називаються кабелем. Транспонований кабель застосовуваний в обмотці трансформатора.

Особливим видом провідника обмотки є безперервно транспонований кабель. Цей кабель складається з жил, ізольованих за допомогою двох шарів емалевого лаку, розташованих в осьовому положенні один до одного, як показано на малюнку. Безперервно транспонований кабель виходить шляхом переміщення зовнішньої жили одного шару до наступного шару з постійним кроком і застосування загальної зовнішньої ізоляції.

Паперова обмотка кабелю виконана з тонких (кілька десятків мікрометрів) паперових смуг шириною кілька сантиметрів, намотаних навколо жили. Папір загортається в кілька шарів для отримання необхідної загальної товщини.

3.3 Дискова обмотка

Обмотки поділяють за:

Призначенню

Основні - обмотки трансформатора, до яких підводиться енергія перетворюється або від яких відводиться енергія перетвореного змінного струму.

Регулюючі - при невисокому струмі обмотки і не дуже широкому діапазоні регулювання, в обмотці можуть бути передбачені відводи для регулювання коефіцієнта трансформації напруги.

Допоміжні - обмотки, призначені, наприклад, для харчування мережі власних потреб з потужністю істотно меншою, ніж номінальна потужність трансформатора, для компенсації третин гармонійної магнітного поля, підмагнічування магнітної системи постійним струмом, і т. п.

Виконанню

Рядова обмотка - витки обмотки розташовуються в осьовому напрямку в усій довжині обмотки. Наступні витки намотуються щільно один до одного, не залишаючи проміжного простору.

Гвинтові обмотка - гвинтова обмотка може представляти собою варіант багатошарової обмотки з відстанями між кожним витком або заходом обмотки.

Дискова обмотка - дискова обмотка складається з ряду дисків, з'єднаних послідовно. У кожному диску витки намотуються в радіальному напрямку у вигляді спіралі у напрямку всередину і назовні на сусідніх дисках.

Фольгова обмотка - фольгові обмотки виконуються з широкого мідного або алюмінієвого листа товщиною від десятих часток міліметра до декількох міліметрів.

3.3.1 Схеми і групи з'єднання обмоток трифазних двообмоткових трансформаторів

Існують три основних способи з'єднання фазових обмоток кожного боку трифазного трансформатора:

Y-з'єднання, так званої з'єднання зіркою, де всі три обмотки з'єднані разом одним кінцем кожної з обмоток в одній точці, званої нейтральною точкою або зіркою

D-з'єднання, так зване дельта-з'єднання, або з'єднання трикутником, де три фазних обмотки з'єднані послідовно і утворюють кільце (або трикутник)

Z-з'єднання, так зване з'єднання зигзагом

Первинна, вторинна і третинна боку трансформатора можуть бути з'єднані будь-яким з трьох способів, показаним вище. Дані способи пропонують кілька різних комбінацій з'єднань в трансформаторах з різними характеристиками, вибір яких також може бути обумовлений типом сердечника.

Y-з'єднання зазвичай є природним вибором для самих високих напруг, коли нейтральна точка призначена для зарядки. У будь-якому випадку в цілях захисту від перенапруги або для прямого заземлення передбачено наявність нейтрального прохідного ізолятора. В останньому випадку в цілях економії рівень ізоляції нейтралі може бути нижче, ніж рівень ізоляції фазного кінця обмотки. З'єднана зіркою обмотка також має ту перевагу, що перемикання регулювання коефіцієнта трансформації може бути передбачено на нейтральному кінці, де також може бути розміщений перемикач числа витків. Тому перемикач числа витків зможе функціонувати при напрузі низького логічного рівня, а різниця напруг між фазами також буде незначна. У порівнянні з витратами, витраченими на встановлення перемикача числа витків, при більш високому рівні напруги економічні витрати будуть нижчими.

З'єднання зіркою використовується на одній стороні трансформатора, інша сторона має бути з'єднана трикутником, особливо у випадках, якщо нейтраль з'єднання зіркою планується для зарядки. З'єднання обмотки трикутником забезпечує баланс ампер-виток для струму нульової послідовності, що настає після нейтралі, і кожної фази з'єднання зіркою, що дає прийнятний рівень повного опору нульової послідовності. Без з'єднання трикутником обмотки струм нульової послідовності привів би до утворення поля струмів нульової послідовності в серцевині. Якщо сердечник має три стержні, це поле від ярма до ярма проникне крізь стінки бака і призведе до виділення тепла. У випадку з броньовим сердечником, або за наявності п'яти стрижнів сердечника, це поле проникне між розкрученими бічними стрижнями і повне опір нульової послідовності істотно підвищиться. Внаслідок цього ток, у випадку пробою на землю може стати настільки слабким, що захисна реле не спрацює.

У з'єднаної трикутником обмотці струм, що протікає по кожній фазової обмотці дорівнює фазного струму, розділеному на , У той час як у з'єднанні зіркою, лінійний струм кожної фазної обмотки ідентичний лінійному току мережі. З іншого боку, для однакового напруги з'єднання трикутником вимагає наявності триразового кількості витків в порівнянні з з'єднанням зіркою. З'єднання обмотки трикутником вигідно використовувати у високовольтних трансформаторах, коли сила струму висока, а напруга відносно низьке, як наприклад, в обмотці нижчої напруги в підвищують трансформаторах.

З'єднання обмотки трикутником дозволяє циркулювати трійковим синусоїдальним струмам всередині трикутника, утвореного трьома послідовно з'єднаними фазними обмотками. Троїчним синусоїдальні струми необхідні, щоб уникнути спотворення потоку магнітної індукції в сердечнику, а також перекручування при синусоїдальної формі наведеної напруги. Троїчним синусоїдальні струми у всіх трьох фазах мають однакову тривалість, дані струми не можуть циркулювати в обмотці, з'єднаної зіркою, поки нейтраль обмотки не замкнута.

Недолік трійчастий синусоїдальних струмів в намагничивающей струмі може призвести до значних спотворень наведеної напруги, у випадках, якщо у сердечника 5 стрижнів, або він виконаний в броньовому варіанті. З'єднана трикутником обмотка трансформатора усуне дане порушення, так як обмотка з з'єднанням трикутником забезпечить загасання гармонійних струмів. Іноді в трансформаторах передбачено наявність третинної D-з'єднаної обмотки, передбаченої не для зарядки, а для запобігання спотворення напруги і зниження повного опору нульової послідовності. Такі обмотки називаються компенсаційними. Розподільні трансформатори, призначені для зарядки, між фазою і нейтраллю на боці першого контуру, забезпечені зазвичай з'єднаної трикутником обмоткою. Проте струм у з'єднаної трикутником обмотці може бути дуже слабким для досягнення мінімуму номінальної потужності, а необхідний розмір провідника обмотки надзвичайно незручний для заводського виготовлення. У подібних випадках високовольтна обмотка може бути з'єднана зіркою, а вторинна обмотка - зигзагоподібно. Струми нульової послідовності, що циркулюють у двох відводах зигзагоподібно з'єднаної обмотки будуть балансувати один одного, повне опір нульової послідовності вторинної сторони головним чином визначається полем розсіювання магнітного поля між двома розгалуженнями обмоток, і виражається дуже незначною цифрою.

При використанні з'єднання пари обмоток різними способами можливо досягти різних ступенів напруги зсуву між сторонами трансформатора.

Зсув фаз між ЕРС первинної і вторинної обмоток прийнято виражати групою сполук. Для опису напруги зсуву між первинною і вторинною, або первинної та третинної обмотками, традиційно використовується приклад з циферблатом годинника. Так як це зрушення фаз може змінюватися від 0 ° до 360 °, а кратність зсуву становить 30 °, то для позначення групи сполук вибирається ряд чисел від 1 до 12, в якому кожна одиниця відповідає куту зсуву в 30 °. Одна фаза первинної вказує на 12, а відповідна фаза іншого боку вказує на іншу цифру циферблата.

Найбільш часто використовувана комбінація Yd11 означає, наприклад, наявність 30 º зсуву нейтралі між напругами двох.

Схеми і групи з'єднання обмоток трифазних двообмоткових трансформаторів

Схема з'єднання обмоток		Діаграма векторів напруги холостого ходу *	Умовне позначення
ВН	НН
			У/Д-11

Примітка: на діаграмі зеленим кольором позначені вектора обмотки ВН, синім - ПН, червоним зміщення вектора AB.

У залізничних трансформаторах також зустрічається група з'єднань «розімкнутий трикутник - неповна зірка».

3.4 Бак

Бак в першу чергу представляє собою резервуар для масла, а також забезпечує фізичний захист для активного компонента. Він також служить в якості опорної конструкції для допоміжних пристроїв і апаратури управління.

Перед заповненням маслом бака з активним компонентом всередині з нього викачується все повітря, який може піддати небезпеці діелектричну міцність ізоляції трансформатора (тому бак призначений для витримування тиску атмосфери з мінімальною деформацією).

Ще одним явищем, що враховуються при проектуванні баків, є збіг звукових частот, що виробляються сердечником трансформатора, і частот резонансу деталей бака, що може посилити шум, випромінюваний в навколишнє середовище.

Конструкція бака допускає температурно-залежне розширення масла. Частіше за все встановлюється окремий розширювальний бачок, який також називається розширювачем.

При збільшенні номінальної потужності трансформатора дія великих струмів всередині і зовні трансформатора впливає на конструкцію. Те ж саме відбувається з магнітним потоком розсіювання всередині бака. Вставки з немагнітного матеріалу навколо потужнострумових прохідних ізоляторів знижують ризик перегріву. Внутрішнє облицювання бака з високопроводящіх щитків не допускає потрапляння потоку через стінки бака. З іншого боку, матеріал з низьким магнітним опором поглинає потік перед його проходженням через стінки бака.

4.Базовие принципи дії трансформатора

Схематичне пристрій трансформатора. 1 - первинна обмотка, 2 - вторинна

Робота трансформатора заснована на двох базових принципах:

Змінюється в часі електричний струм створює змінюється в часі магнітне поле (електромагнетизм)

Зміна магнітного потоку, що проходить через обмотку, створює ЕРС в цій обмотці (електромагнітна індукція)

На одну з обмоток, звану первинної обмоткою подається напруга від зовнішнього джерела. Протікає по первинній обмотці змінний струм створює змінний магнітний потік у муздрамтеатрі, зрушений по фазі, при синусоїдальному струмі, на 90 ° по відношенню до струму в первинній обмотці. У результаті електромагнітної індукції, змінний магнітний потік в муздрамтеатрі створює у всіх обмотках, в тому числі і в первинній, ЕРС індукції пропорційну першої похідної магнітного потоку, при синусоїдальному струмі зрушеної на 90 ° у зворотний бік по відношенню до магнітного потоку.

4.1 Режим холостого ходу

Коли вторинні обмотки ні до чого не підключені (режим холостого ходу), ЕРС індукції в первинній обмотці практично повністю компенсує напруга джерела живлення, тому струм через первинну обмотку невеликий, і визначається в основному її індуктивним опором. Можливий варіант виконання трансформатора з приблизно рівними струмами холостого ходу і під навантаженням. Трансформатори, що не мають режиму холостого ходу, виходять менше і легше.

4.2 Режим з навантаженням

При підключенні навантаження до вторинної обмотки у вторинному ланцюзі виникає струм, що створює магнітний потік у муздрамтеатрі, спрямований протилежно магнітному потоку, створюваному первинної обмоткою. У результаті в первинної ланцюга порушується рівність ЕРС індукції і ЕРС джерела живлення, що призводить до збільшення струму в первинній обмотці до тих пір, поки магнітний потік не досягне практично колишнього значення.

Схематично, процес перетворення можна зобразити наступним чином:

Миттєвий магнітний потік в муздрамтеатрі трансформатора визначається інтегралом за часом від миттєвого значення ЕРС у первинній обмотці, і в разі синусоїдальної напруги зрушать по фазі на 90 ° по відношенню до ЕРС. Наведена у вторинних обмотках ЕРС пропорційна першої похідної від магнітного потоку, і для будь-якої форми струму збігається за фазою і формі з ЕРС у первинній обмотці.

4.3.Закон Фарадея

ЕРС, створювана у вторинній обмотці, може бути обчислена за законом Фарадея, який свідчить, що:

Де

U2 - Напруга на вторинній обмотці,

N2 - число витків у вторинній обмотці,

Φ - сумарний магнітний потік, через один виток обмотки. Якщо витки обмотки розташовані перпендикулярно лініям магнітного поля, то потік буде пропорційний магнітному полю B і площі S через яку він проходить.

ЕРС, створювана в первинній обмотці, відповідно:

Де

U1 - миттєве значення напруги на кінцях первинної обмотки,

N1 - число витків у первинній обмотці.

Поділивши рівняння U2 на U1, отримаємо відношення:

4.4 Рівняння ідеального трансформатора

Ідеальний трансформатор - трансформатор, у якого відсутні втрати енергії на нагрів обмоток і потоки розсіяння обмоток.В ідеальному трансформаторі всі силові лінії проходять через усі витки обох обмоток, і оскільки змінюється магнітне поле породжує одну і ту ж ЕРС в кожному витку, сумарна ЕРС, індукована в обмотці, пропорційна повного числа її витків. Такий трансформатор всю надходить енергію з первинної ланцюга трансформує в магнітне поле і, потім, в енергію вторинної ланцюга. У цьому випадку надходить енергія, дорівнює перетвореної енергії:

Де P1 - миттєве значення надходить на трансформатор потужності, що надходить з первинної ланцюга,

P2 - миттєве значення перетвореної трансформатором потужності, що надходить у вторинну ланцюг.

Поєднавши це рівняння з відношення напруг на кінцях обмоток, отримаємо рівняння ідеального трансформатора:

Таким чином отримуємо, що при збільшенні напруги на кінцях вторинної обмотки U2, зменшується струм вторинного кола I2.

Для перетворення опору одного ланцюга до опору інший, потрібно помножити величину на квадрат відносини. [15] Наприклад, опір Z2 підключено до кінців вторинної обмотки, його наведене значення до первинної ланцюга буде

Це правило справедливо також і для вторинної ланцюга:

5. Позначення на схемах

На схемах трансформатор позначається наступним чином:

Центральна товста лінія відповідає сердечникові, 1 - первинна обмотка (зазвичай зліва), 2,3 - вторинні обмотки. Число півкіл в якомусь грубому наближенні символізує число витків обмотки (більше витків - більше півкіл, але без суворої пропорційності).

6. Застосування трансформаторів

Найбільш часто трансформатори застосовуються в електромережах і в джерелах живлення різних приладів.

6.1 Застосування в електромережах

Оскільки втрати на нагрівання проводу пропорційні квадрату струму, що проходить через дріт, при передачі електроенергії на велику відстань вигідно використовувати дуже великі напруги і невеликі струми. З міркувань безпеки та для зменшення маси ізоляції в побуті бажано використовувати не настільки великі напруги. Тому для найбільш вигідною транспортування електроенергії в електромережі багаторазово застосовують трансформатори: спочатку для підвищення напруги генераторів на електростанціях перед транспортуванням електроенергії, а потім для зниження напруги лінії електропередач до прийнятного для споживачів рівня.

Оскільки в електричній мережі три фази, для перетворення напруги застосовують трифазні трансформатори, або групу з трьох однофазних трансформаторів, з'єднаних в схему зірки або трикутника. У трифазного трансформатора осердя для всіх трьох фаз загальний.

Незважаючи на високий ККД трансформатора (понад 99%), у дуже потужних трансформаторах електромереж виділяється велика потужність у вигляді тепла (наприклад, для типової потужності блоку електростанції 1 ГВт на трансформаторі може виділятися потужність до декількох мегават). Тому трансформатори електромереж використовують спеціальну систему охолодження: трансформатор поміщається в баку, заповненому трансформаторним маслом або спеціальною негорючою рідиною. Масло циркулює під дією конвекції або примусово між баком і потужним радіатором. Іноді масло охолоджують водою. «Сухі» трансформатори використовують при відносно малій потужності (до 4000 кВт).

6.2 Застосування в джерелах живлення

Для живлення різних вузлів електроприладів потрібні найрізноманітніші напруги. Наприклад, в телевізорі використовуються напруги від 5 вольт для живлення мікросхем і транзисторів, до 30 кіловольт для живлення анода кінескопа. Всі ці напруги звичайно виходять за допомогою рядкового трансформатора). У блоці живлення персонального комп'ютера зазвичай також застосовується трансформатор, на який подається змінний струм від спеціального керованого електронного генератора. За допомогою зворотних зв'язків вихідна напруга підтримується на необхідному рівні. Блоки живлення в пристроях, які використовують декілька істотно різних напруг, найчастіше містять трансформатори з багатьма вторинними обмотками.

У минулому мережевий трансформатор (на 50-60 Гц) був однією з найбільш важких деталей багатьох приладів. Справа в тому, що лінійні розміри трансформатора визначаються переданої їм потужністю, причому виявляється, що лінійний розмір мережевого трансформатора приблизно пропорційний потужності в ступені 1 / 4. Розмір трансформатора можна зменшити, якщо збільшити частоту змінного струму. Тому в сучасних блоках харчування змінну напругу мережі спершу випрямляють, а потім перетворять в високочастотні імпульси, які подаються на імпульсний трансформатор, який перетворює їх в усі потрібні напруги. Така конструкція помітно зменшує масу блоку живлення.

6.3 Інші застосування трансформатора

Розділові трансформатори (трансформаторна гальванічна розв'язка). Нейтральний провід електромережі може мати контакт з «землею», тому при одночасному торканні людиною фазового проводу (а також корпусу приладу з поганою ізоляцією) і заземленого предмета тіло людини замикає електричний ланцюг, що створює загрозу ураження електричним струмом. Якщо ж прилад включений в мережу через трансформатор, торкання приладу однією рукою цілком безпечно, оскільки вторинна ланцюг трансформатора ніякого контакту з землею не має.

Імпульсні трансформатори (ІТ). Основне застосування полягає в передачі прямокутного електричного імпульсу (максимально крутий фронт і зріз, відносно постійна амплітуда). Він служить для трансформації короткочасних відеоімпульсів напруги, зазвичай періодично повторюються з високою шпаруватістю. У більшості випадків основна вимога, що пред'являється до ІТ полягає в неспотвореній передачі форми трансформованих імпульсів напруги; при дії на вхід ІТ напруги тієї або іншої форми на виході бажано отримати імпульс напруги тієї ж самої форми, але, можливо, інший амплітуди або іншої полярності.

Вимірювальні трансформатори. Застосовують для виміру дуже великих або дуже маленьких змінних напруг і струмів у ланцюгах РЗіА.

Вимірювально-силові трансформатори. Мають широке застосування в схемах генераторів змінного струму малої і середньої потужності (до мегавата), наприклад, в дизель-генераторах. Такий трансформатор являє собою вимірювальний трансформатор струму з первинною обмоткою, включеної послідовно з навантаженням генератора. З вторинної обмотки знімається змінна напруга, яке після випрямляча подається на обмотку підмагнічування ротора. (Якщо генератор - трифазний, обов'язково застосовується і трифазний трансформатор). Таким чином, досягається стабілізація вихідної напруги генератора - чим більше навантаження, тим сильніше струм підмагнічування, і навпаки.

Узгоджувальні трансформатори. З законів перетворення напруги і струму для первинної та вторинної обмотки (I1 = I2w2/w1, U1 = U2w1/w2) видно, що з боку ланцюзі первинної обмотки всякий опір у вторинній обмотці виглядає в (w1/w2) ² разів більше. Тому що погодять трансформатори застосовуються для підключення низкоомной навантаження до каскадам електронних пристроїв, що мають високий вхідний або вихідний опір. Наприклад, високим вихідним опором може мати вихідний каскад підсилювача звукової частоти, особливо, якщо він зібраний на лампах, в той час як динаміки мають дуже низький опір. Узгоджувальні трансформатори також винятково корисними у високочастотних лініях, де різниця опору лінії і навантаження призвело б до відбиття сигналу від кінців лінії, і, отже, до великих втрат.

Фазоінвертірующіе трансформатори. Трансформатор передає тільки змінну компоненту сигналу, тому навіть якщо всі постійні напруги в ланцюзі мають один знак відносно загального проводу, сигнал на виході вторинної обмотки трансформатора буде містити як позитивну, так і негативну півхвилі, причому, якщо центр вторинної обмотки трансформатора підключити до загального проводу, то напруга на двох крайніх висновках цієї обмотки буде мати протилежну фазу. До появи широко доступних транзисторів з npn типом провідності фазоінвертірующіе трансформатори застосовувалися в двотактних вихідних каскадах підсилювачів, для подачі протилежних за полярності сигналів на бази двох транзисторів каскаду. До того ж, через відсутність "ламп з протилежним зарядом електрона», фазоінвертірующій трансформатор необхідний у лампових підсилювача з двотактним вихідним каскадом.

Фазоінвертірующіе і согласующие трансформатори в вихідному каскаді підсилювача звукової частоти з транзисторами одного типу провідності. Транзистор в такій схемі підсилює тільки половину періоду вихідного сигналу. Щоб посилити обидва напівперіоду, потрібно подати сигнал на два транзистора в протифазі. Це і забезпечує трансформатор T1. Трансформатор T2 підсумовує вихідні імпульси VT1 і VT2 в протифазі і узгодить вихідний каскад з низькоомним динаміком

7. Теорія трансформаторів

7.1 Рівняння лінійного трансформатора

Нехай i1, i2 - миттєві значення струму в первинної та вторинної обмотці відповідно, u1 - миттєве напруга на первинній обмотці, RH - опір навантаження. Тоді

Тут L1, R1-індуктивність та активний опір первинної обмотки, L2, R2-те ж саме для вторинної обмотки, L12-взаємна індуктивність обмоток. Якщо магнітний потік первинної обмотки повністю пронизує вторинну, тобто якщо відсутня поле розсіювання, то

Індуктивності обмоток в першому наближенні пропорційні квадрату кількості витків в них.

Ми отримали систему лінійних диференціальних рівнянь для струмів в обмотках. Можна перетворити ці диференціальні рівняння в звичайні алгебраїчні, якщо скористатися методом комплексних амплітуд.

Для цього розглянемо відгук системи на синусоїдальний сигнал

u1 = U1 ej ω t

(Ω = 2 π f, де f - частота сигналу, j - уявна одиниця).

Тоді i1 = I1 ej ω t і т. д., скорочуючи експоненціальні множники отримаємо

U1 =- j ω L1 I1-j ω L12 I2 + I1 R1

-J ω L2 I2-j ω L12 I1 + I2 R2 =- I2 Z н

Метод комплексних амплітуд дозволяє досліджувати не тільки чисто активну, але і довільну навантаження, при цьому досить замінити опір навантаження Rн її імпедансом Zн. З отриманих лінійних рівнянь можна легко виразити струм через навантаження, скориставшись законом Ома-напруга на навантаженні, і т. п.

7.2 Т-образна схема заміщення трансформатора

На малюнку показана еквівалентна схема трансформатора з підключеною навантаженням, як він бачиться з боку первинної обмотки.

Тут T - коефіцієнт трансформації, L12 - «корисна» індуктивність первинної обмотки, L1п, L2п - паразитні індуктивності первинної і вторинної обмотки (пов'язані з розсіюванням), R1п, R2п - паразитні опору первинної та вторинної обмотки відповідно, Zн - імпеданс навантаження.

7.3 Втрати в трансформаторах

Ступінь втрат (і зниження ККД) у трансформаторі залежить, головним чином, від якості, конструкції і матеріалу «трансформаторного заліза» (електротехнічна сталь). Втрати в сталі складаються в основному з втрат на нагрівання осердя, на гістерезис і вихрові струми. Втрати у трансформаторі, де «залізо» монолітне значно більше, ніж у трансформаторі, де воно складено з багатьох секцій (так як в цьому випадку зменшується кількість вихрових струмів). На практиці монолітні сердечники не застосовуються. Для зниження втрат в муздрамтеатрі трансформатора, також, магнітопровід виготовляється зі спеціальних сортів трансформаторної сталі з додаванням кремнію, який підвищує питомий опір заліза електричному струму, а самі пластини лакуються для ізоляції один від одного. Крім того втрати в трансформаторі додаються за рахунок нагрівання проводів. Це враховується в схемі заміщення реального трансформатора за допомогою активного опору.

7.4 Режими роботи трансформатора

1. Режим холостого ходу. Даний режим характеризується розімкнутої вторинної ланцюгом трансформатора, внаслідок чого струм в ній не тече. За допомогою досвіду холостого ходу можна визначити ККД трансформатора, коефіцієнт трансформації, а також втрати в сталі.

2. Навантажувальний режим. Цей режим характеризується замкнутої на навантаженні вторинної ланцюга трансформатора. Даний режим є основним робочим для трансформатора.

3. Режим короткого замикання. Цей режим виходить в результаті замикання вторинної ланцюга накоротко. З його допомогою можна визначити втрати корисної потужності на нагрівання проводів в ланцюзі трансформатора.

7.5 Габаритна потужність

Габаритна потужність трансформатора описується наступною формулою:

P габ = (P1 + P2) / 2 = (U1I1 + U2I2) / 2

1 - первинної обмотки

2 - вторинної обмотки

Однак, це кінцевий результат. Або академічне визначення. Спочатку габаритна потужність, як випливає з назви, визначається габаритами сердечника і матеріалом, його магнітними та частотними властивостями.

7.6 ККД трансформатора

ККД трансформатора нах Габаритна потужність трансформатора описується наступною формулою:

P габ = (P1 + P2) / 2 = (U1I1 + U2I2) / 2

1 - первинної обмотки

2 - вторинної обмотки

І знаходиться за наступною формулою:

де

P0 - втрати холостого ходу (кВт) при номінальній напрузі

PL - навантажувальні втрати (кВт) при номінальному струмі

P2 - активна потужність (кВт), що подається на навантаження

n - відносний ступінь навантаження (при номінальному струмі n = 1).

8.Експлуатація

8.1 Термін служби

Термін служби трансформатора може бути розділений на дві категорії:

Економічний термін служби - економічний термін служби закінчується, коли капіталізована вартість безперервної роботи існуючого трансформатора перевищить капіталізовану вартість нового капіталовкладення. На практиці це зазвичай означає що вартість загальних втрат старого трансформатора стає занадто високою. Збільшується частка непрямих ризиків і збитків, пов'язаних з часом простою електрообладнання.

Технічний термін служби

8.2 Робота в паралельному режимі

Паралельна робота трансформаторів потрібна з дуже простої причини. При малому навантаженні потужний трансформатор має великі втрати холостого ходу, тому замість нього підключають кілька трансформаторів меншої потужності, які відключаються, якщо в них немає необхідності.

При паралельному підключенні двох і більше трансформаторів потрібно наступне:

1.параллельно можуть працювати тільки трансформатори, що мають однакову кутову похибку між первинним і вторинним напругами;

2.полюса з однаковою полярністю на сторонах високої та низької напруги повинні бути з'єднані паралельно;

3.трансформатори повинні мати приблизно той же самий коефіцієнт передачі по напрузі;

4.напряженіе повного опору короткого замикання повинен бути однаковим, в межах ± 10%;

5.отношеніе потужностей трансформаторів не повинно відхилятися більш ніж 1:3;

6.переключателі числа витків повинні стояти в положеннях, що дають коефіцієнт передачі по напрузі як можна ближче. Відхилення від вищенаведених вимог можливі за умови, що є в наявності відповідні знання.

8.3 Частота

При однакових напруженнях первинної обмотки трансформатор, розроблений для частоти 50 Гц, може використовуватися при частоті мережі 60 Гц, але не навпаки. При цьому необхідно взяти до уваги, що можливо буде потрібно замінити навісне електрообладнання. При частоті менше номінальної матеріал муздрамтеатру входить до насичення, що веде до збільшення струмів через первинну обмотку і, як наслідок, її перегрів з відповідними наслідками.

8.4 Регулювання напруги трансформатора

У залежності від навантаження електричної мережі змінюється її напругу. Для нормальної роботи електроприймачів споживачів необхідно, щоб напруга не відхилялося від заданого рівня більше допустимих меж, у зв'язку з чим застосовуються різні способи регулювання напруги в мережі.

9. Перенапруги трансформатора

9.1 Види перенапруг

У процесі використання трансформатори можуть піддаватися напрузі, що перевершує робочі параметри. Дані перенапруги класифікуються за їх тривалості на дві групи:

Короткочасне перенапруження - напруга промислової частоти відносної тривалості, коливається в межах менше 1 секунди до декількох годин.

Перехідний перенапруження - короткочасне перенапруження в межах від наносекунд до декількох мілісекунд. Період наростання може коливатися від кількох наносекунд до декількох мілісекунд. Перехідний перевантаження може бути коливальним і неколебательним. Вони зазвичай мають однонаправлений дію.

Трансформатор також може бути підданий комбінації короткочасних і перехідних перенапруг. Короткочасні перенапруги можуть слідувати відразу за перехідними перенапруги.

Перенапруги класифікуються на дві основні групи, що характеризують їх походження:

Перенапруги, викликані атмосферними впливами. Найчастіше перехідні перенапруги виникають внаслідок грозових розрядів поблизу високовольтних ліній передач, під'єднаних до трансформатора, однак іноді грозовий імпульс може вразити трансформатор або саму лінію передачі. Пікова величина напруги залежить від струму грозового імпульсу, є статистичною змінною. Зареєстровані струми грозового імпульсу понад 100 кА. Відповідно до вимірами, проведеними на високовольтних лініях електропередач в 50% випадках пікова величина струмів грозового імпульсу знаходиться в межах від 10 до 20 кА. Відстань між трансформатором і точкою впливу грозового імпульсу впливає на час наростання імпульсу, який влучив у трансформатор, чим коротше відстань до трансформатора, тим менший час.

Перенапруги, сформовані всередині силової системи. Дана група охоплює як короткочасні так і перехідні перенапруги, що виникли внаслідок зміни умов експлуатації та обслуговування силової системи. Дані зміни можуть бути викликані порушенням процесу комутації або поломкою. Тимчасові перенапруги викликані коротким замиканням на землю, скиданням навантаження або феноменом низькочастотного резонансу. Перехідні перенапруги виникають у випадках, коли часто відключається або підключається до системи. Також вони можуть виникнути при загорянні зовнішньої ізоляції. При перемиканні реактивного навантаження, перехідний напруга може зрости до 6-7 pu внаслідок численних переривань струму перехідного процесу в автоматичному переривнику з часом наростання імпульсу до декількох часткою мікросекунд.

9.1.1 Здатність трансформатора витримувати перенапруги

Трансформатори повинні пройти певні випробування електричної міцності ізоляції перед випуском із заводу. Проходження даних випробувань свідчать про ймовірність безперебійної експлуатації трансформатора.

Випробування описані в міжнародних і національних стандартах. Трансформатори, що пройшли випробування, підтверджують високу надійність експлуатації.

Додатковим уФсловіем високого ступеня надійності є забезпечення прийнятних обмежень перенапруги, так як трансформатор в процесі експлуатації може бути підданий більш серйозним перенапряжениям в порівнянні з умовами тестових випробувань.

Необхідно підкреслити надзвичайну важливість планування та обліку всіх типів перенапруг, які можуть виникнути в силовий системі. Для нормального виконання даної умови, необхідне розуміння походження різних типів перенапруги. Величина різних типів перенапруг є статистичною змінною. Здатність ізоляції витримувати перенапруги також є статистичною змінною.

Література

1.Основи теорії кіл, Г. І. Атабеков, Лань, С-Пб.,-М.,-Краснодар, 2006.

2.Електріческіе машини, Л. М. Піотровський, Л., «Енергія», 1972.

3.Сіловие трансформатори. Довідкова книга / Под ред. С. Д. Лизунова, А. К. Лоханіна. М.: Енергоіздат 2004

4.Електріческіе машини: Трансформатори: Навчальний посібник для електромех. спец. вузів / Б. М. Сергієнко, В. М. Кисельов, М. А. Акімова; Під ред. І. П. Копилова. - М.: Вищ. шк., 1989

5.Електріческіе машини, А. І. Вольдек, Л., «Енергія», 1974.

6.Електромагнітние розрахунки трансформаторів і реакторів. - М.: Енергія, 1981

7.Конструірованіе трансформаторів. А. В. Сапожников. М.: Госенергоіздат. 1959.

8.Расчет трансформаторів. Навчальний посібник для вузів. П. М. Тихомиров. М.: Енергія, 1976