Трансформаторы

В зависимости от функций  трансформаторы делят на силовые трансформаторы, трансформаторы тока и трансформаторы напряжения. Наиболее распространенный тип преобразователя - силовой трансформатор, является устройством, изменяющим напряжение переменного тока различных энергосистем для  дальнейшей передачи  конечному потребителю (питание электрооборудования, освещения, пр.). Силовые трансформаторы стали неотъемлемыми спутниками промышленных предприятий и линий электропередачи железных дорог, а также частью урбанистического пейзажа любого города.

Использование силовых трансформаторов.

Генераторы электростанций вырабатывают энергию напряжением  от 11 до 35 кВ. Столь высокий уровень  напряжения непригоден для использования  в промышленности или быту и обусловлен необходимостью экономной передачи электроэнергии на значительные расстояния. Однако даже 35 кВ – не всегда достаточная  цифра для этой цели, поэтому, в  дальнейшем, для увеличения напряжения линий электропередач используют повышающие  силовые трансформаторы. На пути к потребителю, преобразование напряжения происходит обычно несколько раз. Приемники электроэнергии (бытовые приборы, лампы накаливания, промышленные станки) потребляют,  значительно меньшее напряжение, что связано, с их конструктивными особенностями. Поэтому питание происходит посредством понижающего силового трансформатора. Устройство является понижающим, в случае более высокого первичного напряжения, при обратном соотношении трансформатор считают повышающим.

Компоненты силового трансформатора.

Силовые трансформаторы состоят из: магнитопровода,  нескольких взаимоизолированных обмоток, клемм, обычно, в виде болтового соединения, систем охлаждения и стабилизации.  Современные устройства этого типа оснащены также целым рядом систем так называемого навесного оборудования (индикаторы температуры, поглотители влаги, устройства защиты от перенапряжения и др.), их наличие и качество в значительной степени влияет на цену всего устройства. Преобразование электроэнергии в трансформаторе происходит за счет магнитного поля в магнитопроводе, который изготовляют из листового ферромагнитного материала. Потеря мощности от вихревых токов напрямую зависит от толщины металла и процента содержания в нем кремния.

Определяющими факторами  классификации являются: номинальное  напряжение, способ охлаждения (масляное или воздушное), а также  число фаз и обмоток. Еще один внешний способ типологии силовых трансформаторов – это зависимость от способа установки (наружная установка, закрытая, комплексные распределительные устройства). В связи с этим, в названии устройства обычно присутствует буквенная аббревиатура, указывающая на его принадлежность к определенному типу. Наиболее часто используются следующие сокращения: количество фаз (О- однофазные, Т – трехфазные), система охлаждения (С- сухое,М- масляное), особенности конструкции ( Т – наличие трехуровневой обмотки Л – литая изоляция). Реже указывается назначение трансформатора, расщепление обмоток и др.

Магнитопровод с обмотками силового трансформатора

В трансформаторах  с масляным охлаждением магнитопровод с обмотками помещают в бак с трансформаторным маслом (рис. 2.8). Омывая обмотки и магнитопровод, трансформаторное масло отбирает от них тепло и, обладая большей теплопроводностью, чем воздух, через стенки радиатора отдает ее в окружающую среду.

Существуют также  сухие трансформаторы.

Вводы предназначены  для присоединения к сборным  шинам распределительных устройств станций и подстанций. Ввод состоит из токопроводящей части, металлического фланца, служащего для крепления на крышке бака, и фарфорового изолятора.

Для компенсации  температурных изменений применяется  расширитель, помещенный в верхней  части бака трансформатора или отдельным  выносным баком.

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной  обмотки к источнику переменного  тока c напряжением u₁ в витках этой обмотки протекает переменный ток i₁, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь на магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками (первичной и вторичной) и индуктирует в них ЭДС:

 233

где w₁ и w₂ – число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

При подключении  нагрузки к выводам вторичной  обмотки трансформатора под действием  ЭДС е₂ в цепи этой обмотки создается ток i₂, а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение u₂.

Из (2.33) следует, что  ЭДС е₁ и е₂ отличаются друг от друга числом витков обмоток, в которых они наводятся. Поэтому, применяя обмотки с требуемым соотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое отношение напряжений.

Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким  напряжением, называют обмоткой высшего  напряжения (ВН); обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения, – обмоткой низшего напряжения (НH).

Трансформаторы  обладают свойством обратимости; один и тот же трансформатор можно  использовать в качестве повышающего и понижающего. Но обычно трансформатор имеет определенное назначение: либо он является повышающим, либо понижающим.

Трансформатор –  это аппарат переменного тока. Если же его первичную обмотку  подключить к источнику постоянного  тока, то магнитный поток и магнитопроводе трансформатора также будет постоянным как по величине, так и по направлению (dΦ/dt = 0). Поэтому и в обмотках трансформатора не будет наводиться ЭДС.

Трансформаторы

1.1. Назначение и области  применения

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее  число индуктивно-связанных обмоток  и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного  тока в другую (вторичную) систему  переменного тока. Трансформаторы широко используются в промышленности и  быту для различных целей.

1. Для передачи и распределения электрической энергии.

Обычно на электростанциях генераторы переменного  тока вырабатывают электрическую энергию  при напряжении 6-24 кВ, а передавать электроэнергию на дальние расстояния выгодно при значительно больших напряжениях (110, 220, 330, 400, 500, и 750 кВ). Поэтому на каждой электростанции устанавливают трансформаторы, осуществляющие повышение напряжения.

Распределение электрической энергии между  промышленными предприятиями, населёнными  пунктами, в городах и сельских местностях, а также внутри промышленных предприятий производится по воздушным  и кабельным линиям, при напряжении 220, 110, 35, 20, 10 и 6 кВ. Следовательно, во всех распределительных узлах должны быть установлены трансформаторы, понижающие напряжение до величины 220, 380 и 660 В (рис. 1.1)

 
Рис. 1.1

2. Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжения на выходе и входе преобразователя. Трансформаторы, применяемые для этих целей, называются преобразовательными.

3. Для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питания электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др.

4. Для питания различных цепей радиоаппаратуры, электронной аппаратуры, устройств связи и автоматики, электробытовых приборов, для разделения электрических цепей различных элементов указанных устройств, для согласования напряжения и пр.

5. Для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов (реле и др.) в электрические цепи высокого напряжения или же в цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопастности. Трансформаторы, применяемые для этих целей, называются измерительными.

Классификацию трансформаторов можно произвести по нескольким признакам:

1. По назначению трансформаторы разделяют на силовые общего и специального применения. Силовые трансформаторы общего применения используются в линиях передачи и распределения электроэнергии. Для режима их работы характерна частота переменного тока 50 Гц и очень малые отклонения первичного и вторичного напряжений от номинальных значений. К трансформаторам специального назначения относятся силовые специальные (печные, выпрямительные, сварочные, радиотрансформаторы), измерительные и испытательные трансформаторы, трансформаторы для преобразования числа фаз, формы кривой ЭДС, частоты и т.д.

2. По виду охлаждения – с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением.

3. По числу фаз на первичной стороне – однофазные и трёхфазные.

4. По форме магнитопровода – стержневые, броневые, тороидальные.

5. По числу обмоток на фазу – двухобмоточные, трёхобмоточные, многообмоточные (более трёх обмоток).

6. По конструкции обмоток – с концентрическими и чередующимися (дисковыми) обмотками.

• Силовой трансформатор
• Автотрансформатор
• Трансформатор тока
• Трансформатор напряжения
• Импульсный трансформатор
• Разделительный трансформатор

 

 

 

 

Силовой трансформатор —  трансформатор предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии.

 

 

• Автотрансформатор — вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую.
• Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД.
• Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью.

 В промышленных сетях, где  наличие заземления нулевого  провода обязательно, этот фактор  роли не играет. Зато существенным  является меньший расход стали  для сердечника, меди для обмоток,  меньший вес и габариты, и в  итоге — меньшая стоимость. Особенно эффективен автотрансформатор в случаях, когда необходимо получить вторичное напряжение, не сильно отличающееся от первичного.

втотрансформаторы применяются в телефонных аппаратах, радиотехнических устройствах, для питания выпрямителей и т. д.

Электрификация  железных дорог по системе 2×25 кВ[править | править исходный текст]

В СССР (и на постсоветском  пространстве) часть железных дорог электрифицирована на переменном токе 25 киловольт, частотой 50 Герц. Стяговой подстанции в контактный провод подаётся высоковольтное напряжение,^[1] обратным проводом служит рельс. Однако, на малонаселённых территориях нет возможности часто располагать тяговые подстанции (к тому же трудно найти квалифицированный персонал для их обслуживания, а также создать для людей должные жилищно-бытовые условия).

Для малонаселённых территорий разработана система электрификации 2×25 кВ (два по двадцать пять киловольт).

На опорах контактной сети (сбоку от железнодорожного полотна  и контактного провода) натянут  специальный питающий провод, в который подаётся напряжение 50 тыс. вольт от тяговой подстанции. На железнодорожных станциях (или на перегонах) установлены малообслуживаемые понижающие автотрансформаторы, вывод обмотки   подключён к питающему проводу, а вывод обмотки   — к контактному проводу. Общим (обратным) проводом является рельс. На контактный провод подаётся половинное напряжение от 50 кВ, то есть 25 кВ.^[2]

Данная система позволяет  реже строить тяговые подстанции, а также уменьшаются тепловые потери. Электровозы и электропоездапеременного тока в переделке не нуждаются.

Принцип работы автотрансформатора[править | править исходный текст]

Схема автотрансформатора.

Предположим, что источник электрической энергии (сеть переменного тока) подключен к виткам   обмоткиавтотрансформатора, а потребитель — к некоторой части этой обмотки  .

При прохождении переменного тока по обмотке автотрансформатора возникает переменный магнитный поток,индуктирующий в этой обмотке электродвижущую силу, величина которой прямо пропорциональна числу витков обмотки.

Следовательно, если во всей обмотке автотрансформатора, имеющей  число витков  , индуктируется электродвижущая сила  , то в части этой обмотки, имеющей число витков  , индуктируется электродвижущая сила  . Соотношение величин этих ЭДС выглядит так:  , где   — коэффициент трансформации.

Так как падение напряжения в активном сопротивлении обмотки автотрансформатора относительно мало, то им практически можно пренебречь и считать справедливыми равенства   и  ,

где   — напряжение источника электрической энергии, поданное на всю обмотку автотрансформатора, имеющую число витков  ;

 — напряжение, подаваемое к потребителю  электрической энергии, снимаемое  с той части обмотки автотрансформатора, которая обладает количеством витков  .

Следовательно,  .

Напряжение  , приложенное со стороны источника электрической энергии ко всем виткам   обмотки автотрансформатора, во столько раз больше напряжения  , снимаемого с части обмотки, обладающей числом витков  , во сколько раз число витков   больше числа витков  .

Если к автотрансформатору подключен потребитель электрической  энергии, то под влиянием напряжения   в нём возникает электрический ток, действующее значение которого обозначим как  .

Соответственно в первичной  цепи автотрансформатора будет ток, действующее значение которого обозначим  как  .