Трансформатор - представляет собой статический электромагнитное устройство с двумя (или больше) индуктивно связанных обмотками, предназначенный для преобразования (посредством электромагнитной индукции ) переменного тока одного напряжения в переменный ток другого. Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, распределении ее между приемниками, а также в различных выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах.
Трансформаторы тока предназначены для преобразования силы тока без изменения его мощности. В основном они применяются для понижения тока до значений, пригодных для их измерения и используются в распределительных щитах для подключения измерительных приборов, счётчиков энергии, защитных реле. По назначению они делятся на:
измерительные;
защитные;
лабораторные.
В измерительных ТТ первичная обмотка может отсутствовать или представлять собой толстую шину. На шину наматывается несколько витков вторичной обмотки, в которой наводится эдс, пропорциональная силе тока в шине. Шина включается в разрыв цепи, в которой производится измерение. К вторичной обмотке ТТ подключается нагрузка и измерительный прибор.
ТН предназначены для получения нужной величины напряжения от промышленной сети или другого источника переменного тока. По своему назначению они делятся на:
силовые;
измерительные;
согласующие;
лабораторные;
высоковольтные трансформаторы.
В быту наиболее широкое применение нашли силовые трансформаторы, используемые повсеместно для подключения бытовых приборов к электросети 220В 50Гц. Конструктивно они представляют собой классический пример устройства трансформатора, состоящего из двух, а также нескольких катушек, намотанных на железный сердечник. По форме сердечника различают:
стержневые,
броневые
тороидальные.
В отличие от трансформаторов тока благоприятным режимом работы для ТН является режим, близкий к холостому ходу, когда нагрузка на вторичную обмотку минимальна. Оптимальный режим работы достигается, когда сопротивление нагрузки равно или до полутора раз больше сопротивления выходной обмотки трансформатора.
Классификация силовых трансформаторов напряжения
Трансформаторы напряжения различаются:
а) по числу фаз — однофазные и трехфазные;
Силовые трансформаторы выпускаются в основном в трехфазном исполнении. Для применения в однофазных сетях выпускаются однофазные трансформаторы.
б) по числу обмоток — двухобмоточные и трехобмоточные;
Трансформаторы имеют две или несколько обмоток, индуктивно связанных друг с другом. Обмотки, потребляющие энергию из сети, называются первичными. Обмотки, отдающие электрическую энергию потребителю, называются вторичными.
в) по классу точности, т. е. по допускаемым значениям погрешностей;
г) по способу охлаждения — трансформаторы с масляным охлаждением (масляные), с естественным воздушным охлаждением (сухие и с литой изоляцией);
д) по роду установки — для внутренней установки, для наружной установки и для комплектных распределительных устройств (КРУ).
е) по конструкции -силовые трансформаторы делят на два основных типа — масляные и сухие.
В масляных трансформаторах магнитопровод с обмотками находится в баке, заполненном трансформаторным маслом, которое является хорошим изолятором и охлаждающим агентом.
Сухие трансформаторы охлаждаются воздухом. Они применяются в жилых и промышленных помещениях, в которых эксплуатация масляного трансформатора является нежелательной. Трансформаторное масло является горючим, и при нарушении герметичности бака масло может повредить другое оборудование.
е)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.
Область использования трансформаторов очень широка. Так, например, они принимают непосредственное участие при транспортировке электричества на значительные дистанции.
Генераторы вырабатывают напряжение довольно низкое от 10 до 18 киловольт, которое невозможно передать на значительные расстояния (без значительных потерь на нагрев проводников). Поэтому рядом с генерирующими мощностями и устанавливают повышающие трансформаторы, которые увеличивают напряжение до 110 кВ, 220 кВ, 500 кВ, 750 кВ и даже 1150 кВ и уже такое напряжение вполне возможно передавать при минимальных потерях на значительные расстояния.
И уже возле непосредственного потребителя устанавливаются понижающие трансформаторы, оные преобразуют повышенное напряжение в привычные для нас 380 В и 220 В.
Кроме силовых трансформаторов так же распространены трансформаторы тока, трансформаторы напряжения и импульсные трансформаторы.
Как работает однофазный трансформатор.
Итак, трансформатор выполнен из следующих деталей: металлический сердечник и две обмотки, которые гальванически развязаны.
Обмотка, именуемая первичной, подсоединяется к источнику переменного тока, а вторая обмотка (именуемая вторичной) подсоединяется непосредственно к нагрузке.
В подсоединенной к генератору первичной обмотке протекает ток I1, этот процесс порождает поток Ф, оный проходя через обмотки, и формирует ЭДС.
В случае если ко вторичной обмотке не подсоединена нагрузка, то подобный режим функционирования трансформатора именуется как режим холостого хода. Если же потребитель подключен, то во вторичной обмотке начинает течь ток I2, формирующийся под воздействием наведенной ЭДС
Причем величина ЭДС имеет прямую связь с количеством витков в обмотках.
аким образом, изменяя количество витков в обмотках трансформатора, происходит регулирование напряжения для потребителя на вторичной обмотке.
Потери энергии в трансформаторе.
Невзирая на высокий КПД трансформатора, он не считается идеальным и в нем непременно присутствуют потери, оные выражаются в нагреве самого трансформатора.
Примечание. Эталонным трансформатором считает тот, в котором отсутствуют всякие потери, и получается, что мощность первичной обмотки совпадает с мощностью вторичной обмотки.
В тех изделиях, где обдув воздухом малоэффективен, применяется охлаждение с применением трансформаторного масла. Здесь трансформатор погружается в специализированный бак залитый маслом и во время работы тепло от трансформатора переходит к маслу, которое рассеивает его через внешний кожух. При этом так же в мощных трансформаторах используется принудительный обдув, охлаждающий радиаторы с маслом.
Отличия трехфазных трансформаторов от однофазных.
В бытовой технике, в сварочных аппаратах, для испытательных и измерительных целей, обычно применяют однофазные трансформаторы сравнительно небольшой мощности. Для питания же силовых промышленных установок используются мощные однофазные трансформаторы.
Внешний вид обычного однофазного трансформатора приведен на рисунке. Здесь можно видеть магнитную систему в форме замкнутой рамы, содержащей два стержня, а также верхнее и нижнее ярмо. На стержнях располагаются обмотки низшего (НН) и высшего (ВН) напряжений.
Для наиболее рационального использования двухстержневой магнитной системы, обмотки высшего и низшего напряжений разделяют каждую на две части, после чего соединяют эти части последовательно или параллельно, в зависимости от параметров проектируемого трансформатора. Выводы обмоток ВН и НН располагают с противоположных сторон сердечника.
При необходимости преобразовать трехфазный ток при помощи однофазных трансформаторов, берут три однофазных трансформатора, соединяют их первичные обмотки по схеме звезда, а вторичные — по схеме звезда или треугольник. Таким образом получают трехфазную группу трансформаторов, объединенных в общую электрическую схему при разделенной магнитной цепи.
Но к подобному решению (три отдельных однофазных трансформатора для преобразования трехфазного тока) прибегают в крайних случаях, для очень высоких мощностей, когда установить огромный трехфазный трансформатор невозможно или его изготовление нецелесообразно. К тому же при аварии на одной из фаз проще заменить один однофазный трансформатор, который (всего один, а не три) можно иметь на такой случай в запасе. Ведь повреждение более чем одной фазы за раз очень маловероятно.
Если взглянуть на трехфазный трансформатор, то здесь объединены не только электрические, но и магнитные системы трех однофазных трансформаторов. Практически система такого трансформатора строится следующим образом. Возьмем три одинаковых двухстержневых однофазных трансформатора, обмотки ВН и НН у которых размещены только на одном из двух стержней, а второй стержень обмотками не занят.
Объединим свободные стержни трех трансформаторов в один, а стержни с обмотками раздвинем в пространстве на 120 градусов друг относительно друга. Если теперь эту трехфазную систему подключить к трехфазной сети переменного тока, то магнитный поток в центральном стержне (в соответствии с принципом суперпозиции магнитных полей) всегда будет равен нулю.
Следовательно центральный стержень можно убрать, так как функционально он не играет никакой роли. В результате получается трехстержневая магнитная система с одинаковыми длинами путей рабочего магнитного потока для обмоток каждой из трех фаз.
Симметричная пространственная система с разнесенными в пространстве на 120 градусов стержнями практически является идеальной, но при изготовлении и ремонте она вызывает трудности.
Другой вариант трехфазной пространственной магнитной системы — такая, в которой магнитопроводы сгруппированы в правильный треугольник. Такой магнитопровод наматывается непрерывной электротехнической лентой. Но и данное решение реально применяется лишь в исключительных случаях.
Дабы максимально упростить конструкцию трехфазного трансформатора, с тем чтобы облегчить его изготовление и ремонт, на практике чаще всего применяют плоскую несимметричную трехстержневую схему. В ней три стрежня расположены в одной плоскости и перекрыты двумя верхними и двумя нижними ярмами.
Здесь длина пути рабочего магнитного потока (А-Б) среднего стержня немного меньше длины пути магнитных потоков боковых стержней, что в некоторой степени сказывается на различии токов холостого хода трех фаз.
Фазные обмотки плоской несимметричной системы трехфазного трансформатора располагаются на стрежнях таким же образом как и в однофазном трансформаторе, после чего объединяются в трехфазную схему, как было сказано ранее.
Изготовление и монтаж такого трансформатора по стоимости гораздо ниже чем изготовление и монтаж трех однофазных трансформаторов на аналогичную общую мощность. Экономия по весу материалов получается в районе 33%. И в обслуживании такой трансформатор оказывается значительно дешевле. По этой причине практически все современные трехфазные силовые трансформаторы изготавливаются по плоской трехстержневой схеме.