Трехфазные и однофазные трансформаторы: устройство, принцип работы, виды

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.

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.

Сварочные

В работе сварочного аппарата важен большой сварочный ток. При этом, сетевое напряжение понижают до безопасного уровня. Благодаря мощному электрическому току дуговой разряд сварочного аппарата плавит металл.

В сварочном трансформаторе имеется возможность ступенчатого регулирования величины тока во вторичных цепях способом изменения индуктивного сопротивления, либо путем секционирования одной из обмоток.

Фото устройства представлено на рисунке 6. Обратите внимание на наличие коммутирующего переключателя.

Рис. 6. Трансформатор для сварочного полуавтомата на броневом магнитопроводе

В сварочных аппаратах применяют конструкции на основе однофазных трансформаторов, а также с применением трехфазных трансформаторов. Для сварки некоторых металлов, например, нержавейки, сварочный ток выпрямляют.

Особенностью работы измерительных трансформаторов является особый режим выходной обмотки. Она функционирует в критическом режиме короткого замыкания. При разрыве вторичной цепи возникает резкое повышение напряжения в ней, что может вызвать пробои или повреждение изоляции.

Принцип действия трехфазного трансформатора

Трансформаторы – статические электромагнитные аппараты, с помощью которых возможно преобразовать переменный ток из одного класса напряжения в другой, при этом с неизменной частотой.

В энергосистемах трансформатор, который преобразовывает электроэнергию трехфазного напряжения, называют трехфазным силовым.

Для передачи электроэнергии от генераторов электростанций к линиям электропередач (ЛЭП) применяют повышающие трансформаторы (они увеличивают класс напряжения), от ЛЭП к распределительным подстанциям и далее к потребителям – понижающие (они уменьшают класс напряжения).

Трансформатор-стабилизатор высоковольтный дискретный ВДТ-СН

Однофазный и трехфазный трансформаторы

Однофазный трансформатор. Он представляет собой электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Трансформатор может быть однофазным или трехфазным.

Простейший однофазный трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника 1 (рис. 162) и двух магнитосвязанных обмоток 2 и 3.

Обмотку 2, соединенную с источником электроэнергии, называют первичной. Все величины, относящиеся к этой обмотке, называют первичными и обозначают соответствующими буквами с индексом 1. Обмотка 3, соединенная с потребителем энергии Z, является вторичной. Все величины, относящиеся к этой обмотке, обозначают с индексом 2. Под действием переменного напряжения t/j в первичной обмотке с числом витков wx возникает ток 1j. Намагничивающая сила первичного тока возбуждает в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Ф – Фт sin Ы. Этим потоком в первичной обмотке наводится э. д. с. самоиндукции Ех 4,44/ш1Фт, а во вторичной обмотке – э. д. с. взаимоиндукции Е2 ¦— 4,44 fw2Ф,п. Поэтому на зажимах вторичной обмотки возникает переменное напряжение U2, а приемник энергии получает ток 12 ¦=¦ UJZ2. Таким образом, со стороны вторичной обмотки трансформатор является источником электрической энергии, а со стороны первичной обмотки -потребителем этой энергии. Отношение действующих значений э. д. с., равное отношению чисел витков обмоток, называют коэффициентом трансформации: К : ExiE2 4,44/о^Фщ ‘(4,44Де>аФт) w^w2.

В трансформаторах, понижающих напряжение, w2 1.

Обмотку трансформатора, рассчитанную на большее напряжение, называют обмоткой высшего напряжения (ВН). Обмотку, на зажимах которой действует меньшее напряжение, называют обмоткой низшего напряжения (НН).

Электрическая энергия в трансформаторе преобразуется с незначительными потерями, и подводимая к трансформатору полная мощ-ф ность Si = UJx почти равна отдавае мой мощности S2 = t/2/2. Поэтому при увеличении напряжения U2 соответственно снижается и ток 12. Таким образом, обмотка низшего напряжения должна иметь меньшее число витков с большим поперечным сечением соответственно большей величине проходящего по ней тока, а обмотка высшего напряжения – большее число витков с меньшим поперечным сечением. В ря-

Рис. 162. Принципиальная схема однофазного трансформатора

де случаев обмотки трансформатора имеют несколько ответвлений (рис. 163). Это позволяет включать трансформатор в сеть с различным напряжением иъ а на приемнике получать различные напряжения и2 в зависимости от числа витков, включенных в работу. Такие трансформаторы используют, например, в электрической централизации для питания ламп светофоров, маршрутных указателей, пульта-табло в различных режимах (дневном и ночном).

Трансформатор состоит из сердечника, по которому замыкается магнитный поток, обмоток высшего и низшего напряжения, бака с маслом (если трансформатор имеет масляное охлаждение), выводных изоляторов.

Для уменьшения нагрева от вихревых токов сердечник трансформатора набирают из штампованных пластин электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, покрытых пленкой лака или окиси. Применение электротехнической стали с большой магнитной проводимостью способствует увеличению магнитного потока и усилению электромагнитной связи между обмотками.

По конструкции сердечника трансформаторы делят на стержневые, броневые, тороидальные и ленточные разрезные.

Сердечник однофазного стержневого трансформатора (рис. 164, а) имеет два стержня 5, на которых размещаются обмотки, и два ярма 1, замыкающих магнитную цепь. Такие сердечники собирают из Г-об-разных пластин. Обмотки стержневого трансформатора размещают на двух стержнях магнитопровода. Обе половины одной и той же обмотки соединяют так, чтобы их намагничивающие силы складывались.

На стержни сердечника надевают изоляционные гильзы. Ближе к стальному стержню размещают обмотку низшего напряжения 2, так как ее легче изолировать от стержня 5. Обмотку высшего напряжения 4 отделяют от обмотки низшего напряжения изоляцией 3. В качестве изоляции применяют электротехнический картон, специальную бумагу или ткань, пропитанную лаком.

Рис. 164. Сердечники и обмотки стержневого (а) и броневого (б) трансформаторов

Рис. 165. Тороидальный трансформатор (а) и трансформатор с ленточным разрезным сердечником (б)

Сердечники броневых трансформаторов (рис. 164, 6) собирают из штампованных пластин Ш-образной формы, и они имеют три стержня. Обмотки низшего 2 и высшего 4 напряжения размещают на стержне 5. Между обмотками находится изоляция 3. Обмотки трансформатора размещают на среднем стержне 5. Магнитный поток из среднего стержня разветвляется на крайние стержни через ярмо 1. По сравнению со стержневыми в броневых трансформаторах больше коэффициент электромагнитной связи между обмотками, меньше рассеивание магнитного потока в окружающую среду. Благодаря этому броневые трансформаторы имеют лучшие электрические характеристики, оказывают меньшее индуктивное влияние на электрические цепи, расположенные вблизи. Тороидальные сердечники применяют в маломощных трансформаторах (рис. 165, а), чаще всего рассчитанных для работы на повышенных частотах. Их выполняют из стали специальных марок в виде пластин или лент толщиной от 0,2 до 0,08 мм. На рис. 165, б показана конструкция Ш-образного ленточного сердечника и расположение на нем обмоток.

Читайте также:  Как подключить двойную розетку: установка двойной розетки в один подрозетник

Обмотки трансформатора обычно имеют цилиндрическую форму и выполняются из медного провода соответствующего сечения, что уменьшает активное сопротивление.

Для уменьшения потерь на рассеивание и лучшего отвода теплоты обмотки мощных трансформаторов выполняют в виде дисковых катушек, между которыми оставляют вентиляционные каналы. При этом катушки высшего напряжения и катушки низшего напряжения чередуются между собой. Трансформаторы небольшой мощности называемые сухими, имеют естественное воздушное охлаждение.

Трансформаторы значительной мощности, как правило, имеют масляное охлаждение. У этих трансформаторов сердечник с обмотками помещается в стальной бак с трансформаторным маслом, которое имеет высокие изоляционные свойства и хорошую теплопроводность. Слои масла от сердечника и обмоток перемещаются к стенкам бака и передают им тепло, которое рассеивается в воздух. Для увеличения поверхности охлаждения в мощных трансформаторах применяют трубчатые баки.

Трехфазный трансформатор. Трехфазный силовой трансформатор с масляным охлаждением (рис. 166) имеет сердечник 10 с обмотками 9, которые помещены в трубчатый бак 8, заполненный минеральным маслом. На верхней крышке бака расположены выводы обмоток высшего 2 и низшего 3 напряжений, изолированные от крышки бака посредством проходных изоляторов. Бак заполняют минеральным маслом через кран 1. При необходимости масло сливают через кран 7. Во время работы трансформатора объем масла в баке меняется. При увеличении нагрузки повышается температура обмоток и сердечника трансформатора, а значит, и трансформаторного масла. Масло расширяется и объем его увеличивается. При уменьшении нагрузки температура и объем масла уменьшаются. Вследствие этого в некоторых трансформаторах бак заливают маслом не полностью, т. е. оставляют достаточное воздушное пространство для расширения масла.

Однако в таких трансформаторах масло плохо защищено от окружающей среды. Слои гигроскопичного масла окисляются кислородом воздуха и насыщаются влагой, в результате чего резко уменьшается электрическая прочность масла и сокращается срок его службы.

Для защиты масла от соприкосновения с воздухом мощные трансформаторы снабжают расширителем 5, который представляет собой цилиндрический резервуар. Его соединяют с баком трансформатора трубопроводом. Масло заполняет весь бак и часть расширителя. В расширителе масло имеет более низкую температуру, чем в баке, и соприкасается с воздухом меньшей поверхностью. Поэтому оно меньше окисляется и дольше сохраняет изоляционные свойства. Расширитель снабжен указателем уровня масла, грязеотстой

Рнс. 166. Трехфазный силовой трансформатор

203 ником с краном для удаления влаги и осадков и трубкой для всасывания и вытеснения воздуха.

При работе трансформатора внутри бака могут образоваться газы. Для предупреждения деформации бака от выделяющихся газов трансформаторы большой мощности имеют выхлопную трубу 4 с мембраной и газовое реле 6. При большом скоплении газы выдавливают мембрану и выходят наружу. В случае большого выделения газов газовое реле автоматически отключает трансформатор от источника электроэнергии.

На трехстержневом сердечнике трансформатора (рис. 167) находятся обмотки высшего ВН и низшего НН напряжений. Начало обмоток высшего напряжения обозначают буквами А, В, С, а концы – X, У, Z. Начало обмоток низшего напряжения обозначают буквами а, Ь, с, а концы – х, у, г.

На каждом стержне сердечника имеются обмотки высшего и низшего напряжений, принадлежащие одной фазе. Обмотки фазы одного напряжения соединяют звездой или треугольником. В соответствии с этим приняты следующие стандартные группы соединения обмоток трехфазных трансформаторов: звезда’звезда с выведенной нулевой точкой 7Х – 0, звезда треугольник У Д – 11; звезда с выведенной нулевой точкой треугольник У,Д – 11; треугольник/звезда с выведенной нулевой точкой Д/’У„ – 11.

В первой стандартной группе (рис. 168) обмотки первой фазы А X и а – х наматывают в одном направлении. Поэтому напряжения этих обмоток 17а и Уа совпадают по фазе. По этой же причине совпадают по фазе напряжения Ув и Ув, а также напряжения Ус и Ус. При указанном соединении обмоток совпадут по фазе и соответствующие линейные напряжения: 1УАв и Улъ. (7Вг. и УвС, Уса и Уга.

Рис 167. Схема обмоток трех-флзного трансформатора

Рис. 168. Схема соединения обмоток по схеме У/У-0 (а) и векторные диаграммы фазных и линейных напряжений (б)

Рис. 169. Соединение обмоток по схеме У/Д-11 (а) и векторная диаграмма напряжений (б)

Так как отсутствует угловое смещение между одноименными линейными напряжениями обмоток высшего и низшего напряжения, эту группу называют нулевой

Название группы зависит от угла сдвига фаз между указанными линейными напряжениями и определяется при помощи циферблата часов. Для этого минутную стрелку часов условно принимают за вектор высшего линейного напряжения и устанавливают на число 12. Часовую стрелку совмещают с вектором линейного низшего напряжения. На циферблате часов эта стрелка установится против числа, которое и определит группу трансформатора. В рассматриваемом способе соединения линейное высшее напряжение совпадает по фазе с линейным низшим напряжением, поэтому часовая стрелка, как и минутная, установится против числа 12. Такая группа соединения обмоток называется нулевой (нуль часов).

Во второй стандартной схеме У Д – 11 первичные обмотки соединяют звездой, а вторичные – треугольником (рис. 169, а). Фазные напряжения обмоток высшего напряжения совпадают по фазе с соответствующими фазными напряжениями обмоток низшего напряжения (рис. 169, б). Однако линейные напряжения этих обмоток окажутся сдвинутыми по фазе.

Вектор низшего линейного напряжения 1/ав образует с вектором высшего линейного напряжения (УАв угол 330°. Если минутную стрелку часов совместить с вектором напряжения 6/дв и установить на число 12, то часовая стрелка, совмещенная с вектором напряжения (/ав. установится на числе 11. Следовательно, трансформатор с таким соединением обмоток относится к 11-й группе.

Из изложенного следует, что группа трансформатора выражает угловое смещение между линейными высшим и низшим напряжениями в условных единицах, равных 30′. В нулевой группе это смещение равно 0 е , в 11-й – 330°. Отношение линейных напряжений ил1Шл2 в трехфазных трансформаторах зависит не только от числа витков и)! и ш2 обмоток, но и от схемы их соединения.

На щитке трехфазного трансформатора указывают: схему и группу соединения обмоток; номинальные высшее и низщее напряжения (В или кВ); номинальную полную мощность (В • А или кВ – А); линейные токи при номинальной мощности (А или кА); частоту и способ охлаждения.

Если два трансформатора имеют одинаковые номинальные данные и одинаковую группу для увеличения тока, то их можно включать на параллельную работу. Вторичные напряжения таких трансформаторов будут смещены относительно первичного напряжения на один и тот же угол. В результате этого вторичная э. д. с. одного трансформатора в любой момент времени будет равна вторичной э. д. с. другого. В случае если трансформаторы имеют разные группы, их вторичные напряжения не будет совпадать по фазе. Так, если один трансформатор имеет группу 0, а другой-группу 11, их вторичные напряжения будут сдвинуты на угол 30 е . При параллельном включении между такими трансформаторами возникнут уравнительные токи, которые разрушат их обмотки.

Трехфазные трансформаторы применяют на трансформаторных подстанциях, в мощных выпрямительных устройствах, питающих различную аппаратуру автоматики и телемеханики.

Потери в трансформаторе. Мощность Р2, отдаваемая трансформатором, меньше подводимой Ри так как часть ее теряется в трансформаторе при его работе. Потери в трансформаторе складываются из потерь в стали Рст и потерь в меди Рм. Коэффициент полезного действия (рис. 170) трансформатора

(] – = [Р 2 !(Р-г ‘ Р(‘т ¦ Рм)1 ЮН %•

Для уменьшения потерь в стали на вихревые токи и гистерезис сердечники трансформаторов изготавливают из листовой трансформаторной стали, содержащей до 5% кремния.

Мощность потерь в меди обмоток зависит от нагрузки трансформатора: Ри — 1ГХ 1г.г. Для снижения этих потерь уменьшают активное сопротивление обмоток гу и г2 до определенного значения,

увеличивая площадь поперечного сечения медного обмоточного провода.

Потери в стали можно определить из опыта холостого хода трансформатора при номинальном первичном напряжении (Д (рис. 171, а). При этом полезная мощность Р2= 0, а потери в меди первичной обмотки из-за малого тока можно не учитывать. Следовательно, мощность Рх » Рст,

Потери в меди определяют из опыта короткого замыкания (рис. 171, б), когда зажимы вторичной обмотки замкнуты нако

Рис. 170. Зависимость к. п. д. трансформатора от нагрузки

Рис. 171. Схемы для определения потерь в стали (а) и меди (б)

ротко, а к первичной обмотке подводится такое пониженное напряжение (5-8% номинального значения), при котором в обмотках устанавливаются номинальные токи. Из-за малого напряжения магнитная индукция и потери в стали будут незначительны и мощность

Коэффициент полезного действия трансформатора зависит от его нагрузки и достигает 98-99%.

Трансформаторы значительной мощности, как правило, имеют масляное охлаждение. У этих трансформаторов сердечник с обмотками помещается в стальной бак с трансформаторным маслом, которое имеет высокие изоляционные свойства и хорошую теплопроводность. Слои масла от сердечника и обмоток перемещаются к стенкам бака и передают им тепло, которое рассеивается в воздух. Для увеличения поверхности охлаждения в мощных трансформаторах применяют трубчатые баки.

Трехфазный трансформатор: строение, виды, принцип работы

Преобразование трёхфазной системы напряжения можно реализовать с помощью трёх однофазных трансформаторов. Но при этом будет использован аппарат значительного веса и внушительных размеров. Трехфазный трансформатор лишён этих недостатков, так как его обмотки располагаются на стержнях общего магнитопровода. Поэтому в сетях мощностью до 60 тыс. кВА его применение является оптимальным вариантом.

  • Назначение трёхфазного трансформатора
  • Определение и виды прибора
  • Принцип действия
  • Строение трансформатора
  • Схемы и группы соединения обмоток
  • Потери и коэффициент полезного действия
  • Трансформаторы специального назначения
    • Измерительные преобразователи напряжения
    • Сварочное оборудование
    • Автотрансформатор с плавным регулированием напряжения
  • Параллельная работа


Главной функцией трансформаторов является передача электроэнергии на большие дистанции. Электрическая энергия переменного тока вырабатывается на электростанциях. При передаче электроэнергии появляются потери на нагревание проводов. Их можно уменьшить, снизив силу тока. Для этого необходимо увеличить напряжение таким образом, чтобы его значение находилось в диапазоне от 6 до 500 кВ.

Читайте также:  Характеристики светодиодных ламп: цветовая температура, мощность, свет и другие

Виды трансформаторов

Среди многообразных трансформаторных устройств чаще всего встречаются трансформаторы:

  • силовые
  • измерительные
  • специальные

  • силовые
  • измерительные
  • специальные

Как обозначаются начала первичной обмотки трехфазного трансформатора

Все начала первичных обмоток трехфазного трансформатора обозначают большими буквами: А, В, С; начала вторичных обмоток — малыми буквами: а, Ь, с. Концы обмоток обозначаются соответственно: X, У, Z и х, у, z. Зажим выведенной нулевой точки при соединении звездой обозначают буквой О.

А, В, С – обозначают начало обмоток высшего напряжения, а буквы X, Y и Z означают конец этих обмоток.

Трансформаторы с «нулевой точкой» имеют выведенный конце под клемму обозначенный большой буквой О.

Аналогично обозначают концы обмоток низшего напряжения, но используют для этого строчные буквы х, у, z – это конец фазных обмоток, а, в, с их начало.


Следствием сдвига по фазе магнитных потоков в сердечниках на 1/3 периода является такой же сдвиг по фазе и электродвижущих сил, индуктируемых как в первичных, так и во вторичных катушках, наложенных на стержнях. Электродвижущие силы первичных катушек почти уравновешивают приложенное трехфазное напряжение. Электродвижущие силы вторичных катушек при правильном соединении концов катушек дают трехфазное вторичное напряжение, которое подается во вторичную цепь.

Трансформатор напряжения

Такой трансформатор получает энергию от источника напряжения. Используется в основном для изменения высокого напряжения в низкое в различных цепях, в том числе измерительных и релейной защиты и автоматики. Имеет возможность проводить изоляцию цепей защиты и измерения от цепей повышенной мощности.

Высоковольтный ТН(слева) и низковольтный ТН(справа)


Виды импульсных трансформаторов

Однофазные и трехфазные трансформаторы

Однофазные трансформаторы небольшой мощности применяют в качестве сварочных, измерительных, испытательных, специального назначения и для бытовых нужд.
Мощные однофазные силовые трансформаторы служат для трансформации электрической энергии трехфазного тока и для питания специальных промышленных установок. Простейший однофазный трансформатор (рис. 1) состоит из рамообразной магнитной системы, включающей два стержня 5, верхнее 4 и нижнее 5 ярма, обмоток высшего 1 и низшего 2 напряжения.
Левый стержень, если смотреть на трансформатор со стороны выведенных от обмоток ВН концов (отводов), принято обозначать буквой А, правый — X. Чтобы двухстержневую магнитную систему однофазного трансформатора использовать наиболее рационально и трансформатор конструктивно был более компактным, обмотки ВН и НН как бы делят на две части и размещают их на стержнях А и X. Соединив между собой параллельно или последовательно отдельные части обмоток ВН и со-
ответственно НН, от обмоток, размещены на стержне А, выводят их «начала», а на стержне X — их «концы».
Трансформацию трехфазного тока однофазными трансформаторами осуществляют следующим образом: устанавливают рядом три однофазных трансформатора, образующих трехфазную группу, и внешние зажимы обмоток ВН и НН (при трехобмоточных трансформаторах и СН) соединяют в трехфазные электрические схемы (звезда — звезда, звезда — треугольник). Полученная трехфазная трансформаторная группа имеет общую электрическую схему, а электромагнитная система каждого трансформатора работает раздельно.

Рис. 1. Устройство простейшего однофазного трансформатора

Рис. 2. Получение трехфазного трансформатора из трех однофазных: а — схема объединения трех магнитных систем с фазными обмотками в одну трехфазную, б — схема пространственной симметричной магнитной системы трехфазного трансформатора

В трехфазном трансформаторе электрические и электромагнитные системы трех однофазных трансформаторов объединены в одну.
Физическую сторону такого совмещения схематично можно пояснить следующим образом. Если три магнитные системы однофазных трансформаторов с обмотками ВН и НН, размещенными на одном стержне (рис. 2), составить под углом 120° друг к другу, свободные от обмоток стержни примкнуть — состыковать в один, соединить обмотки в трехфазные схемы и подать на одну из них трехфазное напряжение, то и получится трехфазный трансформатор с общей электрической и магнитной системой, состоящей из трех стержней с обмотками и одного центрального стержня без обмоток. Однако исходя из известного положения электротехники о том, что сумма мгновенных значений токов и магнитных полей трехфазной системы равна нулю, магнитный поток в центральном стержне будет отсутствовать, а следовательно, в нем нет необходимости, поэтому его из конструкции магнитной системы удаляют. Полученная при этом трехстержневая пространственная магнитная система (рис. 2, б) является симметричной — у нее длина путей основного магнитного поля каждой фазы одинакова.


Рис. 3. Пространственная (а) и плоская несимметричная магнитная система трехфазного трансформатора с обмотками (б): 1 — элементы навитой ленточной магнитной системы; 2 — стеклобандаж, скрепляющий составной стержень; 3 — изоляционная прокладка стыка стержня

Симметричная магнитная система наиболее совершенна, однако трудности, связанные с технологией изготовления и ремонта трансформаторов с такой магнитной системой, ограничивают ее применение; она используется только в трансформаторах некоторых серий мощностью в основном до 250 кВ-А. На рис. 3, а изображена одна из трехфазных пространственных магнитных систем, применяемая в трансформаторах I и частично II габаритов. Она состоит из трех ленточных магнитных систем, составленных под углом 60° и скрепленных стеклобандажной лентой. Каждая из них навита (намотана) непрерывной (без стыков) электротехнической лентой. Чтобы форма составленного стержня была близка к кругу и в местах стыка. Так как навитая магнитная система неразъемная, то обмотки с помощью специальных станков приходится наматывать («вматывать») непосредственно на стержне. У навитых магнитных систем переход из стержней в ярма плавный, совпадающий с направлением магнитного потока, тем самым исключаются добавочные потери в местах перехода стержней в ярма под прямым углом при применении анизотропной стали. Кроме того, процесс сборки трансформаторов с пространственными магнитными системами может быть полностью механизирован. Однако, по ранее указанным причинам, они нашли применение только в трансформаторах небольшой мощности.
Для упрощения конструкции и технологии сборочно-разборочных операций в трехфазном трансформаторе применяют главным образом плоскую несимметричную магнитную систему (рис. 3, б). Она состоит из трех стержней, расположенных в одной плоскости, и перекрывающих их ярм — верхнего и нижнего. Из рис. 3, б видно, что длина пути А—Б магнитного потока среднего стержня меньше длин пути потока крайних стержней. Асимметрия магнитной системы несколько сказывается на значении токов холостого хода отдельных фаз.
Фазные обмотки на стержнях трехфазной магнитной системы размещаются так же, как и на однофазной, — концентрически соосно и соединяются в трехфазные схемы.
Стоимость изготовления и монтажа одного трехфазного трансформатора ниже стоимости трех однофазных на ту же суммарную мощность. Современные силовые трансформаторы преимущественно имеют трехфазное исполнение. Масса трехфазного трансформатора на 30—35% меньше массы трех однофазных трансформаторов. Кроме того, он экономичнее в работе и обслуживании.
Применение в отдельных случаях однофазных силовых трансформаторов объясняется тем, что одновременное повреждение нескольких фаз маловероятно. Поэтому достаточно иметь один запасной однофазный трансформатор, чтобы в случае аварии заменить поврежденную фазу. Однако в настоящее время однофазные трансформаторы применяют только для очень крупных мощностей, где транспортировка и установка трехфазных трансформаторов, имеющих большие массы и размеры, вызывает значительные трудности.

Рис. 3. Пространственная (а) и плоская несимметричная магнитная система трехфазного трансформатора с обмотками (б): 1 — элементы навитой ленточной магнитной системы; 2 — стеклобандаж, скрепляющий составной стержень; 3 — изоляционная прокладка стыка стержня

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

Доверь свою работу кандидату наук!

Может быть, кто-то думает, что трансформатор – это что-то среднее между трансформером и терминатором. Данная статья призвана разрушить подобные представления.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного электрического тока одного напряжения и определенной частоты в электрический ток другого напряжения и той же частоты.

Работа любого трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции, открытой Фарадеем.

Работа любого трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции, открытой Фарадеем.

Принцип работы и устройство трансформатора напряжения

Работа трансформатора — это просто чудо не имеющее объяснения, которое мы можем видеть своими глазами. Однако, трансформатор, за много лет от его изобретения, стал вещью совершенно обыденной. Потому мы очень часто не замечаем его чудесности. А для объяснения чуда имеем в запасе довольно замороченные теории, поясняющие принцип действия трансформатора. Одно из таких пояснений, в очень упрощенном виде, предоставляется ниже.

Для уяснения, первым делом, нужно представить себе устройство трансформатора. Будет рассматриваться устройство наиболее всем привычного и типичного трансформатора. Иначе говоря, устройство силового трансформатора напряжения. То есть, такого трансформатора, у которого первичная обмотка подключается в сеть параллельно. И который служит для изменения значения переменного напряжения.

Самый наипростейший трансформатор, который может представлять собой типичный образец, состоит из следующих частей.

Во-первых, он состоит из магнитопровода (сердечника). Сердечник выполняется из ферромагнитного материала. Это необходимо для того, чтобы трансформатор вообще мог функционировать. Ферромагнетики — это вещества, способные обладать намагниченностью при отсутствии внешнего магнитного поля. Ярким представителем ферромагнетиков является железо. Потому магнитопроводы трансформаторов обычно изготавливают из листовой стали. Формой магнитопроводы трансформатора чаще всего бывают броневые, стержневые и тороидальные.

Во-вторых, трансформатор состоит из двух обмоток, которые располагаются на стержнях сердечника. Обмотки представляют собой катушки из медной или алюминиевой проволоки намотанные на сердечник. Катушки изолированы от сердечника. А также, проволока катушек покрыта лаком для изоляции витков друг от друга. У каждой катушки имеется минимум два вывода-контакта (концы проволоки) для подключения к чему-либо. Обмотка, которая подключается к источнику переменного тока, называется первичной. Обмотка, к которой подключается потребляющие электроприборы, называется вторичной. Трансформаторы могут быть однофазные и трехфазные. А также, по числу обмоток на фазу — двухобмоточные и многообмоточные.

Обмотки не имеют электрического контакта друг с другом. Между катушками существует, так называемая, индуктивная связь. Магнитопровод предназначен для того, чтобы усилить эту индуктивную связь. Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока при изменении во времени магнитного поля. То есть, переменный ток, протекая по первичной катушке, создает во второй катушке магнитное поле. Так как электрический ток переменный, то магнитное поле тоже изменяется во времени. В итоге, во вторичной катушке возникает электрический ток.

То есть, если мы подключим к первичной катушке источник переменного тока, то ток будет протекать в её витках. Считается, что протекая в витках катушки, переменный ток (i) создает в магнитопроводе переменный магнитный поток (Φ). Магнитный поток замыкается в сердечнике, и сцепляясь с обоими катушками, создает в них ЭДС (электродвижущую силу). В первичной катушке она называется ЭДС самоиндукции. Во вторичной — ЭДС взаимоиндукции.

Читайте также:  Потолочные светодиодные лампы: виды, критерии выбора, лучшие производители

Когда мы подключим к выводам вторичной катушки какой-либо электроприбор, в цепи этой катушки появляется переменный ток. В свою очередь, на выводах вторичной катушки устанавливается напряжение. В повышающих трансформаторах напряжение во вторичной катушке больше чем в первичной. С другой стороны, в понижающих трансформаторах напряжение во вторичной катушке меньше чем в первичной.

ЭДС наводимые в обмотках трансформатора отличаются друг от друга лишь от того, что на катушках разное количество витков проволоки. Потому, применяя обмотки трансформатора с нужным соотношением витков, можно получить трансформатор на любое соотношение напряжений.

У трансформаторов существует интересная особенность — свойство обратимости. Можно оборотить первичную обмотку на место вторичной. А вторичную, разумеется, на место первичной. То есть, один и тот же трансформатор может быть как понижающим, так и повышающим. Однако, обычно трансформаторы изготавливают для строго определенного назначения.

Трансформатор предназначен для преобразования переменного тока. Если трансформатор подключить к источнику постоянного тока, то во вторичной обмотке не будет наводиться ЭДС. Потому как магнитный поток в магнитопроводе будет, как и ток, постоянным. Причем, ток будет постоянным как по величине, так и по направлению. То есть, его значение будет равно нулю. Значит электроэнергия из первичной цепи будет передаваться во вторичную только при включении и выключении трансформатора. А если трансформатор не будет обладать достаточной мощностью для приложенной силы постоянного тока, то он просто перегорит.

Для вашего удобства подборка публикаций

Спасибо за посещение канала, чтение заметки, лайки, дизлайки, подписку и комментарии

Во-вторых, трансформатор состоит из двух обмоток, которые располагаются на стержнях сердечника. Обмотки представляют собой катушки из медной или алюминиевой проволоки намотанные на сердечник. Катушки изолированы от сердечника. А также, проволока катушек покрыта лаком для изоляции витков друг от друга. У каждой катушки имеется минимум два вывода-контакта (концы проволоки) для подключения к чему-либо. Обмотка, которая подключается к источнику переменного тока, называется первичной. Обмотка, к которой подключается потребляющие электроприборы, называется вторичной. Трансформаторы могут быть однофазные и трехфазные. А также, по числу обмоток на фазу — двухобмоточные и многообмоточные.

Трансформатор напряжения

Трансформатор напряжения можно отнести больше к электротехнике, чем к электронике. Самый обыкновенный однофазный трансформатор напряжения выглядит вот так.

Если откинуть верхнюю защиту трансформатора, то мы можем четко увидеть, то он состоит из какого-то железного каркаса, который собран из металлических пластин, а также из двух катушек, которые намотаны на этот железный каркас. Здесь мы видим, что из одной катушки выходит два черных провода

а с другой катушки два красных провода

Эти обе катушки одеваются на сердечник трансформатора. То есть в результате мы получаем что-то типа этого

Ничего сложного, правда ведь?

Но дальше самое интересное. Если подать на одну из этих катушек переменное напряжение, то в другой катушке тоже появляется переменное напряжение. Но как же так возможно? Ведь эти обмотки абсолютно не касаются друг друга и они изолированы друг от друга. Во чудеса! Все дело, в так называемой электромагнитной индукции.

Если объяснить простым языком, то когда на первичную обмотку подают переменное напряжение, то в сердечнике возникнет переменное магнитное поле с такой же частой. Вторая катушка улавливает это переменное магнитное поле и уже выдает переменное напряжение на своих концах.

Эти обе катушки одеваются на сердечник трансформатора. То есть в результате мы получаем что-то типа этого

Схема работы при отключении одного из трансформаторов

В случае отключении на подстанции трансформатора, присоединенного к шинам питающих проводов, будем иметь практически рассмотренную на рисунке схему с повышающими автотрансформаторами, роль которых выполняют ближайшие к подстанции автотрансформаторы на фидерных зонах.

При этом на участках от подстанции до ближайших к ней автотрансформаторов имеем систему 25 кВ, а на большей части обеих фидерных зон сохраняется система 2×25 кВ. Поскольку сопротивления участков при системе 25 кВ больше, чем их же сопротивление при системе 2×25 кВ, большую нагрузку принимают на себя соседние подстанции.

В случае отключения на подстанции трансформатора, присоединенного к шинам контактной сети, ближайшие к подстанции автотрансформаторы будут работать в трансформаторном режиме и при значительных размерах движения или при тяжелых поездах могут перегружаться.

Избежать этого можно или переходом на время отключения указанного трансформатора к одностороннему питанию фидерных зон от соседних подстанций или путем приведения группы соединения работоспособного трансформатора в соответствие с группой отключенного трансформатора и подключением его к шинам контактной сети.

Для этого следует предусмотреть возможность оперативного переключения двух фаз на первичной стороне трансформатора, подключенного в нормальном режиме к шинам питающих проводов.

При необходимости иметь большую степень резервирования трансформаторов можно, как и в случае с однофазными трансформаторами, в качестве резервного использовать третий трехфазный трансформатор с возможностью подключения его к шинам 110 (220) кВ и к шинам контактной сети или питающего провода вместо любого выведенного из работы трансформатора.

Рассмотренные схемы подстанций с трехфазными трансформаторами имеют перспективу на дорогах стран СНГ в местах стыкования систем 25 и 2×25 кВ и на тяговых подстанциях при необходимости питать от них большую районную нагрузку, а также при усилении системы электроснабжения ранее электрифицированных линий.


В случае отключения на подстанции трансформатора, присоединенного к шинам контактной сети, ближайшие к подстанции автотрансформаторы будут работать в трансформаторном режиме и при значительных размерах движения или при тяжелых поездах могут перегружаться.

Устройство трехфазного силового трансформатора

Основными частями трансформатора являются магнитопровод и обмотка. Магнитопровод собирается из листов электротехнической стали толщиной 0,3-0,5мм. Изоляция листов представляет собой покрытие лаковой пленкой листа стали с обеих сторон. Магнитопровод разделяется на стержни и ярмо. Стержень это вертикальная часть магнитопровода, на которую насаживается обмотка. Ярмо – это горизонтальная часть, которая замыкает магнитный поток.

Трехфазные трансформаторы чаще всего выполняются с тремя стержнями (стержневой тип), на которых располагаются три обмотки. Соединение стержней и ярма бывает двух видов – стыковое и шихтованное. Стыковое соединение – ярмо и стержни крепятся соединительными деталями, при этом удобно снимать обмотки. При шихтованном соединении – ярмо и стержни собираются листами стали внахлест, в этом случае уменьшается магнитное сопротивление магнитопровода за счет уменьшения воздушного зазора. Также механическая прочность шихтованного соединения выше, чем у стыкового соединения.

Обмотки трансформатора выполняют из медного проводника круглого или квадратного сечения. Изоляцией выступает кабельная бумага или хлопчатобумажная пряжа.

Магнитопровод с баком заземляют, для безопасности на случай обрыва обмотки.

В масляных трансформаторах магнитопровод с обмоткой опускают в бак, залитый трансформаторным маслом. Масло отбирает тепло от обмоток. Характеристики масла выше, чем у воздуха, следовательно, габариты масляного трансформатора и сухого трансформатора одной мощности более выигрышны у масляного трансформатора.

При изменении климатических условий уровень масла может меняться. Происходит это не в баке трансформатора, а в специальном расширителе, который представляет собой сосуд на крышке бака, сообщающимся с ним.

При ненормальных режимах, таких как короткие замыкания, может изменяться давление масла, из-за выделения газов в масле. Для сброса этого давления на трансформаторах используют выхлопную трубу. На верхней части трубы находится стеклянная пластина. При повышении давления пластина разлетается, и давление выходит из трансформатора.

На мощных трансформаторах предусмотрено газовое реле. При повышении давления из-за выброса газов (например, при коротких замыканиях внутри трансформатора) происходит срабатывание реле и идет сигнал на отключение выключателя. После чего трансформатор отключается от сети.

Соединение обмоток с сетью происходит через ввода трансформатора. Они бывают различной конструкции: с главной изоляцией фарфоровой покрышки, конденсаторные проходные изоляторы, с бумажно-масляной, полимерной, элегазовой, маслобарьерной изоляцией.

В трансформаторах встречается возможность изменять число витков обмоток (группы соединения обмоток). Для этих целей используются ПБВ (переключатель числа витков без возбуждения) и РПН (регулирование числа витков под нагрузкой).

Далее буду рассматривать только схему под цифрой 1 на рисунке. Для чего же может применятся параллельная работа трансформаторов:

Трехфазные трансформаторы

Для преобразования переменного тока в трехфазных цепях применяются трехфазные трансформаторы, имеющие, как правило, трехстержневой магнитопровод (рис. 3, б).

Рис. 3 — Групповой (а) и стержневой (б) трехфазные трансформаторы

Обмотки фаз трансформатора соединяются звездой (?) или треугольником (?). Первичные и вторичные обмотки каждой фазы размещаются на одном и том же сердечнике и сцеплены с одним магнитным потоком.

Присущая таким трансформаторам небольшая магнитная несимметрия из-за того, что фаза, расположенная на среднем стержне, находится в несколько иных условиях, чем фазы на крайних стержнях, при эксплуатации не имеет большого значения. Намагничивающие токи обмоток фаз, размещенных на крайних сердечниках, больше, чем в средней, на 10…15%.

Трехфазный трансформатор был получен путем объединения трех однофазных (рис. 3, а), поэтому рабочие процессы в нем протекают также, как в трех однофазных, и для каждой фазы трехфазного трансформатора справедливы уравнения электрического равновесия, векторная диаграмма и схема замещения однофазного трансформатора.

При использовании трансформаторов предельной мощности используется трехфазная группа однофазных трансформаторов (рис. 3 ,а), т.к. на большую мощность изготовление однофазных трансформаторов технологически проще, хотя при этом расход активных материалов (меди, стали) увеличивается.

Применяются автотрансформаторы чаще всего при необходимости изменить напряжение в небольших пределах при коэффициенте трансформации К = 1,0…1,5 — при пуске синхронных и асинхронных двигателей, для регулирования напряжения нагревательных печей, в электротермии и в лабораторных установках. Мощные автотрансформаторы изготовляются для подстанций, связывающих электроэнергетические системы с различным номинальным напряжением. Практически везде, где необходимо преобразовывать близкие напряжения (110 и 220, 220 и 330, 330 и 500, 500 и 750 кВ) используются только автотрансформаторы. Их применение взамен обычных трансформаторов да ет выиг­рыш в КПД, массе и габаритах, снижении расхода активных материалов.

Ссылка на основную публикацию
×
×