Трансформаторы: назначение, классификация, номинальные данные трансформаторов

Трансформаторы — электромагнитные статические преобразователи электрической энергии. Трансформаторами называются электромагнитные аппараты, служащие для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при той же частоте и для передачи электрической энергии электромагнитным путем из одной цепи в другую.

«Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной — первичной — системы переменного тока в другую — вторичную той же частоты, имеющую в общем случае другие характеристики, в частности другое напряжение и другой ток» (Пиотровский Л. М. Электрические машины).

Основное назначение трансформаторов — изменять напряжение переменного тока. Трансформаторы применяются также для преобразования числа фаз и частоты.

Трансформаторами тока называются аппараты, предназначенные для преобразования тока любой величины в ток, допустимый для измерений нормальными приборами, а также для питания различных реле и обмоток электромагнитов. Число витков вторичной обмотки трансформатора тока w2 > w1.

Особенностью трансформаторов тока является их работа в режиме, близком к короткому замыканию, так как их вторичная обмотка всегда замкнута на небольшое сопротивление.

Трансформаторами напряжения называются аппараты, предназначенные для преобразования переменного тока высшего напряжения в переменный ток низшего напряжения и питания параллельных катушек измерительных приборов и реле. Принцип действия и устройства трансформаторов напряжения аналогичен принципу работы силовых трансформаторов. Число витков вторичной обмотки w2

Принцип действия трансформаторов напряжения:

Особенность работы измерительного трансформатора напряжения заключается в том, что его вторичная обмотка всегда оказывается замкнутой на большое сопротивление, и трансформатор работает в режиме, близком к режиму холостого хода, так как подключаемые приборы потребляют незначительный ток.

Наибольшее распространение имеют силовые трансформаторы напряжения , которые выпускаются электротехнической промышленностью на мощности свыше миллиона киловольт-ампер и на напряжения до 1150 — 1500 кВ.

Конструкция силового трансформатора:

Для передачи и распределения электрической энергии необходимо повысить напряжение турбогенераторов и гидрогенераторов, установленных на электростанциях, с 16 — 24 кВ до напряжений 110, 150, 220, 330, 500, 750 и 1150 кВ, используемых в линиях передачи, а затем снова понизить до 35; 10; 6; 3; 0,66; 0,38 и 0,22 кВ, чтобы использовать энергию в промышленности, сельском хозяйстве и быту.

Так как в энергетических системах имеет место многократная трансформация, мощность трансформаторов в 7 — 10 раз превышает установленную мощность генераторов на электростанциях.

Силовые трансформаторы в выпускаются в основном на частоту 50 Гц.

Трансформаторы малой мощности широко используются в различных электротехнических установках, системах передачи и переработки информации, навигации и других устройствах. Диапазон частот, на которых могут работать трансформаторы, — от нескольких герц до 105 Гц.

По числу фаз трансформаторы делятся на однофазные, двухфазные, трехфазные и многофазные. Силовые трансформаторы выпускаются в основном в трехфазном исполнении. Для применения в однофазных сетях выпускаются однофазные трансформаторы.

Классификация трансформаторов по числу и схемам соединения обмоток

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 .

Многофазные трансформаторы имеют обмотки, соединенные в многолучевую звезду или многоугольник. Трехфазные трансформаторы имеют соединение в трехлучевую звезду и треугольник.

Схемы соединения обмоток силовых трансформаторов:

Повышающие и понижающие трансформаторы

В зависимости от соотношения напряжений на первичной и вторичной обмотках трансформаторы делятся на повышающие и понижающие . В повышающем трансформаторе первичная обмотка имеет низкое напряжение, а вторичная — высокое. В понижающем трансформаторе , наоборот, вторичная обмотка имеет низкое напряжение, а первичная — высокое.

Трансформаторы, имеющие одну первичную и одну вторичную обмотки, называются двухобмоточными . Достаточно широко распространены трехобмоточные трансформаторы , имеющие на каждую фазу три обмотки, например две на стороне низкого напряжения, одну — на стороне высокого напряжения или наоборот. Многофазные трансформаторы могут иметь несколько обмоток высокого и низкого напряжения.

Классификация трансформаторов по конструкции

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. Подробнее про этот вид трансформаторов читайте здесь: Сухие трансформаторы

Автотрансформатор (для однофазных О, для трехфазных Т) — А
Расщепленная обмотка низшего напряжения — Р
Защита жидкого диэлектрика с помощью азотной подушки без расширителя — З
Исполнение с литой изоляцией — Л
Трех обмоточный трансформатор — Т
Трансформатор с РПН — Н
Сухой трансформатор с естественным воздушным охлаждением (обычно вторая буква в обозначении типа), либо исполнение для собственных нужд электростанций (обычно последняя буква в обозначении типа) — С
Кабельный ввод — К
Фланцевый ввод (для комплектных ТП) — Ф

Силовой масляный трансформатор ТМ-160 (250) кВА

Системы охлаждения сухих трансформаторов:

Естественное воздушное при открытом исполнении — С
Естественное воздушное при защищенном исполнении — СЗ
Естественное воздушное при герметичном исполнении — СГ
Воздушное с принудительной циркуляцией воздуха — СД

Системы охлаждения масляных трансформаторов:

Естественная циркуляция воздуха и масла — М
Принудительная циркуляция воздуха и естественная циркуляция масла — Д
Естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла с ненаправленным потоком масла — МЦ
Естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла с направленным потоком масла — НМЦ
Принудительная циркуляция воздуха и масла с ненаправленным потоком масла — ДЦ
Принудительная циркуляция воздуха и масла с направленным потоком масла — НДЦ
Принудительная циркуляция воды и масла с ненаправленным потоком масла — Ц
Принудительная циркуляция воды и масла с направленным потоком масла — НЦ

Системы охлаждения трансформаторов с негорючим жидким диэлектриком:

Охлаждение жидким диэлектриком с принудительной циркуляцией воздуха — НД
Охлаждение негорючим жидким диэлектриком с принудительной циркуляцией воздуха и с направленным потоком жидкого диэлектрика — ННД

Наряду с трансформаторами широко применяются автотрансформаторы, в которых имеется электрическая связь между первичной и вторичной обмотками. При этом мощность из одной обмотки автотрансформатора в другую передается как магнитным полем, так и за счет электрической связи. Автотрансформаторы строятся на большие мощности и высокие напряжения и применяются в энергосистемах, а также используются для регулирования напряжения в установках небольшой мощности.

Номинальные данные трансформаторов

Номинальные данные трансформатора, на которые он рассчитан с заводской гарантией на 25 лет указываются в паспортной табличке трансформатора :

номинальная полная мощность Sном, КВ-А,

номинальное линейное напряжение U л.ном, В или кВ,

номинальный линейный ток I л.ном. А,

номинальная частота f , Гц,

схема и группа соединения обмоток,

напряжение короткого замыкания Uк, %,

В табличке приводятся также данные, необходимые для монтажа: полная масса, масса масла, масса выемной (активной) части трансформатора. Указываются тип трансформатора в соответствии с ГОСТ на марки трансформаторов и завод-изготовитель.

Номинальная мощность однофазного трансформатора Sном= U1 ном I1 ном, a трехфазного

где U1 лном, U1 фном, I1 лном и I1 фном — соответственно номинальные линейные и фазные значения напряжений и токов.

Номинальными напряжениями трансформатора являются линейные напряжения при холостом ходе на первичной и вторичной обмотках трансформатора. За номинальные токи первичной и вторичной обмоток трансформатора принимаются токи, рассчитанные по номинальной мощности при номинальных первичных и вторичных напряжениях.

Ввиду общности конструкции и методов расчета к трансформаторам могут быть отнесены реакторы, дроссели насыщения и сверхпроводящие индуктивные накопители.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Двухфазная система переменного тока

Двухфазная система была предшественницей сегодняшней трехфазной системы. Ее фазы были сдвинуты на 90° относительно друг друга, поэтому первая имела синусоидальную кривую напряжения, вторая — косинусоидальную.

Чаще всего ток распределялся по четырем проводам, реже по трем, причем один из них имел больший диаметр (его нужно было рассчитать на 141% тока отдельных фаз).

Первый из этих генераторов имел два ротора, повернутых относительно друг друга на 90°, поэтому они больше походили на два соединенных однофазных генератора, настроенных для создания двухфазного переменного напряжения. Генераторы, установленные в 1895 году на Ниагарском водопаде, были двухфазными и были крупнейшими в свое время.

Упрощенная схема двухфазного генератора

Двухфазная система имела то преимущество, что позволяла работать асинхронным электродвигателям.

Вращающееся магнитное поле, которое создает двухфазный ток, обеспечивает ротор крутящим моментом, который способен вращать его из состояния покоя. Однофазная система не может этого сделать без использования пусковых конденсаторов. Конфигурация катушки двухфазного двигателя такая же, как и у однофазного двигателя с конденсаторным пуском.

Также было проще анализировать поведение системы с двумя полностью отдельными фазами. Фактически, так было до 1918 года, когда был изобретен метод симметричных составляющих, который позволил проектировать системы с несбалансированными нагрузками (в основном любая система, в которой по какой-либо причине невозможно сбалансировать нагрузки отдельных фаз, как правило, жилые).

Обмотка двухфазного электродвигателя около 1893 г.

Большинство шаговых двигателей также можно рассматривать как двухфазные двигатели.

Трехфазное распределение, по сравнению с двухфазным распределением, требует меньшего количества проводов при одинаковом напряжении и той же передаваемой мощности. Для этого требуется всего три провода, что значительно снижает затраты на установку системы.

В качестве источника двухфазного тока использовался специальный генератор генератор, который имел два набора катушек, повернутых друг относительно друга на 90°.

Обе системы, то есть двухфазные и трехфазные, могут быть подключены напрямую, используя два трансформатора в так называемом соединении Скотта, решение дешевле и эффективнее, чем использование вращающихся преобразователей.

Схема Скотта: фазы Y1, Y2, Y3 трехфазной системы; R1, R2 — одна фаза двухфазной системы, R3, R4 — вторая фаза двухфазной системы

В то время, когда переходил от двухфазной системы к трехфазной, необходимо было решить, как равномерно распределить нагрузку двухфазных машин на трехфазную систему, чтобы сбалансировать ее, т.к. отдельные фазы нельзя регулировать отдельно.

Кроме того, он может преобразовывать электроэнергию не только из трехфазной системы в двухфазную, но и наоборот, обеспечивая таким образом взаимосвязь между более крупными электрическими блоками и обмен энергией между ними.

Предполагая, что напряжение на трех- и двухфазной стороне должно быть одинаковым, на одном из них формируется отвод точно посередине, катушка делится 50:50 и ее концы подключаются к двум фазам, а другой имеет всего 86,6% намотки, соответственно там создается ответвление.

Этот второй трансформатор подключается к центру первого, а ответвление подключается к оставшейся фазе. Тогда на вторичных обмотках получается ток, смещенный на 90° относительно друг друга.

К сожалению, это соединение не способно сбалансировать несимметричную нагрузку отдельных фаз, дисбаланс двухфазной системы переносится на трехфазную и наоборот, в зависимости от того, какой источник подключен.

В настоящее время система почти везде в мире заменена более современной трехфазной системой, однако в некоторых частях Соединенных Штатов система все еще используется, например, в Филадельфии и Южном Джерси в США (где она находится в упадке). Причины, по которым эта система все еще работает, являются историческими.

Однофазная трехпроводная сеть для коммунального электроснабжения, которая особенно широко распространена в Северной Америке, иногда и неправильно называется двухфазной системой, хотя в базовой установке это однофазная система.