 |
Схемы и группы соединения обмоток трёхфазных двухобмоточных трансформаторов
|
|
|
|
ВН Звезда
НН Треугольник
Бак
Бак в первую очередь представляет собой резервуар для масла, а также обеспечивает физическую защиту для активного компонента. Он также служит в качестве опорной конструкции для вспомогательных устройств и аппаратуры управления.
Перед заполнением маслом бака с активным компонентом внутри из него выкачивается весь воздух, который может подвергнуть опасности диэлектрическую прочность изоляции трансформатора (поэтому бак предназначен для выдерживания давления атмосферы с минимальной деформацией).
Ещё одним явлением, учитываемым при проектировании баков, является совпадение звуковых частот, вырабатываемых сердечником трансформатора, и частот резонанса деталей бака, что может усилить шум, излучаемый в окружающую среду.
Конструкция бака допускает температурно-зависимое расширение масла. Чаще всего устанавливается отдельный расширительный бачок, который также называется расширителем.
При увеличении номинальной мощности трансформатора воздействие больших токов внутри и снаружи трансформатора оказывает влияние на конструкцию. То же самое происходит с магнитным потоком рассеяния внутри бака. Вставки из немагнитного материала вокруг сильноточных проходных изоляторов снижают риск перегрева. Внутренняя облицовка бака из высокопроводящих щитков не допускает попадания потока через стенки бака. С другой стороны, материал с низким магнитным сопротивлением поглощает поток перед его прохождением через стенки бака.
Базовые принципы действия трансформатора
Схематическое устройство трансформатора. 1 — первичная обмотка, 2 — вторичная
|
|
|
Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:
Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм)
Изменение магнитного потока Ф, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)
На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе, сдвинутый по фазе, при синусоидальном токе, на 90° по отношению к току в первичной обмотке. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку.
В некоторых трансформаторах, работающих на высоких или сверхвысоких частотах, магнитопровод может отсутствовать.
Режим холостого хода
Когда вторичные обмотки ни к чему не подключены (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток через первичную обмотку невелик и определяется в основном её индуктивным сопротивлением. Возможен вариант исполнения трансформатора с приблизительно равными токами холостого хода и под нагрузкой. Трансформаторы, не имеющие режима холостого хода, получаются меньше и легче.
Режим с нагрузкой
При подключении нагрузки к вторичной обмотке во вторичной цепи возникает ток, создающий магнитный поток в магнитопроводе, направленный противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате в первичной цепи нарушается равенство ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения.
|
|
|
Схематично, процесс преобразования можно изобразить следующим образом:
Мгновенный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора определяется интегралом по времени от мгновенного значения ЭДС в первичной обмотке и в случае синусоидального напряжения сдвинут по фазе на 90° по отношению к ЭДС. Наведённая во вторичных обмотках ЭДС пропорциональна первой производной от магнитного потока и для любой формы тока совпадает по фазе и форме с ЭДС в первичной обмотке.
Закон Фарадея
ЭДС, создаваемая во вторичной обмотке, может быть вычислена по закону Фарадея, который гласит, что:
Где
U2 — Напряжение на вторичной обмотке,
N2 — число витков во вторичной обмотке,
Φ — суммарный магнитный поток, через один виток обмотки. Если витки обмотки расположены перпендикулярно линиям магнитного поля, то поток будет пропорционален магнитному полю B и площади S через которую он проходит.
ЭДС, создаваемая в первичной обмотке, соответственно:
Где
U1 — мгновенное значение напряжения на концах первичной обмотки,
N1 — число витков в первичной обмотке.
Поделив уравнение U2 на U1, получим отношение
Уравнения идеального трансформатора
Схема
Идеальный трансформатор — трансформатор, у которого отсутствуют потери энергии на нагрев обмоток и потоки рассеяния обмоток[14]. В идеальном трансформаторе все силовые линии проходят через все витки обеих обмоток, и поскольку изменяющееся магнитное поле порождает одну и ту же ЭДС в каждом витке, суммарная ЭДС, индуцируемая в обмотке, пропорциональна полному числу её витков[15]. Такой трансформатор всю поступающую энергию из первичной цепи трансформирует в магнитное поле и, затем, в энергию вторичной цепи. В этом случае поступающая энергия равна преобразованной энергии:
Где
P1 — мгновенное значение поступающей на трансформатор мощности, поступающей из первичной цепи,
P2 — мгновенное значение преобразованной трансформатором мощности, поступающей во вторичную цепь.
Соединив это уравнение с отношением напряжений на концах обмоток, получим уравнение идеального трансформатора:
|
|
|
Таким образом получаем, что при увеличении напряжения на концах вторичной обмотки U2, уменьшается ток вторичной цепи I2.
Для преобразования сопротивления одной цепи к сопротивлению другой, нужно умножить величину на квадрат отношения.[16] Например, сопротивление Z2 подключено к концам вторичной обмотки, его приведённое значение к первичной цепи будет
Данное правило справедливо также и для вторичной цепи:
Обозначение на схемах
На схемах трансформатор обозначается следующим образом:
Центральная толстая линия соответствует сердечнику, 1 — первичная обмотка (обычно слева), 2,3 — вторичные обмотки. Число полуокружностей в каком-то грубом приближении символизирует число витков обмотки (больше витков — больше полуокружностей, но без строгой пропорциональности).
При обозначении трансформатора с несколькими первичными и\или вторичными обмотками точками указывают начало катушки.
Применение трансформаторов
Наиболее часто трансформаторы применяются в электросетях и в источниках питания различных приборов.
Применение в электросетях
Поскольку потери на нагревание провода пропорциональны квадрату тока, проходящего через провод, при передаче электроэнергии на большое расстояние выгодно использовать очень большие напряжения и небольшие токи. Из соображений безопасности и для уменьшения массы изоляции в быту желательно использовать не столь большие напряжения. Поэтому для наиболее выгодной транспортировки электроэнергии в электросети многократно применяют трансформаторы: сначала для повышения напряжения генераторов на электростанциях перед транспортировкой электроэнергии, а затем для понижения напряжения линии электропередач до приемлемого для потребителей уровня.
Поскольку в электрической сети три фазы, для преобразования напряжения применяют трёхфазные трансформаторы, или группу из трёх однофазных трансформаторов, соединённых в схему звезды или треугольника. У трёхфазного трансформатора сердечник для всех трёх фаз общий.
|
|
|
Несмотря на высокий КПД трансформатора (свыше 99 %), в очень мощных трансформаторах электросетей выделяется большая мощность в виде тепла (например, для типичной мощности блока электростанции 1 ГВт на трансформаторе может выделяться мощность до нескольких мегаватт). Поэтому трансформаторы электросетей используют специальную систему охлаждения: трансформатор помещается в баке, заполненном трансформаторным маслом или специальной негорючей жидкостью. Масло циркулирует под действием конвекции или принудительно между баком и мощным радиатором. Иногда масло охлаждают водой. «Сухие» трансформаторы используют при относительно малой мощности (до 16000 кВт).
Применение в источниках электропитания
Для питания разных узлов электроприборов требуются самые разнообразные напряжения. Например, в телевизоре с помощью трансформаторов получают напряжения от 5 вольт (для питания микросхем и транзисторов) до 30 киловольт (для питания анода кинескопа). В блоке питания Центральная толстая линия соответствует сердечнику, 1 — первичная обмотка (обычно слева), 2,3 — вторичные обмотки. Число полуокружностей в каком-то грубом приближении символизирует число витков обмотки (больше витков — больше полуокружностей, но без строгой пропорциональности).
персонального компьютера обычно также применяется импульсный трансформатор, на первичную обмотку которого подаётся переменное напряжение прямоугольной (чаще всего) формы с выхода инвертора. Система управления с помощью ШИМ позволяет стабилизировать напряжение на выходе источника электропитания. Блоки электропитания в устройствах, которым необходимо несколько напряжений различной величины, зачастую содержат трансформаторы с несколькоми вторичными обмотками.
В прошлом сетевой трансформатор (на 50-60 Гц) был одной из самых тяжёлых деталей многих приборов. Дело в том, что линейные размеры трансформатора определяются передаваемой им мощностью, причём оказывается, что линейный размер сетевого трансформатора примерно пропорционален мощности в степени 1/4. Размер трансформатора можно уменьшить, если увеличить частоту переменного тока. Поэтому в современных блоках питания переменное напряжение сети сперва выпрямляют, а затем преобразуют в высокочастотные импульсы, которые подаются на импульсный трансформатор, преобразующий их во все нужные напряжения. Такая конструкция заметно уменьшает массу блока питания.
Другие применения трансформатора
Разделительные трансформаторы (трансформаторная гальваническая развязка). Нейтральный провод электросети может иметь контакт с «землёй», поэтому при одновременном касании человеком фазового провода (а также корпуса прибора с плохой изоляцией) и заземлённого предмета тело человека замыкает электрическую цепь, что создаёт угрозу поражения электрическим током. Если же прибор включён в сеть через трансформатор, касание прибора одной рукой вполне безопасно, поскольку вторичная цепь трансформатора никакого контакта с землёй не имеет.
|
|
|
Импульсные трансформаторы (ИТ). Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса (максимально крутой фронт и срез, относительно постоянная амплитуда). Он служит для трансформации кратковременных видеоимпульсов напряжения, обычно периодически повторяющихся с высокой скважностью. В большинстве случаев основное требование, предъявляемое к ИТ, заключается в неискажённой передаче формы трансформируемых импульсов напряжения; при воздействии на вход ИТ напряжения той или иной формы на выходе желательно получить импульс напряжения той же самой формы, но, быть может, иной амплитуды или другой полярности.
Измерительные трансформаторы. Применяют для измерения очень больших или очень маленьких переменных напряжений и токов в цепях РЗиА.
Измерительно-силовые трансформаторы. Имеют широкое применение в схемах генераторов переменного тока малой и средней мощности (до мегаватта), например, в дизель-генераторах. Такой трансформатор представляет собой измерительный трансформатор тока с первичной обмоткой, включённой последовательно с нагрузкой генератора. Со вторичной обмотки снимается переменное напряжение, которое после выпрямителя подаётся на обмотку подмагничивания ротора. (Если генератор — трёхфазный, обязательно применяется и трёхфазный трансформатор). Таким образом, достигается стабилизация выходного напряжения генератора — чем больше нагрузка, тем сильнее ток подмагничивания, и наоборот.
Согласующие трансформаторы. Из законов преобразования напряжения и тока для первичной и вторичной обмотки (I1=I2w2/w1,U1=U2w1/w2) видно, что со стороны цепи первичной обмотки всякое сопротивление во вторичной обмотке выглядит в (w1/w2)² раз больше. Поэтому согласующие трансформаторы применяются для подключения низкоомной нагрузки к каскадам электронных устройств, имеющим высокое входное или выходное сопротивление. Например, высоким выходным сопротивлением может обладать выходной каскад усилителя звуковой частоты, особенно, если он собран на лампах, в то время как динамики имеют очень низкое сопротивление. Согласующие трансформаторы также исключительно полезны в высокочастотных линиях, где различие сопротивления линии и нагрузки привело бы к отражению сигнала от концов линии, и, следовательно, к большим потерям.
Фазоинвертирующие и согласующие трансформаторы в выходном каскаде усилителя звуковой частоты с транзисторами одного типа проводимости. Транзистор в такой схеме усиливает только половину периода выходного сигнала. Чтобы усилить оба полупериода, нужно подать сигнал на два транзистора в противофазе. Это и обеспечивает трансформатор T1. Трансформатор T2 суммирует выходные импульсы VT1 и VT2 в противофазе и согласует выходной каскад с низкоомным динамиком
Фазоинвертирующие трансформаторы. Трансформатор передаёт только переменную компоненту сигнала, поэтому даже если все постоянные напряжения в цепи имеют один знак относительно общего провода, сигнал на выходе вторичной обмотки трансформатора будет содержать как положительную, так и отрицательную полуволны, причём, если центр вторичной обмотки трансформатора подключить к общему проводу, то напряжение на двух крайних выводах этой обмотки будет иметь противоположную фазу. До появления широко доступных транзисторов с npn типом проводимости фазоинвертирующие трансформаторы применялись в двухтактных выходных каскадах усилителей, для подачи противоположных по полярности сигналов на базы двух транзисторов каскада. К тому же, из-за отсутствия «ламп с противоположным зарядом электрона», фазоинвертирующий трансформатор необходим в ламповых усилителях с двухтактным выходным каскадом.
Потери в трансформаторах
Степень потерь (и снижения КПД) в трансформаторе зависит, главным образом, от качества, конструкции и материала «трансформаторного железа» (электротехническая сталь). Потери в стали состоят в основном из потерь на нагрев сердечника, на гистерезис и вихревые токи. Потери в трансформаторе, где «железо» монолитное, значительно больше, чем в трансформаторе, где оно составлено из многих секций (так как в этом случае уменьшается количество вихревых токов). На практике монолитные сердечники не применяются. Для снижения потерь в магнитопроводе трансформатора магнитопровод может изготавливаться из специальных сортов трансформаторной стали с добавлением кремния, который повышает удельное сопротивление железа электрическому току, а сами пластины лакируются для изоляции друг от друга.
Режимы работы трансформатора
1. Режим холостого хода. Данный режим характеризуется разомкнутой вторичной цепью трансформатора, вследствие чего ток в ней не течёт. С помощью опыта холостого хода можно определить КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в стали.
2. Нагрузочный режим. Этот режим характеризуется замкнутой на нагрузке вторичной цепи трансформатора. Данный режим является основным рабочим для трансформатора.
3. Режим короткого замыкания. Этот режим получается в результате замыкания вторичной цепи накоротко. С его помощью можно определить потери полезной мощности на нагрев проводов в цепи трансформатора.Кроме того, потери в трансформаторе добавляются за счёт нагрева проводов. Это учитывается в схеме замещения реального трансформатора при помощи активного сопротивления.
Габаритная мощность
Габаритная мощность трансформатора описывается следующей формулой:
Pгаб=(P1 + P2)/2=(U1I1 + U2I2)/2
1 — первичной обмотки
2 — вторичной обмотки
Однако, это конечный результат. Или академическое определение. Изначально габаритная мощность, как следует из названия, определяется габаритами сердечника и материалом, его магнитными и частотными свойствами.
КПД трансформатора
КПД трансформатора находится по следующей формуле: 
где
P 0 — потери холостого хода (кВт) при номинальном напряжении
P L — нагрузочные потери (кВт) при номинальном токе
P 2 — активная мощность (кВт), подаваемая на нагрузку
n — относительная степень нагружения (при номинальном токе n=1).
Эксплуатация
Срок службы
Срок службы трансформатора может быть разделен на две категории:
Экономический срок службы — экономический срок службы заканчивается, когда капитализированная стоимость непрерывной работы существующего трансформатора превысит капитализированную стоимость нового капиталовложения. На практике это обычно означает что стоимость общих потерь старого трансформатора становится слишком высокой. Увеличивается доля косвенных рисков и убытков, связанных со временем простоя электрооборудования.
Технический срок службы
Частота
При одинаковых напряжениях первичной обмотки трансформатор, разработанный для частоты 50 Гц, может использоваться при частоте сети 60 Гц, но не наоборот. При этом необходимо принять во внимание, что возможно потребуется заменить навесное электрооборудование. При частоте меньше номинальной материал магнитопровода входит в насыщение, что ведёт к увеличению токов через первичную обмотку и, как следствие, ее перегрев с вытекающими последствиями.
|
|
|
