Принцип работы трансформатора тока, напряжения, тесла: видео — Asutpp

Для того, чтобы в домашних условиях самостоятельно повысить эффективность работы многих устройств и напряжение в электрической сети, часто используются регулирующие устройства. Предлагаем, в связи с этим, рассмотреть принцип работы трансформатора тока понижающего, повышающего, импульсного, Тесла, а также автотрансформатора.

Принцип работы и классификация трансформаторов

Принцип работы измерительного трансформатора (как и разделительного), очень прост. Он подчиняется закону Фарадея электромагнитной индукции. На самом деле взаимная индукция между двумя или более обмотками отвечает за действия преобразования в электрическом трансформаторе.

В соответствии с этим, закон Фарадея гласит: «скорость изменения потокосцепления по времени прямо пропорциональна наведенной ЭДС в проводнике или катушки».

Основы теории трансформатора

Скажем, у нас трансформатор с одной обмоткой, которая соединена с переменным электрическим источником тока. Переменный ток через обмотку производит постоянно меняющийся поток, который окружает катушку. Если любая другая обмотка приближена к предыдущей, определенная часть потока соединяется с ней. Этот поток постоянно меняется в амплитуде и направлении, но в этих случаях должно происходить изменение потокосцепления во вторую обмотку или обмотки.

Согласно закону Фарадея электромагнитной индукции, должно быть ЭДС, которое индуцируется раз в секунду. Если цепь последней обмотки закрыта, то через неё должен проходить электрический ток. Это простейший принцип работы электрического силового или сварочного трансформатора и это основной принцип работы трансформатора.

Всякий раз, когда мы используем движение переменного тока к электрической катушки, поток энергии окружает эту обмотку. Поток тока будет неравномерным, и скорость его постоянно изменяется. Естественно ЭКГ будет производиться в нем, как в законе Фарадея, где говорится о явлении электромагнитной индукции. Это наиболее фундаментальное понятие теории трансформатора

Обмотка, которая принимает электрическую мощность от источника, как правило, известна как первичная обмотка трансформатора.

Обмотка, что дает требуемое выходное напряжение из-за взаимной индукции в трансформаторе, называется вторичной обмоткой трансформатора.

Основные конструкционные части трансформатора

Существует три основные части трансформатора:

1. Первичная обмотка трансформатора – производит магнитный поток, когда подключена к электрическому источнику.
2. Магнитный сердечник трансформатора — магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, создает замкнутую магнитную цепь.
3. Вторичная обмотка трансформатора – намотана на сердечник.

Как работает силовой или сварочный трансформатор

Электрический силовой трансформатор является статическим устройством, которое преобразует электрическую энергию от одной схемы к другой без непосредственного соединения, с помощью взаимной индукции между своих обмоток. Он преобразует энергию от одной схемы к другой, не меняя свою частоту, но может работать в разных уровнях напряжения, например если сварщик поменял флюс, или произошел сбой генератора при сварке.

Работа однофазного трансформатора напряжения

Принцип работы однофазного трансформатора не слишком отличается от трехфазного понижающего прибора. Когда электрический ток проходит в первичной обмотке, она создает МП, у которого достаточно мощные силовые линии. Они пронизывают первичную катушку полностью, и вторичную частично. Все эти линии замкнуты вокруг проводников катушек, но их часть замкнута непосредственно на проводниках.

Видео: наглядный урок, который рассказывает о принципе работы трансформатора

Согласно закону о магнитной связи, чем ближе объекты друг к другу, тем сильнее эта связь, но чем они дальше расположены — тем она слабее, и так пока не станет нулевой. Это объясняется тем, что при расположении коаксиального типа, чем обмотки расположены дальше, тем меньше сцепление силовых линий и их проникновение в трансформаторные катушки.

Нужно понимать, что в однофазном трансформаторе сила магнитного поля также зависит от тока. Скачки переменного электрического тока могут значительно снизить силу МП, или наоборот. Это еще называется законом электродвижущей силы. Т.е. в первой обмотке производится самоиндукция, а во вторичной – взаимоиндукция.

Как только концы этих обмоток соединятся – устройство, которому необходимо получить результаты работы трансформатора, станет снабжаться электрическим током, принцип работы будет запущен, в определенной последовательности катушки начнут работать.

Работа автотрансформатора

Чаще всего в домашних условиях используется трансформатор не с двумя обмотками, а с одной. Рассмотрим принцип работы электронного автотрансформатора (вольтодобавочного трансформатора), и его характеристики. Данные устройства относятся к трансформаторам специального использования, т.к. их обмотка низкого напряжения у обычных трансформаторов, является обмоткой высокого напряжения, те они связаны между собой не только магнитным полем, но и гальваническим.

Переключая обмотки при желании можно получить либо высокое, либо низкое напряжение. Подключая источник переменного тока к сердечнику, мы получим переменное магнитное поле. И между точками сердечника возникнет, и будет усиливаться ЭДС. Благодаря тому, что сердечник выполнен особенным образом, в нем протекает очень малое количество тока, которое создает достаточно сильное МП. Т.е. при экономии материалов мы получаем разное по необходимости, напряжение.

Автотрансформаторы целесообразнее использовать в областях, где нужно совсем незначительное изменение напряжения и РПН, но на продолжительный отрезок времени. Это лаборатории, небольшие предприятия или домашние хозяйства.

Бывают еще и узкоспециализированные лабораторные трансформаторы, у них несколько иная схема:

Обмотка выполнена из специального ферромагнитного материала, которая сводит вероятность резонансного движения к минимуму. Основные отличия от обычного прибора – это:

1. Кроме ферромагнетика они обмотаны медным проводом;
2. Низкие допустимые параметры — максимальная мощность до 7 кВА;
3. Здесь работает система строчного ролика – на поверхности трансформатора имеется дорожка, по которой передвигается контактирующий ролик или щетка.

Но у такого обмоточного трансформатора есть свои недостатки:

• нужно изолировать вторичные и первичные цепи, т.к. они имеют достаточно сильную электрическую связь;
• нельзя использовать дл защиты в мощных сетях, допустим предел от 6 до 10 кВ;
• ремонт и содержание требует значительных вложений.

Работа гидротрансформатора

Каждый водитель бульдозера либо другой машины, знаком с принципом работы трансформатора АКПП или гидротрасформатора, но какое его назначение. На самом деле, данный прибор является модернизированной муфтой, которая вращается не один раз, а два, газовое оборудование требует установки даже нескольких таких приборов.

Его необходимо установить между двигателем и трансмиссией, чтобы получить вращательное движение, которое после перейдет на колеса. Внешне механизм напоминает бублик, за что и получил такое «прозвище» от автослесарей, но у нег достаточно сложная конструкция:

По краю с обеих сторон встроены насосы, а в центре установлен мини реактор. Последний прибор должен передавать жидкость (масло, к примеру), на турбинное колесо, которое в свою очередь распределяет её равномерно по всей поверхности трансформатора.

Переднее колесо жестко соединено с главным валом машинного двигателя, захватывая жидкость, передает её далее по механизму. Но реактор при необходимости блокирует это движение и выводит колесо из работы.

Помимо блокировки вращающегося момента, конструкция масляного трехобмоточного трансформатора позволяет ему выполнять функции демпфинирования. Т.е., если авто достигло своего предела, скажем, 80 км/час, то для предотвращения несчастного случая вращающийся момент начинает передаваться уже через демпфинирующие пружины. Таким образом, производится защита от холостого хода и резкой остановки двигателя.

Таким образом и можно объяснить принцип работы трансформатора, как видите, все очень похоже, но есть некоторые нюансы у разных моделей в зависимости от области применения и конструкции.

Как работает трансформатор

Содержание:

Регулирование напряжения трансформатора — Википедия

Регули́рование напряже́ния трансформа́тора — изменение числа витков обмотки трансформатора. Применяется для поддержания нормального уровня напряжения у потребителей электроэнергии.

Большинство силовых трансформаторов^[1] оборудовано некоторыми приспособлениями для настройки коэффициента трансформации путём добавления или отключения числа витков.

Настройка может производиться с помощью переключателя числа витков трансформатора под нагрузкой либо путём выбора положения болтового соединения при обесточенном и заземлённом трансформаторе.

Степень сложности системы с переключателем числа витков определяется той частотой, с которой надо переключать витки, а также размерами и ответственностью трансформатора.

В зависимости от нагрузки электрической сети меняется её напряжение. Для нормальной работы электроприёмников потребителей необходимо, чтобы напряжение не отклонялось от заданного уровня больше допустимых пределов, в связи с чем применяются различные способы регулирования напряжения в сети. Одним из способов является изменение соотношения числа витков обмоток первичной и вторичной цепи трансформатора (коэффициента трансформации), так как
U2=U1w2w1{\displaystyle U_{2}=U_{1}{w_{2} \over w_{1}}}

В зависимости от того, происходит это во время работы трансформатора или после его отключения от сети, различают «переключение без возбуждения» (ПБВ) и «регулирование под нагрузкой» (РПН). И в том и в другом случае обмотки трансформатора выполняются с ответвлениями, переключаясь между которыми, можно изменить коэффициент трансформации трансформатора.

Данный тип переключения используется во время сезонных переключений, так как предполагает отключение трансформатора от сети, что невозможно делать регулярно, не лишая потребителей электроэнергии. ПБВ позволяет изменить коэффициент трансформации в пределах от −5 % до +5 %. На маломощных трансформаторах выполняется с помощью двух ответвлений, на трансформаторах средней и большой мощности с помощью четырёх ответвлений по 2,5 % на каждое^[2].

Ответвления чаще всего выполняются на той стороне, напряжение на которой в процессе эксплуатации подвергается изменениям. Обычно это сторона высшего напряжения. Выполнение ответвлений на стороне высшего напряжения имеет также то преимущество, что при этом, ввиду большего количества витков, отбор ±2,5 % и ±5 % количества витков может быть произведён с большей точностью. Кроме того, на стороне высшего напряжения величина силы тока меньше, и переключатель получается более компактным^[3]. При этом надо заметить, что у понижающих трансформаторов (питание подводится со стороны обмотки высшего напряжения) регулирование напряжения будет сопровождаться изменением магнитного потока в магнитопроводе. В нормальном режиме это изменение незначительно.

Регулирование напряжения переключением числа витков обмотки со стороны питания и со стороны нагрузки имеет разнохарактерный вид: при регулировании напряжения изменением числа витков на стороне нагрузки для повышения напряжения необходимо увеличить число витков (поскольку напряжение пропорционально числу витков), но при регулировании со стороны питания для повышения напряжения на нагрузке необходимо уменьшить число витков (это связано с тем, что напряжение сети уравновешивается ЭДС первичной обмотки, и для уменьшения последней необходимо уменьшить число витков).

При переключении ответвлений обмотки с отключением трансформатора, переключающее устройство получается проще и дешевле, однако переключение связано с перерывом энергоснабжения потребителей и не может проводиться часто. Поэтому этот способ применяется главным образом для коррекции вторичного напряжения сетевых понижающих трансформаторов в зависимости от уровня первичного напряжения на данном участке сети в связи с сезонным изменением нагрузки^[3].

Переключатели числа витков без возбуждения[править | править код]

Переключатель числа витков без возбуждения имеет достаточно простое устройство, предоставляющее соединение с выбранным переключателем числа витков в обмотке. Как следует из самого названия, он предназначен для работы только при отключенном трансформаторе. Именно этот тип переключателя имеет второе, жаргонное название — «анцапфа» (нем. Anzapfen — отводить, отбирать)^[4].

Для уменьшения и стабильности переходного сопротивления контактов на них поддерживается давление с помощью специального пружинного приспособления, которое при определённых ситуациях может вызывать вибрацию. Если переключатель числа витков без возбуждения находится в одном и том же положении в течение нескольких лет, то сопротивление контакта может медленно расти в связи с окислением материала в точке контакта (поскольку в качестве материала контакта чаще применяется медь или сплавы на её основе (латунь), окислы которых имеют достаточно высокое электрическое сопротивление и химическую стойкость) и постепенным разогревом контакта, который приводит к разложению масла и осаждению пиролитического углерода на контактах, что ещё более увеличивает контактное сопротивление и снижает степень охлаждения, приводя к местным перегревам. Данный процесс может происходить лавинообразно. В конечном итоге наступает неконтролируемая ситуация, приводящая к срабатыванию газовой защиты (из-за газов, появляющихся при разложения масла в точках местных перегревов) или даже к поверхностному пробою по осевшим на изоляции твёрдым продуктам разложения масла. Персонал предприятия,обслуживающий трансформаторы, оборудованные переключателем коэффициентом трансформации ПБВ (переключатель без возбуждения), должен не менее чем 2 раза в год перед наступлением зимнего максимума нагрузки и летнего минимума нагрузки произвести проверку правильности установки коэффициента трансформации^[5]. При этом необходимо, чтобы переключение числа витков проводилась в отключенном от сети состоянии, с переводом переключателя во все положения — данный цикл должен быть повторен несколько раз для удаления окисных плёнок с поверхности контактов и возвратом его обратно в заданное положение^[6]. Для контроля качества контактов производится измерение сопротивления обмоток постоянному току. «Трансформаторы силовые транспортирование, разгрузка, хранение, монтаж и ввод в эксплуатацию СПО и И Союзтехэнерго, Москва» 1981г. Вышеуказанные операции проводятся также если трансформатор был отключён в течение большого промежутка времени и вновь вводится в эксплуатацию.

Данный тип переключений применяется для оперативных переключений, связанных с постоянным изменением нагрузки (например, днём и ночью нагрузка на сеть будет разная). В зависимости от того, на какое напряжение и какой мощности трансформатор, РПН может менять значение коэффициента трансформации в пределах от ±10 до ±16 % (примерно по 1,5 % на ответвление). Регулирование осуществляется на стороне высокого напряжения, так как величина силы тока там меньше, и соответственно, устройство РПН выполнить проще и дешевле. Регулирование может производиться как автоматически, так и вручную из ОПУ или диспетчерского пульта управления. Уже в 1905—1920 годах были разработаны устройства для регулирования напряжения на трансформаторах под нагрузкой (РПН). Принцип регулирования напряжения таких устройств также основан на изменении числа витков. Сложность выполнения таких устройств заключается:

• в невозможности простого разрыва цепи при изменении числа витков, как это делается в ПБВ (это связано с возникновением электрической дуги большой мощности и больших перенапряжений из-за действия ЭДС индукции) что приведёт к выходу из строя трансформатора;
• использовании кратковременных (на время переключения ступени напряжения) замыканий части витков обмоток.

Для ограничения тока в короткозамкнутых обмотках необходимо использовать токоограничивающие сопротивления. В качестве токоограничивающего сопротивления используются индуктивности (реакторы) и резисторы.

РПН с токоограничивающими реакторами[править | править код]

Каждая ступень РПН с токоограничивающим реактором состоит из двух контакторов и одного реактора. При этом реактор состоит из двух обмоток, к каждой из них подключены контакторы. В нормальном режиме оба контактора замыкают один и тот же контакт и через эти оба параллельно включённых контактора и реактор проходит ток обмотки. Во время операции переключения один из контакторов переключается на другой контакт (соответствующий необходимой ступени регулирования). При этом часть обмотки трансформатора замыкается накоротко — ток в этой цепи ограничивается реактором. Далее на этот же контакт переводится другой контактор, переводя трансформатор на другую ступень регулирования — на этом операция регулирования заканчивается.

РПН с токоограничивающими резисторами[править | править код]

Довольно важное улучшение в работе переключателей числа витков под нагрузкой произошло в результате изобретения быстродействующего триггерного контактора, названного принципом Янсена (Janssen) по имени изобретателя. Принцип Янсена подразумевает, что контакты переключателя нагружены пружиной, и они перебрасываются из одного положения в другое после очень короткого периода соединения между двумя переключателями числа витков, через токоограничивающий резистор.

Применение реактора является альтернативой принципу Янсена с последовательностью быстрых переключений и резисторами. В переключателе числа витков реакторного типа, напротив, намного труднее прервать циркулирующий реактивный ток, и это довольно сильно ограничивает скачок напряжения, однако этот принцип хорошо работает при относительно высоких токах. В этом отличие от быстродействующего резисторного переключателя числа витков, который применим для более высоких напряжений, но не для высоких токов. Это приводит к тому, что реакторный переключатель числа витков обычно находится в низковольтной части трансформатора, тогда как резисторный переключатель витков подсоединен к высоковольтной части.

В переключателе витков реакторного типа потери в средней точке реактора благодаря току нагрузки и наложенного конвекционного тока между двумя вовлеченными переключателями числа витков невелики, и реактор может постоянно находиться в электрической цепи между ними. Это служит промежуточной ступенью между двумя переключателями числа витков, и это даёт в два раза больше рабочих положений, чем число переключателей числа витков в обмотке.

С 1970-х годов стали применяться переключатели числа витков с вакуумными выключателями. Вакуумные выключатели характеризуются низкой эрозией контактов, что позволяет переключателям числа витков выполнять большее количество операций между обязательными профилактическими работами. Однако конструкция в целом становится более сложной.

Также на рынке появлялись экспериментальные переключатели числа витков, в которых функция переключения исполняется силовыми полупроводниковыми элементами. Эти модели также направлены на то, чтобы сократить простои на проведение технического обслуживания.

В переключателях витков резисторного типа контактор находится внутри контейнера с маслом, которое отделено от масла трансформатора. Со временем масло в этом контейнере становится очень грязным и должно быть изолировано от масляной системы самого трансформатора; оно должно иметь отдельный расширительный бак со своим отдельным вентиляционным клапаном.

Устройство переключения числа витков представляет собой клетку или изолирующий цилиндр с рядом контактов, с которыми соединяются переключатели числа витков от регулирующей обмотки. Внутри клетки два контактных рычага передвигаются пошагово поперёк регулирующей обмотки. Оба рычага электрически соединены с вводными клеммами контактора. Один рычаг находится в положении активного переключателя числа витков и проводит ток нагрузки, а другой рычаг находится без нагрузки и свободно передвигается к следующему переключателю числа витков. Контакты устройства переключения никогда не разрывают электрический ток и могут находиться в масле самого трансформатора.

Автоматическое регулирование напряжения[править | править код]

Переключатель числа витков устанавливается для того, чтобы обеспечивать изменение напряжения в линиях, соединённых с трансформатором. Совсем необязательно, что целью всегда будет поддержание постоянного вторичного напряжения на трансформаторе. Чаще всего падения напряжения происходят во внешней сети — особенно это проявляется для дальних и мощных нагрузок. Для поддержания номинального напряжения на дальних потребителях может потребоваться увеличение напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Система управления РПН относится к релейной защите и автоматике станции — переключатель числа витков всего лишь получает команды: повысить или понизить. Однако обычно функции согласования коэффициентов трансформации между различными трансформаторами внутри одной и той же станции относятся к системе РПН. При соединении трансформаторов в параллель их переключатели числа витков должны двигаться синхронно. Для этого один из трансформаторов выбирается ведущим, а другие — как ведомыми, их системы управления РПН следят за изменением коэффициента трансформатора ведущего трансформатора. Обычно синхронным переключением числа витков добиваются исключения токов циркуляции между обмотками параллельных трансформаторов (из-за разницы вторичных напряжений параллельных трансформаторов) хотя на практике в момент действия РПН циркуляционные токи всё же возникают из-за рассогласования при переключении, однако это допускается в определённых пределах.

Последовательные регулировочные трансформаторы (Вольтодобавочные трансформаторы)[править | править код]

Для регулирования коэффициента трансформации мощных трансформаторов и автотрансформаторов иногда применяют регулировочные трансформаторы (вольтодобавочные), которые подключаются последовательно с трансформатором и позволяют менять как напряжение, так и фазу напряжения. В силу сложности и более высокой стоимости регулировочных трансформаторов, такой способ регулирования применяется гораздо реже.

1. ↑ IEC 60076-1 «Силовые трансформаторы»
2. ↑ Рожкова Л. Д., Козулин В. С. Электрооборудование станций и подстанций: Учебник для техникумов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 648 с.: ил. ББК 31.277.1 Р63
3. ↑ ^{1 2} А. И. Вольдек. Электрические машины. — Л., «Энергия», 1974.
4. ↑ Л.А. и Р.А. Эрамус. Технический немецко-русский словарь. ОЗГИС 1931г.
5. ↑ Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей. Атомиздат, Москва 1970г.
6. ↑ ABB Transformer Handbook

• Рожкова Л. Д., Козулин В. С. Электрооборудование станций и подстанций: Учебник для техникумов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 648 с.: ил. ББК 31.277.1 Р63

Трансформатор напряжения: устройство и принцип работы

Трансформаторы играют значительную роль в электротехнике, выполняя функции преобразования, изоляции, измерения и защиты. Одной из самых распространенных задач устройств этого типа является регуляция отдельных параметров тока. В частности, трансформаторы напряжения (ТН) преобразуют показатели первичной электросети до оптимальных значений, с точки зрения потребителей.

Общая конструкция оборудования

Техническую основу трансформатора образует электромагнитная начинка, обеспечивающая функциональные процессы устройства. По размерам оборудование может различаться в зависимости от требований к силовой нагрузке в цепи. В типовом исполнении трансформатор имеет устройства ввода и вывода тока, а основные рабочие элементы выполняют задачи преобразования напряжения. За обеспечение надежности и безопасности технологических процессов отвечает набор изоляторов, предохранителей и устройство релейной защиты. В конструкции современного трансформатора пониженного напряжения предусматриваются и датчики регистрации отдельных рабочих параметров, показатели которых направляются на пульт управления и становятся основой для команд регулирующим органам. Функционирование электротехнических компонентов само по себе требует энергоснабжения, поэтому в некоторых модификациях преобразователи дополняются автономными источниками питания – генераторами, аккумуляторами или батареями.

Сердечники трансформатора

Ключевые рабочие элементы ТН представляют собой так называемые сердечники (магнитопроводы) и обмотки. Первые бывают двух видов – стержневые и броневые. Для большинства низкочастотных трансформаторов до 50 Гц применяются стержневые сердечники. В изготовлении магнитопровода используют специальные металлы, от характеристик которых зависят рабочие свойства конструкции, например, производительность и величина тока холостого хода. Сердечник трансформатора напряжения образуется тонкими листами сплава, изолированными между собой слоями лака и окиси. От качества данной изоляции будет зависеть степень влияния вихревых токов магнитопровода. Существует и особая разновидность наборных сердечников, которые формируют конструкции произвольного сечения, но близкого к квадратной форме. Такая конфигурация позволяет создавать универсальные магнитопроводы, но у них есть и слабые места. Так, возникает потребность в плотном стягивании металлических пластик, поскольку мельчайшие зазоры понижают коэффициент наполняемости рабочей площади катушки.

Обмотки трансформаторов напряжения

Обычно используют две обмотки – первичную и вторичную. Они изолируются и друг от друга, и от сердечника. Первый уровень обмотки отличается большим количеством витков, выполненных тонким проводом. Это позволяет ей обслуживать сети высокого напряжения (до 6000-10 000 В), требуемого для основных нужд преобразования. Вторичная обмотка предназначена для параллельного снабжения измерительных приборов, релейных устройств и другой вспомогательной электротехники. При подключении обмотки трансформаторов напряжения важно учитывать маркировку на выходных зажимах. Например, реле направления мощности, мультиметры, амперметры, ваттметры и различные счетчики соединяются с катушками посредством начала первичной обмотки (обозначение А), концевой линии (Х), начала вторичной обмотки (а) и ее конца (х). Также может использоваться дополнительная обмотка со специальными приставками в обозначении.

Монтажная арматура и средства заземления

Перечень доборных элементов и функциональных устройств может быть разным в зависимости от типа и характеристик трансформатора. К примеру, масляные конструкции с показателем первичного напряжения до 10 кВ и более обеспечиваются арматурой для заливки, слива и отбора проб технической смазки. Для масла также предусматривается бак с форсунками и регуляторами, управляющими плавной подачей жидкости в целевые зоны. Типовые наборы арматуры чаще всего включают кронштейны с болтами, патрубки, релейные компоненты, прокладки из электрокартона, фланцевые элементы и т. д. Что касается заземления, то трансформаторы с напряжением на первичной обмотке до 660 В обеспечиваются зажимами с резьбовым креплением болтов, шпилек и винтов типоразмером М6. Если показатель напряжения выше 660 В, то заземляющая арматура должна будет иметь соединения метизов формата не меньше М8.

Принцип действия ТН

Основные функции и процессы электромагнитной индукции выполняет комплекс, включающий металлический сердечник с набором трансформаторных пластин, первичную и вторичную обмотки. Качество работы устройства будет зависеть от точности базового расчета амплитуды и угла прохождения тока. За преобразование в электромагнитном поле отвечает взаимная индукция между несколькими обмотками. Переменный ток в трансформаторе напряжения на 220 В постоянно меняется, проходя по одиночной обмотке. В соответствии с законом Фарадея, электродвижущая сила индуцируется раз в секунду. В системе с закрытой обмоткой по цепи будет проходить ток по умолчанию и замыкаться на металлическом сердечнике. Чем меньше нагрузка на вторичную обмотку трансформатора, тем ближе фактический коэффициент преобразования к номинальной величине. Работа с подключением вторичной обмотки к измерительным устройствам особенно будет зависеть от степени преобразования, так как мельчайшие колебания нагрузки будут влиять на точность замеров, введенных в цепь приборов.

Разновидности трансформаторов

На сегодняшний день наиболее распространены следующие разновидности ТН:

• Каскадный трансформатор – устройство, в котором первичная обмотка разделяется на несколько последовательных секций, а за передачу мощности между ними отвечают выравнивающие и связующие обмотки.
• Заземляемый ТН – однофазные конструкции, у которых один конец первичной обмотки наглухо заземляется. Также это могут быть трехфазные трансформаторы напряжения с заземленной нейтралью от первичной обмотки.
• Незаземляемый ТН – устройство с полной изоляцией обмоток с примыкающей арматурой.
• Двухобмоточные ТН – трансформаторы с наличием одной вторичной обмотки.
• Трехобмоточные ТН – трансформаторы, у которых помимо первичной обмотки также присутствуют основная и дополнительная вторичные обмотки.
• Емкостный ТН – конструкции, отличающиеся наличием емкостных разделителей.

Особенности электронных ТН

По основным метрологическим показателям данный вид трансформаторов немногим отличается от электротехнических устройств. Обусловлено это тем, что в обоих случаях применяется традиционный канал преобразования. Главные же особенности электронных трансформаторов заключаются в отсутствии высоковольтной изоляции, что в итоге и способствует получению более высокого технико-экономического эффекта от эксплуатации оборудования. В высоковольтных сетях с первичным напряжением трансформатора напряжения до 660 В преобразователь связывается с центральной сетью гальваническим способом. Сведения об измеряемом токе передаются под высоким потенциалом, как это происходит и в аналогово-цифровом преобразователе с оптическим выходом. Однако размеры и масса электронных моделей настолько малы, что дают возможность устанавливать трансформаторные блоки в инфраструктуре высоковольтных проводных шин даже без подключения дополнительных изоляторов и крепежной арматуры.

Характеристики трансформаторов

Основной технико-эксплуатационной величиной является потенциал напряжения. На первичной обмотке он может достигать и 100 кВ, но это по большей части касается крупногабаритных промышленных станций, содержащих несколько преобразующих модулей. Как правило, на первичной обмотке поддерживается не более 10 кВ. Трансформатор напряжения для однофазных сетей с заземленной нейтралью и вовсе работает при 100 В. Что касается вторичной обмотки, то ее номинальные показатели напряжения составляют 24-45 В в среднем. Опять же, на этих контурах обслуживаются энергетически малоемкие приборы учета, для которых не требуется высокой нагрузки питания. Впрочем, и вторичные обмотки иногда имеют высокие потенциалы более 100 В в трехфазных сетях. Также в оценке характеристик трансформатора важно учитывать класс точности – это величины от 0,1 до 3, которые определяют степень отклонений в преобразовании целевых электротехнических показателей.

Феррорезонансный эффект

Электромагнитные устройства нередко подвергаются разного рода негативным влияниям и повреждениям, связанным с нарушениями в изоляции. Одним из самых распространенных процессов разрушения обмотки является феррорезонансное возмущение. Оно приводит к механическому повреждению и перегреву обмоток. Основной причиной этого явления называют нелинейность индуктивности, которая возникает в ситуациях нестабильной реакции магнитопровода на окружающее магнитное поле. Защитить трансформатор напряжения от феррорезонансных эффектов позволяют внешние меры, среди которых включение дополнительных емкостей и резисторов к коммутируемому устройству. В электронных системах минимизировать вероятность индукционной нелинейности позволяет и программирование последовательностей отключения аппаратуры.

Применение оборудования

Эксплуатация трансформаторных устройств, преобразующих напряжение, регулируется правилами использования электротехники. Учитывая оптимальные рабочие величины, специалисты вводят подстанции в снабжающую инфраструктуру целевого объекта. Основные функции систем позволяют обслуживать здания и предприятия с мощными энергетическими установками, а вторичное напряжение трансформатора до 100 В контролирует нагрузку для менее требовательных потребителей наподобие счетчиков и метрологических устройств. В зависимости от технико-конструкционных параметров, ТН могут использоваться в промышленности, в строительной сфере и в бытовом хозяйстве. В каждом случае трансформаторы обеспечивают контроль электротехнического питания, регулируя входные показатели мощности в соответствии с номинальными запросами конкретного объекта.

Заключение

Электромагнитные трансформаторы обеспечивают довольно старый, но востребованный по сей день принцип регуляции мощности в электроцепях. Устаревание данного оборудования связано и с конструкционным исполнением оборудования, и с функциональностью. Тем не менее это не мешает использовать трансформаторы тока и напряжения для ответственных задач управления электроснабжением на крупных предприятиях. К тому же нельзя сказать, что преобразователи этого типа вовсе не подвергаются улучшениям. Хотя основные принципы работы и даже техническая реализация в целом остаются прежними, инженеры в последнее время активно работают над системами защиты и управления. В итоге это сказывается на повышении безопасности, надежности и точности работы трансформаторов.

Виды и принцип работы трансформаторов

Трансформатор нужен для преобразования электрической энергии одного напряжения к электрической энергии другого напряжения. Используется для повышения или понижения напряжения. Нет разницы в понижении или повышении, так как трансформатор является обратимой электрической машиной (возможно преобразование электроэнергии как в большую, так и меньшую сторону). Однако производители выпускают трансформаторы для определенных целей – или повышающим или понижающим трансом.

На электрической станции турбогенератором вырабатывается электроэнергия с генераторным напряжением, например 15кВ, далее она трансформируется повышающими трансформаторами (описываемые элементы обозначены на схеме) до напряжения линии электропередач (например, 35кВ, 110кВ, 220кВ, 330кВ, 750кВ). Далее по ЛЭП электроэнергия передается к потребителям и снижается через понижающие трансформаторы до величины 10, 6, 0,4кВ.

Зачем передачу электроэнергии делают на высокие напряжения? Это необходимо для снижения потерь электроэнергии, что достигается увеличением напряжения. Какие бывают трансформаторы

По назначению:

• самыми распространенными являются силовые трансформаторы, предназначенные для передачи и распространения электроэнергии
• существуют силовые трансформаторы специального назначения – сварочные, печные
• трансформаторы тока и напряжения (измерительные и релейные) тоже относятся к трансформаторам
• испытательные трансформаторы – для подачи высокого напряжения для проверки прочности изоляции
• а также радиотрансформаторы, импульсные трансформаторы, пик-трансформаторы

Трансформаторы подразделяются на разные виды в зависимости от числа обмоток на двухобмоточные и многообмоточные (одна первичная и одна или несколько вторичных обмоток).

В зависимости от числа фаз – однофазные, трехфазные, многофазные.

По способу охлаждения – масляные, сухие.

Принцип действия трансформатора

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Возьмем для примера двухобмоточный однофазный трансформатор. К первичной обмотке подключается источник переменного тока. Этот ток протекает по обмотке и создает переменный магнитный поток Ф, который пронизывает обмотки трансформатора и изменяясь наводит в них ЭДС. Так как обмотки имеют различное число витков, то и величина ЭДС будет в них различная.

В повышающих трансах вторичное напряжение будет больше первичного, а в понижающих – наоборот. К вторичной обмотке подключается нагрузка и возникает вторичный ток, созданный индуцируемой магнитным потоком ЭДС. Таким образом, в трансформаторе происходит передача электроэнергии из первичной обмотки с напряжением U1 и током I1 во вторичную обмотку с током I2 и напряжением U2 посредством магнитного потока.

Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями

Последние статьи

Самое популярное

Автотрансформатор — Википедия

А́втотрансформа́тор — вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую и имеют за счёт этого не только магнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум «3»), подключаясь к которым, можно получать разные электрические напряжения^[1].

Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию — это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно. 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.

Распространены аббревиатуры:

ЛАТР — Лабораторный АвтоТрансформатор Регулируемый.

РНО — Регулятор Напряжения Однофазный.

РНТ — Регулятор Напряжения Трёхфазный.

Предположим, что источник электрической энергии (сеть переменного тока) подключен к виткам ω1{\displaystyle \omega _{1}} обмотки автотрансформатора, а потребитель — к некоторой части этой обмотки ω2{\displaystyle \omega _{2}}.

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

Следовательно, если во всей обмотке автотрансформатора, имеющей число витков ω1{\displaystyle \omega _{1}}, индуцируется электродвижущая сила E1{\displaystyle E_{1}}, то в части этой обмотки, имеющей число витков ω2{\displaystyle \omega _{2}}, индуцируется электродвижущая сила E2{\displaystyle E_{2}}. Соотношение величин этих ЭДС выглядит так: E1E2=ω1ω2=k{\displaystyle {{E_{1}} \over {E_{2}}}={{\omega _{1}} \over {\omega _{2}}}=k}, где k{\displaystyle k} — коэффициент трансформации.

Так как падение напряжения в активном сопротивлении обмотки автотрансформатора относительно мало, то им практически можно пренебречь и считать справедливыми равенства U1=E1{\displaystyle U_{1}=E_{1}} и U2=E2{\displaystyle U_{2}=E_{2}},

где U1{\displaystyle U_{1}} — напряжение источника электрической энергии, поданное на всю обмотку автотрансформатора, имеющую число витков ω1{\displaystyle \omega _{1}};

U2{\displaystyle U_{2}} — напряжение, подаваемое к потребителю электрической энергии, снимаемое с той части обмотки автотрансформатора, которая обладает количеством витков ω2{\displaystyle \omega _{2}}.

Следовательно, U1U2=ω1ω2=k{\displaystyle {{U_{1}} \over {U_{2}}}={{\omega _{1}} \over {\omega _{2}}}=k}.

Напряжение U1{\displaystyle U_{1}}, приложенное со стороны источника электрической энергии ко всем виткам ω1{\displaystyle \omega _{1}} обмотки автотрансформатора, во столько раз больше напряжения U2{\displaystyle U_{2}}, снимаемого с части обмотки, обладающей числом витков ω2{\displaystyle \omega _{2}}, во сколько раз число витков ω1{\displaystyle \omega _{1}} больше числа витков ω2{\displaystyle \omega _{2}}.

Если к автотрансформатору подключен потребитель электрической энергии, то под влиянием напряжения U2{\displaystyle U_{2}} в нём возникает электрический ток, действующее значение которого обозначим как I2{\displaystyle I_{2}}.

Соответственно в первичной цепи автотрансформатора будет ток, действующее значение которого обозначим как I1{\displaystyle I_{1}}.

Однако ток в верхней части обмотки автотрансформатора, имеющей число витков (ω1−ω2){\displaystyle ({\omega _{1}}-{\omega _{2}})} будет отличаться от тока в нижней её части, имеющей количество витков ω2{\displaystyle \omega _{2}}. Это объясняется тем, что в верхней части обмотки протекает только ток I1{\displaystyle I_{1}}, а в нижней части — некоторый результирующий ток, представляющий собой разность токов I1{\displaystyle I_{1}} и I2{\displaystyle I_{2}}. Дело в том, что согласно правилу Ленца индуцированное электрическое поле в обмотке автотрансформатора ω2{\displaystyle \omega _{2}} направлено навстречу электрическому полю, созданному в ней источником электрической энергии. Поэтому токи I1{\displaystyle I_{1}} и I2{\displaystyle I_{2}} в нижней части обмотки автотрансформатора направлены навстречу друг другу, то есть находятся в противофазе.

Сами токи I1{\displaystyle I_{1}} и I2{\displaystyle I_{2}}, как и в обычном трансформаторе, связаны соотношением I1I2=ω2ω1=1k{\displaystyle {{I_{1}} \over {I_{2}}}={{\omega _{2}} \over {\omega _{1}}}={1 \over k}}

или I2=ω1ω2×I1{\displaystyle I_{2}={{\omega _{1}} \over {\omega _{2}}}\times I_{1}}.

Так как в понижающем трансформаторе ω1>ω2{\displaystyle {\omega _{1}}>{\omega _{2}}}, то I2>I1{\displaystyle {I_{2}}>{I_{1}}} и результирующий ток в нижней обмотке автотрансформатора равен I2−I1{\displaystyle {I_{2}}-{I_{1}}}.

Следовательно, в той части обмотки автотрансформатора, с которой подаётся напряжение на потребитель, ток значительно меньше тока в потребителе, то есть I2−I1≪I2{\displaystyle {I_{2}}-{I_{1}}\ll {I_{2}}}.

Это позволяет значительно снизить расход энергии в обмотке автотрансформатора на нагрев её проволоки (См. Закон Джоуля — Ленца) и применить провод меньшего сечения, то есть снизить расход цветного металла, уменьшить вес и габариты автотрансформатора.

Если автотрансформатор повышающий, то напряжение со стороны источника электрической энергии подводится к части витков обмотки трансформатора ω1{\displaystyle \omega _{1}}, а на потребитель подводится напряжение со всех его витков ω2{\displaystyle \omega _{2}}.

Автотрансформатор с регулированием напряжения. Защитный кожух снят. Сзади видна снятая верхняя панель со шкалой, деления показывают, какое напряжение будет подаваться потребителю.

Автотрансформаторы применяются в телефонных аппаратах, радиотехнических устройствах, для питания выпрямителей и т. д. Достаточно широкое применение автотрансформаторы получили в СССР: для ручной стабилизации питающего напряжения ламповый телевизор подключался к сети через ЛАТР и перед включением самого телевизора производилась ручная регулировка напряжения до номинального значения. Причиной этому было то, что в электросетях зачастую регулярно наблюдалось повышенное или пониженное напряжение, что могло повредить дорогостоящий телевизионный приёмник и даже привести к возгоранию.

В дальнейшем для этой задачи более эффективно применялись автоматические феррорезонансные стабилизаторы. В последующих моделях телевизоров (УПИМЦТ и тп), вместо пожароопасного силового трансформатора стал применяться импульсный блок питания, что сделало использование внешних стабилизаторов напряжения излишним.

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

В СССР (и на постсоветском пространстве) часть железных дорог электрифицирована на переменном токе 25 киловольт, частотой 50 Герц. С тяговой подстанции в контактный провод подаётся высокое напряжение^[2], 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 ω1{\displaystyle \omega _{1}} подключён к питающему проводу, а вывод обмотки ω2{\displaystyle \omega _{2}} — к контактному проводу. Общим (обратным) проводом является рельс. На контактный провод подаётся половинное напряжение от 50 кВ, то есть 25 кВ^[3].

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

1. ↑ Большая советская энциклопедия: [в 51 т.] / гл. ред. С. И. Вавилов. — 2-е. — М.: Советская энциклопедия, 1949—1958. — Т. 1. — С. 284.
2. ↑ Как правило, подаётся несколько выше 25 киловольт, обычно 27—27,5; с учётом потерь.
3. ↑ Как правило, подаётся несколько выше 50 киловольт, обычно 55; с учётом потерь, чтобы на контактном проводе было 27,5 кВ.

16. Принцип действия и назначение трансформатора напряжения.

Трансформаторы напряжения  двух- или трехобмоточные предназначены как для измерения напряжения, мощности, энергии, так и для питания цепей автоматики, сигнализации и релейной защиты линий электропередач от замыкания на землю. Трансформаторы напряжения имеют два назначения: изолировать вторичную обмотку НН и, тем самым, обезопасить обслуживающий персонал; понизить измеряемое напряжение до стандартного значения 100; 100ν3; 100/3 В. Трансформаторы напряжения различают: по числу фаз — однофазные и трехфазные; по числу обмоток — двухобмоточные и трехобмоточные; по классу точности — 0,2; 0,5; 1,0; 3; по способу охлаждения — с масляным охлаждением, с воздушным охлаждением; по способу установки — для внутренней установки, для наружной установки и для КРУ. На рис. 1 представлена схема включения трансформаторов напряжения с обозначениями первичной и вторичной обмоток. Однофазный двухобмоточный трансформатор напряжения применяется в установках как однофазного, так и трехфазного тока. В последнем случае он включается на линейное напряжение. Один из выводов вторичной обмотки для обеспечения безопасности при обслуживании заземляется. Основными параметрами трансформаторов напряжения являются: номинальные напряжения обмоток, т.е. напряжения первичной и вторичной обмоток, указанные на щитке; номинальный коэффициент трансформации, т. е. отношение номинального первичного напряжения к номинальному вторичному погрешность по напряжению % угловая погрешность, т. е. угол между вектором первичного напряжения и повернутым на 180° вектором вторичного напряжения, выраженный в угловых градусах (минутах). Рис. 1. Однофазный двухобмоточный трансформатор напряжения: а — присоединение трансформатора напряжения к трехфазной сети без нулевого провода; б — расположение выводов (Л-X — выводы ВН; а-х — выводы НН) На рис. 2 приведен пример изменения погрешности трансформатора напряжения при изменении мощности Бг вторичной нагрузки. Коррекцией напряжения называется преднамеренное изменение коэффициента трансформации в сторону повышения вторичного напряжения, выраженное в процентах. Это достигается уменьшением числа витков первичной обмотки.Рис. 2. Погрешность по напряжению и угловая погрешность однофазного трансформатора напряжения (сплошные линии с коррекцией числа витков, штриховые линии — без коррекции) Особо следует сказать о трансформаторах напряжения высокого и сверхвысокого напряжения. Как было отмечено, трансформаторы напряжения передают очень малую мощность, поэтому практически в таких трансформаторах напряжения определяющим является вопрос обеспечения изоляции между первичной и вторичной цепями. Поэтому при напряжениях выше 500 кВ используются так называемые емкостные трансформаторы напряжения, состоящие из емкостного делителя напряжения (двух последовательно соединенных конденсаторов С1 и С2) и понижающего трансформатора, показанных на рис. 3. Всовременных РУ устанавливаются колонны конденсаторов высокочастотной связи для цепей автоматики и сигнализации. Поэтому, если использовать эту колонку связи CJ и добавить некоторый конденсатор отбора мощности С2, получим емкостной делитель. К конденсатору подключается трансформатор напряжения обычно на 12-15 кВ первичного напряжения. Для устойчивой работы в первичную цепь включается дополнительный реактор LR и высокочастотный заградитель 3. Таким образом, это устройство имеет существенно меньшую стоимость, чем трансформатор напряжения на полное первичное напряжение.Рис. 3. Практическая схема емкостного трансформатора напряжения