Для присоединения обмоток трансформатора к токопроводящим шинам используют
Чем автотрансформатор отличается от трансформатора и для чего он нужен
Для повышения или понижения напряжения и гальванической развязки цепей используются трансформаторы. Обычный трансформатор состоит из двух и более обмоток не соединённых друг с другом, расположенных на одном сердечнике.
Но изменить величину напряжения можно и с помощью другого устройства — автотрансформатора, принцип действия и сферы применения которого мы и рассмотрим сегодня.
Отличия от трансформатора
Прежде чем перейти к разговору об автотрансформаторе, давайте вспомним как устроен обычный трансформатор. Он состоит из сердечника, на котором расположены две или больше обмоток. Обмотка, которая подключается к источнику питания называется первичной (w1), а обмотка, к которой подключается нагрузка — вторичной (w2).
Рисунок 1 — электромагнитная схема трансформатора Рисунок 1 — электромагнитная схема трансформатораПри подключении первичной обмотки к источнику переменного тока, создаётся магнитный поток Ф и замыкается в сердечнике. Так как вторичная обмотка намотана на том же сердечнике, то магнитный поток, пересекая её витки, наводит в них ЭДС. При подключении ко вторичной обмотке нагрузки Zн индуцированная ЭДС порождает электрический ток. Ток вторичной обмотки влияет на ток первичной обмотки так, что при увеличении тока нагрузки (тока во вторичной обмотке) увеличивается ток в первичной.
Так как индуктированная ЭДС в каждом витке одинаковая, то напряжение первичной и вторичной обмоток зависят только от соотношения количества витков между ними, а это соотношение называется коэффициентом трансформации: k=w1/w2.
Первичная и вторичная обмотки трансформатора не имеют электрической связи и мощность из одной обмотки в другую передаётся электромагнитным путём, а магнитопровод (сердечник) на котором они расположены усиливает индуктивную связь между обмотками.
Рисунок 2 — схема трансформатора Рисунок 2 — схема трансформатораВернёмся к теме, согласно п. 2.25 ГОСТ 16110-82 автотрансформатор — это трансформатор, две или более обмоток которого гальванически связаны так, что они имеют общую часть.
Фраза «гальванически связаны» — значит, что между первичной и вторичной обмоткой есть электрический контакт. Для наглядности ещё раз изобразим обычный трансформатор и пронумеруем выводы его обмоток: начало и конец первичной — цифрами 1 и 2, а вторичной — цифрами 3 и 4.
Рисунок 3 — схема трансформатора Рисунок 3 — схема трансформатораЕсли соединить вывод 2 с выводом 3 (рисунок 4 — а), то мы получим автотрансформатор. Но такого обозначения на схеме вы не встретите нигде, обычно их изображают как на рисунке 4 — б.
Рисунок 4 — автотрансформатор: а) соединение обмоток для сравнения с трансформатором; б) обозначение на схеме Рисунок 4 — автотрансформатор: а) соединение обмоток для сравнения с трансформатором; б) обозначение на схемеНа рисунке 5 видим, что обмотка 1-4 первичная, так как к ней подключён источник питания. А вот с обмоткой 3-4 дело обстоит интереснее: так как к ней подключена нагрузка то логично её называть вторичной, но при этом она является частью первичной обмотки.
Примечание. У автотрансформаторов часть от точки подключения к сети до точки подключения нагрузки называют «последовательной», потому что она фактически соединяется последовательно с нагрузкой, а часть обмотки к которой подключается нагрузка называют «общей». Но далее в статье предлагаю называть их «первичной» и «вторичной» обмотки для поддержания аналогии с обычными трансформаторами, по той логике, что нагрузка подключается ко вторичной обмотке, а питание к первичной.
В зависимости от конкретного случая источник переменного тока и нагрузку подключают к разным выводам, например, если подключить источник питания к выводам 1 и 4, а нагрузку к выводам 3 и 4 — мы получим понижающий автотрансформатор. Если подключить питание к выводам 3 и 4, а нагрузку к 1 и 4 — получим повышающий автотрансформатор.
Принцип действия
Рассмотрим принцип работы автотрансформатора, и предположим, что у нас понижающий автотрансформатор к которому питание и нагрузка подключены как изображено на рисунке 4 — в.
Электрический ток, протекая по обмотке 1-4 автотрансформатора, создаёт в сердечнике переменный магнитный поток, который индуктирует в обмотке ЭДС E. При этом ЭДС каждого витка одинакова, и ЭДС во вторичной обмотке E2 будет пропорциональна количеству её витков (w2), относительно полного количества витков автотрансформатора (w1+w2), то есть между точками 1 и 4.
Соотношения этих ЭДС можно записать так:
где E – ЭДС индуктированная во всей обмотке, E2 – ЭДС вторичной обмотки, W – общее количество витков первичной и вторичной обмотки (W=w1+w2).
Кстати отношение W/w2 называют коэффициентом трансформации и обозначают латинской буквой k, то есть k=W/w2.
То есть если у нашего автотрансформатора всего 100 витков, при этом нагрузка подключается к последним 30 виткам, то если мы подадим на концы катушки переменное напряжение U1=10 вольт, то на нагрузке будет U2=3 вольта.
Рисунок 5 — электромагнитная схема, напряжения и токи в обмотках автотрансформатора Рисунок 5 — электромагнитная схема, напряжения и токи в обмотках автотрансформатораОсобенности: ток первичной и вторичной обмоток, мощности
В трансформаторе мощность от источника питания и первичной обмотки передаётся во вторичную обмотку и нагрузку через магнитное поле, пронизывающее сердечник. Электрической связи между обмотками нет. У автотрансформатора обмотки связаны друг с другом, даже более того, «вторичная» обмотка – это часть первичной обмотки. Поэтому мощность от источника питания в нагрузку передаётся и через электрическую, и через магнитную связь.
Из этого вытекает несколько особенностей, и для начала рассмотрим токи в обмотках автотрансформатора. Ток первичной , вернее последовательной части обмотки обозначим как I1, ток нагрузки — I2, а ток, протекающий во вторичной обмотке — I12.
Если составить по первому правилу Кирхгофа уравнение токов, для точки соединения обмоток 2-3, то ток нагрузки I2 состоит из суммы токов I1 и I12:
Выразим ток вторичной обмотки I12:
То есть ток вторичной обмотки равен разницы тока нагрузки и тока первичной обмотки.
И что это нам даёт?
Допустим, к сети напряжением 220В нужно подключить нагрузку с номинальным напряжением 110В, мощность которой составляет 1 кВт.
Для этой задачи можно использовать трансформатор с коэффициентом трансформации 2, давайте рассчитаем номинальный ток нагрузки (вторичной обмотки):
Ток первичной обмотки, потребляемый трансформатором из сети 220В составит:
Таким образом ток вторичной обмотки составит 9,1А, а ток первичной – 4,34 А.
При использовании для этой задачи авто трансформатора с коэффициентом трансформации 2, из сети будет потребляться ток:
Ток нагрузки будет таким же, как и в предыдущем случае:
А вот ток вторичной обмотки:
То есть в этом конкретном случае и первичную и вторичную обмотки можно намотать одинаковым проводом, а при использовании трансформатора для вторичной обмотки понадобился бы провод, условно, в два раза большего сечения.
Для большей наглядности давайте посчитаем то же самое, только представим, что у нас есть нагрузка рассчитанная на другое напряжение, например, на U2=175 вольт (величина взята для примера). В этом случае коэффициент трансформации автотрансформатора будет меньше — 1,31. Потребляемый из сети ток останется таким же:
Рассчитаем ток нагрузки:
Тогда ток вторичной обмотки составит:
При использовании трансформатора для этой же задачи ток вторичной обмотки составил бы:
I2=I1×k= 5.6 А
Мы видим разницу между токами вторичной обмотки в 5 раз. Это позволяет намотать вторичную обмотку проводом меньшего сечения , чем пришлось бы использовать во вторичной обмотке обычного трансформатора. При этом чем меньше коэффициент трансформации, тем меньше ток во вторичной обмотке автотрансформатора. При коэффициентах трансформации больше 2 это преимущество нивелируется.
В этом и заключается первое преимущество автотрансформатора перед трансформатором.
Примечание — в расчетах я не учитывал потери, коэффициенты мощности и прочее, их цель проиллюстрировать разницу между устройствами, а не рассчитать реальную электрическую цепь.
Для автотрансформаторов выделяют проходную и расчётную мощности, давайте разберёмся в чём их отличие и на что они влияют.
Как уже неоднократно отмечалось, у трансформатора вся мощность из первичной обмотки во вторичную передаётся с помощью магнитного поля. При этом сердечник подбирается по мощности трансформатора, то есть чем мощнее трансформатор – тем больше должен быть сердечник.
У автотрансформатора мощность из сети передаётся в нагрузку не только за счёт магнитной связи, но и за счёт электрической связи между обмотками. Поэтому выделяют несколько видов мощности.
Проходная мощность Sпр — это произведение выходного напряжения на ток нагрузки:
Расчётная мощность Sрасч (она же трансформаторная или типовая) — это мощность, которая передаётся из сети в нагрузку магнитным полем, и составляет лишь часть от проходной. Оставшаяся часть от проходной мощности передаётся в нагрузку с помощью электрической связи, обозначим её как Sэ.
Разложим проходную мощность на составляющие. Так как I2=I1+I12, то формула проходной мощности примет вид:
Расчётная мощность так называется, потому что именно её используют при расчётах трансформатора. Что это нам даёт?
В рассмотренном выше примере через сердечник трансформатора передавался 1 кВт мощности, а у автотрансформатора через магнитное поле передавалось всего:
Что в 5 раз меньше, чем у трансформатора. Так как мощность — это основной критерий выбора сердечника, то площадь сердечника автотрансформатора будет меньше, чем у трансформатора аналогичной мощности.
Но как и в случае с сечением провода, чем больше коэффициент трансформации, тем большая мощность передаётся магнитным полем, и наоборот — при маленьких коэффициентах трансформации больше мощности передаётся через электрическую связь. Зависимость отношения Sэ к Sпр от коэффициента трансформации изображена на рисунке 6. Таким образом при больших коэффициентах трансформации выгода от использования автотрансформаторов вместо трансформаторов исчезает.
Рисунок 6 — зависимость Sэ/Sпр от коэффициента трансформации Рисунок 6 — зависимость Sэ/Sпр от коэффициента трансформацииТо есть наиболее целесообразно применять автотрансформаторы вместо трансформаторов при коэффициенте преобразования меньше чем 2.
Подведём итоги
На практике с автотрансформаторами мы сталкиваемся довольно часто, например, в релейных и электронных (симисторных) стабилизаторах напряжения они используются для повышения и понижения напряжения.
Рисунок 7 — блок схема релейного стабилизатора Рисунок 7 — блок схема релейного стабилизатораТрёхфазные автотрансформаторы нашли применение в сетях высокого напряжения для связи сетей с «соседними» напряжениями — 110 и 220, 220 и 500 кВ.
Для проведения испытаний, а также настройки электрооборудования используются лабораторные автотрансформаторы – ЛАТРы. Это автотрансформаторы, в которых вместо отвода от обмотки для подключения нагрузки используется скользящий контакт, на рисунке 8 он обведён зелёным цветом, типа токосъёмной щётки. Изменяя положение скользящего контакта, вы подключаете нагрузку к разным виткам обмотки, другими словами – вы можете регулировать напряжение.
При этом с помощью большинства ЛАТРов можно как понижать, так и повышать напряжение. Кстати ЛАТР – это основа электромеханических, или, как их ещё называют, сервоприводных стабилизаторов напряжения.
Рисунок 8 — ЛАТР: а) внешний вид, б) внутреннее устройство (красным выделен скользящий контакт, к которому подключается нагрузка) Рисунок 8 — ЛАТР: а) внешний вид, б) внутреннее устройство (красным выделен скользящий контакт, к которому подключается нагрузка)При одинаковой мощности преимущества автотрансформаторов перед трансформаторами заключаются в пониженном расходе меди и электротехнической стали для сердечника. При этом КПД автотрансформаторов достигает 99,7%. Но преимущества тем больше выражены, чем больше Sэ, и меньше расчётная часть Sрасч проходной мощности, то есть при низких коэффициентах трансформации. И все преимущества исчезают при больших коэффициентах трансформации.
Применение автотрансформаторов для преобразования в сетях высокого напряжения улучшает КПД энергосистем, снижает стоимость передачи энергии, но приводит к увеличению токов короткого замыкания.
Кроме этого, у автотрансформаторов есть серьёзный недостаток — гальваническая связь с питающей сетью. Это значит, что напряжение на вторичной обмотке может оказаться таким же, как на первичной. Поэтому с целью обеспечения электробезопасности использование автотрансформаторов для питания переносных светильников сверхнизкого напряжения запрещается (ПТЭЭП п.2.12.6 и ряд других документов), а также для питания другого оборудования, на котором работают люди. По этой же причине нельзя использовать автотрансформаторы в качестве силовых для понижения 6-10 кВ до 0,4 кВ.
Из-за наличия электрической связи между обмотками вытекает ещё один недостаток – необходимо выполнять изоляции обеих обмоток на большее напряжение, по сравнению с обычными трансформаторами.
Устройство силовых трансформаторов
Силовым трансформатором называется электромагнитное устройство, преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток другого более высокого или более низкого напряжения при неизменной частоте. Трансформаторы выпускаются стандартных мощностей: 10, 16, 25, 40 и 63 кВ•А с увеличением каждого из этих значений в 10, 100, 1000 и 10000 раз.
Трансформаторы разделяются по способу охлаждения на масляные, сухие, с дутьевым и водомасляным охлаждением; по исполнению — для внутренней и наружной установок, герметичные и уплотненные; по числу фаз — одно- и трехфазные; по числу обмоток — двух- и трехобмоточные; по способу регулирования напряжения — под нагрузкой и при отключенном напряжении.
Сухие (без масла) трансформаторы выпускаются мощностью до 1600 кВ А и напряжением до 15, 75 кВ с естественным охлаждением. Достоинством сухих трансформаторов является их пожаробезопасность.
Для масляных трансформаторов с естественным масляным охлаждением, используемых в закрытых помещениях, обеспечивается непрерывная вентиляция для отвода нагретого и доступа холодного воздуха.
Основными параметрами трансформаторов являются: номинальные напряжения обмоток, номинальная мощность, номинальный ток и номинальная нагрузка обмоток.
Обмотки первичного и вторичного напряжения трехфазных двухобмоточных трансформаторов соединяют по схемам звезда-звезда или звезда-треугольник. В зависимости от направления намотки обмотки, последовательности соединений фазных обмоток и чередования фаз при соединении в звезду или треугольник можно получить ту или иную группу соединений. Наиболее распространенные схемы соединений обмоток трансформаторов приведены на рис. 115.
Рис. 115. Схемы соединений обмоток двухобмоточных трансформаторов:
а — звезда-звезда с выведенной нейтралью; б — звезда-треугольник; в — звезда с выведенной нейтралью-треугольник.
Силовые трансформаторы имеют обозначения, состоящие из букв и цифр. Первая буква указывает число фаз: О — однофазный и Т — трехфазный. Вторая буква указывает вид охлаждения: М — масляное естественное; Д — масляное с дутьевым охлаждением и естественной циркуляцией масла; ДЦ — масляное с дутьевым охлаждением и принудительной циркуляцией масла; MB — масляно-водяное охлаждение масла с естественной циркуляцией; Ц — масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией масла; С, СЗ, СТ — естественное воздушное охлаждение соответственно при открытом, закрытом и герметизированном исполнениях; у трансформаторов с заполнением негорючих диэлектриков вид охлаждения обозначается буквами Н — естественное охлаждение негорючим жидким диэлектриком и НД — охлаждение негорючим жидким диэлектриком с принудительным дутьем.
Третья буква указывает число обмоток (Т — трехобмоточный), четвертая — выполнение одной из обмоток с устройством регулирования напряжения под нагрузкой — РПН и обозначается буквой Н.
Мощность и высшее напряжение трансформатора указываются в обозначениях дробью. Числитель дроби указывает номинальную мощность в кВ•А, а знаменатель — высшее напряжение обмоток (ВН) в кВ.
Например, трансформатор типа ТДТН-15000/35 — трехфазный, с дутьевым охлаждением, трехобмоточный, с регулировкой напряжения под нагрузкой, мощностью 15000 кВ•А и напряжением ВН — 35 кВ.
Рис. 116. Трехфазный силовой трансформатор мощностью 1000 кВ•А с масляным охлаждением:
1 — бак; 2, 5 — нижняя и верхняя ярмовые балки; 3 — обмотка ВН; 4 — регулировочные отводы; 6 — магнитопровод; 7 —деревянные планки; 8 — отвод от обмотки ВН; 9 — переключатель; 10 — подъемная шпилька; 11 — крышка; 12 — подъемное кольцо; 13 — ввод ВН; 14 — ввод НН; 15 — выхлопная труба; 16 — расширитель; 17 — маслоуказатель; 18 — газовое реле; 19 — циркуляционные трубы; 20 — маслоспускной кран; 21 — катки.
Основой конструкции силового двухобмоточного трансформатора (рис. 116) является его активная часть, состоящая из магнитопровода 6 с расположенными на нем обмотками низшего (НН) и высшего 3 (ВН) напряжений, отводов 8 и переключателя напряжения 9. Магнитопровод 6 трансформатора набирается из листов специальной электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Отдельные части магнитопровода собирают в жесткую конструкцию из трех вертикальных стержней с верхним 5 и нижним 2 ярмами с помощью стяжных шпилек и прессующих ярмовых балок, образуя замкнутый контур. Между собой листы стали изолированы лаком или теплостойким покрытием на основе жидкого стекла. Ярмовыми балками из швеллеров листы стали магнитопровода плотно опрессовывают при помощи шпилек. Ярмовые балки и шпильки изолируют от активной стали магнитопровода. Активная часть трансформатора помещается в металлический бак, который предохраняет обмотки от повреждений и является резервуаром для трансформаторного масла.
Обмотки трансформаторов изготовляют из электротехнической меди или алюминия прямоугольного или круглого сечения. Чаще всего применяют цилиндрические и винтовые обмотки. Их отделяют от сердечника, друг от друга и от стенок бака цилиндрами из изолирующего материала (бакелита).
Цилиндрические обмотки выполняют из круглых или прямоугольных проводов с изоляцией из хлопчатобумажной пряжи и наматывают в один слой (однослойная), в два слоя (двухслойная) или несколько слоев (многослойная) одним или несколькими проводами по винтовой линии (рис. 117).
Рис. 117. Однослойная (а), двухслойная (б) и многослойная (в) конструкции цилиндрических обмоток силовых трансформаторов:
1 — выравнивающие кольца; 2 — коробочка из электрокартона; 3 - конец первого слоя обмотки; 4 - планка из бука; 5 - отводы для регулирования напряжения.
Начала и концы обмоток располагают на их противоположных торцах. Однослойные и двухслойные обмотки применяются в качестве обмоток низкого напряжения, а многослойные — в качестве обмоток ВН в трансформаторах мощностью до 630 кВ•А.
Цилиндрические многослойные обмотки изготовляют из круглого провода, намотанного на бумажно-бакелитовый цилиндр, плотно укладывая витки слоями и прокладывая между ними листы кабельной бумаги (рис. 117, в). При большом числе слоев между ними укладывают планки из древесины твердых пород или из нескольких слоев полосок склеенного электрокартона, образуя вертикальные каналы. Такая конструкция обеспечивает хороший отвод теплоты для охлаждения обмотки. Для увеличения механической прочности обмотку обматывают хлопчатобумажной лентой, пропитывают глифталевым лаком и запекают при температуре около 100 С.
В более мощных трансформаторах применяют непрерывные обмотки из плоских проводов без разрывов и паек при переходе из одной катушки в другую. Эти обмотки наматываются на рейки, уложенные на бумажно-бакелитовом цилиндре и образующие в своих промежутках вертикальные каналы охлаждения, а горизонтальные каналы создаются с помощью пакетов из электротехнического картона, собранных на проваренных в масле деревянных планках. Они применяются в силовых трансформаторах в качестве обмоток низшего и высшего напряжения.
Баки силовых трансформаторов изготовляют из листовой стали. Они могут быть овальной или прямоугольной форм. Баки изготовляют гладкими, а для лучшего охлаждения масла — ребристыми, трубчатыми и с радиаторами. Баки устанавливают на катки для перемещения трансформаторов в пределах помещения подстанции. Сверху бак закрывается съемной крышкой, на которой размещают вводные изоляторы, термометр, пробивной предохранитель, переключатель отводов обмотки для регулирования напряжения, расширитель, газовое реле и предохранительную трубу.
Для присоединения обмоток к токопроводящим шинам применяют фарфоровые изоляторы, через которые проходят медные стержни.
Изоляционное масло в трансформаторе используется в качестве изолирующей и охлаждающей среды. В процессе эксплуатации трансформатора масло стареет и теряет свои первоначальные изоляционные свойства за счет воздействия на него кислорода, влаги, грязи и высокой температуры.
В тех случаях, когда вторичные сети имеют изолированную от земли нейтраль, для безопасной работы применяется пробивной предохранитель, имеющий воздушные промежутки. В аварийном режиме воздушные промежутки пробиваются и обмотка низкого напряжения заземляется.
Рис. 118. Переключатели ТПСУ-9-120/11 (а), ТПСУ-9-120/10 (б) отводов обмоток для регулирования напряжения силовых трансформаторов и их схема (в):
1 — сегментный контакт; 2 — коленчатый вал; 3, 4 — бумажно-бакелитовая трубка; 5 — резиновое уплотнение; 6 — крышка трансформатора; 7 — фланец; 8 — стопорный болт; 9 — колпак; 10 — указатель положения; 11 — неподвижный контакт.
Для поддержания необходимого уровня напряжения потребителей у трансформаторов с регулировкой напряжения (рис. 119, а и б) проводят изменение коэффициента трансформации с помощью переключателей ответвлений обмоток (рис. 118). Регулирование напряжения проводится в пределах ±5 %. Трансформаторы с РПН (регулирование под нагрузкой) имеют большое число ступеней и более широкой диапазон регулирования (до 20%).
Рис. 119. Схемы трансформаторов с РПН без реверсирования (а) и с реверсированием (б):
1 — основная обмотка; 2 — регулировочная обмотка; 3 — устройство переключения; 4 — переключатель (реверсор).
Часть обмотки ВН с ответвлениями называется регулировочной обмоткой. Расширение регулировочного диапазона без увеличения числа отводов достигается применением схем с реверсированием (рис. 119, б). Переключатель-реверсор 4 позволяет присоединить регулировочную обмотку 2 к основной 1 согласно или встречно, благодаря чему диапазон регулирования удваивается. Устройство 3 PПН обычно включается со стороны нейтрали X. что позволяет выполнять их с пониженной изоляцией.
Устройство РПН состоит из контактора, разрывающего и замыкающего цепь рабочею тока; избирателя (переключателя), контакты которого размыкают и замыкают электрическую цепь без тока; реактора или резистора; приводного механизма (рис. 120).
Рис. 120. Последовательность работы переключающих устройств с РПН:
Р - реактор; К1, К2 - контакторы; РО — регулировочная обмотка; П — переключатель.
Очередность в работе контакторов и избирателей обеспечивается приводным механизмом с реверсивным пускателем. В нормальном режиме работы через реактор Р проходит ток нагрузки, а в процессе переключения ответвлений — реактор ограничивает значение тока Iцирк. Контактор, в котором при переключении возникает дуга на контактах, помещают в отдельном масляном баке. Управление устройством РПН осуществляется автоматически от реле напряжения или дистанционно диспетчером.
На маслоуказателе расширителя нанесены три контрольные черты, соответствующие уровню масла при температуре -45, +15, +40.
Рис. 121. Расположение на крышке трансформатора расширителя, газового реле и предохранительной трубы:
1 — расширитель; 2 — газовое реле; 3 — предохранительная труба.
Газовое реле (рис. 121) служит для сигнализации или отключения трансформатора в случаях внутренних повреждений. Разлагающиеся под действием высоких температур масло, дерево или изоляция выделяют газы, которые воздействуют на поплавки с контактами газового реле. В случае отказа работы газового реле в трансформаторе создается повышенное давление, которое разрушает мембрану предохранительной трубы и выбрасывает газы и масло наружу, предотвращая опасность взрыва бака. Мембрана трубы изготовляется из стекла или фольги.
Рис. 122. Схема автотрансформатора:
а — однофазного; б — трехфазного.
Автотрансформаторы представляют собой трансформаторы, у которых обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего напряжения (рис. 122). Автотрансформаторы широко используются для связи электрических сетей напряжением 150/121, 230/121. 350/121, 500/121 и 750/330 кВ. Они выполняются трехфазными или и виде групп, состоящих из трех однофазных. Автотрансформаторы низкого напряжения широко применяются для регулирования напряжения в цепях управления, автоматики, а также при испытаниях оборудования и сетей.
В мощных автотрансформаторах напряжение регулируют переключателем, как и в обычных трансформаторах.
Конструкция силового трансформатора
Трансформатор - это электрическая машина, которая преобразует переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения.
Основные элементы конструкции силовых трансформаторов: корпус, сердечник, обмотки, устройство для охлаждения, вводы и защитные устройства (расширитель, выхлопная труба и газовое реле).
Обмотки трансформатора располагаются так, чтобы магнитный поток, созданный первичной обмоткой, пронизывал большой своей частью вторичные обмотки. Это требование обеспечивается конструкцией стального сердечника, представляющего собой замкнутую магнитную цепь. В зависимости от взаимного расположения обмоток и магнитной системы различают два основных типа трансформаторов: стержневой и броневой.
В стержневом трансформаторе обмотки располагаются на стержнях сердечника, которые соединяются ярмами, замыкающими магнитную цепь. Стержневой тип применяется для силовых и ряда специальных трансформаторов. В броневом трансформаторе применяется разветвленная магнитная цепь, которая охватывает обмотку, как бы «бронируя» ее. Конструкция сердечника с разветвленной магнитной цепью, подобная броневой конструкции, применяется в частности для малых однофазных трансформаторах.
Трехфазный стрежневой трансформатор:
Магнитная цепь трансформатора, называемая сердечником, собирается из листов легированной стали. Для того, чтобы листы не замыкались между собой, они предварительно покрываются тонким слоем лака или оклеиваются бумагой.
Сердечник состоит из стержней, несущих на себе обмотки, и ярем, замыкающих магнитную цепь. Поперечное сечение сердечника должно иметь форму, по возможности, соответствующую форме катушек.
При прямоугольных катушках сечение сердечника делают прямоугольным. При круглых — сердечник имеет многоступенчатое сечение. Если сердечник имеет большое сечение, то для отвода тепла выполняются продольные воздушные каналы, делящие сердечник на отдельные пакеты.
Листы стягиваются шпильками или заклепками. Отдельные листы не должны соединяться друг с другом, потому что в плоскости соприкосновения могут возникнуть вихревые токи. Для предотвращения замыкания листов через шпильки и заклепки на них надевают изолирующие трубки. Гайки и головки заклепок изолируются от прессующих пластин сердечника шайбами из электротехнического картона.
В трансформаторах применяют два вида обмоток: дисковую и цилиндрическую.
При дисковой конструкции обмоток первичная и вторичная обмотки подразделяются на ряд плоских катушек, имеющих форму диска, которые укладываются на сердечнике трансформатора попеременно друг с другом.
При цилиндрической обмотке первичная и вторичная обмотки располагаются концентрически одна относительной другой. Обмотка низшего напряжения помещается обычно ближе к сердечнику, так как ее легче изолировать от стали.
При выполнении обмоток следует различать изоляцию отдельных проводников, изоляцию между слоями и катушками, изоляцию между первичной и вторичной (вторичными) обмотками и изоляцию обмоток относительно сердечника.
Обмотки трансформаторов выполняются из медного провода, покрытого изоляцией. Для изоляции обмоточных проводов применяют бумагу, хлопчатобумажную иногда шелковую пряжу, лаковую (эмаль) пленку или же несколько слоев изоляции, например слой лака и слой шелковой пряжи, слой бумаги и слой хлопчатобумажной пряжи и т. д.
В качестве изоляции между слоями применяют прокладки из бумаги. Катушки изолируются шайбами или прокладками из электрокартона, обмоткой из ленты, бумаги или полотна, пропитанного в масле.
Концы обмоток трансформатора выведены наружу с помощью вводов, изолирующих их заземленного корпуса (бака).
Существуют два основных способа соединения обмоток трехфазного трансформатора: соединение треугольником и соединение звездой. При соединении обмоток треугольником фазное напряжение равно линейному, а фазный ток в 1,73 раз меньше линейного. При соединении обмоток звездой фазное напряжение в 1,73 раз меньше линейного, а фазный ток равен линейному.
Способ соединения обмоток в трехфазном трансформаторе имеет большое значение, так как от него зависит угол сдвига фаз вторичного напряжения относительно первичного. Сдвиг фаз между напряжением первичной и вторичной обмотки зависит также от направления намотки катушек. Подробнее об этом смотрите здесь: Схемы и группы соединения обмоток силовых трансформаторов
В тех случаях, когда трансформаторы предназначены для совместной параллельной работы, необходимо, чтобы мгновенные потенциалы фаз этих трансформаторов были бы одинаковы. Трансформаторы, имеющие одинаковый сдвиг по фазе между линейными напряжениями обмоток высшего и низшего напряжения, относят к одной группе соединений обмоток, которой присваивают номер в соответствии с часовым обозначением.
Для изоляции обмотки от сердечника и для изоляции обмотки высшего напряжения от обмотки низшего напряжения применяют жесткие цилиндры, прессованные из бакелизированной бумаги, или цилиндры из электрокартона, так называемые мягкие цилиндры.
В трансформаторостроении широко применяется специальное минеральное (нефтяное) масло, которое называют трансформаторным. Трансформаторным маслом заливают баки и в него погружают сердечник с обмотками. Такая конструкция принята для мощных силовых трансформаторов, для трансформаторов мощных выпрямительных устройств, для мощных импульсных трансформаторов.
Трансформаторное масло, из которого удалена влага и примеси, то есть просушенное и очищенное, является хорошей изоляцией между обмотками и металлическим корпусом. Кроме того, трансформаторное масло, обладая более высокой теплопроводностью, нежели воздух, хорошо отводит тепло от активных частей трансформатора к наружным поверхностям бака.
С увеличением мощности трансформатора потери растут быстрее его геометрических размеров, что приводит к необходимости увеличения поверхности его охлаждения. Смотрите подробно об этом здесь: Системы охлаждения силовых трансформаторов
В практике нашли применение устройства, преобразующие переменные напряжения, у которых первичная и вторичная обмотки соединены электрически. Эти устройства получили название — автотрансформаторы.
Автотрансформатор отличается от обычного трансформатора тем, что его первичная и вторичная обмотки связаны между собой не только индуктивно (как в обычном трансформаторе), но и электрически.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Схемы и группы соединений обмоток трансформаторов
Трехфазный трансформатор имеет две трехфазные обмотки - высшего (ВН) и низшего (НН) напряжения, в каждую из которых входят по три фазные обмотки, или фазы. Таким образом, трехфазный трансформатор имеет шесть независимых фазных обмоток и 12 выводов с соответствующими зажимами, причем начальные выводы фаз обмотки высшего напряжения обозначают буквами A , B , С, конечные выводы - X , Y , Z , а для аналогичных выводов фаз обмотки низшего напряжения применяют такие обозначения: a, b, c, x, y, z.
Каждая из обмоток трехфазного трансформатора — первичная и вторичная — может быть соединена тремя различными способами, а именно:
- звездой;
- треугольником;
- зигзагом.
В большинстве случаев обмотки трехфазных трансформаторов соединяют либо в звезду, либо в треугольник (рис. 1).
Выбор схемы соединений зависит от условий работы трансформатора. Например, в сетях с напряжением 35 кВ и более выгодно соединять обмотки в звезду и заземлять нулевую точку, так как при этом напряжение проводов линии передачи будет в V 3 раз меньше линейного, что приводит к снижению стоимости изоляции.
Осветительные сети выгодно строить на высокое напряжение, но лампы накаливания с большим номинальным напряжением имеют малую световую отдачу. Поэтому их целесообразно питать от пониженного напряжения. В этих случаях обмотки трансформатора также выгодно соединять в звезду (Y), включая лампы на фазное напряжение.
С другой стороны, с точки зрения условий работы самого трансформатора, одну из его обмоток целесообразно включать в треугольник.
Фазный коэффициент трансформации трехфазного трансформатора находят, как соотношение фазных напряжений при холостом ходе:
n ф = U фвнх / U фннх,
а линейный коэффициент трансформации, зависящий от фазного коэффициента трансформации и типа соединения фазных обмоток высшего и низшего напряжений трансформатора, по формуле:
n л = U лвнх / U лннх.
Если соединений фазных обмоток выполнено по схемам "звезда-звезда" или "треугольник-треугольник", то оба коэффициента трансформации одинаковы, т.е. n ф = n л.
При соединении фаз обмоток трансформатора по схеме "звезда - треугольник" - n л = n фV 3 , а по схеме "треугольник-звезда" - n л = n ф / V 3
Группы соединений обмоток трансформатора
Группа соединений обмоток трансформатора характеризует взаимную ориентацию напряжений первичной и вторичной обмоток. Изменение взаимной ориентации этих напряжений осуществляется соответствующей перемаркировкой начал и концов обмоток.
Стандартные обозначения начал и концов обмоток высокого и низкого напряжения показаны на рис.1.
Рассмотрим вначале влияние маркировки на фазу вторичного напряжения по отношению к первичному на примере однофазного трансформатора (рис. 2 а).
Обе обмотки расположены на одном стержне и имеют одинаковое направление намотки. Будем считать верхние клеммы началами, а нижние - концами обмоток. Тогда ЭДС Ё1 и E2 будут совпадать по фазе и соответственно будут совпадать напряжение сети U1 и напряжение на нагрузке U2 (рис. 2 б). Если теперь во вторичной обмотке принять обратную маркировку зажимов (рис. 2 в), то по отношению к нагрузке ЭДС Е2 меняет фазу на 180°. Следовательно, и фаза напряжения U2 меняется на 180°.
Таким образом, в однофазных трансформаторах возможны две группы соединений, соответствующих углам сдвига 0 и 180°. На практике для удобства обозначения групп используют циферблат часов. Напряжение первичной обмотки U1 изображают минутной стрелкой, установленной постоянно на цифре 12, а часовая стрелка занимает различные положения в зависимости от угла сдвига между U1 и U2. Сдвиг 0° соответствует группе 0, а сдвиг 180° - группе 6 (рис. 3).
В трехфазных трансформаторах можно получить 12 различных групп соединений обмоток. Рассмотрим несколько примеров.
Пусть обмотки трансформатора соединены по схеме Y/Y (рис. 4). Обмотки, расположенные на одном стержне, будем располагать одну под другой.
Зажимы А и а соединим для совмещения потенциальных диаграмм. Зададим положение векторов напряжений первичной обмотки треугольником АВС. Положение векторов напряжений вторичной обмотки будет зависеть от маркировки зажимов. Для маркировки на рис. 4а, ЭДС соответствующих фаз первичной и вторичной обмоток совпадают, поэтому будут совпадать линейные и фазные напряжения первичной и вторичной обмоток (рис. 4, б). Схема имеет группу Y/Y - О.
Изменим маркировку зажимов вторичной обмотки на противоположную (рис. 5. а). При перемаркировке концов и начал вторичной обмотки фаза ЭДС меняется на 180°. Следовательно, номер группы меняется на 6. Данная схема имеет группу Y/Y - б.
На рис. 6 представлена схема, в которой по сравнению со схемой рис 4 выполнена круговая перемаркировка зажимов вторичной обмотки. При этом фазы соответствующих ЭДС вторичной обмотки сдвигаются на 120° и, следовательно, номер группы меняется на 4.
Схемы соединений Y/Y позволяют получить четные номера групп, при соединении обмоток по схеме "звезда-треугольник" номера групп получаются нечетными. В качестве примера рассмотрим схему, представленную на рис. 7.
В этой схеме фазные ЭДС вторичной обмотки совпадают с линейными, поэтому треугольник аbс поворачивается на 30° против часовой стрелки по отношению к треугольнику АВС. Но так как угол между линейными напряжениями первичной и вторичной обмоток отсчитывается по часовой стрелке, то группа будет иметь номер 11.
Из двенадцати возможных групп соединений обмоток трехфазных трансформаторов стандартизованы две: "звезда-звезда" - 0 и "звезда-треугольник" - 11. Они, как правило, и применяются на практике.
Схемы "звезда-звезда с нулевой точкой" используют в основном для трансформаторов потребителей напряжением 6 - 10/0,4 кВ. Нулевая точка дает возможность получить напряжение 380/220 или 220/127 В, что удобно для одновременного подключения как трехфазных, так и однофазных приемников электроэнергии (электродвигателей и ламп накаливания).
Схемы "звезда-треугольник" применяют для высоковольтных трансформаторов, соединяя обмотку 35 кВ в звезду, а 6 или 10 кВ в треугольник. Схема "звезда с нулевой точкой" используется в высоковольтных системах, работающих с заземленной нейтралью.
Группы соединения обмоток трехфазных трансформаторов:
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Зачем нужно выполнять заземление вторичной обмотки трансформатора тока?
Рисунок 1. Трансформатор тока Трансформатор тока — это замкнутый стальной магнитопровод, а также две обмотки — первичная и вторичная. Первичная обмотка трансформатора последовательно подключается к цепям, в которых планируется измерение тока, тогда как к вторичной обмотке присоединяются токовые катушки приборов контроля и измерения, реле и прочего оборудования. Вторичная обмотка всегда изолируется от первичной. Кроме того, требуется заземление вторичной обмотки трансформатора тока, чтобы обеспечить безопасность обслуживающего персонала и подключенных приборов.
Заземление вторичной обмотки трансформатора тока следует выполнять, подключая провод заземления к специальному зажиму на трансформаторе. Если требуется заземлить не один, а несколько трансформаторов, подключить их можно к одной шине заземления. В таком случае можно выполнить заземление через предохранитель с пробивным напряжением до 1 кВ и шунтирующим сопротивлением в 100 Ом для оптимального стекания статического заряда.
В целом заземление вторичной обмотки трансформатора тока является совершенно несложной, но обязательной задачей, поскольку в противном случае короткое замыкание в сети или самом трансформаторе способно вывести из строя подключенную аппаратуру и угрожать безопасности находящихся рядом людей.
Принцип действия понижающего трансформатора
Большинство электрических инструментов, приборов, оборудования работает от сетевого напряжения переменного тока, равного 220 В. Но для низковольтных электропотребителей – галогенных осветительных приборов, низковольтных обогревателей, светодиодных светильников и других – его значение снижают до определенной величины. Для решения этой задачи применяются аппараты без подвижных компонентов – понижающие трансформаторы , которые понижают величину напряжения до нужного значения, оставляя частоту неизменной. Различные модели этих аппаратов могут использоваться в энергетической отрасли, промышленности, а также в быту для получения значения напряжения, безопасного для пользователя.
Устройство и принцип работы понижающего трансформатора
В состав аппарата входит ферромагнитный сердечник с двумя обмотками – первичной и вторичной. На обмотки наматываются проводники, каждый слой которых изолируется кабельной бумагой. Поперечное сечение проводника может быть круглым или прямоугольным (шина).
Первичная и вторичная обмотки между собой электрически не контактируют. Отсутствие электроконтакта обеспечивают изоляционные прокладки, изготовленные из электрокартона или других изоляторов. Большинство аппаратов со всеми компонентами заключается в защитный корпус.
- На первичную обмотку, имеющую большее количество витков по сравнению с вторичной, поступает сетевой ток. Он образует магнитное поле, пересекающее вторичную обмотку.
- Во вторичной обмотке образуется ЭДС, под воздействием которой генерируется выходное напряжение со значением, необходимым для электропитания электронных приборов. Отношение входного (высокого, ВН) напряжения к выходному (низкому, НН) равно отношению количества витков первичной обмотки к числу витков вторичной. Конструкция понижающего трансформатора может предусматривать одновременное подключение нескольких низковольтных потребителей.
- В ходе трансформации происходят потери мощности, равные примерно 3 %.
Понижающие трансформаторы не меняют частоту тока. Для ее изменения, в том числе для получения постоянного тока, в схему включают выпрямители. Чаще всего они представляют собой диодные мосты. Современные приборы могут дополняться другими полупроводниковыми и интегральными схемами, которые улучшают эксплуатационные характеристики аппаратов.
Чтобы определить, какой перед вами трансформатор – понижающий или повышающий, необходимо посмотреть маркировки обмоток. В понижающем аппарате первичной является высоковольтная обмотка, которая маркируется буквой «Н», вторичной – низковольтная обмотка, обозначаемая буквой «Х». В повышающем устройстве первичной является низковольтная обмотка «Х», вторичной – высоковольтная «Н».
Виды понижающих трансформаторов
В зависимости от конструктивных особенностей и принципа действия выделяют следующие типы устройств:
Читайте также: