Трансформатор - електромагнітний апарат з двома або більше обмотками,
мають між собою магнітну зв'язок, який служить для перетворення
змінного струму однієї напруги в змінний струм іншої напруги
Якщо первинна напруга більше вторинного, то трансформатор називають знижувальним, якщо первинна напруга менше вторинного - підвищує.
1. Для передачі і розподілу електричної енергії (силові трансформатори).
Генератори дають напругу від 6 до 24 кВ, передають енергію на напрузі 110, 220, 330, 500, 750 кВ. Для підвищення напруги використовують трансформатори. При споживанні електроенергії напруга знижують до 220/380 В, отже, теж необхідні трансформатори. Таким чином, електроенергія поки вона доходить до споживача зазвичай перетворюється 5-6 разів.
2. Для забезпечення схеми включення вентилів в перетворювальних пристроях і узгодження напруги на вході і виході перетворювача (перетворюючі трансформатори).
У вентильних перетворювачів для випрямлення струму і перетворення його в змінний струм, відношення напруги на вході і на виході залежить від схеми включення вентилів. Отже, при подачі на вхід стандартного напруги на виході буде нестандартне; тому потрібен трансформатор.
3. Для технологічних цілей - зварювання, харчування електричних печей (пічні і зварювальні трансформатори).
4. Для перетворення частоти, отримання імпульсних сигналів, харчування ланцюгів радіоапаратури, пристроїв зв'язку автоматично і телемеханіки електропобутових приладів.
5. Для включення вимірювальних приладів - перетворять струм або напруга (вимірювальні трансформатори струму і напруги).
• За кількістю фазних обмоток трансформатори бувають однофазні, трифазні і багатофазні.
• За кількістю систем фазних обмоток - двохобмотувальні й багатообмоточні.
• По конструкції силові трансформатори діляться на два типи: сухі і масляні. Сухі трансформатори охолоджуються повітрям. У масляних трансформаторах магнітопровід з обмотками знаходиться в баку, заповненому трансформаторним маслом. Недоліком масла є його горючість і, за деяких умов, здатність утворювати з повітрям вибухонебезпечні суміші. Для усунення цих недоліків замість масла використовують спеціальні рідини: совтола і піранол (що не окислюється і хімічно стійкі).
Основні елементи трансформатора - магнітна система (сердечник) з обмотками.
Магнитопровод складається зі стрижнів - частина, що охоплюється обмотками, і ярма - ділянки, який пов'язує стрижні.
Сердечник набирається з листів спеціальної трансформаторної сталі товщиною 0,35; 0,5 мм. Для ізоляції листів застосовується папір товщиною 0,03 мм і масляний лак.
Папір дешевше лаку, але має меншу теплопровідність, нагревостойкость і механічну міцність.
Магнітна система буває двох типів:
- стрижнева (на кожному стрижні обмотка); рис.1.2.1 (а)
- броньовий (всі обмотки на одному стрижні); рис.1.2.1 (б)
У силових трансформаторах потужністю більше 100 МВА і напругою 220 кВ застосовують бронестержневие конструкції. Вона виходить з стрижневий, якщо додати два стержня, що закривають обмотки фаз. Рис. (2.1.2)
Бронестержневие трансформатори мають меншу висоту муздрамтеатру, що важливо при транспортуванні, так як в цьому випадку трансформатор проходить під залізничні габарити.
В основному випускаються стрижневі трансформатори.
• По взаємному розташуванню стрижнів і ярем магнітні системи можуть мати плоске (ріс.1.2.3 (а)) і просторове виконання (ріс.1.2.3 (б)).
Як матеріал магнітної системи також використовується холоднокатонная анізотропна текстурированная сталь марок 3413, 3404 3403, 3406 в рулонах товщиною 0,3; 0,35; 0,5 мм. Сталь завтовшки 0,3 і 0,35 мм має електроізоляційне покриття.
Магнитопровод шихти (тому що при цьому зменшуються втрати на вихрові струми), пластини ярма і стрижнів переплітаються. (Рис.1.2.4)
Зазвичай розташовують по 2-3 листків (позиції 1 і 2) в шарі. Стик може бути прямим і косим. При косому стику зменшується довжина ділянки магнітного ланцюга, на якому напрямок потоку не збігається з напрямком прокату (зменшуються втрати холостого ходу) (ріс.1.2.5)
Форма стрижня прагне до циліндра, отже, пакети виконуються ступенями. Наближення до кола дає краще заповнення простору обмотками, зменшення габаритів трансформатора.
(Ріс.1.2.6) Малюнок 1.2.5
Перетин ярма можна виконувати без ступенів, на ярмі їх роблять менше. Сходинки потрібні, щоб магнітний потік розподілявся більш рівномірно. Крім того перетин ярма виконують на 10 ... 15% більше, ніж стрижня для зменшення струму холостого ходу.
Ярмо і стрижні стягуються шпильками.
Крім магнітної системи і обмоток в масляному трансформаторі є:
- бак (чавун, конструкційна сталь). Він може бути гладким (до 30 кВА) або трубчастим (до 3000 кВА), щоб збільшити поверхню охолодження трансформатора.
- розширювач - резервуар, частково заповнений маслом.
- маслоуказатель - розташовується на розширнику, дозволяє визначити рівень масла. Рівень розраховується таким чином, щоб при будь-яких зовнішніх змінах навколишнього середовища, нагріванні (при зростанні навантаження) обмоток маслу було куди розширюватися. Бак повинен бути повністю залитий трансформаторним маслом, щоб зменшити поверхню контактування масла з повітрям (окислення веде до погіршення властивостей трансформаторного масла).
- радіатори - розташовуються на баку, використовуються в великих трансформаторах для збільшення поверхні охолодження (до 10000 кВА).
- ізолятори ВН і НН - розташовуються на кришці, виконуються з порцеляни або кераміки. Розміри залежать від потужності трансформатора. У великих трансформаторах ізолятори можуть бути маслонаповненими.
- регулятор напруги - дозволяє змінювати напругу на ± 5%.
- вихлопна труба - з'єднується з баком - це сталева труба зі скляною мембраною на кінці товщиною 3-5 мм. Служить для газового захисту. Пошкодження обмоток приводить до випаровування масла, виділяються гази, які видавлюють мембрану, деформації бака не відбувається.
- газове реле - здійснює тепловий захист трансформатора. Розташовується між розширювачем і баком. Перегрів сприяє руйнуванню ізоляції, отже, гази потрапляють в реле і витісняють звідти масло, а поплавок опускається і замикає сигнальну ланцюг.
Виконуються з мідного або алюмінієвого дроту.
Конструкція обмоток включає:
- ізоляційні деталі (для створення головної і поздовжньої ізоляції);
- ємнісні кільця і екрани.
Основним елементом обмотки є виток, який виконується одним проводом або групою паралельних проводів. Ряд витків на циліндричній поверхні утворюють шар.
Шар - сукупність провідників, що знаходяться на одній відстані від стрижня.
• У напрямку намотування обмотки діляться на праві і ліві (зручніше) подібно різьбі гвинта.
• За способом розміщення обмоток на стержні розрізняють обмотки:
1. Концентричні - в кожному поперечному перерізі окружності, що мають загальний центр. Обмотка низької напруги всередині, так як її легше ізолювати від стрижня.
2. Що чергуються - частини обмоток вищої і нижчої напруги поперемінно слідують один за одним по висоті стрижня. Застосовуються тільки в спеціальних трансформаторах (електропічних, випробувальних) (ріс.1.2.8)
• По конструкції і способу намотування обмотки поділяються на:
1. Циліндричні (одно- або багатошарові).
2. Котушкові (безперервні, дискові, переплетені).
3. Гвинтові (одно- і двоходові).
Малюнок 1.2.8 Основні експлуатаційні вимоги до обмоток:
- електрична міцність ізоляції (ізоляція повинна витримувати без пошкоджень перенапруги в мережі);
- механічна міцність (гарантія від механічних деформацій і пошкоджень при таких коротких замикань).
- нагревостойкость (забезпечення вільної тепловіддачі) при заданому класі ізоляції.
# 921 ;. циліндричні обмотки
Це найбільш проста обмотка, застосовується в трансформаторах до 630 кВА в якості обмоток низької напруги і в масляних трансформаторах як обмоток вищої напруги до 400 кВА і напруги до 35 кВ.
Це обмотка, що складається з розташованого на циліндричній поверхні шару витків без інтервалів (тобто витки намотуються по гвинтовій лінії вздовж твірної циліндра впритул один до одного) (ріс.1.2.9).
Багатошарова циліндрична обмотка складається з двох або більше концентрично розташованих шарів.
При перетині дроту менше 8 ... 10 мм 2 - обмотка багатошарова з круглого дроти. При більшому перерізі - двошаровий з прямокутного проводу (плазом або на ребро).
Між шарами встановлюють ізоляцію з електрокартону.
# 921; # 921 ;. гвинтові обмотка
Може утворювати від 4 до 20 паралельних гілок і використовується при токах понад 300 ... 400 А. Є видозмінену циліндричну обмотку і підрозділяється на просту кручені (одноходовой) - як циліндрична, але між двома сусідніми по висоті провідниками залишають канал, тобто відстань, і полувінтовие - (Двоходові) - кожні два витка, крім кінцевих, об'єднують в одну котушку без каналу (ріс.1.2.10).
У гвинтових обмотках для рівномірного розподілу струму між-ду паралельними витками роблять Малюнок 1.2.10 транспозицию (перекладку) провоніков.
Тоді все провідники будуть в однаковому становищі, щодо поля, і магнітний потік буде також розподілятися по ним рівномірно.
Сутність транспозиції - кожен з паралельних провідників в різних котушках перекладається з одного шару в інший так, що на всій довжині обмотки цей провідник буде знаходитися у всіх шарах, отже, активне і індуктивний опори між початком і кінцем дроти будуть однакові у всіх паралельних проводів.
Транспозиція буває групова, загальна, досконала і недосконала.
Досконала - коли провідник після перекладки виявляється на тому ж місці.
# 921; # 921; # 921 ;. Котушкові обмотки.
Групу послідовно з'єднаних витків, намотану у вигляді плоскої спіралі і відокремлену від інших таких же груп, називають котушкою, а обмотку, що складається з ряду котушок, розташованих в осьовому напрямку - катушечной.
Котушкові обмотки можуть бути дисковими і безперервними.
Дискова обмотка складається з ряду окремо намотаних одинарних або подвійних (спарених) котушок, кожна з яких має кілька витків, намотаних один на інший по спіралі.
Ізоляція - кабельна папір.
Дискові обмотки трудомісткі, широко застосовуються в потужних трансформаторах.
Розрізняють одинарні або подвійні дискові котушки. В одинарних котушках кількість пайок у два рази більше (пайка зовнішніх і внутрішніх кінців). Використовується прямокутний провід. Число витків в котушці 4 ... 25.
Безперервна обмотка - ряд плоских котушок (дисків), відокремлених один від одного каналами. Особливість - котушки з'єднуються між собою без пайки шляхом особливого способу перекладки однієї з котушок в кожній парі.
Переваги безперервної обмотки:
- відсутність розривів під час намотування;
- велика опорна поверхня, отже, стійкість до осьовим зусиллям при коротких замиканнях;
- відносно вільний прохід масла як уздовж, так і поперек поверхні (в горизонтальні канали між котушками), отже, гарне охолодження і можна збільшити потужність обмотки;
- безперервні обмотки можуть виконуватися з відгалуженнями для регулювання напруги.
Переплетена обмотка - більш складна і трудомістка, але забезпечує захист від імпульсних перенапруг для обмоток від 220 до 750 кВ. У такій обмотці порядок послідовного з'єднання витків відрізняється від послідовності їх розташування в котушках. Кожна котушка намотується двома паралельними проводами, а потім здійснюється з'єднання цих проводів за окремою схемою. У переплетеної обмотці використовуються ємнісні кільця (для захисту від імпульсних перенапруг), на відміну від інших обмоток тут немає необхідності в екранують витках.
Принцип дії трансформатора
При підключенні первинної обмотки (1) трансформатора до мережі з синусоїдальною напругою в обмотці виникає струм I1, який створює синусоїдальний потік Ф, що замикається по сердечнику. Потік Ф індукує ЕРС в первинної та вторинної обмотці, під дією ЕРС виникає струм I2 і на затискачах (2) встановлюється деяка напруга U2.
Результуючий потік ФС
Малюнок 1.2.14 створюється струмом обох обмоток.
Ф # 963; 1, Ф # 963; 2 - потоки розсіювання, які послаблюють основний потік ФС і замикаються в основному по повітрю.