Принцип действия и устройство трансформаторов.

Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения одной величины в напряжение другой величины. Трансформатор в простейшем случае состоит из первичной и вторичной обмоток, расположенных на замкнутом стальном сердечнике — магнитопроводе. Обмотка, к которой подводится напряжение питания, называется первичной, обмотка, с которой получают требуемое напряжение — вторичной.

Классификация трансформаторов. Если первичное напряжение трансформатора превышает по величине напряжение, получаемое на вторичной обмотке, то это — понижающий трансформатор. Если первичное напряжение меньше вторичного, то это — повышающий трансформатор. Наибольшее напряжение одной из обмоток называют высшим напряжением (ВН), наименьшее другой — низшим напряжением (НН). Диапазон преобразуемых трансформаторами напряжений изменяется в пределах от нескольких вольт до нескольких сотен тысяч вольт.

Поскольку КПД современных мощных трансформаторов очень высок, то можно говорить о минимальных потерях электроэнергии в трансформаторе, т. е. входная мощность трансформатора примерно равна выходной. Из этого следует, что в трансформаторе увеличению или уменьшению выходного напряжения соответствует уменьшение или увеличение тока.

По количеству обмоток различают двух-, трех- и многообмоточные трансформаторы.

По числу фаз имеются, соответственно, одно- , двух, трех - и многофазные трансформаторы.

Трансформаторы по назначению подразделяют на силовые, автотрансформаторы, измерительные и специальные.

По способу охлаждения различают трансформаторы масляные и трансформаторы сухого исполнения.

Силовые трансформаторы служат для следующих целей:

1) для повышения или понижения напряжения в электрических сетях и системах. Повышение напряжения связано с тем, что напряжение генераторов на электрических станциях находится в пределах 6...20 кВ. Для уменьшения потерь электроэнергии в передающих линиях электропередачи (ЛЭП) напряжение увеличивают до стандартных значений 110, 220, 330, 500, 750 и 1150 кВ. Легко показать, что при одинаковой передаваемой мощности увеличение вторичного напряжения приводит к пропорциональному уменьшению тока, а снижение тока, например, в 10 раз приводит к уменьшению потерь элект­роэнергии в ЛЭП в 100 раз. Повышающие трансформаторы, устанавливаемые на мощных генерирующих станциях, имеют мощность до 1 млн. кВА.

Однако потребление электроэнергии электроприемниками на месте осуществляется на напряжении 220, 380, 660 В, а иногда 6 и 10 кВ. Следовательно, требуется снижение высокого напряжения до необходимых величин, что и осуществляется понижающими трансформаторами на соответствующих понижающих подстанциях. Таким образом, в энергосистемах происходит многократное (от 3 до 5 раз) преобразование величины напряжения силовыми трансформаторами;

2) для согласования напряжений в вентильных преобразо­вательных установках, обеспечивающих преобразование переменного напряжения в постоянное, или в переменное напряжение регулируемой частоты. Такие трансформаторы называют преобразовательными. Их первичное напряжение соот­ветствует напряжению питающей сети, а вторичное — выходному напряжению данного типа преобразователя. Мощности их находится в пределах от единиц до нескольких тысяч кВА, а первичное напряжение — от 380 В до 110 кВ.

3) для питания электротехнологических установок и про­цессов (электропечные трансформаторы, сварочные трансфор­маторы и др.). Мощность их достигает нескольких десятков тысяч кВА, напряжение — до 10 кВ.

4) для выпрямительных блоков питания устройств автома­тики, вычислительной техники и т. д. Трансформаторы имеют мощность от сотен ВА до единиц кВА, напряжение 220, 380 В.

Для силовых трансформаторов характерны неизменная частота тока, и очень малые отклонения первичного и вторич­ного напряжений от номинальных значений.

Автотрансформаторы служат для преобразования ве­личины напряжения в небольших пределах.

Измерительные трансформаторы напряжения и тока ис­пользуются в электрических сетях для измерения, соответственно, высоких напряжений и больших значений тока, которые нельзя измерить непосредственно вольтметрами и амперметрами, а также для подключения к ним электрических аппаратов защиты и автоматики.

Специальные трансформаторы применяют для преобразования числа фаз, частоты и иных целей.

Способы охлаждения и конструкции трансформа­торов. Конструктивное выполнение трансформатора определяется в значительной мере способом его охлаждения, кото­рый зависит от величины номинальной мощности. Речь идет главным образом, об охлаждении активной части трансфор­матора, т. е. его обмоток и магнитной системы. Чем интенсив­ней охлаждается трансформатор, тем большие нагрузки он способен выдерживать. И, наоборот, при одинаковых нагруз­ках интенсивно охлаждаемый трансформатор имеет меньший вес активных частей. При увеличении мощности трансформа­тора необходимо увеличивать интенсивность его охлаждения. В силовых трансформаторах для отвода тепла от обмоток и магнитопровода применяют следующие способы охлаждения: воздушное, масляное и посредством негорючего жидкого диэлектрика. Каждому виду охлаждения присвоено соответ­ствующее условное обозначение.

В масляных трансформаторах (рис. 2.1,а) активная часть — первичная и вторичная обмотки 1 и магнитная систе­ма 2 — помещается в стальной бак 3 с охлаждающими ради­аторами 4, наполненный трансформаторным маслом, и герме­тически закрывающийся стальной крышкой 5. На крышке ус­тановлены расширительный бак 6, проходные изоляторы выс­шего 7 и низшего напряжения 8. Расширительный бак служит в качестве резервуара для масла при увеличении его объема при нагреве трансформатора.

Рис. 2.1. Силовые трансформаторы: а – масляный; б – сухого исполнения с

Диапазон мощностей серийных силовых масляных транс­форматоров находится в пределах от 10 кВА до 630000 кВА, сухого исполнения — от единиц ВА до 1600 кВА. Силовые трансформаторы однофазные, мощностью 4 кВА и ниже и трехфазные — 5 кВА и ниже относят, к трансформаторам малой мощности. Такие трансформаторы широко использу­ются в преобразовательной, бытовой технике, радиоэлектрон­ной аппаратуре.

Обозначения трансформаторов масляных:

ТМ — трансформатор масляный, трехфазный;

О — однофазный;

Н — возможность регулирования напряжения под нагрузкой;

Р — наличие расщепленной обмотки;

Д — масляное охлаждение с дутьем (обдув радиаторов трансформатора вентиляторами);

Ц — циркуляционное охлаждение масла путем его отка­чивания из бака и охлаждения в радиаторах воздухом (водой).

После буквенных обозначений следуют цифры, обозна­чающие мощность и первичное напряжение, например: ТМ-1000/10 — масляный трансформатор мощностью 1000 кВА, первичное напряжение 10 кВ; ТРДЦН — 80000/110 — масля­ный трехфазный трансформатор с расщепленной обмоткой, с циркуляционным охлаждением масла, с возможностью регули­рования напряжения трансформатора, мощностью 80000 кВА, первичное напряжение 110 кВ.

Трансформаторы с воздушным охлаждением (сухие трансформаторы). Обмотки, магнитопровод и другие части трансформатора охлаждаются путем излучения и конвекции воздуха. Сухие трансформаторы устанавливают внутри поме­щений, при этом главным требованием является обеспечение пожарной безопасности. В эксплуатации они удобнее масля­ных, поскольку не требуется периодической очистки и смены масла. Однако воздух обладает меньшей электрической проч­ностью, чем трансформаторное масло, поэтому в сухих транс­форматорах все изоляционные промежутки и вентиляционные каналы делают большими, чем в масляных. Из – за меньшей теплопроводности воздуха по сравнению с маслом электро­магнитные нагрузки активных материалов в сухих трансфор­маторах меньшие, чем в масляных, что приводит к увеличению сечения проводов обмоток и магнитопровода. Поэтому сово­купная масса обмоток и магнитопровода сухих трансформа­торов больше, чем масляных. Сухие трансформаторы имеют мощности до 2500 кВА и напряжения обмотки ВН до 20 кВ. Их устанавливают только в сухих закрытых помещениях с относительной влажностью воздуха до 80% во избежание чрезмерного увлажнения обмоток.

Сухие трансформаторы с естественным воздушным охлаж­дением могут иметь открытое (С), защищенное (СЗ) или герме­тизированное (СГ) исполнение. Трансформаторы типа СЗ за­крывают защитным кожухом с отверстиями, а типа СГ — гер­метическим кожухом. Для повышения интенсивности охлаж­дения применяют обдув обмоток и магнитопровода потоком воздуха от вентилятора. Сухие трансформаторы с воздушным дутьем имеют условное обозначение СД. Активная часть ох­лаждается непосредственно окружающим воздухом. Транс­форматоры сухого исполнения обозначаются: ТСЗ — трех­фазный трансформатор сухого защищенного исполнения. Эти трансформаторы, как правило, выпускаются на мощности от 10 до 1600 кВА, напряжения: ВН — 380, 500, 660, 10000 В, НН — 230, 400, 660 В. Трансформаторы ТСЗ имеют, как прави­ло, защитный кожух из листовой стали, предотвращающий при­косновение к токоведущим частям.

Все более широкое применение находят сухие силовые трансформаторы с литой изоляцией обмоток (рис. 2.1,б). Особенностью их является технология изготовления обмоток: первичная и вторичная обмотки под давлением и в вакууме заливаются жидким компаундом так, что после его затверде­вания обмотки представляют собой прочные, хорошо изолиро­ванные, пыле- и влагонепроницаемые гильзы. На каждый из трех стержней магнитопровода одевают сначала гильзу низ­шего напряжения, а поверх нее — гильзу высшего напряже­ния (10 кВ). Трансформаторы имеют встроенные защиты от перегрузки. Диапазон мощностей 250...2500 кВА, напряжения 10/0,4 кВ и 10/0,23 кВ.

Достоинством трансформаторов с литой изоляцией обмо­ток являются высокая надежность, пожаробезопасность, про­стота конструкции. Недостаток — пока еще высокая в сравне­нии с масляными трансформаторами стоимость.