Трансформатор: принцип работы, виды и конструкция устройства

Что такое трансформатор?

Если коротко, то это стационарное устройство, используемое для преобразования переменного напряжения с сохранением частоты тока. Действие трансформатора основано на свойствах электромагнитной индукции.

Немного исторических фактов

В основу действия трансформатора легло явление магнитной индукции, открытое М. Фарадеем в 1831 г. Физик, работая с постоянным электрическим током, заметил отклонение стрелки гальванометра, подключенного к одной из двух катушек, намотанных на сердечник. Причем гальванометр реагировал только в моменты коммутации первой катушки.

Поскольку опыты проводились от источника постоянного тока, Фарадей не смог объяснить открытое явление.

Прообраз трансформатора появился лишь в 1848 году. Его изобрел немецкий механик Г. Румкорф, называя устройство индукционной катушкой особой конструкции. Однако Румкорф не заметил трансформации выходных напряжений.Датой рождения первого трансформатора считается день выдачи патента П. Н. Яблочкову на изобретение устройства с разомкнутым сердечником. Это случилось 30.11.1876 года.

Типы аппаратов с замкнутыми сердечниками появились в 1884 году. Их создали англичане Джон и Эдуард Гопкнинсоны.

По большому счету, технический интерес у электромехаников к переменному току возник только благодаря изобретению трансформатора. Идеи российского электротехника М. О. Доливо-Добровольского и всемирно известного Николы Тесла победили в спорах о преимуществах переменных напряжений именно благодаря возможности трансформации тока.

С победой идей этих великих электротехников потребности в трансформаторах резко выросла, что привело к их усовершенствованию и созданию новых типов приборов.

Общее устройство и принцип работы

Рассмотрим конструкцию простого трансформатора, с двумя катушками насаженных на замкнутый магнитопровод (см. Рис. 2). Катушку, на которую поступает ток, будем называть первичной, а выходную катушку – вторичной.

Фактически все типы трансформаторов используют электромагнитную индукцию для преобразования напряжения поступающего в цепь первичной обмотки. При этом выходное напряжение снимается из вторичных обмоток. Они различаются только по форме, материалам магнитопроводов и способам наматывания катушек.

Ферромагнитные сердечники применяются в низкочастотных моделях. Для таких сердечников используются материалы:

• сталь;
• пермаллой;
• феррит.

В некоторых высокочастотных моделях магнитопроводы могут отсутствовать, а в некоторых изделиях применяют материалы из высокочастотного феррита или альсифера.

В связи с тем, что для характеристик ферромагнетиков характерна нелинейность намагничивания, сердечники набирают из листовых материалов, на которые надевают обмотки. Нелинейная индуктивность приводит к гистерезису, для уменьшения которого применяют метод шихтования магнитопроводов.

Форма сердечника может быть Ш-образной или торроидальной.

Базовые принципы действия

Когда на выводы первичных обмоток поступает синусоидальный ток, то он во второй катушке создает переменное магнитное поле, пронизывающее магнитопровод. В свою очередь, изменение магнитного потока провоцирует наведение ЭДС в катушках. При этом величина напряжения ЭДС в обмотках находится в пропорциональной зависимости от количества витков и частоты тока. Отношение количества витков в цепи первичной обмотки к числу витков вторичной катушки называется коэффициентом трансформации: k = W1 / W2, где символами W1 и W2обозначено количество витков в катушках.

Если k > 1, то трансформатор повышающий, а при 0 < k < 1 – понижающий. Например, когда число витков, из которых состоит первичная обмотка, в три раза меньше количества вторичных витков, то k = 1/3, тогда U2 = 1/3 U1.

Обмотка трансформатора из алюминиевого провода (основные типоразмеры):

Режимы работы

Характеристики трансформаторов определяются условиями работы, где ключевая роль отводится сопротивлению нагрузки. За основу берутся следующие режимы:

1. Холостого хода. Выводы вторичной цепи находятся в разомкнутом состоянии, сопротивление нагрузки приравнивается бесконечности. Измерения тока намагничивания, протекающего в первичной обмотке, даёт возможность подсчитать КПД трансформатора. При помощи этого режима вычисляется коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике;
2. Под нагрузкой (рабочий). Вторичная цепь нагружается определённым сопротивлением. Параметры протекающего по ней тока напрямую связаны с соотношением витков катушек.

   

3. Короткого замыкания. Концы вторичной обмотки закорочены, сопротивление нагрузки равно нулю. Режим информирует о потерях, которые вызываются нагревом обмоток, что на профессиональном языке значится «потерями в меди».

   

   Читайте также:  Как применяется карбид кальция для сварки, из чего он сделан

Информация о поведении трансформатора в различных режимах получаются опытным путём с использованием схем замещения.

Холостой ход (ХХ)

Такой порядок работы реализуется от размыкания вторичной сети, после чего в ней прекращается течение электротока. В первичной обмотке течет ток холостого хода, составной его элемент — ток намагничивающий.

Когда вторичный ток равен нулю, электродвижущая сила индукции в первичной обмотке целиком возмещает напряжение питающего источника, а потому при пропаже нагрузочных токов, идущий сквозь первичную обмотку ток по своему значению соответствует току намагничивающему.

Функциональное назначение работы трансформаторов вхолостую — определение их важнейших параметров:

• КПД;
• показателя трансформирования;
• потерь в магнитопроводе.

Режим нагрузки

Режим характеризуется функционированием устройства при подаче напряжения на вводы первичной цепи и подключении нагрузки во вторичной. Нагружающий ток идет по «вторичке», а в первичной — суммарный ток нагрузки и ток холостой работы. Этот режим функционирования считается для прибора преобладающим.

На вопрос, как работает трансформатор в основном режиме, отвечает основной закон ЭДС индукции. Принцип таков: подача нагрузки к вторичной обмотке вызывает образование во вторичной цепи магнитного потока, образующего в сердечнике нагружающий электроток. Направлен он в сторону, противоположную его течению, создающегося первичной обмоткой. В первичной цепи паритет электродвижущих сил поставщика электроэнергии и индукции не соблюдается, в первичной обмотке осуществляется повышение электротока до того времени, пока магнитный поток не вернется к своему исходному значению.

Короткое замыкание (КЗ)

Переход прибора в этот режим осуществляется при кратковременном замыкании вторичной цепи. Короткое замыкание — особый тип нагрузки, прилагаемая нагрузка — сопротивление вторичной обмотки — единственная.

Принцип работы трансформатора в режиме КЗ таков: к первичной обмотке приходит незначительное переменное напряжение, выводы вторичной соединяются накоротко. Напряжение на входе устанавливается с таким расчетом, чтобы величина замыкающего тока соответствовала величине номинального электротока устройства. Величина напряжения определяет энергопотери, приходящиеся на разогрев обмоток, а также на активное сопротивление.

Такой режим характерен для приборов измерительного типа.

Исходя из многообразия устройств и видов назначения трансформаторов, можно с уверенностью сказать, что на сегодня они — незаменимые, использующиеся практически повсеместно устройства, благодаря которым обеспечивается стабильность и достижение необходимых потребителю значений напряжения, как гражданских сетей, так и сетей предприятий промышленности.

Принцип работы

Принцип работы трансформатора базируется на эффекте взаимоиндукции. Поступление тока переменной частоты от стороннего поставщика электроэнергии на вводы первичной обмотки формирует в сердечнике магнитное поле с переменным потоком, проходящего через вторичную обмотку и индуцирующее образование электродвижущей силы в ней. Закорачивание на приемнике электроэнергии вторичной обмотки обуславливает прохождение сквозь приемник электротока из-за влияния электродвижущей силы, вместе с тем в первичной обмотке образуется ток нагрузки.

Назначение трансформатора — перемещение преобразованной электрической энергии (без перемены ее частоты) к вторичной обмотке из первичной с подходящим для функционирования потребителей напряжением.

Многослойные цилиндрические катушечные обмотки

Многослойные цилиндрические катушечные обмотки (рисунок 3) наматываются из круглого провода и состоят из многослойных дисковых катушек, расположенных вдоль стержня. Между катушками (через каждую катушку или через две-три катушки) могут быть оставлены радиальные каналы для охлаждения. Такие обмотки применяются на стороне высшего напряжения при Sст ≤ 335 кВ×А, Iст ≤ 45 А и Uл.н ≤ 35 кВ.

Конструкция

Устройство трансформатора предполагает наличие одной либо большего числа отдельных катушек (ленточных или проволочных), находящихся под единым магнитным потоком, накрученных на сердечник, изготовленный из ферромагнетика.

Важнейшие конструктивные части следующие:

• обмотка;
• каркас;
• магнитопровод (сердечник);
• охлаждающая система;
• изоляционная система;
• дополнительные части, необходимые в защитных целях, для установки, обеспечения подхода к выводящим частям.

В приборах чаще всего можно увидеть обмотку двух типов: первичную, получающую электроток от стороннего питающего источника, и вторичную, с которой напряжение снимается.

Сердечник обеспечивает улучшенный обратный контакт обмоток, обладает пониженным сопротивлением магнитному потоку.

Некоторые виды приборов, работающие на сверхвысокой и высокой частоте, производятся без сердечника.

Производство приборов налажено в трех базовых концепциях обмоток:

• броневой;
• тороидальной;
• стержневой.

Устройство трансформаторов стержневых подразумевает накручивание обмотки на сердечник строго горизонтальное. В приборах броневого типа она заключена в магнитопроводе, размещается горизонтально либо вертикально.

Надежность, эксплуатационные особенности, устройство и принцип действия трансформатора принимаются без какого-либо влияния принципа его изготовления.

Устройство трансформатора.

2.1. Магнитопровод. Магнитные материалы.

Назначение магнитопровода

заключается в создании для магнитного потока замкнутого пути, обладающего минимальным магнитным сопротивлением. Поэтому магнитопроводы для трансформаторов изготавливают из материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях. Материалы должны иметь малые потери на вихревые токи, чтобы не перегревать магнитопровод при достаточно больших значениях магнитной индукции, быть достаточно дешевыми и не требовать сложной механической и термической обработки.

Магнитные материалы

, используемые для изготовления магнитопроводов, выпускаются в виде отдельных листов, либо в виде длинных лент определенной толщины и ширины и называются
электротехническими сталями
. Листовые стали (ГОСТ 802-58) изготавливаются методом горячей и холодной прокатки, ленточные текстурованные стали (ГОСТ 9925-61) только методом холодной прокатки.

Также применяют железноникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллой, перминдюр и др. (ГОСТ 10160-62), и низкочастотные магнитомягкие ферриты.

Для изготовления разнообразных относительно недорогих трансформаторов широко применяются электротехнические стали

, имеющие небольшую стоимость и позволяющие трансформатору работать как при постоянном подмагничивании магнитопровода, так и без него. Наибольшее применение нашли холоднокатаные стали, имеющие лучшие характеристики по сравнению со сталями горячей прокатки.

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью

применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, предназначенных для работы при повышенных и высоких частотах 50 – 100 кГц.

Недостатком таких сплавов является их высокая стоимость. Так, например, стоимость пермаллоя в 10 – 20 раз выше стоимости электротехнической стали, а пермендюра – в 150 раз. Однако в ряде случаев их применение позволяет существенно снизить массу, объем и даже общую стоимость трансформатора.

Другим их недостатком является сильное влияние на магнитную проницаемость постоянного подмагничивания, переменных магнитных полей, а также низкая стойкость к механическим воздействиям – удар, давление и т.п.

Из магнитомягких низкочастотных ферритов

с высокой начальной проницаемостью изготавливают
прессованные магнитопроводы
, которые применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, работающих на высоких частотах от 50 – 100 кГц. Достоинством ферритов является невысокая стоимость, а недостатком является низкая индукция насыщения (0,4 – 0,5 Т) и сильная температурная и амплитудная нестабильность магнитной проницаемости. Поэтому их применяют лишь при слабых полях.

Выбор магнитных материалов производится исходя из электромагнитных характеристик с учетом условий работы и назначения трансформатора.

Конструктивные особенности трансформаторов

В основе конструкции прибора находятся вторичные и первичные обмотки, сердечник из ферромагнитного сплава (обычно замкнутого типа). Обмотки располагают на магнитном проводе, они связаны между собой индуктивным способом. Благодаря наличию магнитопривода аккумулируется значительная часть магнитного поля, и КПД устройства возрастает. Сам магнитопровод представляет собой комплекс металлических пластин, покрытых изоляцией. Изоляция нужна для предотвращения появления паразитных токов в сердечнике.

Достоинства и недостатки сердечников

• Наборные чаще применяются для устройства магнитопроводов с произвольным сечением, ограничивающимся только шириной пластин. Лучшие параметры имеют устройства трансформации напряжения с квадратным сечением. Недостатком такого типа сердечника считается необходимость плотного стягивания пластин, малый коэффициент заполнения пространства катушки, а также повышенное рассеивание магнитного поля устройства.
• Витые сердечники намного проще наборных в сборке. Весь сердечник Ш-образного типа состоит из четырёх частей, а П-образный тип имеет только две части в своей конструкции. Технические характеристики такого трансформатора гораздо лучше, нежели чем наборного. К недостаткам можно отнести необходимость минимального зазора между частями. При физическом воздействии пластины частей могут отслаиваться, и, в дальнейшем очень трудно добиться плотного их прилегания.
• Тороидальные сердечники имеют форму кольца, которое свито из трансформаторной железной ленты. Такие сердечники имеют самые лучшие технические характеристики и практически полное исключение рассеивания магнитного поля. Недостатком считается сложность намотки, особенно проводов с большим сечением.

В трансформаторах Ш-образного типа все обмотки обычно делаются на центральном стержне. В П-образном устройстве вторичная обмотка может наматываться на один стержень, а первичная — на другой. Особенно часто, встречаются конструктивные решения, когда разделённые пополам обмотки наматываются на оба стержня, а после соединяются между собой последовательно. При этом существенно сокращается расход провода для трансформатора, и улучшаются технические характеристики прибора.

Виды трансформаторов

С целью решения вопросов трансформации напряжения в различных цепях изобретены трансформаторы самых разных конструкций. Производители выбирают свои концепции магнитопроводов (см. рис. 4), которые не влияют на работу и параметры приборов:

• стержневой тип (применяется в основном для трехфазных конструкций);
• броневой тип (трехфазные аппараты);
• тороидальный тип сердечника часто используется в трансформаторах, применяемых в различных электротехнических устройствах.

Силовые

Силовой трансформатор переменного электротока — это прибор, использующийся в целях трансформирования электроэнергии в подводящих сетях и электроустановках значительной мощности.

Необходимость в силовых установках объясняется серьезным различием рабочих напряжений магистральных линий электропередач и городских сетей, приходящих к конечным потребителям, требующимся для функционирования работающих от электроэнергии машин и механизмов.

Автотрансформаторы

Устройство и принцип работы трансформатора в таком исполнении подразумевает прямое сопряжение первичной и вторичной обмоток, благодаря этому одновременно обеспечивается их электромагнитный и электрический контакт. Обмотки устройств имеют не менее трех выводов, отличающихся своим напряжением.

Основным достоинством этих приборов следует назвать хороший КПД, потому как преобразуется далеко не вся мощность — это значимо для малых расхождениях напряжений ввода и вывода. Минус — неизолированность цепей трансформатора (отсутсвтие разделения) между собой.

Тока

Можно первичную обмотку подключить последовательно в электрическую цепь с другими устройствами и получить гальваническую развязку. Такие приборы получили названия трансформаторов тока. Первичную цепь таких устройств контролируют путём изменения однофазной нагрузки, а вторичную катушку используют в цепях измерительных приборов или сигнализации. Второе название приборов – измерительные трансформаторы.

Особенностью работы измерительных трансформаторов является особый режим выходной обмотки. Она функционирует в критическом режиме короткого замыкания. При разрыве вторичной цепи возникает резкое повышение напряжения в ней, что может вызвать пробои или повреждение изоляции.

Напряжения

Типичное применение – изоляция логических цепей защиты измерительных приборов от высокого напряжения. Трансформатор напряжения – это понижающий прибор, преобразующий высокое напряжение в более низкое.

Импульсные

Данные виды трансформаторов необходимы для изменения коротких по времени видеоимпульсов, как правило, имеющих повторение в определенном периоде со значительной скважностью, с приведенным к минимуму изменением их формы. Цель использования — перенос ортогонального электроимпульса с наиболее крутым срезом и фронтом, неизменным показателем амплитуды.

Главным требованием, предъявляющимся к приборам данного типа, является отсутствие искажений при переносе формы преобразованных импульсов напряжения. Действие на вход напряжения какой-либо формы обуславливает получение на выходе импульса напряжения идентичной формы, но, вероятно, с другим диапазоном либо измененной полярностью.

Разделительный

Для разделительных трансформаторов взаимодействие между обмотками исключено. Устройства повышают безопасность электрооборудования при повреждённой изоляции.

Сварочный

Помимо вышеперечисленных, существует понятие сварочные трансформаторы. Специализированные приборы для сварочных работ понижают напряжение бытовой сети при одновременном повышении тока, измеряемого тысячами ампер. Регулировка последнего осуществляется разделением обмоток на сектора, что отражается на индуктивном сопротивлении.

Согласующий

Согласующие трансформаторы применяются для выравнивания сопротивлений между каскадами схем электроники. Сохраняя форму сигнала, они играют роль гальванической развязки.

Пик-трансформатор

С помощью пик-трансформатора синусоидальное напряжение преобразуется в импульсное. При этом импульсы меняют полярность с каждым полупериодом.

Сдвоенный дроссель

Особенностью сдвоенного дросселя является идентичность обмоток. Взаимная индукция катушек делает его более эффективным, по отношению стандартным дросселям. Устройства используются как входные фильтры в блоках питания, в звуко- и цифровой технике.

Воздушные и масляные

Силовые трансформаторы бывают сухими (с воздушным охлаждением) (см. рис. 7) и масляными (см. рис. 8).

Модели сухих силовых трансформаторов чаще всего используют для преобразований сетевых напряжений, в том числе и в схемах трехфазных сетей.

При подключении нагрузки происходит нагревание обмоток, что грозит разрушением электрической изоляции. Поэтому в сетях с напряжениями свыше 6 кВ работают приборы с масляным охлаждением. Специальное трансформаторное масло повышает надежность изоляции, что очень важно при больших выходных мощностях.

Вращающиеся

Применяются для обмена сигналами с вращающимися барабанами. Конструктивно состоят из двух половинок магнитопровода с катушками. Эти части вращаются относительно друг друга. Обмен сигналами происходит при больших скоростях вращения.

Производство обмоток и изоляции силовых трансформаторов — Типы обмоток

Страница 3 из 41

1. 3. ТИПЫ ОБМОТОК. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ОБЛАСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

По конструктивно-технологическим признакам различают следующие основные типы обмоток: цилиндрические; дисковые; непрерывные; переплетенные; винтовые. Выбор типа обмоток зависит от числа витков, размера, формы сечения и числа параллельных проводов, способа охлаждения, мощности трансформатора и других факторов. При выборе типа обмоток следует руководствоваться предъявляемыми к ним требованиями, а также и технологической возможностью их выполнения. Цилиндрическая обмотка. Эту обмотку выполняют однослойной, двухслойной и многослойной (рис. 1-3, а—в) из обмоточного провода как круглого, так и прямоугольного сечения. Слой обмотки составляют витки, уложенные вплотную в осевом направлении. Витки состоят из одного или нескольких параллельных проводов, располагаемых обычно рядом в осевом направлении обмотки. Соединение между слоями осуществляется переходом без пайки. Для выравнивания винтовой поверхности торцов крайних витков к ним прикрепляют киперной лентой полосы из электроизоляционного картона или разрезанные бумажно-бакелитовые клинообразные кольца, которые предохраняют крайние витки от механических повреждений и создают торцевую опорную поверхность обмотки.

Слоевые регулировочные обмотки имеют большую импульсную прочность, чем винтовые, и одновременно меньший радиальный размер. Слоевая обмотка находит применение и для более высоких классов напряжения (110 кВ и выше). Как показывают исследования [6, 9], напряжения между витками и слоями при импульсных воздействиях у слоевых обмоток значительно ниже и более равномерны, чем у секционных или непрерывных. Другой особенностью слоевых обмоток является сравнительно большая толщина межслойной изоляции. Для повышения механической прочности обмоток увеличивают опорную поверхность обмотки, устанавливая по ее торцам массивные опорные кольца из электроизоляционного картона или бумажно-бакелитовые. Слоевая обмотка для напряжения 110 кВ отличается от многослойной цилиндрической обмотки трансформаторов небольшой мощности до 35 кВ наличием масляных каналов между слоями, что наряду с повышением электрической прочности значительно улучшает ее охлаждение. При напряжениях 150 кВ и выше слоевая обмотка имеет, как правило, трапецеидальное поперечное сечение; осевая длина слоев уменьшается ступенями от внутреннего слоя к наружному, а расстояние от торца слоя до ярма соответственно увеличивается [4]. Наружный слой присоединяется к линии — это начало обмотки; конец внутреннего слоя образует ее нейтраль; таким образом, обмотка имеет ступенчатую главную изоляцию, увеличивающуюся от нейтрали к линейному концу. За последние годы цилиндрическая слоевая обмотка на высокие напряжения получила значительное распространение, особенно за рубежом, в качестве обмоток высокого напряжения мощных трансформаторов. В настоящее время созданы различные варианты конструкции таких обмоток, отличающиеся способом намотки, устройством межслойной изоляции и экранов. Каждый слой обмотки можно наматывать либо отдельно на жесткий цилиндр, насаживая их потом последовательно на стержень магнитопровода, либо производить намотку слоев последовательно один на другой с соответствующей изоляцией между слоями; в этом случае вся обмотка представляет собой одно целое и насаживается на стержень целиком. Межслоевая изоляция в одних конструкциях создается посредством жестких бумажно-бакелитовых цилиндров и угловых шайб, в других она выполняется в виде мягких бумажных цилиндров, выступающие торцы которых надсекают и отгибают, образуя горизонтальный барьер у торца слоя. В таких конструкциях применяют различные электростатические экраны для выравнивания и распределения напряжения по слоям обмотки при воздействии на нее импульсов. В одних конструкциях ограничиваются только «линейным» экраном, присоединяемым к началу обмотки, в других — устанавливают также внутренний экран, соединенный с концом «нейтралью» обмотки. Применяются также цилиндрические слоевые обмотки с емкостными кольцами у торцов слоев. Для высококачественного изготовления цилиндрической слоевой обмотки с намоткой всех слоев один на другой и с межслоевой изоляцией в виде бумажных отбортованных цилиндров необходимо обеспечить плотную намотку бумажного цилиндра, отбортовку его краев с образованием отворотов, плотно облегающих торцы слоя; уплотнение витков в слое в процессе его намотки с тем, чтобы исключить сколько-нибудь значительную усадку слоев при сушке обмотки. Контроль состояния изоляции следует проводить непосредственно на намоточном стайке, чтобы устранить случайные повреждения до намотки следующего слоя. Простота изготовления при налаженном производстве, хорошее охлаждение и малая вероятность замыкания между витками, компактность, хорошая изоляция слоев — все эти преимущества слоевой обмотки создают широкие возможности использования ее в мощных силовых трансформаторах высокого напряжения. Катушечная обмотка. При высоких напряжениях в случае применения цилиндрической многослойной обмотки напряжение между слоями может стать также очень большим, что затруднит обеспечение нужной прочности изоляции между соседними слоями и. Для уменьшения напряжения между слоями обмотку можно разделить в осевом направлении на несколько катушек. Таким образом, получается катушечная обмотка (рис. 1-4), состоящая из отдельных многослойных катушек (или, как их иногда называют, секций).

Непрерывность намотки достигается перекладыванием витков в катушках, как показано на рис. 1-8,а—з. Переходы из катушки в катушку (внутренний и наружный) осуществляются на уровне крайнего (соответственно внутреннего или наружного) витка изгибом провода на ребро. Как правило, число полей, занятых перестановкой (здесь полем назван пролет по окружности между двумя соседними прокладками), равно числу параллельных проводов. Число катушек непрерывной обмотки обычно четное, при этом начало и конец обмотки расположены либо оба снаружи, либо оба внутри обмотки (рис. 1-9,а, б). Нечетное число катушек применяют лишь в тех специальных случаях, когда необходимо вывести один конец снаружи, а другой — внутри обмотки (рис. 1-9,в). При целом числе параллельных витков в месте перехода радиальный размер катушки увеличивается на толщину одного провода, а осевой размер всей обмотки увеличивается на суммарную толщину дополнительной изоляции всех переходов.

Рис. 1-11. Комбинированная обмотка ВН на 220 кВ.

Преимуществом непрерывной обмотки является ее большая торцевая опорная поверхность и поэтому большая устойчивость по отношению к осевым усилиям при коротких замыканиях, а также большая поверхность охлаждения. Благодаря указанным преимуществам непрерывная обмотка применяется в трансформаторах в широком диапазоне мощностей и напряжений. Для обеспечения грозоупорности при напряжениях 110 кВ и выше обмотки ВН (наружные) имеют частичную емкостную защиту в виде емкостных колец и экранирующих витков, установленных на входных катушках обмотки (рис. 1-7,6). В новых конструкциях трансформаторов на 220—330 кВ зона входных катушек обмотки выполняется без экранирующих витков. Катушки входной зоны выполняются с переплетением витков, остальные катушки — непрерывной намоткой. Это так называемые комбинированные обмотки (рис. 1-11). Переплетенная обмотка. В современном трансформаторостроении это одна из лучших высоковольтных обмоток. Переплетенные обмотки нашли широкое применение в разработанных в последнее время трансформаторах классов напряжения 110—1200 кВ (см. рис. 7-3). При разработке трансформаторов с рабочим напряжением выше 500 кВ переплетенная обмотка является лучшей, способной обеспечить требуемый уровень импульсной прочности изоляции. Переплетением проводов соседних витков и катушек достигается увеличение емкостной связи между ними и благодаря этому выравнивание импульсных воздействий вдоль обмотки. В результате снижается напряжение, действующее между соседними катушками, что позволяет отказаться от применения экранирующих витков и дополнительной изоляции отдельных катушек. Непрерывная и переплетенная обмотка отличаются схемами, по которым располагаются витки (рис. 1-12). Если в непрерывных обмотках последовательность витков 1, 2, 3,то для переплетенных обмоток последовательность 1, (п/2+1), 2, (п/2 + 2), 3, (л/2+3),., (л/2-f-m), где п — число витков в паре катушек, т — порядковый номер витка. В переплетенной обмотке разность напряжений между соседними витками в п]2 раз больше, чем в непрерывной обмотке. Поэтому к изготовлению переплетенных обмоток представляются высокие технические требования (высококачественные пайки, переходы, большая плотность намотки b др.). Одновременно в связи с увеличением межвитковых напряжений повышаются технические требования к обмоточным проводам. Электрическая прочность их изоляции должна обеспечиваться за счет ее качества, а не путем увеличения толщины изоляции, так как это приведет к недопустимому росту габаритов обмоток. Рис. 1-12. Последовательность расположения витков в обмотке. а — непрерывная обмотка; б — переплетенная. Применение переплетенных обмоток позволяет также осуществлять дальнейшее усовершенствование главной маслобарьерной и продольной изоляции. Совершенствование конструкции переплетенных обмоток осуществляется путем применения проводов с увеличенной электрической прочностью изоляции. Выбор числа витков и расположение параллелей в катушке должны обеспечивать уменьшение воздействия на продольную изоляцию обмоток и изоляцию первого от обмотки канала главной изоляции. Винтовая обмотка (или иногда неправильно называемая спиральная обмотка) состоит из ряда витков, наматываемых по винтовой линии, с масляными каналами между ними (рис. 1-13). Каждый виток состоит из нескольких одинаковых параллельных прямоугольных проводов, укладываемых плашмя в радиальном направлении. Винтовую обмотку иногда называют многопараллельной обмоткой, так как общее число параллельных проводов в обмотке трансформатора большой мощности может достигать многих десятков. В зависимости от числа параллельных проводов и витков винтовая обмотка может выполняться одноходовой (рис. 1-13,а), двухходовой (рис. 1-13,6) или многоходовой, т. е вся обмотка состоит из двух или более отдельных винтовых обмоток, вмотанных в процессе намотки одна в другую. Каждый такой ход может состоять из нескольких (до 30—40) параллельных проводов. Вертикальный канал вдоль внутренней поверхности винтовой обмотки и каналы между ее витками образуются такими же рейками и прокладками, как и у непрерывной обмотки. Намотка может быть правой или левой. Винтовую поверхность первых крайних витков обмотки выравнивают путем постепенного увеличения высоты набора прокладок между торцом крайнего витка и опорным кольцом.

Высота набора прокладок по окружности для каждой рейки разная; она указывается на чертеже обмотки (развертке). Если высота набора превышает 25 мм, для устойчивости прокладок устанавливают сегменты или шайбы. Параллельные провода винтовой обмотки расположены концентрически и находятся на разных расстояниях от ее оси. Если не принять специальных мер, то провода, расположенные ближе к оси, будут короче, а более удаленные от нее — длиннее. Разница в длине и положении в магнитном поле рассеяния параллельных проводов вызывает неравенство их активных и индуктивных сопротивлений и, следовательно, неравномерное распределение тока между ними. Для обеспечения равномерного распределения тока по проводникам и соответственно уменьшения добавочных потерь многопараллельные обмотки выполняются с транспозицией (перекладкой параллельных проводов витка в процессе намотки). Транспозиция считается совершенной, если все проводники в результате транспозиции симметрично расположены по отношению к продольному магнитному полю; при несовершенной транспозиции возникают добавочные потери от циркулирующих токов в параллельных проводниках обмотки. Подробное описание добавочных потерь, обусловленных несовершенством транспозиций, дано в [5, 10—12]. В винтовых обмотках применяют различные виды транспозиций (рис. 1-14). В одноходовой обмотке обычно применяют комбинацию двух видов транспозиции — групповую, когда параллельные провода делятся на две группы и обе эти группы меняются местами, и общую, когда изменяется взаимное расположение всех параллельных проводов. Часто эти транспозиции (рис. 1-14,а) называют специальной (групповую) и стандартной (общую). В одноходовой винтовой обмотке применяют также транспозицию Бюда (рис. 1-14,6). Она состоит из двух групповых транспозиций и двух общих. В двухходовой винтовой обмотке применяют равномерно распределенную транспозицию (транспозиция Хобарта, рис. 1-14,в). При этом число перестановок в обмотке обычно равно числу параллельных проводов. В винтовых обмотках трансформаторов и автотрансформаторов большой мощности в последние годы широко применяются специальные транспонированные провода. По сравнению с обычными обмоточными проводами они значительно упрощают работу по намотке винтовых обмоток, так как не требуют выполнения транспозиций проводов, сильно замедляющего процесс намотки (см. гл. 5).

• Назад
• Вперед

Немного истории

Благодаря английскому физику Майклу Фарадею в 1831 году человечество познакомилось с электромагнитной индукцией. Великому учёному не суждено было стать изобретателем трансформатора, поскольку в его опытах фигурировал постоянный ток. Прообразом устройства можно считать необычную индукционную катушку француза Г. Румкорфа, которая была представлена учёному миру в 1848-м.

В 1876 году русский электротехник П. Н. Яблочков запатентовал трансформатор переменного тока с разомкнутым сердечником. Современному виду устройство обязано англичанам братьям Гопкинсон, а также румынами К. Циперановскому и О. Блати. С их помощью конструкция приобрела замкнутый магнитопровод и сохранила схему до наших дней.

Виды магнитопроводов

Расшифровка основных параметров

Разнообразие в конструкции и широкий диапазон параметров трансформаторов привели к необходимости их маркировки по специальному стандарту. Не имея под рукой технического описания, характеристики устройства можно выяснить по нанесённой на его поверхности информации, выраженной буквенно-цифровым кодом.

Маркировка силовых трансформаторов содержит 4 блока.

Расшифруем первые три блока:

1. Первая буква «А» прикреплена за автотрансформаторами. При её отсутствии буквы «Т» и «О» соответствуют трёхфазным и однофазным трансформаторам.
2. Наличие далее буквы «Р» информирует об устройствах с расщеплённой обмоткой.
3. Третья буква означает охлаждение, масляной естественной системе охлаждения присвоена литера «М». Естественному воздушному охлаждению выделена буква «С», масляное с принудительным обдувом обозначается «Д», с принудительной циркуляцией масла – «Ц». Сочетание «ДЦ» указывает на наличие принудительной циркуляции масла с одновременным воздушным обдувом.
4. Литерой «Т» помечаются трёхобмоточные преобразователи.
5. Последний знак характеризует особенности трансформатора:

• «Н» – РПН(регулировка напряжения под нагрузкой);
• пробел – переключение без возбуждения;
• «Г» – грозозащищенный.

Ремонт и техническое обслуживание

Надежность силовых трансформаторов напрямую зависит от качества и своевременности их обслуживания. Устройства, установленные в помещениях, где работает персонал предприятия, подвергаются ежедневному осмотру с контролем показателей уровня масла, состояния поглотителя и устройств регенерации. Кроме того, проверяется целостность корпуса и основных элементов. Трансформаторы в помещениях без персонала осматриваются раз в месяц, а трансформаторные пункты – дважды в год.

Внеплановый осмотр силового трансформатора и его систем защиты проводится при резком изменении температуры окружающего воздуха, а также при аварийных режимах. Периодическому обслуживанию подвергаются и устройства регулировки напряжения. Причина – окисление контактных групп, что приводит к возрастанию их переходного сопротивления. Перед сезонными изменениями нагрузки (обычно дважды в год) устройство отключается от потребителей и питания, после чего регулятор напряжения переводится последовательно во все возможные положения. Процедура способствует разрушению пленки окислов.

Лабораторный анализ масла производится каждый год при капитальном ремонте. Если масло не удовлетворяет требованиям при визуальном осмотре (цвет) или по данным обследования, производится его замена или доливка.

Техника безопасности

В процессе эксплуатации требуется соблюдение определенных правил:

• при появлении трещин на корпусе, шума или вибрации автотрансформатор немедленно отключается;
• запрещено оставлять без присмотра оборудование, для которого предусмотрен непрерывный контроль;
• нельзя подключать двигатель, мощность которого больше чем на 70% превышает мощность автотрансформатора;
• это приборы нельзя использовать открытыми, накрывать, закрывать отверстия для вентиляции, размещать на них другое оборудование или предметы.

При проведении ремонта автотрансформатора или прибора, в состав которого он входит, обязательно отключение от электросети.

Виды трансформаторов

В зависимости от своего применения и характеристик трансформаторы бывают нескольких видов. К примеру, в электрических сетях населенных пунктов, промышленных предприятий применяют трансформаторы силовые, основной задачей которых является понижение напряжения в сети до общепринятого – 220 В. Если трансформатор предназначен для регулировки тока, он называется трансформатор тока, а если устройство регулирует напряжение – то это трансформатор напряжения. В обычных сетях применяются однофазные трансформаторы, в сетях на три провода (фаза, ноль, заземление) нужен трехфазный трансформатор. Бытовой трансформатор, 220В предназначается для защиты бытовой техники от перепадов напряжения.

Сварочный трансформатор предназначен для разделения сварочной и силовой сети, для понижения напряжения в сети до нужной для сварки величины. Масляный трансформатор предназначается для использования в сетях с напряжением выше 6 000 Вольт. Конструкция трансформатора включает в себя: магнитопровод, обмотки, бак, а также крышки с вводами. Магнитопровод состоит из 2 листов электротехнической стали, которые изолированы друг от друга, обмотки, как правило, делают из алюминиевого или медного провода. Регулировка напряжения производится с помощью ответвления, которое соединяется с переключателем. Существует два вида переключения ответвлений: переключение под нагрузкой — РПН (регулирование под нагрузкой), а также без нагрузки, после того, как трансформатор отключен от внешней сети (ПБВ, или переключение без возбуждения). Большее распространение получил второй способ регулировки напряжения.

Говоря о видах трансформаторов, нельзя не рассказать об электронном трансформаторе. Электронный трансформатор представляет собой специализированный источник питания, который служит для преобразования напряжения 220В в 12 (24)В, при большой мощности. Электронный трансформатор намного меньше обычного, при тех же самых параметрах нагрузки.

Источники

• https://www.asutpp.ru/transformator-prostymi-slovami.html
• https://OFaze.ru/elektrooborudovanie/transformator
• https://ProTransformatory.ru/vidy/naznachenie-i-ustrojstvo
• https://agregat-impuls.ru/info/24-tipy-i-klassifikacija-transformatorov.html
• https://oooevna.ru/vidy-transformatorov/

Системы охлаждения силовых трансформаторов

Выделяют несколько систем охлаждения силового трансформатора. Среди них:

• естественное воздушное М — естественная конвекция масла;
• принудительное воздушное Д — охлаждающие поверхности уменьшают коэффициент теплоотдачи в 1,5-2 раза;
• естественное воздушное МЦ — применяется редко, принцип основан на действии насоса;
• принудительное воздушное ДЦ — насосы и вентиляторы, для трансформаторов от 100 МВ-А;
• принудительное водяное Ц — используется вода, циркулирующая по трубам;
• принудительное воздушное НДЦ — циркуляция масла в охлаждающих каналах;
• принудительное водяное НЦ — единичный НДЦ, но есть независимые контуры.

Система охлаждения побирается в зависимости от мощности. Для вариантов с малыми показателями достаточно естественного. Трансформаторы на больших производствах оснащаются системами НДЦ, ДЦ или НЦ.