Трансформаторы

1.

ТРАНСФОРМАТОРЫ

2.

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство,
имеющее две (или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенное
для преобразования посредством явления электромагнитной индукции одной
(первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему
переменного тока.
Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопровода (сердечника),
выполненного из ферромагнитного материала (обычно листовая электротехническая
сталь), и двух обмоток, расположенных на стержнях магнитопровода (рис. 1.1, а).
Одна из обмоток, которую называют первичной, присоединена к источнику
переменного тока Г на напряжение U1. К другой обмотке, называемой вторичной,
подключен потребитель Zн. Первичная и вторичная обмотки трансформатора не имеют
электрической связи друг с другом, и мощность из одной обмотки в другую передается
электромагнитным путем. Магнитопровод, на котором расположены эти обмотки,
служит для усиления индуктивной связи между обмотками.
б)
Рис. 1.1. Электромагнитная (а) и принципиальная (б) схемы трансформатора

3.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной
индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного
тока в витках этой обмотки протекает переменный ток i1, который создает в
магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в
магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками (первичной и
вторичной) и индуцирует в них ЭДС:
в первичной обмотке ЭДС самоиндукции
e1 = –w1(dФ/dt),
во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции
е2 = –w2(dФ/dt),
где w1 и w2 — число витков в первичной и вторичной обмотках
трансформатора.
При подключении нагрузки Zн к выводам вторичной обмотки
трансформатора под действием ЭДС е2 в цепи этой обмотки создается ток
i2, а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U2.
В повышающих трансформаторах U2 > U1, а в понижающих U2 < U1.

4.

Трансформатор, у которого число витком W2 вторичной обмотки меньше числа
витков W1 первичной обмотки, называется понижающим, а трансформатор, у
которого число витков W2 вторичной обмотки больше числа витков W1, первичной
обмотки, называется повышающим.
Величина напряжения на концах первичной обмотки трансформатора так относится
к величине напряжения на концах вторичной обмотки, как число витков первичной
обмотки, к числу витков вторичной обмотки.
E1 W1
K
E 2 W2
или
U1 /U2 = W1 / W2 =К
U1— напряжение в первичной обмотке;
U2 — напряжение во вторичной обмотке;
W1—число витков первичной обмотки;
W2— число витков вторичной обмотки;
К — коэффициент трансформации;
Е - э.д.с. первичной и вторичной обмоток, В.
Электродвижущая сила:
E 4,44d W ФМ
где d – частота сети, Гц;
W– число витков (для первичной обмотки W1, для вторичной обмотки W2);
Фм – максимальное значение магнитного потока, Вб.

5.

Режимы работы трансформатора
1. Режим холостого хода. Данный режим характеризуется разомкнутой
вторичной цепью трансформатора, вследствие чего ток в ней не течёт.
С помощью опыта холостого хода можно определить КПД
трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в
сердечнике.
2. Нагрузочный режим. Этот режим характеризуется работой
трансформатора с подключенными источником в первичной и
нагрузкой во вторичной цепи трансформатора. Данный режим
является основным рабочим для трансформатора.
3. Режим короткого замыкания. Этот режим получается в результате
замыкания вторичной цепи накоротко. С его помощью можно
определить потери полезной мощности на нагрев проводов в цепи
трансформатора. Это учитывается в схеме замещения реального
трансформатора при помощи активного сопротивления.

6.

Классифицируют трансформаторы по нескольким
признакам:
по назначению – силовые общего и специального назначения,
импульсные, для преобразования частоты и т.д.;
по виду охлаждения – с воздушным (сухие трансформаторы) и
масляным (масляные трансформаторы) охлаждением;
по числу трансформируемых фаз – однофазные и трехфазные;
по форме магнитопровода
бронестержневые, тороидальные;
—
стержневые,
броневые,
по числу обмоток на фазу — двухобмоточные, многообмоточные.

7.

Свойства трансформатора определяются его номинальными параметрами:
1)номинальное первичное линейное напряжение U1ном, В или кВ; 2) номинальное
вторичное линейное напряжение U2ном(напряжение на выводах вторичной обмотки при
отключенной нагрузке и номинальном первичном напряжении), В или кВ; 3)
номинальные линейные токи в первичной I1ном и вторичной I2ном обмотках, А; 4)
номинальная полная мощность Sном, кВ·А (для однофазного трансформатора Sном
=U1ном I1ном, для трехфазного –
Sном 3U1ном I1ном
Номинальные линейные токи вычисляют по номинальной мощности
трансформатора: для трехфазного трансформатора
I1ном
Sном
S ном103
S ном103
; I 2 ном
3U1ном
3U 2 ном
— номинальная мощность трехфазного трансформатора, кВ·А.
Каждый трансформатор рассчитан для включения в сеть переменного тока
определенной частоты. В России трансформаторы общего назначения рассчитаны на
частоту f = 50 Гц (в некоторых других странах f = 60 Гц), в устройствах автоматики и
связи применяют трансформаторы на частоты 50, 400 или 1000 Гц.

8.

Типы трансформаторов
Силовой трансформатор переменного тока — трансформатор,
предназначенный для преобразования электрической энергии в
электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и
использования электрической энергии.
Слово «силовой» отражает работу данного вида трансформаторов с
большими мощностями.
Необходимость
применения
силовых
трансформаторов
обусловлена
различной
величиной
рабочих
напряжений ЛЭП (35-750 кВ), городских электросетей (как правило 6,10
кВ), напряжения, подаваемого конечным потребителям (0,4 кВ, они же
380/220 В) и напряжения, требуемого для работы электромашин и
электроприборов (самые различные от единиц вольт до сотен киловольт).
Силовой трансформатор постоянного тока используется для
непосредственного преобразования напряжения в цепях постоянного
тока.
Термин «силовой» показывает отличие таких трансформаторов от
измерительных устройств класса «Трансформатор постоянного тока».

9.

Автотрансформа́тор — вариант трансформатора, в котором
первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт
этого не только электромагнитную связь, но и электрическую. Обмотка
автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3),
подключаясь к которым, можно получать разные напряжения.
Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД,
поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию — это
особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются
незначительно.
Недостатком
является
отсутствие
электрической
изоляции
(гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью.
Применение автотрансформаторов экономически оправдано вместо
обычных трансформаторов для соединения эффективно заземленных
сетей с напряжением 110 кВ и выше при коэффициентах трансформации
не более 3-4. Существенным достоинством является меньший расход
стали для сердечника, меди для обмоток, меньший вес и габариты, и в
итоге — меньшая стоимость.

10.

Трансформа́тор то́ка — трансформатор, питающийся от источника тока.
Типичное применение — для снижения первичного тока до величины,
используемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации,
кроме того, трансформатор тока осуществляет гальваническую развязку
(отличие от шунтовых схем измерения тока).
Номинальное значение тока вторичной обмотки 1 А, 5 А.
Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь с измеряемым
переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы.
Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, равен току
первичной обмотки, деленному на коэффициент трансформации.
ВНИМАНИЕ! Вторичная обмотка токового трансформатора должна быть
надёжно замкнута на низкоомную нагрузку измерительного прибора или
накоротко. При случайном или умышленном разрыве цепи возникает скачок
напряжения, опасный для изоляции, окружающих электроприборов и жизни
техперсонала! Поэтому по правилам технической эксплуатации необходимо
неиспользуемые вторичные обмотки закорачивать, а все вторичные обмотки
трансформаторов тока подлежат заземлению.

11.

Трансформатор напряжения — трансформатор, питающийся от
источника напряжения. Типичное применение — преобразование
высокого напряжения в низкое в цепях, в измерительных цепях и цепях
РЗиА.
Применение трансформатора напряжения позволяет изолировать
логические цепи защиты и цепи измерения от цепи высокого напряжения.
Трансформатор напряжения
Трансформатор тока

12.

Импульсный трансформатор — это трансформатор, предназначенный
для преобразования импульсных сигналов с длительностью импульса до
десятков микросекунд с минимальным искажением формы импульса.
Основное применение заключается в передаче прямоугольного
электрического импульса (максимально крутой фронт и срез, относительно
постоянная амплитуда). Он служит для трансформации кратковременных
видеоимпульсов напряжения, обычно периодически повторяющихся с
высокой скважностью. В большинстве случаев основное требование,
предъявляемое к ИТ заключается в неискажённой передаче формы
трансформируемых импульсов напряжения; при воздействии на вход ИТ
напряжения той или иной формы на выходе желательно получить импульс
напряжения той же самой формы, но, быть может, иной амплитуды или
другой полярности.

13.

Разделительный трансформатор — трансформатор, первичная
обмотка которого электрически не связана со вторичными обмотками.
Силовые разделительные трансформаторы предназначены для повышения
безопасности электросетей, при случайных одновременных прикасаниях к
земле и токоведущим частям или нетоковедущим частям, которые могут
оказаться под напряжением в случае повреждения изоляции. Сигнальные
разделительные трансформаторы обеспечивают гальваническую развязку
электрических цепей.

14.

Согласующий трансформатор — трансформатор, применяемый для
согласования сопротивления различных частей (каскадов) электронных
схем при минимальном искажении формы сигнала. Одновременно
согласующий трансформатор обеспечивает создание гальванической
развязки между участками схем.
Пик-трансформатор — трансформатор, преобразующий напряжение
синусоидальной формы в импульсное напряжение с изменяющейся через
каждые полпериода полярностью.

15.

Сдвоенный дроссель (встречный индуктивный фильтр) —
конструктивно является трансформатором с двумя одинаковыми
обмотками. Благодаря взаимной индукции катушек он при тех же
размерах более эффективен, чем обычный дроссель. Сдвоенные
дроссели получили широкое распространение в качестве входных
фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах
цифровых линий, а также в звуковой технике.
Трансфлюксор — разновидность трансформатора, используемая для
хранения информации. Основное отличие от обычного трансформатора —
это большая величина остаточной намагниченности магнитопровода.
Иными словами трансфлюксоры могут выполнять роль элементов памяти.
Помимо этого трансфлюксоры часто снабжались дополнительными
обмотками, обеспечивающими начальное намагничивание и задающими
режимы их работы. Эта особенность позволяла (в сочетании с другими
элементами) строить на трансфлюксорах схемы управляемых генераторов,
элементов сравнения и искусственных нейронов.

16.

Основными частями конструкции трансформатора являются:
Магнитопровод , обмотки, каркас для обмоток, изоляция, система
охлаждения, прочие элементы (для монтажа, доступа к выводам обмоток,
защиты трансформатора и т. п.)
В практичной конструкции трансформатора производитель выбирает между
тремя различными базовыми концепциями:
Стержневой
Броневой
Тороидальный
Стержневой тип трёхфазных
трансформаторов
Броневой тип трёхфазных
трансформаторов

17.

Любая из этих концепций не влияет на эксплуатационные характеристики
или эксплуатационную надёжность трансформатора, но имеются
существенные различия в процессе их изготовления. Каждый
производитель выбирает концепцию, которую он считает наиболее
удобной с точки зрения изготовления, и стремится к применению этой
концепции на всём объёме производства.
В то время как обмотки стержневого типа заключают в себе сердечник,
сердечник броневого типа заключает в себе обмотки. Если смотреть на
активный компонент (т. e. сердечник с обмотками) стержневого типа,
обмотки хорошо видны, но они скрывают за собой стержни магнитной
системы сердечника. Видно только верхнее и нижнее ярмо сердечника. В
конструкции броневого типа сердечник скрывает в себе основную часть
обмоток.
Ещё одно отличие состоит в том, что ось обмоток стержневого типа, как
правило, имеет вертикальное положение, в то время как в броневой
конструкции она может быть горизонтальной или вертикальной.

18.

Магнитная система (магнитопровод) трансформатора выполняется из
электротехнической
стали,
пермаллоя,
феррита
или
другого
ферромагнитного материала в определённой геометрической форме.
Предназначается для локализации в нём основного магнитного поля
трансформатора.
Магнитопровод в зависимости от материала и конструкции может
набираться из пластин, прессоваться, навиваться из тонкой ленты,
собираться из 2-х, 4-х и более «подков».
Магнитная система в полностью собранном виде совместно со всеми
узлами и деталями, служащими для скрепления отдельных частей в единую
конструкцию, называется остовом трансформатора.
Часть магнитной системы, на которой располагаются основные обмотки
трансформатора, называется стержень.
Часть магнитной системы трансформатора, не несущая основных обмоток и
служащая для замыкания магнитной цепи, называется ярмо.

19.

В зависимости
выделяют:
от
пространственного
расположения
стержней,
Плоская магнитная система — магнитная система, в которой
продольные оси всех стержней и ярм расположены в одной плоскости
Пространственная магнитная система — магнитная система, в которой
продольные оси стержней или ярм, или стержней и ярм расположены в
разных плоскостях
Симметричная магнитная система — магнитная система, в которой
все стержни имеют одинаковую форму, конструкцию и размеры, а
взаимное расположение любого стержня по отношению ко всем ярмам
одинаково для всех стержней
Несимметричная магнитная система — магнитная система, в которой
отдельные стержни могут отличаться от других стержней по форме,
конструкции или размерам или взаимное расположение какого-либо
стержня по отношению к другим стержням или ярмам может отличаться
от расположения любого другого стержня

20.

Обмотки
Основным элементом обмотки является виток — электрический проводник, или ряд
параллельно соединённых таких проводников (многопроволочная жила), однократно
обхватывающий часть магнитной системы трансформатора, электрический ток
которого совместно с токами других таких проводников и других частей
трансформатора создаёт магнитное поле трансформатора и в котором под действием
этого магнитного поля наводится электродвижущая сила.
Обмотка — совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой
суммируются ЭДС, наведённые в витках. В трёхфазном трансформаторе под обмоткой
обычно подразумевают совокупность обмоток одного напряжения трёх фаз,
соединяемых между собой.
Сечение проводника обмотки в силовых трансформаторах обычно имеет квадратную
форму для наиболее эффективного использования имеющегося пространства (для
увеличения коэффициента заполнения в окне сердечника). При увеличении площади
сечения проводника он может быть разделён на два и более параллельных
проводящих элементов с целью снижения потерь на вихревые токи в обмотке и
облегчения функционирования обмотки. Проводящий элемент квадратной формы
называется жилой.
Транспонированный кабель
Дисковая обмотка

21.

Каждая жила изолируется при помощи либо бумажной обмотки, либо
эмалевого лака. Две отдельно изолированных и параллельно соединённых
жилы иногда могут иметь общую бумажную изоляцию. Две таких
изолированных жилы в общей бумажной изоляции называются кабелем.
Особым
видом
проводника
обмотки
является
непрерывно
транспонированный кабель. Этот кабель состоит из жил, изолированных
при помощи двух слоёв эмалевого лака, расположенных в осевом
положении друг к другу, как показано на рисунке. Непрерывно
транспонированный кабель получается путём перемещения внешней
жилы одного слоя к следующему слою с постоянным шагом и применения
общей внешней изоляции.
Бумажная обмотка кабеля выполнена из тонких (несколько десятков
микрометров) бумажных полос шириной несколько сантиметров,
намотанных вокруг жилы. Бумага заворачивается в несколько слоёв для
получения требуемой общей толщины.

22.

Обмотки разделяют по:
Назначению
Основные — обмотки трансформатора, к которым подводится энергия
преобразуемого или от которых отводится энергия преобразованного
переменного тока.
Регулирующие — при невысоком токе обмотки и не слишком
широком диапазоне регулирования, в обмотке могут быть
предусмотрены
отводы
для
регулирования
коэффициента
трансформации напряжения.
Вспомогательные — обмотки, предназначенные, например, для
питания сети собственных нужд с мощностью существенно меньшей,
чем номинальная мощность трансформатора, для компенсации третей
гармонической магнитного поля, подмагничивания магнитной системы
постоянным током, и т. п.

23.

Исполнению
Рядовая обмотка — витки обмотки располагаются в осевом
направлении во всей длине обмотки. Последующие витки
наматываются плотно друг к другу, не оставляя промежуточного
пространства.
Винтовая обмотка — винтовая обмотка может представлять
собой вариант многослойной обмотки с расстояниями между каждым
витком или заходом обмотки.
Дисковая обмотка — дисковая обмотка состоит из ряда дисков,
соединённых последовательно. В каждом диске витки наматываются
в радиальном направлении в виде спирали по направлению внутрь и
наружу на соседних дисках.
Фольговая обмотка — фольговые обмотки выполняются из
широкого медного или алюминиевого листа толщиной от десятых
долей миллиметра до нескольких миллиметров.

24.

Схемы и группы соединения обмоток трёхфазных трансформаторов
Существуют три основных способа соединения фазовых обмоток каждой
стороны трёхфазного трансформатора:
• Y-соединение («звезда»), где каждая обмотка соединена одним из
концов с общей точкой, называемой нейтральной. Различают «звезду» с
выводом от общей точки (обозначение Y0 или Yn ) и без него ( Y )
• ∆-соединение («треугольник»), где три фазных обмотки соединены
последовательно
• Z-соединение («зигзаг»). При данном способе соединения каждая
фазная обмотка состоит из двух одинаковых частей, размещенных на
разных стержнях магнитопровода и соединенных последовательно,
встречно. Полученные три фазные обмотки соединяются в общей точке,
аналогично «звезде». Обычно применяется «зигзаг» с отводом от общей
точки ( Zo )
Как первичная, так и вторичная обмотки трансформатора могут быть
соединены любым из трёх способов, в любых комбинациях. Конкретный
способ и комбинация определяются назначением трансформатора.

25.

Y- соединение обычно применяется для обмоток, работающих под высоким
напряжением. Это объясняется многими причинами:
обмотки трехфазного автотрансформатора могут быть соединены только
«звездой»;
когда вместо одного сверхмощного трехфазного трансформатора применяют три
однофазных автотрансформатора соединить их иным способом невозможно;
когда вторичная обмотка трансформатора питает высоковольтную линию,
наличие заземленной нейтрали снижает перенапряжения при ударе молний. Без
заземления нейтрали невозможна работа дифференциальной защиты линии, в
части утечки на землю. При этом первичные обмотки всех принимающих
трансформаторов на этой линии не должны иметь заземленной нейтрали;
существенно упрощается конструкция регуляторов напряжения (переключателей
отпаек). Размещение отпаек обмотки с «нейтрального» конца обеспечивает
минимальное количество групп контактов. Снижаются требования к изоляции
переключателя, так как он работает при минимальном напряжении относительно
Земли;
это соединение наиболее технологично и наименее металлоемко.

26.

Соединение в «треугольник» применяется в трансформаторах, где одна
обмотка уже соединена «звездой», в особенности с выводом нейтрали.
Эксплуатация все еще широко распространенных трансформаторов со
схемой Y/Y0 оправдана, если нагрузка на его фазы одинаковая
(трехфазный двигатель, трехфазная электропечь, строго рассчитанное
уличное освещение и пр.)
Если же нагрузка несимметричная (бытовая и прочая однофазная), то
магнитный поток в сердечнике выходит из равновесия, а
нескомпенсированный магнитный поток (так называемый «поток
нулевой последовательности») замыкается через крышку и бак, вызывая
их нагрев и вибрацию. Первичная обмотка не может этот поток
скомпенсировать, так как её конец соединен с виртуальной нейтралью,
не соединенной с генератором. Выходные напряжения будут искажены
(возникнет «перекос фаз»). Для однофазной нагрузки такой
трансформатор по сути является дросселем с разомкнутым сердечником,
и полное его сопротивление велико. Ток однофазного короткого
замыкания будет сильно занижен по сравнению с расчетным (для
трехфазного короткого замыкания), что делает ненадежной работу
защитной аппаратуры.

27.

Если же первичная обмотка соединена треугольником (трансформатор со
схемой Δ/Y0), то обмотки каждого стержня имеют два вывода как к нагрузке,
так и к генератору, и первичная обмотка может подмагничивать каждый
стержень в отдельности, не влияя на два других и не нарушая магнитное
равновесие. Однофазное сопротивление такого трансформатора будет
близко к расчетному, перекос напряжения практически устранен.
С другой стороны, у обмотки треугольником усложняется конструкция
переключателя отпаек (контакты под высоким напряжением).
Соединение обмотки треугольником позволяет циркулировать третьей и
кратным ей гармоникам тока внутри кольца, образованного тремя
последовательно соединёнными обмотками. Замыкание токов третьей
гармоники необходимо для снижения сопротивления трансформатора
несинусоидальным токам нагрузки (нелинейная нагрузка)и поддержания его
напряжения синусоидальным. Третья гармоника тока во всех трёх фазах
имеет одинаковое направление, данные токи не могут циркулировать в
обмотке, соединённой звездой с изолированной нейтралью.

28.

Недостаток троичных синусоидальных токов в намагничивающем токе может
привести к значительным искажениям наведённого напряжения, в случаях, если у
сердечника 5 стержней, или он исполнен в броневом варианте. Соединённая
треугольником обмотка трансформатора устранит данное нарушение, так как
обмотка с соединением треугольником обеспечит затухание гармонических токов.
Иногда в трансформаторах предусмотрено наличие третичной Δ-соединённой
обмотки, предусмотренной не для зарядки, а для предотвращения искажения
напряжения и понижения полного сопротивления нулевой последовательности.
Такие
обмотки
называются
компенсационными.
Распределительные
трансформаторы, предназначенные для зарядки, между фазой и нейтралью на
стороне первого контура, снабжены обычно соединённой треугольником обмоткой.
Однако ток в соединённой треугольником обмотке может быть очень слабым для
достижения минимума номинальной мощности, а требуемый размер проводника
обмотки чрезвычайно неудобен для заводского изготовления. В подобных случаях
высоковольтная обмотка может быть соединена звездой, а вторичная обмотка —
зигзагообразно. Токи нулевой последовательности, циркулирующие в двух отводах
зигзагообразно соединённой обмотки будут балансировать друг друга, полное
сопротивление нулевой последовательности вторичной стороны главным образом
определяется полем рассеяния магнитного поля между двумя разветвлениями
обмоток, и выражается весьма незначительной цифрой.

29.

При использовании соединения пары обмоток различными способами
возможно достигнуть различных степеней напряжения смещения между
сторонами трансформатора.
Сдвиг фаз между ЭДС первичной и вторичной обмоток принято выражать
группой соединений. Для описания напряжения смещения между
первичной и вторичной, или первичной и третичной обмотками,
традиционно используется пример с циферблатом часов. Так как этот сдвиг
фаз может изменяться от 0° до 360°,а кратность сдвига составляет 30°, то для
обозначения группы соединений выбирается ряд чисел от 1 до 12, в
котором каждая единица соответствует углу сдвига в 30°. Одна фаза
первичной указывает на 12, а соответствующая фаза другой стороны
указывает на другую цифру циферблата.
Наиболее часто используемая комбинация Yd11 означает, например,
наличие 30º смещения нейтрали между напряжениями двух сторон

30.

Г
р
у
п
п
ы
с
о
е
д
и
н
е
н
и
я
о
б
м
о
т
о
к