Трансформатор тепловое действие тока

Тепловой режим трансформатора. Часть 1

Всем доброго времени суток! Работа реального трансформатора, как любого неидеального устройства сопровождается потерями мощности, которые выделяются в виде тепла и нагревают трансформатор. Чрезмерный нагрев приводит к ускоренному выходу трансформатора из строя. Поэтому необходимо достаточно точно определять температуру нагрева и правильно оценивать температурный режим. Тема тепловых расчетов достаточно объёмная, поэтому разделена на две части.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Конструкция и принцип действия трансформатора тока

Трансформаторы тока конструктивно состоят из:

• замкнутого магнитопровода;
• 2-х обмоток (первичной, вторичной).

Поскольку сопротивление измерительных устройств незначительно, то принято считать, что все трансформаторы тока работают в режиме близком к КЗ.

Это означает, что геометрическая сумма магнитных потоков равна разности потоков, генерируемых обеими обмотками.

Традиционно трансформаторы тока выпускают с несколькими группами вторичных обмоток, одна из которых предназначена для подключения аппаратов защиты, другие – для включения приборов контроля, диагностики и учета.

К этим обмоткам в обязательном порядке должна быть подключена нагрузка.

Ее сопротивление строго регламентируется, так как даже незначительное отклонение от нормируемой величины может привести к увеличению погрешности и как следствие снижению качества измерения, неселективной работе РЗ.

Интересное видео о трансформаторах тока смотрите ниже:

Погрешность ТТ определяется в зависимости от:

• сечения магнитопровода;
• проницаемости используемого для производства магнитопровода материала;
• величины магнитного пути.

Значительное возрастание сопротивления нагрузки во вторичной цепи генерирует повышенное напряжение во вторичной цепи, что приводит к пробою изоляции и, как следствие, выходу из строй трансформатора.

Предельное значение сопротивление нагрузки указывается в справочных материалах.

Принцип действия

Принцип работы однофазного трансформатора основан на законе, согласно которому действующее в витке переменное э/м поле наводит ЭДС в расположенном рядом проводнике. Явление названо законом электромагнитной индукции Фарадея, который первым обнаружил этот интересный эффект. Для его обоснования ученый разработал целую теорию, которая легла в основу работы большинства современных электротехнических устройств и агрегатов.

Основные ее положения:

• при прохождении тока через виток провода вокруг него формируется магнитный поток, захватывающий все такие же витки, расположенные рядом;
• под воздействием этого потока в них наводится ЭДС, по форме изменений совпадающая с исходным полем;
• при наличии в нем ферромагнетика действие этого эффекта усиливается.

Все эти принципы заложены в основу действия современного трансформаторного изделия. При подключении к вторичной обмотке нагрузки рабочая цепь замыкается, а энергия практически без потерь передается потребителю.

Принцип работы автотрансформатора

А сейчас, для лучшего понимания основного принципа работы автотрансформаторов, рассмотрим процессы, которые в них происходят.

В качестве примера, мы возьмем автотрансформатор, который может как повышать напряжение на выходе, так и уменьшать его, относительно начального. Общее количество витков медного провода у него, для удобства расчетов, равно 20, выглядит он следующим образом:

Как видите, у такой модели, есть уже четыре точки подключения к общей обмотке: A1, a2, a3 и X .

К контактам A1 и N – подключается источник переменного электрического тока, например, питание стандартной городской электросети, с напряжением(U1), в нашем случае это стандартные 220В. Всего между этими точками 18 витков медной проволоки, этот участок спирали обозначен как W1, он считается первичной обмоткой автотрансформатора.

Измерительные трансформаторы

В этом классе работают два вида устройств, обеспечивающих в целях измерения параметров сети преобразования:

1. тока
2. напряжения

Измерительные трансформаторы создаются с высоким классом точности. Во время эксплуатации их метрологические характеристики периодически подвергают поверке на правильность измерения как величин, так и углов отклонения векторов тока и напряжения.

Трансформаторы тока

Главная особенность их устройства заключается в том, что они постоянно эксплуатируются в режиме короткого замыкания. У них вторичная обмотка полностью закорочена на маленькое сопротивление, а остальная конструкция приспособлена для такой работы.

Чтобы исключить аварийный режим входная мощность ограничивается специальным устройством первичной обмотки: в ней создается всего один виток, который не может создать при протекании по нему тока большого падения напряжения на обмотке и, соответственно, передать в магнитопровод высокую мощность.

Этот виток врезается непосредственно в силовую цепь, обеспечивая его последовательное подключение. У отдельных конструкций просто создается сквозное отверстие в сердечнике, через которое пропускают провод с первичным током.

Нагрузку вторичных цепей трансформатора тока, находящегося под напряжением, нельзя разрывать. Все провода и соединительные клеммы по этой причине изготавливаются с повышенной механической прочностью. В противном случае на разорванных концах сразу возникает высоковольтное напряжение, способное повредить вторичные цепи.

Благодаря работе трансформаторов тока создается возможность обеспечения постоянного контроля и анализа нагрузок, протекающих в электрической системе. Особенно это актуально на высоковольтном оборудовании.

Измерительные трансформаторы тока 110 кВ

Номинальные значения вторичных токов измерительных трансформаторов энергетики принимают в 5 ампер для оборудования до 110 кВ включительно и 1 А — выше.

Широкое применение трансформаторы тока нашли в измерительных приборах. За счет использования конструкции раздвижного магнитопровода удается быстро выполнять различные замеры без разрыва электрической цепи, что необходимо делать при использовании обычных амперметров.

Токовые клещи с раздвижным магнитопроводом трансформатора тока позволяют обхватить любой проводник с напряжением и замерить величину и угол вектора тока.

Трансформаторы напряжения

Отличительная особенность этих конструкций заключается в том, что они работают в режиме, близком к состоянию холостого хода, когда величина их выходной нагрузки невысокая. Они подключается к той системе напряжений, величина которой будет измеряться.

Измерительный трансформатор напряжения 110 кВ

Измерительные трансформаторы напряжения обеспечивают гальваническую развязку оборудования первичных и вторичных цепей, работают в каждой фазе высоковольтного оборудования.

Из них создают целые комплексы систем измерения, позволяющие фильтровать и выделять различные составляющие векторов напряжения, учет которых необходим для точной работы защит, блокировок, систем сигнализации.

За счет работы трансформаторов тока и напряжения снимают вектора вторичных величин, пропорциональные первичным в реальном масштабе времени. Это позволяет не только создавать цепи измерения и защит по току и напряжению, но и за счет математических преобразований векторов анализировать состояние мощностей и сопротивлений в действующей электрической системе.

Применение трансформаторов в электросетях

Потери энергии на нагрев провода прямопропорциональны значению квадрата тока, который проходит через провод. При передаче электроэнергии на значительные расстояния выгодно использовать малые токи и значительные напряжения. Из соображений безопасности, а также в целях уменьшения массы слоя изоляции в быту следует использовать средние напряжения – для выгодной транспортировки энергии в сети и применяются трансформаторы. Устройства сначала увеличивают напряжение генераторов на станциях перед тем, как транспортировать ток, а затем понижают напряжение в линии до оптимальной отметки.

Электросеть имеет три фазы, поэтому в целях преобразования напряжения в ней применяются трехфазные трансформаторы. Сердечник у такого устройства общий для всех фаз. Несмотря на высокий рабочий КПД оборудования, в мощных установках выделяется большое количество тепла – поэтому возникает потребность в применении специальной системы охлаждения. Трансформатор помещают в бак, заполненный техническим маслом или специальной жидкостью, которое начинает циркулировать под воздействием конвекции либо между радиаторов и баком в принудительном порядке. В ряде случаев масло может охлаждаться водой.

Что такое однофазный трансформатор

Электрическая энергия, выработанная генераторами электростанций, передается потребителям, находящимся в большинстве случаев на большом расстоянии от станций. Для удешевления стоимости электропередачи и уменьшения потерь энергии в ней приходится повышать напряжение электропередачи до cотен киловольт. При распре делении энергии между потребителями необходимо понизить напряжение до десятков и сотен вольт. Все это вызывает необходимость многократного изменения (трансформирования) напряжения, которое осуществляется трансформаторам

Трансформатором называется статический аппарат, имеющий две (иногда более) обмотки, связанные переменным магнитным полем, служащий для трансформации переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, при неизменной частоте.

Число трансформаций от станции до потребителя обычно велико, и поэтому на 1 квт мощности генераторов, установленных на станции, приходится 4— 5 ква установленной мощности трансформаторов. Суммарные потери электроэнергии в трансформаторах составляют значительную долю потерь всей энергосистемы. Поэтому необходимо, чтобы трансформатор имел очень высокий к.п.д. В современных мощных трансформаторах к.п.д доходит до 0,995 при номинальной мощности.

Изобретателем трансформатора был выдающийся конструктор и ученый П. Н. Яблочков (1847 -1894).

Рис. 2. Однофазный трансформатор.

1 — магнитопровод; 2 — обмотка высшего напряжения; 3 — обмотка низшего напряжения; 4—путь полезного потока; 5 — путь потоков рассеяния первичной обмотки; 6 — путь потоков рассеяния вторичной обмотки.

Устройство и принцип действия однофазного трансформатора

Работа трансформатора основана на использовании явления взаимоиндукции. Трансформатор (рис. 9-1) имеет обычно две магнитно-связанные обмотки 2—2 и 3—3 с разными числами витков, помещенные для усиления магнитной связи на стальном, замкнутом магнитопроводе — сердечнике 1. Сердечник для уменьшения потерь энергии от вихревых токов набирается из стальных листов толщиной 0,5—0,35 мм, а при повышенной частоте тока — из более тонких листов (0,2—0 ,1 мм). Листы, перед сборкой, покрываются с двух сторон лаком для изоляции друг от друга. Трансформаторная сталь содержит 4—5% кремния, при этом сильно уменьшаются потери от гистерезиса и вихревых токов.

Те части сердечника, на которых располагаются обмотки, называются стержнями, а части, замыкающие их, называются ярмом. Внутреннее пространство между стержнем и ярмом служит для размещения обмоток и называется окном.

Сборка сердечника производится «внахлестку». На рис. 3 показаны два слоя листов, которые накладываются друг на друга при сборке сердечника трансформатора. При такой сборке достигается минимальный воздушный зазор в стыках.

Рис. 3 . Расположение листов стали однофазного трансформатора при сборке.

Листы предварительное стягиваются изолированными болтами в пакеты сначала так, чтобы на стержни можно было надеть изготовленные обмотки (рис.9-3), а затем окончательно, чтобы после установки обмоток, замкнуть магнитопровод. Сечение стержней, получаемое при этом, показано на рис. 9-4 — квадратное при малой мощности, или крестовидное, приближающееся к кругу, при средней и большой мощности трансформаторов.

Обмотки трансформатора представляют собой катушки разных конструкций. Различают обмотку низшего напряжения (НН), рассчитанную на низшее напря жение трансформатора, которая помещается ближе к стерж ню, и обмотку высшего напряжения (ВН), рассчитанную на высшее напряжение и помещаемую по верх обмотки (НН), концентрически с ней.

На рис. 2 обмотки ВН и НН показаны сдвинутыми друг относительно друга для упрощений рисунка. В однофазных трансформаторах (рис. 2) каждая обмотка делится пополам и помещается на двух стержнях. Обе половины обмотки НН и обмотки ВН соединяются так, чтобы э. д. с. половин обмоток складывались.

Рис. 3. Сборка сердечника трансформатора.

1 — стержень магнитопровода; 2 — обмотки.

Начала и концы обмоток трансформаторов обозначаются буквами латинского алфавита. Начала обмоток обозначают Л, В, С и a, b, с, а концы — X, Y, Z и х, y, z. Заглавные буквы приняты для обмотки высшего напряжения, а строчные — для обмотки низшего напряжения (рис. 2 ).

Та обмотка, к которой энергия подводится, называется первичной, а та, от которой энергия отдается потребителю, называется вторичной. Энергия передается с первичной обмотки на вторичную при помощи магнитного потока, связывающего обмотки. Если напряжение вторичной обмотки меньше, чем первичной, то трансформатор называется понижающим; в обратном случае он будет повышающим.

Рис. 4. Сечение сердечников трансформаторов.

Таким образом, трансформатор, показанный на рис. 2 — понижающий. Однако если к обмотке ах подать энергию при номинальном для этой обмотки напряжении, а к обмотке АХ подключить потребителя, то трансформатор будет повышающим.

Стержневой трансформатор

Трансформатор с сердечником рассмотренного выше типа называется стержневым. Однако существуют трансформаторы броневого типа (рис. 5), у которых магнитопровод разветвлен и охватывает обмотки как бы броней.

P ис 5 Броневой трансформатор.

Обмотки ВН и НН таких трансформаторов изготовляются в виде плоских катушек, размещающихся на одном и том же стержне. Трансформаторы броневого типа применяются, например, в радиотехнических устройствах.

Номинальной мощностью трансформатора называется мощность его вторичной обмотки, обозначенная на щитке трансформатора и выраженная в вольт-амперах или киловольт-амперах.

Трансформатор Автотрансформатор

Трансформатор состоит из замкнутого железного сердечника С, собранного из листового железа (для уменьшения потерь на вихревые токи), на котором имеются две обмотки: первичная K₁, которая включается в питающую сеть, и вторичная К₂, к которой подключается нагрузка.

Пренебрегая падением напряжения на активном сопротивлении обмоток, можно приравнять э. д. с. самоиндукции напряжению, приложенному к первичной обмотке, а э. д. с. индукции во вторичной обмотке — напряже нию на ее зажимах, тогда

, т. е. напряжения в обмотках трансформатора прямо пропорциональны числу их витков. Отношение числа витков n₁ первичной к числу витков п₂ вторичной обмоток называется коэффициентом трансформации k:

Если пренебречь потерями в трансформаторе, то мощности тока в первичной и во вторичной обмотках можно считать равными и тогда токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числу витков:

Трансформаторы являются неотъемлемой частью почти всех радиоприборов, электромедицинских аппаратов и т. д. При этом часто пользуются автотрансформатором — прибором, подобным трансформатору, но имеющим только одну обмотку, в которой совмещены функции первичной и вторичной обмоток трансформатора. Пусть обмотка автотрансформатора имеет n витков. Питающее напряжение U₁ подводится к n₁ виткам обмотки.

Нагрузка присоединяется к выводам от n ₂ витков. Витки n ₁ являются первичными. Ток в первичных витках образует в сердечнике магнитный поток, связанный со всеми n витками обмотки. При этом во всех п витках наводится электродвижущая сила, которая в n₁ витках является э. д. с. самоиндукции, а в остальных витках — э. д. с. индукции. Электродвижущая сила в любом витке имеет одинаковую величину E_i и одно и то же направление. Поэтому, подключив нагрузку к n ₂ виткам, которые являются вторичными витками (безразлично, будет ли n₂>n₁ или n₂>n₁ ), получим на нагрузке напряжение:

В то же время приложенное напряжение U₁ уравновешивается обратной электродвижущей силой самоиндукции, возбуждаемой в n₁ витках, т. е. U₁=E_in₁ . Поэтому можно составить соотношение, аналогичное трансформатору:

Автотрансформатор

Автотрансформатор часто применяют для регулировки напряжения или для обеспечения нормального напряжения на нагрузке (радиоприемники, телевизоры, медицинские электронные аппараты и т. д.) при колебаниях напряжения в сети. В этом случае обмотка автотрансформатора имеет несколько отводов, которые присоединяют к контактам переключателя.

Напряжение сети подводится к началу обмотки и среднему контакту переключателя П. Нагрузка включается между крайним выводом и подвижным контактом переключателя. Если переключатель поставить на средний контакт, то питающее напряжение будет подаваться на нагрузку без изменения. Если напряжение сети ниже нормального, то перекл но передвинуть в сторону большего числа витков.

При напряжении сети выше нормального — наоборот. Для удобства регулировки на выход автотрансформатора подключается вольтметр. При лабораторных работах часто применяется автотрансформатор с плавной регулировкой вторичного напряжения в широких пределах.