Многообмоточные трансформаторы: технические характеристики

Многообмоточные трансформаторы представляют собой устройства, в которых есть одна первичная обмотка и две-три вторичных. Не единичное число вторичных обмоток позволяют получить необходимый показатель напряжения.

Популярны не только однофазные трансформаторы, но и трехфазные — в зависимости от этой характеристики меняется сфера применения. Как от многообмоточного трансформатора получить разные напряжения — частый вопрос, которым задаются те, кто покупает многофункциональный источник питания.

Сфера применения

Многообмоточный трансформатор считается многофункциональным источником питания, благодаря которому получают различное напряжение. Внутренние обмотки определяют в совокупности мощность первичной, которая установлена одна.

Устройства с общими показателями мощности в трехобмоточном виде используются для функционирования распределительных подстанций. В России другое оборудование не применяется для этой цели. Небольшие по мощности трансформаторы встречаются в  видах телевизионной механики, автоматики, оборудования обеспечения связи и другом.

Многообмоточная техника применяется благодаря степени надежности. Она заменяет трансформаторы двухобмоточные, так как есть несколько выводов с показателями напряжения.

Если посчитать цену двух двухобмоточных трансформаторов, и сравнить со стоимостью одного трехобмоточного, то последняя выйдет существенно ниже.

Строение

Многообмоточный трансформатор — это практически аналог обычного, но в нем присутствует не одна внутренняя составляющая, а несколько обмоток. Он состоит из сердечника и обмоток. Начальное напряжение подается на первичную обмотку, во вторичной индуцируется ЭДС.

Коэффициент трансформации (то есть то, сколько напряжения перейдет от первичной до последней) равен числу витков, которые установлены в контсрукции. Конечно, следует учитывать и погрешность, а также механические потери, связанные с окружающей средой.

Принципиальная схема

Схема силовых входных многообмоточных трансформаторов довольна проста для понимания. Если смотреть, то видно, что внешняя обмотка разделяется на две равнозначные части. Половина имеет собственные выходы для управления по несколько штук.Именно благодаря разведению первичной обмотки на половины возможно включать в электрическую цепь с разным уровнем напряжения — 220 В и 127 В.

По схеме видно, что если оборудование подсоединяется к напряжению в 127 В, то четыре клеммы соединятся попарно. В таком случае получается, что равнозначные части первичной обмотки получаются установленными параллельным способом.

При подключении к большему входному напряжению в 220 В клеммы многообмоточного устройства соединены другим образом. Обмотки используются последовательным образом. В результате этого замыкающими клеммами становятся вторая и третья.

В схеме не указано, но есть специальные экранизирующие обмотки между конструкциями. Они помогают получать меньше сетевых помех, которые непременно возникают при взаимодействии и прохождении электрического импульса между обмотками. В обязательном порядке один конец экранирующей обмотки заземляют.

Основные характеристики

Показатели варьируются в зависимости от конкретной модели и сферы применения. Чем больше число обмоток будет, тем мощнее будет оборудование. При выборе варианта обратить внимание следует на такие характеристики:

• напряжение на входе и на выходе;
• первичные и вторичные показатели электрического тока;
• номинальная мощность (это показатель идентичен вторичной полной).

Разброс мощностей колоссальный, так как техника такого типа используется для питания мощных энергетических систем или же микроэлектронных цепей. Поэтому вариаций много, сейчас можно приобрести многообмоточный вариант с мощностью от 0,1 mVA до 1000 MVA.

Спорная характеристика устройства — это коэффициент полезного действия. Сопротивление и потоки, которые происходят в сердечнике, вызывают некоторые потери энергии, но они малы — не более одного процента.

Следовательно, коэффициент полезного действия в многообмоточном варианте достигает 99 процентов.

Однако, потери наблюдаются не связанные с вихревыми потоками и сопротивлением конструктивных частей обмотки. Дело  в том, что выделение тепла, которое обязательно при работе, может стать причиной потери мощности. Такая проблема касается в основном мощных моделей.

Для разрешения вопроса прибегают к добавлению конструкции защиты. К примеру, сердечник и обмотки размещают в сосуде, который наполнен специальным трансформаторных маслом или эпоксидной смолой.

Преимущества и недостатки

Многообмоточные виды применяются в областях науки, промышленных и строительных работах. Это стало возможным благодаря тому, что оборудование дает спектр действий, так как можно установить по значению напряжение. Покупка одного трансформатора такого типа обойдется дешевле, чем двух однообмоточных. Также положительное качество — малый коэффициент потери энергии и большой КПД.

Недостатками трех или более обмоточных моделей называют то, что они сильно перегреваются при работе, поэтому периодически требуют остановки. Время зависит от условий эксплуатации и качества изготовления конструктивных деталей механизма. Также трансформатор такого типа имеет большой вес из-за числа обмоток.

Трехобмоточный трансформатор

У двухобмоточного трансформатора, на каждом стержне две обмотки — первичная и вторичная. Такой трансформатор может преобразовывать одно напряжение U1 в другое U2. Однако во многих случаях это оказывается недостаточным. Очень часто возникает необходимость иметь помимо напряжения U2 еще одно, третье, напряжение U3. Например, трансформатор мощностью 40 MBА с первичным напряжением 110 кВ должен часть мощности отдать рядом расположенному заводу, а часть передать в более отдаленный промышленный район.

Для питания близлежащего завода удобно иметь напряжение 6,3 кВ, поэтому вторичную обмотку трансформатора выполняют на это напряжение. Однако передача мощности напряжением 6,3 кВ на значительное расстояние невыгодна, так как связана с большой потерей энергии. Чтобы успешно решить обе задачи, на каждый стержень трансформатора добавляют еще одну — третью обмотку с каким-то напряжением, средним между 110 и 6,3 кВ. Таким напряжением может быть 35 кВ, а третью обмотку с таким напряжением так и называют — обмоткой среднего напряжения (СН).

Магнитный поток, созданный током первичной обмотки (у нас — обмотки ВН на 110 кВ), замыкается по магнитопроводу, пересекая витки вторичной обмотки (обмотки НН). На зажимах вторичной обмотки возникает напряжение 6,3 кВ. Если на каждый стержень добавить еще по одной обмотке, расположенной концентрически относительно первых двух (рисунок 1), магнитный поток будет пересекать витки этой обмотки так же, как и двух других. Напряжение, которое возникает на зажимах обмотки СН, будет пропорционально числу ее витков ω3 (в нашем случае оно равно 35 кВ). Таким образом, напряжение сети U1 трансформируется одновременно в два напряжения: U2 и U3. Такой трансформатор в отличие от обычного двухобмоточного называют трехобмоточным.

1 — обмотка ВН; 2 — обмотка СН; 3 — обмотка НН; 4 — магнитопровод
Рисунок 1 — Расположение обмоток трехобмоточного трансформатора

По существу трехобмоточный трансформатор представляет собой два трансформатора, которые могут работать как раздельно, т. е. в разное время, так и одновременно. Но, конечно, мощность 40 MBА, получаемая первичной обмоткой, должна быть всегда равна суммарной нагрузке вторичной и третьей обмоток. Поясним это на примере.

Допустим, что как близлежащий завод, так и отдаленный промышленный район могут потреблять по 40 MBА каждый. Это значит, что и обмотка НН (6,3 кВ) и обмотка СН (35 кВ) рассчитаны, как и первичная обмотка, на передачу мощности по 40 MBА. Но трансформатор может одновременно отдать лишь 40 MBА, т.е. он может или снабжать только одного своего потребителя, или делить между ними свою мощность так, чтобы сумма ее не превышала 40 MBА.

Процессы работы каждой в отдельности пары (состоящей из первичной и одной из двух других) обмоток трехобмоточного трансформатора при различных режимах нагрузки можно представить такими же векторными диаграммами, как и двухобмоточного. При одновременной работе всех трех обмоток диаграмма строится аналогично с учетом того, что первичный ток является теперь геометрической суммой трех токов: холостого хода и токов вторичной и третьей обмоток.

Трехобмоточные трансформаторы имеют довольно широкое распространение. Их применение во многих случаях весьма целесообразно: первоначальная стоимость и потери энергии одного трехобмоточного трансформатора меньше стоимости и потерь в двух обычных двухобмоточных трансформаторах, рассчитанных на мощности вторичной и третьей обмоток.

Почему воздушные зазоры в трансформаторе делают минимальными

Технические условия некоторых типов трансформаторов предусматривают наличие в сердечнике немагнитного зазора. Каково значение этого пространства и почему воздушные зазоры в трансформаторе делают минимальными?

Прежде чем перейти к главному вопросу, проведем краткий экскурс по описанию, характеристикам, видам и предназначению рассматриваемого прибора.

Описание и предназначение трансформатора

Итак, трансформатор – это замкнутый магнитопровод, в составе которого две или более электрически автономные обмотки. Самые распространенные – однофазные модели с двумя обмотками. В основе действия прибора стоит эффект электромагнитной индукции.

Чтобы снизить потери на магнитный гистерезис, магнитопровод делают из трансформаторной стали(с узкой петлей магнитности).  Снижение вихревых потерь достигается за счет примеси кремния в составе и конструкции из раздельных пластов.

Первичной обмоткой считается та, на которую идет подача энергии. Другие – вторичны. При подключении источника первичная обмотка производит переменный магнитный ток. Магнитопровод переносит нагрузку на слои следующей обмотки, и в цепи появляется электричество.

Высокочастотные устройства с малой мощностью могут в качестве магнитопровода использовать воздушную среду.

Предназначение, применение

Трансформаторы служат преобразователями электрической энергии, меняя показатели переменного напряжения. Они могут работать как автономные аппараты или состоять частью электротехнического оборудования.

Очень часто замкнутая электромагнитная установка применяется для передачи электроэнергии на большие дистанции, для повышения напряжения, идущего от источников переменного тока.Сама электростанция производит напряжение от 220 до 660V. Магнитопровод способен преобразовать его до тысяч киловольт. Когда напряжение высокое, потери по проводам гораздо ниже, и можно передавать энергию через ЛЭП меньшего сечения. Это приводит к существенной экономии ресурса.

Виды трансформаторов

В основе строения любого аппарата находится сердечник. Он может состоять из пластин или из лент (разъемный или неразъемный). Устройство же сердечника может различаться.

Виды охлаждения

Любое электротехническое оборудование предусматривает систему охлаждения. В трансформаторах эта функция бывает следующих типов:

• Естественное масляное охлаждение;
• Масляное плюс воздушное;
• Масляное с силовой циркуляцией;
• Чисто воздушное.

Масляный вид охлаждения – самый экономичный и оптимальный для наружного монтажа. Правда, использование такого оборудования требует наличие маслоприемников.

Иногда в качестве охлаждающей жидкости используют негорючие материалы (диэлектрики). Такие аппараты защищены от воспламенения, но при этом очень токсичны.

В общественных зданиях устанавливают пожаробезопасные  и нетоксичные сухие трансформаторы. Единственный минус этого вида – шумная работа, поэтому их ставят в изолированных помещениях.

Решающим фактором для выбора метода охлаждения является номинальная мощность оборудования. Чем выше этот параметр, тем интенсивнее его необходимо охлаждать

Классификация по применению

Разные типы трансформаторов могут иметь различное применение. Так, низкочастотные силовые аппараты работают на снижение напряжения до стандартного. Их используют в сетях предприятий и населенных пунктов.

Строение автотрансформаторов отлично тем, что обмотки имеют электрическое сообщение друг с другом. За счет этой связи производятся  разные величины напряжения. Применяют такую схему в автоматике блоков управления, в высоковольтных коммуникациях.

Если прибор уменьшает значение тока, его называют трансформатором тока. В них вторичные обмотки подсоединяются к измерительным или защитным приборам.

В высокочастотных импульсных трансформаторах сердечник изготовлен из феррита. Компактные габариты и эффективность обеспечили широкую сферу применения – от лампочек до мощных инверторов.

Конструктивные особенности разных типов трансформаторов

Конструкции замкнутых магнитопроводных приборов бывают трех видов:

• Броневые. Эта схема строения подходит для крупного и высоковольтного оборудования. Минимальная мощность – 0,5ВА. Конструкция броневого трансформатора представляет собой ярмо, которое обеспечивает защиту стержня.
• Стержневые. Здесь катушки насажены на сердечник в виде стрежня. Сфера применения данной конструкции – небольшие трансформаторы сухого типа, так как обмотки плохо защищены от коротких замыканий.
• Тороидальные. Сердечник в форме кольца и ленточная неразъемная намотка дают снижение сопротивления при росте КПД. Удобное в монтаже устройство применяется гораздо шире других видов.

Считается, что тороидальный тип гораздо лучше в работе. В действительности, гораздо важнее качество производства оборудования.

Для чего в сердечнике нужен воздушный зазор?

Когда по первичной обмотке низкочастотного прибора проходит не только переменный, но и постоянный ток, это уменьшает показатель индуктивности катушки. Для предотвращения таких изменений делается воздушный зазор в трансформаторе.

Величина зазора зависит от следующих показателей:

• Габариты сердечника;
• Индуктивность обмотки;
• Сила постоянного тока, идущего по катушке.

Бывает, что зазор создается ненамеренно во время сборки магнитопроводов трансформатора. Но в некоторых механизмах он требуется по принципу действия.

Применение воздушного зазора несущественно влияет на индуктивность. Немагнитные промежутки на сердечнике увеличивают магнитное сопротивление. При этом амплитудное значение магнитного тока постоянно (если не меняется амплитуда напряжения).

Есть устройства, в принципе не подразумевающие зазоров. Такая технология применяется в ленточных неразъемных сердечниках. Примером служит тороидальный трансформатор. Причина, почему в них не делают промежутков, связана со строением сердечника.

Форма тора минимизирует размер магнитной цепи, а обмотка имеет сравнительно немного витков и малое сопротивление. Как результат, тороидальное оборудование имеет малые потоки рассеяния и устойчиво к перегрузкам. Зато устройство подвержено негативному влиянию высокого напряжения и подмагничиванию постоянным током. А причина как раз в отсутствии воздушного зазора в магнитопроводе трансформатора.

Величина зазора в магнитопроводе

Параметры работы катушки зависимы  от длины немагнитного промежутка в обмотке. Как именно?

Известно, что длина зазора не влияет на показатели магнитного потока. Однако удлинение немагнитного промежутка вызывает рост магнитного сопротивления. А поскольку магнитный поток имеет постоянное значение, происходит увеличение тока.

Итак, можно сделать вывод, что разные размеры зазора в сердечнике вызывают протекание токов различной величины. А магнитный поток при этом не изменяется.

Вот почему воздушные зазоры в трансформаторе делают минимальными.  Чтобы уменьшить величину тока в обмотке, нужно уменьшать длину немагнитного промежутка.

Если в техусловиях оборудования не указана определенная величина, зазору придают минимальное значение. Таким методом снижают показатели намагничивающуюся составляющую тока холостого хода.

8.14. Многообмоточные трансформаторы

Во многих электрических установках желательна энергетическая связь не­скольких цепей с различными номинальными напряжениями. Такая связь может быть получена при помощи многообмоточного трансформатора, у которого одна или несколько первичных обмоток и несколько вторичных обмоток. Простейший из многообмоточных трансформаторов — трехобмоточный широко применяется в современных сетях высокого напряжения.

Трехобмоточный трансформатор имеет три электрически не связанные между собой обмотки: высшего напряжения (ВН) с числом витков w₁, среднего напряжения (СН) с числом витков w₂ и низшего напряжения (НН) с числом витков w_a, напри­мер ВН 220 кВ, СН 38,5 кВ, НН 11 кВ. Эгн три обмотки трансформатора (одна пер­вичная и две вторичные) размещены на одном общем магнитопроводе. Последний ничем не отличается от маuнитопровода двухобмоточного трансформатора. Намаг­ничивающий ток первичной обмотки трехобмоточного трансформатора возбуждает в магнитопроводе магнитный поток, который индуктирует во всех обмотках ЭДС, пропорциональные числам витков обмоток. Если вторичные обмотки нагружены то­ками ₂ и ₃, то МДС первичной обмотки должна уравновешивать размагничиваю­щее действие МДС этих токов и, кроме того, иметь намагничивающую составляю­щую МДС. Поэтому аналогично (8.4)

₁w₁ =₂ w₂+₃w₃ +_lxw₁, (8.26)

и первичный ток трансформатора можно рассматривать как сумму приведенных токов второй и третьей обмоток и намагничивающего тока [см. (8.10а)]:

₁=‘₂+‘_3+1x, (8.27)

где ‘₂ = w₂/w₁₁; ‘₃ = (w₃/w₁) ₃.

Таким образом, в трехобмоточном трансформаторе происходит передача энер­гии одновременно в две вторичные цепи второй и третьей обмоток.

Вероятность одновременной номинальной нагрузки обеих вторичных обмоток, при которой, кроме того, токи нагрузки ₂ и ₃ совпадают по фазе, мала. Поэтому первичная обмотка обычно рассчитывается на номинальную мощность меньшую, чем сумма номинальных мощностей вторичных обмоток. Номинальной мощностью трехобмоточного трансформатора считается полная мощность его наиболее мощной обмотки.

У трехобмоточного трансформатора различают три коэффициента трансформа­ции:

n₁₂=; n₁₃=; n₂₃==.

Эти коэффициенты трансформации определяются по отношению напряжений при холостом ходе, как и для двухобмоточных трансформаторов (8.13).

В последние годы вмесю трехобмоточных трансформаторов во многих случаях применяются трансформаторы, у которых обмотки ВН и СН имеют автотрансформа-торную связь, а трансформаторная связь остается лишь для обмотки НН, изоли­рованной от обмоток ВН и СН.

8.15. Конструкции магнитопроводов и обмоток

Рабочие условия трансформатора определяют ряд особенностей в конструкции основных частей трансформатора: магнитопровода, обмоток и бака с маслом у трансформаторов с масляным охлаждением.

Магнитопровод трансформатора набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, содержащей для уменьшения мощности потерь от вихревых токов до 4—5 % кремния. Для получения изоляции между листами их перед сборкой магнитопровода покрывают изоляционным лаком. Листы стягивают в пачки стальными шпильками, изолированными от листов, чтобы не образовались короткозамкнутые витки. В зависимости от положения магнитопровода по отно­шению к обмоткам принято различать стержневые трансформаторы (рис. 8.27), у которых обмотки охватывают стержни магнитопровода, и броневые (рис. 8.28), у которых магнитопровод частично охватывает обмотки. Те и другие магнитопроводы могут быть как у однофазных трансформаторов (рис. 8.27, а), так и у трехфазных (рис. 8.27, б).

Стержневой магнитопровод составляют стержни, на которых размещаются обмотки, и два ярма, замыкающие магнитную цепь. Он проще по конструкции, чем броневой, и для обмоток проще получить необходимую изоляцию. По этим причи­нам у большинства трансформаторов стержневые магнитопроводы. Для лучшего использования площади окна магнитопровода поперечное сечение стержня’ имеет форму ступенчатого многоугольника с тем большим числом ступеней, чем мощнее трансформатор; лишь у малых трансформаторов поперечное сечение имеет форму прямоугольника или квадрата. В трансформаторах средней и большой мощности для лучшего охлаждения между отдельными пакетами пластин магнитопровода предусмотрены каналы для масла. Ярмо стержневого магнитопровода имеет ступен­чатую или прямоугольную форму. Некоторым преимуществом броневого магнито­провода можно считать частичную защиту обмоток от механических повреждений. Броневой магнитопровод применяется для маломощных сухих трансформаторов.

Рис. 8.27. Рис. 8.28.

Для уменьшения магнитного сопротивления стыков отдельных листов магни­топровода листы в стыках обычно шихтуются (рис. 8.29), т. е. укладываются в переплет.

В зависимости от относительного расположения обмотки высшего и низшего напряжений подразделяются на концентрические и чередующиеся.

Концентрические обмотки применяются в большинстве трансформаторов. Про­стейшая из них — цилиндрическая обмотка, катушки кото­рой имеют форму двух коаксиальных цилиндров (ВН и НН на рис. 8.27). Ближе к стержню располагается обмотка низ­шего напряжения НН, так как ее проще изолировать от маг­нитопровода. Обмотка ВН охватывает обмотку НН. Обмотки отделяются друг от друга изолирующим цилиндром из спе­циального картона или бумаги, пропитанной бакелитом.

Рис.8.29

Относительно редко, преимущественно в броневых транс­форматорах, применяются чередующиеся обмотки, в которых чередуются положенные друг на друга дискообразные катуш­ки НН и ВН (рис. 8.28), причем крайние катушки, прилегающие к ярму, должны относиться к обмотке низшего на­пряжения.

что это такое, стержень, расположение обмоток, схемы

Электротрансформатор можно разобрать на несколько деталей, главные из которых катушки и магнитопровод, который также состоит из различных деталей, одна из которых – ярмо трансформатора.

Устройство магнитной системы

Услышав название “ярмо электротрансформатора” появляется вопрос – что это такое? Естественно, это не имеет отношения к лошадиной упряжи.

Магнитная система электротрансформатора изготавливается из различных ферримагнитных материалов. В сети с частотой 50Гц это листовая электротехническая сталь.

Все элементы магнитопровода имеют свое название:

• остов – магнитная система в собранном виде с дополнительными элементами;
•  стержень трансформатора – часть, на которой расположены катушки;
•  ярмо в трансформаторе — это часть, на которой нет обмоток и служащий для замыкания магнитного потока.

Элементы соединяются между собой таким образом, чтобы сопротивление магнитному потоку было минимальным.

Справка! В некоторых аппаратах специального назначения в магнитной системе есть зазор из воздуха или немагнитного материала.

Взаимное расположение элементов магнитопровода

Расположение обмоток в трансформаторе делит электротрансформаторы на две группы:

•  Трансформатор стержневого типа. Это однофазные аппараты с двумя стержнями и двумя катушками на О-образном магнитопроводе. В стержневом трансформаторе расположение обмоток является симметричным.
• Броневые. Однофазные устройства имеют Ш-образные магнитные системы, а в трехфазных каждая катушка находится на отдельном стержне. Ярмо в трансформаторе броневого типа находится по сторонам от катушек, защищая (бронируя) их от механических повреждений. Его сечение составляет 1/2 сечения стержней.

Ярма относительно стержней в аппаратах располагаются различным образом:

• Плоское расположение. Все составляющие магнитопровода находятся в одной плоскости. Самое распространенная конструкция в электротрансформаторах малой и средней мощности. Стержневые аппараты всегда являются плоскими.
• Пространственное расположение. Элементы находятся в разных плоскостях. Используется для уменьшения габаритов и в ВЧ аппаратах.
• Симметричное положение. Стержни одной формы и одинаково расположены относительно ярм. Примером является однофазный трансформатор стержневого типа на Ш-образном сердечнике.
• Несимметричная система. В этой конструкции все детали могут отличаться друг от друга по форме, размеру и расположению.

Способы сборки магнитной системы

Есть два способа сочленения элементов магнитопровода – стыковое и шихтованное соединение.

Стыковая магнитная система

В этой конструкции ярмо и стержни соединяются в систему после монтажа обмоток. Сборка аппарата такого типа производится двумя способами в зависимости от конструкции:

• в аппаратах, в которых магнитопровод изготовлен из полос электротехнической стали состоит из 4 (в трёхфазных из 8) С-образных деталей они соединяются меду собой при помощи стального корпуса;
• в устройствах, в которых детали магнитопровода изготовлены из колец, состоящих из цельной полосы, все детали соединяются при помощи электросварки.

Достоинством этого соединения является в простоте сборки, а недостаток в увеличенном сопротивлении магнитному потоку и повышенных потерях на вихревые токи.

Шихтованные магнитопроводы

В шихтованных магнитопроводах его конструкция состоит из отдельных пластин прямоугольной и (или) Ш-образной формы. Эти пластины укладываются впереплет (шихтуются) в катушках электротрансформатора после намотки обмоток.

Магнитная система с шихтованным способом соединения отличается бОльшей трудоемкостью при сборке, но меньшими потерями во время работы.

Ярмо — это одна из составных частей электротрансформатора, не менее важная, чем другие элементы. Поэтому для конструирования аппаратов необходимо знать, что такое ярмо и какую функцию оно выполняет в трансформаторе.

Устройство трансформатора

Устройство трансформатора. Магнитопровод. Трансформаторы в зависимости от конфигурации магнитопровода подразделяют на стержневые, броневые и тороидальные.

В стержневом трансформаторе (рис. 213, а) обмотки 2 охватывают стержни магнитопровода 1; в броневом (рис. 213,б), наоборот, магнитопровод 1 охватывает частично обмотки 2 и как бы

Рис. 213. Устройство стержневого (а), броневого (б) и тороидального (в) трансформаторов

бронирует их; в тороидальном (рис. 213, в) обмотки 2 намотаны на магнитопровод 1 равномерно по всей окружности.

Трансформаторы большой и средней мощности обычно выполняют стержневыми. Их конструкция более простая и позволяет легче осуществлять изоляцию и ремонт обмоток. Достоинством их являются также лучшие условия охлаждения, поэтому они требуют меньшего расхода обмоточных проводов. Однофазные трансформаторы малой мощности чаще всего выполняют броневыми и тороидальными, так как они имеют меньшую массу и стоимость по сравнению со стержневыми трансформаторами из-за меньшего числа катушек и упрощения процесса сборки и изготовления. Тяговые трансформаторы с регулированием напряжения на стороне низшего напряжения — стержневого типа, а с регулированием на стороне высшего напряжения — броневого типа.
Магнитопроводы трансформаторов (рис. 214) для уменьшения потерь от вихревых токов собирают из листов электротехнической

Рис. 214. Магнитопроводы однофазного тягового (а) и силового трехфазного (б) трансформаторов: 1 — стержень; 2 — ярмовые балки; 3 — стяжные шпильки; 4 — основание для установки катушек; 5 — ярмо

стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Обычно применяют горячекатаную сталь с высоким содержанием кремния или холоднокатаную сталь. Листы изолируют один от другого тонкой бумагой или лаком. Стержни магнитопровода трансформатора средней мощности имеют квадратное или крестовидное сечение, а у более мощных трансформаторов — ступенчатое, по форме приближающееся к кругу (рис. 215, а). При такой форме обеспечивается минимальный периметр стержня при заданной площади поперечного сечения, что позволяет уменьшить длину витков обмоток, а следовательно, и расход обмоточных проводов. В мощных трансформаторах между отдельными стальными пакетами из которых собираются стержни, устраивают каналы шириной 5—6 мм для циркуляции охлаждающего масла. Ярмо, соединяющее стержни, имеет обычно прямоугольное сечение, площадь которого на 10—15% больше площади сечения стержней. Это уменьшает нагрев стали и потери мощности в ней.

В силовых трансформаторах магнитопровод собирают из прямоугольных листов. Сочленение стержней и ярма обычно выполняют с взаимным перекрытием их листов внахлестку. Для этого листы в двух смежных слоях сердечника располагают, как показано на рис. 215, б, г, т. е. листы стержней 1, 3 и ярма 2, 4 каждого последующего слоя перекрывают стык в соответствующих листах предыдущего слоя, существенно уменьшая магнитное сопротивление в месте сочленения. Окончательную сборку магнитопровода осуществляют после установки катушек на стержни (рис. 215, в).

В трансформаторах малой мощности магнитопроводы собирают из штампованных листов П- и Ш-образной формы или из штампованных колец (рис. 216, а—в).

Большое распространение получили также магнитопроводы (рис. 216,г—ж), навитые из узкой ленты электротехнической стали (обычно из холоднокатаной стали) или из специальных железо-никелевых сплавов.

Обмотки. Первичную и вторичную обмотки для лучшей магнитной связи располагают как можно ближе друг к другу: на каждом стержне 1магнитопровода размещают либо обе обмотки 2 и 3

Рис. 215 Формы поперечного сечения (а) и последовательность сборки магнитопровода (б — г)

Рис. 216. Сердечники однофазных трансформаторов малой мощности, собранные из штампованных листов (о, б), колец (в) и стальной ленты (г—ж)

концентрически одну поверх другой (рис. 217,а), либо обмотки 2 и 3 выполняют в виде чередующихся дисковых секций — катушек (рис. 217,б). В первом случае обмотки называют концентрическими, во втором — чередующимися, или дисковыми. В силовых трансформаторах обычно применяют концентрические обмотки, причем ближе к стержням обычно располагают обмотку низшего напряжения, требующую меньшей изоляции относительно магнито-провода трансформатора, снаружи — обмотку высшего напряжения.

В трансформаторах броневого типа иногда применяют дисковые обмотки. По краям стержня устанавливают катушки, принадлежащие обмотке низшего напряжения. Отдельные катушки соединяют последовательно или параллельно. В трансформаторах э. п. с, у которых вторичная обмотка имеет ряд выводов для изменения напряжения, подаваемого к тяговым двигателям, на каждом стержне располагают по три концентрических обмотки (рис. 217, в). Ближе к стержню размещают нерегулируемую часть 4 вторичной обмотки, в середине — первичную обмотку 5 высшего напряжения и поверх нее — регулируемую часть 6 вторичной обмотки. Размещение регулируемой части этой обмотки снаружи упрощает выполнение выводов от отдельных ее витков.

В трансформаторах малой мощности используют многослойные обмотки из провода круглого сечения с эмалевой или хлопчатобумажной изоляцией, который наматывают на каркас из электрокартона; между слоями проводов прокладывают изоляцию из специальной бумаги или ткани, пропитанной лаком.

В мощных трансформаторах, устанавливаемых на э. п. с, тяговых подстанциях и пр., применяют непрерывные спиральные

Рис. 217. Расположение концентрических (а), дисковых (б) и концентрических трехслойных (в) обмоток трансформатора

(рис. 218, а) и винтовые параллельные (рис. 218,б) обмотки, обладающие высокой механической прочностью и надежностью. Непрерывную спиральную обмотку используют в качестве первичной (высшего напряжения) и регулируемой части вторичной обмотки (низшего напряжения). Эта обмотка состоит из ряда последовательно соединенных плоских катушек, имеющих одинаковые размеры. Катушки расположены друг над другом. Между ними устанавливают прокладки и рейки из электрокартона, которые образуют горизонтальные и вертикальные каналы для прохода охлаждающей жидкости (масла).

Для повышения электрической прочности при воздействии атмосферных напряжений две первые и две последние катушки первичной (высоковольтной) обмотки обычно выполняют с усиленной изоляцией. Усиление изоляции ухудшает охлаждение, поэтому площадь сечения проводов этих катушек берут большей, чем для остальных катушек первичной обмотки.

Винтовую параллельную обмотку используют в качестве нерегулируемой части вторичной обмотки. Ее витки наматывают по винтовой линии в осевом направлении подобно резьбе винта. Обмотку выполняют из нескольких параллельных проводов прямоугольного сечения, прилегающих друг к другу в радиальном направлении. Между отдельными витками и группами проводов располагают каналы для прохода охлаждающей жидкости.

Рис. 218. Непрерывная спиральная (а) и винтовая (б) обмотки мощных трансформаторов электрического подвижного состава: 1 — выводы; 2,6 — каналы для прохода охлаждающей жидкости; 3 — катушки; 4 — опорные кольца; 5 — рейки; 7 — бакелитовый цилиндр; 8 — проводники обмотки

Рис. 219. Устройство трансформаторов общего назначения (а) и тягового (б) с масляным охлаждением: 1— термометр; 2 — выводы обмотки высшего напряжения; 3—выводы обмотки низшего напряжения; 4, 6 — пробки для заливки масла; 5 — масломерное стекло; 7 — расширитель; 8 — сердечник; 9, 10 — обмотки высшего и низшего напряжений; 11 — пробка для спуска масла; 12 —бак для охлаждения масла; 13 — трубы для охлаждения масла; 14 — теплообменник; 15 — воздуховоды; 16, 18 — стойки для установки переключателя выводов трансформатора; 17 — заводской щиток; 19 — насос для циркуляции масла; 20 — опорные балки

Число параллельных проводов определяется током, проходящим по обмотке.

Система охлаждения. Способ охлаждения трансформатора зависит от его номинальной мощности. При увеличении мощности трансформатора необходимо увеличивать и интенсивность его охлаждения.

Трансформаторы малой мощности обычно выполняют с естественным воздушным охлаждением и называют «сухими». Отвод тепла в них происходит путем непосредственной теплоотдачи от нагретых поверхностей обмотки и магнитопровода к окружающему воздуху. В некоторых случаях трансформаторы малой мощности помещают в корпус, залитый термореактивными компаундами на основе эпоксидных смол или других подобных материалов.

В трансформаторах средней и большой мощности сердечник с обмотками целиком погружают в бак, наполненный тщательно очищенным минеральным (трансформаторным) маслом (рис. 219, а). Такой способ отвода тепла называют естественным масляным охлаждением. Трансформаторное масло обладает более высокой теплопроводностью, чем воздух, и хорошо отводит тепло от обмоток и сердечника трансформатора к стенкам бака, имеющего большую площадь охлаждения, чем сам трансформатор. Погружение трансформатора в бак с маслом обеспечивает также повышение электрической прочности изоляции его обмоток и предотвращает ее старение под влиянием атмосферных воздействий. Баки трансформаторов мощностью 20—30 кВ*А имеют гладкие стенки. В более мощных трансформаторах (например, в трансформаторах, устанавливаемых на тяговых подстанциях) для повышения теплоотдачи поверхность охлаждения увеличивают, применяя баки с ребристыми стенками или трубчатые. Нагревающееся внутри бака масло поднимается кверху, а охлаждающееся в трубах опускается вниз, создавая, таким образом, естественную циркуляцию, способствующую охлаждению трансформатора.

На э. п. с. переменного тока применяют трансформаторы с масляным охлаждением и принудительной циркуляцией масла через теплообменник, охлаждаемый воздухом (рис. 219,б). Такая система охлаждения позволяет существенно повысить индукцию в сердечнике и плотность тока в обмотках, т. е. уменьшить массу и габаритные размеры трансформатора.

В систему охлаждения обычно вводят струйное реле, которое не допускает включения трансформатора, если через него не циркулирует масло.

Масло в трансформаторе во время работы нагревается и расширяется. При уменьшении нагрузки оно, охлаждаясь, возвращается к первоначальному объему. Поэтому масляные трансформаторы снабжают дополнительным баком — расширителем, соединенным с внутренней полостью бака.При нагревании трансформатора масло переходит в расширитель. Применение расширителя позволяет значительно сократить поверхность соприкосновения масла с воздухом, что уменьшает его загрязнение и увлажнение.

При работе трансформатора масло, нагреваясь, разлагается и загрязняется, поэтому его периодически очищают или заменяют. Масляные трансформаторы во избежание опасности пожара и взрыва устанавливают в специально огражденных помещениях. Наибольшая температура обмоток трансформатора не должна превышать 105 °С, сердечника — 110 °С, верхних слоев масла — 95 °С.

Для защиты от возможной аварии трансформаторы средней и большой мощности снабжают специальными газовыми реле. Газовое реле устанавливают в трубопроводе между основным баком и расширителем. При значительном выделении взрывоопасных газов, образующихся в результате разложения масла, газовое реле автоматически выключает трансформатор, предупреждая развитие аварии. В трансформаторах мощностью более 1000 кВ*А устанавливают также выхлопную трубу, закрытую стеклянной мембраной. При образовании большого количества газов они выдавливают мембрану и выходят в атмосферу — этим предотвращается деформация бака.

Многообмоточные трансформаторы. Наиболее распространены двухобмоточные однофазные трансформаторы (рис. 220, а). При необходимости получения от одного трансформатора нескольких различных напряжений u₂₁, u₂₂, u₂₃ (рис. 220, б) используют многообмоточные трансформаторы, у которых на магнитопроводе расположено несколько вторичных обмоток с различным числом витков. Например, тяговые трансформаторы электровозов имеют обычно четыре обмотки: первичную (высшего напряжения) и три вторичные (низшего напряжения). Одна из них (тяговая) служит для питания через выпрямитель цепи тяговых двигателей, вторая — для питания электрических потребителей собственных нужд (цепей вспомогательных машин, управления, освещения и пр.) и третья — для питания электрических печей отопления пассажирских вагонов. Если на электровозе предусмотрено рекуперативное торможение, то в ряде случаев применяют специальную вторичную обмотку для питания обмоток возбуждения тяговых двигателей в этом режиме. На некоторых электровозах каждый тяговый двигатель питается от собственного выпрямительного блока и в трансформаторе предусматривают соответствующее число вторичных обмоток.

Рис. 220. Схемы двухобмоточного (а) и многообмоточного (б) трансформаторов

сколько это и какие, технология проверки

Трансформаторы, имеющие малую мощность – приспособления для преобразования напряжения. Одна входная и пара выходных обмоток закрепляются на магнитном сердечнике. Переменный ток проходит на первичную катушку, затем вырабатывается магнитное поле, подающее напряжение аналогичной частоты на следующие катушки. Коэффициент передачи определяется количеством витков в обмотках.

Они отличаются по форме металлического сердечника и количеству катушек. Производятся устройства стержневого и броневого типа.

Что представляет собой: схема изобретения

Первичная обмотка изготавливаются по такой схеме. Количество витков зависит от того, какие параметры необходимо получить на выходе.

Изделие работает с напряжением 110, 127 и 220 вольт. Расход меди повышается при изготовлении такой схемы, производство усложняется из-за использования проволоки разного диаметра.

Поэтому чаще применяется такая схема:

Особенности трансформаторов малой мощности

Маломощные трансформаторы в большинстве случаев изготавливаются однофазными. Конструкция основана на обмотке, установленной на прочном стержневом магнитопроводе в виде закрытой буквы П или О. Броневой магнитопровод изготавливается в виде буквы Ш. В таких изделиях обмотка размещается на центральном стержне.

Магнитопроводы создаются из Ш-образных стальных пластин. Последние несколько лет производители фиксируют обмотку на изделиях в форме буквы О. Для изготовления применяются тонкие ленты из холоднокатаной стали. Они разрезаются для скрепления с обмотками, потом соединяются. Место разреза затирается, чтобы зазор был меньше. Значение тока повышается при снижении номинальной мощности устройства. При сокращенном магнитном пути на магнитопроводе большое значение имеет действие воздушных зазоров и стыков. В маломощных устройствах ток доходит до 50—70% _/1иом.

Объем обмоток и дистанция между ними очень маленькая. Это способствует снижению магнитных потоков рассеяния.

Зачастую маломощные трансформаторы комплектуется двумя и более вторичными обмотками, работающими с разным напряжением. Схема замещения таких устройств сложнее.

По этой схеме можно понять, что напряжение на каждой вторичной обмотке определяется потоками остальных катушек.

Рабочая частота маломощных трансформаторов

Рабочая частота устройства рассчитана на 50 Гц. Используется питание от 127 до 220 В. Унифицированные изделия создаются на основе нормализованных магнитопроводов и производятся в массовом порядке. Для полупроводниковых потребителей изготавливаются изделия вида ТПП броневой конструкции.

Согласующие агрегаты используются в выходных каскадах УНЧ для нормализации сопротивления нагрузки и выходного каскада. Они используются при недостаточном выходном сопротивлении следующего по порядку каскада в системах, работающих по межкаскадному принципу, в зависимости от того, из скольких каскадов сделан трансформатор.

Сфера применения

Такие устройства часто устанавливаются на узлах радиоэлектронного оборудования и выполняют разные функции. За последние годы несколько новых предприятий освоили технологию их изготовления. Повысилась приспособляемость устройства к работе с разными потребителями, поскольку возникла возможность производства по заданным техническим требованиям заказчика. Ранее ничего подобного не происходило.

Проектировщики оборудования пользовались стандартными схемами и комплектующими из справочников. Выбор изделий был большой, но полный перечень потребностей не охватывал. Поэтому многие разработчики устанавливали агрегаты с избыточным запасом мощности. Сегодня многие предприятия производят комплектующие с характеристиками, подходящими заказчику.

Разновидности и технические характеристики

Изготавливаются силовые электрические приборы стержневого и броневого типа. Последняя самая доступная по цене и весит меньше. Большая часть трансформаторов изготавливается по такому принципу. Изделия стержневого типа с парной катушкой тоже часто используются. Они меньше нагреваются, при изготовлении экономится медь из-за укороченных витков. Плотность тока в таких обмотках значительно увеличивается. Стержневые приспособления с одной катушкой расходуют больше материалов, но изготавливаются значительно проще.

Технология проверки работы трансформаторов

Качество работы устройства проверяется с помощью мультиметра. Межвитковое замыкание – это распространенная неисправность. Нужно также следить за изменением внешних особенностей и запаха изделия. Изоляционным материалом на прогулке служит лаковое покрытие, после повреждения которого поднимается температура на проблемном участке из-за сохранения сопротивления. Исправные изделия не имеют почернений, потеков или вздутий.

Бумага не должна быть обугленная, запах гари отсутствует. Сопротивлению обмоток можно определить по справочнику, если тип устройства известен. Данные, полученные после замера с помощью мультиметра, сравниваются с информацией в справочнике. Катушки считаются неисправными, если отличие между показателями превышает 50%. Если неизвестно сопротивление обмоток, нужно при расчетах использовать количество витков, сечение и материал, из которого изготовлен провод.