Принципы работы трансформаторов
Принцип работы трансформатора связан с принципом электромагнитной индукции. Ток поступающий на первичную обмотку создает в магнитопроводе магнитный поток.
Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе, сдвинутый по фазе, при синусоидальном токе, на 90° по отношению к току в первичной обмотке. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° по отношению к магнитному потоку. Когда вторичные обмотки ни к чему не подключены (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток через первичную обмотку невелик, и определяется в основном её индуктивным сопротивлением.
U2=U1w2/w1.
При подключении вторичной обмотки к нагрузке, по ней начинает течь ток. Этот ток также создаёт магнитный поток в магнитопроводе, причём он направлен противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате, в первичной обмотке нарушается компенсация ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке, до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения. В этом режиме отношение токов первичной и вторичной обмотки равно обратному отношению числа витков обмоток
I1=I2w2/w1,
отношение напряжений в первом приближении также остаётся прежним. В результате, мощность, потребляемая от источника в цепи первичной обмотки практически полностью передаётся во вторичную.
Схематично, выше сказанное можно изобразить следующим образом:
U1 > I1 > I1w1 > Ф > ε2 > I2
Магнитный поток в магнитопроводе трансформатора сдвинут по фазе по отношению к току в первичной обмотке на 90°. ЭДС во вторичной обмотке пропорциональна первой производной от магнитного потока. Для синусоидальных сигналов первой производной от синуса является косинус, сдвиг фазы между синусом и косинусом составляет 90°. В результате, при согласном включении обмоток, трансформатор сдвигает фазу приблизительно на 180°. При встречном включении обмоток прибавляется дополнительный сдвиг фазы на 180° и суммарный сдвиг фазы трансформатором составляет приблизительно 360°.
Виды ремонтов трансформатора.
По объему ремонтных работ различают следующие виды: текущий (эксплуатационный) ремонт, капитальный ремонт без замены обмоток, капитальный ремонт с заменой обмоток, но без ремонта магнитной системы, капитальный ремонт с заменой обмоток и частичным или полным ремонтом магнитной системы.
Ремонт по типовой номенклатуре называется ревизией. При ревизии активную часть трансформатора вынимают из бака (или поднимают съемную часть бака) и без разборки активной части (расшихтовка магнитопровода и съем обмоток) производят ее осмотр (ревизию). Кроме того, выполняют целый ряд других обязательных работ, в которые входят: обработка масла, замена сорбентов, уплотнений, а в некоторых случаях — сушка активной части и контрольные испытания.
По назначению ремонт может быть планово-предупредительный (профилактический) и послеаварийный, как и при ремонте электрических машин. Периодичность их проведения зависит от результатов профилактических испытаний и наличия дефектов, выявленных в процессе эксплуатации и при внешнем осмотре трансформатора. Кроме того, в установленные сроки предусматривается вскрытие главных трансформаторов электростанций и подстанций, через которые передается основная часть вырабатываемой электроэнергии, и трансформаторов собственных нужд подстанции.
Сроки выполнения послеаварийного ремонта определяются следующими обстоятельствами: возможностью замены трансформатора, наличием резерва, категорией потребителей, которых трансформатор снабжает электроэнергией и т. п. Капитальный ремонт с заменой обмоток и изоляции, переизолировкой электротехнической стали требует значительных материальных, трудовых затрат и времени.
По характеру выполняемых работ, как и в случае электрических машин, выделяют: восстановительный ремонт, реконструкцию и модернизацию трансформаторов. При восстановительном ремонте параметры трансформатора и конструкция узлов и деталей не изменяются. При реконструкции параметры трансформатора сохраняются, а конструкция ряда узлов изменяется. В процессе модернизации изменяют параметры трансформатора и, как правило, отдельные части конструкции.
Текущий ремонт предназначен для проверки состояния ограниченного числа быстроизнашивающихся и относительно несложных в ремонте узлов и деталей с устранением обнаруженных дефектов, чтобы обеспечил ь безотказную работу трансформатора до следующего планового (текущего или капитального) ремонта. При текущем ремонте производятся осмотр и чистка узлов и деталей (как правило, относительно легкодоступных), в том числе загряз- ненной внешней изоляции, ликвидация небольших дефектов. мена неосновных узлов и деталей, а также измерения, испытания и осмотры в целях выявления и уточнения работ, подлежащих выполнению в ходе капитального ремонта.
Текущий ремонт также включает комплекс работ по уходу за трансформаторным маслом: спуск грязи и конденсата из расширителя, проверка маслоуказателя и доливка при необходимости масла в расширитель, проверка и смена сорбента в термосифонном (адсорбционном) фильтре и воздухоосушителях.
В ходе ремонта производят очистку наружных поверхностей бака и крышки, проверку спускных кранов и уплотнений, целость мембраны выхлопной трубы и предохранительного клапана, осматривают охлаждающие устройства, выполняют очистку их наружных поверхностей, проверяют и смазывают подшипники вентиляторов, электродвигателей и насосов. Осматривают и проверяют устройства регулирования под нагрузкой (привод, контактор), а также переключатель регулирования без возбуждения, проверяют устройства релейной защиты, приборы контроля температуры и давления масла, систему азотной защиты, соответствующие вторичные цепи.
Одновременно с текущим ремонтом трансформатора производят проверку и опробование устройств его защиты и автоматики, в том числе автоматики и сигнализации систем охлаждения и пожаротушения. В ходе текущего ремонта выполняют испытания изоляции и контактных соединений, в том числе сопротивления контактов переключателей ответвлений (на всех положениях).
Следует отметить, что при текущем ремонте сопротивление изоляции трансформаторов измеряют в тех случаях, когда не требуется расшиновка трансформатора. Сопротивление изоляции измеряют при испытаниях, которые проводят для оценки состояния трансформатора при появлении признаков неисправности.
Оценка состояния изоляции при текущем ремонте трансформатора производится в таком же объеме, как при вводе его в эксплуатацию. Обычно совмещают определение характеристик изоляции трансформатора и его вводов.
При проведении планового капитального ремонта большое значение придается условиям вскрытия активной части. В этом случае продолжительность ремонта невелика и если изоляция трансформатора не увлажнена, сушка активной части в объем ремонта не входит.
В настоящее время для исключения увлажнения изоляции при разгерметизации и сливе масла используется технология, позволяющая удлинить время нахождения активной части вне масла до 100 ч. Технология заключается в подаче в бак трансформатора осушенного воздуха с относительной влажностью не выше 20 %. Для получения сухого воздуха используют специальную установку, снабженную цеолитовыми* адсорберами и подогревателем воздуха. Установка также может быть использована для подсушки изоляции.
Силовые трансформаторы в зависимости от мощности и класса напряжения подразделяются на группы (габариты) от I до VIII. Каждая группа включает трансформаторы, достаточно близкие по массе и габаритным показателям (табл.).
При капитальном ремонте трансформаторов мощностью более 32 MB А и классов напряжения свыше 110 кВ (IV… VIII габаритов) затраты, связанные с транспортированием, могут намного превосходить стоимость ремонта. Только конкретное технико-экономическое обоснование позволяет решить вопрос о методе ремонта в каждом случае.
Однако чаще всего крупные трансформаторы ремонтируют непосредственно на подстанциях, имеющих башни с грузоподъемными устройствами, а на электрических станциях — в машинных залах, оборудованных мостовым краном нужной грузоподъемности. Ремонт выполняется специализированным ремонтным предприятием, персонал которого выезжает к месту установки трансформатора. Однако такие работы, как перемотка и изготовление обмоток, ремонт главной изоляции, переизолировка пластин магнитной системы и целый ряд других, проводятся в специализированных мастерских.
Капитальный ремонт трансформаторов I III габаритов и частично IV габарита производят, как правило, на специализированных ремонтных предприятиях. Хотя в большинстве случаев используется индивидуальный метод ремонта, современные ремонтные предприятия организуют его выполнение в условиях, максимально приближенных к заводским по уровню организации и используемому оборудованию.
* Цеолиты — группа минералов, получаемых в основном синтетическим методом. Они обладают исключительно высокими адсорбционными свойствами, обусловленными высокой пористостью кристаллов и определенными размерами входных окон и каналов, которые действуют как сита, просеивающие молекулы, входящие в состав очищаемого вещества.
Принцип действия трансформатора | Основы судовой электротехники
- Подробности
- Категория: Разное-архив
- трансформатор
- потребитель
- расчеты
- судовое
Содержание материала
- Основы судовой электротехники
- Электрические линейные цепи постоянного тока
- Магнитные свойства ферромагнитных материалов
- Расчет магнитных цепей
- Эффект Кюри—Нееля, магнитострикция
- Принцип действия трансформатора
- Режим холостого хода трансформатора
- Работа трансформатора под нагрузкой
- Трехфазные трансформаторы
- Основные положения метрологии, классификация электроизмерительных приборов
- Приборы магнитоэлектрической системы
- Приборы электромагнитной системы
- Приборы ферродинамической системы
- Требования Правил Регистра
- Технический надзор Регистра и специальные испытания
- Технический надзор Регистра в период швартовных и ходовых испытаний
Страница 6 из 16
ГЛАВА V
ТРАНСФОРМАТОРЫ
§ 28. Принцип действия трансформатора, основные соотношения
В судовых электроэнергетических установках и системах автоматики широкое применение находят электромагнитные статические (без движущихся частей) аппараты — трансформаторы. Действие трансформаторов, предназначенных для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого по величине напряжения, основано на законе электромагнитной индукции Фарадея. Наибольшее распространение на транспортных судах получили однофазные и трехфазные трансформаторы с ферромагнитным сердечником из электротехнической стали.
Однофазный трансформатор (рис. 80) состоит из замкнутого сердечника, собранного при относительно низких частотах из тонких листов электротехнической стали (0,5 мм), на котором расположены две обмотки; одна из них — первичная — получает питание от сети переменного тока. Переменный ток i первичной обмотки создает переменный магнитный поток, который по закону электромагнитной индукции индуцирует в первичной и вторичной обмотках ЭДС, равные:
(170)
В данном случае выражение для мгновенных значений ЭДС может быть записано в виде
(171)
На основании формул (170) и (171) имеем
Переходя к действующим значениям ЭДС, получим:
откуда
(174)
где w — число витков; ω= 2πf — круговая частота питающей сети; A=0 — постоянная интегрирования, равная нулю в случае установившегося синусоидального режима.
Переменный магнитный поток изменяется от —Фт до +Фт, тогда 1
(175)
(176)
(177)
Уравнение (177) устанавливает зависимость между действующими значениями ЭДС и амплитудными значениями магнитного потока трансформатора.
На основании выражения (177) действующее значение ЭДС в первичной обмотке
(178)
во вторичной обмотке
(179)
где f — частота питающей сети, Гц; w1 и w2 — число витков соответственно первичной и вторичной обмоток; Фт—амплитудное значение синусоидально изменяющегося магнитного потока, замыкающегося по ферромагнитному сердечнику; √2xπ4,44 — постоянный коэффициент.
Составив математическое отношение выражений (178) и (179), получим:
(180)
Величина Кп называется коэффициентом трансформации. Учитывая, что в трансформаторах при разомкнутой вторичной обмотке ЭДС незначительно отличается по величине от напряжения, коэффициент К12 с некоторой погрешностью можно выразить через напряжения:
(181)
Под действием возбужденной во вторичной обмотке ЭДС в ней, при замыкании зажимов на некоторую нагрузку, будет протекать переменный ток, величина напряжения которого будет зависеть от коэффициента трансформации.
В процессе преобразования переменного тока в трансформаторе возникают потери мощности: электрические в проводниках обмоток при протекании в них тока; магнитные, обусловленные перемагничиванием сердечника (потери на гистерезис и вихревые токи), и диэлектрические в изоляции при воздействии на нее переменного электрического поля. Наибольшие значения имеют электрические и магнитные потери; диэлектрические потери невелики, и их необходимо практически учитывать только при высоких напряжениях и частотах.
Активные и реактивные мощности первичной и вторичной обмоток связаны следующим равенством:
(182)
где Р1 — активная мощность, подводимая к первичной обмотке; Рэ, Рм, Рд — электрические, магнитные и диэлектрические потери; Р2 — активная мощность, отдаваемая вторичной обмоткой нагрузке; Q1 — реактивная мощность, подводимая к первичной обмотке; Q’— реактивная мощность, расходуемая на создание магнитного поля трансформатора; Q2 — реактивная мощность, отдаваемая вторичной обмоткой нагрузке.
Для судовых трансформаторов характерны следующие режимы работы: холостой ход и под нагрузкой.
- Назад
- Вперёд
- Назад
- Вперёд
- Вы здесь:
- Главная
- Архив
- Разное архив
- Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов
Еще по теме:
- Расчет основных электрических величин и главной изоляции обмоток трансформатора
- Аварии и неисправности в судовых электроустановках
- Порядок обследования точки расчетного учета рейдовой бригадой у бытового потребителя
- Технологическая карта обследования точки расчетного учета рейдовой бригадой у бытового потребителя
- Оптимизация с-х энергетических установок
Принцип работы трансформатора
Трансформатор является одним из наиболее важных устройств в электротехнике, который изменяет величину и фазовый угол входного переменного тока. Фактически трансформатор представляет собой статическую электрическую машину, поскольку в трансформаторе нет вращающихся частей. Более того, трансформатор является пассивным компонентом, передающим энергию с одной стороны на другую. Как упоминалось ранее, это устройство работает с входом переменного тока, а передача постоянного тока с помощью трансформатора невозможна. В этой статье Принцип работы трансформатора полностью обсуждается, включая теорию магнитного преобразования, эквивалентные схемы, различные типы магнитных сердечников и применение трансформаторов.
Трансформатор состоит из двух основных частей, включая магнитопровод и две или более обмоток. Источник переменного тока подается на одну обмотку в качестве входа, а выходное напряжение получается от другой, как показано на рисунке 1. Обмотки в основном изготавливаются из меди или алюминия из-за их приемлемой проводимости. Фактически, проводники намотаны на магнитный сердечник для создания магнитного поля в сердечнике трансформатора. В большинстве случаев магнитопровод также изготавливается из ферромагнитных материалов, т. е. из железа. Однако диамагнитные или немагнитные материалы, такие как воздух, дерево и пластик, используются для некоторых специальных целей.
Рис. 1. Различные части образца двухобмоточного трансформатора, включая магнитопровод и обмотки.
Когда катушка трансформатора подключена к источнику переменного напряжения, вокруг катушки создается переменное магнитное поле, как показано на рис. 2. Это магнитное поле создает магнитный поток, который проходит через сердечник, замыкая свой путь. Однако часть магнитного потока имеет тенденцию замыкать свой путь на более коротком пути, что означает путь вблизи катушки, а именно поток рассеяния. Величина генерируемого потока пропорциональна величине тока, протекающего через катушку, а направление потока основано на направлении тока в обмотке, которое можно получить по правилу правой руки. Это правило выражается в том, что когда пальцы сгибаются в полукруг вокруг провода в направлении тока, большой палец показывает направление магнитного потока. В идеальных условиях поток рассеяния равен нулю, и все генерируемые потоки проходят через магнитопровод. Когда магнитный поток проходит через катушку, на клеммах катушки генерируется напряжение, что является наиболее важной концепцией трансформатора. Следовательно, когда поток сердечника проходит через вторичную обмотку на следующем рисунке, на ее выводах будет генерироваться напряжение. Таким образом, входная мощность передается от первичной обмотки к вторичной обмотке без какого-либо электрического соединения. На самом деле мощность передается магнитным путем и магнитным сердечником. Таким образом, говорят, что напряжение индуцируется во вторичной обмотке. Величина индуцированного напряжения во вторичной обмотке напрямую связана с числом витков обмотки, которое может быть определено на этапе проектирования.
Рисунок 2: Различные потоки в однофазном трансформаторе сердечник трансформатора типа, обмотка окружена сердечником, но тип сердечника отличается тем, что сердечник трансформатора окружен обмоткой. Чтобы получить максимальную магнитную связь, в конструкции сердечника обмотки чередуются и концентрируются. Это означает, что обмотка НН в стержневой конструкции расположена рядом с сердечником, а затем вокруг обмотки НН намотана обмотка ВН (обмотка ВН огибает обмотку НН). Есть несколько причин для такой конфигурации обмотки. Первая причина заключается в том, что обмотка НН имеет более низкое напряжение и требуется меньшая изоляция для отделения обмотки НН от заземленного сердечника. Более того, поскольку через обмотку НН протекает более высокий ток, расположение этой обмотки вблизи сердечника приводит к меньшим потерям из-за меньшего сопротивления и средней длины обмотки. Однако конфигурация обмотки в оболочечной конструкции отличается и называется конфигурацией сэндвич-обмоток. В этой конфигурации обмотки ВН и НН расположены друг над другом, что похоже на сэндвич. Схема конфигурации представлена на рис. 3. Таким образом, несмотря на конфигурацию обмоток в сердечниковом исполнении, обмотки как НН, так и ВН намотаны вокруг сердечника с соответствующей изоляцией между обмотками и сердечником трансформатора.
При том же напряжении корпусная конструкция требует большей изоляции, поскольку обмотка ВН должна быть изолирована от сердечника. Однако в конструкции с сердечником только обмотка НН должна быть изолирована от сердечника, для которого требуется меньше изоляции. Поэтому для приложений с высоким напряжением и малой мощностью предпочтительнее конструкция с сердечником. И наоборот, корпусная конструкция используется для трансформаторов большой мощности и низкого напряжения. Кроме того, охлаждение более эффективно в конструкции с сердечником. Наконец, как упоминалось ранее, в оболочечной конструкции обмотка окружена сердечником, который может защитить обмотку от механических воздействий.
Рисунок 3. Различные типы сердечника трансформатора: с сердечником (слева) и с сердечником (справа) можно записать в виде:
(1)
Когда первичная обмотка подключена к изменяющемуся во времени напряжению, в сердечнике устанавливается изменяющийся во времени поток Ф
. Наведенное напряжение будет равно приложенному напряжению, если сопротивлением обмотки пренебречь, и на основании закона Фарадея первичное напряжение (V1) может быть достигнуто за счет:
(2)
Аналогично, индуцированное напряжение во вторичной обмотке может быть получено как:
(4)
что означает, что первичное и вторичное напряжения пропорциональны соотношению числа витков трансформатора. Кроме того, согласно уравнению 1, первичный и вторичный токи также пропорциональны коэффициенту трансформации трансформатора как:
(5)
После понимания напряжений и токов обмоток трансформатора импеданс является еще одним важным параметром, который необходимо исследовать на каждой стороне трансформатора. Когда трансформатор подключен к импедансу, подобному нагрузке, и к первичной стороне приложено напряжение, импеданс нагрузки можно записать как:
(6)
:
(7)
Таким образом, входной импеданс можно изменить на основе уравнений 4, 5 и 6 следующим образом:
(8) трансформатор для более простых вычислений.
В идеальном трансформаторе сопротивления трансформатора пренебрежимо малы, потоки рассеяния или рассеяния равны нулю, ток возбуждения для создания потока в сердечнике также пренебрежимо мал. Однако эти предположения неверны для реальных трансформаторов. Следовательно, пренебрегаемые параметры исследуются в следующих разделах. На рисунке 4 показана эквивалентная схема практического трансформатора. Фактически, практический трансформатор состоит из идеального трансформатора, сопротивлений первичной и вторичной обмоток и индуктивностей рассеяния на каждой стороне трансформатора. Коэффициент трансформации равен .
Рисунок 4: Эквивалентная схема трансформатора, применяемого на практике . В практическом магнитном сердечнике с конечной магнитной проницаемостью требуется ток намагничивания, чтобы установить магнитный поток в сердечнике. Этот эффект может быть представлен намагничивающей индуктивностью. Кроме того, потери в сердечнике в магнитном материале могут быть представлены сопротивлением .
Интересно, что хорошо спроектированный трансформатор имеет КПД около 99 процентов. КПД можно рассчитать как:
(9)
, где входная мощность представляет собой комбинацию выходной мощности и потерь. Следовательно, различные типы потерь трансформатора определяются как потери в обмотке и в сердечнике. Следовательно, эффективность можно переписать следующим образом:
(10)
Потери в обмотке обусловлены сопротивлением обмотки. Потери в сердечнике включают вихревые и гистерезисные потери.
В трансформаторе обмотки электрически изолированы, а обмотки связаны магнитно. Однако существует особое соединение трансформатора, которое называется автотрансформатором. В этом типе трансформатора переменное напряжение переменного тока может быть получено на вторичной обмотке. В отличие от двухобмоточного трансформатора, рассмотренного ранее, первичная и вторичная обмотки автотрансформатора физически соединены. Однако основной принцип работы такой же, как и у двухобмоточного трансформатора.
Как видно на рисунке 6, автотрансформатор аналогичен трансформатору, а коэффициент напряжения равен коэффициенту трансформации, что означает, что уравнение 4 справедливо для автотрансформатора. Кроме того, уравнение 5 также может быть использовано для автотрансформаторов. Единственное отличие состоит в том, что вторичное напряжение составляет часть первичной обмотки понижающего автотрансформатора, а клемма вторичной обмотки может охватывать первичную обмотку для создания переменного напряжения. Преимуществами автотрансформаторного подключения являются более низкие реактивные сопротивления рассеяния, меньшие потери, меньший ток возбуждения, повышенная номинальная мощность в кВА и переменное выходное напряжение, когда для вторичной обмотки используется скользящий контакт. Недостатком является прямое соединение между первичной и вторичной сторонами.
Рисунок 6: Образец понижающего автотрансформатора
Можно сказать, что трансформатор используется во всех устройствах и имеет широкий спектр применения. Например, силовой трансформатор является одним из наиболее важных устройств в энергосистеме, который изменяет уровни напряжения. Другое применение находится в электронике, такой как выпрямители, инверторы и другие преобразователи. Еще одним применением трансформатора является изоляция. В этом приложении коэффициент трансформации трансформатора в основном равен единице, потому что единственной задачей этого типа трансформатора является электрическое разделение первичной и вторичной цепей. Трансформатор также используется для измерения переменного тока и напряжения, которые называются трансформаторами тока (ТТ) и трансформаторами напряжения (ТН) соответственно. Помимо упомянутых применений, высокочастотные трансформаторы могут использоваться для питания рентгеновского излучения. В общем, трансформатор доступен везде, где есть переменное напряжение.
Понимание принципа работы однофазного трансформатора
3 июля 2017 г.
Трансформаторы являются одним из широко используемых электрических устройств во всем мире. Эти устройства преобразуют более высокие напряжения в более низкие, что делает их идеальными для бытового использования. Трансформаторы передают электрическую энергию между цепями без изменения их частоты. Для электрических проектов используются различные типы трансформаторов. Хотя эти устройства различаются по своей конструкции, все они следуют основному принципу клетки Фарадея. В этом посте обсуждается одна такая важная разновидность трансформатора — однофазный трансформатор и его рабочий механизм.
Основные сведения об однофазном трансформаторе
Однофазный силовой трансформатор представляет собой устройство, использующее однофазный переменный ток. Это означает, что трансформатор зависит от цикла напряжения, который работает в интегрированной временной фазе. Эти трансформаторы используются для понижения электрических сигналов на большие расстояния до уровней мощности, которые используются в легкой коммерческой, а также в жилых помещениях.
Изменение тока определяется соотношением первичных обмоток (вход) и вторичных обмоток (выход). Многие однофазные трансформаторы позволяют регулировать коэффициент трансформации, однако другие имеют фиксированное соотношение 1:1, которое можно использовать для изоляции цепей.
Наибольшее напряжение в однофазных трансформаторах варьируется в соответствии с промышленными нормами и коммунальной инфраструктурой.
Введение в принцип работы однофазного трансформатора
Как работает однофазный трансформатор? Читайте ниже, чтобы узнать больше:
- Однофазный трансформатор состоит из первичной и вторичной обмоток. Эти обмотки представляют собой изолированные провода, намотанные на один железный сердечник.
- Первичная обмотка подключена к источнику переменного тока, а вторичная обмотка подключена к нагрузке.