Сборка сердечников трансформаторов броневого типа в притык применяется у трансформаторов небольшой мощности. У трансформаторов большой мощности сердечник собирается в нахлестку. На рис. 22 изображены два слоя (накладываемые поочередно друг нэ друга) сердечника трансформатора броневого типа со сборкой в нахлестку. Число пластин разной формы равно четырем.

Рис. 22

Рис. 23

Рис. 24

На рис. 23 изображена конструкция сердечника трансформатора броневого типа (зав. Сименс-Шуккерт) с большим подразделением железа. Число пластин разной формы равно двум. Отдельные части собираются в притык.

Несколько своеобразную конструкцию имеют сердечники трансформаторов стержневого типа весьма большой мощности. У таких трансформаторов сердечник часто имеет не три, а пять стержней, причем обмотки наложены только на три средние сердечника.

На рис. 24 изображен пятистержневой сердечник трансформатора рекордной мощности 100000 kVA, 220/110 kV (AEG). Боковые стержни добавлены с целью ослабления магнитного потока в ярме, вследствие чего сечение ярма уменьшается почти в два раза сравнительно с сечением без боковых стержней. Уменьшение сечения ярма имеет следствием уменьшение высоты трансформатора, что необходимо в целях облегчения транспорта по железным дорогам весьма мощных трансформаторов.

5. ОБМОТКИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

5.1 Обмоточная медь

Обмотки трансформаторов, в зависимости от необходимого сечения, изготовляются или из круглых медных проволок, или же из Проводников прямоугольной формы. Обмотки высокого напряжения чаще изготовляются из круглых проволок, так как изолирование их представляет меньшие затруднения, чем изолирование проводников прямоугольного сечения; кроме того, процесс изготовления обмотки из прямоугольных проводов при малых сечениях труден, вследствие возможности перекручивания. Обмотки низкого напряжения у больших трансформаторов изготовляются обычно из проводников прямоугольного сечения, так как, вследствие большой площади сечения, круглые проволоки имели бы слишком большой диаметр. Во избежание потерь от токов Фуко, индуктируемых потоком рассеяния в меди обмотки при больших сечениях, а также в целях облегчения фабрикации обмоток, проводники часто составляются из отдельных лент, располагаемых большой стороной по длине сердечника (см. далее).

Круглая проволока берется диаметром не больше 3,5 мм, так как проволока с большим диаметром затрудняет работу по намотке катушек и дает плохое использование сечения этих катушек.

Проводники прямоугольного сечения берутся не свыше 200 лш², что соответствует предельным размерам 8 X 25 мм\ делается это с целью уменьшения потерь от токов Фуко в проводниках. Как круглые, так и прямоугольные проводники изолируются хлопчатобумажной обмоткой в комбинации с эмалью или бумагой. Насколько увеличивается диаметр круглой проволоки с разной изоляцией можно видеть из таблицы 3.

Проволока с изоляцией а -проволока с двойной хлопчатобумажной обмоткой; применяется для напряжения до 6 kV.

Проволока с изоляцией b-проволока, покрытая слоем эмали, на который наложена двойная хлопчатобумажная обмотка; применяется в тех случаях, когда изоляция а считается недостаточной.

Следует отметить, что проволока с одной эмалевой изоляцией. ДЛЯ изготовления трансформаторных катушек не применяется так как при этой изоляции получается крайне небольшое расстояние между соседними проволоками витков. Возможная порча слоя изоляции, например трещина, приводит в этом случае к тому что получающийся незначительный воздушный слой между проводниками пробивается напряжением, имеющимся между ними. Навиваемая на слой эмали хлопчатобумажная обмотка увеличивает расстояние между соседними витками, следовательно увеличивает толщину слоя воздуха между соседними проволоками в случае порчи изоляционных покровов.

Проволока с изоляцией с - проволока, покрытая двумя повивами бумаги и двойной хлопчатобумажной обмоткой; применяется для входных катушек при напряжении до 6 kV и для средних катушек при напряжении до 20-35 kV.

Проволока с изоляцией проволока, покрытая четырьмя повивами бумаги и двойной хлопчатобумажной обмоткой- применяется для входных катушек при напряжении 22-35 kV

При напряжениях, доходящих до 60-110 kV, увеличение диаметра голой проволоки доходит до 2-2,5 мм.

Увеличение размеров проводника прямоугольного сечения в зависимости от величины сечения и сорта изоляции, составляет 0,6-0,8 мм на две стороны последняя цифра (0,8 мм) получается при двух слоях бумажной изоляции с покрытием двойной хлопчатобумажной обмоткой.

Проводники обмотки масляных трансформаторов обычно изолируются оплеткой из, бумажной ленты. При больших сечениях проводники прямоугольного сечения иногда не изолируются, но отдельные витки из них при выполнении катушки изолируются друг от друга прокладками из бумаги.

5.2 Типы обмоток

По способу выполнения обмотки трансформаторов распадаются на цилиндрические и дисковые. Цилиндрические обмотки представляют собою в целом полые цилиндры, окружающие сердечники по всей их длине (рис. 25).

Рис. 25

Ближе к сердечнику располагается обычно обмотка низшего напряжения Н, так как ее легче изолировать от сердечников. ?а обмотку низшего напряжения, коаксиально с нею, надвигается цилиндрическая обмотка высшего напряжения В. Таким образом, при указанном выполнении внутренний цилиндр будет служить обмоткою низшего напряжения, тогда как наружный цилиндр - обмоткою высшего напряжения.

В небольших трансформаторах цилиндрические обмотки выполняются непрерывной намоткой проводника. В трансформаторах большой мощности и высокого напряжения цилиндрические обмотки составляются из секций или катушек, разобщенных друг от друга изоляционными прокладками.

Для того, чтобы уменьшить потоки рассеяния трансформатора, катушки первичной и вторичной цилиндрических обмоток располагаются возможно ближе друг к другу и берутся с небольшими радиальными размерами.

С уменьшения рассеяния трансформатора часто обмотка низшего напряжения каждого сердечника делится на две цилиндрические катушки, причем одна катушка располагается непосредственно на сердечнике, а другая снаружи на обмотке высшего напряжения (рис. 26).

Таким образом, катушка обмотки высшего напряжения находится между двумя катушками обмотки низшего напряжения.

Рис. 26 Рис. 27

Цилиндрические обмотки применяются преимущественно у стержневых трансформаторов высокого напряжения, когда разобщенность между перві.чной и вторичной обмотками должна быть особенно велика. Эта разобщенность между первичной и вторичной обмотками при высоких напряжениях достигается относительно большим радиальным расстоянием между катушками обмоток. Последнее обстоятельство, однако, имеет следствием повышенное рассеяние. Поэтому цилиндрические обмотки всегда дают несколько большее рассеяние, чем дисковые обмотки.

Дисковые обмотки составляются из плоских или дисковых катушек или секций, имеющих большой радиальный и небольшой осевой размеры. Катушки высшего напряжения располагаются на сердечнике трансформатора поочередно с катушками низшего напряжения, причем надлежащая изоляция между ними получается при посредстве изоляционных прокладок и воздушных зазоров (рис. 27).

Для того чтобы обеспечить лучшую изоляцию обмоток от сердечников, у ярем располагают катушки обмотки низшего напряжения. С целью уменьшения магнитного рассеяния концевые катушки делаются обычно с вдвое, меньшим числом витков, чем средние катушки. Так как у дисковой обмотки катушки обмоток высшего и низшего напряжения теснее переплетаются друг с другом, вследствие чего получается более совершенная компенсация ампервитков этих обмоток то магнитное рассеяние при дисковой обмотке относительно меньше, чем при цилиндрической. Но тесное расположение катушек обмоток высшего и низшего напряжения требует весьма солидной изоляции между ними, если речь идет о трансформаторе высокого напряжения. Последнее обстоятельство ведет к увеличению высоты обмотки, а с нею и высоты сердечника. Дисковые обмотки применяются преимущественно в броневых трансформаторах, хотя при невысоких напряжениях и небольших мощностях они применяются также в стержневых трансформаторах.

6. ПРИМЕНЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ОБОЗНАЧЕНИЕ В

СХЕМАХ

На схемах трансформатор обозначается следующим образом:

Рис. Центральная толстая линия соответствует сердечнику, 1 - первичная обмотка (обычно слева), 2,3 - вторичные обмотки

Число полуокружностей в очень грубом приближении символизирует число витков обмотки (больше витков - больше полуокружностей, но без строгой пропорциональности).

При обозначении трансформатора жирной точкой около вывода могут быть указаны начала катушек (не менее чем на двух катушках, знаки мгновенно действующей ЭДС на этих выводах одинаковы). Применяется при обозначении промежуточных трансформаторов в усилительных (преобразовательных) каскадах для подчёркивание син- или противофазности, а также в случае нескольких (первичных или вторичных) обмоток, если соблюдение «полярности» их подключения необходимо для работы остальной части схемы. Если начала обмоток не указаны явно, то предполагается, что все они направлены в одну сторону (после конца одной обмотки - начало следующей).В схемах трёхфазных трансформаторах «обмотки» располагают перпендикулярно «сердечнику» (Ш-образно, вторичные обмотки напротив соответствующих первичных), начала всех обмоток направлены в сторону «сердечника».

Наиболее часто трансформаторы применяются в электросетях и в источниках питания различных приборов.

Применение в электросетях

Поскольку потери на нагревание провода пропорциональны квадрату тока, проходящего через провод, при передаче электроэнергии на большое расстояние выгодно использовать очень большие напряжения и небольшие токи. Из соображений безопасности и для уменьшения массы изоляции в быту желательно использовать не столь большие напряжения. Поэтому для наиболее выгодной транспортировки электроэнергии в электросети многократно применяют трансформаторы: сначала для повышения напряжения генераторов на электростанциях перед транспортировкой электроэнергии, а затем для понижения напряжения линии электропередач до приемлемого для потребителей уровня.

Поскольку в электрической сети три фазы, для преобразования напряжения применяют трёхфазные трансформаторы, или группу из трёх однофазных трансформаторов, соединённых в схему звезды или треугольника. У трёхфазного трансформатора сердечник для всех трёх фаз общий.

Несмотря на высокий КПД трансформатора (свыше 99 %), в очень мощных трансформаторах электросетей выделяется большая мощность в виде тепла (например, для типичной мощности блока электростанции 1 ГВт на трансформаторе может выделяться мощность до нескольких мегаватт). Поэтому трансформаторы электросетей используют специальную систему охлаждения: трансформатор помещается в баке, заполненном трансформаторным маслом или специальной негорючей жидкостью. Масло циркулирует под действием конвекции или принудительно между баком и мощным радиатором. Иногда масло охлаждают водой. «Сухие» трансформаторы используют при относительно малой мощности (до 16000 кВт). Применение в источниках электропитания.

Для питания разных узлов электроприборов требуются самые разнообразные напряжения. Например, в телевизоре с помощью трансформаторов получают напряжения от 5 вольт (для питания микросхем и транзисторов) до 30 киловольт (для питания анода кинескопа). В блоке питания персонального компьютера обычно также применяется импульсный трансформатор, на первичную обмотку которого подаётся переменное напряжение прямоугольной (чаще всего) формы с выхода инвертора. Система управления с помощью ШИМ позволяет стабилизировать напряжение на выходе источника электропитания. Блоки электропитания в устройствах, которым необходимо несколько напряжений различной величины, зачастую содержат трансформаторы с несколькими вторичными обмотками.

В прошлом сетевой трансформатор (на 50-60 Гц) был одной из самых тяжёлых деталей многих приборов. Дело в том, что линейные размеры трансформатора определяются передаваемой им мощностью, причём оказывается, что линейный размер сетевого трансформатора примерно пропорционален мощности в степени 1/4. Размер трансформатора можно уменьшить, если увеличить частоту переменного тока. Поэтому в современных блоках питания переменное напряжение сети сперва выпрямляют, а затем преобразуют в высокочастотные импульсы, которые подаются на импульсный трансформатор, преобразующий их во все нужные напряжения. Такая конструкция заметно уменьшает массу блока питания.

Разделительные трансформаторы (трансформаторная гальваническая развязка). Нейтральный провод электросети может иметь контакт с «землёй», поэтому при одновременном касании человеком фазового провода (а также корпуса прибора с плохой изоляцией) и заземлённого предмета тело человека замыкает электрическую цепь, что создаёт угрозу поражения электрическим током. Если же прибор включён в сеть через трансформатор, касание прибора одной рукой вполне безопасно, поскольку вторичная цепь трансформатора никакого контакта с землёй не имеет.

Импульсные трансформаторы (ИТ). 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.

Измерительные трансформаторы. Применяют для измерения очень больших или очень маленьких переменных напряжений и токов в цепях РЗиА.

Измерительно-силовые трансформаторы. Имеют широкое применение в схемах генераторов переменного тока малой и средней мощности (до мегаватта), например, в дизель-генераторах. Такой трансформатор представляет собой измерительный трансформатор тока с первичной обмоткой, включённой последовательно с нагрузкой генератора. Со вторичной обмотки снимается переменное напряжение, которое после выпрямителя подаётся на обмотку подмагничивания ротора. (Если генератор трёхфазный, обязательно применяется и трёхфазный трансформатор). Таким образом, достигается стабилизация выходного напряжения генератора - чем больше нагрузка, тем сильнее ток подмагничивания, и наоборот.

Согласующие трансформаторы. Из законов преобразования напряжения и тока для первичной и вторичной обмотки (I1=I2w2/w1,U1=U2w1/w2) видно, что со стороны цепи первичной обмотки всякое сопротивление во вторичной обмотке выглядит в (w1/w2)І раз больше. Поэтому согласующие трансформаторы применяются для подключения низкоомной нагрузки к каскадам электронных устройств, имеющим высокое входное или выходное сопротивление. Например, высоким выходным сопротивлением может обладать выходной каскад усилителя звуковой частоты, особенно, если он собран на лампах, в то время как динамики имеют очень низкое сопротивление. Согласующие трансформаторы также исключительно полезны в высокочастотных линиях, где различие сопротивления линии и нагрузки привело бы к отражению сигнала от концов линии, и, следовательно, к большим потерям.

Фазоинвертирующие и согласующие трансформаторы в выходном каскаде усилителя звуковой частоты с транзисторами одного типа проводимости. Транзистор в такой схеме усиливает только половину периода выходного сигнала. Чтобы усилить оба полупериода, нужно подать сигнал на два транзистора в противофазе. Это и обеспечивает трансформатор T1. Трансформатор T2 суммирует выходные импульсы VT1 и VT2 в противофазе и согласует выходной каскад с низкоомным динамиком

Трансформатор передаёт только переменную компоненту сигнала, поэтому даже если все постоянные напряжения в цепи имеют один знак относительно общего провода, сигнал на выходе вторичной обмотки трансформатора будет содержать как положительную, так и отрицательную полуволны, причём, если центр вторичной обмотки трансформатора подключить к общему проводу, то напряжение на двух крайних выводах этой обмотки будет иметь противоположную фазу. До появления широко доступных транзисторов с npn типом проводимости фазоинвертирующие трансформаторы применялись в двухтактных выходных каскадах усилителей, для подачи противоположных по полярности сигналов на базы двух транзисторов каскада. К тому же, из-за отсутствия «ламп с противоположным зарядом электрона», фазоинвертирующий трансформатор необходим в ламповых усилителях с двухтактным выходным каскадом.

7. ПРАВИЛА ЭКСПЛУАТАЦИИ

Срок службы трансформатора может быть разделен на две категории:

1) Экономический срок службы - экономический срок службы заканчивается, когда капитализированная стоимость непрерывной работы существующего трансформатора превысит капитализированную стоимость доходов от эксплуатации этого трансформатора. Или экономический срок жизни трансформатора (как актива) заканчивается тогда, когда удельные затраты на трансформацию энергии с его помощью становятся выше удельной стоимости аналогичных услуг на рынке трансформации энергии.

2) Технический срок службы

Работа в параллельном режиме

Параллельная работа трансформаторов нужна по очень простой причине. При малой нагрузке мощный трансформатор имеет большие потери холостого хода, поэтому вместо него подключают несколько трансформаторов меньшей мощности, которые отключаются, если в них нет необходимости.

1) Параллельно могут работать только трансформаторы, имеющие одинаковую угловую погрешность между первичным и вторичным напряжениями.

2) Полюса с одинаковой полярностью на сторонах высокого и низкого напряжения должны быть соединены параллельно.

3) Трансформаторы должны иметь примерно тот же самый коэффициент передачи по напряжению.

4) Напряжение полного сопротивления короткого замыкания должно быть одинаковым, в пределах ±10 %.

5) Отношение мощностей трансформаторов не должно отклоняться более чем 1:3.

6) Переключатели числа витков должны стоять в положениях, дающих коэффициент передачи по напряжению как можно ближе.

Другими словами это значит, что следует использовать наиболее схожие трансформаторы, одинаковые модели трансформаторов является лучшим вариантом. Отклонение от вышеприведенных требований возможны при условии, что имеются в наличии соответствующие знания.

При одинаковых напряжениях первичной обмотки трансформатор, разработанный для частоты 50 Гц, может использоваться при частоте сети 60 Гц, но не наоборот. При этом необходимо принять во внимание, что возможно, потребуется заменить навесное электрооборудование. При частоте меньше номинальной материал магнитопровода входит в насыщение, что ведёт к увеличению токов через первичную обмотку и, как следствие, ее перегрев с вытекающими последствиями.

В зависимости от нагрузки электрической сети меняется её напряжение. Для нормальной работы электроприёмников потребителей необходимо, чтобы напряжение не отклонялось от заданного уровня больше допустимых пределов, в связи с чем, применяются различные способы регулирования напряжения в сети.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Трансформатором в электротехнике называется аппарат, преобразующий электрическую энергию переменного тока в электрическую же энергию переменного тока. В этом аппарате нет непрерывно вращающихся частей. Поэтому трансформатор не является машиной в обычном смысле этого слова; но так как в трансформаторе все же имеет место преобразование энергии и притом это преобразование, как и в обычных электрических машинах, происходит при посредстве магнитного потока, то он весьма близко к ним подходит по явлениям, в нем происходящим. На этом основании курс трансформаторов составляет неотъемлемую часть общего курса электрических машин.

Трансформатор является необходимейшим элементом электрической установки переменного тока. Он облегчает передачу энергии на далекие расстояния, он же облегчает ее распределение между крупными и самыми мелкими приемниками. Благодаря применению трансформатора, позволяющего получать переменный ток при любом напряжении, облегчается производство электрических машин переменного тока, которые не могут работать при слишком высоких напряжениях, а также электрической аппаратуры и приемников электрической энергии. Только благодаря трансформатору переменный ток получил широчайшее распространение, отодвинув постоянный ток, не имеющий своего трансформатора, на второе и относительно весьма скромное место.

Трансформаторы, как и электрические машины, характеризуются, в основном, мощностью и напряжением. Диапазон мощностей и напряжений современных трансформаторов весьма широк. Имеются трансформаторы мощностью 0,5 VA, но имеются трансформаторы мощностью и в 100 000 kVA в одной единице. Точно так же существуют трансформаторы с напряжением 2--3 V, но существуют трансформаторы с напряжением 1 миллион вольт или 1000 kV. Последнее напряжение имеется у трансформаторов лабораторного типа. Наивысшие напряжения промышленных трансформаторов - 110 kV и 220 kV. Причины ограничения предельного напряжения промышленных трансформаторов кроются не в производстве трансформаторов, а в устройстве линий передачи и высоковольтной аппаратуры. Точно так же причины ограничения мощности трансформатора величиною 100 000 kVA водной единице лежат не в трансформаторе, а в условиях железнодорожного транспорта. Размеры мощного трансформатора (свыше 100 000 kVA) при высоком напряжении получаются настолько значительными, что трансформатор с его баком и выводами (изоляторами) уже не вмещается в железнодорожный габарит даже при специально для него построенной тележке. Настоящая дипломная работа отразила основные сведения об устройстве и работе трансформаторов.

трансформатор сердечник обмотка эксплуатация

ЛИТЕРАТУРА

1. Основы теории цепей, Г.И. Атабеков, Лань, С-Пб.,-М.,-Краснодар, 2006.

2. Электрические машины, Л.М. Пиотровский, Л., «Энергия», 1972.

3. Силовые трансформаторы. Справочная книга/Под ред. С.Д. Лизунова, А.К. Лоханина. М.:Энергоиздат 2004. - 616 с ISBN 5-98073-004-4

4. Электрические машины: Трансформаторы: Учебное пособие для электромех. спец. вузов/Б.Н. Сергеенков, В.М. Киселёв, Н.А. Акимова; Под ред. И.П. Копылова. - М.: Высш. шк., 1989-352 с ISBN 5-06-000450-3

5. Электрические машины, А.И. Вольдек, Л., «Энергия», 1974.

6. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов. - М.: Энергия, 1981-392 с.

7. Конструирование трансформаторов. А.В. Сапожников. М.: Госэнергоиздат. 1959.

8. Расчёт трансформаторов. Учебное пособие для вузов. П.М. Тихомиров. М.: Энергия, 1976. - 544 с.

Размещено на Allbest.ru