Трансформатор — устройство, принцип работы, виды и классификация с примерами

Что такое трансформатор

Трансформаторпредставляет собой электромагнитное устройство, преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения. Трансформатор, повышающий напряжение, называется повышающим, а понижающий — понижающим. Схематическое изображение и условное обозначение трансформатора приведены на рисунке 205, б, в.

В простейшем случае трансформатор состоит из двух обмоток, установленных на общем сердечнике, одна из которых имеет число витков

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Магнитный поток, создаваемый переменным током в первичной обмотке, благодаря наличию сердечника почти без потерь проникает в витки вторичной обмотки и индуцирует в ней ЭДС индукции. Таким образом, трансформатор может работать только от переменного тока.

Первичную обмотку трансформатора, как и любого индуктора, можно представить как последовательно соединенные индуктор L и активное сопротивление R. Тогда действующие значения напряжения, приложенного к первичной обмотке, и напряжения на сопротивлении и индуктивности можно связать соотношением

Изменение магнитного потока через первичную обмотку вследствие прохождения через нее переменного тока приводит к возникновению ЭДС самоиндукции, при этом на первичной обмотке

Чем больше индуктивное сопротивление первичной обмотки по сравнению с ее активным сопротивлением, тем меньше разность напряжений

Пусть первичная обмотка трансформатора подключена к источнику тока с переменной ЭДС действующего значения напряжения
Если весь магнитный поток, создаваемый переменным током в первичной обмотке, проникает во вторичную обмотку, не рассеиваясь, то в каждом витке вторичной обмотки будет индуцироваться точно такая же ЭДС самоиндукции, как и ЭДС самоиндукции в каждом витке первичной обмотки. Следовательно, отношение ЭДС в первичной и вторичной обмотках равно отношению числа витков в них соответственно

Методика расчёта напряжения, потерь и сопротивления КЗ

Расчеты выполняются в следующем порядке:

1. Обе составляющие тока холостого хода определяются:

Iµ = I0sinΦ0 и Iw = I0cosΦ0.

1. Номиналы реактивных резисторов Х0 и активных R0 задаются в схемах замещения, которые относятся к обмотке низкого напряжения:

X0 = V1/Iµ и R0 = V1/Iw.

Здесь V1 — показания вольтметра на обмотке низкого напряжения.

1. Окончательное значение мощности рассчитывается:

W1 = 2IµR0 и W2 = 2IwX0

Ж = (Ж21 + Ж22)0,5

Менее точно, мощность Вт можно установить непосредственно по показаниям ваттметра.

Это объясняется тем, что напряжение, используемое для появления полного тока нагрузки, хотя и небольшое по сравнению с номинальным, но все же присутствует на обмотках.

1. Значение эквивалентного сопротивления Zeq трансформатора определяют:

Zeq2 = R02 + X02.

Полученные данные соответствуют данным, относящимся к стороне высокого напряжения трансформатора. Таким образом, в результате испытания на КЗ определяются потери в проводниках а, а также их примерный эквивалент и реактивное сопротивление.

В результате анализа полученной информации можно определить зависимость потерь от тока холостого хода и напряжения на вторичной обмотке.

Также важно, что полные потери трансформатора зависят от его реактивного сопротивления, а не зависят от значений угла сдвига фаз между напряжением и током.

Физические процессы при аварийном замыкании

С технической точки зрения любой трансформатор обязательно должен быть разрушен в результате короткого замыкания и действия больших токов. Основная причина – ничтожно малое сопротивление проводов и обмоток, которое во много раз превышает сопротивление подключаемой нагрузки.

Следует также учитывать резкое повышение температуры в обмотках, достигающее 500-600 градусов в течение 1-2 секунд. Этого достаточно, чтобы сжечь их полностью. Нельзя забывать о механических силах, возникающих между обмотками при работе и стремящихся сместить их в осевом и радиальном направлениях.

Это усилие значительно возрастает с увеличением силы тока, что теоретически должно привести к немедленному разрушению трансформатора. Но на практике все обстоит иначе.

Трансформаторные блоки способны кратковременно выдерживать токи короткого замыкания до срабатывания защиты и их отключения от сети. Было обнаружено некоторое дополнительное сопротивление для ограничения больших токов в обмотках. Он образуется за счет магнитных потоков, отходящих от основного потока и замыкающихся вокруг витков соответствующей обмотки.

Величину и разницу этого разброса почти невозможно точно измерить, в основном из-за различных путей, используемых для короткого замыкания магнитных потоков. В связи с этим его оценку проводят по влиянию, оказываемому на ток и напряжение в обмотках. Выявлена ​​закономерность, согласно которой с увеличением тока в обмотках увеличиваются и магнитные потоки.

В нормальном режиме работы они формируют небольшую часть основного тока, так как лишь частично связаны с катушками. Основной ток действует на все без исключения витки обмоток.

Таким образом, действие добавочного сопротивления позволяет минимизировать потери трансформатора при коротком замыкании. Все негативные параметры уменьшаются многократно и не наносят вреда. То есть само устройство способно защитить себя от больших токов, возникающих при коротких замыканиях. Такие ситуации случаются довольно редко, но тем не менее к ним нужно заранее подготовиться, и вовремя принять необходимые защитные меры.

Примеры расчётов

Разнообразие ситуаций, в которых целесообразно проводить испытание на короткое замыкание, обсуждается на страницах журнала Voltland.

Исходными данными для расчетов являются:

• Пользовательский интерфейс падения напряжения, связанный с определенным типом устройства. Обычно значения находятся в пределах от 4,5 % (для агрегатов реактивной мощностью 300…500 кВА) до 5,7 % — для более мощных видов изделий;
• Количество полюсов синхронных двигателей, питаемых через трансформатор (от 6 до 14);
• Предельный коэффициент потерь мощности (устанавливается производителем и приводится в инструкции).

Будем считать, что потенциал подается поэтапно, пока подключенный амперметр не достигнет значения полного вторичного тока нагрузки.

Приведены результаты для трехфазного трансформатора, рассчитанного на напряжение U = 480 В, реактивной мощностью 100 кВА и реактивным напряжением 13800 В.

Суммарный ток короткого замыкания во вторичной цепи:

I = 1000 / 1,732 × U = 1,202 (А).

Когда вольтметр покажет U1 = 793,5 В, процент потери значений импеданса составит

ΔZ = 793,5/13800 = 0,0575.

Таким образом, процент потерь составляет 5,75%. Отсюда видно, что при нарушении трехфазного соединения на вторичной обмотке появится максимальный ток короткого замыкания, величина которого составляет:

Iкз = 1,732×I = 2,0903 (А)

Максимальный ток короткого замыкания Imax на вторичных клеммах:

Imax = Ikz / Δ Z = 2,0903/0,0575 = 36,5437 (А)

По расчетному значению Imax подбираются характеристики средств защиты устройства от перегрузок, особенно главного выключателя, который необходимо установить в цепи вторичной обмотки.

Принцип работы трансформатора в режиме холостого хода

При подаче на обмотку прибора синусоидального напряжения в ней возникает слабый ток, как правило, не превышающий 0,05-0,1 от номинального значения (это ток холостого хода).

Он создается магнитодвижущей силой обмотки, именно благодаря ее действию в замкнутом элементе магнитопровода возникают проводящий магнитный поток (обозначается F) и рассеивающий поток F1, замыкающиеся вокруг тела обмотки. Величина магнитодвижущей силы равна произведению тока холостого хода на число колебаний обмотки.

Проводящий ток создает в устройстве две электродвижущие силы: самоиндукцию для первой обмотки и взаимоиндукцию для второй. F1 создает ЭДС рассеяния на первой катушке. Он имеет очень малую величину, так как ток, его создающий, замыкается, большей частью, по воздушным массам, проводящий ток Ф — по магнитопроводу.

Поскольку основной ток намного больше, электродвижущая сила, которую он создает для первичной катушки, также намного больше.

Важно! Так как приложенное напряжение имеет форму синусоиды, то основной ток и создаваемые им обмоточные ЭДС имеют одинаковые характеристики. Однако из-за магнитного насыщения ток в устройстве не пропорционален электрическому току, создающему намагниченность, поэтому последний не будет синусоидальным.

Практикуется замена его реальной кривой соответствующей синусоидой того же значения. Искажение тока связано с третьей гармонической составляющей (величина, определяемая вихревыми токами и насыщением потока).

Что делать, если измеренный ток КЗ слишком низкий?

Допустим, мы измерили прибором и получили значение тока короткого замыкания в розетке (как правило, измерение проводится в самой дальней точке). Как понять, что этот ток слишком мал? Это оценивается по критерию гарантированного срабатывания магнитного расцепителя выключателя в измеряемой цепи.

Логично, что для этого ток короткого замыкания должен быть больше верхней границы диапазона срабатывания. Напомню, что для характеристики «В» разброс составляет 3…5 In, для «C» — 5…10 In, для «D» — 10…20 In. Если быть точнее, зайдем в ПУЭ (п. 7.3.139):

7.3.139. В электроустановках до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью для обеспечения автоматического отключения аварийного участка проводимость нулевых защитных проводников должна выбираться такой, чтобы при возникновении короткого замыкания на шкафу или нулевом защитном проводе произошло короткое замыкание. — возникает ток замыкания, превышающий не менее чем в 4 раза номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя и не менее чем в 6 раз ток отключения автоматического выключателя, имеющий характеристику, обратно пропорциональную току.

При защите сетей автоматическими выключателями, имеющими только электромагнитный расцепитель (без выдержки времени), следует руководствоваться требованиями, касающимися разности токов короткого замыкания и приведенными в 1.7.79.

Насколько я понимаю, первая часть 7.3.139 касается только теплового отключения — его номинальный ток должен быть не менее чем в 6 раз меньше тока короткого замыкания.

Во второй части этого пункта, как и в пункте 1.7.79, говорится о максимальном времени срабатывания при коротком замыкании (0,4 с), которое должно обеспечиваться только электромагнитным расцепителем. При этом четко не указано о выборе АБ с учетом его отключающих свойств.

Из-за этой нечеткости в формулировке используется правило, изложенное в ПТЭЭП (управление функцией защиты в энергосистеме с глухозаземленной нейтралью, п. 28.4), которое гласит, что при возникновении короткого замыкания на нейтральном защитном проводнике ток короткого замыкания должно быть не менее «1,1 верхнего значения рабочего тока для мгновенного отключения”.

То есть для автомата В10 ток короткого замыкания на конце защищаемого им провода должен быть не менее 10х5х1,1 = 55 А. Если установлен автомат С25, ток короткого замыкания должен быть не менее 25х10х1. 1 = 275 А.

Если ток короткого замыкания меньше, допустимое время отключения никоим образом не гарантируется. Что делать? Есть два выхода:

1. увеличить ток короткого замыкания, для этого требуются затраты на прокладку новой питающей линии (хотя бы самого слабого звена),
2. уменьшить номинал автомата (например 25 А на 16) и букву характеристики расцепителя (с «С» на «В») за счет максимальной мощности нагрузки.

Определение типа трансформатора

Тип трансформатора определяется коэффициентом трансформации, который равен отношению числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной

Включение во вторичную цепь нагрузки приводит к возникновению в ней тока. Магнитный поток, создаваемый током во вторичной обмотке, по закону Ленца стремится уменьшить магнитный поток через витки первичной обмотки. Ослабление магнитного потока в сердечнике снижает ЭДС индукции в первичной обмотке. Это вызывает рост тока в нем до тех пор, пока магнитный поток в сердечнике не достигнет прежнего значения. Поэтому в стационарном режиме работы обе обмотки пронизывает один и тот же магнитный поток.

Рабочий ход (режим) трансформатора

Рабочий ход (режим) трансформатора – это режим, при котором в цепь его вторичной обмотки включена нагрузка с ненулевым сопротивлением. При этом действующие значения ЭДС, напряжений и токов в первичной и вторичной цепях по закону Ома для полной цепи связаны условиями:

Режим короткого замыкания

Режим короткого замыкания – это режим, при котором вторичная обмотка трансформатора замкнута без нагрузки. Этот режим опасен для трансформатора, так как при этом ток во вторичной обмотке максимален и возникает электрическая и тепловая перегрузка системы.

При работе реального трансформатора всегда происходят потери энергии, связанные с различными физическими процессами. В первую очередь они обусловлены вихревыми токами (токами Фуко), возникающими в сердечнике при изменении пронизывающего его магнитного потока. Они нагревают сердечник, что приводит к большим потерям энергии и нагреву трансформатора. Для предотвращения перегрева на мощных трансформаторах применяют масляное охлаждение.

Для уменьшения тепловых потерь сердечники трансформаторов (магнитопроводы) изготавливают не из цельного куска металла, а из тонких пластин специальной трансформаторной стали, разделенных тончайшими слоями диэлектрика (пластины окрашиваются).

Перечислим процессы, приводящие к потерям энергии в трансформаторе: нагрев обмоток трансформатора при прохождении электрического тока; работа по перемагничиванию сердечника;
дисперсия магнитного потока.

Современные трансформаторы имеют очень высокий КПД (до 95-99%), что позволяет им работать практически без потерь.

Зачем нужно знать значения тока КЗ и сопротивления петли “Фаза-ноль”?

Я уже многое сказал в статье. Но какой смысл знать эти параметры электросети?

знание тока короткого замыкания (или сопротивления петли «Фаза-ноль») и силы нагрузки позволяет правильно и оптимально (по соотношению безопасность/функциональность/надежность/цена) выбрать основные элементы системы питания — защитные устройства и сечения кабелей. Дальше еще немного.

Безопасность

Я уже говорил это, но скажу еще раз. Электрические сети должны быть безопасными на всех участках и во всех режимах. Для этого помимо изоляции применяют автоматические выключатели и устройства, управляемые дифференциальным током (УЗО).

Вместе с защитным заземлением эти устройства защищают оборудование от коротких замыканий и перегрузок, а человека от опасности прямого или косвенного прикосновения.

Функциональность

Зная ток короткого замыкания, можно сделать вывод о необходимости установки стабилизатора, либо замены провода кабеля на новый. Кроме того, можно сделать вывод об избирательности — может ли она быть задана хотя бы частично?

Надежность

При больших токах короткого замыкания необходимо использовать автоматические выключатели с высокой отключающей способностью для надежной работы в момент короткого замыкания. Кроме того, высокие требования должны предъявляться к качеству монтажа и комплектующих.

Цена

Здесь понятно – реализация предыдущих пунктов существенно влияет на цену всей электрической сети.

Высокий ток КЗ – это хорошо или плохо?

Как я показал на графике ранее, чем дальше неисправность от источника питания, тем меньше будет ток замыкания, так как сопротивление линии будет больше. Высокие токи короткого замыкания обычно возникают в тех местах электросети, которые расположены ближе всего к подстанции, а кабельные линии имеют большое сечение проводов.

В питающих сетях напряжением 0,4 кВ относительно высокими считаются токи КЗ более 6 кА, а токи КЗ выше 15 кА практически не встречаются. Итак, что мы имеем:

Минусы низкого тока КЗ

• большое падение напряжения при достаточно большой нагрузке;
• обычно низкое напряжение на электроприборах. В этом случае стабилизатор не всегда поможет;
• нестабильность напряжения на электроприборах в зависимости от времени суток или сезона. По нормам напряжения и его допускам провел опрос;
• высокое (до бесконечности) время срабатывания автоматических выключателей при замыкании на землю (работает только тепловой расцепитель);
• необходимость установки автоматических выключателей с характеристикой срабатывания «В» для более вероятного срабатывания электромагнитного расцепителя при коротком замыкании. Этот спорный вопрос обсуждается в моей статье на Дзен Зачем ставить машины с характеристикой «В”;
• обязательная установка УЗО — при этом помимо своих «основных» обязанностей (отключение тока при больших токах утечки, а также для защиты человека при прямом и косвенном контакте) функцию УЗО выполняет защита от короткого замыкания на землю (ПУЭ 1.7.59, 7.1.72).

Плюсы низкого тока КЗ

• можно установить дешевые автоматические выключатели с низкой номинальной максимальной отключающей способностью (Iкн = 4500 А);
• относительно легко обеспечить селективность между исходным и подчиненным автоматами. Но нужно рассчитать и измерить точное значение тока короткого замыкания,
• низкий пусковой ток для электродвигателей и других инерционных нагрузок. Статья Что такое пусковой ток, как его измерить и рассчитать.

Минусы высокого тока КЗ

• невозможность обеспечения селективности между высшими и низшими автоматами. Выход — установка рубильника или временного селективного автоматического выключателя;
• необходимость установки АВ с высокой номинальной максимальной отключающей способностью (Iкн = 6000, 10000 А и т д.). Отключающая способность должна быть выше тока короткого замыкания в начале защищаемого участка (EIC пункт 3.1.3);
• большие негативные последствия в случае короткого замыкания.

Плюсы высокого тока КЗ

• легко гарантировать стабильное напряжение на нагрузке и в целом качество электроэнергии;
• есть перспектива подключения новых потребителей и увеличения нагрузки;
• гарантированное отключение линии в случае короткого замыкания.

Селективность автоматических выключателей и автоматов защиты от замыканий на землю отдельная большая тема, планы есть.

Суммируя преимущества и недостатки, можно сказать, что величина тока короткого замыкания — палка о двух концах. В бытовом секторе ток короткого замыкания часто невелик, и его стараются увеличить, прокладывая новые линии с большим сечением жилы и устанавливая новые подстанции. В серьезной энергетике, наоборот, применяются методы снижения тока короткого замыкания.

Читайте также: Ремонт сварочных инверторов: диагностика, типы неисправностей и методы их устранения своими руками