Конструкция трансформаторов

Трансформаторы используются в радиоэлектронной аппаратуре, работающей в самых разнообразных условиях: в стационарных и наземных подвижных объектах, на борту кораблей, самолетов и ракет, на космических объектах.Устройство трансформатора.В процессе эксплуатации трансформаторы подвергаются различным механическим воздействиям (ускорениям, вибрации, ударам); они используются в весьма тяжелых климатических условиях: при изменении температуры окружающей среды в широких пределах (от —65 до +250°С), при высокой относительной влажности воздуха (до 98% при температуре до 40°С) и при пониженном атмосферном давлении (до 5 мм рт. ст.).Конструкция трансформаторов должна обеспечивать их надежную работу в течение всего заданного срока службы.Поэтому к конструкции предъявляют следующие основные требования: механическая прочность, нагревостойкость, влагостойкость и электрическая прочность.Схема включения трансформатора.Кроме того, в зависимости от назначения аппаратуры, в которой применяются трансформаторы, последние должны иметь или наименьшую массу, или наименьший объем, или наименьшую стоимость. Эти технико-экономические требования существенно влияют на конструкцию трансформаторов.И, наконец, еще одно важное требование — технологичность конструкции трансформаторов, т.

е. возможность изготовления их с применением наиболее экономичных технологических процессов.Главные части конструкции, определяющие электромагнитную основу трансформатора, – сердечник(магнитопровод) и обмотки с изоляцией.Магнитопроводы предназначены для создания замкну­того пути для магнитного потока с возможно меньшим магнитным сопротивлением. Поэтому они изготовляются из материалов, обла­дающих высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях и имеющих малые потери на перемагничивание и вихревые токи.Для магнитопроводов трансформаторов промышленной и повы­шенной рабочей частоты используются магнитомягкие материалы: электротехнические трансформаторные стали, стали с повышенной магнитной проницаемостью, никелевые и кобальтовые сплавы (пер­маллой, перминвар, пермендюр и др.).

Для магнитопроводов высоко­частотных трансформаторов используются магнитодиэлектрики, ферриты различных составов (альсиферы, оксиферы и др.).Основные размеры магнитопровода зависят от расчетной мощ­ности трансформатора, максимальной индукции и рабочей частоты и определяются в процессе расчета трансформатора.Трехфазный трансформатор.Обмотки предназначены для создания электрических цепей на первичной и вторичной сторонах трансформатора и для преобра­зования совместно с матнитопроводом электрической энергии в электромагнитную (эту функцию выполняет первичная обмотка) и обратно — из электромагнитной в электрическую (это преобразова­ние выполняет вторичная обмотка).Для изготовления обмоток используется широкая номенклатура обмоточных проводов и большое количество разнообразных изоля­ционных материалов.Обмоточные провода представляют собой проволоку круг­лого или прямоугольного сечения, покрытую изоляцией, предо­храняющей от межвиткового замыкания, либо тонкую ленту, фольгу.Основным материалом для изготовления обмоточного провода является медь, так как она имеет малое удельное сопротивление. В последнее время стал применяться алюминий, как менее дефицит­ный и имеющий малый удельный вес. Чтобы уменьшить вес сварочного аппарата, обмотки можно намотать алюминиевым проводом.Отечественная промышленность выпускает круглую проволоку с эмалевой изоляцией, например: для работы при температуре до 105°С — ПЭЛ, ПЭВ-1, ПЭВ-2 с диаметром по меди от 0,05 до 2,44 мм; для работы при температуре +120°С — ПЭВТЛ-1 и ПЭВТЛ-2 с диаметром по меди 0,06 – l,56 и 0,06 – 2,44 мм соответственно; для работы при температуре +220°С — ПНЭТ — имид на основе полиимидов с диаметром по меди от 0,125 до 1,38 мм, Производят также провода с волокнистой (ПСД, ПСДК и др.) и эмалево-волокнистой (ПЭЛШО, ПЭПЛО и др.) изоляцией.Медную фольгу изготовляют толщиной от 0,015 до 0,05 мм при ширине ленты от 20 до 150 мм.

Алюминиевую фольгу изготовляют толщиной от 0,005 до.0,2 мм при ширине ленты от 10 до 600 мм. Медную фольгу покрывают изоляционным лаком, а алюминиевую — оксидируют.Существует 2 принципиально различных способа изготовления обмоток. Первый способ состоит в том, что провод в виде цельной многослойной обмотки располагают на гильзе или катушке вдоль всей длины стержня магнитопровода или его части.

При втором способе обмотку выполняют в виде совокупности отдельных эле­ментов (галет), каждый из которых представляет собой законченную конструкцию. Галеты нанизывают на стержень сердечника одна за другой и соединяют между собой электрически последовательно­параллельно для обеспечения требуемых токов и напряжений. Галеты могут быть изготовлены из фольги, что является весьма перспективным.Совокупность обмоток и системы изоляции (междувитковой, междуслоевой, междуобмоточной и внешней) представляет собой катушку трансформатора.Кроме магнитопровода и обмоток, трансформаторы содержат ряд дополнительных элементов: детали для сборки отдельных частей сердечника и крепления собранного трансформатора; детали для подключения трансформатора к схеме; детали для охлаждения маг­нитопровода и катушек; внешняя электроизоляция, влагозащита и механическая защита.Конструкции этих дополнительных элементов определяются типом магнитопровода и катушек и условиями окружающей среды.Поделитесь полезной статьей:

Среди многообразных трансформаторных устройств чаще всего встречаются трансформаторы:

силовые;измерительные;специальные.

Силовые трансформаторы

Термином «силовой» определяют назначение, связанное с преобразованием высоких мощностей. Вызвано это тем, что большинство бытовых и производственных потребителей электрических сетей нуждаются в питании напряжением 380/220 вольт. Однако доставка его на большие расстояния связана с огромными потерями энергии, которые снижаются за счет использования высоковольтных линий.

Воздушные ЛЭП высокого напряжения соединяют в единую сеть подстанции с силовыми трансформаторами соответствующего класса.

А по другим линиям напряжение 6 или 10 кВ подводится к силовым трансформаторам, обеспечивающих питанием 380/220 вольт жилые комплексы и производственные предприятия.

Измерительные трансформаторы

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

1. тока;

2. напряжения.

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

Трансформаторы тока

Главная особенность их устройства заключается в том, что они постоянно эксплуатируются в описанном ранее (в статье про то, как устроен и работает трансформатор) режиме короткого замыкания. У них вторичная обмотка полностью закорочена на маленькое сопротивление, а остальная конструкция приспособлена для такой работы.

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

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

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

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

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

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

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

Трансформаторы напряжения

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

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

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

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

Специальные виды трансформаторов

К этой группе относят:

разделительные;согласующие;высокочастотные;сварочные и другого типа трансформаторные устройства, созданные для выполнения специальных электрических задач.

Разделительные трансформаторы

Размещение двух обмоток совершенно одинаковой конструкции на общем магнитопроводе позволяет из 220 вольт 50 герц на входе получать такое же напряжение на выходе.

Напрашивается вопрос: зачем делать такое преобразование? Ответ прост: в целях обеспечения электрической безопасности.

При пробое изоляционного слоя провода первичной схемы на корпусе прибора появляется опасный потенциал, который по случайно сформированной цепи через землю способен поразить человека, нанести ему электротравму.

Гальваническое разделение схемы позволяет оптимально использовать питание электрооборудования и в то же время исключает получение травм при пробоях изоляции вторичной схемы на корпус.

Поэтому разделительные трансформаторышироко используются там, где проведение работ с электроинструментом требует принятия дополнительных мер безопасности. Также они широко используются в медицинском оборудовании, допускающем непосредственный контакт с телом человека.

Высокочастотные трансформаторы

Отличаются от обычных материалом магнитопровода, который способен, в отличие от обычного трансформаторного железа, хорошо, без искажений передавать высокочастотные сигналы.

Принцип их работы демонстрируют фотография простой самодельной конструкции на ферритах.

Согласующие трансформаторы

Основное назначение — согласование сопротивлений разных частей в электронных схемах. Согласующие трансформаторы нашли широкое применение в антенных устройствах и конструкциях усилителей на электронных лампах звуковых частот.

Сварочные трансформаторы

Первичная обмотка создается с большим число витков, позволяющих нормально обрабатывать электрическую энергию с входным напряжением 220 или 380 вольт. Во вторичной обмотке число витков значительно меньше, а ток протекающий по ним высокий. Он может достигать тысяч ампер.

Поэтому толщина провода этой цепи выбирается повышенного поперечного сечения. Для управления сварочным током существует много различных способов.

Сварочные трансформаторы массово работают в промышленных установках и пользуются популярностью у любителей изготавливать различные самоделки своими руками.

Рассмотренные виды трансформаторов являются наиболее распространёнными.

В электрических схемах работают и другие подобные устройства, выполняющие специальные задачи технологических процессов.В практичной конструкции трансформатора производитель выбирает между тремя различными базовыми концепциями:Стержневой (рис1)Броневой (рис2)ТороидальныйЛюбая из этих концепций не влияет на эксплуатационные характеристики или эксплуатационную надёжность трансформатора, но имеются существенные различия в процессе их изготовления. Каждый производитель выбирает концепцию, которую он считает наиболее удобной с точки зрения изготовления, и стремится к применению этой концепции на всём объёме производства.В то время как обмотки стержневого типа заключают в себе сердечник, сердечник броневого типа заключает в себе обмотки.Если смотреть на активный компонент (т.e. сердечник с обмотками) стержневого типа, обмотки хорошо видны, но они скрывают за собой стержни магнитной системы сердечника. Видно только верхнее и нижнее ярмо сердечника.

В конструкции броневого типа сердечник скрывает в себе основную часть обмоток.Ещё одно отличие состоит в том, что ось обмоток стержневого типа, как правило, имеет вертикальное положение, в то время как в броневой конструкции она может быть горизонтальной или вертикальной.Основными частями конструкции трансформатора являются:магнитная система (магнитопровод)обмоткисистема охлаждениеМагнитная система (магнитопровод) трансформатора — комплект элементов (чаще всего пластин) электротехнической стали или другого ферромагнитного материала, собранных в определённой геометрической форме, предназначенный для локализации в нём основного магнитного поля трансформатора.Магнитная система в полностью собранном виде совместно со всеми узлами и деталями, служащими для скрепления отдельных частей в единую конструкцию, называется остовом трансформатора.Часть магнитной системы, на которой располагаются основные обмотки трансформатора, называется — стерженьЧасть магнитной системы трансформатора, не несущая основных обмоток и служащая для замыкания магнитной цепи, называется — ярмоВ зависимости от пространственного расположения стержней, выделяют:Плоская магнитная система — магнитная система, в которой продольные оси всех стержней и ярм расположены в одной плоскостиПространственная магнитная система — магнитная система, в которой продольные оси стержней или ярм, или стержней и ярм расположены в разных плоскостяхСимметричная магнитная система — магнитная система, в которой все стержни имеют одинаковую форму, конструкцию и размеры, а взаимное расположение любого стержня по отношению ко всем ярмам одинаково для всех стержнейНесимметричная магнитная система — магнитная система, в которой отдельные стержни могут отличаться от других стержней по форме, конструкции или размерам или взаимное расположение какого-либо стержня по отношению к другим стержням или ярмам может отличаться от расположения любого другого стержняОбмоткиОсновным элементом обмотки является виток — электрический проводник, или ряд параллельно соединённых таких проводников (многопроволочная жила), однократно обхватывающий часть магнитной системы трансформатора, электрический ток которого совместно с токами других таких проводников и других частей трансформатора создаёт магнитное поле трансформатора и в котором под действием этого магнитного поля наводится электродвижущая сила.Обмотка — совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются ЭДС, наведённые в витках. В трёхфазном трансформаторе под обмоткой обычно подразумевают совокупность обмоток одного напряжения трёх фаз, соединяемых между собой.Проводник обмотки в силовых трансформаторах обычно имеет квадратную форму для наиболее эффективного использования имеющегося пространства (для увеличения коэффициента заполнения в окне сердечника). При увеличении площади проводника проводник может быть разделён на два и более параллельных проводящих элементов с целью снижения потерь на вихревые токи в обмотке и облегчения функционирования обмотки.Проводящий элемент квадратной формы называется жилой.

рис. Транспонированный кабель применяемый в обмотке трансформатораКаждая жила изолируется при помощи либо бумажной обмотки, либо эмалевого лака.Две отдельно изолированных и параллельно соединённых жилы иногда могут иметь общую бумажную изоляцию. Две таких изолированных жилы в общей бумажной изоляции называются кабелем.Особым видом проводника обмотки является непрерывно транспонированный кабель.

Этот кабель состоит из жил, изолированных при помощи двух слоёв эмалевого лака, расположенных в осевом положении друг к другу, как показано на рисунке.Непрерывно транспонированный кабель получается путём перемещения внешней жилы одного слоя к следующему слою с постоянным шагом и применения общей внешней изоляции.Бумажная обмотка кабеля выполнена из тонких (несколько десятков микрометров) бумажных полос шириной несколько сантиметров, намотанных вокруг жилы. Бумага заворачивается в несколько слоёв для получения требуемой общей толщины.Обмотки разделяют по:НазначениюОсновные — обмотки трансформатора, к которым подводится энергия преобразуемого или от которых отводится энергия преобразованного переменного тока.Регулирующие — при невысоком токе обмотки и не слишком широком диапазоне регулирования, в обмотке могут быть предусмотрены отводы для регулирования коэффициента трансформации напряжения.Вспомогательные — обмотки, предназначенные, например, для питания сети собственных нужд с мощностью существенно меньшей, чем номинальная мощность трансформатора, для компенсации третей гармонической магнитного поля, подмагничивания магнитной системы постоянным током, и т. п.ИсполнениюРядовая обмотка — витки обмотки располагаются в осевом направлении во всей длине обмотки.Последующие витки наматываются плотно друг к другу, не оставляя промежуточного пространства.Винтовая обмотка — винтовая обмотка может представлять собой вариант многослойной обмотки с расстояниями между каждым витком или заходом обмотки.Дисковая обмотка — дисковая обмотка состоит из ряда дисков, соединённых последовательно.

В каждом диске витки наматываются в радиальном направлении в виде спирали по направлению внутрь и наружу на соседних дисках.Фольговая обмотка — фольговые обмотки выполняются из широкого медного или алюминиевого листа толщиной от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров.Схемы и группы соединения обмоток трёхфазных двухобмоточных трансформаторовСуществуют три основных способа соединения фазовых обмоток каждой стороны трёхфазного трансформатора:Y-соединение, так называемой соединение звездой, где все три обмотки соединены вместе одним концом каждой из обмоток в одной точке, называемой нейтральной точкой или звездойΔ-соединение, так называемое дельта-соединение, или соединение треугольником, где три фазных обмотки соединены последовательно и образуют кольцо (или треугольник)Z-соединение, так называемое соединение зигзагомПервичная и вторичная стороны трансформатора могут быть соединены любым из трёх способов, показанным выше. Данные способы предлагают несколько различных комбинаций соединений в трансформаторах с различными характеристиками, выбор которых также может быть обусловлен типом сердечника.Y-соединение обычно является естественным выбором для самых высоких напряжений, когда нейтральная точка предназначена для зарядки.В любом случае в целях защиты от перенапряжения или для прямого заземления предусмотрено наличие нейтрального проходного изолятора. В последнем случае в целях экономии уровень изоляции нейтрали может быть ниже, чем уровень изоляции фазного конца обмотки.

Соединённая звездой обмотка также имеет то преимущество, что переключение регулирования коэффициента трансформации может быть предусмотрено на нейтральном конце, где также может быть размещён переключатель числа витков.Поэтому переключатель числа витков сможет функционировать при напряжении низкого логического уровня, а разница напряжений между фазами также будет незначительная. По сравнению с расходами, затраченными на установку переключателя числа витков, при более высоком уровне напряжения экономические затраты будут ниже.Соединение звездой используется на одной стороне трансформатора, другая сторона должна быть соединена треугольником, особенно в случаях, если нейтраль соединения звездой планируется для зарядки. Соединение обмотки треугольником обеспечивает баланс ампер-виток для тока нулевой последовательности, следующего по нейтрали, и каждой фазы соединения звездой, что даёт приемлемый уровень полного сопротивления нулевой последовательности.Без соединения треугольником обмотки ток нулевой последовательности привёл бы к образованию поля токов нулевой последовательности в сердечнике.

Если сердечник имеет три стержня, данное поле от ярма к ярму проникнет сквозь стенки бака и приведёт к выделению тепла. В случае с броневым сердечником, или при наличии пяти стержней сердечника, данное поле проникнет между раскрученными боковыми стержнями и полное сопротивление нулевой последовательности существенно повысится.Вследствие этого ток, в случае пробоя на землю может стать настолько слабым, что защитное реле не сработает.В соединенной треугольником обмотке ток, протекающий по каждой фазовой обмотке равен фазному току, разделённому на , в то время как в соединении звездой, линейный ток каждой фазной обмотки идентичен линейному току сети. С другой стороны, для одинакового напряжения соединение треугольником требует наличия трёхкратного количества витков по сравнению с соединением звездой.

Соединение обмотки треугольником выгодно использовать в высоковольтных трансформаторах, когда сила тока высока, а напряжение относительно низкое, как например, в обмотке низшего напряжения в повышающих трансформаторах.Соединение обмотки треугольником позволяет циркулировать третьей (и кратным ей) гармонике тока внутри треугольника, образованного тремя последовательно соединёнными фазными обмотками.Токи третьей гармоники необходимы во избежание искажения синусоидальности потока магнитных, и, следовательно, наведённой ЭДС во вторичной обмотке. Третья гармоника тока во всех трёх фазах имеет одинаковое направление, данные токи не могут циркулировать в обмотке, соединённой звездой, с изолированной нейтралью.Недостаток троичных синусоидальных токов в намагничивающем токе может привести к значительным искажениям наведённого напряжения, в случаях, если у сердечника 5 стержней, или он исполнен в броневом варианте. Соединённая треугольником обмотка трансформатора устранит данное нарушение, так как обмотка с соединением треугольником обеспечит затухание гармонических токов.Иногда в трансформаторах предусмотрено наличие третичной Δ-соединённой обмотки, предусмотренной не для зарядки, а для предотвращения искажения напряжения и понижения полного сопротивления нулевой последовательности.

Такие обмотки называются компенсационными. Распределительные трансформаторы, предназначенные для зарядки, между фазой и нейтралью на стороне первого контура, снабжены обычно соединённой треугольником обмоткой.Однако ток в соединённой треугольником обмотке может быть очень слабым для достижения минимума номинальной мощности, а требуемый размер проводника обмотки чрезвычайно неудобен для заводского изготовления. В подобных случаях высоковольтная обмотка может быть соединена звездой, а вторичная обмотка — зигзагообразно.

Токи нулевой последовательности, циркулирующие в двух отводах зигзагообразно соединённой обмотки будут балансировать друг друга, полное сопротивление нулевой последовательности вторичной стороны главным образом определяется полем рассеяния магнитного поля между двумя разветвлениями обмоток, и выражается весьма незначительной цифрой.При использовании соединения пары обмоток различными способами возможно достигнуть различных степеней напряжения смещения между сторонами трансформатора.Сдвиг фаз между ЭДС первичной и вторичной обмоток принято выражать группой соединений.Для описания напряжения смещения между первичной и вторичной, или первичной и третичной обмотками, традиционно используется пример с циферблатом часов. Так как этот сдвиг фаз может изменяться от 0° до 360°,а кратность сдвига составляет 30°, то для обозначения группы соединений выбирается ряд чисел от 1 до 12, в котором каждая единица соответствует углу сдвига в 30°. Одна фаза первичной указывает на 12, а соответствующая фаза другой стороны указывает на другую цифру циферблата.Наиболее часто используемая комбинация Yd11 означает, например, наличие 30º смещения нейтрали между напряжениями двух сторонСхемы и группы соединения обмоток трёхфазных двухобмоточных трансформаторовСхема соединения обмотокДиаграмма векторов напряженияхолостого хода*УсловноеобозначениеВНННУ/Д-11трансформаторДобавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.[ Регистрация| Вход]Новости сайта ukrelektrik.comПоследние статьи ukrelektrik.comПоследние ответы на форуме ukrelektrik.comЗаземление, занулениеrashpilek1975Alexzhuk/ 37 ЭлектроотоплениеIusCoinMultiki/ 68 Всё обо всём – общение2alpilipНаде4ка/ 29

Источники:

• fazaa.ru
• electrik.info
• ukrelektrik.com