Эксперименты с индукторами
После своего открытия Фарадей не стал детально исследовать открытое явление, полагая, что его работу продолжат другие. Однако в действительности оказалось, что в течение нескольких последующих десятилетий устройства, подобные трансформаторам, не нашли широкого практического применения.
Особый интерес представляли первые эксперименты с «индукторами», состоящими из провода, намотанного на железный сердечник, в частности, изучение способности этих устройств порождать искры, когда ток в обмотке прерывался.
Среди известных ученых, занимавшихся этим явлением, был американец Джозеф Генри, первый секретарь и директор Смитсоновского института (Smithsonian Institution).
В этих экспериментах выяснилось, что токи, циркулирующие в сплошных металлических сердечниках, рассеивали энергию. Чтобы свести к минимуму эти так называемые вихревые токи, сердечники стали делать непроводящими в направлении, перпендикулярном магнитным силовым линиям трансформатора. Теперь сердечники представляли собой «связку» изолированных железных проводов.
Трансформатор что это такое
Само название данного технического приспособления пошло от латинского термина transformare, что означает – преобразовывать, изменять, превращать. Трансформатором называется устройство статического электромагнитного типа, которое выполняет задачу преобразования напряжения переменного типа, а также служит для осуществления гальванической развязки в электрических схемах.
В последнем случае имеется ввиду такой тип передачи электрической энергии или информационного сигнала, при котором между контактирующими деталями нет непосредственного электрического контакта.
Трансформатор может быть однофазным или же трехфазным, хотя по особенностям конструкции они и не слишком сильно отличаются.
Данное устройство было изобретено, основываясь на работах великого ученого Фарадея (по другим версиям – он его и изобрел), который открыл явление электромагнитной индукции. В 1831 году М. Фарадей и другой ученый Д. Генри разработали первое схематическое изображение рассматриваемого прибора.
Позже, в 1876 году, русский изобретатель П. Н. Яблочков запатентовал первый трансформатор переменного тока.
Расположение магнитной цепи
Стержневые трехфазные трансформаторы подразделяются на трансформаторы с симметричной магнитной цепью и трансформаторы с несимметричной магнитной цепью. Расположение стержней в одной плоскости приводит к тому, что магнитное сопротивление для потока средней фазы меньше, нежели для потоков крайних фаз.
Действительно магнитные потоки крайних фаз проходят по несколько более длинным путям, чем поток средней фазы. Кроме того, поток крайних фаз, выйдя из своих стержней, проходит в одной половине ярма полностью, и только в другой половине (после ответвления в средний стержень) проходит его половина. Поток же средней фазы по выходе из вертикального стержня тотчас же разветвляется на две половины, и потому в обеих частях ярма проходит лишь половина потока средней фазы.
Таким образом потоки крайних фаз насыщают ярмо в большей степени, чем поток средней фазы, а потому магнитное сопротивление для потоков крайних фаз больше, чем для потока средней фазы.
Следствием неравенства магнитных сопротивлений для потоков разных фаз трехфазного трансформатора является неравенство токов холостой работы в отдельных фазах при одном и том же фазном напряжении. Однако при небольшой насыщенности железа ярма и хорошей сборке железа стержней это неравенство токов незначительно.
Так как конструкция трансформаторов с несимметричной магнитной цепью значительно проще, чем трансформатора с симметричной магнитной цепью, то первые трансформаторы и нашли себе преимущественное применение. Трансформаторы с симметричною магнитною цепью встречаются редко.
Будет интересно Что нужно знать о трансформаторах тока
Основные виды устройства
Основную группу трехфазных трансформаторов составляют броневые трансформаторы. Броневой трехфазный трансформатор можно рассматривать как бы состоящим из трех однофазных броневых трансформаторов, приставленных один к другому своими ярмами. Он может быть разбит на три однофазных броневых трансформатора, магнитные потоки которых могут замыкаться каждый по своей магнитной цепи.
У стержневых трансформаторов обмотки почти целиком открыты и потому более доступны для осмотра и ремонта, а также и для охлаждающей среды. Есть ряд преимуществ и недостатков, по которым выбирают тип трансформатора.
Плюсы и минусы броневых трансформаторов перед стержневыми трансформаторами.
Устройства коммутируются по различным схемам соединения обмоток. Групповые трехфазные трансформаторы применяются при наличии очень больших мощностей, от 630кВА на каждую фазу.
Использование при таких условиях группового трансформатора целесообразно потому, что габариты и масса изделия существенно меньше аналогичного агрегата, работающего на общую мощность группы.
Тем более что при использовании одиночного трансформатора для обладания резервной мощностью приходится устанавливать еще один подобный прибор, а в групповом трансформаторе в качестве резервного можно задействовать один из трех однофазных.
Этим и обуславливается выбор групповых трансформаторов для озвученных целей, несмотря на то что они по сравнению с одиночными аналогами имеют меньший КПД, большие габариты и несколько дороже.
Какие существуют основные типы обмоток трансформатора: определим общепринятую классификацию
Чтобы правильно выполнить расчет обмоток трансформатора, прежде нужно понимать, с чем придется иметь дело и какой тип обмотки внедрен в агрегат, какие он имеет преимущества. Постараемся в этом детально разобраться.
Итак, какие существуют типы обмоток трансформаторов?
- Одно-двухслойная обмотка цилиндрической формы, изготовленная из прямоугольного провода. Это элементарный образец обмотки трансформатора, который отличается простотой технологии изготовления, должной и надежной системой охлаждения, но при этом имеет один немаловажный недостаток – низкую механическую прочность, поэтому быстро изнашивается от агрессивного воздействия окружающей среды, а перепады в сети могут вообще стать губительными для энергосистемы, в которой применен агрегат с подобной обмоткой.
- Многослойная обмотка трансформатора цилиндрической формы, созданная из прямоугольного провода. Данный образец обмотки отличается нормальным сопротивлением первичной обмотки трансформатора, высоким функционалом магнитной системы и элементарной технологией изготовления. Но вот при длительной эксплуатации агрегата могут возникать проблемы, связанные с малой эффективностью системы охлаждения. Основная причина такого недостатка теплоотдачи – отсутствие радиальных каналов на обмотке.
Интересно знать! В классификации обмоток также упоминаются многослойные обмотки. А в чем их особенность! Все просто. В процессе их формирования обязательно слои располагаются концентрически, в соответствии с заданным количеством слоев, но при этом развернутая длина остается одинаковой, без нарушения заводских параметров. Все «наматывается» правильно по отношению к полю рассеяния трансформатора. А когда необходимо переходит при обмотке на новый слой, то используемые провода не обрываются, не заламываются, только на новом витке меняется направление укладки слоя.
Многослойная обмотка или катушка, также имеющая форму цилиндра, но уже изготовленная из круглого провода. В этой ситуации агрегат отличается повышенной мощностью, но при этом проигрывает в функционале теплоотдачи и не может похвастаться механической прочностью. Из-за этого износ оборудования значительно ускоряется, требуя от обслуживающего персонала частых контролей оборудования и профилактических осмотров комплектующих.
Интересно знать!Почему некоторые обмотки называют цилиндрическими, то есть имеющими форму цилиндра. Секрет кроется в особенностях витков и слоев. Когда начинают формировать цилиндрическую обмотку, то для ее правильного создания на цилиндрическую поверхность наносят слои витков плотно, ни в коем случае не допуская интервалов.
- Винтовая обмотка, созданная из прямоугольного провода. Трансформатор с такой катушкой будет стоить дороже, но отличаться высокой механической прочностью, надежной защитной изоляцией. А во время длительной работы агрегата даже не стоит думать о его системе охлаждения. Все сработает на 100%, как это заложено в технические характеристики трансформатора с данным видом обмоток.
- катушечная обмотка непрерывного типа, когда материалом служит прямоугольный провод. Существует и такой образец обмоток, которые отличаются высокой механической и электрической прочностью и степенью нагревостойкостью. Многие посчитают данный образец идеальной находкой, которую так и хочется ввести в эксплуатацию для эффективной работы предприятия.
- многослойная катушечная цилиндрическая обмотка, сформированная из алюминиевой фольги. Имеет данный образец только положительные отзывы, но такая эффективность достигнута максимальными усилиями и внедрением сложных технологий изготовления, когда изоляция обмоток трансформатора внушает доверие и веру в длительную и эффективную эксплуатацию. А что еще нужно для успешного предприятия, где создается современная энергосистема или, по крайней мере, модернизируется.
Таким образом, можно сделать вывод, что классификация типов обмоток зависит от конструктивных особенностей детали трансформатора, материла и метода изготовления, а по сложности обмотки различают на простые, многослойные, многослойные, но уже изготовленные из фольги, а не провода.
Трёхфазный трансформатор
Среди электромагнитных устройств данного типа выделяется трёхфазный трансформатор. Он имеет магнитную и гальваническую связи фаз. Наличие схемы первого типа обусловлено соединением магнитопроводов в одну систему. При этом потоки магнитного воздействия расположены относительно друг друга под углом 120 °. Стержень в данной системе не нужен, так как при объединении центров трёх фаз сумма электромагнитных русел равняется нулю вне зависимости от времени. Благодаря этому схема с шестью стержнями преобразуется в трёхстержневую.
В соединении обмоток устройства можно использовать схемы трёх типов:
- Соединение в виде звезды может осуществляться с выводом от общих точек или же без него. Здесь каждую обмотку соединяют с нейтральной точкой.
- По треугольной схеме фазы соединяются последовательно.
- Зигзаг-это схема, которая чаще всего применяется во время отвода от общей точки. В ней соединяются три обмотки, расположенные на разных стержнях магнитопроводов.
Применение трёхфазного трансформатора является более экономичным, чем использование соединённых однофазных конструкций.
Нагрузка трансформаторов напряжения
Вторичная нагрузка трансформатора напряжения—это мощность внешней вторичной цепи. Под номинальной вторичной нагрузкой понимают наибольшую нагрузку, при которой погрешность не выходит за допустимые пределы, установленные для трансформаторов данного класса точности.
Конструкции трансформаторов напряжения
В установках напряжением до 18 кВ применяются трехфазные и однофазные трансформаторы, при более высоких напряжениях — только однофазные.
При напряжениях до 20 кВ имеется большое число типов трансформаторов напряжения: сухие (НОС), масляные (НОМ, ЗНОМ, НТМИ, НТМК), с литой изоляцией (ЗНОЛ). Следует отличать однофазные двухобмоточные трансформаторы НОМ от однофазных трехобмоточных трансформаторов ЗНОМ. Трансформаторы типов ЗНОМ-15, -20 -24 и ЗНОЛ-06 устанавливаются в комплектных токопроводах мощных генераторов. В установках напряжением 110 кВ и выше применяют трансформаторы напряжения каскадного типа НКФ и емкостные делители напряжения НДЕ.
Измерительные трансформаторы напряжения
Измерительные трансформаторы напряжения предназначены для уменьшения первичных напряжений до значений, наиболее удобных для подключения измерительных приборов, реле защиты, устройств автоматики. Применение измерительных трансформаторов обеспечивает безопасность работающих, так как цепи высшего и низшего напряжения разделены, а также позволяет унифицировать конструкцию приборов и реле.
Видео: Трансформаторы напряжения
Технические характеристики трансформаторов напряжения, схемы включения. Факторы, влияющие на класс точности. Виды трансформаторов напряжения, расшифровка маркировки.
Трансформатор напряжения принцип работы
Для непосредственного включения на высокое напряжение потребовались бы очень громоздкие приборы и реле вследствие необходимости их выполнения с высоковольтной изоляцией. Изготовление и применение такой аппаратуры практически неосуществимо, особенно при напряжении 35 кВ и выше.
Применение трансформаторов напряжения позволяет использовать для измерения на высоком напряжении стандартные измерительные приборы, расширяя их пределы измерения; обмотки реле, включаемых через трансформаторы напряжения, также могут иметь стандартные исполнения.
Кроме того, трансформатор напряжения изолирует (отделяет) измерительные приборы и реле от высокого напряжения, благодаря чего он обеспечивает безопасность их обслуживания на подстанции.
В то же время, если силовые трансформаторы предназначены для передачи транспортируемой мощности с минимальными потерями, то измерительные трансформаторы напряжения конструируются с целью высокоточного повторения в масштабе векторов первичного напряжения.
измерительный трансформатор напряжения
Принципы работы трансформатора напряжения
Конструкцию трансформатора напряжения, как и трансформатора тока, можно представить магнитопроводом с намотанными вокруг него двумя обмотками:
- первичной;
- вторичной.
Специальные сорта стали для магнитопровода, а также металл их обмоток и слой изоляции подбираются для максимально точного преобразования напряжения с наименьшими потерями. Число витков первичной и вторичной катушек рассчитывается таким образом, чтобы номинальное значение высоковольтного линейного напряжения сети, подаваемое на первичную обмотку, всегда воспроизводилось вторичной величиной 100 вольт с тем же направлением вектора для систем, собранных с заземленной нейтралью.
Если же первичная схема передачи энергии создана с изолированной нейтралью, то на выходе измерительной обмотки будет присутствовать 100/√3 вольт.
Для создания разных способов моделирования первичных напряжений на магнитопроводе может располагаться не одна, а несколько вторичных обмоток.
Устройство однофазного трансформатора напряжения
устройство однофазного трансформатора напряжения
Устройство однофазного трансформатора напряжения:
- а — общий вид трансформатора напряжения;
- б — выемная часть;
- 1,5 — проходные изоляторы;
- 2 — болт для заземления;
- 3 — сливная пробка;
- 4 — бак;
- 6 — обмотка;
- 7 — сердечник;
- 8 — винтовая пробка;
- 9 — контакт высоковольтного ввода
Однофазные трансформаторы напряжения получили наибольшее распространение. Они выпускаются на рабочие напряжения от 380 В до 500 кВ.
Конструктивные размеры и масса ТН определяются не мощностью, как у силовых трансформаторов, а в основном объемом изоляции первичной обмотки и размерами её выводов высокого напряжения.
Трансформаторы напряжения с номинальным напряжением от 380 В до 6 кВ имеют исполнение с сухой изоляцией (обмотки выполняются проводом марки ПЭЛ и пропитываются асфальтовым лаком).
Свердловский завод трансформаторов тока выпускает трансформаторы напряжения на 6, 10, 35 кВ с литой изоляцией.
У трансформаторов напряжением 10 — 500 кВ изоляция масляная (магнитопровод погружен в трансформаторное масло).
Пример назначение и область применение трансформаторов напряжения ЗНОЛ-НТЗ
Трансформаторы предназначены для наружной установки в открытых распределительных устройствах (ОРУ). Трансформаторы обеспечивают передачу сигнала измерительной информации измерительным приборам и устройствам защиты и управления, предназначены для использования в цепях коммерческого учета электроэнергии в электрических установках переменного тока на класс напряжения 35 кВ. Трансформаторы выполнены в виде опорной конструкции.
Корпус трансформаторов выполнен из компаунда на основе гидрофобной циклоалифатической смолы «Huntsman», который одновременно является основной изоляцией и обеспечивает защиту обмоток от механических и климатических воздействий. Рабочее положение трансформаторов в пространстве — вертикальное, высоковольтными выводами вверх.
схема включения обмоток трансформатора напряжения ЗНОЛ-НТЗ
См. трансформаторы ЗНОЛ, схемы характеристики в таблице
Устройство трансформатора.
2.1. Магнитопровод. Магнитные материалы.
Назначение магнитопровода
заключается в создании для магнитного потока замкнутого пути, обладающего минимальным магнитным сопротивлением. Поэтому магнитопроводы для трансформаторов изготавливают из материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях. Материалы должны иметь малые потери на вихревые токи, чтобы не перегревать магнитопровод при достаточно больших значениях магнитной индукции, быть достаточно дешевыми и не требовать сложной механической и термической обработки.
Магнитные материалы
, используемые для изготовления магнитопроводов, выпускаются в виде отдельных листов, либо в виде длинных лент определенной толщины и ширины и называютсяэлектротехническими сталями . Листовые стали (ГОСТ 802-58) изготавливаются методом горячей и холодной прокатки, ленточные текстурованные стали (ГОСТ 9925-61) только методом холодной прокатки.
Также применяют железноникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллой, перминдюр и др. (ГОСТ 10160-62), и низкочастотные магнитомягкие ферриты.
Для изготовления разнообразных относительно недорогих трансформаторов широко применяются электротехнические стали
, имеющие небольшую стоимость и позволяющие трансформатору работать как при постоянном подмагничивании магнитопровода, так и без него. Наибольшее применение нашли холоднокатаные стали, имеющие лучшие характеристики по сравнению со сталями горячей прокатки.
Сплавы с высокой магнитной проницаемостью
применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, предназначенных для работы при повышенных и высоких частотах 50 – 100 кГц.
Недостатком таких сплавов является их высокая стоимость. Так, например, стоимость пермаллоя в 10 – 20 раз выше стоимости электротехнической стали, а пермендюра – в 150 раз. Однако в ряде случаев их применение позволяет существенно снизить массу, объем и даже общую стоимость трансформатора.
Другим их недостатком является сильное влияние на магнитную проницаемость постоянного подмагничивания, переменных магнитных полей, а также низкая стойкость к механическим воздействиям – удар, давление и т.п.
Из магнитомягких низкочастотных ферритов
с высокой начальной проницаемостью изготавливаютпрессованные магнитопроводы , которые применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, работающих на высоких частотах от 50 – 100 кГц. Достоинством ферритов является невысокая стоимость, а недостатком является низкая индукция насыщения (0,4 – 0,5 Т) и сильная температурная и амплитудная нестабильность магнитной проницаемости. Поэтому их применяют лишь при слабых полях.
Выбор магнитных материалов производится исходя из электромагнитных характеристик с учетом условий работы и назначения трансформатора.
Контроль работы устройства
Во время сервисных работ строго запрещается заглядывать внутрь бака, сливать полностью масла и проводить какие-либо манипуляции с содержимым корпуса трансформатора. Работоспособность изделия проверяется путем химической оценки пробы масла и холостого подключения аппарата. В результате удается узнать, насколько трансформатор работоспособен в данный момент времени.
Даже к месту монтажа привозят уже готовую конструкцию, которую остается только подключить к сети. Заливка маслом производится на заводе, не говоря уже о более сложных процедурах. Для доставки оборудования используется специализированная техника.
Изобретение Голара и Гиббса
Новым шагом в использовании трансформаторов с разомкнутым сердечником для распределения электроэнергии явилась «система распределения электричества для производства света и двигательной силы», запатентованная во Франции в 1882 году Голаром и Гиббсом. Запатентованное ими устройство они назвали – «вторичный генератор».
Видео 2. Вторичный генератор Голарда и Гиббса
Французский изобретатель Люсьен Голар и английский промышленник Джон Гиббс воспользовались трансформаторами для подсоединения ламп накаливания к осветительной системе на дуговых лампах. Поскольку дуговые лампы соединялись последовательно, первичные обмотки трансформаторов находились в последовательном соединении с дуговыми лампами.
То есть трансформаторы Голара и Гиббса предназначались уже для преобразования напряжения, и имели коэффициент трансформации отличный от единицы. Трансформаторы с разомкнутым сердечником в 1883 году устанавливаются на подстанциях Лондонского метрополитена, а 1884 году – в Турине (Италия).
Вторичный генератор не нашел широкого применения, однако он стимулировал создание других устройств.
Среди тех, кто заинтересовался работой Голара и Гиббса, были три венгерских инженера Микша Дери, Отто Титус Блажи и Карой Циперновский, из будапештской фирмы Ganz and Company. Они присутствовали при демонстрации действия вторичного генератора в Италии и пришли к выводу, что последовательное соединение имеет серьезные недостатки.
По возвращении в Будапешт Дери, Блажи и Циперновский сконструировали и изготовили несколько трансформаторов для систем параллельного соединения с генератором.
Их трансформаторы (с замкнутыми железными сердечниками, которые значительно лучше подходили для параллельного соединения, чем «связки» железных проводов с открытыми концами) были двух типов. В первом типе провод наматывался на тороидальный сердечник, во втором, наоборот, железные провода сердечника наматывались вокруг тороидальной «связки» проводников.
В мае 1885 г. Дери, Блажи и Циперновский продемонстрировали на национальной выставке в Будапеште свою систему, которую принято считать прототипом современных осветительных систем. Она состояла из 75 параллельно соединенных трансформаторов, подводивших питание к 1067 лампам накаливания Эдисона от генератора переменного тока с напряжением 1350 В. Трансформаторы имели тороидальные железные сердечники.
Нужно отметить, что впервые предложения о параллельном включении трансформаторов высказал Р. Кеннеди в 1883 году, но более всесторонне этот способ соединения был все же изучен Микшей Дери, который в 1885году получил патент на параллельное включение первичных и вторичных обмоток трансформаторов и показал преимущество такого включения.
Независимо от него аналогичный патент в Англии получил Себастиан Циани Ферранти.
Система Голара и Гиббса произвела также впечатление на американца по имени Джордж Вестингауз. В 80-х годах Вестингауз был уже признанным изобретателем и промышленником. В то время он работал над системой распределения природного газа для освещения. После успехов, достигнутых Эдисоном, Вестингауз заинтересовался новым источником энергии, но сомневался в возможности ее широкого применения.
Его скептицизм был в достаточной степени оправданным. В параллельных системах увеличение нагрузки требовало увеличения силы тока, а нагрузка в масштабах целого города потребовала бы колоссальных токов. Однако передача электроэнергии при больших токах неэффективна. Нужно было либо передавать ток по очень толстым медным проводам, либо строить электростанции в непосредственной близости от потребителя, разбросав множество мелких генераторов по всей территории города.
