Зачем в трансформатор вводят магнитный сердечник

Как устроен и работает трансформатор, какие характеристики учитываются при эксплуатации

В энергетике, электронике и других отраслях прикладной электротехники большая роль отводится преобразованиям электромагнитной энергии из одного вида в другой. Этим вопросом занимаются многочисленные трансформаторные устройства, которые создаются под различные производственные задачи.

Одни из них, имеющие наиболее сложную конструкцию, выполняют трансформацию мощных потоков высоковольтной энергии, например. 500 или 750 киловольт в 330 и 110 кВ или в обратном направлении.

Другие работают в составе малогабаритных устройств бытовой техники, электронных приборов, системах автоматизации. Они также широко используются в различных блоках питания мобильных устройств.

Трансформаторы работают только в цепях переменного напряжения разной частоты и не предназначены для применения в схемах постоянного тока, в которых используются преобразователи других типов.

Трансформаторы делятся на две основные группы: однофазные, питающиеся от сети однофазного переменного тока, и трехфазные, питающиеся от сети трехфазного переменного тока.

Трансформаторы очень различны по своей конструкции. Основными элементами трансформатора являются: замкнутый стальной сердечник (магнитопровод), обмотки и детали, служащие для крепления магнитопровода и катушек с обмотками и установки трансформатора в выпрямительное устройство. Матнитопровод предназначен для создания замкнутого пути для магнитного потока.

Части магннтопровода, на которых размещены обмотки, называются стержнями, а части, на которых отсутствуют обмотки и которые служат для замыкания: магнитного потока в магнитопроводе — ярмом. Материалом для магнитопровода трансформатора служит листовая электротехническая сталь (трансформаторная сталь). Эта сталь бывает различных марок, толщины, горячей и холодной прокатки.

Общие принципы работы трансформаторов

Мы знаем, что электромагнитная энергия неразрывна. Но ее принято представлять двумя составляющими:

Так проще понимать происходящие явления, описывать процессы, делать расчеты, конструировать различные устройства и схемы. Целые разделы электротехники посвящены раздельным анализам работы электрических и магнитных цепей.

Электрический ток, как и магнитный поток, протекает только по замкнутой цепи, обладающей сопротивлением (электрическим или магнитным). Его создают внешние приложенные силы — источники напряжения соответствующих энергий.

Однако, при рассмотрении принципов работы трансформаторных устройств придётся одновременно исследовать оба этих фактора, учесть их комплексное воздействие на преобразование мощности.

Если мы на замкнутый железный сердечник намотаем не одну, а две катушки, то при подключении одной из них, которую мы при этом назовем первичной, к зажимам переменного тока, в другой, которую мы назовем вторичной, будет индуктироваться переменная э. д. с. того же числа периодов, какое имеет ток в первичной катушке. От вторичной катушки мы можем взять переменный ток, как от обычного источника переменного тока — генератора. Такой прибор называется трансформатором, так как с помощью его можно изменить величину напряжения переменного тока, прежде чем приложить его к данной цепи. В практике обе катушки первичная и вторичная, находятся на одной и той же стороне сердечника, одна вокруг другой.

Простейший трансформатор состоит из двух обмоток, выполненных намоткой витками изолированной проволоки, по которым протекает электрический ток и одной магистрали для магнитного потока. Ее принято называть сердечником или магнитопроводом.

К вводу одной обмотки приложено напряжение от источника электроэнергии U1, а с выводов второй оно, после преобразования в U2, подается на подключенную нагрузку R.

Под действием напряжения U1 в первой обмотке по замкнутой цепи протекает ток I1, величина которого зависит от полного сопротивления Z, состоящего из двух составляющих:

1. активного сопротивления проводов обмотки;

2. реактивной составляющей, обладающей индуктивным характером.

Величина индуктивного сопротивления оказывает большое влияние на работу трансформатора.

Протекающая по первичной обмотки электрическая энергия в виде тока I1 представляет собой часть электромагнитной, магнитное поле которой направлено перпендикулярно движению зарядов или расположению витков проволоки. В его плоскости размещен сердечник трансформатора — магнитопровод, по которому замыкается магнитный поток Ф.

Все это наглядно отражено на картинке и строго соблюдается при изготовлении. Сам магнитопровод тоже замкнут, хотя в отдельных целях, например, для снижения магнитного потока в нем могут делать зазоры, увеличивающие его магнитное сопротивление.

За счет протекания первичного тока по обмотке магнитная составляющая электромагнитного поля проникает в магнитопровод и циркулирует по нему, пересекая витки вторичной обмотки, которая замкнута на выходное сопротивление R.

Под действием магнитного потока во вторичной обмотке наводится электрический ток I2. На его величине сказывается значение приложенной напряженности магнитной составляющей и полной сопротивление цепи, включая подключенную нагрузку R.

При работе трансформатора внутри магнитопровода создается общий магнитный поток Ф и его составные части Ф1 и Ф2.

Как устроен и работает автотрансформатор

Среди трансформаторных устройств особой популярностью пользуются упрощенные конструкции, использующие в работе не две разные отдельно выполненные обмотки, а одну общую, разделенную на секции. Их называют автотрансформаторами.

Принцип работы такой схемы практически остался прежним: происходит преобразование входной электромагнитной энергии в выходную. По виткам обмотки W1 протекают первичные токи I1, а по W2 — вторичные I2. Магнитопровод обеспечивает путь движения для магнитного потока Ф.

У автотрансформатора имеется гальванически связь между входными и выходными цепями. Так как преобразованию подвергается не вся приложенная мощность источника, а только часть ее, то создается более высокий КПД, чем у обычного трансформатора.

Такие конструкции позволяют экономить на материалах: стали для магнитопровода, меди для обмоток. Они обладают меньшим весом и стоимостью. Поэтому их эффективно используют в системе энергетики от 110 кВ и выше.

Особых отличий в режимах работы трансформатора и автотрансформатора практически нет.

Рабочие режимы трансформатора

При эксплуатации любой трансформатор может находиться в одном из состояний:

выведен из работы;

Холостой ход трансформатора

Холостой ход — работа прибора, машины и т. п. без нагрузки, вхолостую. При холостом ходе приборы, машины не отдают мощности, но сами при этом обычно потребляют ту или иную мощность.

Например, трансформатор, работающий без нагрузки (с разомкнутой вторичной обмоткой), потребляет некоторый ток из сети (т. н. холостой ток трансформатора), и этот ток, текущий в первичной обмотке, связан с потреблением некоторой мощности из сети, которая идет на нагрев обмотки (а в случае наличия потерь в стали и на нагрев сердечника) трансформатора.

Режим вывода из работы

Для его создания достаточно снять питающее напряжение источника электроэнергии с первичной обмотки и этим исключить прохождение электрического тока по ней, что и делают всегда в обязательном порядке с подобными устройствами.

Однако на практике при работе со сложными трансформаторными конструкциями такая мера не обеспечивает полностью меры безопасности: на обмотках может оставаться напряжение и приносить вред оборудованию, подвергать опасности обслуживающий персонал за счет случайного воздействия разрядов тока.

Как это может произойти?

У малогабаритных трансформаторов, которые работают в качестве блока питания, как показано на верхней фотографии, постороннее напряжение никакого вреда не причинит. Ему там просто неоткуда взяться. А на энергетическом оборудовании его обязательно следует учитывать. Разберём две часто встречающиеся причины:

1. подключение постороннего источника электроэнергии;

2. действие наведенного напряжения.

Первый вариант

На сложных трансформаторах работает не одна, а несколько обмоток, которые используются в разных цепях. Со всех их необходимо отключать напряжение.

Кроме того, на подстанциях, эксплуатируемой в автоматическом режиме без постоянного оперативного персонала к шинам силовых трансформаторов подключают дополнительные трансформаторы, обеспечивающие собственные нужды подстанции электроэнергией 0,4 кВ. Они предназначены для питания защит, устройств автоматики, освещения, отопления и других целей.

Их так и называют — ТСН или трансформаторы собственных нужд. Если со входа силового трансформатора снято напряжение и его вторичные цепи разомкнуты, а на ТСН проводятся работы, то существует вероятность обратной трансформации, когда напряжение 220 вольт с низкой стороны проникнет на высокую по подключенным шинам питания. Поэтому их необходимо обязательно отключать.

Действие наведенного напряжения

Если около шин отключенного трансформатора проходит высоковольтная линия, находящаяся под напряжением, то токи, протекающие по ней, способны наводить напряжение на шинах. Необходимо применять меры для его снятия.

Номинальный режим работы

Это обычное состояние трансформатора во время его эксплуатации для которого он и создан. Токи в обмотках и приложенные к ним напряжения соответствуют расчетным значениям.

Трансформатор в режиме номинальной нагрузки потребляет и преобразует мощности, соответствующие проектным значениям в течение всего предусмотренного ему ресурса.

Режим холостого хода

Он создается в том случае, когда на трансформатор подано напряжение от источника питания, а на выводах выходной обмотки отключена нагрузка, то есть разомкнута цепь. Этим исключается протекание тока по вторичной обмотке.

Трансформатор в режиме холостого хода потребляет минимально возможную мощность, определяемую его конструкторскими особенностями.

Режим короткого замыкания

Так называют ситуацию, когда нагрузка, подключенная к трансформатору оказывается закороченной, наглухо зашунтированной цепочками с очень малыми электрическими сопротивлениями и на нее действует вся мощность питания источника напряжения.

В этом режиме протекание огромных токов КЗ ничем практически не ограничивается. Они обладают огромной тепловой энергией и способны сжечь провода или оборудование. Причем действуют до тех пор, пока схема питания через вторичную или первичную обмотку не выгорит, разорвавшись в наиболее слабом месте.

Это самый опасный режим, который способен возникнуть при работе трансформатора, причем, в любой, самый неожиданный момент времени. Его появление можно предвидеть, а развитие следует ограничивать. С этой целью используют защиты, которые отслеживают превышение допустимых токов на нагрузке и максимально быстро их отключают.

Режим перенапряжения

Обмотки трансформатора покрыты слоем изоляции, который создается для работы под определенным напряжением. При эксплуатации возможно его превышение по различным причинам, возникающим как внутри электрической системы, так и в результате воздействия атмосферных явлений.

В заводских условиях определяется величина допустимого превышения напряжения, которое может действовать на изоляцию до нескольких часов и кратковременных перенапряжений, создаваемых переходными процессами при коммутациях оборудования.

Для предотвращения их воздействия создают защиты от повышения напряжения, которые при возникновении аварийной ситуации отключают питание со схемы в автоматическом режиме или ограничивают импульсы разрядов.

Трансформатор простыми словами

Мы привыкли к тому, что напряжение в розетке всегда 220 В. Возможно не все читатели подозревают, что прежде чем поступить к потребителю, выполнялись преобразования электрической энергии. Перед поступлением на провода ЛЭП, напряжение переменного тока увеличивали до десятков, а то и сотен киловольт, а на выходе – понижали, до привычных нам 220 В. Эти преобразования выполнили силовые трансформаторы. В данной статье я расскажу вам, что такое трансформатор простыми словами.

Потребность в преобразования переменного напряжения возникает практически на каждом шагу. Чаще всего мы испытываем необходимость в понижении напряжения, так как большинство узлов современных электронных устройств работает при низких напряжениях. Однако для некоторых цепей высоковольтных узлов требуются значительные напряжения, порядка нескольких тысяч вольт.

Рис. 1. Промышленный трансформатор

Что такое трансформатор?

Если коротко, то это стационарное устройство, используемое для преобразования переменного напряжения с сохранением частоты тока. Действие трансформатора основано на свойствах электромагнитной индукции.

Немного исторических фактов

В основу действия трансформатора легло явление магнитной индукции, открытое М. Фарадеем в 1831 г. Физик, работая с постоянным электрическим током, заметил отклонение стрелки гальванометра, подключенного к одной из двух катушек, намотанных на сердечник. Причем гальванометр реагировал только в моменты коммутации первой катушки.

Поскольку опыты проводились от источника постоянного тока, Фарадей не смог объяснить открытое явление.

Прообраз трансформатора появился лишь в 1848 году. Его изобрел немецкий механик Г. Румкорф, называя устройство индукционной катушкой особой конструкции. Однако Румкорф не заметил трансформации выходных напряжений.Датой рождения первого трансформатора считается день выдачи патента П. Н. Яблочкову на изобретение устройства с разомкнутым сердечником. Это случилось 30.11.1876 года.

Типы аппаратов с замкнутыми сердечниками появились в 1884 году. Их создали англичане Джон и Эдуард Гопкнинсоны.

По большому счету, технический интерес у электромехаников к переменному току возник только благодаря изобретению трансформатора. Идеи российского электротехника М. О. Доливо-Добровольского и всемирно известного Николы Тесла победили в спорах о преимуществах переменных напряжений именно благодаря возможности трансформации тока.

С победой идей этих великих электротехников потребности в трансформаторах резко выросла, что привело к их усовершенствованию и созданию новых типов приборов.

Общее устройство и принцип работы

Рассмотрим конструкцию простого трансформатора, с двумя катушками насаженных на замкнутый магнитопровод (см. Рис. 2). Катушку, на которую поступает ток, будем называть первичной, а выходную катушку – вторичной.

Рисунок 2. Устройство трансформатора

Фактически все типы трансформаторов используют электромагнитную индукцию для преобразования напряжения поступающего в цепь первичной обмотки. При этом выходное напряжение снимается из вторичных обмоток. Они различаются только по форме, материалам магнитопроводов и способам наматывания катушек.

Ферромагнитные сердечники применяются в низкочастотных моделях. Для таких сердечников используются материалы:

  • сталь;
  • пермаллой;
  • феррит.

В некоторых высокочастотных моделях магнитопроводы могут отсутствовать, а в некоторых изделиях применяют материалы из высокочастотного феррита или альсифера.

В связи с тем, что для характеристик ферромагнетиков характерна нелинейность намагничивания, сердечники набирают из листовых материалов, на которые надевают обмотки. Нелинейная индуктивность приводит к гистерезису, для уменьшения которого применяют метод шихтования магнитопроводов.

Форма сердечника может быть Ш-образной или торроидальной.

Рисунок 3. Внешний вид трансформатора

Базовые принципы действия

Когда на выводы первичных обмоток поступает синусоидальный ток, то он во второй катушке создает переменное магнитное поле, пронизывающее магнитопровод. В свою очередь, изменение магнитного потока провоцирует наведение ЭДС в катушках. При этом величина напряжения ЭДС в обмотках находится в пропорциональной зависимости от количества витков и частоты тока. Отношение количества витков в цепи первичной обмотки к числу витков вторичной катушки называется коэффициентом трансформации: k = W1 / W2, где символами W1 и W2 обозначено количество витков в катушках.

Если k > 1, то трансформатор повышающий, а при 0 Виды магнитопроводов

Более широкий спектр охватывает классификация по назначению.

Силовые

Назначения силового трансформатора понятно из названия. Термин силовые применяется к семейству моделей, как правило, большой мощности, используемых для преобразования электрической энергии в сетях ЛЭП и в различных обслуживающих установках.

При трансформации сохраняются частоты переменного тока, поэтому возможно подключение силовых трансформаторов в группы для работы в высоковольтных трехфазных сетях.

Силовые аппараты могут соединяться в группы с различными схемами подключения обмоток: по принципу звездочки, треугольником или зигзагом. Схема звездочка оправдана, если в трехфазных сетях нагрузка симметрическая. В противном случае предпочтения отдают треугольнику. При таком способе подключения токи первичной обмотки подмагничивают по отдельности каждый стержневой магнитопровод.

Тогда однофазное сопротивление приблизится к расчетному, а перекос напряжений будет устранен.

Автотрансформаторы

Группа устройств, в которых первичная и вторичная обмотки за счет их прямого соединения между собой образуют электрическую связь, называется автотрансформаторами. Характерным признаком этой группы является несколько пар выводов, к которым можно подключить нагрузку.

Обмотки автотрансформаторов имеют не только магнитную, но и электрическую связь. Они нашли применение в соединениях заземленных сетей, работающих под напряжением, превышающим 110 кВ, но при низких коэффициентах трансформации – не более 3 – 4.

Можно первичную обмотку подключить последовательно в электрическую цепь с другими устройствами и получить гальваническую развязку. Такие приборы получили названия трансформаторов тока. Первичную цепь таких устройств контролируют путём изменения однофазной нагрузки, а вторичную катушку используют в цепях измерительных приборов или сигнализации. Второе название приборов – измерительные трансформаторы.

Особенностью работы измерительных трансформаторов является особый режим выходной обмотки. Она функционирует в критическом режиме короткого замыкания. При разрыве вторичной цепи возникает резкое повышение напряжения в ней, что может вызвать пробои или повреждение изоляции.

Трансформатор тока

Напряжения

Типичное применение – изоляция логических цепей защиты измерительных приборов от высокого напряжения. Трансформатор напряжения – это понижающий прибор, преобразующий высокое напряжение в более низкое.

Импульсные

В работе современной электронике применяются высокочастотные сигналы, которые часто необходимо отделить от других сигналов.
Задача импульсных трансформаторов – преобразования импульсных сигналов с сохранением формы импульса.

Для высокочастотных импульсных аппаратов выдвигаются требования о максимальном сохранении формы импульса на выходе. Имеет значение именно форма, а не амплитуда и даже не знак.

Сварочные

В работе сварочного аппарата важен большой сварочный ток. При этом, сетевое напряжение понижают до безопасного уровня. Благодаря мощному электрическому току дуговой разряд сварочного аппарата плавит металл.

В сварочном трансформаторе имеется возможность ступенчатого регулирования величины тока во вторичных цепях способом изменения индуктивного сопротивления, либо путем секционирования одной из обмоток.

Фото устройства представлено на рисунке 6. Обратите внимание на наличие коммутирующего переключателя.

Рис. 6. Трансформатор для сварочного полуавтомата на броневом магнитопроводе

В сварочных аппаратах применяют конструкции на основе однофазных трансформаторов, а также с применением трехфазных трансформаторов. Для сварки некоторых металлов, например, нержавейки, сварочный ток выпрямляют.

Разделительные

Устройства, в которых нет электрической связи между обмотками, называют резделительными трансформаторами. Силовые разделительные аппараты применяются для повышения безопасности электросетей. Другая область применения разделительных трансформаторов – обеспечение гальванической развязки между отдельными узлами электрических цепей.

Согласующие

Данные типы аппаратов применяют для согласования сопротивления каскадов электронных схем. Они обеспечивают минимальное искажение формы сигналов, создают гальванические развязки между узлами электронных устройств.

Пик-трансформаторы

Аппараты, преобразующие синусоидальные токи в импульсные напряжения. Полярность выходных напряжений меняется через каждых полпериода.

Воздушные и масляные

Силовые трансформаторы бывают сухими (с воздушным охлаждением) (см. рис. 7) и масляными (см. рис. 8).

Модели сухих силовых трансформаторов чаще всего используют для преобразований сетевых напряжений, в том числе и в схемах трехфазных сетей.

Рисунок 7. Сухой трехфазный трансформатор

При подключении нагрузки происходит нагревание обмоток, что грозит разрушением электрической изоляции. Поэтому в сетях с напряжениями свыше 6 кВ работают приборы с масляным охлаждением. Специальное трансформаторное масло повышает надежность изоляции, что очень важно при больших выходных мощностях.

Рис. 8. Строение промышленного трансформатора с масляным охлаждением

Сдвоенный дроссель

Конструктивно такой аппарат является трансформатором с одинаковыми катушками. Катушки одинаковой мощности образуют встречный индуктивный фильтр. Эффективность аппарата выше, чем у дросселя (при одинаковых размерах).

Вращающиеся

Применяются для обмена сигналами с вращающимися барабанами. Конструктивно состоят из двух половинок магнитопровода с катушками. Эти части вращаются относительно друг друга. Обмен сигналами происходит при больших скоростях вращения.

Обозначение на схемах

Трансформаторы наглядно изображаются на электрических схемах. Символически изображаются обмотки, которые разделены магнитопроводом в виде жирной или тонкой линии (см. рис. 9).

Пример обозначения

На схемах трехфазных трансформаторов обмотки начинаются со стороны сердечника.

Области применения

Кроме преобразования напряжений в электрических сетях, трансформаторы часто применяются в блоках питания радиоэлектронных устройств. Преимущественно это автотрансформаторы, которые одновременно выдают несколько напряжений для различных узлов.

Сегодня все чаще используют бестрансформаторные блоки питания. Однако там где требуется питание мощным переменным током, без электромагнитных устройств не обойтись.

Понятие и причины возникновения тока намагничивания трансформатора

Понятие намагничивающего тока

Внезапное возрастание, то есть бросок тока намагничивания (БТН), объясняется насыщением сердечника магнитной индукцией. Трансформаторы динамически устойчивы к броскам благодаря изготовлению обмоток с учетом больших по кратности токов, как правило, возникающих при замыканиях накоротко. В среднем намагничивающий ток превышает номинальное значение прибора в 6-8 раз.

Рис. 1. Условия появления БТН

В режиме короткого замыкания напряжение силового агрегата характеризуется предельным понижением до нуля, а после отключения зоны повреждения устанавливается на зажимах устройства скачкообразно.

Восстановление магнитного потока происходит неравномерно и не сразу, что обуславливает возникновение переходного процесса, в течение которого образуются два потока – установившийся ФУ и свободный ФСВ. Для определения общего значения используется формула:

В точке отсчета, характеризующей начальный момент времени при t = 0, ФТО также приравнивается к нулю, поэтому справедливым представляется равенство ФСВ = – ФУ. Знаки полярности магнитных потоков совпадают во втором полупериоде, и, соответственно, результирующая величина достигает пикового максимума (ФТмакс).

Рис. 2. Магнитные потоки в сердечнике под нагрузкой

Схематически наблюдается отставание ФУ от UТ на 90 градусов, что говорит о зависимости ФСВ и ФТмакс от фазы напряжения. Данные величины достигают наибольших значений при включении – в момент прохождения UТ через ноль. Если не брать во внимание постепенное затухание, ФТмакс ≈ 2ФУ. Но пиковая величина потока может быть и выше, когда в толще сердечника присутствует остаточное намагничивание Фост, по знаку совпадающее с ФСВ.

ФТмакс = (2ФУ + Фост)> 2ФУ

Сердечник насыщается при значениях потоков, приближенных к 2ФУ, вызывая резкий бросок Iнам. Ток намагничивания образуется только в той обмотке цепи, на которую подается напряжение при включении. Он преобразуется через защитное устройство и поступает на реле, заставляя его срабатывать при соблюдении неравенства Iнам > Iс.з..

Причины возникновения броска тока намагничивания

Причиной возникновения БНТ в силовых трансформаторах является резкое изменение уровня напряжения намагничивания. Хотя обычно возникновение БНТ связывают с включением трансформатора под напряжение, он также может быть обусловлен:

  • Возникновением внешнего КЗ,
  • Восстановлением уровня напряжения после отключения внешнего КЗ,
  • Переходом КЗ из одного вида в другой (к примеру, переход однофазного КЗ в двухфазное КЗ на землю),
  • Несинхронным подключением генератора к системе.

Поскольку ветвь намагничивания схемы замещения трансформатора, может быть представлена как шунт при его насыщении, ток намагничивания нарушает баланс между токами на выводах трансформатора. Дифференциальная защита воспринимает ток БНТ как дифференциальный, однако должна устойчиво функционировать в таком случае. Отключение трансформатора при БНТ является нежелательным с точки зрения условий обеспечения длительного срока службы трансформатора (отключение тока индуктивного характера вызывает высокие перенапряжения, что может представлять угрозу для трансформатора и быть косвенной причиной возникновения внутреннего КЗ).

Бросок намагничивающего тока трансформатора

Бросок намагничивающего тока (БТН) может возникнуть при подаче напряжения на защищаемый трансформатор с одной из сторон или при восстановлении напряжения после отключения внешнего КЗ. Величина БТН может достигнуть десятикратного значения номинального тока и характеризуется, как правило, медленным затуханием апериодической слагающей, обусловливающей однополярность тока (рис. 1.2,а). При нормальной работе значения намагничивающих токов при современных марках трансформаторной стали обычно не превосходят 0,02, т.е. БТН возрастает на два порядка [1]. БТН воспринимается защитой как КЗ в зоне ее действия при одностороннем питании

(рис. 1.3). Поэтому дифференциальная защита должна быть отстроена от БТН. Однако отстройка от них путем увеличения тока срабатывания защиты () делает защиту малочувствительной.

Одним из способов отстройки от однополярных БТН является применение промежуточных насыщающихся трансформаторов тока (НТТ).

Принципиальная схема простейшего НТТ приведена на рис. 1.4. Первичная обмотка () включается в дифференциальную цепь, вторичная () питает электромагнитное или другое реле. Ток в реле зависит однозначно от величины ЭДС на зажимах вторичной обмотки НТТ. Среднее значение ЭДС определяется по выражению

где – число витков вторичной обмотки НТТ; – сечение магнитопровода НТТ, м2; – период промышленной частоты, с; – абсолютное приращение индукции за период, Тл.

Определим при разных по величине и форме токах в первичной обмотке НТТ, учитывая, что НТТ могут иметь значительную остаточную индукцию () любого знака (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Принцип быстронасыщающегося трансформатора тока

При однополярных токах максимально возможной величины и остаточной индукции неблагоприятного знака абсолютное приращение индукции за период

где – индукция насыщения.

При благоприятной остаточной индукции, а также в каждый последующий период, величина будет меньше

При протекании в первичной обмотке НТТ синусоидального тока, равного току срабатывания (на рис. 1.5,б – ), приращение индукции за период

где – индукция срабатывания.

Таким образом, отстройка от однополярного БТН обеспечивается, если

При этом обеспечивается отстройка и от тока небаланса в переходных режимах внешних КЗ, так как он, несмотря на значительную величину, соизмеримую с однополярным БТН, полностью смещен относительно оси времени.

Максимально возможное приращение индукции при синусоидальном токе внутреннего КЗ составляет (рис. 1.5,б)

Поэтому вторичный коэффициент чувствительности всегда меньше 2, что является серьезным недостатком всех реле с НТТ.

Кроме того, наличие апериодической составляющей в токе внутреннего КЗ может вызвать задержку в срабатывании защиты. Величина задержки может достигать 150 мс.

Однако НТТ не способен полностью отстроить защиту от БТН по следующим причинам:

В одной из фаз трансформатора возможно появление периодического (разнополярного) БТН. Амплитуда этого броска достигает двухкратного значения по отношению к номинальному току.

Даже при наличии однополярного БТН во всех фазах при насыщении трансформаторов тока условия трансформации апериодической составляющей тока существенно ухудшаются. Во вторичном токе трансформаторов тока появляются отрицательные полуволны (см. рис. 1.2). Поэтому дифференциальная защита трансформатора с реле типа ДЗТ имеет достаточную отстройку от БТН только при условии, если

Почему происходит бросок при включении

Кратковременный скачок характеризуется броском намагничивающего тока трансформатора (БТН). Его значения на одном и том же приборе могут отличаться по величине при разных включениях. Причиной образования БТН в силовых устройствах является внезапное изменение уровня напряжения намагничивания. Помимо нагрузки, передаваемой на обмотку, скачок может быть вызван и другими причинами:

  • внешнее короткое замыкание (КЗ);
  • восстановление напряжения в контуре;
  • преобразование КЗ;
  • несинхронное подключение генератора.

Ток намагничивания вносит дисбаланс на выводах трансформатора. Защита прибора воспринимает БТН как дифференциальный ток. Но чтобы она корректно выполняла свое назначение, система должна эффективно функционировать и отстраиваться с учетом БТН путем включения в цепь таких вспомогательных устройств, как промежуточные трансформаторы.

Чтобы скачки не повлияли на эксплуатационный ресурс службы агрегата, нежелательно допускать отключение трансформатора в результате бросков.

При включении обмотки на полную нагрузку вследствие асинхронного распределения мощности и переходных волновых процессов возникает высокое перенапряжение, способное вызвать внутреннее короткое замыкание.

Важно! Перенапряжения по причине БТН являются безопасными только при правильной организации дифференциальной защиты системы.

Влияние гармоник и бросков тока намагничивания на ДЗТ трансформаторов

Бросок тока намагничивания трансформатора — это кратковременный ток намагничивания трансформатора, превышающий номинальный ток нагрузки, возникающий при включении трансформатора (автотрансформатора) под напряжение или при его восстановлении. При этом, бросок тока намагничивания раз от раза может отличаться на одном и том же трансформаторе, так как имеет значение вектор и величина напряжения, подаваемая на обмотку трансформатора при включении коммутационного аппарата.

Как происходит процесс

При подаче нагрузки намагничивание прибора из-за включения рассматривается как негативное явление, способное спровоцировать БТН максимальной амплитуды. При отключении ток намагничивания сокращается до нулевой отметки, а магнитная индукция корректируется в зависимости от степени намагничивания стального сердечника, в результате чего в магнитопроводе сохраняется остаточная индукция.

Если через время повторить включение токопреобразующего устройства под напряжение, подчиненное синусоидальному закону изменения, магнитная индукция меняется со смещением остаточной величины до 90% от номинального значения. В результате возникает высокая амплитуда намагничивания и изменение формы кривой.

Рис. 3. Кривая БНТ классического типа

Уровень намагничивающего тока затухает на десятые доли секунды, но полное «сглаживание» кривой наступает в течение нескольких секунд, а при определенных условиях – через несколько минут. Длительность затухания апериодической составляющей осциллограммы БТН обусловлена высокой амплитудой тока в начальный (нулевой) момент времени и содержанием разных гармоник. Пиковая величина зависит от нагрузочного напряжения и его параметров, а также от значения и полярности остаточного магнитного потока в сердечнике.

Пик тока может быть выше номинального значения для высокомощных агрегатов в 10-15 раз, а для приборов мощностью (

Что такое подмагничивание сердечника трансформатора и в каких схемах оно возникает?

Ответ: нежелательное явление, которое возникает при протекании в обмотках трансформатора переменного тока.

Ответ: возникает при протекании в обмотках трансформатора высших четных гармоник тока.

Ответ: возникает при протекании в обмотках трансформатора высших нечетных гармоник тока.

*Ответ: нежелательное явление, которое возникает при протекании в обмотках трансформатора постоянного тока.

Почему активное сопротивление трансформатора приводят к температуре 75 градусов Цельсия?

Ответ : для учета его реального значения в работающем трансформаторе.

Ответ : для устранения опасности перегрева.

Ответ : указанная температура опасна для магнитопровода.

*Ответ : для учета его реального значения и определения потерь в работающем трансформаторе.

Почему в схеме Д/Д в линейных напряжениях третьей гармоники практически нет ?

Ответ: из-за размагничивающего действия циркулирующего в треугольнике тока нулевой последовательности.

Ответ: из-за размагничивающего действия циркулирующего в треугольнике тока третьей гармоники.

*Ответ: из-за несинусоидального намагничивающего тока.

Ответ: в схеме «треугольник» напряжение третьей гармоники достаточно выражено.

К чему приводит наличие третьей гармоники в токе намагничивания ?

*Ответ: к синусоидальной эдс в обмотках.

Ответ: к несинусоидальной эдс в обмотках.

Ответ: к подмагничиванию трансформатра.

*Ответ: к реактивным токам в сети.

Состав системы ТПН-Д.

*Ответ: тиристорный преобразователь напряжения- двигатель.

Ответ: транзисторный преобразователь напряжения- двигатель.

Ответ: тиристорный преобразователь нагрузки- двигатель.

Ответ: тиристорный пускатель нереверсивный- двигатель.

Зачем в трехфазных трансформаторах маломощную обмотку включают по схеме треугольник и при этом не выводят ее наружу?

Ответ : для устранения третьей гармоники и нулевой последовательности в фазных напряжениях схемы зигзаг.

Ответ : для устранения третьей гармоники и нулевой последовательности в фазных напряжениях схемы звезда.

*Ответ : для устранения третьей гармоники и нулевой последовательности в фазных напряжениях схемы треугольник.

Ответ : для устранения третьей гармоники и нулевой последовательности в фазных напряжениях схемы звезда/звезда с нулевыми проводами.

Какая температура окружающей среды является стандартной?

Ответ: 30 градусов Цельсия.

*Ответ: 40 градусов Цельсия.

Ответ: 0 градусов Цельсия.

Ответ: 20 градусов Цельсия.

Как зависит массогабаритные параметры трансформатора от теплостойкости изоляции?

Ответ: не зависит от массы изоляции.

*Ответ: чем выше нагревостойкость изоляции, тем меньше трансформатор.

Ответ: обратно пропорционально.

Ответ: прямо пропорционально.

Что такое типовая мощность трансформатора?

*Ответ: полусумма номинальных мощностей первичной и вторичной обмоток трансформатора , работающего на вентильную нагрузку.

Ответ: несуществующее понятие.

Ответ: полусумма номинальных мощностей первичной и вторичной обмоток трансформатора , работающего на осветительную нагрузку.

Ответ: полусумма номинальных мощностей первичной и вторичной обмоток трансформатора , работающего на активную нагрузку.

Как связаны типовая и номинальная мощности трансформатора?

*Ответ: типовая мощность -полусумма номинальных мощностей первичной и вторичной обмоток трансформатора , работающего на вентильную нагрузку.

Ответ: полусумма номинальных мощностей первичной и вторичной обмоток трансформатора , работающего на реактивную нагрузку.

Ответ: несуществующее понятие.

Ответ: полусумма номинальных мощностей первичной и вторичной обмоток трансформатора , работающего на осветительную нагрузку.

Последнее изменение этой страницы: 2019-04-09; Просмотров: 280; Нарушение авторского права страницы

Магнитная система (магнитопровод) трансформатора

Стальной магнитопровод, или, как иногда его назы­вают, сердечник, является магнитной цепью трансфор­матора, по которой замыкается переменный магнитный поток трансформатора, пронизывающий его обмотки.

Различают два основных типа магнитопроводов: а) стер­жневые, у которых обмотки охватывают сердечник (рис. 104, а), б) броневые, у которых обмотки частично охватываются сердечником (рис. 104, б)

Сердечник трансформатора набирают из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, изолированных между собой лаком или бумагой для уменьшения потерь от вихревых токов. Толщина слоя изоляции 0,04—0,06 мм.

От обычной стали электротехническая сталь отли­чается высоким содержанием кремния (до 5%). Кремний повышает электрическое сопротивление стали, что при­водит к уменьшению величины вихревых токов и потерь электрической энергии.

В отечественном электромашиностроении применяют в основном следующие марки электротехнической стали: горячекатаная — Э41, Э42, Э43 и холоднокатаная — Э310, Э320 и ЭЗЗО. Расшифровывается обозначение марки стали следующим образом: Э — электротехническая, первая цифра марки стали обозначает степень легирования ее кремнием; вторая цифра — гарантированные электри­ческие и магнитные свойства стали (1 — с нормальными удельными потерями, 2 — с пониженными, 3 — с низ кими); третья цифра (0) означает, что сталь холодноката­ная.

Горячекатаную сталь получают при горячей прокатке, а холоднокатаную при холодной прокатке в чередовании с отжигом. По сравнению с горячекатаной холоднокатаная сталь имеет меньшие удельные потери, большую магнитную проницаемость и меньшую хрупкость. В магнито-проводах из холоднокатаной стали допускают магнитную индукцию до 1,7 тл против 1,4 тл в горячекатаной стали.

Для силовых трансформаторов листы сердечника со­бирают, как правило, впереплет, или «внахлестку» (рис. 105, а, б, в). При этом способе места стыков листов одного ряда перекрываются листами других рядов, что дает возможность свести до малого значения магнитное сопротивление стыков и уменьшить намагничивающий ток трансформатора. При сборке впереплет весь сердечник набирается сразу, а для насадки обмоток на стержни необходимо разобрать, или «расшихтовать», верхнюю часть сердечника, кото­рую называют ярмом. Нижнюю часть сердеч­ника называют ниж­ним ярмом. Среднюю часть сердечника, на ко­торую надевают обмот­ки, называют стерж­нем.

В некоторых случаях применяют смешанную шихтованно – стыковую конструкцию сердечни­ка, при которой нижнее ярмо собирают («ших­туют») со стержнями впереплет, а верхнее присое­диняют к стержням в стык (рис. 105, г).

При стыковой кон­струкции магнитопровода упрощается насадка

обмоток на стержни, но недостатком ее является необхо­димость ставить прокладку из изолирующего материала

между верхним ярмом и стерж­нями. Если такой прокладки не поставить, то вследствие неточ­ного совпадения листов ярма и стержня в сердечнике будут возникать большие вихревые токи, которые приведут к недо­пустимому нагреву стали транс­форматора и увеличению потерь (рис. 105, д).

Нагрев может быть настоль­ко сильным, что стальные листы сплавятся, произойдет «пожар» в стали, и трансформатор выйдет из строя. Изолирующая про­кладка увеличивает магнитное сопротивление магнитопро-вода, что ведет к увеличению намагничивающего тока.

В советских трансформаторах для уменьшения маг­нитных потоков рассеяния принята ступенчатая форма сечения стержней (рис. 106) с числом ступеней от четырех до десяти. Форма сечения ярма у трансформаторов мощ­ностью до 100 ква кре­стообразная (рис. 107, а), а. у трансформаторов мощностью 100—560 ква прямоугольная или Т-образная с выступом наружу (рис. 107, б). Стержни у трансфор­маторов небольшой мощ­ности прессуют деревянными планками, вбиваемыми между цилиндром внутренней обмотки и стержнем магнитопровода.

(рис. 108). Эти планки расклинивают стержни относи­тельно обмоток и спрессовывают их.

Стержни магнитопроводов более мощных трансформа­торов прессуют стальными шпильками (рис. 109), которые изолируют от стали трансформатора, надевая на них втулки из бумажно-бакелитовой трубки. При отсутствии изоляции шпилька замкнет пластины, что приведет к по­явлению вихревых токов и «пожару» ста­ли трансформатора.

Ярмо прессуют ярмовыми балками, которые изготовляют из швеллерной стали.

Сердечник трансформатора заземляют, соединяя его электрически с баком. За­землять магнитопровод необходимо для предотвращения появления на нем элект­рического потенциала, что может вызвать электрические разряды между магнито-проводом и другими частями трансфор­матора.

Для заземления всей активной стали магнитопровода достаточно заземлить две крайние пластины, так как при этом все пластины окажутся заземленными через сравнительно небольшое сопротивление изоляции между листами стали для малых токов высокого потенциала.

Длязаземлениямагнитопровода в транс­форматорах малой и средней мощности вставляют одну ленту 2 между пластинами ярма 1 (рис. 110), а другую между верти­кальной частью ярмовой балки 3 и изоля­ционной прокладкой 4. Затем обе ленты 2 соединяют и заземляют. Магнитопровод заземляют с одной стороны во избежание появления короткозамкнутых контуров, сцепленных с ма­гнитным потоком.

Силовые трехфазные трансформаторы мощностью до 5600 ква напряжением до 35 кв выпускают с однорамными шихтованными магнитопроводами стержневой конструк­ции горячекатаной стали толщиной 0,5 мм с бумажной изоляцией пластин.

Для опоры сердечника трансформатора в нижней части бака сделаны опорные балки, которые в трансформаторах мощностью до 1000 ква изготовляют из дерева, а в осталь­ных из стали. Стальную опорную балку изолируют от ярма прокладкой из электрокартона.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий