Электрическая схема однофазного трансформатора

Электрическая энергия в промышленных масштабах не может передаваться в виде однофазного переменного тока. С этой целью успешно применяется трехфазный ток, а для его передачи используются трехфазные трансформаторы. Одним из способов трансформации трехфазного тока служит применение трех однофазных трансформаторов.

Соединение первичных и вторичных обмоток в этих устройствах осуществляется в одну из трехфазных систем – звезду или треугольник. Именно по этому принципу происходит работа мощных однофазных трансформаторов, которыми оборудуются крупные электростанции. Их первичные обмотки соединяются с соответствующими фазами генераторов, а вторичные обмотки, соединенные звездой, подключаются к соответствующим фазам линий электропередачи.

Принцип действия трехфазного трансформатора

Как видно из приведенной схемы, вместо трех однофазных устройств может быть использован один трехфазный трансформатор. В состав его магнитопровода входят три стержня, которые замыкаются ярмами сверху и снизу. На каждый стержень наматывается первичная и вторичная обмотка, соединяемые затем звездой или треугольником. Каждый стержень с обмотками по своей сути является однофазным трансформатором. Одновременно, он выполняет функцию отдельной фазы трехфазного трансформатора.

Под действием тока первичной обмотки во всех стержнях происходит появление магнитного потока. Следует учитывать принадлежность каждой такой обмотки к одной из фаз, входящих в трехфазную систему. Поэтому токи, протекающие по этим обмоткам, а также приложенные напряжения, относятся к трехфазным. Поэтому сформированные магнитные потоки тоже являются трехфазными.

Ранее считалось, что движение магнитного потока осуществляется по замкнутой траектории, то есть, проходя по стержню, он возвращается к его началу. В трехфазных трансформаторах такой обратный путь отсутствует, в нем просто нет необходимости, при условии одинаковой нагрузки фаз. Кроме того, отсутствует и необходимость нейтрального соединения в звезду.

Циркуляция каждого потока происходит лишь по собственному стержню. В конечном итоге все потоки сходятся в центральных частях верхнего и нижнего ярма. В этих точках получается геометрическое сложение этих потоков, сдвинутых между собой на величину угла 120 градусов. В результате, геометрическая сумма сложенных величин, окажется равной нулю. Следовательно, каждый магнитный поток проходит лишь по собственному стержню, обратного пути не имеет, а все три потока в сумме дают нулевое значение.

Движение потоков крайних фаз происходит не только по стержню. Оно захватывает половину каждого ярма. Поток в средней фазе будет проходить только по своему стержню. Поэтому значение токов холостого хода в фазах, расположенных по краям, всегда превышает аналогичное значение в средней фазе.

Как передается трехфазный ток

Первичным источником питания в большинстве случаев является электрическая сеть. Ее напряжение представлено в виде синусоиды с частотой 50 Гц. Однако в тех случаях, когда линии электропередачи обладают большой протяженностью, происходит излучение передаваемой энергии в окружающее пространство, что приводит к дополнительным потерям. Поэтому в цепях электропитания высокой мощности применяется трехфазное напряжение.

Для того чтобы уменьшить излучение, сумма напряжений на всех трех фазах в любое время должна быть равна нулю. С этой целью производится сдвиг синусоидального напряжения по фазе в каждом проводе относительно друг друга на 120 градусов. В таком состоянии передача электроэнергии может осуществляться в двух вариантах: с помощью четырех или трех проводов линии передачи. Условные схемы каждого варианта отображены на рисунке.

Четырехпроводная линия позволяет выдавать потребителю два вида напряжения: фазное (220 В) и линейное (380 В). Трехпроводная схема позволяет выдавать лишь линейные напряжения. Формирование линейного напряжения описывается с помощью векторной диаграммы напряжений фаз. При положительном чередовании фаз, они условно увеличиваются по часовой стрелке. Для соединения обмоток трехфазных трансформаторов используются два основных способа – звезда и треугольник.

Соединение звездой

Данный вид соединения рекомендуется рассматривать на примере схемы «звезда-звезда». В этом случае источник тока и нагрузка соединяются методом звезды.

На рисунке обозначение фазных напряжений, вырабатываемых вторичными обмотками трансформатора, выполнено символами UA, UB, и UC. От фазных обмоток до нагрузки идут проводники, выполняющие функцию линейных проводов. Следует учитывать наличие напряжения не только между нулевым и линейным проводами, но и между двумя линейными проводниками. Такое напряжение называется линейным и обозначается UAC или UCA.

Читайте также:  Как правильно собрать щиток электрический на 220

Значение линейного напряжения всегда превышает фазное. Разница между ними составляет √3 раза, поскольку представляет собой векторную разность фазных напряжений. Таким образом, трехфазная линия электропередачи позволяет получить не только 380 В, но и 220 В, в зависимости от того по какой схеме включена нагрузка.

Соединение треугольником

Соединение вторичных обмоток в трехфазном трансформаторе треугольником будет выдавать одинаковое линейное и фазное напряжение, как и при соединении звездой, если напряжение составит 220 В. При одинаковом значении потребляемой мощности, линейные токи будут превышать фазные в √3 раза.

Трехфазная система напряжений представляет собой симметричную схему. Это означает, что и магнитная система, которую имеют все трехфазные трансформаторы, будет симметричной. Такая система очень сложная в изготовлении, поэтому широкое распространение получила плоская конструкция, в которой отсутствует центральный стержень. Необходимость в нем отпадает, поскольку сумма магнитных потоков здесь равна нулю.

Плоский вариант конструкции считается более технологичным и удобным при компоновке, хотя она и является несимметричной. Токи в крайних фазах заметно превышают ток в средней фазе, из-за чего нарушаются фазовые углы. Для ликвидации такой асимметрии сечение в верхнем и нижнем ярме увеличивается примерно на 10-15% по сравнению со стержнем. Однако, несмотря на принятые меры, некоторая асимметрия все равно остается.

Подключение трех однофазных трансформаторов к трехфазной сети

В этой статье мы поговорим о трансформаторах, устройствах способных повышать или понижать напряжение при переменном токе. Существуют различные по конструкции и предназначению трансформаторы. Например есть как однофазные, так и трехфазные. На фото изображен однофазный трансформатор:


Трансформатор напряжения соответственно будет называться повышающим, если на выходе со вторичной обмотки напряжение выше, чем в первичной, и понижающим, если, напряжение во вторичной обмотке ниже, чем в первичной. На рисунке ниже изображена схема работы трансформатора:

Принципиальная схема трансформатора

Красным (на рисунке ниже) обозначена первичная обмотка, синим вторичная, также изображен сердечник трансформатора, собранный из пластин специальной электротехнической стали. Буквами U1 обозначено напряжение первичной обмотки. Буквами I1 обозначен ток первичной обмотки. U2 обозначено напряжение на вторичной обмотке, I2 ток во вторичной. В трансформаторе две или более обмоток индуктивно связаны. Также трансформаторы могут использоваться для гальванической развязки цепей.

Принцип работы трансформатора

Принцип действия трансформатора

Коэффициент трансформации – формула

Если коэффициент трансформации меньше единицы, то трансформатор повышающий, если больше единицы, понижающий. Разберем на небольшом примере: w1 количество витков первичной обмотки равно условно равно 300, w2 количество витков вторичной обмотки равно 20. Делим 300 на 20, получаем 15. Число больше единицы, значит трансформатор понижающий. Допустим, мы мотали трансформатор с 220 вольт, на более низкое напряжение, и нам теперь нужно посчитать, какое будет напряжение на вторичной обмотке. Подставляем цифры: U2=U1кт = 22015 = 14.66 вольт. Напряжение на выходе с вторичной обмотки будет равно 14.66 вольт.

Трансформаторы на схемах

Обозначается на принципиальных схемах трансформатор так:

Обозначение трансформатора на схемах

На следующем рисунке изображен трансформатор с несколькими вторичными обмотками:

Трансформатор с двумя вторичными обмотками

Цифрой "1" обозначена первичная обмотка (слева), цифрами 2 и 3 обозначены вторичные обмотки (справа).

Сварочные трансформаторы

Существуют специальные сварочные трансформаторы.

Сварочный трансформатор предназначен для сварки электрической дугой, он работает как понижающий трансформатор, снижая напряжение на вторичной обмотке, до необходимой величины для сварки. Напряжение вторичной обмотки бывает не более 80 Вольт. Сварочные трансформаторы рассчитаны на кратковременные замыкания выхода вторичной обмотки, при этом образуется электрическая дуга, и трансформатор при этом не выходит из строя, в отличие от силового трансформатора.

Силовые трансформаторы

Фото высоковольтный трансформатор

Трансформаторы с 6-10 киловольт на 380 вольт расположены вблизи потребителей. Такие трансформаторы стоят на трансформаторных подстанциях расположенных во многих дворах. Они поменьше размерами, но вместе с ВН (выключателями нагрузки) которые ставятся перед трансформатором и вводными автоматами и фидерами могут занимать двух этажное здание.

Трансформатор 6 киловольт

У трехфазных трансформаторов обмотки соединяются не так, как у однофазных трансформаторов. Они могут соединяться в звезду, треугольник и звезду с выведенной нейтралью. На следующем рисунке приведена как пример одна из схем соединения обмоток высокого напряжении и низкого напряжения трехфазного трансформатора:

Пример соединения обмоток силового трансформатора

Трансформаторы существуют не только напряжения, но и тока. Такие трансформаторы применяют для безопасного измерения тока при высоком напряжении. Обозначаются на схемах трансформаторы тока следующим образом:

Изображение на схемах трансформатор тока

На фото далее изображены именно такие трансформаторы тока:

Трансформатор тока – фото

Существуют также, так называемые, автотрансформаторы. В этих трансформаторах обмотки имеют не только магнитную связь, но и электрическую. Так обозначается на схемах лабораторный автотрансформатор (ЛАТР):

Лабораторный автотрансформатор – изображение на схеме

Используется ЛАТР таким образом, что включая в работу часть обмотки, с помощью регулятора, можно получить различные напряжения на выходе. Фотографию лабораторного автотрансформатора можно видеть ниже:

В электротехнике существуют схемы безопасного включения ЛАТРа с гальванической развязкой с помощью трансформатора:

Безопасный ЛАТР изображение на схеме

Для согласования сопротивления разных частей схемы служит согласующий трансформатор. Также находят применение измерительные трансформаторы для измерения очень больших или очень маленьких величин напряжения и тока.

Тороидальные трансформаторы

Промышленность изготавливает и так называемые тороидальные трансформаторы. Один из таких изображен на фото:

Фотография – тороидальный трансформатор

Преимущества таких трансформаторов по сравнению с трансформаторами обычного исполнения заключаются в более высоком КПД, меньше звуковой дребезг железа при работе, низкие значения полей рассеяния и меньший размер и вес.

Сердечники трансформаторов, в зависимости от конструкции могут быть различными, они набираются из пластин магнитомягкого материала, на рисунке ниже приведены примеры сердечников:

Сердечники трансформаторов – рисунок

Вот в кратце и вся основная информация о трансформаторах в радиоэлектронике, более подробно разные частные случаи можно рассмотреть на форуме. Автор AKV.

Обсудить статью ТРАНСФОРМАТОРЫ

Зарядное устройство для мобильника из фотоэлементов.

Читайте также:  Станок для резки кафеля

МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЬ ШАНС

Схема и фото нового импульсного селективного металлоискателя с функцией дискриминации.

СОЗДАНИЕ ВЕЧНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Теория создания вечного двигателя – правда или вымысел?

Рисунок 2.3. Векторная диаграмма трансформатора тока с активно-индуктивной вторичной нагрузкой

Построение начинается с вектора вторичного тока İ2, направление которого выбирается произвольно (в нашем случае по оси ординат). Вторичная ЭДС при вторичной активно-индуктивной нагрузке E2 = R2I2 + jX2 I2 опережает вектор тока İ2 на угол ; а ЭДС E2 опережает поток Ф – на угол 90 о .

Ток намагничивания İ, приведенный также к вторичной обмотке,опережает поток на угол потерь в стали . Первичный ток İ1 получают путём векторного суммирования векторов токов İ2 и İ .

Величина вторичного тока зависит от кратности первичного тока ( – номинальный первичный ток ИТТ) и сопротивления нагрузки .

С увеличением и вторичный ток уменьшается по сравнению со значением İ1 из-за увеличения намагничивающего тока İ. Допустимая погрешность трансформации обеспечивается работой ИТТ в режиме, близком к короткому замыканию вторичной обмотки , т.е. с небольшим . При размыкании вторичной обмотки İ1 = İ, поток резко возрастает и мгновенные значения ЭДС во вторичной обмотке могут оказаться недопустимо большими, что может вызвать пробой изоляции обмотки и выход из строя ИТТ. Поэтому при протекании тока по первичной обмотке ИТТ вторичную обмотку нельзя размыкать. При необходимости замены измерительного прибора или реле вторичная обмотка ИТТ предварительно накоротко замыкается (или шунтируется обмотка реле, прибора).

При выполнении релейной защиты схемы цепей тока строятся так, чтобы была обеспечена необходимая её чувствительность при использовании наименьшего количества оборудования. По числу фаз, в которые включены используемые в схеме ИТТ, различают: трёхфазные схемы (ИТТ включены в три фазы) и двухфазные (ИТТ включены в две фазы), которые могут использоваться лишь в защитах от многофазных КЗ. Основные схемы соединения обмоток ИТТ приведены на рис. 2.4 (здесь ИОi – измерительные органы – токовые обмотки реле).

Рисунок 2.4. Схемы соединения обмоток ИТТ(а – схема полной звезды, б – схема соединения с полным треугольником, в – схема соединения ИТТ в фильтр токов нулевой последовательности)

Схема полной звезды – трёхфазная, трёхрелейная (рис. 2.4, а) – может быть использована в защитах от всех видов многофазных и однофазных замыканий.

Соединение ИТТ полным треугольником – трёхфазная, трёхрелейная – (рис. 2.4, б) – может быть использована в защитах от всех видов многофазных и однофазных замыканий.

Читайте также:  Почему светодиоды начинают мигать

Соединение ИТТ в фильтр токов нулевой последовательности (рис. 2.4, в). ИТТ устанавливаются в трёх фазах, одноимённые зажимы соединяются параллельно.

Измерительные трансформаторы напряжения

ИТН выполняют в виде двухобмоточного понижающего трансформатора. Схема подключения однофазного трансформатора напряжения показана на рис. Для обеспечения безопасности работы обслуживающего персонала вторичную обмотку заземляют. Условное обозначение трансформатора напряжения такое же, как двухобмоточного трансформатора.

Схема включения однофазного трансформатора напряжения

Особенностью работы ИТН является режим близкий к холостому ходу его вторичной цепи. Первичная обмотка ИТН с числом витков включается на напряжение сети . В режиме холостого хода под действием напряжения по обмотке протекает намагничивающий ток , создающий в магнитопроводе магнитный поток . Магнитный поток, в свою очередь, наводит в первичной и вторичной обмотках ЭДС с действующими значениями соответственно

и

Откуда получаем следующее отношение:

,

где – коэффициент трансформации ИТН.

В режиме холостого хода ток , а ток в первичной обмотке равен току намагничивания . При этом и напряжение незначительно отличается от ЭДС . Следовательно,

.

Работа ИТН с нагрузкой сопровождается протеканием тока и увеличением (по сравнению с холостым ходом) тока . Появление тока во вторичной обмотке увеличивает первичный ток по сравнению с током холостого хода на величину, пропорциональную вторичному току . Вторичный ток как бы проходит через первичную цепь с соответствующим пересчётным множителем .

Эти токи создают падение напряжения в первичной и вторичной обмотках, вследствие чего Ú2 = Ú′1 – ∆U ( – напряжение первичной обмотки, приведенное к вторичной). Таким образом, вторичное напряжение отличается от приведенного первичного по значению на и по фазе на угол d. Поэтому ИТН имеет две погрешности: погрешность напряжения в %

,

и угловую погрешность, которая определяется углом d между векторами напряжений U1 и U2.

На рис. 2.6 показана маркировка зажимов ИТН (а), его Т-образная схема замещения (б).

Рисунок 2.6. Маркировка зажимов ИТН (а) и его Т-образная схема замещения (б)

Построим качественную векторную диаграмму трансформатора (рис.2.7). Построение начинают с векторов напряжения и тока вторичной цепи, соответственно, Ú2 и İ2. Обычно трансформаторы в электроэнергетических установках имеют активно-индуктивную нагрузку; в этом случае вектор тока İ2 отстаёт от вектора напряжения Ú2 на угол , причём .

Рисунок 2.7. Векторная диаграмма линейного трансформатора

Вектор падения напряжения от вторичного тока на активном сопротивлении İ2R2 совпадает по фазе с вектором тока, а на индуктивном сопротивлении рассеяния – опережает его на . Суммируя геометрически векторы: Ú2, İ2R2 и получим падение напряжения на ветви намагничивания от тока намагничивания . Ток намагничивания равен геометрической разности первичного и вторичного токов

Падение напряжения на ветви намагничивания это ЭДС, индуцируемая во вторичной обмотке ,а ток намагничивания отстаёт от неё на . Суммируя геометрически векторы вторичного тока İ2 и тока намагничивания İ получим вектор первичного тока İ1 = İ2 + İ.

Падение напряжения от первичного тока на активном сопротивлении İ1R1 совпадает по фазе с вектором тока, а на индуктивном сопротивлении рассеяния – опережает его на . Суммируя геометрически векторы: , и получим вектор ЭДС, приложенной к первичной обмотке E1.

В зависимости от значения допускаемых погрешностей ИТН подразделяют на три класса точности: 0,5; 1 и 3. Обозначение класса соответствует значению относительной погрешности при номинальном напряжении .

Измерительные органы, в частности реле напряжения, включаются на фазные и междуфазные напряжения. Для этого используются однофазные и трёхфазные ИТН.

Основные схемы соединения обмоток однофазного трёхобмоточного ИТН приведены на рис. 2.8.

Рисунок 2.8. Типовая схема соединения обмоток однофазного трёхобмоточного ИТН

Первичная обмотка соединена в звезду с заземлённой нейтралью. Вторичны обмотки соединены в звезду (верхняя) и разомкнутый треугольник (нижняя).

Для измерения фазных и междуфазных напряжений первичная обмотка соединена в звезду с заземлением нейтрали, которое называется рабочим заземлением.

Для защиты цепей ИТН от замыканий используются предохранители ( в цепях ИТТ они недопустимы).

Заземление вторичных обмоток называется защитным.

С повышением напряжения в электроустановках значительно возрастает стоимость изоляции ИТН. Поэтому в установках 500 кВ и выше в качестве ИТН применяются ёмкостные делители напряжения с использованием конденсаторов высокочастотной связи.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector