Обмотки силового трансформатора: Обмотки силовых трансформаторов. Основные типы обмоток | Практика

Содержание

Ремонт обмоток силовых трансформаторов

Если при достаточно сильном воздействии пальцем изоляционный материал разрушается, то желательно в кратчайшие сроки провести ремонт обмоток трансформатора. В некоторых случаях при повреждениях, которые связаны с выгоранием изоляции и проводов в области виткового замыкания, производится частичная перемотка поврежденного участка. При проведении ремонта обмоток силовых трансформаторов с обмоточного провода снимают старую изоляцию. После его рихтуют, отжигают и наносят новый изоляционный слой.

Удаление поврежденных частей

Для отжига и удаления старого изоляционного слоя силового трансформатора обмотку разматывают на бухты, которые впоследствии нагревают в печи до температуры +500…+600 °С. При данной процедуре снимается внутреннее напряжение меди, а изоляция обгорает. Для того чтобы провода не спутались при температурной обработке, бухты устанавливают на отдельные специальные стойки и бандажируют проволокой. Рихтовка осуществляется методом протягивания проводов обмотки через роликовую систему, потом они наматываются на барабаны с диаметром не менее 400–500 мм, чтобы избежать перегибов. Концы спаиваются серебряным припоем, а места соединений зачищаются и изолируются на специальных станках.

Установка новой обмотки

После намотки непрерывные и винтовые обмотки силового трансформатора имеют больший, по сравнению с расчетным, размер. Их стягивают металлическими шпильками и металлическими панелями, прессуют и сушат до получения нужного размера. На верхних плитах устанавливаются пружины, благодаря которым обмотка трансформатора подпрессовывается по мере усадки и высыхания изоляции. Между торцами и плитами обмотки напротив колонн прокладок монтируются деревянные подставки. Сушка происходит под вакуумом в термошкафу. Потом в течение 10–15 часов при температуре +100…+105 °С обмотки силового трансформатора еще раз прессуют, подтягивая гайки на стяжных плитах, для получения требуемого осевого размера.

Основные виды повреждений силовых трансформаторов

Наибольшее количество повреждений трансформаторов наблюдается в устройствах обмоток главной и продольной изоляции, вводов и переключателей. При повреждении главной изоляции (рис. 1) или обмоток трансформатор подлежит капитальному ремонту с разборкой активной части.

Повреждения трансформаторов вызываются следующими причинами: нарушением действующих правил эксплуатации, аварийными и ненормальными режимами работы, старением изоляции обмоток, некачественной сборкой их на заводе или при монтаже и ремонте. Опыт монтажа и ремонта трансформаторов показывает, что две трети повреждений возникает в результате неудовлетворительного ремонта, монтажа и эксплуатации и одна треть — вследствие заводских дефектов.

Рис. 1. Схема главной изоляции обмоток: 1 — нижняя уравнительная изоляция; 2 — ярмовая изоляция; 3 — изоляционный цилиндр и масляный канал; 4 — цилиндр между обмотками НН и стержнем; 5 — стержень; 6 — верхняя ярмовая балка; 7 — верхняя уравнительная изоляция; 8 — междуфазная перегородка; 9 — обмотка ВН; 10 — обмотка НН; 11 — нижняя ярмовая балка

Наиболее серьезная неисправность трансформаторов возникает при повреждении магнитопровода вследствие нарушения изоляции между отдельными листами стали натягивающими их болтами.

В стыковых магнитопроводах причиной аварий бывает нарушение изоляции в стыках между ярмом и стержнями. Местные нагревы стали магнитопровода возникают в результате разрушения или износа изоляции стяжных болтов, повреждения междулистовой изоляции и плохого контакта электрических соединений.

Междувитковые замыкания в обмотках и секционные пробои и замыкания возникают при толчкообразных нагрузках или коротких замыканиях и в результате деформации секций от механических усилий при токах короткого замыкания и повреждении изоляции трансформатора от атмосферных перенапряжений. Обмотки — наиболее уязвимая часть трансформаторов, часто выходящие из строя. Наиболее распространенные повреждения обмотки — замыкания между витками и на корпус, междусекционные пробои, электродинамические разрушения и обрыв цепи. Перечисленные повреждения происходят в результате естественного износа изоляции, нарушения ее механической прочности при продолжительности работы более 15 лет. Изоляция разрушается также при длительных перегрузках трансформатора, сопровождаемых перегревом обмоток (около 105 °С).

При сквозных токах коротких замыканий вследствие динамических усилий наблюдается деформация обмоток, сдвиг их в осевом направлении и, как правило, механическое разрушение изоляции. Отгорание выводных концов, электродинамические усилия, небрежное соединение концов вызывают обрыв цепи обмоток, замыкание их на корпус или пробои с выходом трансформатора из строя.

Основные неисправности выводов трансформаторов: трещины, сколы и разрушения изоляторов в результате атмосферных перенапряжений, наброса металлических предметов или попадания животных на трансформатор, которые приводят к междуфазному короткому замыканию на выводах; загрязнения изоляторов; некачественная армировка и уплотнение; срыв резьбы стержня при неправильном навинчивании и затягивании гайки. Наиболее характерные повреждения выводов — течь масла между фланцем вывода и крышкой, в армировке или в месте выхода стержня. Фланец представляет собой чугунную обойму и предназначен для крепления фарфорового вывода (изолятора) на крышке трансформатора. Фарфоровый изолятор армирован во фланце армировочной замазкой; фланец закрепляется на крышке трансформатора болтами. Между фланцем и крышкой плотно уложена резиновая прокладка, которую необходимо обследовать при ремонте.

Наиболее частые повреждения переключателей — оплавление или полное выгорание контактных поверхностей, вызываемое термическим действием токов короткого замыкания при недостаточном давлении (нажатии) подвижных контактов на неподвижные или при неполном их соприкосновении.

Нарушение прочности сварных швов и недостаточная плотность прокладки между баком и крышкой вызывает течь масла из бака. Последнюю устраняют сваркой, а небольшие волосяные трещины — чеканкой. Материалом для уплотнения служит маслоупорная резина марок С-90 и М-14 и пробковая прокладка; в отдельных случаях применяют неэлектрический картон, хлопчатобумажную или пеньковую веревку, асбестовый шнур.

Информацию о неисправностях трансформатора, а также о том, что именно подлежит исправлению, получают у персонала, осуществляющего эксплуатацию. Тщательно осмотрев трансформатор, составляют дефектную ведомость, в которой указывают объем ремонтных работ, перечисляют требуемые материалы и инструменты. Одновременно с этим проверяют количество и качество масла, находящегося в трансформаторе, и состояние изоляции его обмоток.

Если в результате проведенного обследования будет установлено отсутствие внутренних неисправностей в трансформаторе и годность масла для дальнейшей эксплуатации, остальные видимые дефекты устраняют без выемки из бака сердечника с обмотками.

Разборка силовых трансформаторов

Подъем активной части магнитопровода начинают после слива масла из бака трансформатора. Слив осуществляют при открытом отверстии в крышке. После того как уровень масла опустится ниже рамы трансформатора, отвинчивают болты крышки и вместе с гайками и шайбами складывают их в отдельную емкость. После этого, если крышка не связана с активной частью, открыв на ней люки, отсоединяют отводы от контактных зажимов вводов и шарнирную часть привода переключателя. Если крышка связана с активной частью, отсоединения переключателя не требуется. У трансформаторов с устройством для регулировки напряжения под нагрузкой (с РПН) перед подъемом активной части снимают горизонтальный вал, соединяющий переключатель с контактами, и отключают отводы от контактов, предварительно промаркировав их.

Подняв активную часть трансформатора, осматривают ее. Обычно на магнитопроводе и обмотках обнаруживают осадки грязи и продуктов разложения масла. Для их удаления магнитопровод и обмотки промывают струей теплого масла под небольшим давлением над баком. Твердые парафиновые отложения счищают плотными тряпками или мягкими кистями, смоченными в бензине. Внимательно осматривают обмотки; подгоревшие или почерневшие места указывают на наличие междувитковых замыканий обмоток или пробоев на корпус. Мегомметром на 1 кВ проверяют отсутствие обрывов и качество изоляции обмоток низкого и высокого напряжений на корпус и между обмотками.

В активной части проверяют также надежность контактов концов обмотки с выводами, места паек, изоляцию шпилек магнитопровода. При внешнем осмотре обращают внимание на состояние переключателей, бака, расширителя, соединительных трубопроводов и уплотнений, изоляторов выводов и их армировку.

Разобрав трансформатор, тщательно осматривают каждую его деталь. Все обнаруженные дефекты фиксируют в дефектационной карте стандартного образца. При дефектации трансформаторов старых конструкций с поврежденными обмотками, сведения о которых отсутствуют в типовых альбомах, снимают эскизы обмоток и выводов для изготовления новых.

Ремонт обмоток и магнитопровода

Ремонт обмоток

В большинстве случаев ремонт обмоток сводится к замене поврежденной изоляции проводов, клиньев, прокладок и других изолирующих обмотку элементов. Для проводов прямоугольного профиля большого сечения ограничиваются заменой поврежденной витковой изоляции. Переизолировку провода небольших однослойных катушек часто выполняют вручную. Поврежденные многослойные и другие сложные по конструкции обмотки, выполненные из проводов мелких сечений, как правило, заменяют новыми.

При ремонте старую поврежденную изоляцию удаляют обжиганием обмоток в специальных печах при температуре 260 — 300 °С. Для того чтобы витки обмотки при обжиге не разошлись, на обмотку в осевом направлении накладывают несколько проволочных бандажей, которые после обжига аккуратно снимают. Медный провод освобождают от остатков обгоревшей изоляции, зачищают наждачной бумагой. Витки обмотки изолируют бумажной или тафтяной лентой в два слоя в полный перекрой.

Для изготовления новых обмоток применяют обмоточные станки с ручным или моторным приводом, снабженные редуктором, счетчиком числа оборотов, приспособлением для натяжения и выравнивания провода, пусковым устройством (для моторного привода), конусной вертушкой с обмоточным проводом, тормозным устройством и шаблоном, придающим катушке нужные размеры и форму. Способ изготовления катушек зависит от конструкции и типа обмоток.

Ремонт магнитопровода

Разбирают магнитопровод в следующем порядке: распаивают соединения катушек и выводов; снимают болты или шпильки, стягивающие верхнее ярмо; расшихтовывают его; записывают порядок укладки отдельных листов; обвязывают концы стержней сердечника миткалевой лентой таким образом, чтобы они не расходились веером и не портили изоляции катушек; снимают катушки. Затем, если это требуется для ремонта, следует расшихтовать весь магнитопровод.

Переизолирование листов стали начинают с удаления старого слоя изоляции одним из следующих способов: ручными или вращающимися стальными щетками, кипячением листов, покрытых бумажной изоляцией, в воде с последующей очисткой их от размякшей бумаги и клейстера и тщательной сушкой очищенных листов стали с равномерным нагревом их при температуре 250 — 300 °С в течение 2 — 3 мин в среде с ограниченным доступом воздуха.

Лучший способ изолирования листов — покрытие их масло- стойкими изоляционными лаками (например, № 202 и 302). Лаковая пленка обладает высокой механической прочностью, нагревостойкостью и значительным электрическим сопротивлением.

Рис. 3. Изоляция стяжной шпильки ярма: 1 — ярмо; 2 — ярмовая балка; 3 — стальная шайба; 4 — шпилька; 5 — гайка; 6 — изоляционная шайба; 7 — изоляционная
прокладка; 8 — изоляционная труба

При изготовлении новых листов стали для магнитопровода трансформатора раскрой стали выполняют таким образом, чтобы длинная сторона изготовляемого листа обязательно располагалась вдоль проката, так как совпадение направления магнитного потока с направлением проката снижает сопротивление магнитопровода; листы не должны иметь заусенцев — это достигается либо штамповкой листов, либо последующим снятием заусенцев, образующихся при вырезании листов ручными кровельными ножницами; отверстия в стали для стяжных шпилек выполняют только штампом, сверление не допускается; перед нанесением изолирующего слоя из лака листы разрезают на определенные размеры, штампуют в них отверстия, которые тщательно зачищают; при изолировании бумагой сталь аккуратно очищают, режут и со стороны наклеенной бумаги штампуют отверстия с последующим удалением заусенцев, образовавшихся на неоклеенной стороне.

Для восстановления изоляции стяжной шпильки применяют бакелитовые или бумажно-бакелитовые трубки заводского изготовления (рис. 3).

Ремонт вводов, бака, расширителей и переключателей напряжения

Ремонт вводов

Основные неисправности вводов следующие: трещины и сколы изоляторов, некачественные армировка и уплотнения, срыв резьбы контактного зажима при неправильном навинчивании и затягивании гаек. При значительных сколах и трещинах ввод заменяется новым.

Срыв резьбы на токоведущих стержнях и нарушение армировочной замазки устраняют путем переармировки фарфоровых изоляторов, изготовления и установки новых токоведущих стержней взамен испорченных, склейки изоляторов или замены выводов новыми.

На новый стержень, изготовленный по размерам заменяемого, навинчивают стальной или бронзовый колпак и закрепляют его контргайкой. С внутренней стороны колпак приваривают к стержню газовой сваркой, предварительно нагрев их в газовой камерной печи или другим доступным способом до температуры 600 — 700 °С. Качество сварки проверяют на специальном приспособлении сжатым воздухом.

В качестве армировочных цементирующих замазок для изоляторов напряжением до 10 кВ применяют глетоглицериновую и портландцементную замазки.

Выводы испытывают давлением масла, которое устанавливают при проверке кожуха трансформаторов на герметичность. Стенд испытаний представляет собой набор сварных металлических бачков с заплечиками, в которых предусмотрены отверстия для крепления крышек и фланцев изоляторов. К бачкам через пробковые краны присоединен маслонапорный трубопровод. Установку монтируют на раме над противнем из листового железа. Маслонапорная труба через пробковый кран шлангом соединена с напорным масляным бачком вместимостью 30 л, расположенным на стене на высоте 4 м. На соответствующем бачке через резиновую прокладку устанавливают испытуемый изолятор, открывают пробковый кран бачка, а затем и общий кран. Изолятор находится под давлением масла в течение 24 ч. Армировка считается качественной, если за это время через нее не будет протекать масло.

Ремонт бака

Перед началом ремонта пустой бак очищают от осадков и грязи, промывают, а затем ополаскивают теплым маслом и проверяют исправность работы спускного крана. Отмеченные места течи масла предварительно тщательно очищают от масла и краски, постепенно просушивают их газовой горелкой или паяльной лампой и заваривают газовой горелкой.

Места заварки в течение 1 — 2 ч испытывают избыточным давлением столба масла высотой 1,5 м над уровнем масла в расширителе. Для этого в отверстие под пробку расширителя устанавливают трубу и заполняют ее маслом. На время испытания все дыхательные отверстия в маслоуказателе и предохранительной (выхлопной) трубе герметически уплотняются. По окончании испытания масло сливают из трубы до максимального уровня в расширителе, а в отверстие завинчивают пробку. После этого удаляют герметические уплотнения и устанавливают необходимый уровень масла по маслоуказателю, сливая его избыток из расширителя. Одновременно проверяют исправность действия маслоуказателя и пробок расширителя.

Ремонт расширителя

Ремонт расширителя чаще всего ограничивают промывкой его маслом. Однако иногда возникает необходимость очистить их внутреннюю поверхность от ржавчины, обнаруженной на плоскости верхнего ярма под отверстием патрубка расширителя или под отверстием выхлопной трубы при снятой крышке бака.

Ржавчину можно обнаружить при постукивании деревянным молотком по поверхности расширителя по характерному шуму, издаваемому осыпающейся ржавчиной. При этом в местах глубокого ржавления сталь проламывается и такой расширитель подлежит замене. Для очистки ржавчины в расширителе, как правило, вырезают днище либо делают постоянный лаз в виде заглушки на прокладках. Очистив ржавчину с внутренней поверхности, расширитель протирают ветошью, смоченной бензином, и после полного высыхания покрывают лаком № 1201 или эмалью 624С с последующей просушкой. Днище, обработанное таким же способом, приваривают на прежнее место, затем внутреннюю поверхность расширителя вторично покрывают лаком. Отлакированный расширитель высушивают в печи при температуре 85 — 90 °С в течение 6 — 12 ч.

Ремонт предохранительной (выхлопной) трубы сводится к очистке внутренней поверхности дыхательной пробки и верхней части колена от ржавчины с последующим покрытием лаком и замене стекла диафрагмы. Способ очистки тот же, что и при ремонте расширителя.

Ремонт крышки

Крышки трансформаторов, но имеющих расширителя, с внутренней стороны часто покрываются ржавчиной, которая, осыпаясь, портит качество масла. После удаления ржавчины крышку покрывают антиконденсационной эмалью, состоящей из 100 весовых частей лака № 1201 и 10 весовых частей пробковой крошки. Эмаль наносят на горизонтально лежащую крышку кистью в два слоя. В качестве растворителя применяют бензол или толуол. После 20-минутной выдержки крышку просушивают в сушильном шкафу в течение 30 мин или на открытом воздухе в течение 4 — 6 ч. Работа с этой эмалью требует строгого соблюдения правил пожарной безопасности. Хранят эмаль в герметически закрытой таре.

Ремонт маслоуказателя

Ремонт маслоуказателя состоит в прочистке в арматуре маслопроводящих каналов и отверстий, замене стеклянной трубки (если она повреждена) и пришедших в негодность уплотняющих арматуру шайб и прокладок.

При установке нового стекла следят за тем, чтобы оно точно подходило по длине и имело ровные торцовые кромки стенок. Обжимающий трубку колпачок устанавливают таким образом, чтобы при нажиме на него не разбить трубку.

При установке стеклянной трубки в арматуру маслоуказателя контролируют, чтобы в нижней части ее была вставлена трубка, обеспечивающая свободный доступ масла в трубку указателя. Отсутствие трубки может привести к тому, что резиновая прокладка, уплотняющая торец стеклянной трубки указателя, разбухнет и закроет доступ масла в трубку.

Ремонт переключателей напряжения

 Наиболее частыми повреждениями переключателей являются оплавления и подгорания контактных поверхностей. При значительных оплавлениях и полном выгорании контактов переключатель заменяют новым.

Ремонт переключателей в основном сводится к чистке их контактов и проверке работы путем перевода их из одного положения в другое по всем ступеням переключения. Иногда на контактных поверхностях переключателей образуется очень стойкая и твердая тончайшая пленка продуктов разложения масла. Эта пленка в значительной мере увеличивает переходное сопротивление в контактах, что и приводит к неправильным результатам измерения сопротивления обмоток постоянного тока, создавающим ложное представление об их исправности. При таком состоянии контактирующих поверхностей переключателей отмечается большой разброс результатов измерений. В этом случае проводят измерения самих обмоток без переключателей, для того чтобы убедиться в исправности обмоток и неисправности контактов переключателя. Пленку, создающую большое переходное сопротивление, удаляют ветошью, смоченной трихлорэтиленом или ацетоном, не прибегая к очистке даже самой тонкой наждачной бумагой. Другие неполадки в работе переключателей наблюдаются только вследствие неправильной регулировки головки привода из-за неточной установки конусной шайбы.

Сборка силовых трансформаторов

После того как отремонтированы все детали, приступают к сборке трансформатора. На стержни магнитопровода насаживают отремонтированные обмотки: сначала НН, затем ВН. Обмотки расклинивают на стержнях и между собой.

Полностью собранную выемную часть трансформатора сушат, так как она имеет много изоляционных деталей, которые в процессе ремонта могли увлажниться. Существует несколько методов сушки выемной части трансформаторов, но наиболее распространенным в ремонтной практике является способ индукционного нагрева.

После сборки и установки выемной части в бак приступают к присоединению отводов от обмоток к фарфоровым выводам (если выводы в кожухе, а не в крышке трансформатора), установке подкрышечного уплотнения и крышки трансформатора на место. До установки крышки надежно присоединяют все отводы обмоток к фарфоровым выводам. Установив выемную часть на место, крышку укрепляют болтами, равномерно затягивая их по всему периметру. Собранный трансформатор заливают маслом через отверстие в крышке.

Испытание силовых трансформаторов после ремонта

Все трансформаторы, прошедшие ремонт, подвергают контрольным испытаниям в соответствии с установленными нормами. Целью испытаний является проверка качества ремонта, правильности сборки и соответствии технических характеристик собранного трансформатора требованиям стандарта. В процессе ремонта и сборки отдельных частей трансформатора проводят промежуточные испытания, по которым судят о качестве ремонта.

После капитального ремонта трансформаторов с заменой обмоток проводят химический анализ:1 и проверяют электрическую прочность трансформаторного масла, испытывают повышенным напряжением переменного тока, определяют потери тока холостого хода, проверяют группы соединений и коэффициент трансформации, измеряют омическое сопротивление обмоток, сопротивление изоляции обмоток, сопротивление обмоток постоянному току, изоляцию стяжных болтов и ярмовых балок, характеристики изоляции масляных трансформаторов, потери и напряжение короткого замыкания, проводят испытание бака на отсутствие течи и просасывание масла, на нагрев, динамическую и термическую устойчивость при внезапных коротких замыканиях, проверяют также величину давления контактов переключателя.

Измерения характеристик изоляции производят при температуре изоляции не ниже 10 °С не ранее чем через 12 ч после окончания заливки маслом. Если температура масла ниже 10 °С, то для изменения характеристик изоляции трансформатор должен быть нагрет.

Трансформаторы испытывают в собранном виде с установленными на них деталями и узлами, которые могут оказать влияние на результаты испытаний. Все полученные результаты заносят в паспорт трансформатора. После капитального ремонта без смены обмоток допускается не определять ток холостого хода, не проверять группы соединений и коэффициенты трансформации.

Для трансформаторов мощностью до 630 кВ А включительно (без смены обмоток) количество испытаний сводят к минимуму и ограничиваются измерением сопротивления изоляции, испытанием повышенным напряжением, анализом и испытанием масла.

Источник: silovoytransformator.ru

Измерение температуры и вибрации обмоток силовых трансформаторов при помощи беспроводных датчиков

Важной функцией систем мониторинга силовых трансформаторов является прямой контроль температуры обмоток в наиболее нагретой точке, имеющий большую точность по сравнению с косвенными методами контроля по температуре верхней зоны трансформатора. Такой прямой контроль позволяет достоверно оценивать текущие тепловые режимы работы трансформатора с точки зрения скорости старения основной изоляции обмоток.

Практически единственным способом прямого контроля температуры наиболее нагретой зоны силового трансформатора до настоящего времени было использование оптоволоконных датчиков температуры, монтируемых непосредственно на обмотке. Оптоволоконные датчики обеспечивают необходимую точность измерения температуры и могут безопасно монтироваться на элементах трансформатора, находящихся под высоким напряжением.

Наиболее существенным недостатком использования в системах мониторинга силовых трансформаторов оптоволоконных датчиков для контроля температуры наиболее нагретой точки обмотки является их высокая стоимость.

Для прямого контроля температуры наиболее нагретой точки обмоток силовых трансформаторов специалистами фирмы ДИМРУС разработаны специализированные беспроводные датчики контроля температуры марки BDM/T. Необходимое количество датчиков может быть установлено на обмотке силового трансформатора в процессе его изготовления на заводе.

Конструктивные особенности датчиков марки BDM/T:

  • Компактные размеры (22*35*50 мм), позволяющие крепить датчики непосредственно на обмотках трансформатора.
  • Герметичный силиконовый корпус, стойкий к воздействию масла и высоких напряжений.
  • Полностью беспроводное исполнение, позволяющее безопасно устанавливать датчики на токоведущих элементах, находящихся под высоким напряжением.

Принцип работы и функциональные возможности датчика BDM/T:

  • Питание встроенной электроники датчика осуществляется от электромагнитного поля, возникающего вокруг проводников обмотки трансформатора, на которой установлен датчик. Датчик автоматически начинает работать при включении трансформатора и отключается при выводе трансформатора из работы.
  • Датчик контактно измеряет температуру обмотки трансформатора в точке его установки.
  • Передача информации из датчика об измеренной температуре обмотки производится при помощи стандартного беспроводного интерфейса Bluetooth.
  • Дополнительной функцией датчика BDM/T является измерение вибрации обмотки в точке его установки. Во встроенном в датчик микропроцессоре рассчитывается СКЗ вибрационного сигнала и его спектральный состав, что позволяет корректно контролировать конструктивное состояние и качество прессовки обмотки.

Прием информации от датчиков марки BDM/T:

Для приема информации от датчиков марки BDM/T используются специализированные приемники марки WDM-T, WDM-TI, или обычный смартфон с интерфейсом Bluetooth. Приемник WDM-TI отличается от WDM-T тем, что он имеет информационный экран.

Приемник информации WDM-T (один на трансформатор) устанавливается на внешней поверхности бака трансформатора, вблизи высоковольтных вводов. Это делается для того, чтобы использовать вводы как антенны, введенные внутрь бака трансформатора.

В больших силовых трансформаторах, в которых может быть смонтировано много датчиков температуры BDM/T, некоторые удаленно от высоковольтных вводов и внутри обмотки, иногда необходимо устанавливать специализированную приемную антенну, введенную внутрь бака или снаружи на радиопрозрачной крышке.

Информация от приемников WDM-T по интерфейсу RS-485 передается в систему мониторинга для контроля и дальнейшего анализа.

Сигналы от датчиков температуры можно принимать и контролировать при помощи стандартного смартфона. Эта функция доступна при периодических инспекциях высоковольтного оборудования эксплуатационным персоналом в процессе его работы.

Экономическая эффективность применения датчиков BDM/T:

Датчики устанавливаются на обмотках трансформатора на заводе–изготовителе. Количество устанавливаемых в трансформаторе датчиков практически не ограничено.

Установка датчиков чаще всего не требует модернизации корпуса бака трансформатора. В самом сложном случае доработка бака сводится к установке радиопрозрачного окна.

Использование датчиков BDM/T позволяет дополнительно контролировать качество прессовки обмоток трансформатора.

Стоимость одного датчика BDM/T не превышает $150÷200, что позволяет снизить общую стоимость системы контроля температуры обмоток трансформатора в 15-20 раз по сравнению с оптоволоконной системой контроля температуры.

Датчики марки BDM/T являются универсальными и могут быть использованы для контроля температуры и вибрации высоковольтного оборудования других типов:

  • Измерение температуры шин высоковольтных КРУ и контактов выключателей различного исполнения и марок.
  • Контроль вибрации и температуры лобовых частей высоковольтных электродвигателей и генераторов.
  • Контроль температуры проводов высоковольтных линий электропередачи.
  • Контроль вибрации и температуры элементов практически любого высоковольтного оборудования, находящегося под рабочим напряжением.

Скачать документацию по датчикам

Неисправности трансформаторов

Вид испытанияПризнаки неисправностиПричина неисправностиНекоторые способы выявления неисправности
1. Измерение сопротивления изоляции мегомметромЗначительная разница в сопротивлениях изоляции одной и другой обмотки, а также между обмоткамиПовреждение изолятора выводаОтсоединить концы обмоток от выводов и измерить раздельно сопротивление изоляции обмоток в каждого вывода относительно корпуса трансформатора. В трех зажимных выводах в. н. опробовать каждую шпильку вывода
Значительная разница в сопротивлении изоляции обмоток при измерении их в холодном и горячем состоянииВлажность изоляции обмотокПроизвести специальный прогрев или сушку обмоток с испытанием электрической прочности масла на пробой
2. . Измерение омического сопротивления обмоток на всех ответвленияхЗначительный разброс показаний приборов на разных ступенях переключателяПлохой контакт в переключателе вследствие загрязнения или оплавления поверхности контактаОчистить поверхности контактов от грязи, нагара и частиц оплавленного металла и отрегулировать переключатель
Значительная разница в величинах сопротивления по фазамНеправильное присоединение отвотов к зажимам переключателя.Пересоединить концы отводов к зажимам переключателя
Плохой контакт на присоединениях выводов.Зачистить и подтянуть контакты
Плохой контакт в пайкахПроизвести пофазное измерение сопротивления с присоединенными и отсоединенными выводами
3. Измерение группы соединения обмотокПолучаемые результаты не соответствуют ни одной группе соединенийОдна из обмоток одной фазы "вывернута" (перепутано направление намотки или начало и конец обмотки)Проверить линейный коэффициент трансформации
Произвести пофазное измерение группы
4. Опыт х. х. (холостого хода)Значительно завышенный ток и потери х.х.Витковое замыкание в обмоткеВынуть сердечник из бака и произвести испытание до обнаружения местного нагрева или появления дыма
Наличие замкнутого контура через стяжные болты и прессующие плиты.Проверить изоляцию стяжных болтов
Неправильное включение параллельных обмотокПроверить правильность распределения тока между параллельно включаемыми секциями при нагрузке (проверяется по двум амперметрам при опыте короткого замыкания), а также равенство напряжений на секциях, соединяемых параллельно (проверяется по равенству показаний двух вольтметров)
Значительное увеличение тока х. х.Недоброкачественная шихтовка магнитопровода, неполное сечение верхнего ярма за счет недоукладки числа листовОсмотреть и произвести замер сечения ярма.
Определить соответствие имеющегося сечения требуемому путем сопоставления
Значительное увеличение потерь х. х.Плохая изоляция между листами стали магнитопроводаСнять обмотки и на временных обмотках повторить испытание с проверкой, местных нагревов магнитопровода
Начавшийся процесс "пожара стали"Обратить особое внимание на качество шихтовки стыков и наличие изоляционных прокладок
5. Опыт к.з. (короткого замыкания)Значительно повышенное напряжение и потери к. з. или значительное повышение напряжения к. з.Плохой контакт на перемычке, закорачивающей выводы обмотокПроверить соответствие сечения и качество контактов на перемычке по признакам нагрева
Плохой контакт на выводах или переключателеВынуть и детально обследовать сердечник, предварительно измерив точно омическое сопротивление
Плохой контакт в схеме обмоток или в переключателе со стороны питанияИзмерить омическое сопротивление
Значительное повышение потерь к. з.Неправильное токораспределение на параллельных ветвяхВынуть и обследовать сердечник

Конструкция силового трансформатора - Обмотки

750кВА сухие трансформаторные обмотки

Продолжение с. статья: Конструкция трансформатора тока - сердечник

строительство

Обмотки состоят из токопроводящих проводников, намотанных вокруг секций сердечника, и они должны быть надлежащим образом изолированы, поддерживаться и охлаждаться, чтобы выдерживать рабочие и испытательные условия.

Термины обмотки и катушки в этом обсуждении взаимозаменяемы. Медь и алюминий являются основными материалами, используемыми в качестве проводников в обмотках силового трансформатора.

В то время как алюминий легче и обычно дешевле меди, для использования тока с аналогичной производительностью, такой как медь, необходимо использовать большее поперечное сечение алюминиевого проводника. Медь имеет более высокую механическую прочность и используется почти исключительно во всех областях, кроме небольших размеров, где алюминиевые проводники могут быть совершенно приемлемыми.

В случаях, когда встречаются экстремальные силы, материалы, такие как серебросодержащая медь, могут использоваться для еще большей прочности.

Проводники, используемые в силовых трансформаторах, обычно скручены с прямоугольным поперечным сечением, хотя некоторые трансформаторы с наименьшими номинальными значениями могут использовать проводники из листа или фольги. Несколько нитей могут быть намотаны параллельно и соединены вместе на концах обмотки, и в этом случае необходимо транспонировать нити в разных точках всей обмотки, чтобы предотвратить циркулирующие токи вокруг петли (контуров), образованные путем соединения нитей на концах,

Отдельные нити могут подвергаться различиям в поле потока из-за их соответствующих положений внутри обмотки, что создает различия в напряжениях между пряди и подает циркулирующие токи через контуры проводников.

Рисунок 1 - Непрерывно транспонированный кабель (CTC)

Правильное перемещение нитей отменяет эти разности напряжений и устраняет или значительно уменьшает циркулирующие токи. Вариант этой технологии, включающий множество прямоугольных проводников, объединенных в кабель, называется непрерывно транспонированным кабелем (CTC), как показано на рисунке 1 .

В трансформаторах с сердечником обмотки обычно расположены концентрически вокруг ножки сердечника, как показано на фиг. 2, которая показывает, что обмотка опускается по другой обмотке уже на ноге сердечника трехфазного трансформатора.

Схема катушек, расположенных в этом трехфазном применении, также показана на рисунке 1 (статья «Конструкция трансформатора силовой трансформации - сердечник»).

Трансформаторы типа «оболочка» используют аналогичную концентрическую компоновку или межликую структуру, как показано на схеме 3 и фотографии на рисунке 7 .

Рисунок 2 - Концентрическое расположение, внешняя катушка опускается на ногу сердечника поверх верхней внутренней катушки

Рисунок 3 - Пример укладки (чередующегося) расположения обмоток в конструкции оболочки

С чередующимся расположением отдельные катушки уложены друг на друга, разделенные изолирующими барьерами и охлаждающими каналами. Катушки обычно соединены с внутренней частью одной катушки, соединенной с внутренней частью соседней катушки, и аналогично наружу от одной катушки, соединенной с внешней стороной соседней катушки. Наборы катушек собираются в группы, которые затем формируют первичную или вторичную обмотку.

При рассмотрении концентрических обмоток обычно понимают, что круговые обмотки имеют по своей природе более высокую механическую прочность, чем прямоугольные обмотки, тогда как прямоугольные катушки могут иметь более низкий удельный вес и затраты на рабочую силу.

Прямоугольные обмотки позволяют более эффективно использовать пространство, но их использование ограничено малыми силовыми трансформаторами и более низким диапазоном трансформаторов средней мощности, где внутренние силы не очень высоки. По мере увеличения рейтинга силы значительно увеличиваются, и в обмотках требуется дополнительная прочность, поэтому используются круговые катушки или конструкция оболочки.

В некоторых особых случаях используются обмотки с эллиптической формой.

Концентрические катушки обычно наматываются на цилиндры с распорками, прикрепленными так, чтобы образовывать канал между проводниками и цилиндром. Поток жидкости через обмотки может основываться исключительно на естественной конвекции, или поток можно несколько контролировать с помощью стратегически расположенных барьеров внутри обмотки.

На рисунках 4 и 5 показаны схемы намотки, сравнивающие ненаправленный и направленный поток. Это понятие иногда называют управляемым потоком жидкости .

Рисунок 4 - Неотправленный поток

В течение многих лет в силовых трансформаторах использовались различные типы обмоток. Катушки могут быть намотаны вертикально, вертикально, как это необходимо с более крупными, более тяжелыми катушками; или они могут быть намотаны горизонтально и размещены вертикально после завершения.

Как упоминалось ранее, тип обмотки зависит от номинала трансформатора, а также от конструкции сердечника. Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных типов обмотки.

Рисунок 5 - Направленный поток

Обмотки блинчиков

Несколько типов обмоток обычно называют « блинными » обмотками из-за расположения проводников на дисках. Однако этот термин чаще всего относится к типу катушки, который используется почти исключительно в оболочковых трансформаторах .

Проводники наматываются вокруг прямоугольной формы, причем самая широкая грань проводника ориентирована либо горизонтально, либо вертикально. На рисунке 6 показано, как эти катушки обычно наматываются. Этот тип обмотки поддается рассмотренному ранее перемешанному устройству ( рис. 7 ).

Рисунок 6 - Обмотка блинчика при обмотке

Рисунок 7 - Сложенные обмоточные блины

Обмотки

Слойные (баррель) обмотки являются одними из простейших обмоток в том, что изолированные проводники наматываются непосредственно рядом друг с другом вокруг цилиндра и распорок.

Несколько слоев могут быть намотаны друг над другом, слои разделены твердой изоляцией, воздуховодами или комбинацией. Несколько нитей могут быть намотаны параллельно, если нынешняя величина так диктует.

Вариации этой обмотки часто используются для таких применений, как обмотки обмотки, используемые в трансформаторах с переключением нагрузки (LTC), и для третичных обмоток, используемых, в частности, для подавления третьей гармоники.

На рисунке 8 показана обмотка слоя во время сборки, которая будет использоваться в качестве регулирующей обмотки в трансформаторе LTC.

Рисунок 8 - Обмотки слоев (один слой с двумя прямыми, намотанными параллельно)

Винтовые обмотки

Винтовые обмотки также называются винтовыми или спиральными обмотками, причем каждый термин точно характеризует конструкцию катушки.

Спиральная обмотка состоит из нескольких из более чем 100 изолированных жил, наматываемых параллельно параллельно по длине цилиндра, причем распорки вставлены между смежными витками или дисками и подходящими транспозициями, включенными для минимизации циркулирующих токов между параллельными цепями.

Рисунок 9 - Спиральная обмотка во время сборки

Способ конструкции таков, что катушка напоминает штопор. На рисунке 9 показана винтовая обмотка во время обмотки. Винтовые обмотки используются для приложений с более высоким током, которые часто встречаются в классах с низким напряжением.

Обмотки дисков

Обмотка диска может включать в себя одиночную нить или несколько нитей изолированных проводников, намотанных в ряд параллельных дисков горизонтальной ориентации, причем диски, соединенные либо внутри, либо снаружи в качестве точки кроссовера. Каждый диск содержит несколько поворотов, намотанных над другими витками, причем кроссоверы чередуются между собой и снаружи.

Рисунок 10 - Базовая схема обмотки диска

Рисунок 11 - Внутренние и внешние кроссоверы обмотки диска

На рис. 10 приведена основная концепция, а на рис. 11 показаны типичные кроссоверы в процессе намотки.

Большинство обмоток класса 25 кВ и выше, используемые в трансформаторах сердечника, являются дисковыми. Учитывая высокие напряжения, связанные с испытанием и эксплуатацией, особое внимание необходимо уделять избеганию высоких напряжений между дисками и витками вблизи конца обмотки при воздействии скачков напряжения на выходе.

Для обеспечения допустимого распределения напряжения вдоль обмотки в этих условиях были разработаны многочисленные методы.

Ссылка: Электрическая трансформаторная техника, опубликованная 16 мая 2012 г. CRC Press // глава Power Transformers, созданная HJ Sim и SH Digby (Получить эту книгу от CRC Press)

Связанные электрические направляющие и изделия

Особенности работы высокочастотного силового трансформатора в схеме последовательного резонансного инвертора

Введение

В настоящее время в системах индукционного нагрева преобразователь частоты (ПЧ), как правило, строится на основе последовательного резонансного инвертора, согласованного с нагрузкой через трансформатор, позволяющий, кроме этого, обеспечить гальваническую развязку и безопасность обслуживающего персонала.

В процессе работы на трансформатор с мостового инвертора поступает прямоугольное напряжение, которое, как правило, характеризуется определенной степенью несимметрии. Такой режим работы приводит к одностороннему замагничиванию трансформатора и может быть аварийным. Несмотря на наличие большого количества публикаций, посвященных этой теме [1–5], вопросы работы трансформатора в схеме резонансного инвертора, процессы симметрирования рабочего цикла петли гистерезиса, учет влияния индуктивности рассеяния рассмотрены в общем случае, не учитывающем специфики резонансного режима.

Решение этих вопросов важно и актуально для силовой электронной аппаратуры, используемой в технологиях индукционного нагрева, и является целью настоящей статьи.

Процесс подмагничивания трансформатора

Типовая структура преобразователя частоты для установки индукционного нагрева, построенная на основе последовательного резонансного инвертора напряжения, нагруженного через согласующий трансформатор TV1 на последовательный резонансный контур, образованный индуктором с нагреваемой деталью, имеющей активно-индуктивное сопротивление (Rн, Lи), и компенсирующим конденсатором С, изображена на рис. 1. В процессе нагрева параметры нагрузки существенно изменяются, что приводит к изменению резонансной частоты колебательного контура, в связи с этим в систему управления преобразователя частоты вводится узел фазовой автоподстройки частоты, непрерывно настраивающий инвертор на резонансную частоту. При этом возможно однократное появление несимметрии при изменении длительности одного из полупериодов питающего напряжения, которая определяется отношением длительности шага подстройки к резонансному периоду.

Рис. 1. Типовая схема преобразователя частоты УИН

Если к согласующему силовому трансформатору TV1 прикладывается симметричное прямоугольное напряжение, его магнитопровод перемагничивается по симметричной частной петле гистерезиса (рис. 2) и магнитная индукция в нем изменяется от значения +Bр до значения –Bр. Однако разброс динамических параметров IGBT-транзисторов, согласующих драйверов и системы фазовой автоподстройки частоты приводит к неодинаковой длительности полупериодов выходного напряжения и, как следствие, к появлению постоянной составляющей напряжения, прикладываемого к трансформатору Uср и подмагничиванию силового трансформатора постоянным током [1], величину которого можно определить соотношением

где

— среднее значение напряжения на первичной обмотке в течение резонансного периода Т, Rоб1 — сопротивление первичной обмотки. Это приводит к смещению центра частной петли гистерезиса по основной кривой намагничивания из точки О в точку О1 (рис. 2), соответствующую напряженности поля Н0 от намагничивающей силы постоянного тока. Н0 определяется согласно закону полного тока

где W — количество витков первичной обмотки; lc — длина силовой магнитной линии трансформатора.

Рис. 2. Смещение частной петли гистерезиса магнитопровода силового трансформатора при наличии подмагничивания постоянным током

Таким образом, ток ILμ индуктивности намагничивания трансформатора Lμ можно условно разделить на переменную составляющую, обеспечивающую перемагничивание магнитопровода, и постоянную составляющую, называемую током подмагничивания I0 и определяемую величиной постоянной составляющей напряжения несимметрии Uср.

Подмагничивание силового трансформатора приводит к перемагничиванию его сердечника по несимметричному циклу (кривая 2), что при достаточном значении тока подмагничивания приводит к насыщению силового трансформатора и неограниченному росту тока первичной обмотки, несмотря на малое значение Вр (рис. 3). В результате этого происходит перегрузка и выход из строя силовых транзисторов инвертора.

Рис. 3. Подмагничивание магнитопровода постоянным током: а) ток первичной обмотки; б) ток намагничивания трансформатора

Известные в настоящее время методы решения проблем подмагничивания силового трансформатора условно можно свести к четырем группам:

  1. Введение обратной связи по потоку рассеяния или току намагничивания силового трансформатора. В этом случае, при увеличении тока подмагничивания, коррекция длительности управляющих импульсов должна производиться в каждом такте управления [4].
  2. Выбор магнитопровода трансформатора с непрямоугольной формой петли намагничивания [3]. При этом следует отметить, что чем больше длина магнитной силовой линии и меньше магнитная проницаемость ферромагнитного материала магнитопровода, тем более силовой трансформатор становится устойчивым к подмагничиванию постоянным током (рис. 2), так как постоянная составляющая индукции (Bo), вызванная током подмагничивания (Io), оказывается значительно меньше диапазона изменения рабочей индукции (Bp).
  3. Введение немагнитного зазора в магнитопровод трансформатора, имеющего мощный размагничивающий эффект, приводящий к сдвигу петли гистерезиса и заметному снижению магнитной проницаемости высокопроницаемых материалов при уменьшении остаточной индукции Br. В связи с этим значительно увеличивается полезный размах индукции [3]. Малые величины зазора фактически не влияют на потери в магнитопроводе, однако оказывают необходимый размагничивающий эффект, исключающий быстрое насыщение магнитопровода при воздействии поля постоянного тока.
  4. Включение разделительного конденсатора в первичную обмотку трансформатора (рис. 5), что приводит к симметрированию положения рабочей петли гистерезиса. В этом случае ток подмагничивания силового трансформатора полностью отсутствует за счет того, что среднее значение тока разделительного конденсатора в установившемся режиме равно нулю.

При сопоставлении данных методов следует отметить следующие особенности их реализации. Первый метод является универсальным, однако на практике он связан со значительными сложностями измерения контролируемых параметров (потока рассеивания и тока подмагничивания). К тому же при значительной несимметрии рост тока через первичную обмотку трансформатора в каждом периоде происходит с большой скоростью, что может привести к ситуации, когда ограничение длительности импульсов не успевает скорректировать несимметрию [4].

Второй метод наиболее простой, но его применение не исключает ток подмагничивания, вследствие чего приходится увеличивать запас рабочей индукции по отношению к индукции насыщения, которая должна включать постоянный уровень Bo, обусловленный током подмагничивания.

Введение немагнитного зазора является эффективным методом борьбы с подмагничиванием магнитопровода и позволяет уменьшить смещение частного цикла петли намагничивания при воздействии значительных несимметрий. Однако в этом случае, как и в предыдущем, полностью устранить ток подмагничивания не удается.

В резонансных схемах наиболее эффективен четвертый метод, который полностью исключает ток подмагничивания трансформатора, благодаря чему удается симметрировать частный цикл петли гистерезиса при воздействии значительных несимметрий и сравнительно малом запасе рабочей индукции.

Моделирование переходного процесса в схеме с немагнитным зазором магнитопровода силового трансформатора

Как уже отмечалось ранее, введение немагнитного зазора в магнитопровод трансформатора уменьшает его эффективную проницаемость [2] и позволяет допускать значительные постоянные составляющие напряжения, воздействующие на первичную обмотку трансформатора, почти всегда работающего в асимметричном режиме.

где μi — начальная проницаемость неразрезанного магнитопровода, lg — общая длина зазора, lc — длина средней линии магнитопровода. Таким образом, изменяя длину зазора, можно получить требуемую эффективную проницаемость магнитопровода определенного размера, в связи с чем, при том же токе подмагничивания вызванная этим током индукция будет гораздо меньше. Это значительно увеличивает полезный размах индукции и повышает устойчивость трансформатора к подмагничиванию.

Аналитический расчет переходного процесса при воздействии несимметрии различных значений на трансформатор с разными значениями μe произвести довольно трудно из-за существенно нелинейного характера выражений, описывающих аппроксимацию петли намагничивания. Поэтому для моделирования переходного процесса работы силового трансформатора в асимметричном режиме был использован программный комплекс Orcad 9.2. Для определения параметров математической PSpice-модели магнитопровода марки 5БДСР с немагнитным зазором 0,9 мм была применена программа PSpiceModelEditor, входящая в состав комплекса. Программа производит экстраполяцию параметров модели по заранее известной форме петли намагничивания. В результате экстраполяции были получены параметры магнитопровода марки 5БДСР, достаточно близкие к реальным.

Параметры математической PSpice-модели магнитопровода 5БДСР:

  • LEVEL = 2 — индекс модели;
  • A = 45037 А/м — параметр формы безгистерезисной кривой намагничивания;
  • AREA = 1,57 см2 — площадь поперечного сечения магнитопровода;
  • C = 1,4905 — постоянная упругого смещения доменных границ;
  • GAP = 0,09 см — ширина воздушного зазора;
  • K = 17371 А/м — постоянная подвижности доменов;
  • MS = 686630 А/м — намагниченность насыщения;
  • PACK = 0,99 — коэффициент заполнения сердечника;
  • PATH = 0,014 м — средняя длина магнитной силовой линии.

Моделирование производилось в условиях непрерывного воздействия несимметричной составляющей напряжения на один из полупериодов переменного напряжения, подаваемого на вход первичной обмотки со следующими параметрами:

  • Uпит = 500 В — амплитуда переменного прямоугольного напряжения;
  • Uср = 50 мВ — величина несимметрии;
  • Lμ = 10 мГн — индуктивность намагничивания трансформатора;
  • Rоб1 = 0,02 Ом — сопротивление первичной обмотки постоянному току;
  • f2 = 10 кГц — резонансная частота колебательного контура, расположенного по вторичной обмотке.

Моделирование воздействия несимметричной составляющей напряжения на силовой трансформатор показало наличие переходного процесса, приводящего к установившейся несимметричной петле намагничивания его магнитопровода (рис. 4в) с постоянной времени, равной

Результаты моделирования приведены на рис. 4 и подтверждают справедливость выражения (1), описывающего величину смещения установившегося частного цикла, и выражения (4), характеризующего динамику переходного процесса.

Рис. 4. а) Переходный процесс индукции трансформатора; б) постоянная составляющая несимметрии Uср; в) установившийся частный цикл петли гистерезиса

Следует отметить, что при введении несимметрии частный цикл петли гистерезиса устанавливается на уровне, определяемом величиной тока подмагничивания. Дальнейший рост тока подмагничивания приводит к смещению частной петли намагничивания и насыщению магнитопровода. Для повышения устойчивости магнитопровода к воздействию тока подмагничивания необходимо увеличение немагнитного зазора магнитопровода, что не всегда возможно из-за возрастания потерь на перемагничивание и значительного роста тока намагничивания трансформатора.

Моделирование переходного процесса в схеме с разделительным конденсатором

Применение разделительного конденсатора в первичной обмотке силового трансформатора (рис. 5) является более эффективным методом борьбы с подмагничиванием, так как позволяет симметрировать положение частного цикла петли намагничивания магнитопровода при воздействии значительно больших несимметрий.

Рис. 5. Электрическая схема замещения силового трансформатора

Ввиду последовательного включения разделительного конденсатора с первичной обмоткой трансформатора постоянная составляющая ее тока отсутствует, то есть ток подмагничивания всегда равен нулю. Однако в этом случае образуется резонансный контур между разделительным конденсатором Ср и индуктивностью намагничивания трансформатора Lμ (рис. 5). При скачке несимметрии и возникает переходный колебательный процесс (рис. 6) на частоте

Рис. 6. Форма тока намагничивания и индукции на периоде колебаний резонансного контура между Ср и Lμ

При возникновении колебаний напряжение на первичной обмотке трансформатора превышает напряжение питания, в результате чего увеличивается рабочая индукция силового трансформатора (рис. 7а). Напряжение на разделительном конденсаторе складывается из двух составляющих (рис. 7б), первая (высокочастотная) обусловлена протеканием приведенного тока колебательного контура, расположенного на вторичной обмотке, а вторая (низкочастотная) обусловлена переходным процессом, образующимся при воздействии Ucp на колебательный контур, расположенный на первичной обмотке. Вторая составляющая определяется произведением тока подмагничивания на величину реактивного сопротивления разделительного конденсатора. Таким образом, с учетом (1)

где Iн* — приведенное значение тока вторичной обмотки, Rн* — приведенное значение сопротивления вторичной обмотки, δ = Rоб1/2Lμ декремент затухания, определяющий длительность переходного процесса Тпп.

Рис. 7. Переходной процесс индукции силового трансформатора при скачке несимметрии с Тпп = 0

Для аналитического описания рабочей индукции магнитопровода необходимо определить напряжение на первичной обмотке трансформатора, которое складывается из напряжения питания и напряжения разделительного конденсатора. Поэтому в выражении для расчета индукции трансформатора также присутствуют две составляющие, обусловленные резонансными контурами, расположенными в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

где Sc — площадь поперечного сечения магнитопровода, δB — величина завышения индукции трансформатора.

Для исключения низкочастотных колебаний, то есть для приведения переходного процесса к апериодическому виду, необходимо, чтобы крутизна фронта возмущения (несимметрии) была больше периода колебаний (Tв = 1/f1). Результаты моделирования, соответствующие данному условию, показаны на рис. 8, отмечено отсутствие перерегулирования рабочей индукции, ее амплитуда не превышает амплитуды в установившемся режиме.

Рис. 8. Переходной процесс индукции силового трансформатора при скачке несимметрии с Тпп = 10 мс а) индукция силового трансформатора; б) величина несимметрии и напряжение на проходной емкости

Индуктивность рассеяния трансформатора

Одним из важных параметров, определяющих качество работы трансформатора, является индуктивность рассеяния его обмоток (Ls). Как известно, магнитный поток трансформатора можно условно разделить на рабочий (основной) поток и поток рассеяния. Первый из этих потоков сцеплен с обеими обмотками, и его путь проходит в основном по магнитопроводу, а второй сцеплен только с одной из обмоток и проходит по воздуху.

Индуктивность рассеяния, как правило, определяется геометрическими размерами и расположением обмоток силового трансформатора. Одним из вариантов расчета Ls является предложенный в [1], согласно которому, Ls, приведенную к виткам, вычисляют по общей формуле

где p — средний периметр витка, g12, g1, g2, — среднегеометрические расстояния сечений обмоток относительно друг друга.

На электрической схеме замещения силового трансформатора индуктивность рассеяния располагается последовательно в первичной и вторичной цепях (рис. 5). При этом если нагрузка представлена высокодобротным колебательным контуром, а индуктивность рассеяния имеет достаточно большую величину, реактивная составляющая напряжения, подаваемого на первичную обмотку трансформатора, может оказаться более активной (рис. 9). В результате происходит завышение рабочей индукции трансформатора на величину δВ.

Рис. 9. Диаграммы работы трансформатора с Ls: а) напряжение на трансформаторе ТХ1 при завышении рабочей индукции; б) рабочая индукция трансформатора

Для получения аналитической интерпретации условия, при котором завышения рабочей индукции не происходит (UpTV<UaTV), необходимо определить составляющие напряжения, передаваемого через трансформатор. Реактивную составляющую напряжения первичной обмотки можно представить так:

Активная составляющая напряжения первичной обмотки будет представлена следующим образом

где Е — напряжение питания.

Учитывая, что при единичном коэффициенте трансформации U = EQ4/π, можно записать условие минимизации рабочей индукции

где Q — добротность колебательного контура, расположенного по вторичной обмотке.

Таким образом, для минимизации рабочей индукции силового трансформатора необходимо и достаточно, чтобы величина индуктивности индуктора Lи была в Q раз больше индуктивности рассеяния первичной обмотки.

Некоторые технологические процессы индукционного нагрева требуют регулирования мощности, передаваемой в нагрузку (нагреваемый объект), что может быть достигнуто путем периодического закорачивания первичной обмотки трансформатора смежными транзисторами инвертора в течение нескольких резонансных периодов. В результате в резонансном контуре возникают свободные затухающие колебания. При этом Ls включается последовательно в резонансный контур. Таким образом, при протекании тока по первичной обмотке, на Ls возникает падение напряжения (рис. 10б), которое приводит к завышению рабочей индукции трансформатора δВ (рис. 10г). Индуктивность рассеяния вторичной обмотки в этом случае можно не учитывать, так как она включена последовательно с индуктивностью индуктора и нагрузки и компенсируется резонансной емкостью, поэтому на завышение габаритной мощности трансформатора не оказывает никакого влияния.

Рис. 10. Диаграммы работы трансформатора с Ls в режиме закорачивания первичной обмотки: а) напряжение первичной обмотки — U10; б) напряжение на Ls1U12; в) ЭДС первичной обмотки — U20; г) индукция согласующего трансформатора

Включение разделительного конденсатора позволяет не только исключить ток подмагничивания трансформатора, но и компенсировать влияние рассеяния первичной обмотки.

При этом величина Ср определяется согласно условию компенсации реактивной составляющей напряжения (ULs1 = U):

При такой компенсации Ls1 превышения рабочей индукции не происходит ни в одном из режимов работы трансформатора. Это повышает технико-эксплуатационные характеристики силового трансформатора и расширяет спектр нагрузок, с которыми может работать преобразователь частоты.

Пусковой режим работы трансформатора на резонансную нагрузку

Пусковой режим должен обеспечивать нормальный переходный процесс и выход рабочей точки петли гистерезиса на симметричный частный цикл в рабочем режиме. Если изначально магнитопровод силового трансформатора был полностью размагничен, при подаче на трансформатор напряжения с частотой резонансного контура центр частного цикла петли намагничивания смещается по основной кривой намагничивания из точки О в точку О1, поэтому рабочая индукция оказывается увеличенной по отношению к своему установившемуся значению в два раза (рис. 11а).

Моделирование переходного процесса при пуске показало, что происходит размагничивание трансформатора (рис. 11б) с постоянной времени τ, определяемой выражением (4). При этом видно, что величина перерегулирования индукции трансформатора достигает удвоенного значения. Для устранения перерегулирования пуск инвертора рекомендуется производить с повышенной частоты, соответственно в два раза превышающей резонансную. По мере размагничивания силового трансформатора частота может быть итерационно приближена к резонансной, при этом величина шага подстройки не должна приводить к превышению рабочей индукции (рис. 11в).

Рис. 11. Переходной процесс при пуске трансформатора: а) первый цикл петли намагничивания; б) процесс размагничивания трансформатора; в) нормальный пуск трансформатора

Заключение

Работа трансформатора в схеме последовательного резонансного инвертора обусловлена рядом особенностей. Прежде всего, это наличие постоянно действующего тока подмагничивания, образующегося из-за несимметрии напряжения, прикладываемого к первичной обмотке трансформатора. Введение немагнитного зазора в магнитопровод трансформатора позволяет существенно повысить устойчивость частного цикла при определенном подмагничивании. При больших несимметриях напряжения инвертора рекомендуется включение разделительного конденсатора в первичную обмотку, что является наиболее универсальным методом, обеспечивающим симметрирование петли намагничивания магнитопровода. Следует отметить, что включение разделительного конденсатора позволяет не только устранить подмагничивание трансформатора, но и компенсировать паразитное влияние индуктивности рассеяния силового трансформатора. Важной особенностью этого метода является образование разделительным конденсатором резонансного контура с индуктивностью намагничивания трансформатора. Поэтому при ступенчатом воздействии на трансформатор напряжения с определенной величиной несимметрии возникают низкочастотные колебания, приводящие к завышению рабочей индукции трансформатора. В статье определено, что для устранения этих колебаний и минимизации рабочей индукции необходимо, чтобы фронт роста несимметрии не превышал постоянную времени колебательного процесса, что является основой для расчета разделительной емкости.

Выявлена зависимость рабочей индукции трансформатора от индуктивности рассеивания его первичной обмотки, показано, что условием завышения индукции трансформатора является превышение реактивной составляющей его напряжения активной.

Литература

  1. Русин Ю. С., Гликман И. Я., Горский А. Н. Электромагнитные элементы радиоэлектронной аппаратуры. Справочник. М.: Радио и связь. 1991.
  2. Ромаш Э. М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь. 1981.
  3. Гусев Б., Овчинников Д. Мостовой преобразователь с удвоителем тока при подмагничивании сердечника трансформатора // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2005. Вып. 5.
  4. Андреев В. В. Несимметричный режим работы силового трансформатора в транзисторном преобразователе. / Сб. статей под ред. Ю. И. Конева. Электронная техника в автоматике. Вып.2. М.: Советское радио. 1971.

Устройство трансформатора | Электротехника

Магнитопровод. Общий вид силового трансформатора изображен на      рис. 2.1, где  1- термометр; 2 – выводы обмотки ВН; 3 –выводы обмотки НН; 4, 6 – пробки для заливки масла; 5 – указатель уровня масла; 7 – расширитель; 8 – магнитопровод; 9 – обмотка НН; 10 – обмотка ВН; 11 – пробка для слива масла; 12 – бак для масла и активной части; 13 – трубы для охлаждения масла. Активную часть трансформатора (магнитопровод и обмотки) погружают в бак, наполненный специальным трансформаторным маслом, которое значительно повышает электрическую прочность изоляции обмоток и хорошо отводит тепловые потери, возникающие в активной части при работе трансформатора.

Магнитопровод изготовляют из горячекатаной или холоднокатаной листовой электротехнической стали. При частоте тока до 150 Гц магнитопровод собирают из листовой стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Часть магнитопровода, на которой размещены обмотки, называется стержнем, а остальная часть, замыкающая магнитопровод, — ярмом. Для уменьшения магнитных потерь магнитопровод делают шихтованным. Сборка листов в этом случае происходит, как показано на рис. 2.2. Вначале листы укладывают по эскизу рис. 2.2, а,в а затем по эскизу рис. 2.2, 6,г и т.д. У трансформаторов малой мощности поперечное сечение магнитопровода имеет квадратную или прямоугольную форму (рис.2.3,а,ь), у трансформаторов средней и большой мощности – ступенчатую (рис.2.3,в,г), которая по форме приближается к окружности; этим  при  заданном сечении  магнитопровода  достигается  меньшая средняя  длина каждого витка обмоток и, следовательно, известная экономия материала.

Обмотки трансформатора. Они чаще всего выполняются в виде цилиндрических катушек из медных или алюминиевых изолированных друг от друга проводов круглого или прямоугольного сечения.

Первичная и вторичная обмотки обычно располагаются на одном стержне       (рис. 2.3а): обмотки  3 низшего напряжения (НН) помещаются ближе к стержню 1, а обмотки 2  высшего напряжения (ВН)снаружи. Между обмотками находится изолирующий цилиндр.  В некоторых случаях для уменьшения индуктивного сопротивления рассеяния обмоток применяют двойные концентрические обмотки (рис. 2.4,б), в которых обмотку НН делят на две части с одинаковым числом витков. С такой же целью применяют чередующиеся обмотки (рис. 2.4,в), в которых обмотки НН и ВН (2 и 3) составляются в симметричные группы 4,5  вдоль стержня.

Номинальная мощность и система охлаждения трансформатора. Под номинальной мощностью трансформатора Sном понимают его полную мощность при номи­нальном напряжении и номинальном токе, т.е.  Sном = U1номI1ном. При  расчетах потерями в трансформаторе обычно пренебрегают и считают, что полная  мощность  во вторичной цепи  равна  полной  мощности первичной цепи, т.е . Номинальная мощность силового трансформатора обычно указывается в его паспорте и выражается в кВ*А. Можно показать, что мощность потерь в трансформаторе, а значит, и его температура нагрева с ростом номинальной мощности растут в большей степени, чем поверхность охлаждения. Поэтому чем больше мощность трансформатора, тем эффективнее должно быть его охлаждение. По способу охлаждения трансформаторы делятся на сухие и масляные. Трансформаторы малой мощности (примерно до 20 кВ-А) изготовляют сухими. Они либо естественно охлаждаются воздухом, либо обдуваются при помощи вентиляторов. Трансформаторы средней и большой мощности выполняются масляными.

В этом случае магнитопровод с обмотками располагают в баке с трансформаторным маслом. Масло помимо отвода тепла предохраняет обмотки трансформатора от соприкосновения с воздухом, что замедляет старение изоляции и увеличивает ее пробивную прочность.

Конструкция силового трансформатора - Обмотки

Обмотки сухого трансформатора 750 кВА

Продолжение из тех. статья: Конструкция силового трансформатора - Сердечник


Конструкция

Обмотки состоят из токоведущих проводов , намотанных вокруг секций сердечника, и они должны быть должным образом изолированы, поддерживаться и охлаждаться, чтобы выдерживать работу и испытания условия.

Термины «обмотка» и «катушка» используются в этом обсуждении как синонимы.Медь и алюминий являются основными материалами, используемыми в качестве проводников в обмотках силовых трансформаторов.

В то время как алюминий на легче и обычно на дешевле , чем медь, необходимо использовать алюминиевый провод большего сечения для пропускания тока с такими же характеристиками, как у меди. Медь имеет более высокую механическую прочность и используется почти исключительно во всех диапазонах размеров, кроме меньших, где алюминиевые проводники могут быть совершенно приемлемыми.

В случаях, когда возникают экстремальные нагрузки, можно использовать такие материалы, как медь, содержащая серебро, для еще большей прочности.

Проводники, используемые в силовых трансформаторах, обычно являются скрученными с прямоугольным поперечным сечением, хотя некоторые трансформаторы с самыми низкими номиналами могут использовать листовые или фольговые проводники. Несколько прядей могут быть намотаны параллельно и соединены вместе на концах обмотки, и в этом случае необходимо переставить пряди в различных точках по всей обмотке, чтобы предотвратить циркулирующие токи вокруг петли (петель), создаваемые соединением прядей на концах. .

Отдельные жилы могут подвергаться различиям в магнитном поле из-за их соответствующего положения в обмотке, что создает различия в напряжениях между жилами и возбуждает циркулирующие токи через проводящие петли.

Рисунок 1. Непрерывно перемещаемый кабель (CTC)

Правильное расположение жил компенсирует эти различия в напряжении и устраняет или значительно снижает циркулирующие токи. Вариант этого метода, включающий множество прядей прямоугольных проводов, объединенных в кабель, называется , непрерывно транспонированный кабель (CTC) , как показано на Рис. 1 .

В трансформаторах с сердечником обмотки обычно располагаются концентрически вокруг стержня сердечника, как показано на рис. , рис. 2 , на котором показано, что обмотка опускается поверх другой обмотки уже на стержне сердечника трехфазного трансформатора.

Схема катушек, размещенных в этом трехфазном приложении, также была показана на Рис. 1 (статья «Конструкция силового трансформатора - сердечник»).

Трансформаторы в форме оболочки используют аналогичное концентрическое расположение или расположение между пластинами, как показано на схеме. Рис. 3 и фотография на Рис. 7 .

Рисунок 2 - Концентрическое расположение, внешняя катушка опускается на стержень сердечника поверх внутренней катушки
Рисунок 3 - Пример штабельного (чередующегося) расположения обмоток в оболочке

При чередующемся расположении отдельные катушки уложены друг на друга, разделенные изоляционные перегородки и охлаждающие каналы. Катушки обычно соединяются с внутренней частью одной катушки, соединенной с внутренней частью соседней катушки, и, аналогично, с внешней стороной одной катушки, соединенной с внешней стороной соседней катушки.Наборы катушек собираются в группы, которые затем образуют первичную или вторичную обмотку.

При рассмотрении концентрических обмоток обычно понимается, что круговые обмотки по своей природе имеют более высокую механическую прочность, чем прямоугольные обмотки, тогда как прямоугольные обмотки могут иметь более низкие затраты на материалы и рабочую силу.

Прямоугольные обмотки позволяют более эффективно использовать пространство, но их использование ограничено малыми силовыми трансформаторами и нижним диапазоном трансформаторов средней мощности, где внутренние силы не очень высоки.По мере увеличения номинала силы значительно увеличиваются, и возникает необходимость в дополнительной прочности обмоток, поэтому используются круглые катушки или конструкция в форме оболочки.

В некоторых особых случаях используются обмотки эллиптической формы.

Концентрические катушки обычно наматываются на цилиндры с прикрепленными прокладками так, чтобы образовать канал между проводниками и цилиндром. Поток жидкости через обмотки может быть основан исключительно на естественной конвекции, или поток можно отчасти контролировать с помощью стратегически расположенных барьеров внутри обмотки.

На рисунках 4 и 5 показаны схемы обмотки, сравнивающие ненаправленный и направленный поток. Эта концепция иногда обозначается как управляемый поток жидкости .

Рисунок 4 - Ненаправленный поток

На протяжении многих лет в силовых трансформаторах использовалось множество различных типов обмоток. Катушки могут быть намотаны в вертикальном положении, вертикальной ориентации , как это необходимо для более крупных и тяжелых катушек; или их можно намотать горизонтально и по завершении поставить вертикально.

Как упоминалось ранее, тип обмотки зависит от мощности трансформатора, а также от конструкции сердечника. Ниже описаны некоторые из наиболее распространенных типов обмоток.

Рисунок 5 - Направленный поток

Блинные обмотки

Несколько типов обмоток обычно называют обмотками « блинов » из-за расположения проводников в виде дисков. Однако этот термин чаще всего относится к типу катушки, которая используется почти исключительно в трансформаторах в форме оболочки .

Проводники намотаны вокруг прямоугольной формы, причем самая широкая поверхность проводника ориентирована либо горизонтально, либо вертикально. На рисунке 6 показано, как обычно наматываются эти катушки. Этот тип обмотки подходит для рассмотренной ранее схемы с чередованием ( , рис. 7, ).

Рисунок 6 - Блинная обмотка во время процесса намотки
Рисунок 7 - Сгруппированные блинные обмотки

Слоистые (цилиндрические) обмотки

Слоистые (цилиндрические) обмотки являются одними из самых простых, поскольку изолированные проводники наматываются непосредственно рядом друг друга вокруг цилиндра и проставок.

Несколько слоев могут быть намотаны друг на друга, при этом слои могут быть разделены твердой изоляцией, воздуховодами или их комбинацией. Несколько жил можно намотать параллельно, если этого требует величина тока.

Варианты этой обмотки часто используются для таких применений, как обмотки ответвлений, используемых в трансформаторах с переключением ответвлений нагрузки (LTC) и для третичных обмоток, используемых, среди прочего, для подавления третьей гармоники.

На рисунке 8 показана многослойная обмотка во время сборки, которая будет использоваться в качестве регулирующей обмотки в трансформаторе LTC.

Рисунок 8 - Многослойная обмотка (однослойная с двумя параллельными нитями)

Спиральная обмотка

Спиральная обмотка также называется винтовой или спиральной обмоткой, причем каждый термин точно характеризует конструкцию катушки.

Спиральная обмотка состоит из нескольких или более 100 изолированных жил, намотанных параллельно, непрерывно по длине цилиндра, с прокладками, вставленными между соседними витками или дисками, и подходящими транспозициями, включенными для минимизации циркулирующих токов между параллельными нитями.

Рисунок 9 - Спиральная обмотка во время сборки

Конструкция такова, что катушка напоминает штопор. Рисунок 9 показывает спиральную намотку во время процесса намотки. Спиральные обмотки используются для более высоких токов, часто встречающихся в низковольтных классах.


Дисковые обмотки

Дисковая обмотка может включать в себя одинарных нитей или нескольких нитей изолированных проводников, намотанных серией параллельных дисков горизонтальной ориентации, с дисками, соединенными либо внутри, либо снаружи как точка пересечения.Каждый диск состоит из нескольких витков, намотанных на другие витки, причем кроссоверы попеременно находятся внутри и снаружи.

Рисунок 10 - Базовая схема обмотки диска
Рисунок 11 - Внутренний и внешний кроссоверы обмотки диска

На рисунке 10 представлена ​​основная концепция, а на Рисунок 11 показаны типичные кроссоверы во время процесса намотки.

Большинство обмоток класса 25 кВ и выше, используемых в трансформаторах с сердечником, являются дисковыми. Учитывая высокие напряжения, возникающие при испытании и эксплуатации, необходимо уделять особое внимание тому, чтобы избежать высоких напряжений между дисками и витками около конца обмотки, когда они подвергаются переходным скачкам напряжения.

Было разработано множество методов для обеспечения приемлемого распределения напряжения по обмотке в этих условиях.

Ссылка: Electric Power Transformer Engineering, опубликовано 16 мая 2012 г. издательством CRC Press // глава «Силовые трансформаторы», автором которой являются H.J. Sim и S.H. Digby (получите эту книгу в CRC Press)

Конфигурации обмотки | Трансформеры | Учебник по электронике

Трансформаторы с несколькими вторичными обмотками

Трансформаторы - очень универсальные устройства.Базовая концепция передачи энергии между взаимными индукторами достаточно полезна между одной первичной и одной вторичной обмотками, но трансформаторы не обязательно должны быть сделаны с двумя наборами обмоток. Рассмотрим схему трансформатора:

Трансформатор с несколькими вторичными обмотками обеспечивает несколько выходных напряжений.

Здесь три катушки индуктивности имеют общий магнитный сердечник, магнитно «связывая» или «связывая» их вместе.Связь между коэффициентами витков обмотки и отношениями напряжений, наблюдаемая с одной парой взаимных индукторов, все еще сохраняется здесь для нескольких пар катушек.

Вполне возможно собрать трансформатор, подобный приведенному выше (одна первичная обмотка, две вторичные обмотки), в котором одна вторичная обмотка является понижающей, а другая - повышающей.

На самом деле, такая конструкция трансформатора была довольно распространена в схемах питания электронных ламп, которые требовались для подачи низкого напряжения на нити ламп (обычно 6 или 12 вольт) и высокого напряжения для пластин ламп (несколько сотен вольт). от номинального первичного напряжения 110 вольт переменного тока.

С таким трансформатором возможны не только напряжения и токи совершенно разных величин, но все цепи электрически изолированы друг от друга.

Фотография многообмоточного трансформатора с шестью обмотками, первичной и пятью вторичными обмотками.

Трансформатор на рисунке выше предназначен для обеспечения как высокого, так и низкого напряжения, необходимого в электронной системе с использованием электронных ламп.Низкое напряжение требуется для питания нитей вакуумных трубок, в то время как высокое напряжение требуется для создания разности потенциалов между пластиной и катодными элементами каждой трубки.

Одного трансформатора с несколькими обмотками достаточно, чтобы обеспечить все необходимые уровни напряжения от одного источника 115 В. Провода для этого трансформатора (их 15!) На фотографии не показаны, они скрыты от глаз.

Если электрическая изоляция между вторичными цепями не имеет большого значения, аналогичный эффект может быть получен путем «постукивания» одной вторичной обмотки в нескольких точках по ее длине, как показано на рисунке ниже.

Вторичная обмотка с одним ответвлением обеспечивает несколько напряжений.

Многополюсный коммутирующий трансформатор

Ответвитель - это не что иное, как соединение проводов, сделанное в некоторой точке обмотки между концами. Неудивительно, что соотношение витков обмотки / величины напряжения обычного трансформатора сохраняется для всех сегментов обмотки с ответвлениями. Этот факт можно использовать для производства трансформатора с несколькими передаточными числами:

Вторичная обмотка с ответвлениями, использующая переключатель для выбора одного из многих возможных напряжений.

Переменный трансформатор

Продолжая концепцию отводов обмотки, мы получаем «регулируемый трансформатор», в котором скользящий контакт перемещается по длине открытой вторичной обмотки и может соединяться с ней в любой точке по ее длине. Эффект эквивалентен наличию отвода обмотки на каждом витке обмотки и переключателя с полюсами на каждом положении отвода:

Скользящий контакт на вторичной обмотке непрерывно изменяет вторичное напряжение.

Одним из потребительских применений переменного трансформатора является регулирование скорости для модельных поездов, особенно поездов 1950-х и 1960-х годов. Эти трансформаторы были по существу понижающими блоками, причем максимальное напряжение, получаемое от вторичной обмотки, было существенно меньше, чем первичное напряжение от 110 до 120 вольт переменного тока.

Контакт с регулируемой разверткой обеспечивает простое средство управления напряжением с небольшими потерями энергии, намного более эффективное, чем управление с помощью переменного резистора!

Подвижно-скользящие контакты слишком непрактичны для использования в крупных промышленных силовых трансформаторах, но многополюсные переключатели и отводы обмотки являются обычным явлением для регулировки напряжения.В энергосистемах необходимо периодически производить регулировку, чтобы приспособиться к изменениям нагрузки в течение месяцев или лет во времени, и эти схемы переключения обеспечивают удобное средство.

Обычно такие «переключатели ответвлений» не предназначены для работы с током полной нагрузки, а должны срабатывать только тогда, когда трансформатор обесточен (отсутствует питание).

Автотрансформатор

Учитывая, как мы можем отвести любую обмотку трансформатора, чтобы получить эквивалент нескольких обмоток (хотя и с потерей гальванической развязки между ними), имеет смысл полностью отказаться от гальванической развязки и построить трансформатор из одной обмотки.Действительно, это возможно, и получившееся устройство называется автотрансформатором :

.

Этот автотрансформатор повышает напряжение с помощью одинарной ответвленной обмотки, экономя медь и жертвуя изоляцией.

Автотрансформатор, изображенный выше, выполняет функцию повышения напряжения. Понижающий автотрансформатор будет выглядеть примерно так, как показано на рисунке ниже.

Этот автотрансформатор понижает напряжение с помощью одной обмотки с ответвлениями, экономящей медь.

Автотрансформаторы

находят широкое применение в приложениях, требующих небольшого повышения или понижения напряжения на нагрузке.

Альтернативой обычному (изолированному) трансформатору может быть либо правильное соотношение первичной / вторичной обмоток, предназначенное для работы, либо использование понижающей конфигурации с вторичной обмоткой, подключенной последовательно («повышающая») или последовательно. -противоположная мода.

Первичное, вторичное напряжение и напряжение нагрузки приведены для иллюстрации того, как это будет работать.

Конфигурации автотрансформатора

Во-первых, «повышающая» конфигурация. На рисунке ниже полярность вторичной катушки ориентирована так, что ее напряжение напрямую складывается с первичным напряжением.

Обычный трансформатор, подключенный как автотрансформатор для повышения сетевого напряжения.

Далее, «раскладывающаяся» конфигурация. На рисунке ниже полярность вторичной катушки ориентирована так, что ее напряжение напрямую вычитается из первичного напряжения:

Обычный трансформатор, подключенный как автотрансформатор для понижения напряжения в сети.

Основным преимуществом автотрансформатора является то, что та же функция повышения или понижения достигается только с одной обмоткой, что делает его более дешевым и легким в производстве, чем обычный (изолирующий) трансформатор, имеющий как первичную, так и вторичную обмотки.

Автотрансформатор с вариатором

Как и у обычных трансформаторов, обмотки автотрансформатора могут иметь ответвления для изменения коэффициента передачи. Кроме того, их можно сделать бесступенчато регулируемыми с помощью скользящего контакта, чтобы постучать по обмотке в любой точке по ее длине.

Последняя конфигурация достаточно популярна, чтобы заслужить собственное имя: Variac . (рисунок ниже)

Вариак - автотрансформатор со скользящим ответвлением.

Маленькие вариаторы для настольного использования - это популярное оборудование для экспериментаторов в области электроники. Они могут понижать (а иногда и повышать) напряжение переменного тока в домашних условиях с широким и точным диапазоном регулировки простым поворотом ручки.

ОБЗОР:

  • Трансформаторы могут быть оснащены более чем одной парой первичной и одной вторичной обмоток. Это позволяет использовать несколько коэффициентов повышения и / или понижения в одном устройстве.
  • Обмотки трансформатора
  • также можно «отводить»: то есть пересекаться во многих точках для разделения одной обмотки на секции.
  • Переменные трансформаторы могут быть изготовлены с помощью подвижного плеча, который перемещается по длине обмотки, контактируя с обмоткой в ​​любой точке по ее длине.Обмотка, конечно же, должна быть оголенной (без изоляции) в области движения плеча.
  • Автотрансформатор - это одинарная катушка индуктивности с ответвлениями, используемая для повышения или понижения напряжения, как трансформатор, за исключением гальванической развязки.
  • A Variac - это регулируемый автотрансформатор.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Производство катушек трансформатора и сердечников трансформатора

Каждый трансформатор Waukesha ® имеет конструкцию сердечника.Наши силовые трансформаторы средней и большой мощности имеют медные обмотки круглой формы и имеют непрерывную дисковую и / или спиральную конструкцию. Это помогает обеспечить качество и надежность всей внутренней структуры трансформатора.

ТРАНСФОРМАТОР ОБМОТКА КАТУШКИ

Медный и легированный серебром медный магнитный провод или медный кабель с непрерывным транспонированием используется в качестве проводников обмотки на всех силовых трансформаторах Waukesha ® . Медный кабель с непрерывным транспонированием используется для минимизации потерь и температур горячих точек, а также для создания более компактной обмотки с улучшенными характеристиками короткого замыкания.

Все обмотки круглого, концентрического типа и обеспечивают максимальную стойкость к сквозным замыканиям. В обмотках высокого и низкого напряжения используются сплошные дисковые или спиральные обмотки. Эта конструкция обеспечивает максимальную прочность и устойчивость к коротким замыканиям, повышенную предсказуемость и более низкие температуры горячих точек при нагрузке и перегрузке.

Многожильные сплошные дисковые и спиральные обмотки перемещены по всей обмотке, чтобы минимизировать потери циркулирующего тока.Современные методы проектирования используются для обеспечения максимальной импульсной прочности обмоток и сведения к минимуму напряжений. Особое внимание при проектировании уделяется концевым дискам линии для управления распределением напряжения.

Методы балансировки

ампер-виток используются для минимизации радиального потока утечки и для минимизации сил осевого короткого замыкания. Чтобы гарантировать характеристики короткого замыкания, обмотки производятся с соблюдением строгих проектных допусков на электрическую высоту обмотки катушки, расположение отводов и расположение распределительных секций.

Охлаждающие каналы образованы между дисками в непрерывно-дисковых и спиральных обмотках с помощью радиальных прокладок с шпонками, изготовленных из специальной изоляции из плотного картона. Эти прокладки выровнены в колонну, чтобы обеспечить осевую поддержку обмоток и высокую стойкость к короткому замыканию.

Все обмотки производятся в чистой намоточной среде. Эта изолированная «фабрика на фабрике» находится под контролем влажности и температуры 24 часа в сутки с контролируемым доступом для минимизации загрязнения.

КОНСТРУКЦИЯ ЯДРА ТРАНСФОРМАТОРА

Во всех трансформаторах Waukesha ® используется конструкция сердечника. Сердечники изготавливаются из холоднокатаной кремнистой стали с ориентированной зернистой структурой и холоднокатаной кремнистой стали с высокой степенью проницаемости с доменным измельчением марки «H» (в некоторых областях применения используется сталь марки «M»). Отжиг всей стержневой стали после продольной резки обеспечивает оптимальные характеристики потерь.

В конструкции сердечника

используется многоступенчатое круглое поперечное сечение с полностью скошенными стыками.Листы, нарезанные по длине на специальных высокоскоростных автоматических ножницах с компьютерным управлением с высокой точностью размеров, обеспечивают плотное прилегание стыков с минимальными зазорами, чтобы минимизировать потери в сердечнике, ток возбуждения и уровни шума.

Изоляция сердечника от корпуса и заземление только в одной точке предотвращает накопление статических зарядов. Заземление в одной точке также устраняет циркулирующие токи и связанное с ними образование горючего газа. Ремень заземления выводится в удобное место рядом с отверстием для доступа на крышке или через втулку на крышке резервуара, чтобы облегчить испытание изоляции жилы.

После укладки двухкомпонентной эпоксидной смолы, чтобы связать стержни сердечника вместе, затем устанавливают бандаж для образования жесткой конструкции. Прочные стальные концевые рамы обеспечивают полную структуру сердечника с высокой механической прочностью, чтобы выдерживать большие нагрузки во время транспортировки или в условиях короткого замыкания без деформации сердечника или обмоток.

СЕРДЕЧНИК ТРАНСФОРМАТОРА И КАТУШКА ТРАНСФОРМАТОРА В СБОРЕ - СОСТАВЛЕНИЕ ИХ ВМЕСТЕ

После того, как сердечники соединены вместе и поставлены вертикально, а катушки намотаны, обработаны, спрессованы и измерены, самое время собрать их вместе в процессе, называемом «посадка катушек».На каждую ветвь или ветвь сердечника будет помещено от 2 до 5 обмоток, после чего весь сердечник и катушка в сборе проходят тщательную очистку и тщательный осмотр перед тем, как перейти к операции прессования, которая способствует окончательной сборке сердечника. .

После того, как сборка находится под давлением, она очищается и снова проверяется, а затем проходит процесс, называемый верхним ярмом, при котором сталь верхнего ярма прикрепляется к конечностям с очень жесткими допусками, чтобы гарантировать отсутствие проблем с потерями в сердечнике на испытательном полу.По завершении верхнего ярма агрегат «втягивается». Эта процедура «втягивания» включает в себя затягивание зажимов сердечника на стали, затягивание лент ярма и добавление всей дополнительной изоляции, необходимой в конструкции. Точные, предварительно рассчитанные методы зажима узла сердечника и катушки вместе обеспечивают положительное зажимное давление на катушки в каждой точке и обеспечивают максимальную защиту от сквозных коротких замыканий, независимо от того, насколько сухим может стать трансформатор во время эксплуатации.

Предварительно собранные конструкции с планками и выводами (деревянные рамы с изолированным кабелем и, часто, с установленным на них переключателем ответвлений без напряжения) теперь прикрепляются к сборке.Все соединения обжимаются и наматываются в соответствии с техническими условиями, причем каждый обжим подписывается оператором для целей аудита качества; Особое внимание уделяется при наматывании гофр, чтобы свести к минимуму диэлектрические напряжения. После того, как все соединения выполнены, сборка снова регулируется и снова испытывается, проверяется, а затем переводится в паровую фазу.

Силовые трансформаторы

  • Изучив этот раздел, вы сможете описать:
  • • Отводы.
  • • Силовые трансформаторы с многослойным и тороидальным сердечником.
  • • Изоляция.
  • • Автотрансформаторы.
  • • Импульсные трансформаторы питания.
  • • Неисправности трансформатора.

Рис. 11.3.1 Силовой трансформатор с ламинированным сердечником.

Силовые трансформаторы с ламинированным сердечником

Задача силового трансформатора в электронной системе состоит в том, чтобы обеспечить эту систему несколькими источниками переменного тока различных напряжений и подходящих значений тока от высокого напряжения электроснабжения общего пользования.Кроме того, может потребоваться электрическая изоляция между электронной схемой и внешним источником питания общего пользования. Типичная конструкция силового трансформатора с многослойным сердечником показана на рис. 11.3.1.

Сердечник из тонкой стальной пластинки E и I используется для уменьшения воздействия вихревых токов. Они зажимаются вместе, и первичная и вторичная обмотки намотаны на каркас, расположенный вокруг центрального плеча сердечника. Обмотки могут быть разделены, как показано, или, часто, для большей эффективности, намотаны концентрически слоями (первичная, вторичная, первичная, вторичная и т. Д.).Трансформаторы часто изготавливаются специально для конкретного приложения или оборудования, в котором они используются. Поэтому для правильной идентификации обмоток может потребоваться ссылка на данные производителя.

Рис. 11.3.2 Принципиальная схема силового трансформатора


с ответвлениями.

Отводы.

Чтобы трансформаторы могли подавать ряд вторичных напряжений в различные части цепи, силовые трансформаторы обычно имеют "ответвленные обмотки". То есть обмотки разделяются на различные секции с использованием ряда соединений, выведенных из одной обмотки, каждое из которых имеет определенное количество витков вдоль обмотки, как показано на схематической диаграмме символов Рис.3.2 ниже.

Это обеспечивает выбор различных соотношений витков между первичной и вторичной обмотками, что позволяет использовать разные входные напряжения и получить диапазон разных выходных напряжений.

При использовании обмотки с центральным отводом, например 9В 0В 9В, может быть обеспечен сбалансированный источник питания, дающий два равных напряжения (9В) противоположной полярности, или один источник питания 18В.

Тороидальные силовые трансформаторы

Рис. 11.3.3 Тороидальный силовой трансформатор

Популярная конструкция силовых трансформаторов основана на тороидальном сердечнике, показанном на рис. 11.3.3, (Тороид - это просто сердечник в форме ореха). Такая конструкция обеспечивает отличную связь между первичной и вторичной обмотками, поскольку обе катушки намотаны друг на друга вокруг одного и того же сердечника, а не отдельных обмоток, используемых на сердечниках трансформатора E-I. Потери на вихревые токи в тороидальном сердечнике поддерживаются на низком уровне за счет изготовления сердечника из спиральной полосы из стали с ориентированной зернистостью или литья сердечника из материала сердечника феррита с высокой проницаемостью. Конструкция тороидального трансформатора, хотя обычно более дорогая, чем типы с многослойным стальным сердечником E-I-образной формы, тороидальный сердечник обеспечивает меньший и более легкий трансформатор, чем для данной номинальной мощности, вместе с более высоким КПД и меньшей утечкой магнитного поля вокруг трансформатора.

Изоляция.

Одним из преимуществ трансформаторов (кроме автотрансформаторов) является отсутствие электрического соединения между входной цепью, подключенной к первичной обмотке, и выходной цепью, соединенной с вторичной обмоткой; поэтому их можно использовать для гальванической развязки двух цепей.

Изолирующие трансформаторы

используются для обеспечения большей безопасности пользователей электрического оборудования, такого как наружные электроинструменты, и технических специалистов, обслуживающих оборудование, где возможно прикосновение к токоведущим проводам и компонентам, путем обеспечения входных и выходных клемм, которые электрически изолированы от главная цепь.

Большие разделительные трансформаторы обычно способны выдерживать выходную мощность около 250-500 ВА (вольт-амперы) без перегрузки. Их первичная обмотка подключена непосредственно к источнику питания, и для обеспечения выходного напряжения сети (или линии) их соотношение витков составляет 1: 1, как показано на рис. 11.3.4. Они также имеют заземленный металлический экран между первичной и вторичной обмотками для предотвращения прохождения переменного тока электростатическим (емкостным), а также индуктивной связи между двумя обмотками.

Рис. 11.3.4 Разделительный трансформатор сети.

Использование изолирующего трансформатора значительно снижает риск поражения электрическим током человека, одновременно касающегося токоведущего проводника и земли, поскольку вторичная цепь не имеет заземления и, следовательно, не имеет непрерывной цепи для протекания тока. Изолирующий трансформатор НЕ защищает от поражения электрическим током при прикосновении к фазе и нейтрали одновременно.

Изолирующие трансформаторы гораздо меньшего размера используются в оборудовании для передачи голоса и данных, таком как факсимильные аппараты и модемы, где их задачей является безопасная изоляция оборудования, которое в условиях неисправности может допускать наличие высокого напряжения на их интерфейсе с телефонной системой общего пользования.Они также используются для согласования импеданса входов и выходов оборудования с полными сопротивлениями телефонных линий.

Рис. 11.3.5 Принципиальная схема Автотрансформатора


.

Автотрансформаторы.

Это трансформатор особого типа, имеющий только одну обмотку. Он часто используется для преобразования между различными сетевыми (линейными) напряжениями, что позволяет использовать электрическое оборудование во всем мире. Одиночная непрерывная обмотка разделена на несколько «ответвлений», как показано на рис.11.3.5 для получения различных напряжений. Соответствующее количество витков обеспечивается между каждым ответвлением для создания необходимого напряжения на основе соотношения витков между полной обмоткой и ответвлением. Полезный метод расчета неизвестных напряжений на автотрансформаторе, если известно количество витков на различных ответвлениях, заключается в использовании метода вольт на виток, описанного на странице «Основные операции трансформатора». В отличие от обычного трансформатора с первичной и вторичной обмотками, автотрансформатор не обеспечивает развязки между входом и выходом.

Автотрансформаторы

также используются для обеспечения очень высоких напряжений, необходимых для таких приложений, как автомобильные системы зажигания и приводы электронно-лучевых трубок в ЭЛТ-телевизорах и мониторах.

Часть имени «Авто» в данном случае не означает «автоматический», но имеет значение «Один - действует самостоятельно», как в auto nomous.

Импульсные трансформаторы питания

Трансформаторы с многослойным сердечником в настоящее время менее распространены из-за использования импульсных источников питания (SMPS).Эти схемы работают на гораздо более высоких частотах, чем более старые источники питания 50-60 Гц. Помимо большей эффективности, SMPS имеют то преимущество, что многие компоненты в цепи источника питания могут быть физически намного меньше и легче, включая трансформатор. В трансформаторах SMPS, работающих на частоте около 500 кГц, как в примере на рис. 11.3.6 в телевизионном приемнике, вместо ламинированных сердечников используется феррит, поскольку потери в феррите на высоких частотах намного меньше, чем в ламинированных сердечниках. Сигналы, обрабатываемые трансформаторами в SMPS, помимо того, что являются высокочастотными, обычно имеют прямоугольную форму.Из-за этого они будут содержать много гармоник на еще более высоких частотах. Это создает проблему из-за «скин-эффекта»; высокочастотные токи, протекающие по проводам, имеют тенденцию течь только по внешней обшивке проводов, что усложняет обычные вычисления площади поперечного сечения проводов. Поскольку эффективная площадь поперечного сечения изменяется в зависимости от частоты, соответственно изменяется и эффективная индуктивность обмотки. Кроме того, компоновка компонентов по отношению к трансформаторам SMPS требует тщательного проектирования, поскольку электромагнитные помехи на высоких частотах выше.

Рис. 11.3.6 Импульсный источник питания Трансформатор


.

Неисправности трансформатора

Трансформаторы обычно отличаются высокой надежностью; их очень высокий КПД означает, что в нормальных условиях небольшая мощность рассеивается в виде тепла (во многих компонентах это главный убийца!). Как и в случае с любым другим электронным устройством, наименее надежными являются те, которые обрабатывают наибольшую мощность, поэтому силовые трансформаторы, особенно те, которые работают с высоким напряжением, более подвержены пробоям, чем трансформаторы других типов.

Перегрев, вызванный внутренней неисправностью или перегрузкой, может привести к опасным ситуациям, даже к полному «расплавлению». По этой причине многие силовые трансформаторы могут быть оснащены плавким предохранителем или автоматическим выключателем. В маловероятном случае выхода этого устройства из строя первичная обмотка обычно оказывается разомкнутой. Часто бывает трудно или невозможно удалить и / или отремонтировать предохранитель, который находится глубоко внутри обмоток. Это также очень вероятно неразумно, поскольку трансформатор перегреется по одной из двух возможных причин:

  • 1.Трансформатор был серьезно перегружен в течение длительного времени; в этом случае могло произойти внутреннее повреждение изоляции. Самый безопасный вариант - заменить трансформатор.
  • 2. В трансформаторе произошло внутреннее короткое замыкание. Это означает, что нарушена изоляция между двумя витками обмотки. В результате получается обмотка с одним витком. Коэффициент трансформации сейчас огромен! Представьте трансформатор с 1000 витками на первичной обмотке и 100 витками на вторичной обмотке, имеющей короткое замыкание на вторичной обмотке.Передаточное число только что изменилось с 10: 1 до 1000: 1! Результат - очень низкое вторичное напряжение, но огромный ток. В этом случае опять же единственное решение - замена.

Единственная неисправность, с которой я лично сталкивался и регулярно встречался за 26 лет обслуживания электроники, - это пробой изоляции на трансформаторах очень высокого напряжения; тип, используемый для генерации нескольких тысяч вольт в телевизионных приемниках. Большинство из этих неисправностей произошло летом в субботу днем, причина? Люди, возвращающиеся из отпуска, часто делали это в субботу днем, а телевизор не использовался в течение недели или более.За это время влага проникла в обмотки трансформатора, и когда снова было приложено высокое напряжение, возникла дуга, и трансформатор сразу же замкнул виток.

При любой неисправности, в которой подозревается трансформатор (любого типа), вероятность того, что он является виновником, очень низка в списке вероятностей.

Базовые силовые трансформаторы

Льюис Лофлин

В этом разделе мы рассмотрим широкий круг тем, связанных с трансформаторами.Это будет ограничиваться в основном силовыми трансформаторами, их работой и способами их использования / тестирования. Я предполагаю, что у читателя есть базовые знания о постоянном токе и законе Ома, а также основы магнетизма. Если необходимо рассмотреть эти темы, см. Следующее:

На схеме выше базовый трансформатор состоит как минимум из двух катушек с проволокой, намотанной на железный сердечник. Пульсирующее магнитное поле, создаваемое в первичной обмотке переменным током, индуцирует напряжение во вторичной обмотке, когда расширяющееся и сжимающееся магнитное поле первичной обмотки пересекает вторичную обмотку.Выходное напряжение вторичной обмотки пропорционально входному напряжению и отношению первичных обмоток (количества витков) к вторичным обмоткам.


Рисунок 1 Основные типы трансформаторов.

На рисунке 1 выше показан основной электрический символ трансформатора. Базовый трансформатор состоит как минимум из двух катушек с проволокой, намотанной на железный сердечник. Хотя есть много вариантов, перечисленных выше:

T1: разделительный трансформатор «один к одному». Напряжение на входе такое же, как на выходе.Они используются для изоляции «горячей» стороны линии электропередачи от пользователя на вторичной стороне. Фактически, за исключением автотрансформаторов, это свойство всех трансформаторов - электрическая изоляция между первичной и вторичной обмотками.

T2: базовый понижающий трансформатор. Количество обмоток в первичной обмотке больше, чем количество обмоток во вторичной обмотке, что дает более низкое выходное напряжение, чем входное. Понижающее напряжение основано на соотношении первичных обмоток и вторичных обмоток.

T3: базовый повышающий трансформатор. Количество обмоток в первичной обмотке меньше, чем во вторичной. Повышающее напряжение основано на соотношении первичных обмоток и вторичных обмоток.

T4: трансформатор с центральным отводом вторичной обмотки. Напряжение, измеренное от центрального отвода к любому концу, должно быть одинаковым.

T5: трансформатор с отводом по центру первичной и вторичной обмоток.

T6: понижающий трансформатор с центральным отводом вторичной обмотки.Так устроен обычный «полюсный трансформатор», питающий дом.

T7: трансформатор с несколькими вторичными обмотками. Отдельные обмотки могут иметь любую комбинацию повышающей или понижающей.


Рисунок 2

Напряжение и ток в силовых трансформаторах

На рисунке показан теоретический трансформатор с входным напряжением 120 В переменного тока и выходным напряжением 20 В переменного тока на один ампер (I). Допустим, резистор R1 составляет 20 Ом. Какой ток будет протекать через предохранитель F1? В данном случае соотношение обмоток 120: 20 = 6: 1.

Для решения подобных проблем я использую формулу «мощность равна выходной мощности». (Я расскажу о потерях в ближайшее время.) Во вторичном резисторе R1 составляет 20 Ом (R) и 20 В (E), поэтому E / R = I; 20/20 = 1 ампер. Мощность = E * I = 20 * 1 = 20 Вт. Итак, в этой задаче вторичный потребляет 20 Вт, поэтому первичный должен обеспечивать 20 Вт. В приведенном выше примере 1 ампер протекает через амперметр 2.

В первичной обмотке мы знаем, что входное напряжение (E) составляет 120 вольт, а подаваемая мощность (P) - 20 ватт.Чтобы найти ток (I), мы используем формулу P / E = 20/120 = 0,167 ампер или 167 мА. Это также ток через амперметр 1 и предохранитель, поэтому для безопасности мы должны использовать предохранитель не более стандартного предохранителя на 1/4 ампера.

Это, кажется, сбивает с толку многих студентов, потому что такой небольшой ток при гораздо более высоком напряжении может быть таким же уровнем мощности, как и большой ток при низком напряжении. Мы говорим о мощности как о произведении тока и напряжения, а не только о напряжении или токе.


Трансформатор с многослойным сердечником, показывающий
кромок пластин в верхней части рисунка.

Является ли первичный источник питания всего лишь 20 Вт для передачи 20 Вт на нагрузку? Нет, скорее всего 23 Вт. В самом трансформаторе есть потери, по крайней мере, несколько ватт в этой простой схеме. Существует три основных типа потерь мощности в трансформаторах:

Гистерезис: сопротивление изменению магнитных полей в магнитном материале. Другими словами, железный сердечник трансформатора противостоит изменению магнитных полей, вызванному переменным током. Молекулы железа сопротивляются изгибу, вызванному магнитным полем, выделяющим отходящее тепло.

Вихревые токи: небольшой ток, индуцированный в железном сердечнике трансформатора. Сердечник трансформатора часто состоит не из прочного железа / стали, а из ламинированных листов, соединенных вместе. Я не буду вдаваться в подробности о нескольких других типах магнитных потерь.

Потери в меди: нагрев, вызванный сопротивлением медной проволоки в обмотках. Этот термин применяется независимо от того, сделаны ли обмотки из меди или другого проводника, например алюминия. Поэтому часто предпочитают термин «потери в обмотке».

Потери меди возникают в результате джоулева нагрева, поэтому их также называют «квадратичными потерями R» в соответствии с Первым законом Джоуля. Это означает, что энергия, теряемая каждую секунду, или мощность, увеличивается пропорционально квадрату тока через обмотки и пропорционально электрическому сопротивлению проводников.

Потери в меди = I * I * R, где I - ток, протекающий в проводнике, а R - сопротивление проводника. Если I в амперах, а R в омах, расчетная потеря мощности выражается в ваттах.

Чем больше ток в проводе, тем выше потери из-за тепла. Кроме того, сопротивление медной проволоки (и большинства металлов) увеличивается с температурой. Используя рисунок 2 в качестве примера с одним ампером, мы действительно имеем потери в проводе, но тот же провод при двух амперах будет производить в четыре раза больше потерь (в виде тепла), чем на один ампер!

Сопротивление меди напрямую зависит от диаметра (калибра) провода и его длины. Например, провод AWG 28 имеет сопротивление 64.9 Ом на 1000 футов провода и диаметром 0,013 дюйма. AWG 12 имеет сопротивление 1,588 Ом на 1000 футов и диаметр провода 0,081 дюйма. Он используется в домашней проводке и может выдерживать 41 ампер, в то время как AWG 28 может выдерживать только 1,4 ампера.

Примечание: чем выше номер AWG, тем тоньше провод. Другими словами, AWG 28 может проводить ток, достаточный для безопасной работы лампочки мощностью 150 Вт, в то время как AWG 12 может проводить ток для безопасной работы большой микроволновой печи или электрического обогревателя на 3600 Вт.

Глядя на наш трансформатор выше на рисунке 2, мы имеем первичный ток 0,167 ампер и вторичный ток 1 ампер. Очевидно, что мы можем использовать провод меньшего диаметра в первичной обмотке, чем во вторичной. При проектировании трансформатора калибры проводов, используемых в первичной и вторичной обмотках, часто бывают как можно более тонкими, чтобы снизить стоимость при пропускании указанного тока. Но более тонкий провод имеет большее сопротивление, чем более толстый. Это необходимо учитывать при выборе трансформатора.

Давайте поспорим, наш трансформатор на рисунке 2 измеряет 50 Ом в первичной обмотке и 2 Ом во вторичной. Сколько мощности будет потеряно из-за потери меди?

Для первичного: I * I * R = 0,167 * 0,167 * 50 = 1,39 Вт.

Для вторичной обмотки: I * I * R = 1 * 1 * 2 = 2 Вт.

Суммарные потери в ваттах из-за потерь в меди = 3,39 Вт плюс около 2 Вт различных магнитных потерь. С трансформатором на 20 Вт это значительные потери - почти 22%. Использование проволоки большего сечения (по более высокой цене) для уменьшения этого нагрева жизненно важно.В действительности хороший трансформатор часто имеет КПД более 95%.

Подводя итог, калибр провода напрямую связан с допустимой нагрузкой по току. Напряжение зависит от качества электрической изоляции. Мощность - это произведение напряжения и тока. Если мы передаем мощность с более высоким напряжением, но с меньшим током, мы можем доставить мощность по более низкой цене, используя провод меньшего сечения. Давайте рассмотрим это более подробно.

В заключение, эти показания могут быть неточными как таковые. Трансформаторы - это индуктивные устройства, в которых индуктивное реактивное сопротивление искажает показания переменного тока.


Трансформаторы для питания дома

Без использования трансформаторов современная электроэнергия была бы невозможна или намного дороже. Здесь я рассмотрю современный дом и то, как используются трансформаторы. (Приведенные ниже примеры могут не соответствовать местным кодам и являются только примерами.)

Опять же, мощность - это произведение напряжения и тока. (E * I) Современное домашнее электроснабжение составляет 200 ампер при 240 вольт. (Взгляните на домашнюю коробку выключателя.) При использовании воздушной линии для проводки от погодозависимой головки, где энергокомпания подключается к дому, до самой коробки выключателя часто используется провод AWG 00.

Если медь, то она может выдерживать 283 ампер свободного воздуха, достаточно для работы на 200 ампер. Но это очень дорогой провод диаметром 0,365 дюйма и весом 403 фунта на 1000 футов. Миля этого провода будет весить более одной тонны, и это всего лишь для одной сети на 200 ампер в одном доме. Алюминиевый провод дешевле, но он должен быть большего диаметра, чтобы пропускать ток, равный медному. Стоимость здесь с обоими будет непомерно высокой.

Решение - использование трансформаторов. Когда вырабатывается энергия, напряжение повышается до передаваемого напряжения до 400 000 вольт на большие расстояния.Можно использовать провод гораздо меньшего диаметра (а значит, и более дешевый и легкий) для подачи питания на местную подстанцию. Здесь высокое напряжение понижается до напряжения распределения 7200 вольт в домах и на предприятиях.

На рисунке выше показан типичный однофазный полюсный трансформатор. В верхней части полюса находится напряжение распределения 7200 вольт, а используемое выходное напряжение - 240 вольт. Дом на 200 ампер может потреблять 48 000 ВА (E * I) или 48 кВА. Трансформатор на 150 кВА может обслуживать три дома или легко подавать 600 ампер на три дома.Это будут очень короткие отрезки провода по трем разным токопроводящим путям.

Даже 1000 футов AWG 00 ​​имеют 0,0799 Ом, таким образом, скажем, 100 футов при 200 А приведут к небольшим потерям мощности. Скорее всего, для такого короткого пробега они будут использовать, скажем, AWG 10 при 1,2 Ом на 1000 футов. 1000 футов AWG 10 весит около 30 фунтов.

Обратите внимание на то, что на картинке выше провод более высокого напряжения в верхней части полюса тоньше, чем вторичная сторона, идущая к трем домам. Провода какого калибра я могу использовать для передачи 7200 вольт для питания полюсного трансформатора? Чтобы обеспечить 150 кВА при 7200 вольт, верхние проводники должны выдерживать около 21 ампер.Это могло быть выполнено с помощью AWG 14 диаметром 0,064 дюйма с сопротивлением 2,5 Ом на 1000 футов. Общий вес 1000 футов проволоки составляет менее 13 фунтов. (Я предполагаю за вычетом веса изоляции.) Таким образом, из 150 000 ватт мы потеряем около 52 ватт из-за потерь в меди на 1000 футов провода.

Наконец, трансформатор имеет коэффициент трансформации 7200: 240 = 30: 1.

Основы трансформаторов | EC&M

Повышая и понижая уровни напряжения, трансформаторы делают энергосистемы универсальными

Когда в конце 1800-х годов переменный ток (AC) преобладал над постоянным (DC), одним из решающих факторов была необходимость повышать и понижать уровни напряжения во всей энергосистеме, чтобы сделать систему эффективной и безопасной.Нет простого способа изменить уровни постоянного напряжения. Благодаря изменяющемуся во времени магнитному полю система переменного тока позволяет использовать трансформатор для изменения уровней напряжения по мере необходимости.

Как работают трансформаторы.

Базовый трансформатор состоит из двух наборов катушек или обмоток. Каждый набор обмоток представляет собой просто индуктор. Напряжение переменного тока подается на одну из обмоток, называемую первичной обмоткой. Другая обмотка, называемая вторичной обмоткой, расположена в непосредственной близости от первичной обмотки, но электрически изолирована от нее.

Переменный ток, протекающий через первичную обмотку, создает изменяющийся во времени магнитный поток, часть которого соединяется со вторичной обмоткой и индуцирует на ней напряжение. Величина этого напряжения пропорциональна отношению числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки. Это известно как «коэффициент поворота».

Чтобы максимизировать потокосцепление с вторичной цепью, часто используется железный сердечник, обеспечивающий путь с низким сопротивлением для магнитного потока.Полярность обмоток описывает направление, в котором катушки были намотаны на сердечник. Полярность определяет, является ли поток, создаваемый одной обмоткой, аддитивным или вычитающим по отношению к потоку, создаваемому другой обмоткой. Базовый двухобмоточный трансформатор показан на рисунке выше.

Трансформаторы трехфазные.

Базовый трехфазный трансформатор состоит из трех наборов первичных обмоток, по одному на каждую фазу, и трех наборов вторичных обмоток, намотанных на один и тот же железный сердечник.Можно использовать отдельные однофазные трансформаторы и подключать их внешне для получения тех же результатов, что и у трехфазного блока.

Первичные обмотки подключаются одним из нескольких способов. Две наиболее распространенные конфигурации - это треугольник, в котором полярный конец одной обмотки соединен с неполярным концом следующей, и звезда, в которой все три неполярных (или полярных) конца соединены вместе. Аналогично подключаются вторичные обмотки. Это означает, что у трехфазного трансформатора первичная и вторичная обмотки могут быть подключены одинаково (треугольник-треугольник или звезда-звезда) или по-разному (треугольник-звезда или звезда-треугольник).Важно помнить, что формы сигналов вторичного напряжения совпадают по фазе с формами сигналов первичной обмотки, когда первичная и вторичная обмотки подключены одинаково. Это состояние называется «отсутствие фазового сдвига». Но когда первичная и вторичная обмотки подключены по-разному, формы сигналов вторичного напряжения будут отличаться от соответствующих форм сигналов первичного напряжения на 30 электрических градусов. Это называется фазовым сдвигом 30 °. Когда два трансформатора соединены параллельно, их фазовые сдвиги должны быть одинаковыми; в противном случае при подаче напряжения на трансформаторы произойдет короткое замыкание.

Автотрансформаторы.

Автотрансформатор - это трансформатор с электрическим соединением между первичной и вторичной обмотками. Автотрансформаторы имеют значительно большую мощность МВА на фунт железа сердечника и проводника обмотки, чем стандартные силовые трансформаторы, но ограничиваются малым числом витков - в идеале 2: 1.

Несмотря на то, что конструкции разных трансформаторов сильно различаются, их основная работа остается неизменной.

Трансформаторы специальные.

Трансформаторы могут иметь более двух обмоток на фазу. Эти конструкции помогают снизить уровни тока короткого замыкания. Другие трансформаторы были созданы для работы при относительно низких напряжениях, но чрезвычайно высоких токах. Трансформаторы дуговых печей попадают в эту категорию и могут иметь номинальный вторичный ток свыше 150 000 А. Регулирующие трансформаторы предназначены для поддержания вторичного напряжения в определенных пределах при колебаниях первичного напряжения. Трансформаторы также могут быть сконструированы для сдвига фазы на определенную величину для управления потоком реальной мощности в сетевой системе.

ТРАНСФОРМАТОРЫ

ТРАНСФОРМАТОРЫ

Идентификация обмоток силового трансформатора


Нет ничего необычного в том, что тот, кто восстанавливает старинное ламповое оборудование, имеет несколько силовых трансформаторов, которые были сняты с какого-то старого радио или другое оборудование, лежащее поблизости. Из-за расходов и наличие новых силовых трансформаторов, хотелось бы выделить обмотки и напряжения этих запасных частей, чтобы их можно было использовать повторно.
Если цветовая кодировка на выводах все еще читаема, то вам нужно только см. таблицу ниже, чтобы определить обмотки.Но часто цвет кодирование на выводах этих трансформаторов исчезло до такой степени, что сложно или невозможно прочитать цветовой код и узнать, какая обмотка который.
Используя описанные здесь процедуры, вы сможете идентифицировать обмотки, поэтому в следующий раз, когда вы обнаружите трансформатор в наборе, вы собирается восстанавливать неисправен, возможно, один из этих запасных трансформаторов квалифицировать как заменяющий блок.
Ниже представлена ​​схема типичного силового трансформатора. У этого есть первичный обмотка, три витка накала с центральным отводом и один обмотка высокого напряжения.Как видите, тринадцать лидов выходят из этот трансформатор. На схеме указан цветовой код выводов для каждого обмотка.
Определение различных обмоток
На трансформаторе, цветовой код которого выцветает до такой степени, что нечитаемо, вот метод определения различных обмоток. Омметр это тестовый инструмент, который мы используем для этого. Как видно из диаграмме, каждая обмотка будет иметь непрерывность от одного вывода обмотки до другой, но между обмотками не должно быть непрерывности.Также каждый комплект обмоток будет иметь значение сопротивления, определяемое количеством витков и размер провода. Таким образом, мы можем использовать омметр, чтобы определить, какие провода иметь непрерывность и использовать показания сопротивления, чтобы определить, какая обмотка первичная обмотка, нить накала и высокое напряжение и т. д.
Для начала установите омметр на шкалу, которая дает наименьшее значение сопротивления, и откалибруйте прибор так, чтобы при закорочении измерительных проводов прибор показывал ноль Ом. Используется самая низкая шкала отсчета, так как обмотки будут иметь очень низкую низкое сопротивление за исключением высоковольтной обмотки.Теперь выберите один из подключите провода трансформатора и прикрепите к этому проводу один измерительный провод измерителя. С участием другой вывод измерителя, начните проверку других выводов обмотки трансформатора.
Когда вы найдете другой вывод тестируемой обмотки, омметр покажет показать преемственность. Запишите показания сопротивления. С первым отведением все еще прикреплены, проверьте все остальные выводы, чтобы увидеть, есть ли у других преемственность с первым отведением. Если да, запишите и это чтение. Если три вывода имеют непрерывность, тогда эта обмотка имеет центральный отвод.Отметьте эти отведений как проверяемых, и переходите к проверке других отведений в том же образом, отмечая показания сопротивления. После проверки всех лидов и По этим показаниям можно определить, какие обмотки какие. Поскольку у высоковольтной обмотки больше всего витков провода, она будет иметь высшее чтение; обмотки накала имеют только несколько витков большего провода и будут иметь очень низкие показания, а первичная обмотка будет иметь сопротивление где-то между. Лид, не имеющий преемственности ни с одним другим лидом. указывает на открытую обмотку.Обмотка с центральным отводом даст сопротивление показания между центральным отводом и внешними обмотками примерно равны половина сопротивления двух внешних обмоток, однако, на нити накала обмотки сопротивление может быть настолько низким, что может быть трудно определить центральный отвод от внешних выводов. Мы сможем определить, какой центральный кран, когда мы снимаем показания напряжения, как описано ниже.
В таблице ниже показаны типичные показания трансформатора с первичной высоковольтный, выпрямитель на 5 В и 6.Обмотки накаливания 3 В.
Обмотка Сопротивление
Первичная 4-8 Ом
Высокое напряжение 200-400 Ом
Два центральных ответвителя H-V Половинное сопротивление провода
5-вольтовый выпрямитель менее 1 Ом
6,3 В нить накала менее 1 Ом

Примечание: Это приблизительные значения сопротивления.Показания могут отличаться на несколько Ом от одного трансформатора к другому. Идея не в том, чтобы беспокоиться о точное сопротивление обмоток, но для определения различных обмоток по разница в сопротивлении обмоток. (См. Сопротивление показания на схематической диаграмме выше для сопротивлений фактического трансформатор)

Определение вторичного напряжения
При выполнении следующей процедуры необходимо соблюдать осторожность, поскольку существует опасное напряжение. присутствует на обмотках трансформатора при входном напряжении применяемый.

Теперь, когда мы определили различные обмотки, при каком напряжении трансформатор производить? Чтобы определить напряжения, мы должны подать напряжение на первичный и измерьте вторичные напряжения. Мы могли бы подать 120 В переменного тока первичной и приступаем к измерению вторичных обмоток, однако наш предыдущий показания сопротивления говорят нам, что обмотки имеют непрерывность, но это По этим показаниям трудно определить, закорочены ли витки обмотки. Подача полного входного напряжения может привести к катастрофе в виде дыма. трансформатор.Лучше всего использовать вариак (регулируемый автотрансформатор). что позволит нам изменять входное напряжение трансформатора и напряжение повышается медленно (см. примечание ниже).
Подключите сетевой шнур к первичной обмотке трансформатора (обязательно заизолируйте соединения, чтобы избежать случайного удара). Изолировать открытые концы всех вторичных обмоток, кроме одной, чтобы они не закорачивались вместе или связаться с вами. Для этого подойдут гайки электрика, или используйте электроизоляционная лента.Подключите вольтметр переменного тока к выводам вторичной обмотки, которую необходимо протестировано (в целях безопасности используйте измерительные провода с изолированными зажимами вместо щупов; это позволяет вашим рукам оставаться свободными от проводов). Если вторичное существо мера - обмотка накала, установите вольтметр на шкале, которая покажет 10 до 12 вольт переменного тока. Подключите первичную обмотку трансформатора к Variac (убедитесь, что напряжение установлено на ноль), а затем отрегулируйте Variac, чтобы медленно увеличивать первичное напряжение (некоторые вариаки имеют встроенный вольтметр для контроля выходного напряжение, если у вас нет, подключите для этого второй вольтметр).Обратите внимание чтение на вторичной обмотке. Если он не начинает расти как вход повышается напряжение, трансформатор может иметь короткое замыкание обмоток и не следует использовать. Если показания счетчика увеличиваются, увеличьте напряжение. к нормальному входному напряжению (115-120 В переменного тока) и запишите вторичные показания. А обмотка накала должна обеспечивать одно из типичных напряжений накала (1,5, 2,5, 5,0, 6,3 и т. Д.). При намотке нити с центральным отводом это будет затруднительно. чтобы определить, какой из выводов является центральным, по показаниям сопротивления, так как эти значения очень низкие.Если вы проверяете обмотку накала центральным метчиком вы можете сказать две внешние обмотки, поскольку они дадут самое высокое напряжение показания, при этом центральный отвод дает половину значения напряжения двух внешних обмотки.
Пример: Обмотка 5 В с центральным отводом покажет 5 В переменного тока между внешние обмотки и 2,5 В от центрального отвода к каждой внешней обмотке (так как трансформатор, который мы тестируем, не находится под нагрузкой, показания напряжения могут быть немного выше, чем если бы трансформатор находился в реальной эксплуатации условия).
После снятия этого показания проверьте другие вторичные обмотки того же стараясь снизить входное напряжение до нуля перед каждым измерение. Убедитесь, что все оголенные концы обмоток, кроме одного измеряются, изолированы. Будьте очень осторожны при измерении h-v обмотки, поскольку напряжение может достигать 800 В переменного тока. Предлагается, чтобы вы Измерьте расстояние между центральным отводом и каждой внешней обмоткой. При выполнении при этом вы будете измерять только половину высокого напряжения.Убедитесь и установите вольтметр на соответствующей шкале, чтобы считать это более высокое напряжение. Оба измерения от центрального отвода до каждой внешней обмотки должны давать одинаковые чтение в пределах нескольких вольт. Если напряжения совсем другие, это может означать что одна сторона обмотки h-v имеет несколько закороченных витков.
Теперь, когда вы идентифицировали обмотки, пометьте каждую из них и поместите трансформатор в наличии для следующего комплекта, которому нужен новый.
Типичные значения напряжения см. На схеме трансформатора выше.

Примечание: Автотрансформатор не обеспечивает изоляцию от линии переменного тока. По соображениям безопасности рекомендуется использовать изолирующий трансформатор 1: 1. используется вместе с автотрансформатором.

Запасной размер
При замене силового трансформатора необходимо учитывать мощность возможности обращения с заменяемым блоком. Одно практическое правило: если физический размер ядра заменяемых единиц такой же или больше, чем у оригинала, это, вероятно, сработает.Однако настоящее испытание будет заключаться в том, если вторичный напряжение соответствует техническим характеристикам, и агрегат не нагревается, когда в условиях эксплуатации. Трансформатор не должен быть таким теплым, чтобы вы не может держать его за руку после того, как он проработал 20-30 минут.
RMA (Ассоциация производителей радиооборудования)
Стандартное питание Код цвета выводов трансформатора
Обмотка Цветовой код
Первичная Обе черные, если без резьбы,
, если с резьбой, другая обмотка может быть Красный
Первичный ответвитель (опция) Черный / желтый
Высоковольтный вторичный Красный
Высоковольтный центральный ответвитель Красный / желтый
No.1 Вторичная нить накала (выпрямитель 5 В) Желтая
Центральная нить накала № 1 Желтый / черный (см. Примечание)
Вторичная нить накала № 2 Зеленая
№ 2 Вторичный элемент с нитью для центрального отвода Зеленый / желтый
Вторичный элемент с нитью № 3 Коричневый
Вторичный элемент с нитью № 3 с центральным отводом Коричневый / желтый
No.4 Вторичный элемент с нитью Сланец
Вторичный элемент с нитью № 4 Центральный отвод Сланец / желтый

Примечание: Количество витков накала может меняться, а может и не совпадать. с центральным нажатием. Обмотки с центральным отводом, центральный отвод будет нести того же цвета, что и обмотка, плюс желтый индикатор. Исключение составляет пятивольтовый обмотка выпрямителя, где центральный отвод будет нести индикатор другого цвета, например как черный или синий.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *