Что такое трансформатор?

Классификация трансформаторов по схемным параметрам

Среди множества особенностей трансформаторов можно выделить параметры, характеризующие их применение и назначение в электрической схеме или схему самого трансформатора. Поэтому выделим несколько характеризующих трансформаторы факторы: схемное назначение и схема трансформатора.

1. Классификация трансформаторов по схемному назначению позволяет определить функции, которые он выполняет в конкретной схеме, и соответственно можно выделить три группы:

— силовые трансформаторы предназначены для питания переменным током различные звенья и узлы аппаратуры, поэтому силовые трансформаторы иногда называют трансформаторами питания ТП. Данная группа является наиболее распространённой и составляет до 70 % всех трансформаторов. Они находят широкое применение для питания самых различных нагрузок: электродвигатели, бытовые приборы, различные усилители, выпрямители, осветительные и нагревательные приборы.

Силовой трансформатор ТП-60.

— согласующие трансформаторы служат для согласования входных и выходных сопротивлений различных узлов электронной схемы и находят широкое применение в радиоприёмной, радиопередающей и усилительной технике. Их можно разделить на несколько типов в зависимости от места расположения в схеме: входные, промежуточные и выходные.

Трансформатор согласующий RCF TD507.

— импульсные трансформаторы используют для передачи импульсов напряжения и тока между отдельными участками электрической схемы. Особенностью данных трансформаторов является то, что они позволяют пропускать через себя импульсы различной длительности – от микросекундных до наносекундных. Форма импульса чаще всего прямоугольная, но возможно и любая другая: треугольная, пилообразная, колоколообразная и другие.

Трансформатор импульсный.

2. Кроме схемного назначения трансформаторы классифицируются по схеме трансформатора и позволяет выделить следующие типы:

— однообмоточный трансформатор, называемый автотрансформатором. Он характеризуется тем, что между первичной (входной) и вторичной (выходной) обмотками существует магнитная и электрическая связь. Первичная и вторичная обмотки определяются отводами от общей обмотки.

Обозначение автотрансформатора.

— двухобмоточный трансворматор, в отличие от однообмоточного имеет две электрически не связанных обмотки. Данный тип трансформатора является базовым и ри теоретическом анализе является базовым и электрические параметры первичной обмотки связаны однозначными соотношениями с электрическими парамтерами вторичной обмотки.

Обозначение двухобмоточного трансформатора.

— многообмоточные трансформаторы имеют несколько электрически не связанных вторичных обмоток, число которых доходит до десяти, но чаще всего четыре-пять. В данном типе трансформатора ток первичной обмотки определяется множеством соотношений с током вторичных обмоток. Данный тип трансформатора является наиболее распространённым.

Обозначение многообмоточного трансформатора (две вторичные обмотки).

Как устроены силовые трансформаторы

Ключевой узел каждого устройства – магнитопровод (сердечник) с двумя и более обмотками. Его изготавливают из стали с высокой магнитной проницаемостью. Он обладает способностью быстро намагничиваться даже в слабых магнитных полях и быстро размагничиваться при отсутствии магнитного поля. Сердечник изготавливают из тонких листов металла таким образом, чтобы стержни были вписаны в окружность.

Обмотки силового трансформатора производят из меди или алюминия. Каждый виток в обмотке изолирован от магнитопровода и других витков обмотки. Между основными элементами так называемой активной части трансформаторов, а именно обмотками, магнитопроводом и другими конструкционными элементами, специально оставляют пространство, чтобы охлаждающая жидкость (масло) могла циркулировать и тем самым отводить тепло от обмоток и магнитопровода. Электрический ток подается на первичную обмотку, а после его преобразования в трансформаторе с вторичной обмотки снимается вторичный ток, отличающийся от первичного на коэффициент трансформации, который зависит от соотношения количества витков в первичной и вторичной обмотках (рис. 1).

Рис. 1. Устройство силового трансформатора: 1 – первичная обмотка с числом витков w₁; 2 – вторичная обмотка с числом витков w₂; 3 – стержень магнитопровода; 4, 5 – ярмо магнитопровода

Основные элементы конструкции силовых трансформаторов

1. Для электрического присоединения обмоток высокого (ВН), среднего (СН) или низкого (НН) напряжения к соответствующим устройствам электрической сети (генераторам, двигателям, линиям электропередач и так далее) на трансформаторах устанавливаются вводы различного типа и конструкционного исполнения. Так, например, вводы на стороне ВН имеют высокое номинальное напряжение, а вводы на стороне НН рассчитаны на высокие номинальные токи, что непосредственно влияет на их конструкцию и размеры.

2. Для регулирования напряжения и, соответственно, тока на первичной и вторичной обмотках трансформатора путем изменения коэффициента трансформации за счет электрического соединения различного количества витков обмоток применяются два типа переключателей. Один из них производит переключение, т.е. регулирование, под нагрузкой (РПН), а другой производит переключение без нагрузки и без напряжения (ПБВ), что означает переключение без возбуждения

Оба типа переключателей, как правило, устанавливаются в обмотках ВН, так как они имеют меньшие значения номинального тока, что особенно важно для РПН из-за необходимости гашения возникающей при переключении дуги меньшей энергии, чем если бы это было на стороне НН.

3. На масляных трансформаторах большой мощности устанавливается масляная система охлаждения. Масляное охлаждение бывает:

• естественное;
• естественное с дутьем;
• принудительное – с направленным движением масла;
• принудительное с дутьем;
• принудительное масляно-водяное.

Дополнительное навесное оборудование

Дополнительное навесное оборудование совершенствует работу силовых трансформаторов (рис. 2). К нему относятся:

1) защита, отключающая трансформатор или подающая оповещающие сигналы, – газовое реле. Принцип действия газового реле для защиты трансформатора основан на контроле давления газа. Реле врезают в маслопровод трансформатора между баком и расширителем. В случае резкого повышения температуры, которое может возникнуть, например, из-за электрического разряда внутри бака трансформатора, начинает разлагаться масло, отчего внутри трансформатора образуется газ. Разогретые газы стремятся попасть в расширитель устройства, проходя через корпус реле;

2) система защиты от повышения давления охладителя, которая работает автоматически;

3) индикаторы температуры – измеряют температуру масла в маслонаполненном оборудовании;

4) прибор, измеряющий уровень масла;

5) система фильтрации и сушки масла;

6) влагопоглотители конденсата, образующегося под крышкой трансформатора, препятствуют его попаданию в масло.

Рис. 2. Дополнительные функции управления, мониторинга и диагностики трансформаторов, применяемые в производстве силовых трансформаторов «Группы СВЭЛ»

Классификация по видам

Силовые

Силовой трансформатор переменного электротока — это прибор, использующийся в целях трансформирования электроэнергии в подводящих сетях и электроустановках значительной мощности.

Необходимость в силовых установках объясняется серьезным различием рабочих напряжений магистральных линий электропередач и городских сетей, приходящих к конечным потребителям, требующимся для функционирования работающих от электроэнергии машин и механизмов.

Автотрансформаторы

Устройство и принцип работы трансформатора в таком исполнении подразумевает прямое сопряжение первичной и вторичной обмоток, благодаря этому одновременно обеспечивается их электромагнитный и электрический контакт. Обмотки устройств имеют не менее трех выводов, отличающихся своим напряжением.

Основным достоинством этих приборов следует назвать хороший КПД, потому как преобразуется далеко не вся мощность — это значимо для малых расхождениях напряжений ввода и вывода. Минус — неизолированность цепей трансформатора (отсутсвтие разделения) между собой.

Трансформаторы тока

Данным термином принято обозначать прибор, запитанный непосредственно от поставщика электроэнергии, применяющийся в целях понижения первичного электротока до подходящих значений для использующихся в измеряющих и защитных цепях, сигнализации, связи.

Первичная обмотка трансформаторов электротока, устройство которых предусматривает отсутствие гальванических связей, подключается к цепи с подлежащим определению переменным электротоком, а электроизмерительные средства подсоединяются к вторичной обмотке. Текущий по ней электроток примерно соответствует току первичной обмотки, поделенному на коэффициент трансформирования.

Трансформаторы напряжения

Назначение этих приборов — снижение напряжения в измеряющих цепях, автоматики и релейной защиты. Такие защитные и электроизмерительные цепи в устройствах различного назначения отделены от цепей высокого напряжения.

Импульсные

Данные виды трансформаторов необходимы для изменения коротких по времени видеоимпульсов, как правило, имеющих повторение в определенном периоде со значительной скважностью, с приведенным к минимуму изменением их формы. Цель использования — перенос ортогонального электроимпульса с наиболее крутым срезом и фронтом, неизменным показателем амплитуды. Главным требованием, предъявляющимся к приборам данного типа, является отсутствие искажений при переносе формы преобразованных импульсов напряжения

Действие на вход напряжения какой-либо формы обуславливает получение на выходе импульса напряжения идентичной формы, но, вероятно, с другим диапазоном либо измененной полярностью

Главным требованием, предъявляющимся к приборам данного типа, является отсутствие искажений при переносе формы преобразованных импульсов напряжения. Действие на вход напряжения какой-либо формы обуславливает получение на выходе импульса напряжения идентичной формы, но, вероятно, с другим диапазоном либо измененной полярностью.

Разделительные

Что такое трансформатор разделительный становится понятно исходя из самого определения — это прибор с первичной обмоткой, не связанной электрически (т.е. разделенной) с вторичными.

Существует два типа таких устройств:

Силовые применяются с целью улучшения надежности электросетей при непредвиденном синхронном соединении с землей и токоведущими частями, либо элементами нетоковедущими, оказавшимися из-за нарушения изоляции под напряжением.

Сигнальные применяются в целях обеспечения гальванической развязки электроцепей.

Согласующие

Как работает трансформатор данного вида также понятно из его названия. Согласующими называются приборы, применяющиеся с целью согласования между собой сопротивления отдельных элементов электросхем с приведенным к минимуму изменением формы сигнала. Также устройства такого типа используются для исключения гальванических взаимодействий между отдельными частями схем.

Пик-трансформаторы

Принцип действия пик-трансформаторов базируется на преобразование характера напряжения, от входного синусоидального в импульсное. Полярность после перехода изменяется по прошествии половины периода.

Сдвоенный дроссель

Его азначение, устройство и принцип действия, как трансформатора, абсолютно идентичны приборам с парой подобных обмоток, которые, в данном случае, абсолютно одинаковы, намотанны встречно или согласованно.

Также часто можно встретить такое наименование данного устройства, как встречный индуктивный фильтр. Это говорит о сфере применения прибора – входная фильтрация напряжения в блоках питания, звуковой технике, цифровых приборах.

Современные трансформаторы: на что менять «антиквариат»?

По мнению заместителя начальника ОМ и ВЭС Анатолия Бредгауэра (на фото), отказ от фарфоровой и масляной изоляции в пользу литой изоляции очевиден: такие изделия обладают меньшими габаритами, более высокими экологичностью, надежностью и длительным сроком эксплуатации.

– Первоначально на нашем предприятии изготавливались измерительные трансформаторы тока класса напряжения 6‑10 кВ, в последующем были освоены измерительные трансформаторы напряжения того же класса, – рассказал господин Бредгауэр. – Эти изделия до сегодняшнего дня успешно эксплуатируются в составе распределительных устройств внутренней установки. Потребность в трансформаторах с литой изоляцией постоянно увеличивается.

Неоспорима и экологичность литой изоляции: требования к охране окружающей среды становятся нормой при возведении как новых энергообъектов, так и при реконструкции существующих. В связи с этим появилась потребность в трансформаторах наружной установки, которые не оказывают отрицательного воздействия на окружающую среду, но в то же время надежны в эксплуатации.

По словам Анатолия Ивановича, имея огромный опыт применения эпоксидных смол в качестве главной изоляции и на базе существующей технологии, с применением новых материалов и современных технологий, в последние десятилетия специалисты СЗТТ разработали и поставили на серийное производство трансформаторы на класс напряжения до 110 кВ климатического исполнения УХЛ1.

Бредгауэр остановился на этих изделиях подробнее.

– ТОЛ-35 УХЛ1 – замена масляному трансформатору тока ТФЗМ-35, – отметил он. – Отказ от масляных выключателей c заменой их на вакуумные потребовал применения пожаробезопасных трансформаторов (которые идут в паре с выключателем). Совместно с эксплуатирующими организациями и производителями РУ-35 были разработаны и изготовлены трансформаторы для различных типов РУ-35. Как видно, изделия, имея примерно равные характеристики, отличаются по высоте, присоединительными и установочными размерами. Это позволяет потребителю выбрать изделие, которое он может установить с минимальными затратами.

ТОЛ-110 – первый в мире опорный измерительный трансформатор тока с литой изоляцией на класс напряжения 110 кВ. Взамен трансформаторам с масляной и элегазовой изоляцией. В настоящее время проходит опытно-промышленную эксплуатацию на одном из промышленных предприятий Свердловской области. Стоит отметить, что потребности в таких трансформаторах огромны.

ТВ- (35, 110, 220, 330) IX – трансформатор класса точности 0,2S, устанавливаемый на вводе силового трансформатора. Изделие характеризуется простотой установки, небольшими габаритами, минимальным временем установки. В комплект поставки входят крепежные изделия и руководство по монтажу.

Критериями выбора служат, во-первых, надежное и без­аварийное электроснабжение объекта, корректный учет и минимальные затраты на обслуживание и ремонт – первоочередные составляющие при выборе комплектующих (в том числе и трансформаторов тока и напряжения). Во-вторых, немаловажную роль при комплектовании составляет и цена, но лучше руководствоваться определением «цена – качество». В-третьих, следует помнить об экологичности – влиянии на окружающую среду выбранного оборудования как в процессе эксплуатации, обслуживания, так и при замене и последующей утилизации вышедшего из строя изделия. В-четвертых, важен срок эксплуатации выбранного оборудования (гарантийный срок, межповерочный интервал, отзывы об опыте эксплуатации). В-пятых, как ни странно, важен потребительский дизайн.

– Например: на подстанции 110 кВ трансформаторы тока находятся в эксплуатации более двадцати пяти лет, мы их меняем, – сказал Бредгауэр. – Количество вторичных обмоток – до пяти. Класс точности – 0,2S коммерческий учет. Межповерочный интервал мы устанавливаем восемь лет. Трансформатор масляный – ежегодно берем пробу масла на анализ. При необходимости производим замену или доливку, производим противопожарные мероприятия. Трансформатор с элегазовой изоляцией – проводим контроль давления элегаза, контроль утечки элегаза, при необходимости выводим в ремонт. Трансформатор с литой изоляцией – внешний осмотр, и все. В данном случае очевидны минимальные эксплутационные расходы, экологичность. Выбор можно сделать в пользу трансформатора с литой изоляцией.

Заменив масляный трансформатор на литой, мы сможем отказаться от приямка для слива масла. А при необходимости вообще установить КТП в здании, тем самым освободить территорию во дворе дома или школы.

Устройство трансформатора

Рис. 1 Электромагнитная схема трансформатора однофазного в режиме работы.

Первичная и вторичная обмотка

Трансформатор имеет две обмотки:

• первичную (I) — к которой мы подводим электрическую энергию;
• вторичную (II) — к которой мы прикрепляем электроприемник.

Может быть высокого (в.н.) и низкого (н.н.) напряжения

В случае когда вторичное напряжение менее первичного, трансформатор понижающий преобразует электроэнергию с 380 В до 220 В, если происходит наоборот, тогда трансформатор повышающий.

Давайте подробнее разберём, что делает и как устроен трансформатор, изображённый на рисунке 1.

Классификация трансформаторов по конструктивным параметрам

Конструктивные параметры трансформаторы определяют особенности его сердечника и обмоток. Можно выделить несколько признаков, которые характеризуют различные конструктивные особенности.

1. Тип конструкции. Один из важнейших конструктивных признаков, определяющий тип конструкции трансформатора. Определяющим фактором здесь является тип сердечника, который можно определить, как:

— броневой сердечник, имеет три стержня, причём центральный стержень шире крайних и на нём располагаются обмотки трансформатора, а боковые служат только для протекания магнитного потока;

— стержневой сердечник, имеет два стержня одинаковой ширины и обмотки располагают на них равномерно;

— тороидальный сердечник, выполнен в виде тороида прямоугольного или (реже) круглого сечения и обмотки распределены равномерно по всему сердечнику.

В соответствии с типом сердечника трансформаторы также имеют следующие наименования: броневой, стержневой и тороидальный трансформаторы соответственно. Каждый тип имеет свои особенности, которые необходимо учитывать при конструировании трансформатора.

Типы сердечников трансформаторов: броневой, стержневой и тороидальный.

2. Вид сердечника. Данный признак характеризует технологию изготовления сердечников трансформаторов. Можно выделить следующие категории:

— шихтованные сердечники или наборные. Шихтованием называется сборка сердечника трансформатора из штампованных пластин той или иной конфигурации. Конфигурация штампованных пластин соответственно бывает: Ш-образная, П-образная, Е-образная и О-образная. Однако вследствие не технологичности штамповки пластин для трансформаторов больших мощностей используют другой тип сердечника;

Шихтованные (штампованные) сердечники.

— ленточные сердечники. Сердечники такого типа формируются из гнутых отрезков ленты, либо навиваются на станках. В зависимости от принципа сборки трансформатора бывают замкнутые, разъёмные и разрезные. Конструктивно ленточные сердечники отличаются от шихтованных только наличием скруглённых углов;

Ленточные сердечники.

— прессованные сердечники. В соответствии с названием, такие сердечники изготавливают прессованием из порошковых материалов, причем, как половинок сердечника, так и его цельный вариант. Необходимость в прессованных сердечниках возникла в связи с необходимостью использования ферритовых порошковых материалов в качестве магнитопроводов соответствующих конструкций. Так как прессование возможно задать практически любую форму, то и формы сердечников выпускаются очень многих конфигураций.

Прессованные ферритовые сердечники.

3. Способы охлаждения. Данные признаки определяют способ отвода тепла от работающего трансформатора:

— трансформаторы с естественным охлаждением;

— трансформаторы с принудительным обдувом потоком воздуха;

— трансформаторы с жидкостным охлаждением;

— трансформаторы с парожидкостным охлаждением;

4. Способы изоляции и защиты. Данные признаки определяют способы защиты трансформаторов от внешних воздействий и окружающих факторов:

— сухие открытые трансформаторы. Защищены от внешних воздействий только изоляцией обмоточных проводов, межслойной изоляцией и каркасом обмотки;

Трансформатор сухой открытый серии EI.

— закрытые герметизированные трансформаторы. Такие трансформаторы характеризуются повышенными эксплуатационными характеристиками, устойчивыми к тяжёлым условиям эксплуатации (грязь, пыль, механические воздействия и т.д.);

Герметизированный трансформатор ТПК-2.

— трансформаторы тропикоустойчивого исполнения. Защита данного вида трансформатора характеризуется особой устойчивостью к тяжёлым условиям эксплуатации в районах с тропическим климатом.

Трансформатор тропикоустойчивого исполнения Т0,5-27.

Основные отличия

Существует всего 5 основных отличий трансформатора и автотрансформатора. Их можно кратко перечислить:

1. В первую очередь оба этих агрегата отличаются «тем», что у них присутствует разное количество обмоток.
2. Надежность и безопасность автотрансформатора уступает обычному трансформатору.
3. Автотрансформаторы стоят дешевле.
4. Трансформатор имеет меньший уровень КПД.
5. Габариты автотрансформатора меньше.

Автотрансформаторы применяются в сетях с напряжением от 150 кВ и более. Они компактные, удобные и стоят значительно дешевле. Их главным преимуществом является высокий уровень КПД. Однако существенным недостатком является отсутствие между обмотками изоляционного материала. Это понижает безопасность представленных приборов при его эксплуатации и обслуживании

Для промышленных сетей это не столь важно, но для бытового применения подобный факт является существенным недостатком

Если применять этот прибор в бытовых сетях, при возникновении аварийной ситуации электричество может быть приложено из первичной обмотки к низшему напряжению. Это происходит из-за пробоя изоляции частей, проводящих электричество. Части агрегата будут соединены с высоковольтными частями. Поэтому для бытовых нужд применяют трансформаторы, а в промышленности – автотрансформаторы.

Рассмотрев основные отличия автотрансформаторов и трансформаторов, каждый пользователь сможет правильно применять подобное оборудование в своих целях.

Типы и виды силовых трансформаторов

Какие бывают силовые трансформаторы? Силовые трансформаторы можно разделить по различным основаниям.

По количеству фаз выделяют однофазные и трехфазные трансформаторы. Трехфазные используют на подстанциях, они более распространены.

По числу обмоток – двухобмоточные и трехобмоточные трансформаторы.

По задаче или назначению трансформаторы бывают повышающие или понижающие напряжение.

По месту установки – устанавливаемые внутри помещений и устанавливаемые снаружи помещений (рис. 3).

Рис. 3. Трансформатор, установленный на Курской АЭС

По преобразуемому параметру электрического напряжения выделяют силовой трансформатор тока и силовой трансформатор напряжения.

Силовые трансформаторы тока преобразуют силу тока без изменения его мощности.

Силовые трансформаторы напряжения помогают получить нужное напряжение от источника переменного тока, например, промышленной сети.

По виду диэлектрика выделяют сухие силовые трансформаторы (с литой или воздушно-барьерной изоляцией) и силовые маслонаполненные трансформаторы.

Сухие силовые трансформаторы с литой изоляцией (рис. 4) имеют ряд преимуществ:

• компактный размер;
• широкий диапазон допустимых температур (до –60 °С);
• повышенная пожарная и экологическая безопасность;
• пониженный уровень шума;
• простота монтажа;
• устойчивость обмоток к увлажнению и загрязнению.

Рис. 4. Основные элементы конструкции сухих трансформаторов

Трансформатор силовой масляный имеет широкий спектр применения в промышленности. По конструкции он представляет собой корпус (бак) с погруженными в него сердечником и обмотками и заполненный трансформаторным маслом.

Масляные трансформаторы производства «Группы СВЭЛ» характеризуются:

• низким уровнем шума;
• отсутствием необходимости подпрессовки обмоток и капремонта в процессе всего срока эксплуатации;
• незначительными добавочными потерями в металлоконструкциях.

«Группа СВЭЛ» имеет площадки по производству сухих и масляных трансформаторов в Екатеринбурге. Все трансформаторы производятся с полным контролем на каждом этапе изготовления, сборки и проверки и соответствуют необходимым стандартам качества.