Jak jest ustawiony i działa transformator, jakie cechy są brane pod uwagę podczas pracy

W energetyce, elektronice i innych gałęziach stosowanej elektrotechniki dużą rolę odgrywa transformacja energii elektromagnetycznej z jednego rodzaju na drugi. Wiele urządzeń transformatorowych, które są tworzone do różnych zadań produkcyjnych, rozwiązuje ten problem.

Niektóre z nich, o najbardziej złożonej konstrukcji, wykonują na przykład transformację potężnych przepływów energii wysokiego napięcia. 500 lub 750 kilowoltów w 330 i 110 kV lub w przeciwnym kierunku.

Inne działają jako część niewielkich urządzeń AGD, urządzeń elektronicznych, systemów automatyki. Są również szeroko stosowane. w różnych zasilaczach urządzeń mobilnych.

Transformatory działają tylko w obwodach napięcia przemiennego o różnych częstotliwościach i nie są przeznaczone do stosowania w obwodach prądu stałego, które wykorzystują inne typy przetworników.

Transformatory są podzielone na dwie główne grupy: jednofazowe, zasilane jednofazową siecią prądu przemiennego i trójfazowe, zasilane trójfazową siecią prądu przemiennego.

Transformatory mają bardzo zróżnicowaną konstrukcję. Główne elementy transformatora to: zamknięty rdzeń stalowy (rdzeń magnetyczny), uzwojenia i części służące do połączenia obwodu magnetycznego i cewek z uzwojeniami i zainstalowania transformatora w urządzeniu prostownika. Rura rdzeniowa została zaprojektowana w celu utworzenia zamkniętej ścieżki dla strumienia magnetycznego.

Części obwodu magnetycznego, na których znajdują się uzwojenia, nazywane są prętami, a części, na których nie ma uzwojeń i które służą do zamykania strumienia magnetycznego w obwodzie magnetycznym, nazywane są jarzmami. Materiałem na obwód magnetyczny transformatora jest blacha stalowa (stal transformatorowa). Ta stal może mieć różne gatunki, grubości, walcowanie na gorąco i na zimno.

Ogólne zasady działania transformatorów

Wiemy, że energia elektromagnetyczna jest nierozerwalna. Ale zwyczajowo reprezentuje się go w dwóch komponentach:

1. elektryczny;

2. magnetyczny.

Łatwiej jest zrozumieć zachodzące zjawiska, opisać procesy, wykonać obliczenia, zaprojektować różne urządzenia i obwody. Całe sekcje elektrotechniki poświęcone są oddzielnym analizom działania obwodów elektrycznych i magnetycznych.

Prąd elektryczny, podobnie jak strumień magnetyczny, płynie tylko wzdłuż obwodu zamkniętego z opornością (elektryczną lub magnetyczną). Jest on tworzony przez zewnętrzne siły przyłożone - źródła napięcia odpowiednich energii.

Jednak biorąc pod uwagę zasady działania urządzeń transformatorowych, konieczne będzie jednoczesne badanie obu tych czynników i uwzględnienie ich złożonego wpływu na konwersję mocy.

Najprostszy transformator składa się z dwóch uzwojeń wykonanych przez uzwojenie cewek izolowanego drutu, przez które przepływa prąd elektryczny i jednej linii dla strumienia magnetycznego. Jest powszechnie nazywany rdzeniem lub rdzeniem magnetycznym.

Napięcie ze źródła energii elektrycznej U1 jest doprowadzane do wejścia jednego uzwojenia, a z zacisków drugiego, po przekształceniu w U2, jest dostarczane do podłączonego obciążenia R.

Pod działaniem napięcia U1 prąd I1 przepływa w obwodzie zamkniętym w pierwszym uzwojeniu, którego wartość zależy od impedancji Z, która składa się z dwóch elementów:

1. aktywny opór drutów uzwojenia;

2. składnik reaktywny o charakterze indukcyjnym.

Wielkość indukcyjności ma duży wpływ na działanie transformatora.

Energia elektryczna przepływająca przez uzwojenie pierwotne w postaci prądu I1 jest częścią energii elektromagnetycznej, której pole magnetyczne jest skierowane prostopadle do ruchu ładunków lub położenia zwojów drutu. Rdzeń transformatora znajduje się w jego płaszczyźnie - obwodzie magnetycznym, przez który strumień magnetyczny F.

Wszystko to jest wyraźnie odzwierciedlone na zdjęciu i jest ściśle przestrzegane podczas produkcji. Sam obwód magnetyczny jest również zamknięty, chociaż w niektórych celach, na przykład w celu zmniejszenia strumienia magnetycznego, można w nim wykonać szczeliny, zwiększając jego opór magnetyczny.

Z powodu przepływu prądu pierwotnego przez uzwojenie składnik magnetyczny pola elektromagnetycznego przenika przez obwód magnetyczny i krąży przez niego, przekraczając zwoje uzwojenia wtórnego, które jest zamknięte na rezystancję wyjściową R.

Pod wpływem strumienia magnetycznego w uzwojeniu wtórnym indukowany jest prąd elektryczny I2. Na jego wartość wpływa wartość zastosowanej siły elementu magnetycznego i impedancja obwodu, w tym przyłączone obciążenie R.

Gdy transformator działa wewnątrz obwodu magnetycznego, powstaje wspólny strumień magnetyczny F oraz jego elementy F1 i F2.

Jak jest skonfigurowany i działa autotransformator

Wśród urządzeń transformatorowych szczególnie popularne są uproszczone konstrukcje, wykorzystujące nie dwa różne oddzielnie wykonane uzwojenia, ale jeden wspólny, podzielony na sekcje. Nazywa się je autotransformatorami.

Zasada działania takiego obwodu praktycznie pozostała taka sama: wejściowa energia elektromagnetyczna jest przekształcana na wyjściową. Prądy pierwotne I1 przepływają przez uzwojenia uzwojenia W1, a wtórne I2 przepływają przez W2. Obwód magnetyczny zapewnia ścieżkę dla strumienia magnetycznego F.

Autotransformator ma połączenie galwaniczne między obwodami wejściowymi i wyjściowymi. Ponieważ nie cała zastosowana moc źródła jest przekształcana, ale tylko jej część, uzyskuje się wyższą wydajność niż w przypadku konwencjonalnego transformatora.

Takie projekty mogą zaoszczędzić na materiałach: stal na obwód magnetyczny, miedź na uzwojenia. Mają mniejszą wagę i koszty. Dlatego są skutecznie stosowane w systemie energetycznym od 110 kV i więcej.

Praktycznie nie ma specjalnych różnic w trybach pracy transformatora i autotransformatora.

Tryby pracy transformatora

Podczas pracy dowolny transformator może znajdować się w jednym z następujących stanów:

• bez pracy;

• tryb znamionowy;

• na biegu jałowym;

• zwarcie;

• przepięcie.

Tryb wyłączenia

Aby go stworzyć, wystarczy usunąć napięcie zasilające źródła energii elektrycznej z uzwojenia pierwotnego, a tym samym wykluczyć przepływ prądu elektrycznego, co zawsze robią bezbłędnie z podobnymi urządzeniami.

Jednak w praktyce podczas pracy ze złożonymi strukturami transformatorowymi środek ten nie zapewnia w pełni środków bezpieczeństwa: napięcie może pozostać na uzwojeniach i spowodować uszkodzenie sprzętu, zagrażając personelowi z powodu przypadkowego narażenia na wyładowania prądowe.

Jak to się może stać?

W przypadku małych transformatorów, które działają jako źródło zasilania, jak pokazano na górnym zdjęciu, napięcie zewnętrzne nie spowoduje żadnych szkód. Po prostu nie ma stamtąd zabrać. I na sprzęcie energetycznym należy to wziąć pod uwagę. Przeanalizujemy dwie typowe przyczyny:

1. podłączenie zewnętrznego źródła energii elektrycznej;

2. wpływ napięcia indukowanego.

Pierwsza opcja

Na złożonych transformatorach nie stosuje się jednego, ale kilku uzwojeń, które są używane w różnych obwodach. Wszystkie muszą być odłączone od napięcia.

Ponadto w podstacjach pracujących w trybie automatycznym bez stałego personelu obsługującego dodatkowe szyny są podłączone do szyn transformatorów mocy, zapewniając własne potrzeby stacji o mocy elektrycznej 0,4 kV.Są przeznaczone do zabezpieczenia zasilania, urządzeń automatyki, oświetlenia, ogrzewania i innych celów.

Są to tak zwane - TSN lub transformatory pomocnicze. Jeśli napięcie zostanie usunięte z wejścia transformatora mocy, a jego obwody wtórne są otwarte, a prace zostaną przeprowadzone na TSN, wówczas istnieje możliwość odwrotnej transformacji, gdy napięcie 220 woltów od strony niskiej przenika do wysokiego przez podłączone szyny zasilające. Dlatego należy je wyłączyć.

Indukowane działanie napięciowe

Jeżeli linia wysokiego napięcia przebiegająca pod napięciem przechodzi w pobliżu szyn wyłączonego transformatora, wówczas płynące przez nią prądy mogą indukować napięcie na szynach. Konieczne jest zastosowanie środków w celu jego usunięcia.

Znamionowy tryb pracy

Jest to normalny stan transformatora podczas pracy, dla którego został stworzony. Prądy w uzwojeniach i przyłożone do nich napięcia odpowiadają obliczonym wartościom.

Transformator w trybie obciążenia nominalnego zużywa i przekształca pojemności odpowiadające wartościom projektowym dla całego przewidzianego dla niego zasobu.

Tryb bezczynności

Powstaje, gdy napięcie jest dostarczane do transformatora ze źródła zasilania, a obciążenie jest odłączane na zaciskach uzwojenia wyjściowego, to znaczy obwód jest otwarty. Eliminuje to przepływ prądu przez uzwojenie wtórne.

Transformator w trybie bezczynności zużywa najniższą możliwą moc, określoną przez jego cechy konstrukcyjne.

Tryb zwarcia

Jest to sytuacja, w której obciążenie podłączone do transformatora okazuje się zwarte, ciasno bocznikowane przez łańcuchy o bardzo niskich oporach elektrycznych i działa na nie całe źródło zasilania źródła napięcia.

W tym trybie przepływ ogromnych prądów zwarciowych jest praktycznie nieograniczony. Mają ogromną energię cieplną i są w stanie spalić druty lub sprzęt. Ponadto działają, dopóki obwód mocy przez uzwojenie wtórne lub pierwotne nie wypali się, przerywając w najsłabszym miejscu.

Jest to najbardziej niebezpieczny tryb, który może wystąpić podczas pracy transformatora, a także w najbardziej nieoczekiwanym momencie. Można przewidzieć jego wygląd, a rozwój powinien być ograniczony. W tym celu używają zabezpieczeń, które monitorują nadmiar dopuszczalnych prądów na obciążeniu i wyłączają je tak szybko, jak to możliwe.

Tryb przepięcia

Uzwojenia transformatora pokryte są warstwą izolacji, która jest stworzona do pracy pod określonym napięciem. Podczas pracy można go przekroczyć z różnych powodów, które powstają zarówno w układzie elektrycznym, jak i w wyniku narażenia na zjawiska atmosferyczne.

W fabryce ustalana jest wartość dopuszczalnego nadmiaru napięcia, które może oddziaływać na izolację nawet przez kilka godzin i krótkotrwałe przepięcia powstające w wyniku stanów nieustalonych podczas przełączania urządzeń.

Aby zapobiec ich uderzeniu, tworzą ochronę przed przepięciem, które w razie awarii wyłączają zasilanie obwodu w trybie automatycznym lub ograniczają impulsy rozładowania.

Kontynuacja artykułu:Główne typy konstrukcji transformatorów