Трансформатор напряжения соответственно будет называться повышающим, если на выходе со вторичной обмотки напряжение выше, чем в первичной, и понижающим, если, напряжение во вторичной обмотке ниже, чем в первичной. На рисунке ниже изображена схема работы трансформатора:
Принципиальная схема трансформатора
Красным (на рисунке ниже) обозначена первичная обмотка, синим вторичная, также изображен сердечник трансформатора, собранный из пластин специальной электротехнической стали. Буквами U1 обозначено напряжение первичной обмотки. Буквами I1 обозначен ток первичной обмотки. U2 обозначено напряжение на вторичной обмотке, I2 ток во вторичной. В трансформаторе две или более обмоток индуктивно связаны. Также трансформаторы могут использоваться для гальванической развязки цепей.
Принцип работы трансформатора
Принцип действия трансформатора
Коэффициент трансформации – формула
Если коэффициент трансформации меньше единицы, то трансформатор повышающий, если больше единицы, понижающий. Разберем на небольшом примере: w1 количество витков первичной обмотки равно условно равно 300, w2 количество витков вторичной обмотки равно 20. Делим 300 на 20, получаем 15. Число больше единицы, значит трансформатор понижающий. Допустим, мы мотали трансформатор с 220 вольт, на более низкое напряжение, и нам теперь нужно посчитать, какое будет напряжение на вторичной обмотке. Подставляем цифры: U2=U1кт = 22015 = 14.66 вольт. Напряжение на выходе с вторичной обмотки будет равно 14.66 вольт.
Трансформаторы на схемах
Обозначается на принципиальных схемах трансформатор так:
Обозначение трансформатора на схемах
На следующем рисунке изображен трансформатор с несколькими вторичными обмотками:
Трансформатор с двумя вторичными обмотками
Цифрой “1” обозначена первичная обмотка (слева), цифрами 2 и 3 обозначены вторичные обмотки (справа).
Определение токов устройства
При определении тока первичной обмотки следует учитывать потери, а также намагничивающий ток трансформатора, относительная величина которых в маломощных силовых трансформаторах весьма значительна. Величины токов могут быть определены по следующей формуле:
Будет интересно➡ Что такое импульсный трансформатор и как его рассчитать
где U1 и U2 – напряжения обмоток по заданию;
P2 – мощность вторичной обмотки по заданию;
cos φ2 – коэффициент мощности нагрузки по заданию;
η – коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора.
Выбор индукции в стержне сердечника и плотности тока в проводах обмоток трансформатора – допустимая величина индукции в стержне и ярме сердечника трансформатора определяется выбранным значением намагничивающего тока, мощностью, частотой, типом трансформатора, числом стыков в сердечнике и материалом последнего.
Можно ознакомиться в статье более подробно об устройстве силовых трансформаторах.
Сварочные трансформаторы
Существуют специальные сварочные трансформаторы.
Сварочный трансформатор предназначен для сварки электрической дугой, он работает как понижающий трансформатор, снижая напряжение на вторичной обмотке, до необходимой величины для сварки. Напряжение вторичной обмотки бывает не более 80 Вольт. Сварочные трансформаторы рассчитаны на кратковременные замыкания выхода вторичной обмотки, при этом образуется электрическая дуга, и трансформатор при этом не выходит из строя, в отличие от силового трансформатора.
Разновидности
Обозначение трансформаторов обязательно начинается с разновидности оборудования. Если маркировка начинается с буквы А, это автотрансформатор. Её отсутствие говорит о том, что агрегат относится к классу силовых трансформаторов.
Обязательно приводится число фаз. Это позволяет выбрать установку, работающую от бытовой или промышленной сети. Если трансформатор подключается к трехфазной сети, в маркировке будет присутствовать Т. Однофазные же разновидности имеют букву О. Они применяются в бытовых сетях.
Если устройство обладает расщеплённой обмоткой, он будет иметь Р. Если присутствует регулировка напряжения под нагрузкой (РПН) устройство будет иметь маркировку Н на металлическом щитке. При её отсутствии можно сделать вывод об отсутствии представленной особенности в аппарате.
Силовые трансформаторы
Фото высоковольтный трансформатор
Трансформаторы с 6-10 киловольт на 380 вольт расположены вблизи потребителей. Такие трансформаторы стоят на трансформаторных подстанциях расположенных во многих дворах. Они поменьше размерами, но вместе с ВН (выключателями нагрузки) которые ставятся перед трансформатором и вводными автоматами и фидерами могут занимать двух этажное здание.
Трансформатор 6 киловольт
У трехфазных трансформаторов обмотки соединяются не так, как у однофазных трансформаторов. Они могут соединяться в звезду, треугольник и звезду с выведенной нейтралью. На следующем рисунке приведена как пример одна из схем соединения обмоток высокого напряжении и низкого напряжения трехфазного трансформатора:
Пример соединения обмоток силового трансформатора
Трансформаторы существуют не только напряжения, но и тока. Такие трансформаторы применяют для безопасного измерения тока при высоком напряжении. Обозначаются на схемах трансформаторы тока следующим образом:
Изображение на схемах трансформатор тока
На фото далее изображены именно такие трансформаторы тока:
Трансформатор тока – фото
Существуют также, так называемые, автотрансформаторы. В этих трансформаторах обмотки имеют не только магнитную связь, но и электрическую. Так обозначается на схемах лабораторный автотрансформатор (ЛАТР):
Лабораторный автотрансформатор – изображение на схеме
Используется ЛАТР таким образом, что включая в работу часть обмотки, с помощью регулятора, можно получить различные напряжения на выходе. Фотографию лабораторного автотрансформатора можно видеть ниже:
В электротехнике существуют схемы безопасного включения ЛАТРа с гальванической развязкой с помощью трансформатора:
Безопасный ЛАТР изображение на схеме
Для согласования сопротивления разных частей схемы служит согласующий трансформатор. Также находят применение измерительные трансформаторы для измерения очень больших или очень маленьких величин напряжения и тока.
Область применения
Данные устройства предназначены для преобразования эксплуатационных параметров трехфазных электросетей и используются в энергосистемах следующих типов:
- системы транспортирования и распределения электроэнергии;
- преобразовательные устройства;
- электротехнологические установки (сварочная аппаратура, электропечи и т.п.);
- устройства связи и телемеханики;
- системы автоматики;
- бытовая электроаппаратура;
- электроизмерительные устройства.
Подходящую схему соединения определяют в соответствии с условиями работы прибора, к которым относятся мощность сети, уровень напряжения, асимметричность нагрузки. На выбор схемы соединения влияют также и экономические соображения.
Тороидальные трансформаторы
Промышленность изготавливает и так называемые тороидальные трансформаторы. Один из таких изображен на фото:
Фотография – тороидальный трансформатор
Преимущества таких трансформаторов по сравнению с трансформаторами обычного исполнения заключаются в более высоком КПД, меньше звуковой дребезг железа при работе, низкие значения полей рассеяния и меньший размер и вес.
Сердечники трансформаторов, в зависимости от конструкции могут быть различными, они набираются из пластин магнитомягкого материала, на рисунке ниже приведены примеры сердечников:
Сердечники трансформаторов – рисунок
Вот в кратце и вся основная информация о трансформаторах в радиоэлектронике, более подробно разные частные случаи можно рассмотреть на форуме. Автор AKV.
Проверка прибора
Принадлежность трансформатора к той или иной группе соединения можно определить полярометром-вольтметром магнитоэлектрической системы с нулем посередине шкалы и отмеченной полярностью его зажимов.
Каждой группе соединений отвечает определенная таблица отклонений стрелки полярометра для испытуемого трансформатора и, сравнив ее с имеющимися, устанавливают группу соединений обмоток.
При включении обмоток ВН на постоянное напряжение определенной полярности в других обмотках трансформатора в момент включения наводится мгновенная ЭДС, величина и направление которой зависят от группы соединения обмоток и фиксируются с помощью полярометра.
В видеоролике, представленном ниже, подробно рассмотрен принцип работы трехфазного трансформатора и его устройство.
Чтение схем: трансформаторы, автотрансформаторы.
В основы обозначений трансформаторов и автотрансформаторов на электротехнических схемах принимаются обозначения обмоток, корпуса, магнитопроводов, экрана, а также и обозначения типов соединения обмоток. Давайте все это рассмотрим поподробнее.
Обмотки. В схемах (обычно в схемах электроснабжения) обмотки обозначают в виде окружности, которая проиллюстрирована на рис. № 1 . Во всех других случаях обмотки иллюстрируются полуокружностями №№ 2-5 , причем количество полуокружностей и направления выводов не устанавливается. А изображенная на рис № 3 точка, рядом с обмоткой, обозначает начало обмотки.
На электротехнических схемах, при изображении обмоток окружностями, иногда, в них вписываются обозначения №№ 13-23 вида соединения, которые приведены на рисунке ниже. Здесь под обозначениями, которые состоят из черточек, приведены поясняющие схемы.
На рисунке: № 13 – однофазная обмотка с двумя выводами. № 14 – однофазная обмотка с двумя выводами с выведенной нейтральной (средней) точкой. № 15 – соединение обмоток двух фаз в открытый треугольник. № 16 – три однофазные обмотки, каждая из которых имеет по два вывода. № 17 – трехфазная обмотка, соединенная в «звезду». № 18 – также трехфазная обмотка, соединенная в звезду с выведенной нейтралью. № 19 трехфазная обмотка, соединенная в треугольник. № 20 – трехфазная обмотка, где три фазы соединены в разомкнутый треугольник. № 21 – трехфазная обмотка, соединенная в зигзаг. № 22 – шестифазная обмотка, которая соединена в виде обратной звезды. № 23 – то же, что и № 22 , только с выведенными раздельными нейтральными точками.
Магнитопроводы. В схемах электроснабжения магнитопроводы допускается не иллюстрировать, если это, конечно, не вызывает затруднений и путаницу в схемах. Во всех других случаях этот элемент изображается обозначениями №№ 7—10 . Здесь №7 — магнитопровод ферромагнитный.
( Обратите внимание : до недавнего времени у магнитопровода было другое обозначение: 3 – тонкие черты, как бы представляющие листы стали, из которых набран магнитопровод). Затем магнитопровод стали изображать жирной чертой. В настоящее время у обозначений, толщина линий, обозначающих магнитопровод и обмотку, одинакова.
№ 8 — ферромагнитный магнитопровод с воздушным зазором. Небольшой воздушный зазор нужен в том случае, когда по обмотке проходит не только переменный, но и постоянный ток, который при отсутствии зазора мог бы насытить магнитопровод;
№ 9 — магнитодиэлектрический магнитопровод. Такие магнитопроводы применяются в радиосвязи для уменьшения потерь на вихревые токи. В этих сердечниках ферромагнитные частицы разделены массой изоляционного материала.
№ 10 — магнитопровод из немагнитного материала, например из алюминия или меди. Для немагнитного магнитопровода указывают химический символ металла. Например, буквы Cu указывают на то, что магнитопровод медный. Магнитопровод из немагнитного материала играет такую же роль, как множество короткозамкнутых витков, введенных в магнитное поле обмотки. В немагнитном магнитопроводе водятся вихревые токи, магнитное поле которых противодействует основному полю, чем достигается уменьшение индуктивности.
Корпус трансформатора и автотрансформатора – на схемах обычно не изображается. Если же надо показать, что корпус присоединен к чему-либо, то это иллюстрируется обозначением № 12 . Нередко корпус трансформатора соединяется с экраном.
Корпуса трансформаторов приходится так же показывать и в некоторых схемах релейной защиты. Экран обозначается тонкой штриховой линией
№ 6 . Подробнее про обозначения экранов, можете прочитать тут.
На обозначении № 11 проиллюстрирован регулятор, здесь он показывает, что в сборке имеется трансформаторы с регулированием напряжения с нагрузкой.
Примеры обозначений трансформаторов даны на рисунке ниже.
В разделе «а» показано однолинейное – 1 , и многолинейное – 2 обозначение однофазного трансформатора с ферромагнитным сердечником (форма I). № 3 – изображение этого же трансформатора в форме II. В разделе «б» изображены: № 4 – трансформатор с ферромагнитным магнитопроводом, который имеет воздушный зазор. № 5 трансформатор с медным (немагнитным) магнитопроводом. № 6 – трансформатор магнитодиэлектрическим магнитопроводом . № 7 – без магнитопровода.
Автотрансформаторы. Однофазный автотрансформатор в однолинейном и многолинейном изображениях проиллюстрирован ниже на рисунке по обозначениями 1 и 2 соответственно. Хорошим примером применения этих однофазных трансформаторов является: № 3 понижения напряжения сети с 220 вольт для питания прибора (например, холодильника) на напряжение в 127 вольт. № 4 показывает повышение напряжения с 127 до 220 В. Также в разделе «б» изображены трехфазные автотрансформаторы, где № 5 показывает, что обмотки соединены в звезду, а № 6 – трехфазный трансформатор с 9-ю выводами.
Как Вы видите, чтение схем не очень то и тяжелая вещь, самое главное уметь логически связать обозначения.
Измерительные трансформаторы тока в схемах релейной защиты и автоматики
Энергетическое оборудование электрических подстанций организационно разделяется на два вида устройств:
1. силовые цепи, по которым передается вся мощность транспортируемой энергии;
2. вторичные устройства, позволяющие контролировать происходящие процессы в первичной схеме и управлять ими.
Силовое оборудование располагают на открытых площадках или закрытых распределительных устройствах, а вторичное — на релейных панелях, внутри специальных шкафов или отдельных ячеек.
Промежуточным звеном, выполняющим функцию передачи информации между силовой частью и органами измерения, контроля, защит и управления являются измерительные трансформаторы. Они, как и все подобные устройства, имеют две стороны с разным значением напряжения:
1. высоковольтную, которая соответствует параметрам первичной схемы;
2. низковольтную, позволяющую снизить опасность воздействия силового оборудования на обслуживающий персонал и материальные затраты на создание устройств управления и контроля.
Прилагательное «измерительные» отображает назначение этих электротехнических устройств, поскольку они очень точно моделируют все процессы, происходящие на силовом оборудовании, и разделяются на трансформаторы:
2. напряжения (ТН).
Они работают по общим физическим принципам трансформации, но обладают различным конструктивным исполнением и способами включения в первичную схему.
Как сделаны и работают трансформаторы тока
Принципы работы и устройства
В конструкцию измерительного трансформатора тока заложено преобразование векторных величин токов больших значений, протекающих по первичной схеме, в пропорционально уменьшенные по величине и точно так же направленные вектора во вторичных цепях.
Конструктивно трансформаторы тока, как и любой другой трансформатор, состоит из двух изолированных обмоток, расположенных вокруг общего магнитопровода. Он изготавливается шихтованными металлическими пластинами, для плавки которых используются специальные сорта электротехнических сталей. Это делается для того, чтобы снизить магнитное сопротивление на пути прохождения магнитных потоков, циркулирующих по замкнутому контуру вокруг обмоток и уменьшить потери на вихревые токи.
Трансформатор тока для схем релейных защит и автоматики может иметь не один магнитопровод, а два, отличающиеся количеством пластин и общим объемом используемого железа. Это делается для создания двух типов обмоток, которые могут надежно работать при:
1. номинальных условиях эксплуатации;
2. или при значительных перегрузках, вызванных токами коротких замыканий.
Первые конструкции используются для выполнения измерений, а вторые применяются для подключения защит, отключающих возникающие ненормальные режимы.
Устройство обмоток и клемм подключения
Обмотки трансформаторов тока, рассчитанные и изготовленные на постоянную работу в схеме электроустановки, отвечают требованиям безопасного прохождения тока и его теплового воздействия. Поэтому они выполняются из меди, стали или алюминия с площадью поперечного сечения, исключающей повышенный нагрев.
Поскольку первичный ток всегда больше вторичного, то обмотка для него значительно выделяется своими габаритами, как показано на картинке ниже для правого трансформатора.
На левой и средней конструкции силовой обмотки вообще нет. Вместо нее предусмотрено отверстие в корпусе, через которое пропускается питающий силовой электрический провод или стационарная шина. Такие модели используются, как правило, в электроустановках до 1000 вольт.
На выводах обмоток трансформаторов всегда предусмотрено стационарное крепление для подключения шин и соединительных проводов с помощью болтов и винтовых зажимов. Это одно из ответственных мест, где может быть нарушен электрический контакт, который способен привести к поломкам или нарушениям точной работы измерительной системы. Качеству его затяжки в первичной и вторичной схеме всегда обращается внимание при эксплуатационных проверках.
Клеммы трансформаторов тока маркируются на заводе во время изготовления и обозначаются:
Л1 и Л2 для входа и выхода первичного тока;
И1 и И2 — вторичного.
Эти индексы означают направление навивки витков относительно друг друга и влияют на правильность подключения силовых и моделируемых цепей, характеристику распределения векторов токов по схеме. На них обращают внимание при первичном монтаже трансформаторов или заменах неисправных устройств и даже исследуют различными методиками электрических проверок как до сборок устройств, так и после монтажа.
Количество витков в первичной W1 и вторичной W2 схеме не одинаково, а сильно отличается. Высоковольтные трансформаторы тока обычно имеют всего одну прямую шину, пропущенную сквозь магнитопровод, которая работает в качестве силовой обмотки. Вторичная же катушка имеет большее количество витков, которое влияет на коэффициент трансформации. Его для удобства эксплуатации записывают дробным выражением номинальных величин токов в обеих обмотках.
Например, запись 600/5 на шильдике корпуса означает, что трансформатор предназначен для включения в цепь высоковольтного оборудования с номинальным током 600 ампер, а во вторичной схеме будет трансформироваться только 5.
Каждый измерительный трансформатор тока включается в свою фазу первичной сети. Количество же вторичных обмоток для устройств релейной защиты и автоматики обычно увеличивается для раздельного использования в кернах токовых цепей для:
защит шин и ошиновок.
Такой способ позволяет исключить влияние менее ответственных цепочек на более значимые, упростить их обслуживание и проверки на действующем оборудовании, находящемся под рабочим напряжением.
С целью маркировки выводов таких вторичных обмоток применяют обозначение 1И1, 1И2, 1И3 для начал и 2И1, 2И2, 2И3 — концов.
Каждая модель трансформатора тока рассчитана для работы с определенной величиной высоковольтного напряжения на первичной обмотке. Слой изоляции, расположенный между обмотками и корпусом, должен длительно выдерживать потенциал силовой сети своего класса.
С внешней стороны изоляции высоковольтных трансформаторов тока в зависимости от назначения может применяться:
загустевшие эпоксидные смолы;
некоторые виды пластмасс.
Эти же материалы могут быть дополнены трансформаторной бумагой или маслом для изоляции внутренних пересечений проводов на обмотках и исключения межвитковых замыканий.
Класс точности ТТ
Идеально трансформатор теоретически должен работать точно, без внесения погрешностей. Однако, в реальных конструкциях происходят потери энергии на внутренний нагрев проводов, преодоление магнитного сопротивления, образование вихревых токов.
За счет этого хоть немного, но нарушается процесс трансформации, что сказывается на точности воспроизводства в масштабе первичных векторов тока их вторичными величинами с отклонениями ориентации в пространстве. Все трансформаторы тока имеют определенную погрешность измерения, которая нормируется процентным выражением отношения абсолютной погрешности к номинальному значению по амплитуде и углу.
Класс точности трансформаторов тока выражается числовыми значениями «0,2», «0,5», «1», «3», «5»,»10».
Трансформаторы с классом 0,2 работают для выполнения особо важных лабораторных замеров. Класс 0,5 предназначен для точных измерений токов, используемых приборами расчетных учетов 1-го уровня в коммерческих целях.
Измерения тока для работы реле и контрольных учетов 2-го уровня производится классом 1. К трансформаторам тока 10-го класса точности подключаются катушки отключения приводов. Они точно работают в режиме коротких замыканий первичной сети.
Схемы включения ТТ
В энергетике в основном применяются трех или черырехпроводные линии электропередач. Для контроля токов, проходящих по ним, используются разные схемы подключения измерительных трансформаторов.
1. Силовое оборудование
На фотографии показан вариант измерения токов трехпроводной силовой цепи 10 киловольт с помощью двух трансформаторов тока.
Здесь видно, что шины присоединения первичных фаз А и С подключены болтовым соединением к выводам трансформаторов тока, а вторичные цепи спрятаны за ограждение и выведены отдельным жгутом проводов в защитной трубе, которая направляется в релейный отсек для подключения цепей на клеммники.
Этот же принцип монтажа применяется и в других схемах высоковольтного оборудования, как показано на фотографии для сети 110 кВ.
Здесь корпуса измерительных трансформаторов смонтированы на высоте с помощью заземленной железобетонной платформы, что требуют правила безопасности. Подключение первичных обмоток к силовым проводам выполнено в рассечку, а все вторичные цепи выведены в рядом расположенный ящик с клеммной сборкой.
Кабельные соединения вторичных токовых цепей защищены от случайного внешнего механического воздействия металлическими чехлами и бетонными плитами.
2. Вторичные обмотки
Как уже отмечено выше, выходные керны трансформаторов тока собираются для работы с измерительными приборами или защитными устройствами. Это влияет на сборку схемы.
Если необходимо контролировать по амперметрам ток нагрузки в каждой фазе, то используется классический вариант подключения — схема полной звезды.
В этом случае каждый прибор показывает величину тока своей фазы с учетом угла между ними. Использование автоматических самописцев в этом режиме наиболее удобно позволяет отображать вид синусоид и строить по ним векторные диаграммы распределения нагрузок.
Часто на отходящих фидерах 6÷10 кВ в целях экономии устанавливают не три, а два измерительных трансформатора тока без задействования одной фазы В. Этот случай показан на расположенном выше фото. Он позволяет включить амперметры по схеме неполной звезды.
За счет перераспределения токов на дополнительном приборе получается отобразить векторную сумму фаз А и С, которая противоположно направлена вектору фазы В при симметричном режиме нагрузки сети.
Случай включения двух измерительных трансформаторов тока для контроля линейного тока с помощью реле показан на картинке ниже.
Схема полностью позволяет контролировать симметричную нагрузку и трехфазные короткие замыкания. При возникновении двухфазных КЗ, особенно АВ или ВС, чувствительность такого фильтра сильно занижена.
Распространенная схема контроля токов нулевой последовательности создается подключением измерительных трансформаторов тока в схему полной звезды, а обмотки контрольного реле к объединенному проводу нуля.
Ток, проходящий через обмотку создан сложением всех трех векторов фаз. При симметричном режиме он сбалансирован, а во время возникновения однофазных или двухфазных КЗ происходит выделение в реле составляющей дисбаланс величины.
Особенности эксплуатации измерительных трансформаторов тока и их вторичных цепей
При работе трансформатора тока создается баланс магнитных потоков, образованных токами в первичной и вторичной обмотке. В результате они уравновешены по величине, направлены встречно и компенсируют влияние созданных ЭДС в замкнутых цепях.
Если первичную обмотку разомкнуть, то по ней ток перестанет протекать и все вторичные схемы будут просто обесточены. А вот вторичную цепь при прохождении тока по первичной размыкать нельзя, иначе под действием магнитного потока во вторичной обмотке вырабатывается электродвижущая сила, которая не тратится на протекание тока в замкнутом контуре с малым сопротивлением, а используется в режиме холостого хода.
Это приводит к появлению на разомкнутых контактах высокого потенциала, который достигает несколько киловольт и способен пробить изоляцию вторичных цепей, нарушить работоспособность оборудования, нанести электрические травмы обслуживающему персоналу.
По этой причине все переключения во вторичных цепях трансформаторов тока производят по строго определенной технологии и всегда под надзором контролирующих лиц без разрыва токовых цепей. Для этого используют:
специальные виды клеммников, позволяющие устанавливать дополнительную закоротку на время разрыва выводимого из работы участка;
испытательные токовые блоки с закорачивающими перемычками;
специальные конструкции переключателей.
Регистраторы аварийных процессов
Измерительные приборы делят по виду фиксации параметров при:
номинальном режиме эксплуатации;
возникновении сверхтоков в системе.
Чувствительные элементы регистраторов прямо пропорционально воспринимают поступающий на них сигнал и также отображают его. Если величина тока поступила на их вход с искажением, то эта погрешность будет введена в показания.
По этой причине приборы, предназначенные для измерения аварийных токов, а не номинальных, подключают в керны защит трансформаторов тока, а не измерений.
Об устройстве и принципах работы измерительных трансформаторов напряжения читайте здесь: Измерительные трансформаторы напряжения в схемах релейной защиты и автоматики
