Двухобмоточные трансформаторы: особенности, схемы
Двухобмоточные трансформаторы - один из наиболее распространенных видов трансформаторов в энергетике. Их основное назначение - преобразование переменного напряжения с одного уровня на другой. Давайте подробно разберемся в их устройстве, принципе действия и особенностях применения.
1. Назначение двухобмоточных трансформаторов
Двухобмоточный трансформатор - это трансформатор, который имеет две обмотки: первичную и вторичную. Он предназначен для преобразования переменного напряжения и тока одной частоты и по числу фаз в напряжение и ток той же частоты и числа фаз, но других значений.
Основными элементами конструкции двухобмоточного трансформатора являются:
- Магнитопровод
- Обмотки
- Бак
В зависимости от соотношения напряжений обмоток двухобмоточные трансформаторы делятся на повышающие и понижающие.
Повышающие трансформаторы применяются для увеличения напряжения от источника питания до требуемого уровня. Понижающие - для снижения высокого напряжения до более низкого, необходимого потребителям.
Наиболее часто двухобмоточные трансформаторы используются:
- На электростанциях для повышения напряжения от генераторов
- На подстанциях для понижения напряжения перед подачей потребителям
- В системах электроснабжения промышленных предприятий
По сравнению с трехобмоточными трансформаторами, двухобмоточные имеют более простую и дешевую конструкцию. Но их основным недостатком является невозможность независимого регулирования напряжений обеих обмоток.
2. Устройство и принцип действия
Рассмотрим подробнее внутреннее устройство двухобмоточного трансформатора и принцип его работы.
Магнитопровод
Магнитопровод служит для направления магнитного потока и создания магнитной связи между обмотками. Он изготавливается из ферромагнитных материалов, чаще всего из листов электротехнической стали.
Обмотки
Обмотки трансформатора представляют собой многовитковые катушки из изолированного медного или алюминиевого провода. Они размещаются на магнитопроводе и служат для создания электромагнитного поля и передачи энергии между первичной и вторичной цепями.
Бак
Бак выполняется из листовой стали и служит для размещения активной части трансформатора, защиты ее от механических воздействий и охлаждения. Бак заполняется трансформаторным маслом, обеспечивающим электрическую изоляцию и отвод тепла от обмоток.
Принцип действия двухобмоточного трансформатора основан на взаимодействии магнитных потоков первичной и вторичной обмоток, которые индуктируют ЭДС в обмотках. Благодаря этому происходит преобразование электрической энергии с одного напряжения на другое с минимальными потерями.
В процессе работы в магнитопроводе возникают потери в стали, связанные с перемагничиванием. Также имеют место нагрузочные потери в обмотках из-за прохождения токов.
При коротких замыканиях токи в обмотках резко возрастают, что приводит к большим электродинамическим усилиям. В режиме холостого хода трансформатор потребляет реактивную мощность для создания магнитного потока.
3. Схемы замещения
Для упрощения расчетов двухобмоточных трансформаторов используют схемы замещения. Они позволяют заменить сложную конструкцию трансформатора простой эквивалентной схемой.
Схема замещения содержит активные и индуктивные сопротивления обмоток, а также сопротивление намагничивающей ветви. Параметры схемы имеют определенный физический смысл.
Наиболее распространенными являются Т-образная и Г-образная схемы замещения. Для трансформаторов разного назначения могут применяться особые схемы замещения.
Параметры схемы замещения определяют на основе конструктивных данных трансформатора и результатов испытаний.
4. Однофазные трансформаторы
Однофазные двухобмоточные трансформаторы имеют ряд конструктивных особенностей. В частности, их магнитопровод выполняется в виде замкнутого сердечника из шихтованной стали.
Такие трансформаторы могут включаться по различным схемам. Наиболее распространены схемы соединения обмоток "звезда" и "треугольник".
Однофазные трансформаторы применяются в сетях низкого напряжения, например, для питания бытовых приборов. Их мощности обычно не превышают нескольких киловольт-ампер.
5. Трехфазные трансформаторы
Трехфазный двухобмоточный трансформатор состоит из трех однофазных трансформаторов, магнитные системы которых объединены в общем корпусе.
Обмотки трех фаз трехфазного трансформатора соединяются по схеме "звезда" или "треугольник". Выбор схемы зависит от соотношения напряжений и вида нагрузки.
Несколько трехфазных трансформаторов могут включаться параллельно для увеличения мощности. При этом происходит распределение нагрузки между параллельно работающими трансформаторами обратно пропорционально их сопротивлениям.
Для анализа процессов в трехфазном трансформаторе используют векторные диаграммы, построенные в относительных единицах. Они наглядно отображают соотношение токов, напряжений и углов сдвига фаз в различных режимах.
6. Специальные типы двухобмоточных трансформаторов
Помимо трансформаторов общего назначения, существует множество двухобмоточных трансформаторов специального назначения.
Трансформаторы с расщепленными обмотками
В этих трансформаторах обмотка низшего напряжения выполнена из двух или более секций. Это позволяет подключать к одному трансформатору несколько потребителей. Такие трансформаторы широко используются на подстанциях для снижения токов короткого замыкания.
Измерительные трансформаторы
Предназначены для питания измерительных приборов и релейной аппаратуры. Выпускаются трансформаторы тока и напряжения с классами точности от 0,5 до 10.
Сварочные трансформаторы
Применяются для питания электросварочных установок. Обеспечивают стабильное напряжение дуги и защиту от перегрузок.
Трансформаторы для электропечей
Используются в металлургии, машиностроении и других отраслях. Выдерживают высокие температуры и имеют специальные системы защиты.
7. Системы охлаждения трансформаторов
Для отвода тепла от обмоток и магнитопровода используются различные системы охлаждения двухобмоточных трансформаторов.
Естественная циркуляция масла и воздуха
Простая и надежная система охлаждения за счет конвекции масла и естественной тяги воздуха. Применяется в трансформаторах небольшой мощности.
Принудительная циркуляция масла и воздуха
Более эффективные системы охлаждения с использованием насосов, вентиляторов и радиаторов. Позволяют увеличить мощность трансформатора при тех же габаритах.
Жидкостное охлаждение
Обмотки и магнитопровод охлаждаются циркулирующей в трубках жидкостью, чаще всего минеральным маслом. Наиболее распространенный тип охлаждения силовых двухобмоточных трансформаторов.
8. Регулирование напряжения
Для изменения коэффициента трансформации в двухобмоточных трансформаторах применяют различные устройства...
8. Регулирование напряжения
Для изменения коэффициента трансформации в двухобмоточных трансформаторах применяют различные устройства регулирования напряжения:
РПН - устройство регулирования напряжения под нагрузкой
Позволяет плавно или ступенчато изменять число витков обмотки и коэффициент трансформации без отключения трансформатора. Наиболее гибкое устройство регулирования.
ПБВ - переключение без возбуждения
Осуществляет ступенчатое регулирование путем переключения отпаек обмотки. Требует кратковременного обесточивания трансформатора.
Ручное переключение отпаек
Простейшее устройство, требующее полного отключения трансформатора для изменения коэффициента трансформации. Используется редко.
9. Эксплуатация двухобмоточных трансформаторов
Правильная эксплуатация определяет надежность и срок службы двухобмоточных трансформаторов. Рассмотрим основные аспекты.
Выбор трансформатора
Трансформатор должен соответствовать параметрам сети по мощности, напряжениям и схеме соединений.
Требования к системе охлаждения и изоляции
Должны учитывать климатические условия и режимы нагрузки. Необходимы резервы по охлаждению и старению изоляции.
Режимы работы
Недопустимы длительные перегрузки и недогрузки трансформатора. Оптимальный режим - нагрузка 70-80% от номинальной.
10. Диагностика трансформаторов
Для контроля технического состояния двухобмоточных трансформаторов проводят диагностические испытания:
Измерение сопротивления обмоток и изоляции
Выполняется для выявления дефектов и постепенного старения изоляции.
Анализ масла
Позволяет определить степень старения масла и наличие взвешенных частиц, указывающих на дефекты.
Тепловизионный контроль
С помощью тепловизора обнаруживаются нагретые и потенциально опасные участки трансформатора.