Трансформаторы: назначение, классификация, области применения

     Министерство  образования и  науки 

     российской  федерации 

     Федеральное агентство по образованию 

     Уральский государственный экономический  университет

     Кафедра товароведения и экспертизы товаров

     РЕФЕРАТ

     по  курсу «Товароведение и экспертиза электротоваров»

     на  тему:

     «Трансформаторы: назначение, классификация, области применения» 
 
 
 
 
 

Выполнил:              Асафов А.Д. 

Проверил:           Зуева О.Н. 
 
 
 

Екатеринбург

2010

      Изобретателем трансформатора был русский ученый П. Н. Яблочков. В 1876 г. Яблочков использовал индукционную катушку с двумя обмотками в качестве трансформатора для питания электрических свечей (ламп накаливания). Трансформатор Яблочкова имел незамкнутый сердечник. Трансформаторы с замкнутым сердечником (применяемые в настоящее время) появились примерно в 1884 г. С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току, который до этого широко не применялся. Русский электротехник М. О. Доливо - Добровольский (1862—1919 г.) в 1889 г. предложил трехфазную систему переменного тока, построил первый трехфазный асинхронный двигатель и первый трехфазный трансформатор. На электротехнической выставке во Франкфурте – на - Майне в 1891 г. Доливо - Добровольский демонстрировал опытную высоковольтную электропередачу трехфазного тока протяженностью 175 км; трехфазный генератор имел мощность 230 кВт при напряжении 95 В. В дальнейшем, в качестве силовых, начали применять масляные трансформаторы,  т.к. было установлено, что масло является не только хорошей изоляцией, но и хорошей охлаждающей средой. Трансформаторы применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, распределении ее между приемниками энергии, а также в выпрямительных, усилительных и других устройствах, где требуется развязка электрических цепей. Трансформаторы — электромагнитные статические преобразователи электрической энергии.         Основное назначение трансформаторов — изменять напряжение переменного тока. Трансформаторы применяются также для преобразования числа фаз и частоты. Наибольшее распространение имеют силовые трансформаторы напряжения, которые выпускаются электротехнической промышленностью на мощности свыше миллиона киловольт - ампер и на напряжения до 1150 - 1500 кВ. Для передачи и распределения электрической энергии необходимо повысить напряжение турбогенераторов и гидрогенераторов, установленных на электростанциях, с 16 - 24 кВ до напряжений 110, 150, 220, 330, 500, 750 и 1150 кВ, используемых в линиях передачи, а затем снова понизить до 35; 10; 6; 3; 0,66; 0,38 и 0,22 кВ, чтобы использовать энергию в промышленности, сельском хозяйстве и быту. Так как в энергетических системах имеет место многократная трансформация, мощность трансформаторов в 7 - 10 раз превышает установленную мощность генераторов на электростанциях.        Силовой трансформатор — трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и установках, предназначенных для приема и использования электрической энергии. К силовым трансформаторам относятся трансформаторы трехфазные и многофазные мощностью до 6,3 кВт и более, однофазные мощностью 5 кВт и более, выпускаются в основном на частоту 50 Гц. Диапазон частот, на которых могут работать трансформаторы — от нескольких герц до 105 Гц. Силовые трансформаторы можно увидеть невооруженным глазом недалеко от вашего дома в ближайшей «трансформаторной» будке или электрической подстанции. Также силовые трансформаторы установлены вдоль железнодорожного полотна, по которому курсируют поезда на электротяге. 

      Повышающий  трансформатор — трансформатор, у которого первичной обмоткой является обмотка, имеющая более низкое напряжение.  Понижающий трансформатор — трансформатор, у которого первичной обмоткой является обмотка с более высоким напряжением.  Сигнальный трансформатор (согласующий) — трансформатор малой мощности, предназначенный для передачи и преобразования электрических сигналов. 
 Автотрансформатор - трансформатор, две или более обмотки которого гальванически связаны так, что имеют общую точку.    Импульсный сигнальный трансформатор — это сигнальный трансформатор, предназначенный для передачи, формирования, преобразования и запоминания импульсных сигналов.  Коэффициент трансформации трансформатора малой мощности — отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки.              Магнитная индукция — это векторная величина, характеризующая магнитное поле и определяющая силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.     Индуктивная связь – связь электрических цепей посредством магнитного поля.         Измерительные трансформаторы напряжения – это промежуточные трансформаторы, через которые включаются измерительные приборы при высоких напряжениях. Благодаря этому измерительные приборы оказываются изолированными от сети, что делает возможным применение стандартных приборов и тем самым расширяет пределы измеряемых напряжений. Трансформаторы напряжения используются как для измерения напряжения, мощности, энергии, так и для питания цепей автоматики, сигнализаций и релейной защиты линий электропередачи от замыкания на землю. В ряде случаев трансформаторы напряжения могут быть использованы как маломощные понижающие силовые трансформаторы или как повышающие испытательные трансформаторы (для испытания изоляции электрических аппаратов).       Трансформатор тока представляет собой вспомогательный аппарат, в котором вторичный ток практически пропорционален первичному току и предназначенный для включения измерительных приборов и реле в электрические цепи переменного тока. Трансформаторы тока служат для преобразования тока любого значения и напряжения в ток, удобный для измерения стандартными приборами (5 А), питания токовых обмоток реле, отключающих устройств, а также для изолирования приборов и обслуживающего их персонала от высокого напряжения.

Классификация трансформаторов напряжения

      Трансформаторы  напряжения различаются:  

а) по числу фаз  — однофазные и трехфазные;

б) по числу обмоток  — двухобмоточные и трехобмоточные;

в) по классу точности, т. е. по допускаемым значениям погрешностей;

г) по способу  охлаждения — трансформаторы с масляным охлаждением (масляные), с естественным воздушным охлаждением (сухие и с литой изоляцией);

д) по роду установки  — для внутренней установки, для  наружной установки и для комплектных  распределительных устройств (КРУ). Для напряжений до 6 кВ трансформаторы напряжения изготовляют сухими, т. е. с естественным воздушным охлаждением. Для напряжений выше 6 кВ применяют масляные трансформаторы напряжения. Трансформаторы внутренней установки предназначены для работы при температуре окружающего воздуха от -40 до + 45°С с относительной влажностью до 80 %. 

      В однофазных трансформаторах напряжения на 6 к 10 кВ преимущественно применяется литая изоляция. Трансформаторы с литой изоляцией полностью или частично (одни обмотки) залиты изоляционной массой (эпоксидной смолой). Такие трансформаторы, предназначенные для внутренней установки, выгодно отличаются от масляных: имеют меньшие массу и габаритные размеры и почти не требуют ухода в эксплуатации.  

      Трехфазные двухобмоточные трансформаторы напряжения имеют обычные трехстержневые магнитопроводы, а трехобмоточные — однофазные броневые. Трехфазный трехобмоточный трансформатор представляет собой группу из трех однофазных однополюсных единиц, обмотки которых соединены по соответствующей схеме. Трехфазные трехобмоточные трансформаторы напряжения старой серии (до 1968—1969 гг.) имели бронестержневые магнитопроводы. Трехфазный трансформатор меньше по массе и габаритам, чем группа из трех однофазных трансформаторов. При работе трехфазного трансформатора для резерва нужно иметь другой трансформатор на полную мощность.  

      В масляных трансформаторах основной изолирующей и охлаждающей средой является трансформаторное масло. Масляный трансформатор состоит из магнитопровода, обмоток, бака, крышки с вводами. Магнитопровод собирают из изолированных друг от друга (для уменьшения потерь на вихревые токи) листов холоднокатаной электротехнической стали. Обмотки изготовляют из медного или алюминиевого провода. Для регулирования напряжения обмотка ВН имеет ответвления, соединяющиеся с переключателем. В трансформаторах предусмотрено два вида переключении ответвлений: под нагрузкой — РПН (регулирование под нагрузкой) и без нагрузки, после отключения трансформатора от сети — ПБВ (переключение без возбуждения). Наиболее распространен второй способ регулирования напряжения как наиболее простой.  

      Кроме указанных трансформаторов с  масляным охлаждением (ТМ) выпускаются  трансформаторы в герметичном исполнении (ТМГ), в которых масло не сообщается с воздухом и, следовательно, исключается его ускоренное окисление и увлажнение. Масляные трансформаторы в герметичном исполнении полностью заполнены трансформаторным маслом и не имеют расширителя, а температурные изменения его объема при нагревании и охлаждении компенсируются изменением объема гофров стенок бака. Эти трансформаторы заполняются маслом под вакуумом, вследствие чего повышается электрическая прочность их изоляции. 

      Сухой трансформатор, так же как и масляный, состоит из магнитопровода, обмоток ВН и НН, заключенных в защитный кожух. Основной изолирующей и охлаждающей средой является атмосферный воздух. Однако воздух является менее совершенной изолирующей и охлаждающей средой, чем трансформаторное масло. Поэтому в сухих трансформаторах все изоляционные промежутки и вентиляционные каналы делают большими, чем в масляных. Сухие трансформаторы изготовляют с обмотками со стеклоизоляцией класса нагревостойкости В (ТСЗ), а также с изоляцией на кремнийорганических лаках класса Н (ТСЗК). Для уменьшения гигроскопичности обмотки пропитывают специальными лаками. Применение в качестве изоляции обмоток стекловолокна или асбеста позволяет значительно повысить рабочую температуру обмоток и получить практически пожаробезопасную установку. Это свойство сухих трансформаторов дает возможность применять их для установки внутри сухих помещений в тех случаях, когда обеспечение пожарной безопасности устанавливается решающим фактором. Иногда сухие трансформаторы заменяют более дорогими и сложными в изготовлении совтоловыми.  

Сухие трансформаторы имеют несколько большие габаритные размеры и массу (ТСЗ) и меньшую перегрузочную способность, чем масляные, и используются для работы в закрытых помещениях с относительной влажностью не более 80%. К преимуществам сухих трансформаторов относят их пожаробезопасность (отсутствие масла), сравнительную простоту конструкции и относительно малые затраты на эксплуатацию.  

Классификация трансформаторов тока 

      Трансформаторы  тока классифицируются по различным  признакам: 

      1. По назначению трансформаторы тока можно разделить на измерительные, защитные, промежуточные (для включения измерительных приборов в токовые цепи релейной защиты, для выравнивания токов в схемах дифференциальных защит и т. д.) и лабораторные (высокой точности, а такжесо многими коэффициентами трансформации).  

      2. По роду установки различают  трансформаторы тока: 

а) для наружной установки (в открытых распределительных  устройствах);

б) для внутренней установки;

в) встроенные в  электрические аппараты и машины: выключатели, трансформаторы, генераторы и т. д.;

г) накладные  — одевающиеся сверху на проходной  изолятор (например, на высоковольтный ввод силового трансформатора);

д) переносные (для  контрольных измерений и лабораторных испытаний).

      3. По конструкции первичной обмотки  трансформаторы тока делятся на: 

а) многовитковые (катушечные, с петлевой обмоткой и  с восьмерочной обмоткой);

б) одновитковые (стержневые);

в) шинные. 

      4. По способу установки трансформаторы  тока для внутренней и наружной  установки разделяются на: 

а) проходные;

б) опорные. 

      5. По выполнению изоляции трансформаторы  тока можно разбить на группы:

а) с сухой  изоляцией (фарфор, бакелит, литая эпоксидная изоляция и т. д.);

б) с бумажно-масляной изоляцией и с конденсаторной бумажно-масляной изоляцией;

в) с заливкой компаундом. 

      6. По числу ступеней трансформации  имеются трансформаторы тока: 

а) одноступенчатые;

б) двухступенчатые (каскадные).  

      7. По рабочему напряжению различают  трансформаторы: 

а) на номинальное  напряжение выше 1000 В;

б) на номинальное  напряжение до 1000 В. 

      Сочетание различных классификационных признаков  вводится в обозначение типа трансформаторов  тока, состоящее из буквенной и  цифровой частей. 

      Трансформаторы  тока характеризуются номинальным  током, напряжением, классом точности и конструктивным исполнением. На напряжении 6—10 кВ их изготовляют опорными и проходными с одной и двумя вторичными обмотками классов точности 0,2; 0,5; 1 и 3. Класс точности указывает предельную погрешность, вносимую трансформатором тока в результаты измерений. Трансформаторы классов точности 0,2, имеющие минимальную погрешность, используют для лабораторных измерений, 0,5 — для питания счетчиков, 1 и 3 — для питания токовых обмоток реле и приборов технических измерений. Для безопасной эксплуатации вторичные обмотки должны быть заземлены и не должны быть разомкнуты. 

      При монтаже распределительных устройств  напряжением 6—10 кВ применяют трансформаторы тока с литой и фарфоровой изоляцией, а при напряжении до 1000 В —  с литой, хлопчатобумажной и фарфоровой.   

Принцип действия и устройство трансформатора 

      Действие  трансформатора основано на явлении  взаимной индукции. Если первичную  обмотку трансформатора включить в  сеть источника переменного тока, то по ней будет протекать переменный ток, который создаст в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Этот магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки, будет индуктировать в ней электродвижущую силу ( ЭДС ). Если вторичную обмотку замкнуть на какой-либо приемник энергии, то под действием индуктируемой ЭДС по этой обмотке и через приемник энергии начнет протекать ток. Одновременно в первичной обмотке также появится нагрузочный ток. Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, передается из первичной сети во вторичную при напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вторичную сеть. 

      В целях улучшения магнитной связи  между первичной и вторичной  обмотками их помещают на стальной магнитопровод. Обмотки изолируют  как друг от друга, так и от магнитопровода. Обмотка более высокого напряжения называется обмоткой высшего напряжения ( ВН ), а обмотка более низкого напряжения - обмоткой низшего напряжения ( НН ). Обмотка, включенная в сеть источника электрической энергии, называется первичной; обмотка, от которой энергия подается к приемнику, - вторичной. 

      Обычно  напряжения первичной и вторичной  обмоток неодинаковы. Если первичное  напряжение меньше вторичного, трансформатор  называется повышающим, если больше вторичного - понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий. Повышающие трансформаторы применяют для передачи электроэнергии на большие расстояния, а понижающие - для ее распределения между потребителями.  

      В трехобмоточных трансформаторах на магнитопровод помещают три изолированные  друг от друга обмотки. Такой трансформатор, питаемый со стороны одной из обмоток, дает возможность получать два различных напряжения и снабжать электрической энергией две различные группы приемников. Кроме обмоток высшего и низшего напряжения трехобмоточный трансформатор имеет обмотку среднего напряжения ( СН ). 

Обмоткам трансформатора придают преимущественно цилиндрическую форму, выполняя их при малых токах  из круглого медного изолированного провода, а при больших токах - из медных шин прямоугольного сечения.  

Ближе к магнитопроводу располагают обмотку низшего напряжения, так как ее легче изолировать от него, чем обмотку высшего напряжения.  

Обмотку низшего  напряжения изолируют от стержня  прослойкой из какого-либо изолировочного материала. Такую же изолирующую  прокладку помещают между обмотками высшего и низшего напряжения. 

При цилиндрических обмотках поперечному сечению стержня  магнитопровода желательно придать  круглую форму, чтобы в площади, охватываемой обмотками, не оставалось немагнитных промежутков. Чем меньше немагнитные промежутки, тем меньше длина витков обмоток, а следовательно, и масса меди при заданной площади сечения стального стержня. Однако стержни круглого сечения изготовлять сложно. Магнитопровод набирают из тонких стальных листов, и для получения стержня круглого сечения понадобилось бы большое число стальных листов различной ширины, а это потребовало бы изготовления множества штампов. Поэтому в трансформаторах большой мощности стержень имеет ступенчатое поперечное сечение с числом ступеней не более 15-17. Количество ступеней сечения стержня определяется числом углов в одной четверти круга. Ярмо магнитопровода, т. е. та его часть, которая соединяет стержни, имеет также ступенчатое сечение.          Для лучшего охлаждения в магнитопроводах, а также в обмотках мощных трансформаторов устраивают вентиляционные каналы в плоскостях, параллельных и перпендикулярных плоскости стальных листов. 

В трансформаторах  малой мощности площадь сечения  провода мала и выполнение обмоток  упрощается. Магнитопроводы таких трансформаторов имеют прямоугольное сечение.  

Область применения

      Трансформаторы  широко используются в промышленности и быту для различных целей.

      1. Для передачи и распределения электрической энергии.

Обычно на электростанциях  генераторы переменного тока вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6-24 кВ, а передавать электроэнергию на дальние расстояния выгодно при значительно больших напряжениях (110, 220, 330, 400, 500, и 750 кВ). Поэтому на каждой электростанции устанавливают трансформаторы, осуществляющие повышение напряжения. Распределение электрической энергии между промышленными предприятиями, населёнными пунктами, в городах и сельских местностях, а также внутри промышленных предприятий производится по воздушным и кабельным линиям, при напряжении 220, 110, 35, 20, 10 и 6 кВ. Следовательно, во всех распределительных узлах должны быть установлены трансформаторы, понижающие напряжение до величины 220, 380 и 660 В (рис. 1.1)

 
                                                   Рис. 1.1

      2. Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжения на выходе и входе преобразователя. Трансформаторы, применяемые для этих целей, называются преобразовательными.

      3. Для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питания электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др.

      4. Для питания различных цепей радиоаппаратуры, электронной аппаратуры, устройств связи и автоматики, электробытовых приборов, для разделения электрических цепей различных элементов указанных устройств, для согласования напряжения и пр.

      5. Для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов (реле и др.) в электрические цепи высокого напряжения или же в цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности. Трансформаторы, применяемые для этих целей, называются измерительными.