В процессе преобразования и распределения электроэнергии трансформаторы незаменимы, поэтому очень важно знать и понимать их основные принципы работы.
1. Что такое трансформатор?
В цепях переменного тока устройство, повышающее или понижающее напряжение, называется трансформатором. Трансформатор может преобразовывать напряжение любого значения в необходимое нам напряжение той же частоты, удовлетворяя требованиям передачи, распределения и использования электроэнергии. Например, электроэнергия, вырабатываемая электростанцией, имеет низкий уровень напряжения, и его необходимо повысить для передачи в удалённые районы потребления. В районах потребления напряжение должно быть понижено до подходящего уровня для питания электрооборудования и бытовых приборов.
2. Как трансформатор преобразует напряжение?
Трансформаторы работают на основе электромагнитной индукции. Они состоят из сердечника, собранного из листов электротехнической стали (или кремнистой стали), и двух катушек, намотанных на этот сердечник. Сердечник и катушки изолированы друг от друга и не имеют электрического соединения. Катушка, подключённая к источнику питания, называется первичной обмоткой (или первичной стороной), а катушка, подключённая к электрооборудованию, — вторичной обмоткой (или вторичной стороной). Когда первичная обмотка трансформатора подключается к источнику переменного тока, в сердечнике создаются изменяющиеся магнитные силовые линии.
Поскольку вторичная обмотка намотана на тот же сердечник, магнитные силовые линии пересекают её, и на вторичной обмотке возникает электродвижущая сила, создавая напряжение на её концах. Поскольку магнитное поле переменное, напряжение на вторичной обмотке также является переменным, а его частота полностью совпадает с частотой сети.
Теоретически подтверждено, что соотношение напряжений между первичной и вторичной обмотками трансформатора связано с соотношением числа витков этих обмоток, что выражается формулой: напряжение первичной обмотки / напряжение вторичной обмотки = число витков первичной обмотки / число витков вторичной обмотки. Это означает, что чем больше витков, тем выше напряжение. Таким образом, если число витков вторичной обмотки меньше, чем первичной, это понижающий трансформатор. В противном случае — повышающий.
3. Какие существуют типы конструкций трансформаторов?
(1) По числу фаз: однофазные и трёхфазные трансформаторы.
(2) По назначению: силовые трансформаторы, специальные силовые трансформаторы, регулировочные трансформаторы, измерительные трансформаторы (трансформаторы напряжения и тока), маломощные трансформаторы (для оборудования малой мощности) и безопасные трансформаторы.
(3) По конструкции: стержневые и броневые. Обмотки бывают двухобмоточные и многообмоточные, а также автотрансформаторы.
(4) По способу охлаждения: масляные и воздушные.
4. Из каких компонентов состоит трансформатор?
Основными компонентами трансформатора являются сердечник и обмотки, а также бак, расширительный бак, изоляционные вводы и переключатели ответвлений.
5. Для чего используется трансформаторное масло?
Функции трансформаторного масла:
(1) Изоляция.
(2) Охлаждение.
(3) Гашение дуги.
6. Что такое автотрансформатор?
Автотрансформатор имеет только одну обмотку, а вторичная обмотка является отводом от первичной. Помимо передачи посредством электромагнитной индукции, вторичная обмотка также передает электрическую энергию напрямую. Такой трансформатор требует меньше листов электротехнической стали и медного провода по сравнению с обычным трансформатором и часто используется для регулирования напряжения.
7. Как осуществляется регулировка в регуляторе напряжения?
Конструкция регулятора напряжения аналогична автотрансформатору, но его сердечник выполнен в виде тороида, а обмотка намотана вокруг этого тороидального сердечника.
Отвод вторичной обмотки выполнен с помощью скользящего щеточного контакта, который перемещается по кольцевой поверхности обмотки, обеспечивая плавное регулирование напряжения.
8. Каково соотношение токов в первичной и вторичной обмотках трансформатора?
При работе трансформатора под нагрузкой изменение тока во вторичной обмотке вызывает соответствующее изменение тока в первичной обмотке. Согласно принципу баланса магнитодвижущих сил, токи в первичной и вторичной обмотках обратно пропорциональны количеству витков: сторона с большим числом витков имеет меньший ток, сторона с меньшим числом витков — больший. Это можно выразить формулой: ток первичной обмотки / ток вторичной обмотки = число витков вторичной обмотки / число витков первичной обмотки.
9. Что такое коэффициент изменения напряжения трансформатора?
Коэффициент изменения напряжения является одним из основных показателей трансформатора. При питании нагрузки напряжение на её зажимах неизбежно снижается. Процентное отношение разности между номинальным напряжением и этим сниженным напряжением к номинальному напряжению называется коэффициентом изменения напряжения. Его можно выразить формулой: коэффициент изменения напряжения = [(номинальное вторичное напряжение - напряжение на нагрузке) / номинальное вторичное напряжение] × 100%. Для обычного силового трансформатора при номинальной нагрузке этот коэффициент составляет 4–6%.
10. Как обеспечить выдачу трансформатором номинального напряжения?
Слишком высокое или слишком низкое напряжение влияет на нормальную работу и срок службы трансформатора, поэтому необходимо регулировать напряжение.
Метод регулирования заключается в выполнении нескольких отводов от первичной обмотки и подключении их к переключателю ответвлений. Переключатель изменяет число витков в цепи, поворачивая контакты. Путем изменения положения переключателя можно получить требуемое номинальное напряжение. Важно отметить, что регулирование напряжения обычно следует проводить после отключения нагрузки от трансформатора.
11. Что такое маломощный трансформатор общего назначения? Где он применяется?
Маломощными трансформаторами обычно называют однофазные трансформаторы мощностью менее 1 кВА. Они часто используются в качестве управляющих трансформаторов для электрооборудования, силовых трансформаторов для электронной аппаратуры и трансформаторов для безопасного освещения.
12. Какие потери возникают в трансформаторе при работе? Как их уменьшить?
Потери в работающем трансформаторе состоят из двух частей:
(1) Потери в сердечнике. При протекании тока по обмоткам из-за переменного магнитного потока в сердечнике возникают вихревые токи и потери на гистерезис. Эти потери вместе называются потерями в стали (или магнитными потерями).
(2) Потери, вызванные сопротивлением самих обмоток. При прохождении тока через первичную и вторичную обмотки трансформатора происходит потеря мощности. Эти потери называются потерями в меди (или электрическими потерями).
Сумма потерь в стали и потерь в меди составляет потери трансформатора, и эти потери связаны с мощностью трансформатора, напряжением и использованием оборудования. Поэтому при выборе трансформатора мощность оборудования должна максимально соответствовать фактическому использованию для повышения коэффициента использования оборудования, и следует избегать работы трансформатора при малой нагрузке.
13. Что такое паспортная табличка трансформатора? Какие основные технические данные указаны на паспортной табличке?
Паспортная табличка трансформатора указывает на его характеристики, технические параметры и условия применения, помогая пользователю в выборе. Обычно основными техническими данными, на которые следует обращать внимание, являются:
(1) Номинальная мощность в кВА. Это выходная мощность трансформатора в номинальном режиме. Например, номинальная мощность однофазного трансформатора = Uлинейное × Iлинейное; мощность трехфазного трансформатора = Uлинейное × Iлинейное.
(2) Номинальное напряжение в вольтах. Указываются соответственно напряжение на зажимах первичной обмотки и напряжение на зажимах вторичной обмотки (при отсутствии нагрузки). Обратите внимание, что для трехфазного трансформатора напряжение на зажимах указывает значение линейного напряжения Uлинейное.
(3) Номинальный ток в амперах. Это значение линейного тока Iлинейное, который первичная и вторичная обмотки могут длительно пропускать в условиях номинальной мощности и допустимого нагрева.
(4) Коэффициент трансформации. Отношение номинального напряжения первичной обмотки к номинальному напряжению вторичной обмотки.
(5) Схема соединения обмоток. Однофазные трансформаторы имеют только одну группу обмоток высокого и низкого напряжения и используются только в однофазных сетях, в то время как трехфазные трансформаторы могут иметь схемы соединения Y/△. Помимо вышеуказанных технических данных, на табличке также указываются номинальная частота трансформатора, число фаз, допустимый перегрев, процентное сопротивление трансформатора и т.д.
14. Как выбрать трансформатор? Как определить рациональную мощность трансформатора?
Прежде всего, необходимо изучить напряжение питающей сети в месте использования, фактическую нагрузку потребителя и местные условия, а затем сделать выбор в соответствии с техническими данными, указанными на паспортной табличке трансформатора. Обычно следует комплексно учитывать мощность, напряжение, ток и условия окружающей среды трансформатора. Особое внимание уделяется выбору мощности. Мощность трансформатора следует выбирать в соответствии с мощностью, характером и временем использования электрооборудования потребителя для определения требуемой нагрузки. При нормальной эксплуатации нагрузка трансформатора должна составлять примерно 75-90% от его номинальной мощности. В процессе эксплуатации, если измеренная фактическая нагрузка трансформатора составляет менее 50%, следует заменить его на трансформатор меньшей мощности. Если же нагрузка превышает номинальную мощность трансформатора, необходимо немедленно заменить его на трансформатор большей мощности.
Одновременно при выборе трансформатора напряжение первичной обмотки определяется в соответствии с напряжением питающей сети, а напряжение вторичной обмотки выбирается в соответствии с напряжением электрооборудования. Предпочтительно выбирать низковольтное трехфазное четырехпроводное питание. Это позволяет одновременно обеспечивать силовую и осветительную нагрузку.
При выборе тока следует учитывать, чтобы нагрузка могла удовлетворять требованиям электродвигателя при его пуске (поскольку пусковой ток двигателя в 4-7 раз превышает ток при установившемся режиме работы).
15. Почему трансформатор нельзя перегружать?
Перегрузка означает работу трансформатора при токе, превышающем значение, указанное на паспортной табличке.
Перегрузка делится на нормальную и аварийную. Первая относится к увеличению энергопотребления пользователя в условиях нормального электроснабжения. Это часто приводит к повышению температуры трансформатора, ускорению старения изоляции и сокращению срока службы. Поэтому работа трансформатора в режиме перегрузки не допускается.
В особых условиях кратковременная перегрузка трансформатора не должна превышать 30% от номинальной нагрузки (зимой) и 15% летом.
16. Какие виды испытаний должен проходить трансформатор в процессе эксплуатации?
Для обеспечения нормальной работы трансформатора необходимо регулярно проводить следующие испытания:
(1) Измерение температуры. Температура является важнейшим показателем нормальной работы трансформатора. Согласно нормативам, температура верхних слоёв масла не должна превышать 85°C (т.е. превышение температуры составляет 55°C). Обычно трансформаторы оснащаются специальными устройствами для измерения температуры.
(2) Определение нагрузки. Для повышения коэффициента использования трансформатора и снижения потерь электроэнергии в процессе эксплуатации необходимо определять фактическую пропускную способность трансформатора. Замеры обычно проводятся в периоды пикового потребления электроэнергии каждого сезона с помощью токоизмерительных клещей. Значение тока должно составлять 70–80% от номинального тока трансформатора. Превышение указывает на перегрузку, требующую немедленного регулирования.
(3) Измерение напряжения. Согласно требованиям, отклонение напряжения должно находиться в пределах ±5% от номинального значения. При превышении этого диапазона следует использовать ответвления обмотки для регулировки напряжения до установленных пределов. Обычно вольтметром измеряют напряжение на выводах вторичной обмотки и напряжение у конечного потребителя.
(4) Определение сопротивления изоляции. Для поддержания трансформатора в нормальном рабочем состоянии необходимо измерять сопротивление изоляции, чтобы предотвратить старение изоляции и аварии. При измерении следует по возможности остановить работу трансформатора и использовать мегомметр для определения значения сопротивления изоляции. Требуется, чтобы измеренное сопротивление было не ниже 70% от ранее зафиксированного значения. При выборе мегомметра для низковольтных обмоток можно использовать прибор с напряжением 500 вольт.
17. Что такое полярность трансформатора? Какова её роль в практическом применении?
Полярность трансформатора обозначает взаимное соотношение потенциалов выводов обмоток высшего и низшего напряжения в один и тот же момент времени. Поскольку величина и направление электродвижущей силы постоянно меняются, в определённый момент на выводах первичной и вторичной обмоток обязательно будут присутствовать одновременно два вывода с высоким потенциалом и два с низким. Соответствующие выводы с высоким потенциалом называются одноимёнными выводами трансформатора. Таким образом, полярность трансформатора определяется направлением намотки обмоток, и при изменении направления намотки меняется и полярность. На практике полярность трансформатора является основой для их параллельного соединения. В зависимости от полярности можно получить различные схемы включения обмоток. При неправильном соединении полярностей часто возникает большой ток короткого замыкания, который может вывести трансформатор из строя. Поэтому при использовании трансформатора необходимо обращать внимание на маркировку на его паспортной табличке.
18. Как определить полярность трансформатора?
Если паспортная табличка трансформатора нечитаема или трансформатор старый, полярность можно определить экспериментально. Существует два метода:
(1) Метод постоянного тока.
При испытании однофазного трансформатора к первичной обмотке подключают батарейку на 1,5 вольта, а к вторичной — милливольтметр постоянного тока. При замыкании выключателя K стрелка отклоняется в положительном направлении (или при размыкании выключателя отклоняется в отрицательном направлении), что указывает на одинаковую полярность положительного вывода батареи и вывода, к которому подключён прибор, или на одноимённость выводов. Для определения полярности и группы соединения обмоток трёхфазных трансформаторов чаще всего применяют метод постоянного тока.
(2) Метод переменного тока.
Соедините проводами пару одноимённых концов первичной и вторичной обмоток. Затем подайте низкое переменное напряжение между первичными обмотками AX для удобства измерений. Используйте вольтметр для измерения значения напряжения V1 между AX, значения напряжения V2 между XX и значения напряжения V3 между ax. Если значение V2 представляет собой разность напряжений V1 и V3, то Aa является одноимённым выводом; если значение V2 представляет собой сумму напряжений V1 и V3, то AX является одноимённым выводом. Содержание обхода трансформатора. Нормален ли звук трансформатора; есть ли просачивание и утечка масла; нормальны ли маслоуказатель и уровень масла; есть ли газ внутри газового реле; исправен ли дыхатель; не вышел ли из строя и не изменил ли цвет осушитель; нормален ли внутренний звук трансформатора; не перегреваются ли кабели и шины отводов, не сместились, не деформировались и т.д.
Kingrun Transformer Instrument Co.,Ltd.
Больше тестеров трансформаторов от Kingrun
