Трехфазные трансформаторы

ФГАОУ ВПО  Северо-восточный Федеральный Университет 

им. М.К. Аммосова

Геолого-разведочный  факультет

Кафедра геофизических методов поиска и  разведки месторождений полезных ископаемых 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа

По дисциплине «Электротехника и электроника»

Трехфазные трансформаторы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: ст. гр. ГФ-08

Николаева Александра

Проверил:

 Т.Г.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Якутск 2011

Содержание

Введение

1. История
2. Трансформаторы. Общие сведения
3. Виды трансформаторов
4. Основные части конструкции трансформатора

 

1. История

 

Для создания трансформаторов необходимо было изучение свойств материалов: неметаллических, металлических и магнитных, создания их теории. Столетов Александр Григорьевич (профессор МУ) сделал первые шаги в  этом направлении — обнаружил  петлю гистерезиса и доменную структуру ферромагнетика (1880-е). Братья Гопкинсоны разработали теорию электромагнитных цепей. В 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции, лежащее в основе действия электрического трансформатора, при проведении им основополагающих исследований в области электричества. Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своём приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного тока. В 1848 году французский механик Г. Румкорф изобрёл индукционную катушку особой конструкции. Она явилась прообразом трансформатора. 30 ноября 1876 года, дата получения патента Яблочковым Павлом Николаевичем, считается датой рождения первого трансформатора. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки. Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон. Большую роль для повышения надежности трансформаторов сыграло введение масляного охлаждения (конец 1880-х годов, Д.Свинберн). Свинберн помещал трансформаторы в керамические сосуды, наполненные маслом, что значительно повышало надежность изоляции обмоток. С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току. Русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский в 1889 г. предложил трёхфазную систему переменного тока, построил первый трёхфазный асинхронный двигатель и первый трёхфазный трансформатор. На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891 г. Доливо-Добровольский демонстрировал опытную высоковольтную электропередачу трёхфазного тока протяжённостью 175 км. Трёхфазный генератор имел мощность 230 кВт при напряжении 95 В. 1928 год можно считать началом производства силовых трансформаторов в СССР, когда начал работать Московский трансформаторный завод (впоследствии — Московский электрозавод). В начале 1900-х годов английский исследователь-металлург Роберт Хедфилд провёл серию экспериментов для установления влияния добавок на свойства железа. Лишь через несколько лет ему удалось поставить заказчикам первую тонну трансформаторной стали с добавками кремния. Следующий крупный скачок в технологии производства сердечников был сделан в начале 30-х годов XX в, когда американский металлург Норман П. Гросс установил, что при комбинированном воздействии прокатки и нагревания у кремнистой стали появляются незаурядные магнитные свойства в направлении прокатки: магнитное насыщение увеличивалось на 50 %, потери на гистерезис сокращались в 4 раза, а магнитная проницаемость возрастала в 5 раз. 

2. Трансформаторы. Общие сведения

 

   При передаче электроэнергии от электростанций к потребителям часть энергии теряется за счет нагревания проводов. Снизить эти потери можно, уменьшая силу тока в линиях передач, поскольку Q=I²Rt. Существует множество других ситуаций, когда необходимо изменить силу тока или напряжение. В этих случаях используют трансформатор.

   Трансформатором называется статическое, т.е. без движущихся частей, электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования одних значений параметров переменного напряжения и тока в другие значения той же частоты.

Основа  трансформатора – две катушки (за исключением автотрансформатора) с обмотками: первичной, подключенной к источнику переменного тока, и вторичной, куда подключается потребитель. Катушки индуктивно связаны, они надеты на замкнутый сердечник, изготовленный из специальной трансформаторный стали.

   Действие  трансформатора основывается на законе электромагнитной индукции. Когда по первичной обмотке проходит  переменный ток, в сердечнике появляется переменное магнитное поле. Оно наводит ЭДС  индукции во вторичной обмотке. Можно показать, что для трансформатора выполняется такое соотношение:

   

где U₁ и U₂, N₁ и N₂, соответственно, напряжения и число витков в первичной и вторичной обмотках, а К – коэффициент трансформации.

     Для усиления индуктивной связи и снижения влияния вихревых токов в большинстве трансформаторов обмотки размещаются на магнитопроводе, собранном из листовой стали (рис  ).

   Обмотка трансформатора, подключенная к источнику (приемнику) энергии, называется первичной (вторичной). Соответственно все величины, относящиеся к первичной (вторичной) обмотке, называются первичными (вторичными) и буквенные обозначения имеют индекс 1 (2).

   Если  первичное напряжение U₁ трансформатора меньше (больше) вторичного, то трансформатор называется повышающим (понижающим). По значению напряжения различают обмотку высшего напряжения (ВН) и обмотку низшего напряжения (НН).

   При нагрузке трансформатора близкой к  номинальной преобразование переменного  тока одного напряжения происходит практически  без потери мощности: I₁U₁≈I₂U₂.

   Поэтому

   Значит  во сколько раз трансформатор  повысит напряжение, во столько же раз уменьшится сила тока. Конечно  же эти соотношения являются приближенными, хотя бы по той причине, что не удается  избавиться от тепловых потерь как в обмотках, так и в сердечнике. Однако современные технологии позволяют производить трансформаторы, КПД которых может составлять 97–98%.

   В соответствии с назначением различают: силовые трансформаторы для питания  электрических двигателей и осветительных сетей; специальные трансформаторы для питания сварочных аппаратов, электропечей и других потребителей особого назначения; измерительные трансформаторы для подключения измерительных приборов. По числу фаз трансформаторы делятся на однофазные (для цепей однофазного тока) и трехфазные (для трехфазных цепей). Трансформаторы, используемые в технике связи, делятся на низкочастотные и высокочастотные.

   Расчетные мощности трансформаторов весьма различны – от долей вольт-ампера до десятков тысяч киловольт-ампер; рабочие частоты – от единиц герц до сотен килогерц. 

   На  щитке трансформатора указывается  номинальные значения полной мощности, напряжений – высшего и низшего, токов, частоты, а также число фаз и схема их соединения. Для трансформаторов большой мощности могут указываться дополнительные характеристики режима работы (длительный или кратковременный), способ охлаждения и др.

   Трансформаторы  мощностью до 1000 В × А используются в устройствах промышленной электроники для питания электрически изолированных частей цепи. Трансформаторы мощностью более 10 кВ × А называются силовыми и используются в электроэнергетике для экономичной передачи электрической энергии от трехфазных генераторов с линейным напряжением 6,3–38,5 кВ по линиям электропередачи с линейным напряжением до 750 кВ и распределения между различными приемниками с линейным напряжением от 11 кВ и ниже. Чем выше напряжение линий передачи тем меньше ток в ее проводах при той же полной мощности S = UI и, следовательно, потери энергии.  

3. Виды  трансформаторов

 

   Силовой трансформатор — трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии.

   Автотрансформатор — вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения. Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию — это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно. Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью. Применение автотрансформаторов экономически оправдано вместо обычных трансформаторов для соединения эффективно заземленных сетей с напряжением 110 кВ и выше при коэффициентах трансформации не более 3-4.Существенным является меньший расход стали для сердечника, меди для обмоток, меньший вес и габариты, и в итоге — меньшая стоимость.

   Трансформатор тока — трансформатор, питающийся от источника тока. Типичное применение — для снижения первичного тока до величины, используемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации. Номинальное значение тока вторичной обмотки 1А , 5А. Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, равен току первичной обмотки, деленному на коэффициент трансформации. Вторичная обмотка токового трансформатора должна быть надёжно замкнута на низкоомную нагрузку измерительного прибора или накоротко. При случайном или умышленном разрыве цепи возникает скачок напряжения, опасный для изоляции, окружающих электроприборов и жизни техперсонала.

   Трансформатор напряжения — трансформатор, питающийся от источника напряжения. Типичное применение — преобразование высокого напряжения в низкое в цепях, в измерительных цепях и цепях РЗиА. Применение трансформатора напряжения позволяет изолировать логические цепи защиты и цепи измерения от цепи высокого напряжения.

   Импульсный  трансформатор — это трансформатор, предназначенный для преобразования импульсных сигналов с длительностью импульса до десятков микросекунд с минимальным искажением формы импульса. Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса (максимально крутой фронт и срез, относительно постоянная амплитуда). Он служит для трансформации кратковременных видеоимпульсов напряжения, обычно периодически повторяющихся с высокой скважностью. В большинстве случаев основное требование, предъявляемое к ИТ заключается в неискажённой передаче формы трансформируемых импульсов напряжения; при воздействии на вход ИТ напряжения той или иной формы на выходе желательно получить импульс напряжения той же самой формы, но, быть может, иной амплитуды или другой полярности.

   Разделительный трансформатор — трансформатор, первичная обмотка которого электрически не связана со вторичными обмотками. Силовые разделительные трансформаторы предназначены для повышения безопасности электросетей, при случайных одновременных прикасаний к земле и токоведущим частям или нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения изоляции. Сигнальные разделительные трансформаторы обеспечивают гальваническую развязку электрических цепей.

   Пик-трансформатор — трансформатор, преобразующий напряжение синусоидальной формы в импульсное напряжение с изменяющейся через каждые полпериода полярностью.

   Сдвоенный дроссель (встречный  индуктивный фильтр) — конструктивно является трансформатором с двумя одинаковыми обмотками. Благодаря взаимной индукции катушек он при тех же размерах более эффективен, чем обычный дроссель. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике.

   Трансфлюксор — разновидность трансформатора, используемая для хранения информации. Основное отличие от обычного трансформатора — это большая величина остаточной намагниченности магнитопровода. Иными словами трансфлюксоры могут выполнять роль элементов памяти. Помимо этого трансфлюксоры часто снабжались дополнительными обмотками, обеспечивающими начальное намагничивание и задающими режимы их работы. Эта особенность позволяла (в сочетании с другими элементами) строить на трансфлюксорах управляемых генераторов, элементов сравнения и искусственных нейронов. 

4. Основные  части конструкции  трансформатора

 

   В практичной конструкции трансформатора производитель выбирает между тремя  различными базовыми концепциями:

   • Стержневой

   • Броневой

   • Тороидальный

   Любая из этих концепций не влияет на эксплуатационные характеристики или эксплуатационную надёжность трансформатора, но имеются существенные различия в процессе их изготовления.

   В то время как обмотки стержневого  типа заключают в себе сердечник, сердечник броневого типа заключает в себе обмотки. Если смотреть на активный компонент (т.e. сердечник с обмотками) стержневого типа, обмотки хорошо видны, но они скрывают за собой стержни магнитной системы сердечника. Видно только верхнее и нижнее ярмо сердечника. В конструкции броневого типа сердечник скрывает в себе основную часть обмоток.