Как работает электрический трансформатор и какова его цель?

Похоже, что трансформаторы способны делать то, что должно быть невозможным, так как они регулируют напряжение без каких-либо движущихся компонентов и без фактора вмешательства. Процесс выполнения этого включает в себя предотвращение соединения двух цепей, при этом настаивая на том, чтобы обе цепи работали в одном и том же магнитном поле.

Эта простая конфигурация является ключом к тому, чтобы системы электроснабжения были возможны, и к тому факту, что домохозяйства, расположенные на расстоянии 300 км от электростанции, могут иметь 230 В. Это на самом деле позволяет системе распределения электроэнергии функционировать.

Трансформатор состоит из двух катушек, которые обернуты вокруг общего магнитного сердечника. В первичной катушке электрический ток приводит к генерации колеблющегося магнитного поля, которое затем индуцирует ток во вторичной катушке. Соотношение витков позволяет определить напряжения, проходящие через обе катушки, так, например, 100 витков будет проходить через 1,000 витков, что приводит к увеличению напряжения с 230 В до 2300 В.

Принцип: Взаимная индукция

Состоящий из двух катушек и одного сердечника, два компонента не вступают в какое-либо электрическое взаимодействие друг с другом. Если первичная часть катушек обеспечивается электрической энергией, то через нее проходит электрический ток и генерирует электромагнитное поле. Ток, используемый в цепи, является переменным, поэтому создаваемое поле постоянно меняется, что приводит к связи со второй катушкой; это приводит к появлению электрического напряжения на последней.

Существуют три основных правила, лежащих в основе рабочего принципа трансформатора:

• Соотношение обмоток трансформатора определит напряжение. Vp/Vs=Np/Ns.
• В два раза большее количество витков приведет к в два раза большему напряжению.
• Энергия сохраняется. Существует принцип сохранения энергии. Входная мощность равна выходной мощности минус специфические потери.
• Импеданс определяется квадратом соотношения витков. Трансформатор с соотношением 10:1 будет выглядеть как нагрузка 100 Ом для первичной катушки.

Сердечник является важной частью. Он изготовлен из слоистого электрического стали, его ориентация такова, что создаваемое поле будет проходить с помощью этого материала, а слоистость материала сделает невозможным создание замкнутых цепей в материале.

Почему он работает только на переменном токе

Для инициирования индукции необходимо наличие потока, который изменяется и меняется со временем. Когда вы используете постоянный ток для создания магнитных полей, это магнитное поле не изменяется со временем и не производит никакого напряжения во вторичной катушке. Этот результат возможен благодаря свойствам электричества, а не из-за самого дизайна трансформатора. Это явление можно практически использовать двумя способами.

Во-первых, трансформатор работает на переменном токе и не работает на постоянном токе. Поэтому он имеет возможность отделять источник постоянного тока от системы переменного тока. Во-вторых, это объясняет, почему трансформатор не может быть использован для преобразования постоянного тока в постоянный ток, поскольку этот тип преобразователя использует переключающую электронику для преобразования постоянного тока в переменный ток и наоборот.

Достаточно интересно, что частота сама по себе играет очень важную роль. Например, трансформатор, спроектированный для 50 Гц, будет насыщаться при 60 Гц только в том случае, если напряжение будет пропорционально уменьшено. Трансформатор на 60 Гц, используемый при напряжении 50 Гц, будет работать в режиме насыщения и, таким образом, производить тепло и шум.

Что он делает в энергетической системе

Понять назначение трансформатора легче, отслеживая электрическую энергию от места генерации до розетки.

Сам генератор производит электричество напряжением 11-25 кВ, что является экономически целесообразной изоляционной способностью генератора. Таким образом, требуется высоковольтная передача энергии. Потери, которым подвержена передача, пропорциональны I²R, поэтому увеличение напряжения в 10 раз уменьшит ток в том же соотношении и уменьшит потери энергии в 100 раз. Таким образом, передача имеет смысл из-за этой зависимости.

При прибытии на место высокое напряжение снижается по ступеням: с 400 кВ до 110 кВ, до 33 кВ, до 11 кВ и, наконец, до 400/230 В на распределительном трансформаторе (трансформаторе, обслуживающем улицу или здание). Каждая ступень — это трансформатор, и каждый трансформатор используется для того, чтобы этап мог быть построен экономически.

Таким образом, назначение трансформатора можно разделить на четыре функции, которые часто путают:

• Преобразование напряжения для передачи и для безопасного использования
• Преобразование тока, которое происходит автоматически и позволяет передавать высокий ток при низком напряжении
• Гальваническая изоляция, так что ни одна сторона трансформаторного элемента не может подать напряжение на противоположную сторону, и проект системы может быть обеспечен заземлением независимо
• Согласование импеданса и ограничение короткого замыкания, так как доступные данные указывают на то, что импеданс трансформатора создается намеренно для целей защиты.

Разница между двумя основными семействами в распределительной работе и то, какое из них должен указывать проект, изложена в этом сравнении силовых и распределительных трансформаторов.

Куда уходит энергия

Трансформаторы практически никогда не свободны от потерь, но знание точек, где эти потери происходят, дает значительное понимание их поведения.

Потери в сердечнике имеют две формы. Во-первых, есть гистерезис (магнитные домены переворачиваются), и во-вторых, есть потери на вихревые токи (токи, циркулирующие в стали). Эти потери происходят независимо от того, находится ли трансформатор под напряжением или под нагрузкой, так как они присущи его конструкции.

Потери меди с сопротивлением обмоток рассчитываются как I²R. Это означает, что при половинной нагрузке эта потеря составляет одну четверть полной нагрузки.

Поскольку одна из этих потерь постоянна, а другая увеличивается с квадратом нагрузки, оптимальная эффективность трансформатора наблюдается при нагрузке, при которой потери равны. Таким образом, если одна потеря увеличивается с нагрузкой, другая не увеличивается.

Потери трансформации постоянны на протяжении всей работы; следовательно, эффективность трансформатора наилучша, когда они равны, что предусмотрено конструкцией. Методы описаны в этом руководстве по тестированию трансформатора.

Основным типам и их назначению

Большинство предложений, которые сопровождают покупателя, поступают от четырех семейств трансформаторов.

Масляные распределительные трансформаторы — это те, которые находятся либо на столбах, либо в установках на плите. Масло служит как изоляцией, так и охлаждающей жидкостью, что делает эти трансформаторы компактными и дешевыми для их диапазонов мощности от 25 кВА до 2500 кВА.

Сухие трансформаторы используют воздух и твердую изоляцию вместо масла, которое обычно изготавливается из литого эпоксидного смолы. Они применяются в помещениях, в различных конструкциях, туннелях, больницах и центрах обработки данных, где риск возгорания масла недопустим. Хотя сухие трансформаторы могут стоить дороже масляных при одинаковом номинале мощности, они устраняют один тип риска.

Силовые трансформаторы — это большие устройства, которые используются на подстанциях передачи, предназначенные для высоких напряжений и пропускной способности и долгого срока службы, оснащенные переключателями нагрузки и системами охлаждения.

Оставшиеся специализированные устройства включают измерительные трансформаторы, которые преобразуют ток и напряжение для измерительных или защитных целей, изоляционные трансформаторы для гальванической развязки, автотрансформаторы для небольших изменений напряжения и трансформаторы с K-рейтинговыми или гармоническими характеристиками для работы с нелинейными нагрузками.

Внутренний случай — это место, где выбор чаще всего оспаривается, и классы, коды охлаждения и ограничения, которые его определяют, рассматриваются в этом обзоре трансформаторов распределения сухого типа.

Что он не может сделать

Существует три заблуждения, которые приводят к реальным ошибкам в спецификациях.

• Он не производит никакой энергии. Трансформатор увеличивает напряжение с 230 В до 2300 В, уменьшая ток в тех же пропорциях. Любое утверждение о способности трансформатора увеличивать выходную мощность является признаком ошибки измерения или мошенничества.
• Он не изменяет частоту. Вход 50 Гц дает выход 50 Гц. Чтобы изменить частоту, необходима вращающаяся машина или преобразователь силовой электроники.
• Он также не обеспечивает коррекцию коэффициента мощности. То, что делает трансформатор, — это создание собственного реактивного спроса без коррекции для других; коррекция коэффициента мощности — это задача либо конденсатора, либо активного фильтра.

Он также не защищает от всего. Трансформатор ограничивает ток короткого замыкания через свое сопротивление и способен разделять заземления, но он не отключает неисправность, не ограничивает импульс и не регулирует напряжение, если у него нет переключателя отводов или электронного регулятора.

Где трансформаторы находятся на подстанции

Его можно назвать подстанцией, потому что все оборудование служит единственной целью — установлению соединения, защиты и измерения трансформатора, а однолинейная схема является лучшим и самым быстрым способом получить представление об установке.

Цепь приходит к разъединителю, затем проходит через автоматический выключатель и токовые трансформаторы, прежде чем войти в трансформатор. То же самое верно и для выходного пути, подходящего для измерительных трансформаторов напряжения, распределительных устройств для защиты от импульсов и заземляющих переключателей для облегчения обслуживания. Каждый компонент существует, потому что трансформатор не может этого сделать.

Эта конфигурация и соответствующие ей номиналы — это то, что компоненты электрической подстанции спецификация на самом деле описывает, и ее стоит прочитать перед покупкой трансформатора самостоятельно, потому что трансформатор редко является предметом, который задерживает проект.

Что мы строим

Компания производит масляные и сухие трансформаторы мощностью от 25 кВА, включая трансформаторы с номинальным напряжением 11, 20 и 33 кВ для рынков Азии, Африки и Ближнего Востока.

Спецификации скучны. На самом деле, они включают данные, такие как тип сердечника, тип провода и соединения, диапазон напряжения и степень потерь, но не гарантии относительно них. Все это записано в предложении, а не предполагается, что является тем, на чем основан наш ассортимент распределительных трансформаторов с масляным охлаждением .

В случаях, когда для проекта требуются конкретные уровни потерь для соответствия определенным нормативам эффективности, конструкция обмотки и класс сердечника должны быть выбраны так, чтобы превышать эти уровни с комфортным запасом, потому что трансформатор, который достигает своей цели по достижению потерь 0.5% на испытательном стенде, не гарантирует срок службы в пределах этого запаса в течение тридцати лет.

Часто задаваемые вопросы

Можете объяснить, как работает трансформатор простым языком?

Есть две катушки провода, которые имеют стальной сердечник, но отделены друг от друга. Первая катушка имеет переменный ток, проходящий через нее, который создает переменное магнитное поле, в то время как вторая катушка преобразует это переменное поле обратно в ток. Большее количество витков на второй катушке увеличивает количество генерируемого тока, в то время как меньшее количество витков будет иметь противоположный эффект.

Нужен ли трансформатор в каждом доме?

Нет единого трансформатора для каждого дома. Трансформатор, обслуживающий дом, обычно обслуживает улицу или целое здание. Это трансформатор, установленный на столбе или на площадке, который преобразует 11 кВ или 33 кВ в 400/230 В. Дому нужен трансформатор, предназначенный только для случаев, когда входная линия электропередачи предоставляет другое напряжение, когда есть значительная нагрузка, требующая отдельного трансформатора, или когда вопросы безопасности и шума требуют изоляции.

Что может вывести трансформатор из строя?

Частые нагрузки, короткое замыкание на вторичной стороне, потеря охлаждения, низкий уровень масла в устройстве, наличие влаги в изоляции и удар молнии, достигающий обмотки. На практике последовательность обычно одинакова: сначала возникает перегрузка или проблема с охлаждением, за которой следует разрушение изоляции. Это включает действия, предпринятые защитными устройствами, предотвращающими разрушение.

Каково правило 80% для трансформаторов?

Это практика проектирования, а не требование кодекса: работа трансформатора на 80% от его номинальной мощности позволяет учесть окружающую температуру, гармоники, временные перегрузки и будущие разработки, попадая точно в диапазон наилучшей эффективности. Связанные правила кодекса совершенно иные: устройство защиты от перегрузки на первичной цепи обычно устанавливается на 125% от номинального тока первичной цепи; это касается защиты трансформатора, а не его нагрузки.

Ссылки

• Ormazabal — Как работает электрический трансформатор
• ABB — Технология и применение трансформаторов
• Siemens Energy — Трансформаторы для энергетики и распределения
• Hitachi Energy — Основы трансформаторов и применения в сетях
• Nynas — Масло для трансформаторов и характеристики изоляции

Заключение

Две катушки вместе с сердечником образуют магнитную цепь, и именно здесь начинается работа трансформатора. Все остальные устройства и инженерные задачи помогают поддерживать эту технологию в рабочем состоянии.

Сообщите нам о соотношении напряжения, которое вы ищете, номинальной мощности вместе с применением и уровнем потерь, чтобы наши специалисты могли выбрать необходимый проект трансформатора с охлаждением и импедансом, соответствующим вашим требованиям.