Трансформаторы переменного тока
Трансформаторы переменного тока являются одним из ключей, позволяющих широко распространять электроэнергию, как мы ее видим сегодня. Трансформаторы эффективно преобразуют электроэнергию в более высокое напряжение для передачи на большие расстояния и поддерживают низкое напряжение, подходящее для использования потребителем.
Основы силовых трансформаторов переменного тока для студентов и начинающих (на фото: Силовой трансформатор подстанции на подстанции Брайс-стрит в Гамильтоне NZ, кредит: Райан О'Коннор через Flickr)
Распределительный трансформатор обычно служит в качестве окончательного перехода к клиенту и часто обеспечивает локальную ссылку на заземление. Большинство распределительных цепей имеют сотни распределительных трансформаторов.
У распределительных фидеров также могут быть и другие трансформаторы: регуляторы напряжения, банки подающего механизма для интерфейсных цепей разного напряжения и заземляющие банки.
Что делает трансформатор переменного тока на самом деле?
Трансформатор эффективно преобразует электроэнергию с одного уровня напряжения в другой. Трансформатор представляет собой два набора катушек, соединенных вместе через магнитное поле. Магнитное поле передает всю энергию (за исключением автотрансформатора). В идеальном трансформаторе (рис. 1) напряжения на входе и выходе связаны коэффициентом поворота трансформатора:
V 1 = V 2 × N 1 / N 2
где:
- N 1 и N 2 - количество оборотов и
- V 1 и V 2 - напряжение на обмотках 1 и 2
В реальном трансформаторе не все пары потоков между обмотками. Этот поток утечки создает падение напряжения между обмотками, поэтому напряжение более точно описывается:
V 1 = N 1 / N 2 × V 2 - X L × I 1
где:
- X L - реактивное сопротивление утечки в омах, как видно из обмотки 1, и
- I 1 - ток, выходящий из обмотки 1.
Ток также преобразуется по коэффициенту оборотов, противоположному напряжению, как:
I 1 = I 2 × N 2 / N 1
Ампер-повороты остаются постоянными при N 1 × I 1 = N 2 × I 2. Это фундаментальное соотношение хорошо подходит для распределительных и силовых трансформаторов.
Трансформатор имеет магнитный сердечник, который может переносить большие магнитные поля. Холоднокатаные, ориентированные на зерно стали, используемые в стержнях, имеют проницаемость, превышающую в 1000 раз больше, чем у воздуха. Сталь обеспечивает очень низкий уровень сопротивления магнитным полям, создаваемым током через обмотки.
Рисунок 1 - Идеальный трансформатор и индукционный закон
Рассмотрим напряжение, прикладываемое к первичной стороне (сторона источника, сторона высокого напряжения) без нагрузки на вторичной стороне (сторона нагрузки, сторона с низким напряжением). Обмотка вытягивает возбуждающий ток из системы, которая устанавливает синусоидальное магнитное поле в ядре. Флюс, в свою очередь, создает обратную э.д.с. в катушке, которая ограничивает ток, втягиваемый в трансформатор.
,
и когда мы добавляем нагрузку на вторичную
Трансформатор без нагрузки на вторичный тянет очень мало тока, только ток возбуждения, который обычно составляет менее 0, 5% от тока полной нагрузки трансформатора. На незагруженном вторичном синусоидальном потоке создается напряжение разомкнутого контура, равное напряжению первичной стороны, умноженному на коэффициент поворота.
Когда мы добавляем нагрузку на вторичную обмотку трансформатора, нагрузка тянет ток через вторичную обмотку.
Магнитная связь вторичного тока тянет ток через первичную обмотку, сохраняя постоянные ампер-обороты. Обычно в индуктивной цепи более высокий ток создает больше потока, но не в трансформаторе (за исключением потока утечки).
Возрастающей силе от тока в одной обмотке противостоит уменьшающееся усилие от тока через другую обмотку (см. Рисунок 2).
Рисунок 2 - Базовая функция трансформатора
Флюс в сердечнике на нагруженном трансформаторе такой же, как у ненагруженного трансформатора, хотя ток намного выше.
Напряжение на первичной обмотке определяет поток в трансформаторе (поток пропорционален интегралу времени напряжения). Поток в сердечнике определяет напряжение на выходной стороне трансформатора (напряжение пропорционально временной производной потока).
На рисунке 3 показаны модели со значительными импедансами в трансформаторе. Детальная модель показывает последовательные импедансы, сопротивления и реактивные сопротивления. Сопротивление серии - это в основном сопротивление проводов в каждой обмотке. Реактивное сопротивление серии - это импеданс утечки. Шунтирующая ветвь - это намагничивающая ветвь, которая течет для намагничивания активной зоны.
Большая часть тока намагничивания является реактивной мощностью, но включает в себя реальную составляющую мощности.
Рисунок 3 - Модели трансформаторов
Потери мощности
Вообще говоря, мощность в трансформаторе теряется в ядре через гистерезис и вихревые токи. Имейте в виду, что гистерезис и вихревые токи всегда встречаются вместе.
Гистерезис
По мере изменения магнитного диполя ядро нагревается от трения молекул. Подробнее о гистерезисе и о том, как уменьшить эти потери, читайте в этой технической статье.
Рисунок 4 - Кривые намагничивания и гистерезиса
вихревые токи
Вихревые токи в основном материале вызывают резистивные потери. Основной поток индуцирует вихревые токи, стремящиеся противостоять изменению плотности потока. Импеданс намагничивающей ветви обычно превышает 5000% на базе трансформатора, поэтому во многих случаях мы можем пренебречь им.
Основные потери часто называются потерями на железных дорогах или потерями без нагрузки. Потери нагрузка часто называют потерями в проводах или потерями меди.
Различные параметры силовых трансформаторов различаются по разному, как показано в таблице 1 ниже:
ТАБЛИЦА 1 - Общие коэффициенты масштабирования в силовых трансформаторах
| Количество | Относительно кВА | Относительно эталонного измерения l |
| Рейтинг | кВА | л 4 |
| вес | K kVA ¾ | K l 3 |
| Стоимость | K kVA ¾ | K (% Общая потеря) -3 |
| длина | K kVA ¼ | K l |
| Ширина | K kVA ¼ | K l |
| Высота | K kVA ¼ | K l |
| Общие потери | K kVA ¾ | K l 3 |
| Потери без нагрузки | K kVA ¾ | K l 3 |
| Захватывающий ток | K kVA ¾ | K l 3 |
| % Общий убыток | K kVA -¼ | K l -1 |
| % Потери при отсутствии нагрузки | K kVA -¼ | K l -1 |
| % Захватывающие убытки | K kVA -¼ | K l -1 |
| % Р | K kVA -¼ | K l -1 |
| % ИКС | K kVA ¼ | K l |
| Вольт / поворот | K kVA ¼ | K l 2 |
Упрощенная модель трансформатора на рисунке 3 с последовательным сопротивлением и реактивным сопротивлением достаточна для большинства расчетов, включая нагрузки, вычисления короткого замыкания, запуск двигателя или дисбаланс.
Малые распределительные трансформаторы имеют низкие реактивные сопротивления, менее 1% от номинала трансформатора и отношения X / R от 0, 5 до 5. Большие силовые трансформаторы, используемые в распределительных подстанциях, имеют более высокие импедансы, обычно порядка 7-10% с отношением X / R от 10 до 40.
Реактивное сопротивление утечки вызывает падение напряжения на нагруженном трансформаторе. Напряжение происходит от потока, который не соединяется с первичной обмоткой вторичной обмотки. Blume et al. (1951) хорошо описывает реактивное сопротивление утечки. В реальном трансформаторе обмотки намотаны вокруг сердечника. Обмотки высокого и низкого напряжения смежны друг с другом.
Рисунок 5 - Реактивное сопротивление утечки вызывает падение напряжения на нагруженном трансформаторе
На рисунке 5 показана конфигурация. Каждая обмотка содержит несколько витков провода. Сумма тока в каждом проводе высоковольтной обмотки равна сумме токов в низковольтной обмотке (N 1 I 1 = N 2 I 2), поэтому каждая обмотка эквивалентна шине.
Каждая шина имеет одинаковый ток, но в противоположных направлениях. Противоположные токи создают поток в зазоре между обмотками (это называется потоком утечки).
Теперь, глядя на две обмотки сверху, мы видим, что обмотки эквивалентны току, текущему в петле, охватывающей заданную область. Эта область определяет индуктивность утечки.
Реактивное сопротивление утечки в процентах основано на параметрах и разделениях катушек следующим образом:
где
- f - частота системы (Гц)
- N - количество витков на одной обмотке
- I - ток полной нагрузки на обмотке (A)
- r - радиус для обмоток (дюймов)
- w - ширина между обмотками (в)
- h - высота обмоток (дюймов)
- S kVA - рейтинг трансформатора (кВА)
В общем случае импеданс утечки увеличивается с:
- Более высокое первичное напряжение (более толстая изоляция между обмотками)
- рейтинг КВА
- Большее ядро (больший диаметр приводит к большему охвату области)
Сопротивление утечки контролируется дизайнером, и компании будут делать силовые трансформаторы для коммунальных предприятий с настраиваемыми импедансами. Трансформаторы большой распределительной подстанции часто нуждаются в высоком импедансе утечки для контроля токов утечки, до 30% от базового номинала.
Минеральное масло
Минеральное масло заполняет большинство распределительных и подстанций силовых трансформаторов. Масло обеспечивает две критические функции: тепло и изоляцию. Поскольку масло является хорошим теплоносителем, маслонаполненный трансформатор обладает большей несущей способностью, чем трансформатор сухого типа.
Поскольку он обеспечивает хорошую электрическую изоляцию, зазоры в маслонаполненном трансформаторе меньше, чем сухой трансформатор.
Масло отводит тепло от катушек в большую тепловую массу окружающего масла и в резервуар трансформатора, чтобы рассеиваться в окружающую среду. Масло может работать непрерывно при высоких температурах при нормальной рабочей температуре 105 ° C. Он легковоспламеняющийся.
Температура вспышки составляет 150 ° C, а точка огня - 180 ° C. Масло имеет высокую диэлектрическую прочность, 220 кВ / дюйм. (86, 6 кВ / см) и выравнивает напряжения, так как диэлектрическая постоянная масла составляет около 2, 2, что близко к напряжению изоляции. Масло также покрывает и защищает катушки и сердечники и другие металлические поверхности от коррозии.
Как работает трансформатор?
Это видео дает подробную анимированную иллюстрацию о работе силовых трансформаторов. Здесь хорошо иллюстрируется основной принцип работы и конструкция трансформатора, повышающего трансформатора, понижающего трансформатора, обмотки трансформатора и конструкции сердечника.
Наслаждаться:)
Ссылка // Понимание электроэнергетических систем. Джек Казацца и Фрэнк Делеа (получите от Амазонки)