Основные параметры и характеристики трансформаторов, способы их определения

Что такое коэффициент трансформации

Трансформатор не меняет один параметр в другой, а работает с их величинами. Тем не менее его называют преобразователем. В зависимости от подключения первичной обмотки к источнику питания, меняется назначение прибора.

В быту широко распространены эти устройства. Их цель — подать на домашнее устройство такое питание, которое бы соответствовало номинальному значению, указанному в паспорте этого прибора. Например, в сети напряжение равно 220 вольт, аккумулятор телефона заряжается от источника питания в 6 вольт. Поэтому необходимо понизить сетевое напряжение в 220:6 = 36,7 раз, этот показатель называется коэффициент трансформации.

Чтобы точно рассчитать этот показатель, необходимо вспомнить устройство самого трансформатора. В любом таком устройстве имеется сердечник, выполненный из специального сплава, и не менее 2 катушек:

• первичной;
• вторичной.

Первичная катушка подключается к источнику питания, вторичная — к нагрузке, их может быть 1 и более. Обмотка — это катушка, состоящая из намотанного на каркас, или без него, электроизоляционного провода. Полный оборот провода называется витком. Первая и вторая катушки устанавливаются на сердечник, с его помощью энергия передается между обмотками.

Ссылки по теме

• ПУЭ 7. Правила устройства электроустановок. Издание 7
  / Нормативный документ от 13 декабря 2006 г. в 18:44
• Зевин М.Б. Парини Е.П. Справочник молодого электромонтера
  / Нормативный документ от 14 октября 2019 г. в 16:45
• РД 153-34.0-03.150-00
  / Нормативный документ от 10 ноября 2007 г. в 23:59
• Князевский Б.А. Трунковский Л.Е. Монтаж и эксплуатация промышленных электроустановок
  / Нормативный документ от 17 октября 2019 г. в 12:36
• Руководство по устройству электроустановок 2009
  / Нормативный документ от 21 января 2014 г. в 15:40
• Справочник по электрическим сетям 0,4-35 кВ и 110-1150 кВ. Том 10
  / Нормативный документ от 2 марта 2009 г. в 18:12
• ГОСТ Р 51853-2001
  / Нормативный документ от 7 декабря 2006 г. в 22:39

Опыт холостого хода

После изготовления трансформатора необходимо провести ряд испытаний, одним из которых является опытом холостого хода. Данное испытание трансформатора проводится при разомкнутой вторичной обмотке и подачей номинального напряжения на первичную обмотку. По результатам проведения опыта холостого хода определяют коэффициент трансформации и мощность потерь в магнитопроводе.

Для проведения опыта холостого хода собирают схему изображенную ниже

Как видно на схеме к первичной обмотке трансформатора необходимо подключить вольтметр PV1, амперметр РА1 и ваттметр PW1, а к вторичной обмотке – вольтметр PV2.

Для снятия характеристик холостого хода трансформатора на его первичную обмотку подают номинальное напряжение = U_H, которое можно изменять при необходимости снятия динамических характеристик примерно от 30% до 110% U_H. После подачи напряжения в первичную обмотку снимают показания по приборам: ток холостого хода I_ХХ, мощность холостого хода Р_ХХ, напряжение на вторичной обмотке U₂ трансформатора.

По результатам проведения опыта холостого хода можно определить следующие параметры:

— процентное отношение тока холостого тока I_XX%

где I_H – номинальное значение тока в первичной обмотке трансформатора.

— коэффициент трансформации трансформатора k

где U₁ и U₂ – напряжения, снимаемые с вольтметров PV1 и PV2, соответственно.

— активное сопротивление намагничивающего контура R_C

где Р_ХХ – мощность, снимаемая с ваттметра PW1.

— полное сопротивление намагничивающего контура Z_C

— реактивное сопротивление намагничивающего контура Х_С

— коэффициент мощности холостого хода cos φ_XX

При проведении опыта холостого хода следует отметить, что в начальный момент подачи напряжения возникает недопустимо большой ток в разы превышающий номинальный, а так как ток холостого хода составляет 3 – 10 % от номинального тока, то пусковой ток превышает ток холостого тока в десятки раз. Поэтому в начальный момент необходимо замкнуть выводы амперметра РА1.

Кроме опыта холостого хода для испытания трансформатора проводят опыт короткого замыкания, о котором я расскажу в следующей статье.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Определение поперечного сечения стержня и ярма сердечника трансформатора

Отношение потерь в меди обмоток трансформатора к потерям в стали сердечника в маломощных силовых трансформаторах, работающих приблизительно при номинальных нагрузках, по условиям максимума КПД желательно иметь в пределах:

Отношение веса стали сердечника к весу меди обмотки составляет:

где B_с и j берутся из позиции 2.

Удельные потери в стали сердечника k_с при B = 1 Тл и f = 50 Гц, по данным ГОСТ 802-581, в зависимости от марки стали и толщины листа δ_с, составляют:

– марка стали Э41:

при δ_с = 0,5 мм – k_с = 1,6 Вт/кг при δ_с = 0,35 мм – k_с = 1,35 Вт/кг

– марка стали Э11:

при δ_с = 0,5 мм – k_с = 3,3 Вт/кг

– марки стали Э310 и Э320:

при δ_с = 0,5 мм – k_с = 1,25 Вт/кг; k_с = 1,15 Вт/кг при δ_с = 0,35 мм – k_с = 1,00 Вт/кг; k_с = 0,9 Вт/кг

Поперечное сечение стержня сердечника трансформатора определяется по следующей формуле:

где P₁ = U₁ × I₁ – потребляемая мощность однофазным трансформатором, ВА;       P₁ = √3 × U₁ × I₁ – потребляемая мощность, трехфазным трансформатором, ВА;       α = G_с / G_м – отношение веса стали к весу меди обмотки, определяемое по предыдущей формуле;       U₁ и f – берутся из задания;       I₁ – из позиции 1, B_с и j – из позиции 2.

Постоянный коэффициент C в среднем может быть приближенно принят:

для однофазных стержневых трансформаторов ……… для однофазных броневых трансформаторов ………… для трехфазных стержневых трансформаторов ………

С = 0,6С = 0,7С = 0,4

Поперечное сечение ярма трансформатора стержневого типа можно принять:

S_я = (1,0 ÷ 1,2) × S_с .

Поперечное сечение ярма трансформатора броневого типа:

Размер сторон квадратного поперечного сечения стержня (рисунки 2, 3 и 4):

Рисунок 2. Трансформаторы стержневого типа:а – с двумя катушками; б – с одной катушкой	Рисунок 3. Трансформатор броневого типа
Рисунок 4. Трехфазные трансформаторы с различной штамповкой пластин:а – с Ш-образными пластинами; б – с прямоугольными пластинами

Возможно отступление от квадратной формы поперечного сечения стержня, при этом b_с = (1,2 ÷ 2,0) × a_с.

Высота ярма (рисунки 2, 3 и 4):

где k_з – коэффициент заполнения сечения сердечника сталью, выбираемый из таблицы 1 в зависимости от принятой толщины листа δ_с. По размерам a_с, b_с и h_я можно выбрать ближайшую стандартную П-образную или Ш-образную пластины сердечника трансформатора из таблицы 2.

Таблица 1

Толщина листа, мм	Коэффициент заполнения поперечного сечения стержня сталью	Изоляция между листами
0,5 0,35 0,2 0,1	0,92 0,86 0,76 0,65	лак – – –

Таблица 2

Тип сердечника	Размеры сердечника, мм
aс	bс	hя	H	b
Ш-10 × 10 Ш-10 × 15 Ш-10 × 20 Ш-12 × 12 Ш-12 × 18 Ш-12 × 24 Ш-14 × 14 Ш-14 × 21 Ш-14 × 28 Ш-16 × 16 Ш-16 × 24 Ш-16 × 32 Ш-18 × 18 Ш-18 × 27 Ш-18 × 36 Ш-20 × 20 Ш-20 × 30 Ш-20 × 40 Ш-24 × 24 Ш-24 × 36 Ш-24 × 48 Ш-30 × 30 Ш-30 × 45 Ш-30 × 60 Ш-40 × 40 Ш-40 × 60 Ш-40 × 80	10 10 10 12 12 12 14 14 14 16 16 16 18 18 18 20 20 20 24 24 24 30 30 30 40 40 40	10 15 20 12 18 24 14 21 28 16 24 32 18 27 36 20 30 40 24 36 48 30 45 60 40 60 80	5 5 5 6 6 6 7 7 7 8 8 8 9 9 9 10 10 10 12 12 12 15 15 15 20 20 20	15 15 15 18 18 18 21 21 21 24 24 24 27 27 27 30 30 30 36 36 36 45 45 45 60 60 60	5 5 5 6 6 6 7 7 7 8 8 8 9 9 9 10 10 10 12 12 12 15 15 15 20 20 20	bс – толщина пакета

В этом случае возможно отступление от квадратной формы поперечного сечения стержня для получения заданного значения сечения S_с; при этом обычно b_с ≥ a_с.

Что делает трансформатор

У трансформатора много полезных и важных функций:

• Передает электричество на расстояние. Он способен повышать переменное напряжение. Это помогает передавать переменный ток на большие расстояния. Так как у проводов тоже есть сопротивление, от источника тока требуется высокое напряжение, чтобы преодолеть сопротивление проводов. Поэтому, трансформаторы незаменимы в электросетях, где они повышают напряжение до десятки тысяч вольт. Еще возле электростанций, которые вырабатывают электрический ток, стоят распределительные трансформаторы. Они повышают напряжение для передачи их потребителям. А возле потребителей стоит понижающий трансформатор, который уменьшает напряжение до 220 В 50 Гц.
• Питает электронику. Трансформатор — это часть блока питания. Он понижает входное сетевое напряжение, которое затем выпрямляется диодным мостом, фильтруется и подается на плату. По сути, он используется практически в любом блоке питания и преобразователе.
• Питает радиолампы и электронно-лучевые трубки. Для радиоламп нужен большой спектр напряжений. Это и 12 В и 300 В и др. Для этих целей и делают трансформаторы, которые понижают и повышают сетевое напряжение. Это делается за счет разных обмоток на одном сердечнике. Разновидностью ламп являются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). Они используются в электронных микроскопах, где с помощью пучка электронов можно получить детальные изображения микроскопических поверхностей. Для них нужны высокие напряжения, порядка нескольких десятков тысяч киловольт. Это нужно для того, чтобы в вакуумной трубке можно было разогнать пучок электронов до больших скоростей. Электрон в вакууме может повышать скорость своего передвижения за счет повышения напряжения. И снова используется импульсный трансформатор. Он повышает напряжение за счет работы ШИМ (широтно импульсной модуляции). Такие трансформаторы называются строчными (или развертки). Такое название не спроста. По сути кинескоп — это и есть электронно-лучевая трубка. Поэтому, для работы телевизоров, где используется кинескоп, нужен строчный трансформатор.
• Согласует сопротивления. В усилителях звука согласование источника и потребителя играет важную роль. Поэтому, есть согласующие трансформаторы, которые позволяют передать максимум мощности в нагрузку. Если бы не было такого трансформатора, то лаповые усилители, которые были рассчитаны на 100 Вт, выдавали бы менее 50 Вт в нагрузку. Например, выход усилителя 2 кОм, а трансформатор согласует и понижает напряжение. А на его катушке сопротивление всего несколько десятков Ом.
• Для безопасности. Трансформатор создает гальваническую развязку между сетью и блоком питания. Это последний рубеж безопасности в блоке питания, если что=то пойдет не так. Будет время для срабатывания предохранителя. Или же катушки и магнитопровод расплавятся, но потребителю не дадут сетевую нагрузку. Он физически не связан с сетью 222 В. Связь есть только с помощью магнитного поля (взаимоиндукции). И если трансформатор рассчитан на 100 Вт, то он сможет выдать только 100 Вт. Поэтому, потребитель будет защищен от опасных высоких токов. Именно из-за этого бестрансформаторные блоки питания считаются опасными.
• Деталь оружия. В электрошокерах используются высокие напряжения. И их помогает форматировать высоковольтный трансформатор. А еще он используется в некоторых схемах Гаусс пушки.

Устройство трансформаторов напряжения

Конструкцию ТН рассмотрим на примере лабораторных трансформаторов НЛЛ, используемыми для проверки работы большинства трансформаторов измерения и приборов.

Трансформаторы напряжения на 3, 6 или 10 кВ имеет магнитопровод с конструкцией из электротехнической стали в основном стержневого типа. На магнитопроводе расположена внутренняя вторичная обмотка. Первичка представляет собой две секции, которые соединены между собой.

Изоляции представляет собой заливку компаудом, что создает монолитный блок с высокой степенью электрической прочности от попадания влаги и внешних повреждений.

Выводы первичной обмотки размещаются вверху корпуса трансформатора.

С торца трансформатора на клеммнике размещены выводы вторичной обмотки и контакты заземления.

Измерительные трансформаторы напряжения, условия безопасной эксплуатации

Для обеспечения рабочих условий эксплуатации клеммы вторичной обмотки присоединяют к измерительными приборам или защитному оборудованию. Одну из клемм и основание оборудования заземляют.

Цепи при вторичной работе не замыкают, иначе может произойти термическое разрушение.

Если существует не использованная вторичная обмотка ее оставляют открытой, заземлив одну из клемм. Разомкнутая треугольная цепь должна включать резистор соответствующего напряжения и номинальной мощности вторички. Заземление цепи производится по техническим рекомендациям.

Нейтральный вывод первичной обмотки однофазного трансформатора заземляется только в нейтральную систему замыкания.

Будьте уверены, что правильный выбор и эксплуатация измерительных трансформаторов приведут вас к объективным показателям нагрузки и качества электрической сети.

Рис. №6. Схема подключения трансформатора напряжения где: 1 – первичная обмотка, 2 – магнитопровод, 3 – обмотка вторичного напряжения

Рис. №7. Размещение трансформатор напряжения в ячейке КРУН, подключение к питающей сети через предохранители

Разновидности приборов учета электроэнергии

Счетчики являются многофункциональными устройствами для учета потребления, а также сохранения информации по потреблению электрической энергии. На сегодняшний день эксплуатируются три варианта приборов-счётчиков, предназначенных для учета расходуемой электрической энергии. К ним относятся индукционные, электронные и гибридные модели. Последний вариант наименее распространённый.

Механические или индукционные приборы учёта

Приборы такого типа состоят из двух катушек. Первая катушка на напряжение ограничивает параметры переменного тока, преграждая помехи и образуя, в соответствии с напряжением, особый магнитный поток.

Вторая катушка на ток образует поток переменного типа.

К преимуществам механических моделей относятся высокая надежность и конструкционная простота, длительный эксплуатационный срок, независимости от перепадов напряжения и доступная стоимость. При выборе индукционных приборов нужно учитывать достаточно крупные габариты устройства.

Электронные приборы учёта

Модельный ряд электронных приборов отличается достаточно высокой стоимостью, которая вполне оправдана достойным качеством устройства, включая более высокий класс точности и способность функционировать в многотарифном режиме.

Принцип действия базируется на способе преобразования входных аналоговых сигналов в специальный цифровой код, расшифровываемый при помощи микроконтроллера.

Однофазный многофункциональный электронный счётчик электрической энергии DDS28U

Расшифрованные данные поступают на дисплей или так называемый оптический порт. Помимо высокой точности и многотарифной системы использования, к преимуществам можно отнести возможность ведения энергоучёта в двух направлениях, сохранение данных, возможность получения показаний в дистанционном режиме, а также долговечность и компактные размеры.

Гибридные приборы учёта

На сегодняшний день гибридные приборы учёта используются потребителями крайне редко. Такой промежуточный вариант счётчика электрической энергии имеет цифровой интерфейс, а измерительная часть устройства может быть представлена индукционным или электронным типом. Характерным является наличие механического вычислительного устройства.

От чего зависит ЭДС в обмотках трансформатора?

В прошлой статье я указал, что мгновенное значение ЭДС  в обмотке трансформатора определяется числом витков ω провода в ней и скоростью изменения магнитного потока dΦ/dt

где ω – число витков обмотки трансформатора,

dФ_В/dt – скорость изменения магнитного потока.

Однако в большинстве случаев нам интересно не мгновенное значение ЭДС, а действующее. Поэтому выведем выражение, определяющее действующее значение ЭДС в обмотках трансформатора. Это можно сделать аналитически проинтегрировав функцию изменения магнитного потока dΦ/dt, либо же путем нахождения среднего значения ЭДС E_cp и коэффициента формы ЭДС k_ф. Я буду выводить выражение вторым способом.

Магнитный поток протекая в сердечнике трансформатора изменяется в соответствии с некоторой периодичной функцией имеет два амплитудных значения максимальное +Ф_m и минимальное –Ф_m, тогда полное изменение магнитного потока за полупериод Т/2 будет иметь значение

Тогда среднее значение ЭДС Е_ср в обмотке трансформатора будет иметь вид

где ω – число витков обмотки трансформатора,

Т/2 – полупериод изменения функции магнитного потока,

f – частота изменения магнитного потока,

Ф_m – амплитуда магнитного потока.

Действующее значение ЭДС и её среднее значение связывает коэффициент формы кривой ЭДС k_ф, тогда действующее значение ЭДС в обмотке трансформатора будет определяться следующим выражением

где k_ф – коэффициент формы ЭДС,

f – частота изменения ЭДС,

ω – число витков обмотки трансформатора,

B – магнитная индукция в сердечнике,

S_c – площадь сечения сердечника трансформатора.

Приведём примеры действующего значение ЭДС для синусоидального, прямоугольного (меандр) и треугольного изменения

Из вышесказанного следует, что при условии постоянства электромагнитной индукции B, ЭДС пропорциональна конструктивным параметрам трансформатора сечению магнитопровода S_c и количеству витков ω. Правильный выбор величины электромагнитной индукции В является одной из ключевых задач при проектировании трансформатора. Кроме того, с ростом частоты f увеличивается ЭДС, поэтому для реализации одинаковой ЭДС с ростом частоты требуются меньшие размеры и вес трансформатора. Данный фактор является основным преимуществом трансформаторов высокой частоты, которые чаще всего применяются в настоящее время.

Для чего нужны трансформаторы тока?

Чаще всего трансформаторы тока используют в цепях учета измерения электроэнергии, для замеров и защит линий или силовых автотрансформаторов обычно применяют переносные трансформаторы тока.

На следующем изображении приведено расположение трансформаторов тока для каждой фазы линии и монтаж вторичных цепей в клеммном ящике на ОРУ-110 кВ для силового автотрансформатора.

Таким же целям служат трансформаторы тока на ОРУ-330 кВ, однако они гораздо больших размеров из-за сложностей конструкции, так как они предназначены для более высоковольтного оборудования.

На энергетическом оборудовании нередко используют встроенные конструкции трансформаторов тока, их помещают непосредственно на корпусе силового объекта.

Их конструкция предполагает вторичные обмотки с выводами, которые находятся вокруг высоковольтного ввода в герметичном корпусе. Кабели от зажимов трансформатора тока подведены к закрепленным тут же клеммным ящикам.

В трансформаторах тока, характеризующихся высоким напряжением, обычно как изолятор применяют трансформаторное масло. На следующем изображении показан вариант такой конструкции для трансформаторов тока серии ТФЗМ для работы при напряжении, равном 35 кВ.

При напряжениях, не превышающих 10 кВ, в целях изоляции между обмотками при производстве корпуса прибора, применяют твердые диэлектрические материалы.

Например, трансформатор тока марки ТПЛ-10, используемый в КРУН, ЗРУ и других видах распределительных устройств.

На следующей упрощенной схеме показан пример подключения вторичной токовой цепи одного из кернов защит REL 511 для выключателя линии 110 кВ.

Параллельная работа трансформаторов

Параллельная работа трансформаторов возможна лишь в том случае, если в обмотках трансформаторов не возникают уравнительные токи, а нагрузка распределяется пропорционально номинальным мощностям трансформаторов. Практически это сводится к выполнению следующих условий:

1. Напряжения обмоток высшего и низшего напряжения, указанные на заводских табличках, должны быть соответственно равны, т.е. должны быть равны коэффициенты трансформации k₁ = k₂ …k_n.

2. Напряжения короткого замыкания u_к, указываемые на заводских табличках трансформаторов, должны быть также равны; при параллельной работе трансформаторов допускают отклонения в пределах ±10 %.

3. Мощности параллельно работающих трансформаторов не должны значительно отличаться одна от другой. Допускается различие мощностей не больше чем в 3 раза.

4. Схемы и группы соединений обмоток трансформаторов, предназначенных для параллельной работы, должны быть одинаковыми. Это требование может быть выполнено, если условные обозначения схем и групп соединений, указанные на заводских табличках, будут одинаковыми.

5. Обмотки фаз трансформаторов, включенных для параллельной работы, должны совпадать, т. е. одинаково обозначенные выводы обмоток фаз должны быть присоединены к одной, а не к разным шинам.

Рассмотрим последствия нарушения названных условий.

Допустим, что не выполнено первое условие (k₁ < k₂ ). Это значит, что при одном и том же напряжении на первичных обмотках трансформаторов U₁, вторичные ЭДС трансформаторов будут неодинаковы Е₁ > Е₂. Под действием возникшей разности потенциалов в замкнутом контуре  вторичных обмоток пойдет уравнительный ток, который создаст падение напряжения в обмотках. В трансформаторе 1 это вызовет уменьшение напряжения на зажимах вторичной обмотки, в трансформаторе 2 – увеличение вторичного напряжения. В результате напряжение на внешних шинах будет иметь среднее значение. При нагрузке уравнительный ток накладывается на ток нагрузки, вследствии чего трансформатор 1 будет перегружен, а трансформатор 2 – недогружен. ГОСТ допускает расхождение в коэффициентах трансформации не больше ±0,5% от их среднего значения.

Если трансформаторы имеют неодинаковые номинальные напряжения короткого замыкания  u_1К  ? u_2К, значит неодинаковы сопротивления короткого замыкания Z_1К ? Z_2К. При работе трансформаторов в параллель напряжения вторичных обмоток одинаковы т. е. I₁₂Z_1К = I₂₂Z_2К, а это возможно лишь при неодинаковых токах трансформаторов. Это значит, что при параллельной работе трансформаторов нагрузка между ними будет распределяться непропорционально их номинальным мощностям. Чтобы не вызвать аварии трансформатора, имеющего меньшее значение u_К, необходимо снижать общую нагрузку. Это ведет к неполному использованию трансформаторов. Согласно ГОСТ необходимо, чтобы разница напряжений короткого замыкания не превышала ±10% от их среднего значения, а соотношение номинальных мощностей параллельно работающих трансформаторов было не больше, чем 3:1.

Несоблюдение четвертого условия вызывает настолько большой уравнительный ток, что трансформаторы могут выйти из строя из-за перегрева обмоток. Даже при минимальном расхождении групп соединения трансформаторов (например, у одного группа ?/? – 0, а у другого ?/? – 11) уравнительный ток будет примерно в 5 раз больше номинального, что равносильно короткому замыканию.

Во избежание ошибок присоединение трансформаторов к сети без нулевого провода ( пятое условие ) производят следующим образом. Включают оба трансформатора со стороны высшего напряжения, затем один из них присоединяют к шинам низкого напряжения выводами обмоток всех фаз, а другой — выводами обмотки одной фазы, например С. Затем между выводами обмоток фаз В и А второго трансформатора и шинами низкого напряжения, к которым соответственно присоединены выводы обмоток фаз В и А первого трансформатора, включают вольтметр или лампу. Если обозначения выводов обмоток фаз на трансформаторах нанесены правильно, то между всеми парами одноименных выводов напряжение равно нулю (лампа не горит или вольтметр показывает нуль) и выводы В и А второго трансформатора могут быть соединены с шинами, к которым соответственно присоединены выводы В и А первого трансформатора.

Контрольные лампы или вольтметры при указанной проверке должны быть взяты на двойное рабочее напряжение трансформатора со стороны низшего напряжения.