Содержание
Введение
1. История изобретения трансформатора
2. Основные определения, принцип действия и классификация трансформаторов
3. Устройство трансформаторов
Литература
Введение
Тема реферата «Трансформаторы».
Цель написания реферата –ознакомится с историей изобретения трансформаторов, основными определениями,принципом действия и классификацией трансформаторов, устройствомтрансформаторов.
1. Историяизобретения трансформатора
Восьмидесятые годыпрошлого столетия вошли в историю техники под названием периода «трансформаторныхбитв». Такое необычное название они получили потому, что изобретение трансформатораявилось одним из сильнейших аргументов в пользу переменного тока. А настоящаябитва шла между сторонниками постоянного и переменного токов и отражала поискипутей выхода из назревшего энергетического кризиса, связанного с проблемой централизованногопроизводства электроэнергии и передачей её на большие расстояния.
Схематичное изображениебудущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах Фарадея иГенри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своем приборе такого свойстватрансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформированиепеременного тока.
В 1836 году ирландскийфизик Николас Каллан изобрел индукционную катушку. В 1838 году это изобретениеповторил американский изобретатель
Чарльз Пейдж, но наибольшуюизвестность получил немецкий механик Генрих Румкорф, именем котороговпоследствии стали называть индукционную катушку.
П.Н. Яблочков отчетливопонял роль индукционной катушки как средства электрического разделения цепейпеременного тока. Даже самим фактом патентования системы «дробления света»во многих странах он так подчеркивал важность нового предложения. Бобины, каких тогда называли, имели одинаковое число витков в первичной и вторичнойобмотках, стальной сердечник был разомкнутым и представлял собой стержень, накоторый наматывались обмотки.
Становилось все яснее,что система электроснабжения на постоянном токе не имеет перспектив. Из опытаэксплуатации дуговых источников света было установлено оптимальное напряжениеПО В. Радиус электроснабжения не превышал нескольких сотен метров. И основнымнаправлением развития электроэнергетики становилась система переменного тока.
Новым шагом виспользовании трансформаторов с разомкнутым седечником для распределенияэлектроэнергии явилась «система распределения электричества дляпроизводства света и двигательной силы», запатентованная во Франции в 1882году Голяром и Гиббсом. Трансформаторы Голяра и Гиббса предназначались уже дляпреобразования напряжения, то есть имели коэффициент трансформации отличный отединицы. Трансформаторы с разомкнутым сердечником в 1883 году устанавливаютсяна подстанциях Лондонского метрополитена, а 1884 году — в Турине (Италия).
Первые трансформаторы сзамкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном иЭдуардом Гопкинсон. Сердечник этого трансформатора набран был из стальных полосили проволок, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери навихревые токи. На сердечнике помещались, чередуясь, катушки высшего и низшегонапряжения. Впервые предложения о параллельном включении трансформаторов высказалР. Кеннеди в 1883 году, но более всесторонне этот способ соединения былобоснован венгерским электротехником Максом Дери, который в 1885 году получилпатент на параллельное включение первичных и вторичных обмоток трансформаторови показал преимущество такого включения. Независимо от него аналогичный патентв Англии получил С.Ц.Ферранти. Передача электрической энергии переменным токомвысокого напряжения оказалась возможной после создания однофазного трансформаторас замкнутой магнитной системой. Такой трансформатор в нескольких модификациях(кольцевой, броневой и стержневой) был разработан в 1885 году венгерскимиэлектротехниками М. Дерри, О. Блатии, К. Циперновским, впервые предложившими исам термин трансформатор. Венгерские инженеры нашли оптимальное соотношениемежду расходом меди и стали в трансформаторах. Русский инженерДоливо-Добровольский выступил с предложением применять для целей передачи иэксплуатации электроэнергии разработанную им систему трехфазного тока.Доливо-Добровольский показал, что в отношении передачи электроэнергии систематрехфазного тока, по сравнению с системой двухфазного тока, является болееэкономичной, но решающее преимущество трехфазной системы он видел «впревосходных качествах» разработанных им трехфазных асинхронныхдвигателей. В этом направлении он провел огромную творческую работу: доказал,что при помощи трехфазного тока можно создать в машине такое же вращающеесямагнитное поле, как и при помощи двухфазного тока, разработал основныемодификации трехфазного асинхронного двигателя. Параллельно с этимДоливо-Добровольский разработал конструкцию трехфазного трансформатора сначала,в 1890 г., с расположением сердечников по кругу и кольцевыми ярмами, а затем собычным в настоящее время расположением стержней в одной плоскости. Атак как, кромеэтого, Доливо-Добровольский много работал в области теории, расчета иконструирования электрических машин, то можно сказать, что он разработал собственновсе элементы трехфазной системы. Предложенная Доливо-Добровольским систематрехфазного тока вызвала живейший интерес и привлекла к себе повсеместноевнимание. Несмотря на ряд возражений, ее технические достоинства были настольковелики и очевидны, что уже в ближайшее время она заняла ведущее место в рядудругих систем.
2. Основные определения,принцип действия и классификация трансформаторов
Трансформатором называютстатическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивносвязанных обмоток и предназначенное для преобразования посредствомэлектромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую(вторичную) систему переменного тока. В общем случае вторичная системапеременного тока может отличаться любыми параметрами: величиной напряжения итока, числом фаз, формой кривой напряжения (тока), частотой. Наибольшееприменение в электротехнических установках, а также в энергетических системахпередачи и распределения электроэнергии имеют силовые трансформаторы,посредством которых изменяют величину переменного напряжения и тока. При этомчисло фаз, форма кривой напряжения (тока) и частота остаются неизменными. Простейшийсиловой трансформатор состоит из магнитопровода (сердечника, выполненного изферромагнитного материала (обычно листовая электротехническая сталь), и двухобмоток, расположенных на стержнях магнитопровода (рис.1). Одна из обмотокприсоединена к источнику переменного тока Г на напряжение U), эту обмотку называют первичной. К другой обмотке подключен потребитель ZH, ее называют вторичной. Действиетрансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменноготока в витках этой обмотки протекает переменный ток I1, который создает в магнитопроводе переменный магнитный потокФ. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками(первичной и вторичной) и индуктирует в них ЭДС:
/> (1-2)
Где ώ1иώ2 —число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.
При подключении нагрузкиZH к выводам вторичной обмотки транс-форматора под действием ЭДС е1в цепи этой обмотки создается ток I2, а на выводахвторичной обмотки устанавливается напряжение U2. В повышающих трансформаторахU2 > U1, а в понижающих U2
Из (1) и (2) следует, чтоЭДС е1 и е2 отличаются друг от друга числом витковобмоток, в которых они наводятся. Поэтому, применяя обмотки с требуемымсоотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое отношениенапряжений.
/>
Рис.1. Конструктивная (а)и принципиальная (б) схемы однофазного двухобмоточного трансформатора
Обмотку трансформатора,подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высшего напряжения(ВН); обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения,- обмоткой низшегонапряжения (НН). Трансформаторы обладают свойством обратимости: один и тот же трансформаторможно использовать в качестве повышающего и понижающего. Но обычно трансформаторимеет определенное назначение: либо он является повышающим, либо понижающим. Трансформатор— это аппарат переменного тока. Если же его первичную обмотку подключить кисточнику постоянного тока, то магнитный поток в магнитопроводе трансформаторатакже будет постоянным как по величине, так и по направлению. Поэтому вобмотках трансформатора не будет наводиться ЭДС.
Конструкциятрансформаторов в значительной степени зависит от их назначения, по этомупризнаку трансформаторы разделяют на следующие основные виды:
1) силовые, применяемые:
а) в системах передачи ираспределения электроэнергии;
б) для установок состатическими преобразователями (ионными или полупроводниковыми) припреобразовании переменного тока в постоянный (выпрямители) или постоянного впеременный (инверторы);
в) для получениятребуемых напряжений в цепях управления электроприводами и в цепях местногоосвещения;
2) силовые специальногоназначения — печные, сварочные т. п.;
3) измерительные — длявключения электрических измерительных приборов в сети высокого напряжения илисильного тока;
4) испытательные — дляполучения высоких и сверхвысоких напряжений, необходимых при испытаниях наэлектрическую прочность электроизоляционных изделий;
5) радиотрансформаторы —применяемые в устройствах радио- и проводной связи, в системах автоматики ителемеханики для получения требуемых напряжений, согласования сопротивленийэлектрических цепей, гальванического разделения цепей и др.
Трансформаторы одного итого же назначения могут различаться:
по виду охлаждения—с воздушным(сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением;
по числу трансформируемыхфаз—однофазные и многофазные;
по форме магнитопровода —стержневые, броневые, бронестержневые, тороидальные;
по числу обмоток — двухобмоточныеи многообмоточные (одна первичная и две или более вторичных обмоток);
по конструкции обмоток —с концентрическими и чередующимися обмотками.
3.Устройствотрансформаторов
Основные частитрансформатора — это магнитопровод и обмотки.
Магнитопроводтрансформатора выполняют из листовой электротехнической стали. Перед сборкойлисты с двух сторон изолируют лаком. Такая конструкция магнитопровода даетвозможность в значительной степени ослабить в нем вихревые токи. Частьмагнитопровода, на которой располагают обмотки, называют стержнем.
В стержневыхтрансформаторах имеются два стержня и соединяющих их два ярма (рис.2, а).Броневые трансформаторы имеют разветвленный магнитопровод с одним стержнем иярмами, частично прикрывающими («бронирующими») обмотки (рис.2, б).
/>
Рис.2.Однофазныетрансформаторы стержневого (а) и броневого (б) типов
Стержневая конструкцияимеет наибольшее распространение, особенно в трансформаторах большой и среднеймощности. Достоинства этой конструкции — простота изоляции обмоток, лучшиеусловия охлаждения, простота ремонта.
Однофазные трансформаторымалой мощности чаще имеют броневую конструкцию, что позволяет уменьшитьгабариты трансформатора. Кроме того, боковые ярма защищают обмотку отмеханических повреждений; это важно для трансформаторов малой мощности, которыечасто не имеют защитного кожуха и располагаются вместе с другимэлектрооборудованием на общей панели или в общем шкафу.
Трехфазные трансформаторыобычно выполняют на магнитопроводе стержневого типа с тремя стержнями (рис.3).
В трансформаторах большоймощности применяют бронестержневую конструкцию магнитопровода (рис.4), котораяхотя и требует несколько повышенного расхода электротехнической стали, нопозволяет, уменьшить высоту магнитопровода (НБС
/>
Рис.3. Трехфазныйтрансформатор стержневого типа: 1 — магнитопровод; 2 – обмотки
/>
Рис.4. Магнитопроводыбронестержневого трансформатора: однофазного (а); трехфазного (б)
Это имеет большоезначение при его перевозке в собранном виде.
По способу соединениястержней с ярмами различают магнитопроводы стыковые (рис.5, а) и шихтованные(рис.5, б). В стыковых магнитопроводах стержни и ярма собирают раздельно, азатем соединяют посредством крепежных частей. Такая конструкция магнитопроводаоблегчает посадку обмоток на стержни, так как для этого достаточно снять тольковерхнее ярмо. Но при шихтовой сборке магнитопровода, когда листы (полосы)собирают «внахлестку», воздушный зазор в месте стыка стержней и яремможет быть сделан минимальным, что значительно снизит магнитное сопротивлениемагнитопровода. Кроме того, механическая прочность шихтованного магнитопроводанамного выше, чем стыкового. Все это привело к тому, что шихтованныемагнитопроводы получили основное применение. Листы магнитопровода стягиваютпосредством шпилек 4 инакладок 7, изолированных от листов изоляционными шайбами2 и трубками 3 (рис.6).
В последнее время сборкулистов (полос) магнитопровода в пакет выполняют наложением на стержни и ярмабандажа из стекловолоконной ленты.
/>
Рис.5. Сборкимагнитопровода
/>
Рис.6. Изоляция шпильки,стягивающей листы магнитопровода
/>
Рис.7.Форма сечениястержня
Форма поперечного сечениястержней зависит от мощности трансформатора: в небольших трансформаторахприменяют стержни прямоугольного сечения (рис.7, а), в трансформаторах среднейи большой мощности — стержни ступенчатого сечения (рис.7, б, в) с числомступеней, возрастающим с увеличением мощности трансформатора. Ступенчатоесечение стержней обеспечивает лучшее использование площади внутри обмотки, таккак периметр ступенчатого стержня приближается к окружности. В трансформаторахбольшой мощности для улучшения теплоотдачи между пакетами стали магнитопроводаустраивают вентиляционные каналы (рис.7, в).
Обмотки трансформатороввыполняют из проводов круглого и прямоугольного сечения, изолированныххлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой.
Обмотки бывают цилиндрические,располагаемые на стержнях, концентрические (рис.8, а) и дисковые, располагаемыена стержнях в чередующемся порядке (рис.8, б).
Магнитопроводтрансформатора вместе с кожухом или баком заземляют, что обеспечивает безопасностьобслуживания трансформатора в случае, если изоляция обмотки окажется пробитой.
Возможны два варианта взаимногорасположения обмоток на стержнях магнитопроводов: раздельное расположение (наодном стержне обмотка ВН, а на другом применяют весьма редко и только ввысоковольтных трансформаторах, так как это создает лучшие условия для надежнойизоляции обмотки ВН от обмотки НН; однако в этом случае наблюдается увеличениемагнитного потока рассеяния; наиболее распространено равномерноеконцентрическое расположение обмоток на всех стержнях магнитопровода (см.рис.2, а), так как это обеспечивает малую величину магнитного потока рассеяния.При этом обычно ближе к стержню располагают обмотку НН, так как она требуетменьшей электрической изоляции от стержня (заземленного), затем укладывают слойизоляции из картона или бумаги и обмотку ВН.
В трансформаторах смасляным охлаждением магнитопровод с обмотками помещен в бак, наполненныйтрансформаторным маслом (рис.9). Омывая обмотки 2 и 3, магнитопровод 7,трансформаторное масло отбирает от них тепло и, обладая более высокойтеплопроводностью, чем воздух, через стенки бака 9 и трубы радиатора 8 отдаетего в окружающую среду. Наличие трансформаторного масла обеспечивает болеенадежную работу высоковольтных трансформаторов, так как электрическая прочностьмасла намного выше, чем воздуха.
/>
Рис.8.Обмоткитрансформаторов НН и ВН
Масляное охлаждениеинтенсивнее воздушного, поэтому габариты и вес масляных трансформаторов меньше,чем у сухих трансформаторов такой же мощности.
В трансформаторахмощностью до 20 – 30 кВ•А применяют баки с гладкими стенками. У более мощныхтрансформаторов для увеличения охлаждаемой поверхности стенки бака делаютребристыми или же применяют трубчатые баки, как это показано на рис.9.
Масло, нагреваясь,поднимается вверх и, охлаждаясь, опускается вниз.
При этом маслоциркулирует в трубах, что способствует более быстрому его охлаждению.
/>
Рис.9. Устройствотрансформатора с масляным охлаждением: 1- магнитопровод; 2 и 3- обмотки ВН иНН; 6- выхлопная труба;7- расширитель;8- радиаторные трубы; 9-бак
Для компенсации объемамасла при изменении температуры, а также для защиты масла трансформатора отокисления и увлажнения при контакте с воздухом в трансформаторах применяютрасширитель 7, представляющий собой цилиндрический сосуд, установленный накрышке бака и сообщающийся с ним. Колебания уровня масла с изменением еготемпературы происходят не в баке, который всегда заполнен маслом, а врасширителе, сообщающемся с атмосферой.
В процессе работытрансформаторов не исключена возможность возникновения в них явлений,сопровождающихся бурным выделением газов, что ведет к значительному увеличениюдавления внутри бака, поэтомувоизбежание повреждения баков трансформаторымощностью 1000 кВ•А и выше снабжают выхлопной трубой 6, которую устанавливаютна крышке бака.
Нижним концом трубасообщается с баком, а ее верхний конец заканчивается фланцем, на которомукреплен стеклянный диск. При давлении, превышающем безопасное для бака,стеклянный диск лопается, и газы выходят наружу.
Трансформаторы средней ибольшой мощности снабжены газовым реле.
При возникновении втрансформаторе значительных повреждений, сопровождаемых обильным выделениемгазов (например, при коротком замыкании между витками обмоток), газовое релесрабатывает и замыкает контакты цепи управления выключателя, который отключаеттрансформатор от сети. Обмотки трансформатора с внешней цепью соединяют вводами4 и 5, выполняемыми обычно из фарфора. К баку трансформатора прикреплен щиток,на котором указаны: номинальная мощность — мощность на зажимах вторичной обмотки,кВ. А; номинальное первичное напряжение, кВ; номинальное вторичноенапряжение—напряжение на зажимах вторичной обмотки при холостом ходетрансформатора и номинальном первичном напряжении, кВ; номинальные токитрансформатора (первичный и вторичный), А.
Литература
1. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1988.
2. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины.М.: Энергия,1990.
3. КацманМ.М. Электрические машины.М.: Высшая школа, 1969.
4. Копылов И.П. Электрические машины.М.: Энергоатомиздат,1996.
5. Токарев Б.Ф. Электрические машины.М.: Энергоатомиздат,1998.
6. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы.М.:Энергия,
1980.