Urządzenie i zasady działania transformatorów: przeznaczenie, rodzaje, kryteria doboru

Instalacje transformatorowe - przekształtniki energii elektrycznej. Znajdują zastosowanie w większości urządzeń elektrycznych, sieciach energetycznych, urządzeniach automatyki, sprzęcie AGD i urządzeniach komunikacyjnych. Zasada działania transformatorów opiera się na prawie indukcji elektromagnetycznej Faradaya.

Urządzenie transformatorowe

Strukturalnie transformator składa się z jednego lub więcej izolowanych uzwojeń nawiniętych na rdzeń ferromagnetyczny. W najprostszym schemacie są to uzwojenia pierwotne i wtórne. Napięcie jest przykładane do pierwotnego i usuwane z wtórnego. Pod wpływem prądu przemiennego, który jest dostarczany do uzwojenia pierwotnego, w obwodzie magnetycznym powstaje sinusoidalny strumień magnetyczny F.. Przenikając przez uzwojenia, indukuje w uzwojeniu pierwotnym siłę elektromotoryczną samoindukcji (EMF), a w wtórnym - siłę indukcji.

Obie te siły elektromotoryczne są indukowane przez strumień magnetyczny Ф, dlatego pole elektromagnetyczne (E) jest takie samo w każdym obrocie. Zwoje są połączone szeregowo, więc siła elektromotoryczna uzwojenia pierwotnego będzie wynosić E1 = E · w1. Dla wtórnych jest to stosunek: E2 = E · w2, gdzie w1, w2 to liczba zwojów.

Gdy uzwojenie wtórne jest otwarte, prąd w nim nie płynie, a napięcie na końcach jest równe EMF, U2 = E2. Przy małym prądzie w uzwojeniu pierwotnym straty będą nieznaczne i U1 ≈ E1. Zastąp E1 i E2, a wtedy stosunek napięcia będzie wyrażony pewną stałą K, zwaną stosunkiem transformacji, U1/U2 = E1/E2 = w1/w2 = K.

Rodzaje konwerterów

Cel i zasada działania transformator polega na możliwości zwiększania i zmniejszania napięcia, zmiany liczby faz, konwersji częstotliwości. W zależności od wykonywanych funkcji transformatory dzielą się na następujące typy:

• Instalacje transformatorów mocy. Generatory w elektrowniach wytwarzają moc wysokiego napięcia 6-24 kV. Aby uniknąć dużych strat w liniach energetycznych, wymagane jest zwiększenie napięcia do 750 kV. Aby rozdzielić energię pomiędzy odbiorców końcowych, konieczne jest obniżenie napięcia do 380 V. Transformatory mocy wykonują te zadania konwersji napięcia.
• Instalacje przekładników prądowych. Służą do pomiarów w obwodach elektrycznych. Uzwojenie pierwotne jest podłączone do obwodu, w którym ma być mierzony prąd, a wtórne służy do podłączenia przyrządów pomiarowych. W uzwojeniu wtórnym płynie prąd proporcjonalny do prądu pierwotnego.
• Instalacje przekładników napięciowych. Konwertuje wysokie napięcie na niskie napięcie.

Instalacje transformatorów spawalniczych. Stosowane są w zespołach spawalniczych. Zamieniają wysokie napięcie na niskie, podczas gdy prąd wzrasta do tysięcy amperów.

• Autotransformatory. Oba uzwojenia są połączone, istnieje połączenie magnetyczne i elektryczne.
• Instalacje transformatorów impulsowych. Służą do przetwarzania sygnałów impulsowych.

Według liczby uzwojeń wyróżnia się:

• Instalacje dwuuzwojeniowe.
• Instalacje trójuzwojeniowe.
• Instalacje transformatorowe wielofazowe.

Z założenia transformatory są suche i wypełnione olejem. Straty ciepła występują podczas pracy instalacji transformatorowych. W przypadku jednostek małej mocy są małe, stosuje się tam chłodzenie powietrzem. To są suche transformatory. Transformatory olejowe są mocniejsze i wymagają chłodzenia cieczą. W tym celu umieszcza się je w zbiornikach z olejem transformatorowym, co przyczynia się do pełniejszego chłodzenia i poprawia izolację. Agregaty olejowe przeznaczone są do pracy przy napięciach powyżej 6 tys. V.

Tryby pracy urządzeń transformatorowych

Wszystkie urządzenia mogą być bezczynne, pod obciążeniem i zwarciem. Na biegu jałowym to stan pracy, w którym nie ma obciążenia, uzwojenie wtórne jest otwarte. W tym trybie obliczane są:

• Stosunki transformacji.
• Opór gałęzi namagnesowania. W tym celu do uzwojenia wtórnego podłączony jest woltomierz. Rezystancja powinna być taka, aby prąd był minimalny.
• Współczynnik mocy.
• Zwarcie to stan pracy, w którym połączone są końce uzwojenia wtórnego. Gdy urządzenie pracuje, zwarcie jest stanem awaryjnym. Prądy pierwotne i wtórne zwiększają się dziesiątki razy. Aby zapobiec wypadkowi, aktywowane są mechanizmy ochronne.

Napięcie zwarcia jest określane w warunkach testowych. To jest paszportowa charakterystyka jednostki. Aby określić charakterystykę, końce uzwojenia wtórnego są połączone, a napięcie na pierwotnym jest zredukowane do takiego, aby prąd nie przekraczał wartości nominalnych.

W takich testach wraz z testami bez obciążenia określana jest sprawność instalacji.

Kryteria doboru sprzętu

Kupując sprzęt transformatorowy, należy wziąć pod uwagę jego główne parametry:

• Napięcie.
• Współczynnik transformacji.
• Błąd kątowy przekładników prądowych.

Uwzględniane są również warunki pracy. Przy doborze bardzo ważny jest obszar zastosowania, obciążenia i napięcia zwarciowego. Szczególnie konieczna jest prawidłowa obsługa sprzętu. Istnieją normy dotyczące rozruchu, uruchomienia i użytkowania jednostek. Głównym punktem jest konserwacja instalacji, w której należy sprawdzić rezystancję na uzwojeniach i prąd.

Należy okresowo sprawdzać poziom oleju i czystość izolacji. Spełnienie wszystkich wymagań przepisów dotyczących instalacji i konserwacji urządzeń zapewni bezpieczeństwo eksploatacji oraz okres gwarancyjny urządzeń.