Что такое обмотка трансформатора: принципы работы, задачи, возможности

Все прекрасно понимают, что основная задача трансформатора – это преобразовывать получаемые импульсы, и в этом немаловажную роль играет обмотка трансформатора, позволяющая принципиально правильно работать агрегату. В сфере радиоэлектроники, электротехники и энергетики практически невозможно обойтись без трансформатора, ведь в создаваемой цепи обязательным является звено, отвечающее за преобразование переменного напряжения одного (входящего) значения обязательно через обмотку трансформатора в переменное (выходящее) напряжение уже с заданными по нормам показателями.

По предпочтениям выбираются пользователями трансформаторы либо однофазные, либо трехфазные. А в чем между ними разница? Все очень просто, в их техническом комплектовании. Так, в трехфазном агрегате ток проходит по четырем проводам, три из которых – фазные, а один – нейтраль, то есть нулевой. Соответственно, однофазный трансформатор работает, основываясь на двух кабелях, один – фазный, а второй – нулевой. И применяется последний вид трансформаторов чаще всего в быту, обеспечивает электропитание в розетках, трансформируя электрический ток с показателями 220 В.

Как функционирует однофазный трансформатор: основные принципы работы

Первоначально уточним, какие существуют основные комплектующие однофазного трансформатора: магнитопровод, состоящий из пластин стали, по которым и протекает магнитный поток, первичная и вторичная обмотки трансформатора.

Физически объяснимо, что появляются и снимаются в первой обмотке потоки благодаря переменному напряжению. Находясь рядом, вторичная обмотка ловит эти потоки и преобразовывает в переменное напряжение, сохраняя ту же частоту. Напряжение, которое выдается агрегатом со вторичной обмотки, всецело зависит от витков, которые намотаны на имеющиеся в трансформаторе первичные и вторичные обмотки (катушки).

Как правильно понять: что такое виток обмотки?

Виток – это основной технический элемент обмотки, представляющий собой единичные или групповые проводки, расположенные параллельно на стержне магнитопровода. Взятая за единицу измерения совокупность витков, которая, соответственно, образовывается в той или иной электроцепи, и является обмоткой трансформатора.

Сама же обмотка состоит с двух важных компонентов: первый – проводники, второй – изоляционные детали. Задача вторых элементов – защищать витки, предупреждать электрические сбои в сети, препятствовать смещению комплектующих в 1 обмотке трансформаторов.

Важно помнить! Обмотки трансформаторов различаются техническими характеристиками и параметрами. Так, обмотки трансформаторов различаются по способу размещения на стержне, могут быть различными по направлению и способу намотки. Специалисты еще оценивают обмотки трансформатора по числу витков, оценивают применяемый агрегат по классу напряжения, изучают перед применением схему соединения обмоток между собой. Следует учитывать каждый обозначенный фактор при выборе агрегата.

С понятием «виток обмотки» связан и другой термин – «слой обмотки». А что он обозначает, также постараемся раскрыть в данной статье.

Виток – это мера, а вот слой – это уже следствие технического процесса, в ходе которого витками формируются положенные слои, один, два или много. Но помните, что ничего нельзя воспринимать буквально, так как в одном слое может быть один или несколько десятков витков. А сам виток способен формироваться из 6-8 параллельных проводков положенной формы.

На какие эксплуатационные характеристики обмоток обязательно надо обращать внимание?

Когда запланированы работы с электрооборудованием, не стоит упускать из виду даже мелкие технические детали, например, принципы соединения обмоток трансформатора, иначе без сбоев в энергосистеме не обойтись при последующей длительной эксплуатации.

А по каким параметрам в основном оценивают работоспособность агрегата и как определить потенциал обмотки трансформатора? Ответ прост. Специалисты в основном обращают внимание на электрическую прочность элемента, механическую прочность обмотки, а также нагревостойкость, сопротивление обмотки трансформатора и изоляционные характеристики.

Все дело в том, что в процессе эксплуатации изоляция обмоток играет важную роль и отвечает за безопасность и противодействие возможным повреждениям сети из-за коммутационных или атмосферных перенапряжений. Рекомендовано адекватно оценивать и свойства вторичной обмотки трансформатора на ее механическую прочность и способность длительно противостоять в процессе эксплуатации деформациям и повреждениям из-за агрессивной внешней среды, импульсов тока, когда превышаются все нормативные показатели номинального рабочего тока силового агрегата.

Известно, что самый стандартный трансформатор может прослужить верной и правдой более 25 лет, но если его эксплуатация будет выполняться согласно его техническим характеристикам, и удастся избежать нестабильности в сети и перенагрева обмоток. Конечно же, нагрев обмоток и его сопряженных частей происходит при длительной работе агрегата, и это нормально, просто нельзя допускать скачков и повышения разрушительной температуры внутри агрегата, отвечающего за напряжение вторичной обмотки трансформатора. Перенагрев может привести к плачевным последствиям – разрушению и деформации изоляции обмоток, тепловому износу масла, как одной из важных составляющих силовой установки.

Чтобы ознакомиться с техническими эксплуатационными возможностями обмоток трансформаторов напряжения, можете обратить внимание на ряд документов и регламентированных положений. К ним относят «Стандарты по силовым трансформаторам общего назначения, а также на специальные агрегаты», «Инструкции по применению», «Технический паспорт».

Как оценивается электрическая прочность изоляции обмоток?

• наличие правильно и верно разработанной конструкции агрегата, когда в схеме учтены все тонкости взаимодействия;
• рассчитаны хорошо и четко изоляционные промежутки;
• совершен разработчиками продуманный выбор изоляционных материалов;
• внедрены прогрессивные, а значит, современные технологии обработки изоляции.

Как оценивается механическая прочность обмоток: о чем говорят показатели?

• учитывается состояние расчета поля рассеяния в магнитостатических полях;
• определяются соответствующие параметры типа используемой обмотки;
• узнаются особенности конструкции обмотки, и главное, ее месторасположение;
• обращается внимание на расположение витков в обмотке, конструктивные особенности катушки, так как этого зависит расчет и соотношение механической силы, возникающей в обмотке, и механической стойкости элемента трансформатора. Идеально, если первый параметр будет минимизирован, а второй – будет соответствовать нормам агрегата и не подводить в процессе эксплуатации.

Как достигается необходимая нагревостойкость обмоткам трансформатора?

Трансформатор в процессе эксплуатации переживает определенную нагрузку, и в дополнение переживает воздействие негативных факторов окружающей среды. И если не обеспечить нормальную теплоотдачу, то негативные последствия не заставят себя ждать. Отметим, что обмотки трансформаторов обладают определенной степенью нагревостойкости, и ее превышение не допускается, поэтому проводить монтажные работы трансформаторов необходимо с определенной тщательностью, учитывать внешние и внутренние факторы, обеспечивать вентиляцию и охлаждение, не забывая о циркуляции воздушных масс и наличия масла внутри системы силового агрегата.Обычно контролирующие службы предприятия регулярно осматривают агрегат, оценивают состояние его контактов, а также всех основополагающих комплектующих.

Чтобы избежать перегрева обмоток трансформатора, необходимо учитывать особенности эксплуатации агрегата и обеспечить нормальную и технически выверенную теплоотдачу, а для этого обязательно надо обеспечить должную площадь поверхности соприкосновения обмоток трансформатора с окружающей средой. Причем способ охлаждения трансформаторов может быть соответствующий его заводским параметрам, предусматривающих систему охлаждения при помощи воздуха или масла.

Какие существуют основные типы обмоток трансформатора: определим общепринятую классификацию

Чтобы правильно выполнить расчет обмоток трансформатора, прежде нужно понимать, с чем придется иметь дело и какой тип обмотки внедрен в агрегат, какие он имеет преимущества. Постараемся в этом детально разобраться.

Итак, какие существуют типы обмоток трансформаторов?

• Одно-двухслойная обмотка цилиндрической формы, изготовленная из прямоугольного провода. Это элементарный образец обмотки трансформатора, который отличается простотой технологии изготовления, должной и надежной системой охлаждения, но при этом имеет один немаловажный недостаток – низкую механическую прочность, поэтому быстро изнашивается от агрессивного воздействия окружающей среды, а перепады в сети могут вообще стать губительными для энергосистемы, в которой применен агрегат с подобной обмоткой.
• Многослойная обмотка трансформатора цилиндрической формы, созданная из прямоугольного провода. Данный образец обмотки отличается нормальным сопротивлением первичной обмотки трансформатора, высоким функционалом магнитной системы и элементарной технологией изготовления. Но вот при длительной эксплуатации агрегата могут возникать проблемы, связанные с малой эффективностью системы охлаждения. Основная причина такого недостатка теплоотдачи – отсутствие радиальных каналов на обмотке.

Интересно знать! В классификации обмоток также упоминаются многослойные обмотки. А в чем их особенность! Все просто. В процессе их формирования обязательно слои располагаются концентрически, в соответствии с заданным количеством слоев, но при этом развернутая длина остается одинаковой, без нарушения заводских параметров. Все «наматывается» правильно по отношению к полю рассеяния трансформатора. А когда необходимо переходит при обмотке на новый слой, то используемые провода не обрываются, не заламываются, только на новом витке меняется направление укладки слоя.

• Многослойная обмотка или катушка, также имеющая форму цилиндра, но уже изготовленная из круглого провода. В этой ситуации агрегат отличается повышенной мощностью, но при этом проигрывает в функционале теплоотдачи и не может похвастаться механической прочностью. Из-за этого износ оборудования значительно ускоряется, требуя от обслуживающего персонала частых контролей оборудования и профилактических осмотров комплектующих.

Интересно знать! Почему некоторые обмотки называют цилиндрическими, то есть имеющими форму цилиндра. Секрет кроется в особенностях витков и слоев. Когда начинают формировать цилиндрическую обмотку, то для ее правильного создания на цилиндрическую поверхность наносят слои витков плотно, ни в коем случае не допуская интервалов.

• Винтовая обмотка, созданная из прямоугольного провода. Трансформатор с такой катушкой будет стоить дороже, но отличаться высокой механической прочностью, надежной защитной изоляцией. А во время длительной работы агрегата даже не стоит думать о его системе охлаждения. Все сработает на 100%, как это заложено в технические характеристики трансформатора с данным видом обмоток.
• катушечная обмотка непрерывного типа, когда материалом служит прямоугольный провод. Существует и такой образец обмоток, которые отличаются высокой механической и электрической прочностью и степенью нагревостойкостью. Многие посчитают данный образец идеальной находкой, которую так и хочется ввести в эксплуатацию для эффективной работы предприятия.
• многослойная катушечная цилиндрическая обмотка, сформированная из алюминиевой фольги. Имеет данный образец только положительные отзывы, но такая эффективность достигнута максимальными усилиями и внедрением сложных технологий изготовления, когда изоляция обмоток трансформатора внушает доверие и веру в длительную и эффективную эксплуатацию. А что еще нужно для успешного предприятия, где создается современная энергосистема или, по крайней мере, модернизируется.

Таким образом, можно сделать вывод, что классификация типов обмоток зависит от конструктивных особенностей детали трансформатора, материла и метода изготовления, а по сложности обмотки различают на простые, многослойные, многослойные, но уже изготовленные из фольги, а не провода.

Обмотки трансформаторов

Дата публикации: 22 марта 2013.
Категория: Трансформаторы.

Конструкция обмоток трансформаторов должна удовлетворять условиям высокой электрической и механической прочности, а также нагревостойкости. Кроме того, технология изготовления обмоток должна быть по возможности простой и недорогой, а электрические потери в обмотках должны находиться в установленных пределах. Конструкции обмоток в зависимости от номинального тока и номинального напряжения обмотки весьма разнообразны.

Обмотки изготавливаются из медного, а в последнее время часто также из алюминиевого провода. Плотность тока в медных обмотках масляных трансформаторов находится в пределах 2 – 4,5 А/мм², а в сухих трансформаторах 1,2 – 3,0  А/мм². Верхние пределы относятся к более мощным трансформаторам. В алюминиевых обмотках плотность тока на 40 – 45% меньше. Для изготовления обмоток применяются круглые провода сечением 0,02 – 10 мм² и прямоугольные сечением 6 – 60 мм². Во многих случаях витки и катушки обмоток наматываются из определенного числа параллельных проводников.

Рисунок 1. Концентрические (а) и чередующиеся (б) обмотки

Обмотки масляных трансформаторов изготавливаются из проводов с эмалевой и хлопчатобумажной изоляцией (круглые сечения) и из проводов, изолированных двумя слоями кабельной бумаги или хлопчатобумажной пряжей (прямоугольные сечения). В сухих силовых трансформаторах применяются провода с нагревостойкой изоляцией из стекловолокна.

По способу расположения на стержнях и по взаимному расположению обмоток высшего напряжения ВН и низшего напряжения НН обмотки разделяются на концентрические (рисунок 1, а) и чередующиеся (рисунок 1, б). В первом случае обмотки ВН и НН расположены относительно друг друга и вокруг стержня концентрически, причем ближе к стержню обычно находится обмотка НН, так как изоляция обмотки от стержня при этом облегчается. В чередующихся обмотках катушки ВН и НН чередуются вдоль стержня по высоте. Чередующиеся обмотки имеют более полную электромагнитную связь, однако они сложнее в изготовлении и в случае высоких напряжений изоляция обмоток друг от друга усложняется. Поэтому в силовых трансформаторах обычно применяются концентрические обмотки, разновидности которых кратко рассматриваются ниже.

Рисунок 2. Многослойная цилиндрическая обмотка

Рисунок 3. Многослойная цилиндрическая катушечная обмотка

Многослойные цилиндрические обмотки

Многослойные цилиндрические обмотки (рисунок 2) изготовляются из круглых или прямоугольных проводников, которые размещаются вдоль стержня в несколько слоев, причем между слоями прокладывается изоляция из кабельной бумаги. При большом числе слоев обмотка подразделяется на две концентрические катушки, между которыми оставляется канал для охлаждения. Эти обмотки применяются при мощностях на стержень S_ст ≤ 200 кВ×А, при токе на обмотку стержня I_ст ≤ 135 А и напряжении U_л.н ≤ 35 кВ.

Многослойные цилиндрические катушечные обмотки

Многослойные цилиндрические катушечные обмотки (рисунок 3) наматываются из круглого провода и состоят из многослойных дисковых катушек, расположенных вдоль стержня. Между катушками (через каждую катушку или через две-три катушки) могут быть оставлены радиальные каналы для охлаждения. Такие обмотки применяются на стороне высшего напряжения при S_ст ≤ 335 кВ×А, I_ст ≤ 45 А и U_л.н ≤ 35 кВ.

Рисунок 4. Двухслойная цилиндрическая обмотка

Рисунок 5. Винтовая обмотка

Однослойные и двухслойные цилиндрические обмотки

Однослойные и двухслойные цилиндрические обмотки (рисунок 4) наматываются из одного или нескольких (до четырех) параллельных прямоугольных проводников и применяются при S_ст ≤ 200 кВ×А, I_ст ≤ 800 А и U_л.н ≤ 6 кВ.

Винтовые обмотки

Винтовые обмотки (рисунок 5) наматываются из ряда параллельных прямоугольных проводников (от 4 до 20), прилегающих друг к другу в радиальном направлении. При большом количестве параллельные проводники могут располагаться также в каждом витке в несколько слоев в аксиальном направлении или же обмотка выполняется многоходовой, то есть параллельные проводники разбиваются на 2 – 4 группы и каждая группа образует самостоятельный винтовой ход обмотки.

Рисунок 6. Схемы частичной транспозиции параллельных проводников

Когда в радиальном направлении рядом располагается несколько параллельных проводников, то ток распределяется между ними неравномерно, что вызывает увеличение потерь. Причиной неравномерного распределения тока является то, что такие элементарные витки, состоящие из одного параллельного проводника, сцепляются с разными по значению магнитными потоками и в них индуктируются разные электродвижущие силы (э. д. с.). Такая разница в потокосцеплениях обусловлена магнитными потоками рассеяния, которые проходят в пространстве, занимаемом обмотками. Иными словами, можно сказать, что причиной увеличения потерь являются вихревые токи, индуктируемые магнитным полем в проводниках обмотки и вызывающие явление поверхностного эффекта. Вследствие этого активное сопротивление обмотки увеличивается.

Для обеспечения достаточно равномерного распределения тока между проводниками необходимо произвести транспозицию (перекладку) параллельных проводников, образующих виток (рисунок 6). При полной транспозиции каждый проводник занимает в радиальном направлении поочередно все положения, возможные в пределах одного витка. Часто производится только частичная транспозиция проводников. Транспозиция осуществляется в нескольких местах по высоте стержня.

Винтовыми выполняются обмотки низшего напряжения при S_ст ≥ 45 кВ×А, I_ст ≥ 300 А.

Непрерывная спиральная катушечная обмотка

Непрерывная спиральная катушечная обмотка (рисунок 7) выполняется из прямоугольного провода и состоит из нескольких десятков дискообразных катушек, причем катушки наматываются по спирали и соединяются друг с другом без пайки. Если виток состоит из нескольких параллельных проводников, то производится их транспозиция. Такие обмотки применяются при S_ст ≥ 60 кВ×А, I_ст ≥ 20 А, U_л.н ≥ 2 кВ.

Рисунок 7. Непрерывная спиральная катушечная обмотка

Последние два типа обмоток являются в механическом отношении наиболее устойчивыми и способны выдерживать значительные осевые усилия, так как состоят из дискообразных элементов, имеющих в радиальном направлении достаточные размеры.

Радиальные и аксиальные каналы между катушками и слоями обмотки образовываются путем установки прокладок и реек, склеенных и спрессованных из электротехнического картона. При небольших мощностях и невысоких напряжениях цилиндрические обмотки надеваются на стержень магнитопровода и крепятся относительно его деревянными клиньями и планками, которые играют также роль изоляции. В остальных случаях применяются мягкие изоляционные цилиндры из листов электротехнического картона или жесткие цилиндры из рулонного электротехнического картона на бакелитовом лаке.

Наружная и внутренняя обмотки также крепятся относительно друг друга с помощью реек. Изоляция между обмоткой и ярмом выполняется из колец, шайб и прокладок, изготовляемых из электротехнического картона. При высоких напряжениях в случае надобности между обмотками и баком трансформатора ставятся изоляционные барьеры из электротехнического картона.

В весьма мощных трансформаторах применяются также более сложные виды обмоток.

 

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

Устройство и принцип работы трансформатора. Часть 2

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем знакомиться с трансформатором. В первой части мы разобрались с принципом работы и начали изучать устройство трансформатора.

2.3. Конструкция магнитопроводов.

По конструкции магнитопровода определяется конструкция трансформатора и поэтому название магнитопровода переносится на название трансформатора. Промышленностью изготавливаются броневые, стержневые, тороидальные (кольцевые) магнитопроводы, а также магнитопроводы сложных (специальных) конфигураций.

Для изготовления большинства трансформаторов применяются магнитопроводы следующих типов: Ш – броневой магнитопровод; ШЛ – броневой ленточный магнитопровод; П – стержневой магнитопровод; ПЛ – стержневой ленточный магнитопровод; О – тороидальный магнитопровод; ОЛ – тороидальный (кольцевой) ленточный магнитопровод и т.д.

Для питания радиоэлектронной аппаратуры широкое применение нашли броневые

трансформаторы типов Ш, ШЛ, О, ОЛ. В броневом трансформаторе используется всего одна катушка, расположенная на среднем стержне, и все обмотки находятся на катушке, что дает полное заполнение окна магнитопровода обмоточным проводом, частичную защиту обмоток от механических повреждений и хорошее магнитное экранирование.

Пластины, из которых собирают броневые магнитопроводы, изготавливают из листовых электротехнических сталей путем резки или штамповки. Наиболее широко используются шихтовые (пластинчатые) магнитопроводы Ш-образной формы и ленточные магнитопроводы, состоящие из отдельных частей С-образной (U-образной) формы.

Толщина листов магнитных материалов зависит от частоты, на которую рассчитывается трансформатор. Чем меньше толщина листа, тем слабее частотная зависимость проницаемости и меньше потери в магнитопроводе, но тем выше стоимость материала. Так, например, уменьшение толщины проката электротехнической стали с 0,35 до 0,05 мм повышает ее стоимость в 5 раз.

Поэтому можно считать, что для каждого типа трансформатора и диапазона частот существует оптимальная толщина, при которой обеспечиваются необходимые параметры трансформатора при наименьшей стоимости. Для выбора толщины листов (мм) можно воспользоваться следующими ориентировочными данными:

50 Гц …. 0,35 – 0,5 мм
400 – 500 Гц …. 0,1 – 0,2 мм
1000 – 2500 Гц …. 0,05 – 0,1 мм
До 100 кГц …. 0,02 – 0,05 мм.
Более высоким частотам соответствуют меньшие значения толщины листов.

Сборка магнитопроводов из штампованных пластин выполняется двумя способами: встык (с зазором) или вперекрышку (в переплет).

Сборка встык применяется для получения определенного немагнитного зазора (∆), например, в дросселях или трансформаторах, работающих с постоянным подмагничиванием. Как правило, при сборке встык даже при очень плотном стягивании магнитопровода зазор между Ш-образными и прямоугольными пластинами получается в пределах 0,02 – 0,05 мм.

Сборка вперекрышку применяется когда такой зазор не нужен, т.е. когда необходимо уменьшить магнитное сопротивление магнитопровода. Пластины укладываются в ряд таким образом, чтобы места стыков перекрывались пластинами следующего слоя. Причем в каждом слое укладывают пластины двух типов – одну Ш-образную и одну прямоугольную.

Тороидальные (кольцевые) магнитопроводы собираются из отдельных штампованных колец.

Ленточные магнитопроводы изготавливают из узкой ленты электротехнической стали или специальных сплавов. Ленты набирают в пакеты разной длины и толщины, а затем пакеты гнут или навивают на оправку определенного размера: для тороидальных магнитопроводов навивают на круглую оправку, для броневых и стержневых на прямоугольную. Но из-за сложности изготовления обмоток для ленточных магнитопроводов их разрезают на две половины, что дает возможность наматывать обмотки трансформаторов отдельно и затем вставлять в них половинки магнитопровода, но при этом в магнитную цепь вводится неизбежный магнитный зазор.

Так как ленточные магнитопроводы собираются в стык, то для получения наименьшего магнитного сопротивления в местах стыка их торцевые поверхности шлифуют, а при сборке обе части склеиваются специальной ферромагнитной пастой. Применение пасты позволяет понизить требования к качеству механической обработки стыков и значительно упрощает их изготовление и сборку.

2.4. Обмотки трансформаторов. Виды обмоток.

Обмотки выполняется обмоточным проводом круглого сечения, покрытым эмалевой или эмалево-волокнистой изоляцией. В качестве обмоточного провода используют алюминий или медь, но в основном медь, которая обладает наименьшим сопротивлением по сравнению с другими проводниковыми материалами.

Существуют два различных способа выполнения обмоток – многослойная и галетная (дисковая).

Многослойная обмотка наматывается непрерывно до получения заданного количества витков и располагается по всей длине стержня магнитопровода или его части, отведенной для данной обмотки. Разновидностью многослойной обмотки является

секционная обмотка, которая разбивается на ряд секций, где каждая секция занимает часть длины стержня, но все вместе они составляют единую обмотку.

Многослойная обмотка отличается простотой выполнения и может быть намотана на каркасе или быть бескаркасной. При намотке на каркас провод укладывают беспорядочным расположением витков – намотка «внавал» или укладывают правильными рядами – рядовая намотка.

Намотка внавал

проще в производстве, но из-за возможного западания отдельных витков в толщу намотки может понизится электрическая прочность обмотки. Как правило, такая намотка используется при изготовлении броневых трансформаторов малой мощности. На рисунке показано схематичное заполнение каркаса витками обмоточного провода, а числами обозначена нумерация витков, показывающая, как витки провода могут укладываться при их намотке внавал.

При рядовой намотке провод укладывается виток к витку и каждый слой прокладывают изолирующей прокладкой, например, из конденсаторной

или кабельной бумаги, что повышает электрическую и механическую прочности.

При рядовой намотке можно отказаться от сложного каркаса и производить укладку провода на простую цилиндрическую гильзу, закрепляя витки клеем или лаком. Для повышения прочности каждый последующий слой делается короче предыдущего на 0,5 – 1 мм и такая бескаркасная намотка удобна для массового производства.

Галетная обмотка

выполняется в виде отдельных элементов, галет, где каждая галета представляет собой полностью законченную деталь. Галеты одна за другой нанизываются на стержень магнитопровода и соединяются между собой электрически или иным способом. Отдельные галеты могут изготавливаться независимо одна от другой, что допускает возможность замены отдельных секций трансформатора во время ремонта.

Обмотки трансформаторов должны быть хорошо изолированы как от магнитопровода, так и друг от друга. Изоляция обмоток от магнитопровода осуществляется при помощи каркасов (катушек), изготавливаемых из листовых изоляционных материалов с хорошей электрической и механической прочностью, например, электрокартона, прессшпана, гетинакса, различных изоляционных пластмасс.

Выбор материала каркаса определяется его стоимостью, удобством обработки и теплостойкостью, а конструкция каркаса определяется способом намотки и устройством выводов. Намотка внавал требует применения каркаса в виде катушки, тогда как бескаркасная намотка выполняется на простых цилиндрических каркасах (гильзах), склеенных из кабельной бумаги. Широкое применение нашли склеенные и составные каркасы из листовых материалов Конструкции различных каркасов показаны на рисунке ниже.

Выводы концов обмоток могут выполняться непосредственно обмоточным проводом, выпущенным из катушки на необходимую длину или специальным изолированным проводом; специальными ленточными выводами, укрепленными на внешней изоляции обмотки, а также при помощи специальных контактов, укрепленных на щечках каркаса или элементах магнитопровода.

Стягивание магнитопровода маломощных трансформаторов производится металлической скобой, тогда как магнитопроводы более мощных трансформаторов стягиваются специальными планками, при помощи болтов стяжек. Стягивающее устройство должно обладать необходимой механической прочностью и обеспечивать прочное соединение деталей магнитопровода.

Защита трансформаторов от климатических условий осуществляется пропиткой обмоток или пропиткой целого трансформатора изоляционными лаками. В процессе пропитки заполняются микроскопические поры изоляционных материалов, а также мелкие промежутки между витками обмоток, слоями волокнистой изоляции и конструктивными элементами трансформатора. Пропитка не только улучшает влагостойкость обмотки, но и увеличивает ее механическую и электрическую прочность, повышает допустимую температуру нагрева и теплопроводность.

Однако только одна пропитка не всегда может обеспечить полной защиты обмоток от влаги, поэтому торцы катушек дополнительно заделывают изоляционными замазками (пастами), специальными обволакивающими составами или опрессовывают. Если же трансформатор предполагается использовать в нормальных или близких к нормальным условиях, то пропитка может отсутствовать.

При повышенных требованиях к влагостойкости применяют герметизацию, которая обеспечивает полную изоляцию трансформатора от окружающей среды непроницаемой оболочкой, выполненной из металла и залитой специальным изоляционным составом, например, эпоксидными или полиуретановыми смолами.

3. Обозначение трансформаторов на схемах.

На принципиальных схемах обмотки трансформатора обозначают катушками индуктивности, расположенных близко одна от другой, а магнитопровод – линией между катушками. Низкочастотные трансформаторы со стальными магнитопроводами и магнитопроводами из железоникелевых сплавов, например, пермаллоя, на схемах обозначаются буквой «Т», а обмотки трансформаторов обозначаются римскими цифрами. Иногда используют условную нумерацию их выводов в соответствии с маркировкой указанной на корпусе трансформатора.

В радиочастотной технике обмотки высокочастотных трансформаторов нередко являются элементами колебательных контуров и фильтров, поэтому на схемах им присваивают буквенное значение катушек индуктивности «L». Высокочастотные трансформаторы могут быть как с магнитопроводом, так и без него, а их обмотки (катушки) могут располагаться на одном или разных каркасах, но очень близко друг к другу.

Если магнитопровод является общим для всех обмоток, то на схемах его обозначают прерывистой линией (а), если же каждая из катушек имеет свой магнитопровод, то его изображают над катушками (б).

Возможность подстройки индуктивности катушек изменением положения магнитопровода отображают знаком подстроечного регулирования, который пересекает символы обмоток (а), а чтобы показать индуктивную связь между катушками, их символы пересекают знаком регулирования (б).

В приемной и передающей радиоаппаратуре для корректной работы некоторых блоков, содержащих трансформаторы, иногда требуется знать фазировку обмоток, т.е. порядок подключения выводов. В таких случаях на принципиальных схемах начало обмоток трансформаторов и катушек индуктивности обозначают жирной точкой, которую ставят у соответствующего вывода.

Для питания бытовой радиоаппаратуры применяют силовые трансформаторы, выполняющие две важные функции: они преобразуют напряжение переменного тока электрической сети к нужному, как правило, более низкому значению, которое используется для питания электронной схемы, а также «изолируют» электронную схему от непосредственного контакта с сетью, так как обмотки электрически изолированы одна от другой.

Выпускаемые промышленностью силовые трансформаторы предназначены для работы с напряжением 110, 127 или 220В и обеспечивают разнообразные значения вторичных напряжений от одного до нескольких тысяч вольт и токами от нескольких миллиампер до сотен ампер. Мощность наиболее распространенных трансформаторов чаще всего лежит в пределах 30 – 200 В•А. Как правило, силовые трансформаторы имеют несколько вторичных обмоток с различными напряжениями, но общее количество обмоток обычно не превышает четырех-пяти.

Некоторые устройства, питающиеся от сети переменного тока (коллекторные электродвигатели, сварочные аппараты и т.п.), создают интенсивные помехи, которые через электрическую сеть и силовой трансформатор могут проникнуть в аппаратуру и нарушить ее работу.

Для ослабления этих помех между первичной (сетевой) и остальными обмотками помещают электростатический экран, представляющий собой незамкнутый виток из полоски медной или алюминиевой фольги или один слой изолированного провода. Вывод экрана соединяют с шасси или с общим проводом (корпусом) прибора, а наличие экранирующей обмотки изображают штриховой линией, параллельной символу магнитопровода, со знаком корпуса прибора на конце.

Иногда для работы в измерительной и бытовой аудиоаппаратуре обмотку трансформатора экранируют путем размещения внутри металлического футляра (экрана) из магнитного материала, который также соединяют с шасси или с общим проводом (корпусом) прибора.

Вот в принципе и все, что хотел рассказать об устройстве и принципе работе трансформатора.
До встречи на страницах сайта.
Удачи!

Литература:

1. В. А. Волгов – «Детали и узлы радио-электронной аппаратуры», Энергия, Москва 1977 г.
2. В. В. Фролов – «Язык радиосхем», Москва «Радио и связь», 1988 г.
3. И. И. Белопольский – «Расчет трансформаторов и дросселей малой моности», М-Л, Госэнергоиздат, 1963 г.
4. В. Г. Борисов, – «Юный радиолюбитель», Москва, «Радио и связь» 1992 г.

Устройство обмоток трансформаторов

Трансформатор представляет собой статический электромагнит­ный преобразователь с двумя или больше обмотками, предназначен­ный (наиболее часто) для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным маг­нитным полем. Трансформаторы широко применяют при передаче электрической энергии на большие расстояния, при распределении ее между приемниками, а также в различных выпрямительных, уси­лительных, сигнализационных и других устройствах.

Обмотку для трансформаторов в основном изготавливают либо из алюминия, либо из меди.

Обмотки трансформаторов изготавливают из меди или алюми­ния. Для трансформаторов небольшой мощности, т. е. при небольших токах (до 25 А для воздушных и до 45 А для масляных трансформаторов), обмотки выполняют из изолированного провода круглого поперечного сечения. Параллельное соединение витков дает возможность применить провод круглого поперечного сечения при относительно больших токах в обмотках и облегчает процесс изготовления последних. При больших мощностях и токах обмотки изготавливают из проводников прямоугольного поперечного сечения.

Рисунок 1 и 2. Схема обмоток трансформатора.

Для изоляции обмоток и других токоведущих частей трансфор­матора применяют изоляционные материалы, которые должны обеспечивать надежную работу трансформатора в условиях его экс­плуатации при значительных колебаниях температуры нагрева.

Конструкция обмоток должна обеспечивать хорошее их охлаждение, так чтобы температура нагрева обмоток не превышала пределов, установленных для соответствующих классов изоляции. Изоляция обмоток должна выдерживать без повреждений длительное воздействие на нее переменного электрического поля, имеющегося в транс­форматоре при нормальной работе, и кратковременные перенапряжения, возникающие в условиях эксплуатации трансформаторов. Обмотки трансформаторов должны выдерживать механические воз­действия, которым они подвергаются в процессе сборки трансфор­матора и в условиях эксплуатации при КЗ.

По способу размещения на магнитопроводе обмотки трансфор­маторов могут быть концентрическими и дисковыми чередующими­ся. Концентрические обмотки выполняют в виде цилиндров, разме­щаемых на магнитопроводе концентрически. Внутри (ближе к сердечнику) обычно размещают обмотку НН, требующую меньшей изоляции относительно магнитопровода, снаружи — обмотку ВН (рис. 1а).

В некоторых случаях для уменьшения индуктивного сопротивления обмоток, т. е. для уменьшения магнитного рассея­ния, находят применение двойные концентрические обмотки (рис. 1б), в которых обмотку НН делят на две части с одинаковым числом витков. Между половинами обмотки НН помещают обмотку ВН. Подобным образом может быть выполнена тройная концентрическая обмотка, в которой обмотка НН состоит из трех частей, а обмотка ВН — из двух.

В дисковых чередующихся обмотках катушки НН и ВН, изготов­ленные в виде отдельных дисков, размещены на магнитопроводе в чередующемся порядке (рис. 2). Вся обмотка подразделяется нa симметричные группы, состоящие из одной или нескольких катушек ВН и расположенных по обе стороны от них двух или нес­кольких катушек НН. Чередующиеся обмотки на практике приме­няют только для специальных трансформаторов. При высоких на­пряжениях эти обмотки не применяют из-за сложности изоляции и большого количества промежутков между катушками НН и ВН.

Конструктивно концентрические обмотки выполняют цилиндри­ческими, катушечными, непрерывными, винтовыми и др.

Варианты цилиндрической обмотки.

Цилиндрические обмотки — одно- и двухслойные цилиндрические обмотки наматывают из провода прямоугольного поперечного сечения в один или несколько параллельных проводов. В трехслойных (и при большем числе слоев) обмотках между слоями оставляют вертикальный канал. Слой обмотки составляют витки, наматываемые вплотную друг к другу. Начало и конец двухслойной обмотки выводят из верхней ее части и располагают у верх­него ярма. Такие обмотки используются в качестве обмоток НН трансформаторов мощностью до 630 кВА.

Многослойные цилиндрические обмотки наматывают из прово­дов круглого сечения, размещаемых вдоль всего стержня в несколь­ко слоев, между которыми прокладывают изоляцию из кабельной бумаги. Обычно такую обмотку выполняют из двух катушек, между которыми оставляют вертикальный охлаждающий канал. Много­слойные цилиндрические обмотки применяют в качестве обмоток ВН для трансформаторов мощностью до 630 кВА при напряжениях до 35 кВ. Цилиндрические обмотки просты в производстве, но их механическая прочность по отношению к осевым силам неве­лика (при намотке провода плашмя), так как сравнительно малы радиальные размеры обмоток.

Катушечная многослойная обмотка — отличается от многослойной цилиндрической тем, что разделена по высоте на отдельные катушки и поэтому сложнее в производстве.

Кабельная бумага используется для прокладки между слоями катушки.

Между слоями катушки прокладывают кабельную или телефонную бумагу, а между отдельными катушками — шайбы из электрокартона. Меж­ду отдельными катушками (обычно через две) делают охлаждаю­щие каналы. Катушечные многослойные обмотки применяют в качестве обмоток ВН трансформаторов мощностью до 100 кВА и напряжением до 35 кВ.

Непрерывная обмотка — ее наматывают по спирали из провода прямоугольного поперечного сечения. Она состоит из нескольких десятков дисковых катушек, соединенных между собой без пайки. При изготовлении обмотки провод в каждой катушке укладывают плашмя по спирали и наматывают на изоляци­онный цилиндр или стальной шаблон. Между изоляционными ци­линдром и катушками обмотки, а также между отдельными катуш­ками имеются охлаждающие каналы.

Каждая катушка состоит из нескольких витков, а каждый виток — из одного или нескольких параллельных проводов. При нескольких параллельных проводах намотку их производят с перекладкой (транспозицией). Непрерыв­ные обмотки, несмотря на сложность их изготовления, в настоящее время широко используют в трансформаторостроении благодаря их высокой механической прочности. Такие обмотки применяют в качестве обмоток высшего и низшего напряжения трансформато­ров мощностью более 1000 кВА.

Винтовые обмотки — их наматывают из нескольких парал­лельных проводников прямоугольного поперечного сечения. Параллельные провода располагают друг над другом (перпендикулярно оси обмотки), в отличие от цилиндрических обмоток, у которых параллельные провода укладываются рядом по линии, параллель­ной оси обмотки. Витки обмотки укладывают винтовой линией, имеющей один или несколько ходов. В винтовых обмотках необхо­дима перекладка (транспозиция) проводников, образующих один виток, для равномерного распределения тока между параллельны­ми проводами.

Перекладка проводов создает такие условия, при которых каждый провод в пределах одного витка попеременно занимает все возможные положения. Винтовые обмотки могут иметь до 20, а иногда и более параллельных проводов. Они, так же как и непрерывные обмотки, обладают высокой механической прочностью, их применяют в качестве обмоток НН при больших токах.

Обмотки трансформаторов

Обмотки трансформаторов отличаются друг от друга типом, количеством витков, поперечным сечением и маркой провода, направлением намотки, изоляционными расстояниями и толщиной витковой изоляции. Чем больше напряжение трансформатора, тем больше количество витков; с увеличением мощности возрастают сечения проводов и размеры обмоток. Плотность тока в обмотках выбирают по условиям нагрева в пределах 2,5—4 А/мм².
Следует строго различать направление намотки обмоток. Обмотки, намотанные в один слой, — однослойные, независимо от того, какой конец считать началом (верхний или нижний), имеют то направление, какое было получено при намотке. В многослойных обмотках, состоящих из нескольких слоев с переходами из слоя в слой (рис. 1, а), направление намотки чередуется. У таких обмоток за направление намотки принимают направление того слоя, у которого входной конец принят за начало.

Рис. 1. Схемы обмоток правого и левого направлений

Дисковые катушки, имеющие форму плоской спирали, считаются левыми или правыми в зависимости от того, какой конец выбран началом — внутренний или наружный. Из рис. 1,6 видно, что если за начало у этих катушек принять наружные концы, то в расположенной справа катушке обмотка будет правой, а слева — левой. Если же за начало принять внутренние концы, то направление намотки обмоток изменится соответственно на левое и правое. Если дисковую катушку повернуть к наблюдателю другой плоскостью, то она будет иметь другое направление: левая станет правой, а правая — левой.
Обычно дисковые катушки делают парными (рис. 1, б). В этом случае наружные концы являются входными, а переход из одной катушки в другую осуществляется соединением внутренних концов. При этом направление намотки остается определенным и обмотка, состоящая из любого числа последовательно соединенных парных катушек одинаковой намотки, будет иметь то же направление намотки, что и отдельные парные катушки. В некоторых случаях для придания обмоткам большей механической прочности и повышения влагостойкости после сушки их пропитывают лаком и запекают в термошкафах при 100—110°С.

Рис.   2.   Устройство двухслойной  цилиндрической обмотки
Рис. 3. Многослойная цилиндрическая обмотка:
а — общий вид,  б — межслоевая и концевая изоляция

В трансформаторах наибольшее применение получили обмотки следующих типов: однослойные и двухслойные цилиндрические, многослойные цилиндрические, многослойные катушечные, непрерывные, винтовые и дисковые.
В двухслойной, цилиндрической обмотке, намотанной двумя параллельными проводами (рис. 2), переход из слоя 4 в слой / сделан в нижней части. Между слоями образован канал 2 изоляционными планками 5, который служит для увеличения охлаждающей поверхности. Для выравнивания торцов обмотки установлены выравнивающие кольца 3.
При маркировке, показанной на рис. 2, обмотка является правой. Двухслойную обмотку, как и однослойную, применяют в основном в качестве обмотки НН трансформаторов мощностью 40—630 кВ-А.

Многослойную цилиндрическую обмотку (рис. 3, а) обычно наматывают проводом круглого сечения марок ПБ или АПБ. Остовом обмотки служит бумажно-бакелитовый цилиндр 1, на него намотан первый слой обмотки, а последующие— на бумажных цилиндрах 2, состоящих из нескольких слоев кабельной бумаги, служащей межслоевой изоляцией. Цилиндры 2 выступают за слои обмотки. В промежутках между выступающими слоями располагают бортики 5 (рис. 30,6), представляющие собой электрокартонные полосы толщиной 1—1,5 и шириной 12 мм, наклеенные на телефонную или кабельную бумагу шириной 60—80 мм. Для увеличения поверхности охлаждения обмотку разделяют на две части вертикальным каналом 3 (рис. 30, а). Его образуют рейки 4У установленные от цилиндра / на расстоянии, приблизительно равном 1/3 толщины обмотки. При напряжении 6—10 кВ часто применяют рейки из бука, при 35 кВ — из склеенного электрокартона.

Рис. 4. Магнитно-симметричная схема многослойной цилиндрической обмотки
Рис. 5. Устройство непрерывной катушечной обмотки

Для придания большей механической стойкости многослойные цилиндрические обмотки часто выполняют по магнитно-симметричным схемам с пятью ответвлениями (рис. 4). По этой схеме регулировочные витки располагаются в двух слоях или одном наружном слое. Каждая ступень регулирования разделена на две симметричные и последовательно соединенные группы витков Р1 и Р2. На первом ответвлении в работе находится весь регулировочный слой обмотки, на втором из работы выключаются две средние группы, на третьем — две следующие, симметричные к краям, на четвертом — две предпоследние, на пятом — весь регулировочный слой.
Многослойные цилиндрические обмотки применяют главным образом в качестве обмоток ВН трансформаторов мощностью до 630 кВ-А, напряжением 3—35 кВ.
Обмотка, состоящая из плоских спиральных катушек, у которой, переход провода из катушки в катушку осуществляется без разрыва с помощью особых технологических приемов, называется непрерывной катушечной обмоткой. У такой обмотки (рис. 5) спиральные катушки 1 имеют одинаковый радиальный размер и расположены друг над другом; для охлаждения между ними образованы дистанционными прокладками 3 горизонтальные каналы 2. Каждый виток может состоять из одного или нескольких прямоугольных параллельных проводов. Обмотка, показанная на рис. 32, намотана одним проводом с шестью регулировочными ответвлениями 8 в середине.
Обмотка намотана на рейки 6, уложенные на бумажно-бакелитовом цилиндре 7, поэтому между цилиндром и обмоткой образован охлаждающий канал 5. Для создания надежной опорной поверхности на торцах обмотки установлены опорные кольца 4 из склеенного электрокартона.
Непрерывные обмотки трансформаторов IV габарита и выше, как правило, не имеют бумажно-бакелитовых цилиндров. Их наматывают на рейки, уложенные на специальной металлической оправке, которую после намотки вынимают. Горизонтальные каналы между катушками образованы дистанционными прокладками 2, нанизанными на рейки 1 (как показано на рис. 6). Для придания обмоткам большей механической прочности их наружную сторону «прошивают» электрокартонными рейками, пропуская их через прокладки 3 с двусторонним замком.
У обмоток напряжением 110 кВ для большей электрической прочности две первые катушки (входные) и две последние наматывают проводом с усиленной витковой изоляцией (1,68— 1,92 мм).
В непрерывных катушечных обмотках, состоящих из нескольких параллельных проводов, более удаленные от оси витки провода имеют большую длину, а менее удаленные — меньшую. Чтобы уравнять длины, а следовательно, сопротивления проводов при переходах из катушки в катушку, их меняют местами — делают транспозицию, как показано на рис. 7; тогда ток поровну распределяется между всеми параллельными проводами. Непрерывные обмотки монолитны и механически устойчивы; их применяют в качестве обмоток НН, СН и ВН.

Рис. 6. Рейки  и дистанционные прокладки обмоток

Рис. 7. Транспозиция проводов непрерывной обмотки:
1 и 6 — верхняя и нижняя катушки, 2 и 4 — транспонируемые провода, 3 — рейки, 5 — дистанционные прокладки

В конструкцию обмоток ВН напряжением 110 кВ и выше входят емкостные кольца, которые, увеличивая входную емкость обмоток, выравнивают электрическое поле первых катушек и витков и тем самым уменьшают градиентные перенапряжения в обмотке.
В винтовой обмотке витки следуют друг за другом по винтовой линии и каждый из них составлен из нескольких концентрически расположенных параллельных проводов (такую обмотку часто называют спиральной).
Винтовая обмотка рис. 8; имеет такие же изоляционные детали, как и непрерывная; она намотана многими параллельными проводами 6. Прокладки 7 между витками 1 образуют горизонтальный канал, идущий параллельно виткам, а рейки 4— вертикальные каналы между обмоткой и цилиндром 5.
Для трансформаторов небольшой мощности винтовые обмотки наматывают на рейки, уложенные на бумажно-бакелитовом цилиндре, для мощных — на рейки, уложенные на раздвижной оправке. Торцы обмоток выравнивают сегментами 2 и путем равномерного увеличения высоты прокладок между опорным кольцом 3 и крайним витком.

Так как параллельные провода винтовой обмотки расположены концентрично и находятся на разном расстоянии от ее оси, то для выравнивания активных и индуктивных сопротивлений параллельных проводов и снижения потерь от циркулирующих токов, вызванных потоками рассеяния, в винтовых обмотках выполняют две групповые и одну общую транспозицию проводов (рис. 9, а). Групповая транспозиция (рис. 9,6) заключается в том, что провода витка делят поровну на две группы — верхнюю и нижнюю и при переходе в следующий виток верхнюю группу перемещают на место нижней, а нижнюю — на место верхней. Групповые транспозиции делают на ½ и 3/4 части витков обмотки. Общую транспозицию (рис. 9, в) выполняют в середине обмотки. Для этого при переходе витка из одной половины обмотки в другую верхний провод переставляют на место нижнего, а за ним поочередно перемещают на новое место остальные «параллельные провода. Количество переходов получается равным числу параллельных проводов. Переходы делают в пролетах между прокладками.

Рис. 8. Винтовая обмотка

Рис. 9. Транспозиция проводов непрерывной обмотки:
а — схема, б — групповая  транспозиция, в — общая транспозиция

Кроме рассмотренной одноходовой винтовой обмотки применяют двух- и четырехходовые. Их устройство напоминает винт, резьба которого образована двумя или четырьмя нитками. Транспозиция у таких обмоток несколько сложнее, но совершеннее. Винтовые обмотки имеют  сравнительно небольшое количество витков, их изготовляют на большие токи и применяют главным образом в трансформаторах III—VIII габаритов.

Первичная и вторичная обмотка трансформатора. Трансформаторы

Трансформаторы являются одними из самых распространенных электротехнических устройств, которые находят применение в самых разных областях — энергетике, промышленности, электронике, в быту.

Коротко назначение трансформатора можно охарактеризовать так: это устройство, преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Все трансформаторы предназначены для работы только с переменным напряжением.

Трансформатор нельзя включать в сеть постоянного тока, так как при подключении трансформатора к сети постоянного тока магнитный поток в нем будет неизменный во времени и, следовательно, не будет индуктировать ЭДС в обмотках; вследствие этого в первичной обмотке будет протекать большой ток, так как при отсутствии ЭДС он будет ограничиваться только относительно небольшим активным сопротивлением обмотки. Этот ток может вызвать недопустимый нагрев обмотки и даже ее перегорание.

Существуют повышающие и понижающие трансформаторы. В повышающем трансформаторе первичная обмотка имеет низкое напряжение, число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной. В понижающем трансформаторе, наоборот, вторичная обмотка имеет низкое напряжение, а число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной.

Отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации и обозначается буквой К :

где U1 и U2 – это напряжения на входе и выходе из трансформатора, N1 и N2 — число витков первичной и вторичной обмоток, I1 и I2 – это токи первичной и вторичной цепей.

Принцип действия всех трансформаторов связан с явлением электромагнитной индукции.

Трансформатор состоит из ферромагнитного магнитопровода Ф, собранного из отдельных листов электротехнической стали, на котором расположены две обмотки (1 — первичная, 2 — вторичная), выполненные из изолированного провода.

Обмотку, подключенную к источнику питания, принято называть первичной, а обмотку, к которой подключены потребители — вторичной.

При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС во вторичной обмотке. Сила тока во вторичной обмотке, не присоединенной к цепи, потребляющей энергию, равна нулю. Если цепь подсоединена и происходит потребление электроэнергии, то в соответствии с законом сохранения энергии сила тока в первичной обмотке пропорционально возрастает.

Таким образом, и происходит преобразование и распределение электрической энергии.

Силовые трансформаторы — Данный вид трансформатора предназначен для преобразования электрической энергии в электрических сетях, для питания различного электрооборудования, в осветительных цепях.

Автотрансформаторы — у данного типа трансформаторов обмотки соединены между собой гальванически. В основном автотрансформаторы применяются для изменения и регулировки напряжения.

Трансформаторы тока — трансформатор, созданный для понижения первичного тока до величины применяемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации. Номинальное значение вторичной обмотки 1А, 5А. Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, пропорционален току, протекающему в его первичной обмотке на коэффициент трансформации.

Разделительные трансформаторы — имеют первичную обмотку, которая не связана электрически со вторичными обмотками. Силовые разделительные трансформаторы служат для повышения безопасности в электросетях. Сигнальные разделительные трансформаторы предназначены для обеспечения гальванической развязки электрических цепей.

Переменного тока.

Принципиальная схема трансформатора приведена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема трансформатора

Основные части трансформатора: замкнутый стальной сердечник 1 и размещенные на этом сердечнике обмотки 2 и 3. Обмотки изолированы от стального сердечника и друг от друга, т. е. обмотки электрически не связаны между собой.

Сердечники трансформаторов набирают из листов специальной так называемой трансформаторной стали толщиной 0,35 или 0,5 мм.

Листы стали изолируют друг от друга специальной бумагой или лаковой изоляцией.

Трансформаторная сталь имеет повышенное по сравнению с обычной сталью электрическое сопротивление, способствующее, так же как и наличие прокладок и лака, уменьшению вихревых токов, индуктируемых в сердечнике, и связанных с ними потерь.

В трансформаторной стали потери, связанные с , меньше, чем в других сортах стали.

Обмотка трансформатора, к которой подводится электрическая энергия, называется первичной обмоткой , другая, к которой присоединяются приемники энергии, — вторичной обмоткой .

Соответственно все электрические величины (мощность, напряжение, ток, сопротивление и т. д.), относящиеся к электрической цепи первичной обмотки, называются первичными, а относящиеся ко вторичной обмотке, — вторичными.

Обмотка с более высоким напряжением называется обмоткой высшего напряжения (в. н.), обмотка, присоединенная к сети с меньшим напряжением, называется обмоткой низшего напряжения (н.н.).

Если вторич

Выбор материала обмоток трансформатора

4 мая 2014Сухие трансформаторы,Технологии

В трансформаторах обмотки служат для преобразования электрической энергии. Изменяя напряжение и силу тока, они сохраняют передаваемую мощность. Вместе с обмотками в преобразовании энергии участвует набор из металлических пластин, который играет роль магнитопровода.

Трансформаторные обмотки изготавливаются из проводников, покрытых слоем изоляции, который также удерживает провода в определенном положении и создает канал охлаждения. Различные конструкции обмоток предусматривают нейтральные и линейные ответвления, а также отводы для регулировки. Во время работ, связанных с конструированием обмоток, рассчитываются такие параметры:

• допустимое значение превышения температуры при номинальной мощности и рабочей нагрузке;
• электрическая прочность при повышенном напряжении;
• механическая прочность во время короткого замыкания.

Для изготовления обмоток преобразователей чаще всего используется медный провод. Это делается из-за того, что медь имеет малое электрическое сопротивление и высокую электропроводность. Благодаря своей гибкости и механической прочности, она хорошо обрабатывается и плохо поддается коррозии.

Однако медь – это достаточно ценный и дефицитный металл. Высокая стоимость меди связана с небольшими мировыми запасами ее руды. Из-за этого стоимость металла постоянно увеличивается, так что производители трансформаторов вынуждены искать ему замену. На сегодняшний день лучшей альтернативой меди является алюминий. Его запасы значительно превосходят медные, и в природе он встречается намного чаще.

Однако алюминий имеет меньшую электропроводность. Также он менее гибок и уступает меди в пределе прочности. Его редко применяют в обмотках мощных трансформаторов. Кроме того, достаточно сложно в техническом плане делать внутренние соединения обмоток при помощи сварки. Выполнение этой операции требует от работников, соединяющих обмотки, соответствующих знаний и умений, большого опыта и определенных навыков. В случае когда соединяются медные проводники, все обстоит гораздо проще.

Сравнительные характеристики металлов

УТВЕРЖДЕНИЕ	ПРАВДА	МИФ
Оконечные заделки намотанных алюминием трансформаторов несовместимы с медной линией и силовыми кабелями.		Х
Оконцевание выводов должным образом – более сложная задача для намотанных алюминием трансформаторов.	Х
Соединения с линией и нагрузкой трансформаторов с медными обмотками более надежны, чем у трансформаторов с алюминиевыми обмотками.		Х
Трансформаторы с алюминиевыми обмотками весят легче, чем аналогичные с медными обмотками.	Х
Намотанные медью обмотки низкого напряжения трансформаторов лучше подходят для «ударных» нагрузок, потому что у меди более высокая прочность на растяжение чем у алюминия.		Х
Трансформаторы с алюминиевыми обмотками имеют более высокие потери, чем аналогичные с медными обмотками.		Х

Споры о том, какой металл лучше использовать для трансформаторных обмоток, не прекращаются на протяжении многих лет. Оппоненты, приводящие различные технические аргументы в пользу разных металлов, постоянно меняют свои взгляды. Большая часть из всех аргументов не столь существенна, а некоторые из, так называемых фактов, являются откровенной дезинформацией.

Чтобы правильно выбрать материал для обмотки преобразователя, следует произвести сравнительный анализ рабочих параметров алюминия и меди, и определить степень их различия. Внимание обращают на те параметры, которые вызывают наибольшее беспокойство, поскольку являются наиболее важными в работе преобразующего устройства.

Характерные различия между медью и алюминием

Параметр	Алюминий	Медь
Температурный коэффициент линейного расширения, х10-6/°С	21-23	16,4-16,6
Теплопроводность, Вт/м∙°С	218	406
Удельное сопротивление, Ом∙мм2/м	0,026-0,028	0,017-0,018
Предел прочности на разрыв, Н/мм2 (мягкие марки)	79-108	197-276

Коэффициент расширения

Когда нагревается алюминий, он имеет расширение на 30% больше, чем медь. Если алюминиевые наконечники соединяются при помощи болта и гайки, под прижимную гайку нужно обязательно подкладывать пружинистую шайбу. В этом случае контактное соединение не будет ослабляться в то время, когда напряжение отключено, и наконечники остывают, уменьшая при этом свои размеры.

Вывод: Чтобы качество соединения алюминиевых кабелей не уступало качеству медных контактов, необходимо использовать должную арматуру.

Теплопроводность

Медь намного лучше проводит тепло, чем алюминий. Поэтому если разные металлы обмоток в трансформаторах имеют одинаковое сечение, то изделие из меди охлаждается гораздо лучше, чем из алюминия. Чтобы добиться одинаковой электропроводности, а значит одной и той же отдачи тепла, алюминиевый провод в преобразователе должен иметь сечение на 60% больше медного.

Проектировщики, разрабатывая пакет документов для производства трансформаторов, учитывают особенности материала, конструкцию, а также суммарную площадь охлаждающейся поверхности обмотки.

Вывод: Все трансформаторы, невзирая на то, из какого металла выполнены их обмотки, имеют очень сходные тепловые характеристики.

Электропроводность

Вследствие того, что алюминий имеет электрическую проводимость на 60% меньше чем медь, в обмотках из алюминия более высокие потери. Разработчики преобразователей с алюминиевыми обмотками в проектной документации закладывают сечения проводников, которые превышают значения для аналогичных изделий из меди. Это уравнивает потерю энергии в изделиях, имеющих в обмотках различные материалы.

Вместе с тем производители имеют определенные рамки, ограничивающие выбор сечения провода. Поэтому иногда получается, что медная обмотка в трансформаторе имеет более значительные потери, чем аналогичное изделие из алюминия. Это происходит из-за того, что производители по тем или иным причинам в качестве обмотки использовали медный провод, сечение которого не соответствует расчетной норме.

Что же касается сухих трансформаторов, то вне зависимости от металла обмотки у них потери в сердечнике, набранном из металлических пластин, остаются неизменны. Добиться более высокой эффективности работы преобразователя можно только путем изменения сечения обмоточного провода. Это и является основным критерием, который указывает на более высокую степень результативности того или иного устройства.

Вывод: Благодаря тому, что алюминиевый провод стоит намного дешевле, за те же деньги им можно намотать обмотку, имеющую большее сечение. Это приведет к значительному снижению энергетических потерь во время работы преобразователя. В некоторых случаях такие обмотки намного эффективней медных.

Предел прочности металлов

Алюминий для своего разрыва требует на 40% меньше усилий, чем медь. У производителей электротехнических изделий этот факт вызывает определенное беспокойство, поскольку большинство выпускаемых ими товаров часто подвергается циклическим нагрузкам. Это связано с большими пусковыми токами, которые возникают при запуске некоторых электрических силовых аппаратов. Мощные электромагнитные силы, возникающие при таких токах, вызывают усиленное движение молекул в проводниках, что приводит к смещению обмоток в изделиях.

Сравнительный анализ технических показателей различных проводников делается исходя из площади их поперечного сечения. На основании данных анализа одинаковая электропроводность в трансформаторах с разными обмотками обеспечивается следующим образом. В изделиях с алюминиевой обмоткой площадь сечения провода должна быть больше на 60%, чем в аналогичном устройстве, имеющем обмотку из меди. В этом случае технические показатели изделий, сделанных из различных материалов, будут примерно одинаковы.

Вывод: Трансформатор не может получить механическое повреждение из-за резкого изменения нагрузки, поскольку сечение обмотки подобрано таким образом, чтобы имелся необходимый запас прочности. Повреждения могут случиться только вследствие ненадежного крепления в местах соединения проводов.

Внешние подключения трансформаторов

В настоящее время использование меди в трансформаторных обмотках вызвано стремлением производить более качественные и надежные преобразующие устройства. Известно, что как алюминий, так и медь легко поддаются разрушающему воздействию окружающей среды. Из-за этого в металлах происходит коррозия, окисление и другие химические изменения.

Поверхность алюминиевого провода, покрытая окисью, становится изолятором и не пропускает электрический ток. Из-за этого своевременная очистка алюминиевых контактов имеет большое значение и должна производиться регулярно, в строгом соответствии с графиком проведения профилактических работ.

Окисленная же медь утрачивает свою электропроводность значительно меньше, поскольку появляющиеся на ней сульфиды и оксиды, конечно, не в той мере в какой бы хотелось, но все же имеют некоторую электропроводность. Все это хорошо знает персонал, который обслуживает трансформаторные подстанции. Поэтому специально обученная бригада электриков регулярно производит плановую проверку болтовых соединений рабочего оборудования.

Кроме того, существует проблема подключения алюминиевых обмоток преобразователя к медным проводам внешней электрической сети. Напрямую соединять алюминиевые и медные наконечники болтами нельзя. Дело в том, что металлы имеют различную электропроводность, из-за чего места соединений постоянно перегреваются, и соединенные поверхности разрушаются. Разработанные специально для этого сварочные технологии оказались малоэффективными, поэтому для сваривания кабелей из разного металла их не применяют.

Для соединения медных и алюминиевых кабелей сейчас используют луженые наконечники, покрытые тонким слоем олова либо серебра. При соединении алюминиевых обмоток трансформаторов с медными сетевыми кабелями наконечники покрывают оловом. Серебро используется в электронике, где требуется более высокое качество соединения деталей. Практика таких соединений общепринята. Надежность соединений подтверждается большими сроками бесперебойной работы оборудования.

Различные провода также часто соединяют при помощи специальных металлических клемм. Такая клемма сделана в виде прямоугольной рамки, в которую вставляются два соединяемых проводника. На одной плоскости клеммы имеются отверстия с резьбой. После того как проводники вставлены в рамку, они фиксируются винтами, которые закручиваются в резьбу.

Внутреннее соединение трансформаторных обмоток

Соединение медных обмоток преобразователей осуществляется методом спаивания. Тугоплавкий припой, используемый при этом, несколько снижает электропроводность спаянного участка. На этом участке все время выделяется окись меди, из-за которой отслаивается наружный слой, что ведет к повреждению всего проводника. Это является существенным недостатком такого метода соединения.

В алюминиевых же соединениях используется метод сваривания проводов при помощи инертного газа. В них окись алюминия образует стойкое защитное покрытие, которое предохраняет контакт от негативного воздействия окружающей среды. Кроме того, в этом методе соединения проводников большим преимуществом является то, что во время работы устройства на сваренных участках отсутствует потеря электропроводности.

Время эксплуатации трансформаторов в определенной мере связано с теми условиями, в которых они работают. Сюда относятся негативные воздействия окружающей среды, экстремальные нагрузки и другие неблагоприятные условия. Однако люди, пользующиеся электроэнергией не должны беспокоиться по этому поводу. Как показала практика преобразователи, имеющие различные обмотки, способны работать многие годы без особых проблем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Трансформатор с той или иной обмоткой в основном выбирается исходя из личных предпочтений. Более высокая стоимость изделия, имеющего медную обмотку, требует технического обоснования тех дополнительных материальных затрат, которые возникнут во время его приобретения. Сегодня все отзывы, основанные на опыте практического использования оборудования, не указывают на какие-либо явные преимущества в работе тех или иных устройств.

Единственным превосходством медной обмотки можно считать то, что катушка, намотанная медным проводом, имеет значительно меньшие габариты. Это позволяет делать трансформаторы с такой обмоткой более компактными, что позволяет несколько сэкономить то пространство, в котором они находятся.

Однако подавляющее большинство закрытых преобразователей выпускается в стандартных корпусах, имеющих одни размеры, которые подходят и для медных и для алюминиевых катушек. Так что здесь преимущество меди не имеет никакого значения. Поэтому спрос на трансформаторы с алюминиевой обмоткой сейчас намного выше.

Стоимость металлов постоянно увеличивается, а поскольку цена меди в несколько раз превышает цену алюминия, то и стоимость изделия с медной обмоткой намного дороже. Из-за этого многие покупатели предпочитают не переплачивать за медь, а покупать изделия с алюминиевыми обмотками. В дальнейшем они стараются следить за надежностью электрических соединений, и уделять должное внимание профилактическому обслуживанию оборудования.