Wie ist der Transformator angeordnet und funktioniert, welche Eigenschaften werden während des Betriebs berücksichtigt?

In der Energietechnik, Elektronik und anderen Bereichen der angewandten Elektrotechnik spielt die Umwandlung elektromagnetischer Energie von einem Typ zum anderen eine große Rolle. Zahlreiche Transformatorgeräte, die für verschiedene Produktionsaufgaben erstellt wurden, befassen sich mit diesem Problem.

Einige von ihnen, die das komplexeste Design aufweisen, führen beispielsweise die Umwandlung leistungsfähiger Hochspannungsenergieströme durch. 500 oder 750 Kilovolt bei 330 und 110 kV oder in die entgegengesetzte Richtung.

Andere arbeiten als Teil kleiner Geräte von Haushaltsgeräten, elektronischen Geräten und Automatisierungssystemen. Sie sind auch weit verbreitet. in verschiedenen Netzteilen von Mobilgeräten.

Transformatoren arbeiten nur in Wechselspannungskreisen mit unterschiedlichen Frequenzen und sind nicht für die Verwendung in Gleichstromkreisen vorgesehen, die andere Wandlertypen verwenden.

Transformatoren sind in zwei Hauptgruppen unterteilt: einphasig, betrieben von einem einphasigen Wechselstromnetz, und dreiphasig, betrieben von einem dreiphasigen Wechselstromnetz.

Transformatoren sind sehr unterschiedlich im Design. Die Hauptelemente des Transformators sind: ein geschlossener Stahlkern (Magnetkern), Wicklungen und Teile, mit denen der Magnetkreis und die Spulen mit Wicklungen verbunden und der Transformator in die Gleichrichtervorrichtung eingebaut werden. Das Kernrohr ist so ausgelegt, dass ein geschlossener Pfad für den Magnetfluss entsteht.

Die Teile des Magnetkreises, auf denen sich die Wicklungen befinden, werden Stäbe genannt, und die Teile, auf denen keine Wicklungen vorhanden sind und die dazu dienen, den Magnetfluss im Magnetkreis zu schließen, werden Joche genannt. Das Material für den Transformator-Magnetkreis ist elektrisches Stahlblech (Transformatorstahl). Dieser Stahl kann verschiedene Qualitäten, Dicken, Warm- und Kaltwalzen haben.

Allgemeine Funktionsprinzipien von Transformatoren

Wir wissen, dass elektromagnetische Energie untrennbar miteinander verbunden ist. Es ist jedoch üblich, es in zwei Komponenten darzustellen:

1. elektrisch;

2. magnetisch.

Es ist einfacher, die auftretenden Phänomene zu verstehen, Prozesse zu beschreiben, Berechnungen durchzuführen, verschiedene Geräte und Schaltkreise zu entwerfen. Ganze Abschnitte der Elektrotechnik widmen sich getrennten Analysen des Betriebs elektrischer und magnetischer Schaltkreise.

Elektrischer Strom fließt wie magnetischer Fluss nur entlang eines geschlossenen Stromkreises mit Widerstand (elektrisch oder magnetisch). Es entsteht durch äußere Kräfte - Spannungsquellen der entsprechenden Energien.

Bei der Betrachtung der Funktionsprinzipien von Transformatorvorrichtungen müssen jedoch beide Faktoren gleichzeitig untersucht und ihre komplexen Auswirkungen auf die Leistungsumwandlung berücksichtigt werden.

Der einfachste Transformator besteht aus zwei Wicklungen, die aus Wicklungsspulen eines isolierten Drahtes bestehen, durch den elektrischer Strom fließt, und einer Leitung für den Magnetfluss. Es wird allgemein als Kern oder Magnetkern bezeichnet.

Die Spannung von der Stromquelle U1 wird an den Eingang einer Wicklung angelegt und von den Anschlüssen der zweiten Wicklung nach Umwandlung in U2 an die angeschlossene Last R angelegt.

Unter Einwirkung der Spannung U1 in der ersten Wicklung fließt ein Strom I1 durch einen geschlossenen Stromkreis, dessen Wert von der Impedanz Z abhängt, die aus zwei Komponenten besteht:

1. aktiver Widerstand der Drähte der Wicklung;

2. eine reaktive Komponente mit induktivem Charakter.

Die Größe der Induktivität hat einen großen Einfluss auf den Betrieb des Transformators.

Die elektrische Energie, die in Form des Stroms I1 durch die Primärwicklung fließt, ist Teil der elektromagnetischen Energie, deren Magnetfeld senkrecht zur Ladungsbewegung oder zum Ort der Drahtwindungen gerichtet ist. Der Transformatorkern befindet sich in seiner Ebene - dem Magnetkreis, durch den der Magnetfluss F.

All dies spiegelt sich deutlich im Bild wider und wird bei der Herstellung strikt eingehalten. Der Magnetkreis selbst ist ebenfalls geschlossen, obwohl für bestimmte Zwecke, beispielsweise um den Magnetfluss zu verringern, Lücken darin gebildet werden können, wodurch sein Magnetwiderstand erhöht wird.

Aufgrund des Flusses des Primärstroms durch die Wicklung dringt die magnetische Komponente des elektromagnetischen Feldes in den Magnetkreis ein und zirkuliert durch diesen, wobei sie die Windungen der Sekundärwicklung kreuzt, die für den Ausgangswiderstand R geschlossen ist.

Unter dem Einfluss des Magnetflusses wird in der Sekundärwicklung ein elektrischer Strom I2 induziert. Sein Wert wird durch den Wert der angelegten Magnetkomponentenstärke und die Impedanz der Schaltung einschließlich der angeschlossenen Last R beeinflusst.

Wenn der Transformator innerhalb des Magnetkreises arbeitet, werden ein gemeinsamer Magnetfluss F und seine Komponenten F1 und F2 erzeugt.

Wie der Spartransformator angeordnet ist und funktioniert

Unter Transformatorvorrichtungen sind vereinfachte Konstruktionen besonders beliebt, bei denen nicht zwei verschiedene separat hergestellte Wicklungen verwendet werden, sondern eine gemeinsame, in Abschnitte unterteilte. Sie werden Spartransformatoren genannt.

Das Funktionsprinzip einer solchen Schaltung ist praktisch gleich geblieben: Die eingegebene elektromagnetische Energie wird in eine Ausgabe umgewandelt. Primärströme I1 fließen durch die Wicklungen der Wicklung W1 und Sekundärströme I2 fließen durch W2. Der Magnetkreis liefert einen Pfad für den Magnetfluss F.

Der Spartransformator hat eine galvanische Verbindung zwischen den Eingangs- und Ausgangskreisen. Da nicht die gesamte angelegte Leistung der Quelle umgewandelt wird, sondern nur ein Teil davon, wird ein höherer Wirkungsgrad als bei einem herkömmlichen Transformator erzeugt.

Solche Konstruktionen können Material sparen: Stahl für den Magnetkreis, Kupfer für Wicklungen. Sie haben weniger Gewicht und Kosten. Daher werden sie ab 110 kV und mehr effektiv im Energiesystem eingesetzt.

Es gibt praktisch keine besonderen Unterschiede in den Betriebsarten von Transformator und Spartransformator.

Betriebsarten des Transformators

Während des Betriebs kann sich jeder Transformator in einem der folgenden Zustände befinden:

• arbeitslos;

• Nennmodus;

• Leerlauf;

• Kurzschluss;

• Überspannung.

Abschaltmodus

Um es zu erzeugen, reicht es aus, die Versorgungsspannung der elektrischen Energiequelle von der Primärwicklung zu entfernen und dadurch den Durchgang von elektrischem Strom durch diese auszuschließen, was bei ähnlichen Geräten immer ohne Fehler der Fall ist.

In der Praxis bietet diese Maßnahme bei Arbeiten mit komplexen Transformatorstrukturen jedoch keine vollständigen Sicherheitsmaßnahmen: Die Spannung kann an den Wicklungen verbleiben und das Gerät beschädigen, wodurch das Personal durch versehentliche Exposition gegenüber Stromentladungen gefährdet wird.

Wie kann das passieren?

Bei kleinen Transformatoren, die als Stromversorgung dienen (siehe Abbildung oben), verursacht die Fremdspannung keine Schäden. Er hat einfach nichts von dort zu nehmen. Und bei Stromversorgungsanlagen muss dies berücksichtigt werden. Wir werden zwei häufige Ursachen analysieren:

1. Anschließen einer externen Stromquelle;

2. die Wirkung der induzierten Spannung.

Erste Option

Bei komplexen Transformatoren werden nicht eine, sondern mehrere Wicklungen verwendet, die in verschiedenen Schaltkreisen verwendet werden. Alle von ihnen müssen Spannung getrennt werden.

Zusätzlich werden in Umspannwerken, die in einem automatischen Modus ohne konstantes Betriebspersonal betrieben werden, zusätzliche Transformatoren an die Busse von Leistungstransformatoren angeschlossen, um ihren eigenen Bedarf an dem Umspannwerk mit einer elektrischen Leistung von 0,4 kV zu decken.Sie sind für die Stromversorgung von Schutzvorrichtungen, Automatisierungsgeräten, Beleuchtung, Heizung und anderen Zwecken ausgelegt.

Sie werden so genannt - TSN oder Hilfstransformatoren. Wenn die Spannung vom Eingang des Leistungstransformators entfernt wird und seine Sekundärkreise offen sind und Arbeiten am TSN ausgeführt werden, besteht die Möglichkeit einer Rücktransformation, wenn die Spannung von 220 Volt von der niedrigen Seite über die angeschlossenen Leistungsbusse in die hohe eindringt. Daher müssen sie ausgeschaltet sein.

Induzierte Spannungswirkung

Wenn eine unter Spannung verlaufende Hochspannungsleitung in der Nähe der Busse eines getrennten Transformators verläuft, können die durch sie fließenden Ströme eine Spannung an den Reifen induzieren. Es ist notwendig, Maßnahmen zu ergreifen, um es zu entfernen.

Nennbetriebsart

Dies ist der Normalzustand des Transformators während seines Betriebs, für den er erstellt wurde. Die Ströme in den Wicklungen und die an sie angelegten Spannungen entsprechen den berechneten Werten.

Der Transformator im Nennlastmodus verbraucht und wandelt Kapazitäten entsprechend den Auslegungswerten für die gesamte dafür bereitgestellte Ressource um.

Leerlaufmodus

Sie entsteht, wenn der Transformator von der Stromquelle mit Spannung versorgt wird und die Last an den Klemmen der Ausgangswicklung getrennt wird, dh der Stromkreis ist offen. Dadurch wird der Stromfluss durch die Sekundärwicklung eliminiert.

Der Transformator im Leerlauf verbraucht die geringstmögliche Leistung, die durch seine Konstruktionsmerkmale bestimmt wird.

Kurzschlussmodus

Dies ist der Fall, wenn sich herausstellt, dass die an den Transformator angeschlossene Last kurzgeschlossen ist, eng von Ketten mit sehr geringen elektrischen Widerständen überbrückt wird und die gesamte Stromversorgung der Spannungsquelle darauf einwirkt.

In diesem Modus ist der Fluss großer Kurzschlussströme praktisch unbegrenzt. Sie haben enorme Wärmeenergie und können Drähte oder Geräte verbrennen. Darüber hinaus wirken sie, bis der Stromkreis durch die Sekundär- oder Primärwicklung durchbrennt und an der schwächsten Stelle bricht.

Dies ist der gefährlichste Modus, der während des Betriebs des Transformators auftreten kann, und zu jedem unerwartetsten Zeitpunkt. Sein Aussehen ist vorhersehbar, und die Entwicklung sollte begrenzt sein. Zu diesem Zweck verwenden sie Schutzvorrichtungen, die den Überschuss an zulässigen Strömen an der Last überwachen und diese so schnell wie möglich ausschalten.

Überspannungsmodus

Die Transformatorwicklungen sind mit einer Isolationsschicht bedeckt, die für den Betrieb unter einer bestimmten Spannung ausgelegt ist. Während des Betriebs kann es aus verschiedenen Gründen überschritten werden, die sowohl innerhalb des elektrischen Systems als auch infolge der Exposition gegenüber atmosphärischen Phänomenen auftreten.

Im Werk wird der Wert der zulässigen Überspannung ermittelt, die bis zu mehreren Stunden auf die Isolierung einwirken kann und kurzzeitige Überspannungen, die durch Transienten beim Schalten von Geräten entstehen.

Um ihren Aufprall zu verhindern, schützen sie vor Überspannungen, die im Notfall die Stromversorgung des Stromkreises im Automatikmodus abschalten oder Entladungsimpulse begrenzen.

Fortsetzung des Artikels:Die Haupttypen von Transformatorentwürfen