Полезная информация для электромехаников / Судовые Электроэнергетические Системы для Механиков

ТРАНСФОРМАТОРЫ Трансформатор представляет собой электромагнитный аппарат,

предназначенный для преобразования напряжений переменного тока при одной и той же частоте. Передача электрической энергии от одной обмотки трансформатора к другой осуществляется с помощью магнитного поля. Для усиления электромагнитной связи обмотки обычно располагаются на магнитопроводе, набранном из листов электротехнической стали.

Обмотка трансформатора, к которой подводится электрическая энергия переменного тока, называется первичной. Обмотка, от которой энергия отводится, - вторичной.

Мощность, ток, напряжение, сопротивление и т. п., относящиеся к первичной обмотке, называются первичными. Аналогичные величины, относящиеся ко вторичной обмотке, -вторичными. Обмотка трансформатора, подключенная к сети с более высоким напряжением, считается обмоткой высшего напряжения ( ВН ). Если она является первичной, трансформатор будет понижающим. При подключении первичной обмотки к сети с меньшим напряжением она называется обмоткой низшего напряжения (НН). Трансформатор при этом является повышающим. В зависимости от числа обмоток различают трансформаторы - двухобмоточные, трехобмоточные и многообмоточные; в зависимости от рода тока - однофазные, трехфазные и многофазные.

По назначению судовые трансформаторы подразделяются на силовые, служащие для передачи и распределения электроэнергии; силовые специального назначения, например, используемые в различного рода выпрямительных установках, сварочные и т. п.; осветительные; измерительные. Обмотки трансформаторов могут иметь воздушное или масляное охлаждение.

В зависимости от этого различают трансформаторы сухие или масляные. В масляном магнитопровод вместе с обмотками находится в баке, заполненном маслом. На судах, как правило, применяются сухие трансформаторы с воздушным охлаждением.

Величины, характеризующие работу трансформатора в условиях, на которые он рассчитан, называются номинальными и указываются на щитке

УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРА Основные элементы трансформатора: магнитная система (магнитопровод),

обмотки, бак или кожух и зажимы. Магнитопровод образует магнитную цепь трансформатора. Для уменьшения потерь он набирается из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,35 или

0,5 мм. По конструктивному исполнению магнитной системы различают стержневые и броневые трансформаторы. В стержневом на вертикальных частях магнитопровода - стержнях

- находятся обмотки, которые их охватывают. Горизонтальные части магнитопровода - ярма -служат для создания замкнутой магнитной цепи.

В броневом трансформаторе обмотки частично закрываются («бронируются») магнитной системой. Это дает увеличение коэффициента электромагнитной связи между ними, но усложняет конструкцию трансформатора. Обмотки выполняются в виде цилиндрических катушек из медных проводников круглого или прямоугольного сечения. В качестве изоляции проводов масляных трансформаторов используется эмаль, хлопчатобумажная пряжа, кабельная бумага. В сухих трансформаторах применяются провода с изоляцией из стекловолокна. По способу расположения обмоток ВН и НН различают трансформаторы с концентрическими и чередующимися обмотками. Чередующиеся более трудоемки в изготовлении и менее устойчивы при коротких замыканиях. Наиболее распространенным типом силового трансформатора является стержневой с концентрическими обмотками.

Рис 1.

Рис 2. Трансформатор тока

Принцип действия трансформатора основан на явлении взаимоиндукции. Если к первичной обмотке подвести переменный ток с напряжением U1, то проходящий по ней ток I 1 создает в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Ф, который, пересекая витки первичной обмотки, наведет в ней э. д. с. самоиндукции Е1, а

ввитках вторичной обмотки - э. д. с. взаимоиндукции Е2. Ввиду того, что магнитный поток одинаков, в каждом витке первичной и вторичной обмоток индуктируется одинаковая по величине э. д. с. Следовательно,

э. д. с. первичной обмотки будет равна El = ewl, а вторичной - Е2 = ew2. Е1/Е2 = wl/w2 = к, где к - коэффициент трансформации, то есть отношение

подведенного напряжения к полученному, или отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной.

Для повышающих трансформаторов к< 1, для понижающих к> 1, для разъединительных к= 1. Разъединительные трансформаторы служат для питания специальных колонок, устанавливаемых на причалах портов, судоремонтных заводов и

вдоках, от которых получают электроэнергию суда. В береговых сетях переменного тока преимущественно применяется трехфазная система с заземленной нейтралью, а на судах нулевая точка обмоток генераторов от корпуса судна изолирована. Поэтому при подключении судовой электростанции к береговой сети необходимо корпус судна надежно заземлять, чтобы исключить его электрокоррозию. Однако в данном случае повышается опасность поражения электрическим током обслуживающего персонала. Этого можно избежать, установив разделительные трансформаторы, исключающие электрическую связь между судовой и береговой энергосистемами.

Токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны их напряжениям. По конструкции трансформаторы разделяются на броневые и стержневые. Их охлаждение бывает воздушное и масляное. На судах, согласно требованиям техники безопасности, применяются трансформаторы только с воздушным охлаждением. По

количеству фаз трансформаторы бывают одно-, трех-, и многофазные, по числу обмоток - двух - и многообмоточные, а также с обмотками, которые имеют специальные ответвления.

По назначению они подразделяются на силовые, специальные и автотрансформаторы.

ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ Трехфазный трансформатор представляет собой три однофазных трансформатора, соединенных звездой или треугольником. Поэтому все процессы, происходящие в однофазном трансформаторе, аналогичны для трехфазного. Он состоит из трехстержневого сердечника, на каждом стержне которого располагаются первичная и вторичная обмотки одной фазы. Начало обмотки высшего напряжения обозначается буквами А, В, С, а концы - X, Y, Z. Начало обмоток низшего напряжения - буквами а, в, с, а концы - х, у, z. Стандартизованы следующие соединения обмоток трехфазных трансформаторов: (рис. 2.1):

а) звезда - звезда с выведенной нулевой точкой; б) звезда - треугольник;

в) звезда с выведенной нулевой точкой - треугольник.

Цифра указывает группу соединений, которая определяет, на какой угол сдвинуто линейное низшее напряжение относительно линейного высшего по часовой стрелке. Так, цифра 12 показывает, что сдвиг равен - 360°, или нулю, а цифра 11 - сдвиг 330°, в связи с тем, что за единицу принят угол 30°.

Для потребителя энергии эти сдвиги не имеют значения. Они необходимы только для определения возможности включения трансформаторов на параллельную работу.

Рис. 3 авто трансформатор (понижающий - повышающий)

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ Измерительные трансформаторы подразделяются на трансформаторы напряжения и тока. Они служат для расширения пределов измерения приборов в цепях переменного тока, а в высоковольтных сетях, кроме того, обеспечивают безопасность обслуживания измерительных приборов, так как отделяют их от высокого напряжения.

Номинальное вторичное напряжение трансформаторов напряжения - 100 В, а судовых - 127 В, поэтому и приборы должны рассчитываться на это напряжение. Номинальный вторичный ток трансформаторов тока - 5 А, а у судовых может быть 1 А. Во вторичных цепях трансформаторов тока предохранители не ставятся, так как при их перегорании магнитный поток трансформатора и э.д.с. вторичной разомкнутой обмотки возрастут до опасных значений; возможен пробой изоляции обмотки, перегрев сердечника и поражение током обслуживающего персонала. Если измерительные трансформаторы включаются в цепь высокого напряжения, их вторичные обмотки и корпуса заземляются.

Шкала вольтметра, предназначенного для работы только с данным трансформатором напряжения, градуируется непосредственно в значениях высокого напряжения.

Сила тока I1 в измеряемой цепи равна произведению тока I2 в цепи вторичной обмотки трансформатора тока на коэффициент трансформации тока:

I1 = I2 X 1/к.

Если амперметр предназначен для работы только с данным трансформатором тока, то шкала градуируется непосредственно в значениях измеряемого тока.

СВАРОЧНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ Сварочные трансформаторы применяются для дуговой сварки переменным

однофазным током. Внешняя характеристика их - круто падающая. Напряжение на вторичной обмотке колеблется в пределах 30 - 70 в. Они питают дугу через реактивное сопротивление - реактор. Величину тока можно регулировать с помощью изменения воздушного зазора магнитопровода реактора, значение которого может достигать

2500 А.

На судах применяются следующие трансформаторы с воздушным охлаждением: ОСО (однофазный сухой открытый); ОСВ ( однофазный сухой водозащищенный); ОСЗ (однофазный сухой брызгозащищенный); ТСВ (трехфазный сухой водозащищенный);

ТСЗ(трехфазный сухой брызгозащищенный); ОСБВ (однофазный сухой броневой водозащищенный).

Фазировка обычно производится на заводе при постройке судна. Однако бывают случаи во время ремонта или замены вышедшего из строя трансформатора выводные концы трансформатора могут быть с другой очередностью фаз. В этом случае включение трансформаторов в параллель будет не возможно. Для решения этой проблемы существует операция фазировки трансформаторов.

Фазировка трансформаторов для включения их на параллельную работу.

Фазировка трансформаторов проводится для включения их на параллельную работу.

Условия параллельной работы трансформаторов:

1.- группы соединений обмоток трансформаторов должны быть одинаковы;

2.- равенство коэффициентов трансформации линейных напряжений на холостом ходу;

3.- равенство напряжений короткого замыкания. Фазировка трансформаторов это проверка совпадения фаз вторичных напряжений у двух трансформаторов, включаемых на параллельную работу.

Как выполнить фазировку трансформаторов Как правило фазировка выполняется на низшем напряжении трансформаторов.

На обмотках напряжением до 1000 В фазировка проводится вольтметром на соответствующее напряжение. Для получения замкнутого электрического контура при выполнении измерений, фазируемые обмотки следует предварительно соединить в одной точке, у обмоток с заземленной нейтралью такой точкой является соединение нейтралей через землю.

У обмоток с изолированной нейтралью перед фазировкой соединяют любые два вывода фазируемых обмоток.

При фазировке трансформаторов с заземленными нейтралями, смотрите рисунок а - измеряют напряжение между выводом а1 и тремя выводами а2, b2, с2, затем между выводом b1 и этими же тремя выводами, и наконец между cl и всё теми лее тремя выводами.

Схемы фазировки трансформаторов для включения их на параллельную работу При фазировке трансформаторов без заземленных нейтралей, смотрите рисунок б, последовательно ставят перемычку снача\а между выводами а2 - а1 и измеряют напряжение между выводами b2-b1 и с2 - cl, затем ставят перемычку между выводами b2-b1 и замеряют напряжение между выводами а2-а1ис2-с1,и наконец ставят перемычку между выводами с2

- cl и замеряют напряжение между выводами а2-а1 и b2 - b1.

Для параллельной работы трансформаторов соединяются те выводы между которыми нет напряжения.

Прочитав в статье В. Гущина (альманах № 3 за 1999 год) "О пользе понижающего трансформатора", я не могу согласиться с автором статьи, который утверждает, что "умельцы им (понижающим трансформатором) почти не пользуются. Еще как пользуются! Лично я знаком с двумя мастерами, которые с успехом освоили "способности" понижающего трансформатора (ПТ). Поэтому мне хочется познакомить читателей альманаха с устройством и возможностями моей конструкции ПТ. В одной из предыдущих статей я уже упоминал о стремлении делать свой инструмент и другие полезные приспособления максимально универсальными. Одним из таких приспособлений является ПТ, область применения которого, на мой взгляд, просто не ограничена.

Мой вариант ПТ прост, принципиальная схема (рис.), можно сказать, классическая. Конструктивно схема выполнена на основе имеющихся в наличии частей

идеталей. ПТ включает в себя:

•собственно понижающий трансформатор;

•автотрансформатор;

•выпрямительный мост с конденсатором;

•соединительные разъемы.

Принципиальная электрическая схема ПТ.

Понижающий трансформатор самодельный. Изготовлен из силового (сетевого) трансформатора от телевизора "Электрон 714" мощностью 300 Вт. Все вторичные обмотки у трансформатора удалены, а на их месте сформирована одна понижающая обмотка из провода ПЭВ-2 диаметром 2,5 мм. Между слоями провода проложена обыкновенная бумага. Не рекомендую применять изоляцию типа лакоткани, изоленты и пр. Хотя напряжение на обмотке небольшое, зато токи достаточные, а обмотка должна "дышать". При включении готового трансформатора в сеть 220 В на вторичной обмотке на "холостом ходу" получилось 48 В.

Автотрансформатор готовый (ЛАТР-2) на 2А. Весь смысл данной конструкции состоит в том, что понижающий трансформатор можно включать в сеть 220 В через автотрансформатор, позволяющий получить на выходе ПТ напряжение от 0 до 48 В при силе тока до 10 А и более (что необходимо, например, при кратковременной сварке). Естественно, верхний предел тока ограничен возможностями составных частей моего ПТ. Так, ЛАТР-2 рассчитан на нагрузку 440 Вт, понижающий трансформатор - на 300 Вт, однако при снижении напряжения до 10... 15 В удается получить во второй обмотке ток до 25...30 А.

Я уже упоминал об умельцах, имеющих у себя на вооружении ПТ. Один из них включил понижающий трансформатор в сеть через автотрансформатор, предназначенный для регулирования напряжения сети для телевизора, второй, в виду отсутствия автотрансформаторов, сформировал вторичную обмотку с отводами, что, естественно, осуществить сложнее.

На выходе моего ПТ (через дополнительный разъем) подключен мост из диодов Д305 с конденсатором емкостью 200 мкФ на 100 В. Диоды подойдут типа Д302...Д304; Д234; КД203; КД213 и др. Конденсатор ставят емкостью до 500 мкФ. При работе с постоянным токами порядка 10 А диоды необходимо поставить на плоские или П- образные радиаторы из алюминия или его сплавов. Конструктивно все составные части ПТ закреплены на основании из 8-миллимитровой фанеры, предусмотрена возможность вентиляции всех частей ПТ. Подробное размещение и крепление составных частей я не описываю, так как у каждого мастера свои возможности при изготовлении ПТ, разные комплектующие, неодинаковые навыки и опыт, свои представления о дизайне.

Рис. 4.1 Принцип действия синхронного генератора В настоящее время электрическая энергия переменного тока в основном

вырабатывается с помощью трехфазных синхронных генераторов.

Принцип действия синхронного генератора основан на использовании явления электромагнитной индукции. На рис. 4.1 показана простейшая трехфазная обмотка, состоящая из трех катушек, сдвинутых на 120°, и помещенная на роторе. Эти три катушки соединяются звездой или треугольником и подключаются к трем контактным кольцам, изолированным от вала машины и друг от друга. При вращении ротора в магнитном поле неподвижных полюсов в катушках индуцируются переменные во времени ЭДС, равные по амплитуде и сдвинутые по фазе на 2/3. Частота / ЭДС, индуктируемой в обмотках якоря (якорем называется часть машины, в которой происходит процесс преобразования энергии, т. е. индуцируется ЭДС), зависит от скорости вращения якоря п и числа пар полюсов р: f=рп/60.

В синхронных генераторах магнитное поле создается обмоткой возбуждения, по которой течет постоянный ток. Обмотка якоря выполняется распределенной и с укороченным шагом (для уменьшения высших гармонических в кривой ЭДС). Нагрузка подключается с помощью неподвижных щеток, которые накладываются на контактные кольца. Синхронные генераторы выполняются с обмоткой якоря на роторе только при сравнительно небольшой мощности (до 15 кВА) и невысокого напряжения (до 380/220 В). Недостатком генераторов такой конструкции является наличие скользящего контакта в цепи большой мощности. Современные синхронные генераторы изготовляются на высокое линейное напряжение до 16 кВ (иногда и выше), при котором изоляция контактных колец и щеток весьма сложна. Для устранения этого недостатка обмотка якоря помещается на неподвижной части (на статоре), а полюсная система с обмоткой возбуждения — на вращающейся части машины.

Обмотка возбуждения получает питание через контактные кольца. В этом случае скользящий контакт находится в цепи небольшой мощности и напряжение в цепи обмотки возбуждения невелико (не более 500 В). Обычно обмотки возбуждения получают энергию от возбудителя, т. е. генератора постоянного тока параллельного возбуждения, находящегося на одном валу с рабочей машиной. Мощность возбудителя составляет малую величину (1-5% мощности синхронной машины). При небольшой мощности широко используется питание обмоток возбуждения синхронных машин от обмоток якоря через выпрямители. За время запуска генератора с таким возбуждением при вращении ротора магнитные линии потока остаточного намагничивания пересекают проводники обмотки якоря и индуцируют в них ЭДС. Вызванный этой ЭДС