1 Трансформатордың қызметі

Трансформатор – кернеудің өзгеретін өлшемдер шамаларын өзара электрлік байланыссыз реттеуге арналған электр құрылғы. Трансформаторлар электр техникада, электроникада, автоматтандыруда, байланыс құрылғыларында, теледидарда, ЭЕМ-ы мен техниканың басқа салаларында кең қолданыс тапты.

Олардың бір-бірінен қызметі мен құрылысы жағынан айырмашылықтары болады. Дегенмен, оларға алғашқы бір құрылысының әр түрлері деп қарап, солардың мысалдары арқылы электрэнергетикасын тасымалдаудың физикалық процестерін зерттейді.

Электр энергетикасында күштік трансформаторлары елеулі орын алады. Олардың көмегінсіз электрэнергетикасын тасымалдау, тарату және қолдану мүмкін емес. Электрэнергетикасын шығаратын көздердің кернеуі 20-30 мың вольттан артпайды. Мұндай кернеумен электрэнергетикасын жүздеген километр қашықтыққа жеткізу мүмкін емес, себебі оның барлығы электр тасымалдау желісінде (ЭТЖ) ток күшінің квадратына тура пропорциялық электр шығыны ретінде жоғалады.

ЭТЖ электр энергиясының шығынын айтарлықтай төмендетуді бір мезгілде кернеуді жоғарылата отырып, ток күшін азайту арқылы іске асыруға болады.

Энергетиканың қазіргі өркендеген кезеңінде электр қуаты миллион вольттық кернеулермен мыңдаған километр қашықтықтарға тасымалданады. Мұндай жоғары кернеуді тек трансформаторлардың көмегі арқылы ғана алуға болады.

Басқа тұрғыдан алып қарағанда, жүздеген мың вольттық кернеуді тұрғын үйлерге кіргізу техникалық кауіпсіздік тұрғысынан ақылға сыймайды.

Күштік және тұрмыстық жабдықтардың жұмысы үшін көп жағдайларда 380 және 220 вольтты кернеу пайдаланады, ондай кернеуді трансформаторлар арқылы алуға болады. Кернеуді жоғарылату және төмендету – трансформатордың тамаша қасиеті. Егер желіге трансформатордың орам саны көп орамасын қосса кернеуді төмендетеді, ал орам саны аз орамасын электрэнергия көзіне қосса кернеуді жоғарылатады [1].

2 Трансформатордың құрылысы

Магнитөткізгіштік. Магниттік жүйенің кескін үйлесіміне қарай трансформаторлар стержньдік, брондық және тороидальдық болып бөлінеді. Стержньдік трансформаторларда (2.1 а-сурет) магнитөткізгіштің стержньі 1-ді орам 2 қоршап тұрса, броньдық трансформаторда (2.1 ә-сурет) магнитөткізгішті (1) жарым – жартылый орам 2 қоршап тұрады, ал тороидалбдықта (2.1 б - сурет) орам 2 магнитөткізгіштікке (1) оның шеңберінің бойымен оралады.

а) ә) б)

2.1 сурет Стержньдік трансформатор

Стержньді трансфорсформаторлар, көбіне, үлкен немесе кіші қуаттарға арналып жасалады. Олардың еонструкциялары броньдықтарға қарағанда қарапайым, изоляциялануы да және орамды жөндеуі де оңай. Олардың артықшылығы: суытылу жағдайы жақсы және орам шумақтарына кететін сымдардың жұмсауы да аз.

Броньдық және тороиальдық бір фазалы трансформаторлардың көпшілік бөлігінің қуаты онша үлкен емес және сол сияқты олардың стержньді трансформаторларға қарағанда массалары да аз және құны да төмен болады.

Трансформатордың магнитөткізгіштігі құйынды токтарды азайту мақсатында, қалындығы 0,35 немесе 0,5мм болатын, изолязияланған электротехникалық болат табақшаларынан жиналады. (2.2, а-сурет).

Қуаты орташа трансформаторлардың магнитөткізгіштігінің стержньдері кванттық немесе қимасы крест түрінде, ал қуаты жоғары болғанда стержньдері сатылы дөңгелектің түріне жақын болады(2.2,ә - сурет).

Мұндай түр минималдық периметр жағдайында,стерженнің берілген көлденең қимасы алуға мүмкіндік тудырады. Бұл орам шумақтарының ұзындығын азайтуға, демек орамның материалдарды үнемдеуге мүмкіндік береді. Кейде, суытатын майдың айналымын жасау үшін жеке болат пакеттерден стержньді жинағанда, олардың арасында ені -мм болатын канал қалдырылады. Стержньдерді қосатын мойынтұрақтын, стержньдердің қимасынан 10-15% - ға жоғары болатын тік төртбұрышты қимасы болады. Бұл болаттың қызып кетуін болдырмайды және қуат шығынын азайтады.

Стержнь және мойынтұрықты біріктіру табақшаларды бір-бірімен жабу арқылы жүзеге асырылады. Ол үшін магнит өткізгіштің ( 2.2,б - сурет) екі іргелес қабаттарындағы табақшаларды, мысалы, 5,6 стержньнің табақшалары және 7,8 мойынтұрақтары түйіскен жерін, келесі тиісті табақшалар және мойынтұрық қабаты жауып, бірінші орамдарында магнит кедергінің елеулі азайуына мүмкіндік тудырады (суретте бірінші қабат одан кейін екінші қабат көрсетіген, осы қабаттар алмасып отырады).Магнитөткізгішті жинағаннан кейін жоғары мойынтұрықтың табақшаларын суырып алады, стержньдерге катушкаларды орнатады, содан соң мойынтұрықты орнына қайтадан орналастырады. Пакеттірді болат шпилька 4 аркылы тартып қысады. Шпилька 4 стержньмен салыстырғанда изоляцияланған материалдан жасалған түтікпен изоляцияланған. Мойынтұрықты ағаш немесе болат тірек арқылы (балкалары) 3 арқылы тартып қысады.

а) б)

2.2сурет Электромагниттік болат табақшалар

Магнитөткізгіш тірек арқылы (балкасымен) және басқа да қосалқы бөлшектермен трпнсформатордың қаңқасын түзеді.

Трансформатордың жұмыс істеу кезінде магнитөткізгіш және басқа да болат бөліктер күшті электр өрісінде болады, соның нәтижесінде олар электр зарядтарын алады. Бұдан құтылу мақсатында, магнитөткізгішті және арқалықты тартып қысатын мойынтұрықты мыс сым арқылы жерге қосады.

Қуаты аз трансформаторларда магнит өткізгішті П – тәрізді және Ш – тәрізді штапмтаған табақшалардан және штамталған сақиналардан жинайды (2.3, а,ә,б-сурет). Магнитөткізгіштің пакеті бірінің үстіне бірін салу немесе түйіндіру арқылы жиналады.

Штампталған сақиналардан жиналған тороидальдық магнитөткізгіштердің артықшылығы, магнит тізбегінде саңылаулардың жоқтығы, соның нәтижесінде магнитөткізгіштің магнит кедергісін демек, ол трансформатордың бос жүрісінің тогын азайтады. Магнитөткізгіштің көп тараған түрінің бірі жіңішке электротехникалық болат көбіне, олар арнайы темір-никель қорытпаларынын дайындалған ленталардан оралған олар 2.3,в,г,д-суреттердегі в-броньдық, г-стержньдік, д-тородальдық орамдар болып табылады[5].

2.3 сурет Трансформатордың магнитөткізгішті тәсілдері

Орамдар. Магниттік байланыстар жақсы болу үшін трансформаторларда бірінші және екінші орамдарды неғұрлым жақын орналастырады. Осы мақсатта магнитөткізгіштің әрбір стержньі 1-де концентрлік 2 және 3 орамдарын бінінің бетіне бірін (2.4, а – суреті ) орналастырады немесе алмасып отыратын дөңгелек секциялар-катушка түріндегі орамдар дайындалады (2.4, ә – суреті ). Бірінші жағдайда орамдар концентрлік, ал екінші жағдайда – алмасып отырытын немесе дөңгелектік деп аталады.

Күштік трансформатор да концентрлік орамдар қолданылады. Оның стержньдеріне жақын қаңқасымен салыстырғанда, изоляциясы жоғары болуына онша талап қойылмайтын төменгі кернеудің орамдары, ал оның сырт жағына жоғары кернеудің орамдары, ал оның сырт жағына жоғары кернеудің орамдары орналастырылады.

Қуаты аз болатын трансформаторларда дөңгелек сымнан оралған бірнеше қабатты орамдар пайдаланылыда. Оларды электрокартон қаңқасына немесе гильзаға мақта-мата изоляциясымен немесе эмальмен қапталған сыммен орайды; сымдардың қабаттарының арасына арнайы изоляцияланған қағаз немесе лак сіңірген тоқыма оралады.

Кейбір трансформаторлардың орамдары өз алдына қаңқаға оралатын жеке бөліктерден тұрады. Орамның мұндай әрбір бөлігі галета деп аталатын біткен конструктивтік элемент 4 болады. Галеталарды өзекшенің стержніне биіктік бойынша бірінен соң бірін кигізеді (2.4, б – суреті) және оларды өзара электрлік тізбектей немесе параллель қосады.

Тороидальдық трансформаторларда (2.4, в – суреті ) 2 және 3 орамдары магнитөткізгіштің өн бойын алып тұрады. Олардың ішкі бетіндегі қабаттар саны сыртқы бетіндегіден көп болады.

2.4 сурет Трансформатордың орналасу орамдары

Енді екі қабатты цилиндірлік және үзіліссіз спиральдық күш трансформаторының орамдарын қарастырамыз.(2.5 сурет)

Қуаты орташа трансформаторларда бір қабаты немесе көп қабатты цилиндерлік орамдар пайдаланылады (2.5, а - сурет). Ол орамдар, көбіне, қимасы тікбұрышты бір немесе бірнеше параллель сымдардан дайындалады. Сымды трансформаторлың орамының қаңқасы болып саналатын бакелиттік цилиндрге 3-ке орайды және ол цилиндр сонымен қатар сымды магнитөткізгіштің стержнінен және көрші катушкадан изоляциялайды. Егер орамның бірнеше қабаты болса, онда қабаттардың арасына изоляциялық пленка 4-ті салғанда, олардың арасынан суыту үшін сұйық (май) жүретіндей канал 2 түзілетін болуы керек.

Қуаты үлкен трансформаторларда механикалық төзімділігі және сенімділігі жоғары үзіліссіз спираль орамдар (2.5, ә - сурет) пайданылады. Мұндай орамдар бір-бірімен тізбектей қосылған жазық (дөңгелек) катушкалардан тұрады. Катушкалар өлшемдері бірдей шумақтары радиаль бағытта тығыз қатармен орналасатындай етіп дайындалады. Катушкалар бірінің үстіне бірі орналасады. Суыту үшін олардың арасына электрокартон төсеніш 7 – ден түзілген 5 горизонталь каналды жасайды. Электрлік төзімділігін арттыру үшін бірінші жоғары вольттік орамның екі бірінші және екі соңғы (кіріс) катушкасының, көбіне, күшейтілген изоляция болады. Алайда, изоляцияны күшейту, суытуды нашарлатады, сондықтан кіріс катушкаларының, сымдардың қимасы бірінші орамның басқа катушкалардікінен үлкен болуы керек.

2.5 сурет Спиральдық күштік трансформатордың орамдары

Суыту жүйесі. Трансформаторларды суыту тәсілі оның номинальдық қуатының шамасынан тәуелді. Трансформаторлардың қуатын арттырған жағдайда, оның суытылуын интенсивті түрде арттыру керек. Қуаты аз болатын трансформаторлар, көбіне табиғи ауамен суытылады (оларды «құрғақ» деп атайды). Олардың қызған орамдарының және магнитөткізгіштерінің беттерінен шығатын жылу атмосфераға жылу беру арқылы шығып кетеді. Қайсыбір жағдайларда, трансформаторларды негізі эпоксидтік смола болатын термореактивті компаундттарға немесе басқа соған ұқсас материалдармен құйылған корпусқа орналастырады. Мұндай компауындардың жоғары электроизоляциялық және ылғалдан қорғағыштық қасиеті басым болады. Олар қатқаннан кейін жоғары температураларда қайтіп ерімейді.

Кейбір жағдайларда, құрғақ трансформаторларды салыстырмалы түрде алғанда үлкен қуаттарда (бірнеше жүздеген киловольт – амперге дейін) да қолданады. Дегенмен олардың майды суыту трансформаторларына қарағанда, габариттік өлшемдері, массасы айтарлықтай үлкен болады. Мұндай трансформаторлардың массасын және габаритін азайту үшін, желдеткіштің көмегімен, орамды және өзекшені ауамен үрлеп салқындатады.

Қуаты орташа және үлкен трансформаторларда магнитөткізгіштікті орамымен қосы миниралдық (трансформаторлық) май толтырылған басқа батырады. (2.5, а - сурет), оның себебі ол ауаға қарағанда өте жоғары жылу өткізгіштігі басым болғандықтан, орамнан жылуды алып кетеді; және де май орамының изоляциясының электрлік мықтылығын арттырады және атмосфераның әсерінен оны тез ескіріп кетуден сақтайды. Қуаты орташа (реті 20 – 30 кВ А) трансформаторлардан салыстырмалы түрде шамалы ғана жылу бөлінеді, сондықтан олардың бақтарының қабырғалары жылтыр болады; қуаты жоғары трансформаторлардың беттік салқындатылуын жасанды түрде үлкейтеді. Ол үшін толқын іспетті қабырға қолданылады немесе бақты конвекцияның есебінен май айналатын түтіктер жүйесімен қоршайды. Қуаты өте жоғары трансформаторларда, тұйық циклмен, күштік маймен салқындату жүйесі қолданылады. Бұл жағдайда, трансформатор майы сорғымен (насоапен), су немесе ауамен суытылатын арнайы жылу алмастырғыш арқылы айдалады. Трансформатордың жұмысы кезінде май қызады және ұлғаяды. Жүктеме азайғанда ол суынып, алғашқы көлеміне қайтіп оралады. Сондықтан майлы трансформаторларды негізгі бактың ішкі қуысымен жалғанатын шағын қосымша бак кеңейткішпен жабдықтайды. Трансформатор қызған кезінде май кеңейткішке барады. Кеңейткішке майдың деңгейін анықтайтын көрсеткіш, ал негізгі бактың қақпағында температураны анықтайтын көрсеткіш қояды. Қуаты 750кВ А дейінгі трансформаторларда бұл мақсатта кәдімгі термометр қойылады, ал одан үлкен қуаттарда арнайы жылу сигнализаторы орнатылыда.

Трансформатордағы майды периодты түрде тазалап немесе айырбастап отыру керек. Айналадағы температура 35 ℃ кезінде трансформатордың қайсыбір бөліктерінің температурасы мынадай көрсеткіштен аспауы керек: орам - 105 ℃, өзекшк - 110℃, майдың жоғарғы қабаты - 95℃.

Қуаты орташа және үлкен трансформаторларды әр түрлі мүмкін деген авариялардан сақтау мақсатында негізгі бак пен кеңейткіштің арасында өткізгіш түтікке арнайы газ релесін орнатады. Майдың жүктелуі кезінде бөлінетін біршама тұтанғыш газ бөлінген жағдайда , реле автоматты түрде трансформаторды тізбектен ажыратады. Қуатты 1000кВ*А ден артық трансформаторларда, шыны мембранамен жабылатын газ шағарғыш түтік (2.5 ә - сурет) қойылады. Үлкен көлемде бөлінген газ мембрананы итеріп аспанға шығарады, соның нәтижесінде бақтың деформациялануы болмайды.

2.6 сурет Трансформатордың май толтырылған багы