Какво представлява силовият трансформатор и как работи?

В някои от предишните ни статии сме обсъждали основите на трансформатора и различните му видове. Един от важните и често използвани трансформатори е силовият трансформатор. Той се използва много широко за засилване и намаляване на напрежението съответно в електроцентралата и разпределителната станция (или подстанция).

Например, помислете за блок-схемата, показана по-горе. Тук силовият трансформатор се използва два пъти, докато доставя електрическа енергия на потребител, който е далеч от генериращата станция.

За първи път е в електроцентралата, за да засили напрежението, генерирано от вятърния генератор.
Второто е в разпределителната станция (или подстанция) за намаляване на напрежението, получено в края на преносната линия.

Загуба на мощност в трансмисионните линии

Има много причини за използването на силов трансформатор в електрическите системи. Но една от най-важните и прости причини за използването на силовия трансформатор е да се намалят загубите на мощност по време на пренос на електрическа енергия.

Сега нека видим как загубата на мощност намалява значително с помощта на силов трансформатор:

Първо, уравнението за загуба на мощност P = I * I * R.

Тук I = ток през проводника и R = съпротивление на проводника.

Така че загубата на мощност е право пропорционална на квадрата на тока, протичащ през проводника или преносната линия. Така че по-ниската величина на тока, преминаващ през проводника, намалява загубите на мощност.

Как ще се възползваме от тази теория е обяснено по-долу:

Кажете първоначално напрежение = 100V и натоварвания = 5A и доставена мощност = 500watt. Тогава преносните линии тук трябва да носят ток с магнитуд 5А от източника до товара. Но ако повишим напрежението в началния етап до 1000V, тогава преносните линии трябва да носят само 0,5А, за да доставят същата мощност от 500Watt.
Така че, ние ще увеличим напрежението в началото на преносната линия с помощта на силов трансформатор и ще използваме друг силов трансформатор, за да намалим напрежението в края на преносната линия.
С тази настройка големината на токовия поток през 100 + километрова далекопроводна линия се намалява значително, като по този начин намалява загубата на мощност по време на предаването.

Разлика между силовия трансформатор и разпределителния трансформатор

Силовият трансформатор обикновено работи при пълно натоварване, тъй като е проектиран да има висока ефективност при 100% натоварване. От друга страна, разпределителният трансформатор има висока ефективност, когато натоварването остава между 50% и 70%. Така че разпределителните трансформатори не са подходящи да работят при 100% натоварване непрекъснато.
Тъй като силовият трансформатор води до високо напрежение по време на увеличаване и понижаване, намотките имат висока изолация в сравнение с разпределителните трансформатори и инструменталните трансформатори.
Тъй като използват изолация на високо ниво, те са с много обемни размери и освен това са много тежки.
Тъй като силовите трансформатори обикновено не са свързани директно с домовете, те изпитват по-малко колебания на товара, докато от друга страна разпределителните трансформатори изпитват големи колебания на товара.
Те се зареждат напълно за 24 часа на ден, така че загубите на мед и желязо се случват през целия ден и те остават почти същите през цялото време.
Плътността на потока в силовия трансформатор е по-висока от разпределителния трансформатор.

Принцип на работа на силовия трансформатор

Силовият трансформатор работи на принципа на „закона на Фарадей за електромагнитната индукция“. Основният закон на електромагнетизма обяснява принципа на работа на дросели, двигатели, генератори и електрически трансформатори.

Законът гласи: „ Когато проводник със затворен цикъл или късо съединение се доближи до променливо магнитно поле, токът се генерира в този затворен цикъл“ .

За да разберем по-добре закона, нека го обсъдим по-подробно. Първо, нека разгледаме сценарий по-долу.

Помислете за постоянен магнит и проводник е приближен първо един до друг.

След това проводникът се късо съединява в двата края с помощта на проводник, както е показано на фигурата.
В този случай няма да има токов поток в проводника или контура, тъй като магнитното поле, прерязващо контура, е неподвижно и както е споменато в закона, само променливо или променящо се магнитно поле може да форсира ток в контура.
Така че в първия случай на неподвижното магнитно поле ще има нулев поток в проводника.

тогава магнитното поле, прерязващо контура, продължава да се променя. Тъй като в този случай има различно магнитно поле, законите на Фарадей ще дойдат и по този начин можем да видим текущ поток в проводника.

Както можете да видите на фигурата, след като магнитът се движи напред-назад, виждаме ток "I", протичащ през проводника и затворения контур.

да го замени с други променливи източници на магнитно поле като по-долу.

Сега за генериране на променливо магнитно поле се използват източник на променливо напрежение и проводник.
След контура на проводника, приближен до обхвата на магнитното поле, тогава можем да видим ЕМП, генерирана през проводника. Поради тази индуцирана ЕМП ще имаме текущ поток "I".
Величината на индуцираното напрежение е пропорционална на силата на полето, изпитвана от втория контур, така че колкото по-голяма е силата на магнитното поле, толкова по-голям е текущият поток в затворения контур.

Въпреки че е възможно да се използва единичен проводник, създаден за разбиране на закона на Фарадей. Но за по-добро практическо изпълнение се предпочита използването на бобина от двете страни.

Тук през първичната намотка1 тече променлив ток, който генерира променливото магнитно поле около проводниковите намотки. И когато бобината2 влезе в обхвата на магнитното поле, генерирано от бобината1, тогава се генерира ЕМП напрежение през бобината2 поради закона на Фарадей за електромагнитната индукция. И поради това напрежение в бобина2 през вторичната затворена верига протича ток "I".

Сега трябва да запомните, че и двете намотки са окачени във въздуха, така че използваната от магнитното поле среда за проводимост е въздухът. И въздухът има по-голямо съпротивление в сравнение с металите в случай на проводимост на магнитно поле, така че ако използваме метална или феритна сърцевина, за да действа като среда за електромагнитно поле, тогава можем да изпитаме електромагнитната индукция по-задълбочено.

Така че сега нека заменим въздушната среда с желязна среда за по-нататъшно разбиране.

Както е показано на фигурата, можем да използваме желязо или феритно ядро, за да намалим загубата на магнитен поток по време на предаване на мощност от една намотка към друга намотка. През това време магнитният поток, изтичащ в атмосферата, ще бъде значително по-малък от времето, когато сме използвали въздушна среда като ядро, е много добър проводник на магнитното поле.

След като полето се генерира от намотка1, тя ще тече през желязната сърцевина, достигайки намотката2 и поради закона на Фарадей намотка2 генерира ЕМП, която ще се отчита от галванометъра, свързан през намотката2.

Сега, ако наблюдавате внимателно, ще намерите тази настройка подобна на еднофазен трансформатор. И да, всеки присъстващ днес трансформатор работи на същия принцип.

Сега нека разгледаме опростената конструкция на трифазния трансформатор.

Трифазен трансформатор

Скелетът на трансформатора е проектиран чрез залагане на ламинирани метални листове, които се използват за пренасяне на магнитен поток. На диаграмата можете да видите, че скелетът е боядисан в сиво. Скелетът има три колони, върху които се навиват намотки от три фази.
Намотката с по-ниско напрежение се навива първо и се навива по-близо до сърцевината, докато намотката с по-високо напрежение се навива върху намотката с по-ниско напрежение. Не забравяйте, че и двете намотки са разделени от изолационен слой.
Тук всяка колона представлява една фаза, така че за три колони имаме трифазна намотка.
Цялата тази настройка на скелета и намотката е потопена в запечатан резервоар, пълен с индустриално масло за по-добра топлопроводимост и изолация.
След навиването крайните клеми на всичките шест намотки бяха извадени от запечатания резервоар чрез HV изолатор.
Терминалите са фиксирани на доста голямо разстояние един от друг, за да се избегнат скокове от искри.

Характеристики на силовия трансформатор

Оценена сила	3 MVA до 200 MVA
Първично напрежение обикновено	11, 22, 33, 66, 90, 132, 220 kV
Вторично напрежение обикновено	3.3, 6.6, 11, 33, 66, 132 kV или спецификация по поръчка
Фази	Еднофазни или трифазни трансформатори
Номинална честота	50 или 60 Hz
Подслушване	Регулатори на натоварване или разтоварване
Покачване на температурата	60 / 65C или персонализирана спецификация
Тип охлаждане	ONAN (масло естествен въздух естествен) или други видове охлаждане като KNAN (макс. 33kV) при поискване
Радиатори	Монтирани в резервоара охладителни панели на радиатора
Векторни групи	Dyn11 или всяка друга векторна група съгласно IEC 60076
Регулиране на напрежението	Чрез превключвател на натоварване (с реле AVR стандартно)
HV и LV терминали	Въздушна кабелна кутия (макс. 33kV) или отворени втулки
Инсталации	На закрито или на открито
Ниво на звука	Съгласно ENATS 35 или NEMA TR1

Приложения на Power Transfer

Силовият трансформатор се използва главно в производството на електроенергия и в разпределителните станции.
Също така се използва в изолационни трансформатори, заземителни трансформатори, шест импулсни и дванадесет импулсни токоизправителни трансформатора, слънчеви PV трансформаторни трансформатори, вятърни трансформаторни трансформатори и в стартер за автотрансформатор Korndörfer.
Използва се за намаляване на загубите на мощност по време на пренос на електроенергия.
Използва се за повишаване на напрежението и понижаване на високо напрежение.
Предпочита се по време на потребителски дела на дълги разстояния.
И за предпочитане в случаите, когато натоварването работи с пълен капацитет 24x7.