Transformator mocy: projekt, ocena, straty, wydajność, zastosowania

by
  • Definicja transformatora mocy
  • Projekt transformatora mocy
  • Schemat transformatora mocy
  • Ocena transformatora mocy
  • Straty w transformatorze mocy
  • Sprawność transformatora mocy
  • Zastosowanie transformatora mocy (w podstacji)
  • Konserwacja transformatora mocy
  • Awaria transformatora mocy

Definicja transformatora mocy

Typowy transformator można zdefiniować jako „urządzenie, które przesyła energię elektryczną między obwodami elektrycznymi”. Jest to urządzenie pasywne i statyczne. Transformator mocy jest jedyny w swoim rodzaju. Transformatory mocy służą do łączenia obniżania i podwyższania napięcia w systemie dystrybucji energii. 

Typowy transformator mocy ma żywotność około 30 lat.

Transformator biegunowy 2
Transformator mocy, źródło zdjęcia - Zng Zng, Transformator biegunowy 2, CC BY-SA 4.0

Projekt transformatora mocy

Typowy transformator składa się z części -

  • A. Metalowy rdzeń
  • B. Dwa uzwojenia złożone z cewek

Transformator mocy ma te same elementy, co normalny. Dodatkowo posiada system chłodzenia oraz metalowy szkielet, który jest laminowany arkuszami. W zależności od konstrukcji rdzenia transformator mocy może być typu płaszczowego lub rdzeniowego. Może to być również trójfazowe lub jednofazowe. Trójfazowy może być wykonany z trzech transformatorów jednofazowych.

Uzwojenia pierwotne i wtórne są owinięte przewodami znajdującymi się wewnątrz lub na zewnątrz rdzenia. Jednofazowe i trójfazowe oba transformatory potrzebują „banku” do umieszczenia uzwojeń. Jeśli używamy trzech transformatorów jednofazowych, to konieczne jest zidentyfikowanie każdego banku odizolowanego od innych. Jeśli jeden z banków ulegnie awarii, to również transformator zapewni ciągłą obsługę. Ale w przypadku pojedynczego transformatora trójfazowego nie zadziała, jeśli bank zawiedzie.

Wszystkie te ustawienia z rdzeniem są przechowywane w szkielecie. Szkielet jest wchłonięty przez olej chroniony przed ogniem. Olej zarówno izoluje, jak i chłodzi. Istnieje magistrala (izolatory), która pozwala przewodnikowi wykonywać swoją pracę bez ingerencji w strukturę zewnętrzną. Transformatory również potrzebują urządzenia chłodzącego. Procesowi może służyć wentylator lub inny proces.

Schemat transformatora mocy

660px Vermogentransformator 1
Części transformatora mocy, znajdź szczegóły w źródle, źródło obrazu - Fluppe37 at pl.wikipedia, Wermogentransformator 1, CC BY-SA 3.0

Ocena przenoszenia mocy

Transformatory są oceniane na podstawie mocy, jaką mogą dostarczyć do obciążenia. Jeśli transformator daje prąd 5 woltów i 4 amperów na wyjściu, to wartość znamionowa transformatora będzie wynosić 5 * 4 = 20 woltów amperów. Dlatego transformatory są oceniane w woltach - amperach (VA) lub kilowoltach - amperach (kVA). Zwykle działa przy wyższych napięciach i jest oceniany w kilowoltoamperach.

Transformator mocy jest kosztowną częścią systemu dystrybucji. Jeśli moc znamionowa nie zostanie wykonana prawidłowo, transformator może zostać spalony. Dlatego konieczne jest dokładne oszacowanie transformatora mocy. Wartość prądu można obliczyć na podstawie średnicy cewki uzwojenia. Napięcie można obliczyć na podstawie liczby zwojów lub współczynnika zwojów.

Straty w transformatorze mocy

Transformator mocy ponosi straty, ponieważ nie jest transformatorem idealnym. Utrata transformatora oznacza utratę mocy. Straty transformatora można podzielić na cztery kategorie. Oni są -

  • A. Utrata rdzenia / utrata żelaza (strata histerezy i utrata prądu wirowego)
  • B. Strata dielektryczna
  • C. Utrata miedzi lub strata omowa
  • D. Zgubiona strata

A. Utrata rdzenia / utrata żelaza:

Straty te nazywane są również „stratami bez obciążenia”. Transformatory te ponoszą takie straty, gdy są podłączane do zasilania, nawet jeśli nie są z nimi połączone żadne obciążenia po stronie wtórnej. Tego typu straty są stałe i nie zmieniają się. Utrata żelaza jest również dwojakiego rodzaju -

  • za. Straty histerezy
  • b. Straty prądów wirowych

za. Straty histerezy:

  • W rdzeniu transformatora występuje przemienna siła magnesująca. Ze względu na dźwignię magnesującą wytropiono pętlę histerezy i rozproszono moc w postaci ciepła. Straty histerezy powodują od 50% do 80% strat w stanie jałowym.

Ph = η * Bmax * N * f *V

Ph = Strata histerezy

η = współczynnik histerezy Steinmetza

Bmax = Maksymalna gęstość strumienia

n = wykładnik Steinmetza

f  = częstotliwość zwrotów magnetycznych na sekundę

V = objętość materiału magnetycznego

b. Strata prądów wirowych:

  • Strata prądów wirowych występuje z powodu prawa indukcji Faradaya. SEM jest indukowany w obwodzie rdzenia z powodu strumienia magnetycznego. Ta emf powoduje przepływ prądu przez strukturę rdzenia, ponieważ jest on zbudowany z żelaza. Ten prąd jest znany jako prąd wirowy. Prąd wirowy nie jest przydatny do pracy w tym obwodzie. Zatem utrata mocy spowodowana tym prądem jest nazywana utratą prądu wirowego. Straty prądów wirowych są odpowiedzialne za 20% do 50% strat bez obciążenia.

Strata jest określona przez -

Pe = Ke * Bmax2 * f * V * t2

Pe = Strata prądu wirowego

Ke = Stała prądów wirowych

Bmax = Maksymalna gęstość strumienia

f  = częstotliwość zwrotów magnetycznych na sekundę

V = objętość materiału magnetycznego

t = grubość magnetyczna

B. Straty dielektryczne:

  • Przyczyną tej straty są izolatory umieszczone wewnątrz transformatorów. Nie jest to znacząca strata i stanowi 1% całkowitych strat bez obciążenia.

C. Utrata miedzi lub strata omowa:

  • Ten rodzaj strat w transformatorze mocy można nazwać stratami obciążenia, ponieważ transformatory cierpią na tego typu straty z powodu warunków zwarcia lub po podłączeniu do obciążenia. Źródłem tej straty jest rezystancja zwojów drutu. Ponieważ większość kabli składa się z miedzi, strata jest tak nazwana.

D. Zagubiona strata:

  • Ta strata występuje z powodu strumienia wycieku. Strumień wycieku zależy od kilku parametrów, takich jak - budowa geometryczna uzwojenia, rozmiar zbiornika itp. Zmiana tych parametrów może również zmniejszyć straty. To znikoma strata.

Są też inne straty. Jedną z nich są straty pomocnicze. Układ chłodzenia transformatora powoduje tego typu straty. Ponadto niezrównoważona i zniekształcona moc powoduje dodatkowe straty.

Sprawność transformatora mocy

Sprawność urządzenia elektrycznego jest podana jako stosunek mocy wyjściowej do mocy wejściowej. Jest określony przez - η.

η = wyjście / wejście * 100%

W praktycznym scenariuszu transformator ma straty, jak wspomniano wcześniej. Strata ta jest liczbowo równa różnicy między mocą wejściową a mocą wyjściową, to znaczy -

Strata = moc wejściowa - moc wyjściowa

Lub moc wyjściowa = moc wejściowa - strata

Teraz można napisać wydajność -

η = (Strata mocy wejściowej) / Moc wejściowa * 100%

η = 1- (strata / moc wejściowa) * 100%

Można go również zapisać jako -

η = (V2I2Cosϕ / (V2I2Cosϕ + Pi+ P.c )) * 100%

Gdzie,

V2 = Napięcie wtórne

I2 = Prąd wtórny

Cos ϕ = współczynnik mocy

Pi = Utrata żelaza / utrata rdzenia

Pc = Strata miedzi

Duży transformator mocy może osiągnąć sprawność do 99.75%, a mały może osiągnąć sprawność nawet do 97.50%. Jeśli sprawność transformatora mocy mieści się w przedziale od 98 do 99.50%, zostanie uznana za dobrą.

Potrzeba władzy rośnie skokowo i jest ograniczona. W przypadku rozdziału mocy jednym z podstawowych potrzebnych narzędzi jest transformator mocy. Chociaż są one zaprojektowane z myślą o wyższej wydajności, istnieje duże zapotrzebowanie na większą wydajność, z uwzględnieniem ochrony środowiska i zmniejszonego zużycia energii. Drogą do tego celu jest redukcja strat.

Zastosowanie transformatora mocy (transformator mocy w podstacji)

Stacja generująca wapień transformatorowy 330px 1
Transformator mocy w podstacji, źródło obrazu - Jasonbook99, Stacja transformatorowo-wapienna, CC BY-SA 3.0

Transformatory to jedna z najważniejszych i najbardziej niesamowitych innowacji w dziedzinie elektrotechniki. Transformatory mocy mają największe zastosowanie w systemie dystrybucji energii. Niektóre aplikacje to -

  • Transformatory mocy są stosowane w systemach wytwarzania i dystrybucji energii.
  • Transformatory mocy są stosowane w podstacjach. Podstacja przekształca wyższe napięcia elektryczne na niższe, a transformator mocy to robi. są to najbardziej krytyczne urządzenia podstacji elektroenergetycznej.
  • Aby zmniejszyć straty mocy w przenoszeniu mocy. Transformatory pomagają zminimalizować moc, dzięki czemu energia elektryczna może być dostarczana na całym obszarze.
  • Zwiększanie i zmniejszanie napięcia zgodnie z potrzebą.
  • Transformatory zasilające pracują w sposób ciągły, zapewniając zasilanie przez 24 * 7. Tak więc, gdy musimy to robić zawsze, można zastosować transformator.
  • Znajdują one również zastosowanie w transformatorach uziemiających, transformatorach izolacyjnych.

Konserwacja transformatora mocy

Transformatory mocy są drogie, zajmują dużo miejsca i stanowią istotną część systemu dystrybucji energii. Tak więc transformator wymaga wysokiej jakości konserwacji. Konserwacja może być dwojakiego rodzaju - codzienna i w nagłych wypadkach. Zaleca się regularną konserwację tego typu transformatora, który jest umieszczony w podstacji. Niektóre rodzaje konserwacji podano poniżej -

Regularna konserwacja:

  1. Sprawdzenie poziomu oleju
  2. Aby utrzymać poziom oleju na żądanym poziomie.
  3. Aby uszczelnić wyciek, jeśli został wykryty.
  4. Aby wymienić żel krzemionkowy, jeśli kolor zmieni się na różowy.

Konserwacja miesięczna:

  1. Poziom oleju, aby uniknąć uszkodzeń.
  2. Aby sprawdzić tuleje.
  3. Czyszczenie szkieletu.

Konserwacja półroczna:

  1. Aby sprawdzić IFT, DDA, punkty zapalne.
  2. Aby sprawdzić kwasowość, zawartość wody i wytrzymałość dielektryczną.

Coroczna konserwacja:

  1. Sprawdź stan oleju - sytuację pod względem wilgotności i wytrzymałości dielektrycznej.
  2. Aby sprawdzić wszystkie przełączniki alarmowe i kontrolne.
  3. Pomiar i sprawdzenie połączenia uziemienia.
  4. Sprawdzenie tulei i ich czyszczenie.
  5. Aby sprawdzić urządzenie prasowe.

Awaria transformatora mocy

Typowy transformator elektryczny ma dość złożone obwody. Transformator mocy jest bardziej skomplikowany, ponieważ ma kilka dodatkowych elementów. Transformator ulega awarii w wyniku wypalenia lub wyłączenia transformatora. Awaria transformatora może wystąpić z kilku powodów. Usterki mechaniczne, okresowa konserwacja, klęski żywiołowe, takie jak błyskawice, mogą doprowadzić do zniszczenia transformatora.

  • Transformatory generują ciepło podczas pracy. Jeśli istnieje materiał o niskiej jakości do izolacji, to wytwarzane ciepło doprowadziłoby do spalenia.
  • Stan przeciążenia to kolejna przyczyna powstawania transformatorów.
  • Stare transformatory mogą spowodować awarię. W przypadku starych transformatorów widoczne są uszkodzenia mechaniczne.
  • Jeśli zawartość wilgoci w oleju waha się od wartości znamionowych, może to również prowadzić do awarii.

Awarii zasilania można zapobiec wykonując regularną konserwację. Informacje oparte na poprzednich awariach pomagają również wykryć oznaki awarii zasilania przed wystąpieniem incydentu.

Aby dowiedzieć się więcej o transformatorze kliknij tutaj