Здравствуйте, дорогие друзья! Сегодня поговорим про виды трансформаторов, рассмотрим их общее устройство и принцип работы, узнаем где применяются. И так…
В энергетике и электротехнике постоянно требуется преобразование тока из одного состояния в другое. В этих процессах активно участвуют различные виды трансформаторов, представляющие собой электромагнитные статические устройства, без каких-либо подвижных частей. В основе их действия лежит электромагнитная индукция, посредством которой переменный ток одного напряжения преобразуется в переменный ток другого напряжения. При этом частота остается неизменной, а потери мощности совсем незначительные.
Обычный и планарный трансформаторы
Обычный импульсный трансформатор (рисунок ниже) состоит из первичной и вторичной обмоток, намотанных на катушку и ферритовый сердечник. Изоляция провода и изолирующий слой между витками используются для разделения обмоток. Конфигурация катушки и сердечника определяется топологией схемы.
Планарный магнитный трансформатор (рисунок ниже) заменяет тонкую медную проволоку, намотанную на катушку, тонкими медными листами, «намотанными» на печатную плату. Печатная плата зажата между ферритовым сердечником и закреплена заклепками.
Требования к транзисторам
Из-за высокого рабочего напряжения и требований к низкой стоимости транзисторы выбираются биполярные. Чтобы снизить показатели, используется полумостовая схема включения. Пиковое напряжение составляет 350 В, а при выключении входного фильтра, энергия, запасённая дросселем, выдаёт импульс амплитудой до 500 В.
Особенность полумостовой схемы: напряжение делится между двумя транзисторами. Следовательно, максимальный рабочий ток находится через выходную мощность. Для прибора на 50 Вт составит 0,64 А. Как сказано выше, при первом включении лампочек это значение порой существенно превышено (до 10 раз от номинального значения). Следовательно, через транзисторы кратковременно может течь ток до 6,5 А.
Из указанных соображений рекомендуется для электронного трансформатора мощностью 50 Вт выбирать транзисторы с максимально допустимым напряжением от 450 В и выше при токе до 7 А. О частоте сказано выше. Она зависит от параметров импульсного трансформатора и определяется постоянной времени заряда RC-цепочки. Типичное значение – 35 кГц. Слишком медленные транзисторы способны привести к срыву частоты и вводу сердечника импульсного трансформатора в режим насыщения в конце каждого цикла. Запасённая энергия будет возвращена на коллекторы в виде пика значительной высоты, что гипотетически приведёт к выходу изделия из строя.
Более высокие частоты — меньше магнитные компоненты?
Первым эффектом от увеличения частоты переключения является уменьшение индуктивности магнитных компонентов. Поскольку частоты продолжают расти до нескольких сотен килогерц и попадают в мегагерцовый диапазон, появляются другие факторы, которые могут повлиять на преимущества уменьшения размера от меньшей индуктивности.
Большая частота порождает скин-эффект. Скин-эффект — это стремление переменного тока (AC) распределяться внутри проводника, в результате чего наибольшая плотность тока наблюдается на поверхности проводника и постепенно уменьшается с увеличением «глубины проводника». Поскольку удельное сопротивление является функцией площади поперечного сечения проводника, результатом скин-эффекта является более высокое сопротивление на более высоких частотах.
Эту проблему можно решить при использовании обычного трансформатора, увеличив диаметр намоточного провода. Другим способом было бы связать несколько проводов меньшего размера. Оба добавляют больше проводящей способности, но они также приводят к увеличению габаритов обмоток. Это, в свою очередь, может привести к увеличению размера сердечника, что приводит к более высоким потерям в сердечнике. Обмотки планарного трансформатора, выполненные из тонкой медной фольги, менее подвержены воздействию скин-эффекта.
Выводы
Существующие конструктивные способы уменьшения суммарных потерь в трансформаторах позволяют существенно повысить энергоэффективность трансформации электроэнергии. Применение же новых инновационных материалов, в частности в магнитопроводах силовых трансформаторов, обеспечит качественный скачок в снижении затрат на функционирование всей сети электроснабжения. Однако высокая стоимость трансформаторов с магнитопроводом из аморфной стали на сегодняшний день не позволяет обеспечить массовый выпуск и поставки наиболее энергоэффективного трансформаторного оборудования.
Выражаю искреннюю благодарность ведущим специалистам ООО «Трансформер» к.т.н. Печенкину В.И. и к.т.н. Стулову А.В. (г. Подольск), а также главному конструктору ОАО «Электрощит» (г. Чехов) Колычеву В. А. за конструктивное обсуждение материалов данной статьи.
Список литературы
- Ивакин В. Н., Ковалев В. Д., Магницкий А. А. Нормирование энергоэффективности распределительных трансформаторов // Энергия единой сети. — 2020. — № 5 (34). С. 20 — 31.
- Савинцев Ю.М. Главная парадигма повышения трансформаторных подстанций в сетях электроснабжения России
- Касаткин А. С. Электротехника: Учеб. для вузов / А. С. Касаткин, М.В. Немцов. — 9-е изд., стер. — М.: Издательский цент «Академия», 2005. 544 стр.
- Е.В. Калинин, А.И. Чивенков. Прогнозирование прироста потерь в стыках сердечников силовых трансформаторов // Интеллектуальная электроника. — 2020. — № 3 Стр. 95-99.
- Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов: Учеб. пособие для ВУЗов. — 5-е изд. перераб. и доп. / П.М. Тихомиров. — М.: Энергоатомиздат. — 1986 год. 528 стр.
- Levin M.I., Пентегов И. В., Рымар С. В., Lavreniuk A.V. Анализ конструкций шихтованных магнитопроводов силовых трехфазных трансформаторов // Електротехнiка i Електромеханiка, 2014 год. № 1. Cтр. 40-43.
Планарные трансформаторы — преимущества
Обмотки в планарном трансформаторе представляют собой плоские куски фольги на печатной плате, что ограничивает число возможных витков. В то же время, большая площадь магнитного поперечного сечения позволяет делать меньше витков. И плоская форма материалов магнитного сердечника обеспечивает большую площадь для мощности рассеивания.
Характер обмоток в «печатном виде» обеспечивает высокую степень согласованности расстояний между витками и слоями. В результате межобмоточная емкость является постоянной, а чередование обмоток позволяет снизить потери проводимости переменного тока. И, как и любое другой макет печатной платы, ползучесть и расстояние зазора используется для удовлетворения требований диэлектрического пробоя. Принимая во внимание все это, планарные трансформаторы обеспечивают превосходную эффективность и высокую степень воспроизводимости.
Вся правда об оптических трансформаторах: часть 1
За последнее десятилетие термин «аналоговый» успел стать синонимом к слову «устаревший». С одной стороны, это звучит обидно и даже несправедливо по отношению к надёжной, испытанной годами эксплуатации технике. Однако если речь заходит о повышении точности средств измерения и интеграции их в единую сеть мониторинга и контроля технологических процессов, то имеющегося у аналоговой аппаратуры потенциала становится явно недостаточно. Одно из решений — оптоволоконные трансформаторы, работа которых основана на эффекте Фарадея, эффекте, открытом в одно время с законом электромагнитной индукции, но ожидавшим, когда появятся технологии, способные его эффективно использовать.
«Профотек»
Специалисты «Профотека» разработали и вывели на рынок приборы, альтернативные электромагнитным измерительным трансформаторам, — волоконно-оптические электронные трансформаторы тока и электронные трансформаторы напряжения на основе емкостного или безындуктивного резистивного высоковольтного делителя напряжения.
Использование оптических методов измерения тока позволяет получать измеренные значения сразу в цифровом виде, а примененная схема измерения напряжений дает возможность значительно повысить точность измерений и снизить погрешности. Внедрение на энергетических объектах этих электронных трансформаторов обеспечит технологию измерений на качественно новом уровне, приблизив такие объекты к полноценному переходу к цифровой подстанции и технологии Smart Grid.
* * *
Вопрос: Требуется ли для оптических трансформаторов тока (напряжения) температурная компенсация в целях обеспечения точности измерений? В каком диапазоне температур она не требуется?
Сначала нужно уточнить терминологию, разграничив понятия основной и дополнительной погрешности.
Действительно, в классических конструкциях трансформаторов, действительно, есть основная погрешность трансформатора и целый ряд дополнительных погрешностей, возникающих из-за наличия гармоник, загрузки вторичных цепей, их взаимного влияния, а также температуры. Электронные трансформаторы тока и напряжения производства АО «Профотек» являются трансформаторами с компенсированной погрешностью. Для потребителя это означает, что трансформаторы обладают только основной погрешностью, а все влияющие факторы учитываются в работе электроники и автоматически компенсируются так, чтобы во всем рабочем диапазоне влияющих факторов трансформаторы находились в заданном классе точности. Поддержание заданных характеристик обеспечивается не только программными средствами, но и самой конструкцией. Основные особенности структуры измерительной части будут изложены ниже.
В конструкции электронных трансформаторов тока и напряжения, производимых , можно выделить две основные части:
- внешнюю, где чувствительный оптический элемент жестко закреплен на опорной изоляционной колонне с соединительным оптическим кабелем;
- внутреннюю, состоящую из блока электроники.
Также «Профотек» производит внешнюю часть с гибким чувствительным элементом, который размещен в продолжении соединительного оптического кабеля и без опорной колонны.
Внешняя часть электронных трансформаторов устанавливается, как правило, на открытой части распределительных устройств, на вводах генераторов, а также может быть интегрирована практически в любую сетевую инфраструктуру без её изменения за очень короткое время. В процессе работы внешняя часть может подвергаться воздействию температур в интервале от -60 до +60ºС, в то время как рабочий диапазон температур окружающей среды для блока электроники — -10…+40ºС, причем блок располагается в помещении с однотипным по режимам работы оборудованием (устройства РЗА и ПА, АСУ и т. п.). Конструкция электронных блоков трансформаторов тока и напряжения не требует дополнительной температурной компенсации.
Внешняя часть электронного трансформатора напряжения температурной компенсации не требует, так как емкостный делитель напряжения выполняется в виде единого высоковольтного конденсатора, который в процессе производства изготавливается из одного и того же материала, и основной задачей «Профотека» как разработчика и производителя является обеспечение поддержания точности соотношения емкостей делителя напряжения. Технология изготовления делителей обеспечивает надежную работу в заданном температурном диапазоне и стабильность характеристик, а также при необходимости позволяет обеспечить требуемую компенсацию температурного коэффициента емкости (ТКЕ), что легко обеспечивается в требуемом температурном диапазоне. При использовании резистивных делителей применяются специальные высокостабильные резисторы с очень малым коэффициентом температурной зависимости и высокой повторяемостью.
Работа оптического трансформатора тока основана на бесконтактном методе измерения тока.
Метод использует магнитооптический эффект Фарадея и достаточно подробно описан в различных источниках. Кратко суть метода можно описать так: в отрезок специального магниточувствительного оптоволокна (так называемый hi-bi spun световод) через волоконный аналог четвертьволновой пластинки вводятся две световые волны с ортогональной поляризацией, вследствие чего они приобретают круговую поляризацию противоположного вращения, которую этот тип световода способен сохранять. Вводимые световые волны модулированы по фазе с довольно высокой частотой (40–60 кГц). Если в проводнике, вокруг которого намотан контур из этого световода, тока нет, то эти световые волны распространяются с одинаковой скоростью и на вход схемы измерений приходят с нулевым сдвигом фаз. Если в проводнике появляется ток, а вокруг этого проводника — магнитное поле, то скорость распространения для этих световых волн будет различаться из-за эффекта Фарадея. В результате этого в приемнике у пришедших от чувствительного волокна световых волн возникает относительный фазовый сдвиг, пропорциональный величине магнитного поля вокруг проводника и, соответственно, величине тока в проводнике. Таким образом, задача измерения тока сводится к прецизионному измерению фазового сдвига между световыми волнами.
Метод отражательного волоконного интерферометра — наиболее отработанная и стабильная схема измерений.
Для измерений величин этих фазовых сдвигов «Профотек» в своих оптических трансформаторах тока использует метод отражательного волоконного интерферометра, поскольку это наиболее отработанная и стабильная схема измерений, дающая автоматическую компенсацию большинства внешних воздействий на измерительный тракт. Как было сказано ранее, световые волны модулированы модулятором двулучепреломления, поэтому выходной сигнал интерферометра представляет из себя сумму гармоник частот модуляции, а амплитуды этих гармоник пропорциональны величине протекающего тока. При этом обеспечивается независимость вычисления фазового сдвига от вариаций параметров оптической схемы (мощность света на фотоприемнике, амплитуда модуляции и т. п.). Всё это позволяет обеспечить высокую точность измерений в большом диапазоне изменения значений первичного тока в проводнике.
Производимое АО «Профотек» специальное термостабильное оптическое волокно, используемое в измерительных элементах оптических трансформаторов, обеспечивает высокую стабильность свойств в диапазоне изменения температур до 100ºС (интегральный разброс показаний в этом диапазоне температур составляет около 1%), а это при реальном диапазоне температур от -60 до +60ºС обеспечивает погрешность измерений согласно требованиям к измерительным приборам класса точности 1.
Для обеспечения точности измерений в соответствии с требованиями класса точности измерений 0,2s (расширенный диапазон в области малых погрешностей) в приборах АО «Профотек» применен метод цифровой компенсации температурной погрешности при малых значениях токов. С этой целью программой для расчета тока учитывается температурная зависимость чувствительности. Сигнальный процессор ежесекундно в on-line режиме считывает сигнал, пропорциональный температуре, измеренной оптоволоконным термометром, который расположен рядом с основным чувствительным волокном. На основе считанных сигналов процессор вычисляет значение силы тока в шине с учетом влияния температуры на чувствительный элемент. Надежность вышеописанной компенсации обусловлена тем, что температурная зависимость чувствительности носит фундаментальный физический характер и не может изменяться с течением времени.
Все выпускаемые «Профотеком» измерительные трансформаторы тока проходят тестовую проверку в термокамерах.
Измерения проводятся как отдельно для чувствительных элементов (в диапазоне от -60 или -40 до +60°С), так и для всего электронно-оптического блока (в диапазоне от -10 или +5 до +40°С). Помимо обычных промышленных термокамер для тестирования чувствительных элементов и электронно-оптических блоков, «Профотек» располагает специальной климатической камерой, в которой имеется возможность проводить испытания высоковольтной измерительной колонны с опорным изолятором для классов напряжения до 220 кВ с установленным на ней чувствительным элементом в полном диапазоне температур.
Вся правда об оптических трансформаторах: часть 2
Преимущества обычных трансформаторов
Если бы не спрос на более высокочастотное оборудование, несколько сомнительно, что планарные трансформаторы будут рассматриваться как альтернатива традиционным трансформаторам. Несмотря на все их очевидные преимущества, и даже в высокочастотных применениях, традиционные трансформаторы с проволочной обмоткой все еще имеют ряд важных преимуществ. Планарные трансформаторы занимают гораздо больше места на печатной плате, чем традиционные трансформаторы. Таким образом, если рассеяние мощности и / или запас по мощности не являются главными соображениями при проектировании, тогда разработчики обычно используют обычный трансформатор.
Наконец, время изготовления традиционных трансформаторов будет меньше, чем для планарных. Образцы могут быть намотаны в течение нескольких дней, и можно быстро внести изменения, чтобы оптимизировать производительность. Планарные устройства требуют печатной платы и специальных инструментов для изготовления материалов магнитного сердечника. В приложениях с очень большими габаритами и большей мощностью планарные трансформаторы обеспечат более высокую производительность и экономичное решение. Но обычные трансформаторы будут ответом почти для любого другого применения.
Примеры реальных конструкций современных энергоэффективных трансформаторов
Указанные выше конструктивные способы уменьшения потерь хх и кз в наиболее полной мере реализованы в нескольких линейках энергосберегающих масляных силовых трансформаторов серий ТМГ12, ТМГ15, ТМГ32, ТМГ33, ТМГ35. Динамика изменений электротехнических и массогабаритных характеристик на примере трансформатора мощностью 1000 кВА представлена в таблице 5.
Таблица 5. Характеристики энергоэффективных трансформаторов МЭТЗ им. В.И. Козлова (г. Минск, РБ)
Потери хх в трансформаторе ТМГ35 снижены на 52% по сравнению со стандартным трансформатором ТМГ11. Потери кз уменьшены на 11,5%. Масса трансформатора ТМГ35 по сравнению с массой стандартного трансформатора ТМГ11 увеличилась почти на 35%. Стоимость трансформатора увеличилась (по данным завода-изготовителя) практически на 50%. Однако принципиально важным является факт, что стоимость потерь энергоэффективного трансформатора ТМГ35 за 30 лет нормативного срока службы в 11 раз меньше стоимости потерь в обычном трансформаторе ТМГ11. Т.е. разность в стоимости энергоэффективного и обычного трансформаторов окупается примерно за 4 года.