Σχεδιασμός και αρχή λειτουργίας των μετασχηματιστών ισχύος

Ηλεκτρική συσκευή με δύο, τρεις ή περισσότερες περιελίξεις, εγκατεστημένη στατικά σε δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Ένας μετασχηματιστής ισχύος μεταβάλλει την εναλλασσόμενη τάση και το ρεύμα χωρίς απόκλιση συχνότητας. Ο μετατροπέας που χρησιμοποιείται στη δευτερεύουσα τροφοδοσία ονομάζεται συσκευή υποβιβασμού. Οι δομές Booster αυξάνουν την τάση και χρησιμοποιούνται σε γραμμές μεταφοράς υψηλής τάσης με μεγάλη ισχύ, χωρητικότητα και δυναμικότητα.

Εφαρμογές

Οι μετασχηματιστές ισχύος αποτελούν μέρος του εξοπλισμού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής χρησιμοποιούν ατομική ενέργεια, ενέργεια ορυκτών, στερεών ή υγρών καυσίμων, λειτουργούν με φυσικό αέριο ή χρησιμοποιούν ενέργεια από το νερό, αλλά οι μετασχηματιστές εξόδου των υποσταθμών είναι απαραίτητοι για την κανονική λειτουργία των γραμμών κατανάλωσης και παραγωγής.

Οι μονάδες εγκαθίστανται στα δίκτυα βιομηχανικών μονάδων, αγροτικών επιχειρήσεων, αμυντικών συγκροτημάτων, εγκαταστάσεων πετρελαίου και φυσικού αερίου. Ο άμεσος σκοπός ενός μετασχηματιστή ισχύος - να μειώνει και να αυξάνει την τάση και το ρεύμα - χρησιμοποιείται για τη λειτουργία των μεταφορών, των κατοικιών, των εμπορικών υποδομών και των εγκαταστάσεων διανομής δικτύου.

Κύρια μέρη και συστήματα

Η τάση τροφοδοσίας και το φορτίο συνδέονται σε δακτυλίους που βρίσκονται σε ένα εσωτερικό ή εξωτερικό μπλοκ ακροδεκτών. Η επαφή στερεώνεται με βίδες ή ειδικούς συνδέσμους. Στις μονάδες με λάδι, οι δακτύλιοι είναι τοποθετημένοι εξωτερικά στις πλευρές της δεξαμενής ή στο κάλυμμα του αφαιρούμενου περιβλήματος.

Η μετάδοση από τις εσωτερικές περιελίξεις γίνεται μέσω εύκαμπτων αποσβεστήρων ή ράβδων με σπείρωμα από μη σιδηρούχα μέταλλα. Οι μετασχηματιστές ισχύος και τα περιβλήματά τους είναι μονωμένα από τα καρφιά με ένα στρώμα πορσελάνης ή πλαστικού. Τα κενά εξαλείφονται με παρεμβύσματα από υλικό ανθεκτικό στο λάδι και τα συνθετικά υγρά.

Οι ψύκτες μειώνουν τη θερμοκρασία του λαδιού από την άνω περιοχή της δεξαμενής και τη μεταφέρουν στο πλευρικό στρώμα του πυθμένα. Η μονάδα ψύξης ενός μετασχηματιστή ισχύος με καύση πετρελαίου αντιπροσωπεύεται από:

• ένα εξωτερικό κύκλωμα που αφαιρεί θερμότητα από το μέσο,
• Ένα εσωτερικό κύκλωμα που θερμαίνει το λάδι.

Υπάρχουν διάφοροι τύποι ψυγείων:

• θερμαντικά σώματα - ένα σύνολο επίπεδων καναλιών συγκολλημένων στο άκρο, τοποθετημένων σε πλάκες για την επικοινωνία μεταξύ του κάτω και του άνω συλλέκτη,
• κυματοειδείς δεξαμενές - εγκαθίστανται σε μονάδες χαμηλής και μεσαίας ισχύος και αποτελούν τόσο τη δεξαμενή μείωσης της θερμοκρασίας όσο και τη δεξαμενή εργασίας με διπλωμένα τοιχώματα και το κάτω κιβώτιο,
• ανεμιστήρες - χρησιμοποιούνται σε μεγάλες μονάδες μετασχηματιστών για την εξαναγκασμένη ψύξη του ρεύματος αέρα,
• εναλλάκτες θερμότητας - χρησιμοποιούνται σε μεγάλες μονάδες για τη διακίνηση συνθετικών ρευστών με τη χρήση αντλίας, καθώς η οργάνωση της φυσικής κυκλοφορίας απαιτεί πολύ χώρο,
• μονάδες νερού-πετρελαίου - σωληνοειδείς εναλλάκτες θερμότητας κλασικής τεχνολογίας,
• Αντλίες κυκλοφορίας - ερμητικά σφραγισμένες κατασκευές με πλήρως βυθισμένο κινητήρα χωρίς παρεμβύσματα.

Ο εξοπλισμός μετασχηματισμού τάσης είναι εφοδιασμένος με ρυθμιστές για την αλλαγή του αριθμού των πηνίων λειτουργίας. Η δευτερεύουσα τάση τροποποιείται μέσω ενός διακόπτη σχετικά με τον αριθμό των σπειρών ή ρυθμίζεται μέσω μιας βιδωτής σύνδεσης με την επιλογή της διάταξης βραχυκυκλωμάτων. Έτσι συνδέονται τα καλώδια ενός γειωμένου ή απενεργοποιημένου μετασχηματιστή. Οι μονάδες ελέγχου μετατρέπουν τάσεις σε μικρές περιοχές.

Ανάλογα με τις συνθήκες, οι ρυθμιστές τάσης χωρίζονται σε τύπους:

• μονάδες που λειτουργούν όταν το φορτίο είναι απενεργοποιημένο,
• στοιχεία που λειτουργούν όταν το δευτερεύον τύλιγμα είναι βραχυκυκλωμένο σε αντίσταση.

Συνημμένο

Το ρελέ αερίου βρίσκεται στη γραμμή σύνδεσης μεταξύ των δοχείων διαστολής και λειτουργίας. Η συσκευή αποτρέπει την αποσύνθεση των μονωτικών οργανικών ουσιών, του λαδιού κατά την υπερθέρμανση και τις μικρές ζημιές στο σύστημα. Η συσκευή ανταποκρίνεται στην εκτόνωση αερίων σε περίπτωση δυσλειτουργίας, δίνει συναγερμό ή κλείνει εντελώς το σύστημα σε περίπτωση βραχυκυκλώματος ή επικίνδυνα χαμηλών επιπέδων υγρού.

Θερμοστοιχεία τοποθετούνται στην κορυφή της δεξαμενής σε θήκες για τη μέτρηση της θερμοκρασίας. Εργάζονται με βάση την αρχή του μαθηματικού υπολογισμού για να προσδιορίσουν το θερμότερο μέρος της μονάδας. Οι σύγχρονοι αισθητήρες βασίζονται στην τεχνολογία οπτικών ινών.

Η μονάδα συνεχούς αναγέννησης χρησιμοποιείται για την ανάκτηση και τον καθαρισμό πετρελαίου. Παράγει σκωρία και αέρα στη μάζα του λαδιού. Υπάρχουν δύο τύποι μονάδων αναγέννησης:

• μονάδες θερμοσιφώνων, οι οποίες χρησιμοποιούν τη φυσική ανοδική κίνηση των θερμαινόμενων στρωμάτων και περνούν μέσα από ένα φίλτρο, και στη συνέχεια κατεβάζουν τα ψυχρά ρεύματα στον πυθμένα της δεξαμενής,
• οι μονάδες ποιοτικής προσρόφησης προωθούν το λάδι μέσω των φίλτρων με αντλία, βρίσκονται ξεχωριστά στα θεμέλια και χρησιμοποιούνται σε υπερμεγέθη κυκλώματα μετατροπέων.

Οι μονάδες προστασίας λαδιού είναι ένα δοχείο διαστολής ανοικτού τύπου. Ο αέρας πάνω από την επιφάνεια της μάζας περνάει μέσα από ξηραντικά πυριτιούχου πηκτώματος. Ο προσροφητικός παράγοντας γίνεται ροζ στη μέγιστη υγρασία, γεγονός που αποτελεί σήμα για την αντικατάστασή του.

Μια τσιμούχα λαδιού τοποθετείται στην κορυφή του διαστολέα. Πρόκειται για μια συσκευή μείωσης της υγρασίας του αέρα που λειτουργεί με ξηρό λάδι μετασχηματιστή. Συνδέεται με το δοχείο διαστολής μέσω μιας υποδοχής. Ένα δοχείο συγκολλάται στην κορυφή με εσωτερικό διαχωρισμό με τη μορφή πολλών τοιχωμάτων σε σχήμα λαβύρινθου. Ο αέρας ρέει μέσα από το λάδι, απομακρύνει την υγρασία, καθαρίζεται με πήκτωμα διοξειδίου του πυριτίου και καταλήγει στον συντηρητή λαδιού.

Συσκευές ελέγχου

Η διάταξη εκτόνωσης πίεσης αποτρέπει την επείγουσα αύξηση της κεφαλής λόγω βραχυκυκλώματος ή σοβαρής αποσύνθεσης του λαδιού και προβλέπεται στο σχεδιασμό μονάδων βαρέως τύπου σύμφωνα με το GOST 11677-1975. Η συσκευή έχει σχεδιαστεί ως σωλήνας εκκένωσης με κλίση προς το κάλυμμα του μετασχηματιστή. Υπάρχει ένα σφραγισμένο διάφραγμα στο άκρο του, το οποίο μπορεί να αναδιπλωθεί αμέσως και επιτρέπει τη διέλευση των καυσαερίων.

Επιπλέον, στον μετασχηματιστή εγκαθίστανται και άλλες μονάδες:

1. Οι αισθητήρες στάθμης λαδιού στη δεξαμενή, εφοδιασμένοι με καντράν ή κατασκευασμένοι με τη μορφή γυάλινου σωλήνα από συγκοινωνούντα δοχεία, τοποθετούνται στο άκρο του διαστολέα.
2. Οι ενσωματωμένοι μετασχηματιστές τοποθετούνται στο εσωτερικό της μονάδας ή κοντά στο σωλήνα γείωσης στο πλάι των δακτυλίων ή στις γραμμές χαμηλής τάσης. Στην περίπτωση αυτή δεν υπάρχει ανάγκη για μεγάλο αριθμό ξεχωριστών μετατροπέων στον υποσταθμό με εσωτερική και εξωτερική μόνωση.
3. Ο ανιχνευτής καύσιμων ακαθαρσιών και αερίων ανιχνεύει το υδρογόνο στη μάζα του πετρελαίου και το συμπιέζει μέσω της μεμβράνης. Η συσκευή δείχνει τον αρχικό βαθμό αεριοποίησης πριν το συμπυκνωμένο μείγμα κάνει το ρελέ παρακολούθησης να ενεργοποιηθεί.
4. Το ροόμετρο παρακολουθεί την απώλεια λαδιού σε υποσταθμούς που λειτουργούν με την αρχή της εξαναγκασμένης μείωσης της θερμοκρασίας. Η συσκευή μετρά τη διαφορά ύψους και προσδιορίζει την πίεση και στις δύο πλευρές του εμποδίου που προκύπτει στη ροή. Στις υδρόψυκτες μονάδες οι μετρητές ροής διαβάζουν την κατανάλωση υγρασίας. Τα στοιχεία διαθέτουν συναγερμό σε περίπτωση βλάβης και καντράν για την ανάγνωση των τιμών.

Αρχή λειτουργίας και τρόποι λειτουργίας

Ο απλός μετασχηματιστής είναι εξοπλισμένος με πυρήνα από περμαλλούχο κράμα, φερρίτη και δύο περιελίξεις. Το μαγνητικό κύκλωμα περιλαμβάνει ένα σύνολο στοιχείων κορδέλας, πλάκας ή χυτευμένων στοιχείων. Μετακινεί τη μαγνητική ροή που παράγεται από τον ηλεκτρισμό. Η αρχή ενός μετασχηματιστή ισχύος είναι η μετατροπή των τιμών ρεύματος και τάσης μέσω επαγωγής, ενώ η συχνότητα και το σχήμα των φορτισμένων σωματιδίων παραμένουν σταθερά.

Στους μετασχηματιστές ανύψωσης, το κύκλωμα περιλαμβάνει υψηλότερη δευτερεύουσα τάση σε σύγκριση με το πρωτεύον πηνίο. Στις μονάδες υποβιβασμού η τάση εισόδου είναι υψηλότερη από την τάση εξόδου. Το πηνίο με τις σπειροειδείς περιελίξεις τοποθετείται στο δοχείο λαδιού.

Όταν ενεργοποιείται το εναλλασσόμενο ρεύμα, παράγεται ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο στο πρωτεύον πηνίο. Κλείνει στον πυρήνα και επηρεάζει το δευτερεύον κύκλωμα. Δημιουργείται μια ηλεκτροκινητική δύναμη η οποία μεταδίδεται στα συνδεδεμένα φορτία στην έξοδο του μετασχηματιστή. Υπάρχουν τρεις τρόποι λειτουργίας:

1. Το ρελαντί χαρακτηρίζεται από την ανοικτή κατάσταση του δευτερεύοντος πηνίου και την απουσία ρεύματος μέσα στα τυλίγματα. Η ηλεκτρική ενέργεια στο ρελαντί ρέει στο πρωτεύον πηνίο στο 2-5% της ονομαστικής τιμής.
2. Η λειτουργία του φορτίου πραγματοποιείται με συνδεδεμένη την παροχή ρεύματος και τους καταναλωτές. Οι μετασχηματιστές ισχύος παρουσιάζουν ενέργεια σε δύο τυλίγματα, η λειτουργία σε αυτόν τον κανονισμό είναι κοινή για τη μονάδα.
3. Βραχυκύκλωμα, κατά το οποίο η αντίσταση στο δευτερεύον πηνίο παραμένει το μοναδικό φορτίο. Η λειτουργία επιτρέπει την ανίχνευση απωλειών για την προθέρμανση των περιελίξεων του πυρήνα.

Λειτουργία αδράνειας

Η ηλεκτρική ενέργεια στο πρωτεύον πηνίο είναι ίση με το εναλλασσόμενο ρεύμα μαγνήτισης και το δευτερεύον ρεύμα δείχνει μηδέν. Η ηλεκτροκινητική δύναμη του πρωτεύοντος πηνίου στην περίπτωση ενός σιδηρομαγνητικού πυρήνα αντικαθιστά πλήρως την τάση πηγής και δεν υπάρχουν ρεύματα φορτίου. Η λειτουργία χωρίς φορτίο αποκαλύπτει τις στιγμιαίες απώλειες μεταγωγής και τα δινορρεύματα, καθορίζει την αντιστάθμιση άεργου ισχύος για τη διατήρηση των απαιτούμενων τάσεων εξόδου.

Σε μια μονάδα χωρίς σιδηρομαγνητικό αγωγό δεν υπάρχει απώλεια μεταβολής του μαγνητικού πεδίου. Το ρεύμα χωρίς φορτίο είναι ανάλογο της αντίστασης του πρωτεύοντος τυλίγματος. Η ικανότητα αντίστασης στη διέλευση φορτισμένων ηλεκτρονίων μετασχηματίζεται μεταβάλλοντας τη συχνότητα του ρεύματος και το μέγεθος της επαγωγής.

Λειτουργία βραχυκυκλώματος

Μια μικρή εναλλασσόμενη τάση εφαρμόζεται στο πρωτεύον πηνίο, οι έξοδοι του δευτερεύοντος πηνίου βραχυκυκλώνονται. Η τάση εισόδου ρυθμίζεται έτσι ώστε το ρεύμα βραχυκύκλωσης να αντιστοιχεί στην υπολογισμένη ή ονομαστική τιμή της μονάδας. Το μέγεθος της τάσης βραχυκύκλωσης καθορίζει τις απώλειες στα πηνία του μετασχηματιστή και τον ρυθμό ροής έναντι του υλικού του αγωγού. Μέρος του συνεχούς ρεύματος υπερνικά την αντίσταση και μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια, ο πυρήνας θερμαίνεται.

Η τάση βραχυκύκλωσης υπολογίζεται ως ποσοστό της ονομαστικής τιμής. Η παράμετρος που λαμβάνεται κατά τη λειτουργία σε αυτόν τον τρόπο λειτουργίας είναι ένα σημαντικό χαρακτηριστικό της μονάδας. Πολλαπλασιάζοντάς το με το ρεύμα βραχυκύκλωσης, προκύπτει η χωρητικότητα απωλειών.

Λειτουργία

Όταν συνδέεται ένα φορτίο, στο δευτερεύον κύκλωμα εμφανίζεται μια κίνηση σωματιδίων που προκαλεί μαγνητική ροή στον αγωγό. Κατευθύνεται προς την αντίθετη κατεύθυνση από τη ροή που παράγεται από το πρωτεύον πηνίο. Στο πρωτεύον πηνίο υπάρχει αναντιστοιχία μεταξύ της ηλεκτροκινητικής δύναμης της επαγωγής και της τροφοδοσίας. Το ρεύμα στο πρωτεύον πηνίο αυξάνεται έως ότου το μαγνητικό πεδίο αποκτήσει την αρχική του τιμή.

Η μαγνητική ροή του διανύσματος επαγωγής χαρακτηρίζει τη διέλευση του πεδίου από μια επιλεγμένη επιφάνεια και καθορίζεται από το χρονικό ολοκλήρωμα του στιγμιαίου δείκτη δύναμης στο πρωτεύον πηνίο. Ο δείκτης μετατοπίζεται σε φάση 90˚ σε σχέση με την κινητήρια δύναμη. Η επαγόμενη ΗΕΔ στο δευτερεύον κύκλωμα έχει την ίδια μορφή και φάση με εκείνη στο πρωτεύον πηνίο.

Τύποι και είδη μετασχηματιστών

Οι μονάδες ισχύος χρησιμοποιούνται στην περίπτωση μετατροπής ρεύματος υψηλής τάσης και μεγάλων χωρητικοτήτων, δεν χρησιμοποιούνται για μέτρηση δικτύου. Η εγκατάσταση δικαιολογείται σε περίπτωση διαφοράς μεταξύ της τάσης στο δίκτυο του παραγωγού ενέργειας και του κυκλώματος που πηγαίνει στον καταναλωτή. Ανάλογα με τον αριθμό των φάσεων, οι μονάδες μπορούν να ταξινομηθούν σε μονάδες ενός πηνίου ή σε μονάδες πολλαπλών πηνίων.

Ένας μονοφασικός μετατροπέας ισχύος εγκαθίσταται στατικά και χαρακτηρίζεται από αμοιβαία επαγωγικά συζευγμένα τυλίγματα που είναι ακίνητα. Ο πυρήνας είναι σχεδιασμένος ως κλειστό πλαίσιο και διακρίνεται μεταξύ ενός κάτω ζυγού, ενός άνω ζυγού και πλευρικών ράβδων πηνίου. Τα ενεργά στοιχεία είναι τα πηνία και το μαγνητικό κύκλωμα.

Τα περιτυλίγματα στις ράβδους διατάσσονται σε καθορισμένους συνδυασμούς όσον αφορά τον αριθμό και το σχήμα των σπειρών ή διατάσσονται σε ομόκεντρη διάταξη. Τα κυλινδρικά περιτυλίγματα είναι τα πιο συνηθισμένα και τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα. Τα δομικά στοιχεία της μονάδας στερεώνουν τα μέρη του σταθμού, μονώνουν τα περάσματα μεταξύ των πηνίων, ψύχουν τα μέρη και αποτρέπουν τις θραύσεις. Η διαμήκης μόνωση καλύπτει μεμονωμένες σπείρες ή συνδυασμούς σπειρών στον πυρήνα. Τα κύρια διηλεκτρικά χρησιμοποιούνται για την αποφυγή της μετάβασης μεταξύ της γης και των περιελίξεων.

Στα τριφασικά ηλεκτρικά κυκλώματα χρησιμοποιούνται μονάδες δύο και τριών περιελίξεων για την ομοιόμορφη κατανομή του φορτίου μεταξύ των εισόδων και των εξόδων ή μονάδες μονοφασικής υποκατάστασης. Οι ελαιόψυκτοι μετασχηματιστές περιέχουν έναν μαγνητικό πυρήνα με περιελίξεις που βρίσκονται μέσα σε μια δεξαμενή ουσίας.

Τα περιτυλίγματα είναι τοποθετημένα σε έναν κοινό αγωγό, με πρωτεύον και δευτερεύον κύκλωμα που αλληλεπιδρούν δημιουργώντας ένα κοινό πεδίο, ρεύμα ή πόλωση καθώς φορτισμένα ηλεκτρόνια κινούνται σε μαγνητικό περιβάλλον. Αυτή η κοινή επαγωγή καθιστά δύσκολο τον προσδιορισμό της απόδοσης της εγκατάστασης, υψηλής και χαμηλής τάσης. Χρησιμοποιείται ένα σχέδιο αντικατάστασης μετασχηματιστή στο οποίο οι περιελίξεις αλληλεπιδρούν σε ηλεκτρικό και όχι σε μαγνητικό περιβάλλον.

Η αρχή της ισοδυναμίας εφαρμόζεται στις ροές διάχυσης των αντιστάσεων των επαγωγικών πηνίων που μεταφέρουν ρεύμα. Γίνεται διάκριση μεταξύ πηνίων με ενεργό αντίσταση επαγωγής. Το δεύτερο είδος είναι τα μαγνητικά συζευγμένα πηνία που μεταδίδουν σωματίδια χωρίς ροές σκέδασης με ελάχιστες ιδιότητες παρεμπόδισης.

Σχετικά άρθρα: