Co to jest transformator mocy i jak działa?

W niektórych z naszych poprzednich artykułów omówiliśmy podstawy transformatora i jego różne typy. Jednym z ważnych i powszechnie używanych transformatorów jest transformator mocy. Jest bardzo szeroko stosowany do zwiększania i obniżania napięcia odpowiednio w stacji wytwarzania energii elektrycznej i stacji rozdzielczej (lub podstacji).

Weźmy na przykład pod uwagę schemat blokowy pokazany powyżej. Tutaj transformator mocy jest używany dwukrotnie, dostarczając energię elektryczną do konsumenta znajdującego się daleko od stacji generującej.

• Pierwszy raz w stacji generującej prąd, aby zwiększyć napięcie generowane przez generator wiatrowy.
• Po drugie, na stacji dystrybucyjnej (lub podstacji) obniża się napięcie odbierane na końcu linii przesyłowej.

Straty mocy w liniach przesyłowych

Istnieje wiele powodów, dla których warto stosować transformator mocy w systemach elektroenergetycznych. Jednak jednym z najważniejszych i najprostszych powodów stosowania transformatora mocy jest zmniejszenie strat mocy podczas przesyłu energii elektrycznej.

Zobaczmy teraz, jak straty mocy są znacznie zmniejszone dzięki zastosowaniu transformatora mocy:

Najpierw równanie straty mocy P = I * I * R.

Tutaj I = prąd płynący przez przewodnik i R = rezystancja przewodnika.

Zatem strata mocy jest wprost proporcjonalna do kwadratu prądu przepływającego przez przewodnik lub linię przesyłową. Więc niższa wielkość prądu przepływającego przez przewodnik, mniejsze straty mocy.

Sposób wykorzystania tej teorii wyjaśniono poniżej:

• Powiedzmy, że napięcie początkowe = 100 V i pobór obciążenia = 5 A, a dostarczona moc = 500 W. Tutaj linie przesyłowe muszą przenosić prąd o wartości 5A od źródła do obciążenia. Ale jeśli podniesiemy napięcie na początkowym etapie do 1000 V, to linie przesyłowe będą musiały przenosić tylko 0,5 A, aby dostarczyć tę samą moc 500 W.
• Tak więc zwiększymy napięcie na początku linii przesyłowej za pomocą transformatora mocy i użyjemy innego transformatora mocy, aby obniżyć napięcie na końcu linii przesyłowej.
• Przy takiej konfiguracji wielkość przepływu prądu przez linię przesyłową o długości 100 + km jest znacznie zmniejszona, zmniejszając w ten sposób straty mocy podczas transmisji.

Różnica między transformatorem mocy a transformatorem rozdzielczym

• Transformator mocy jest zwykle obsługiwany przy pełnym obciążeniu, ponieważ jest zaprojektowany tak, aby mieć wysoką sprawność przy 100% obciążeniu. Z drugiej strony transformator rozdzielczy ma wysoką sprawność, gdy obciążenie pozostaje między 50% a 70%. Zatem transformatory rozdzielcze nie nadają się do ciągłej pracy przy 100% obciążeniu.
• Ponieważ transformator mocy prowadzi do wysokich napięć podczas zwiększania i zmniejszania, uzwojenia mają wysoką izolację w porównaniu z transformatorami rozdzielczymi i przekładnikami.
• Ponieważ używają izolacji na wysokim poziomie, są bardzo nieporęczne i są również bardzo ciężkie.
• Ponieważ transformatory mocy zwykle nie są podłączane bezpośrednio do domów, doświadczają mniejszych wahań obciążenia, podczas gdy z drugiej strony transformatory rozdzielcze doświadczają dużych fluktuacji obciążenia.
• Są one ładowane w pełni przez 24 godziny na dobę, więc straty miedzi i żelaza mają miejsce w ciągu dnia i pozostają prawie niezmienione przez cały czas.
• Gęstość strumienia w transformatorze mocy jest wyższa niż w transformatorze rozdzielczym.

Zasada działania transformatora mocy

Transformator mocy działa na zasadzie „prawa indukcji elektromagnetycznej Faradaya”. Jest to podstawowe prawo elektromagnetyzmu, które wyjaśnia zasadę działania cewek indukcyjnych, silników, generatorów i transformatorów elektrycznych.

Prawo stanowi, że „ gdy zamknięty lub zwarty przewodnik zbliży się do zmieniającego się pola magnetycznego, wówczas przepływ prądu jest generowany w tej zamkniętej pętli” .

Aby lepiej zrozumieć prawo, omówmy je bardziej szczegółowo. Najpierw rozważmy scenariusz poniżej.

Rozważmy magnes trwały, a przewodnik jest najpierw zbliżany do siebie.

• Następnie przewód jest zwarty na obu końcach za pomocą drutu, jak pokazano na rysunku.
• W takim przypadku nie będzie przepływu prądu w przewodniku lub pętli, ponieważ pole magnetyczne przecinające pętlę jest nieruchome i jak wspomniano w prawie, tylko zmieniające się lub zmieniające się pole magnetyczne może wymusić prąd w pętli.
• Tak więc w pierwszym przypadku stacjonarnego pola magnetycznego w pętli przewodzącej będzie przepływ zerowy.

wtedy pole magnetyczne przecinające pętlę ciągle się zmienia. Ponieważ w tym przypadku występuje zmienne pole magnetyczne, prawa Faradaya zaczną działać, a tym samym zobaczymy przepływ prądu w pętli przewodnika.

Jak widać na rysunku, gdy magnes porusza się tam iz powrotem, widzimy prąd „ja” przepływający przez przewodnik i zamkniętą pętlę.

aby zastąpić go innymi różnymi źródłami pola magnetycznego, jak poniżej.

• Teraz zmienne źródło napięcia i przewodnik są używane do generowania zmiennego pola magnetycznego.
• Po zbliżeniu pętli przewodnika do zakresu pola magnetycznego, możemy zobaczyć EMF generowaną przez przewodnik. Z powodu tego indukowanego pola elektromagnetycznego, będziemy mieli przepływ prądu „I”.
• Wielkość indukowanego napięcia jest proporcjonalna do natężenia pola doświadczanego przez drugą pętlę, więc im wyższe natężenie pola magnetycznego, tym większy przepływ prądu w pętli zamkniętej.

Chociaż możliwe jest użycie jednego przewodnika skonfigurowanego do zrozumienia prawa Faradaya. Jednak dla lepszej praktycznej wydajności preferowane jest użycie cewki po obu stronach.

Tutaj prąd przemienny przepływa przez cewkę pierwotną 1, która generuje zmienne pole magnetyczne wokół cewek przewodzących. A kiedy cewka2 wchodzi w zakres pola magnetycznego generowanego przez cewkę1, wówczas na cewce2 generowane jest napięcie elektromagnetyczne z powodu prawa indukcji elektromagnetycznej Faradaya. Z powodu tego napięcia w cewce2 prąd „I” przepływa przez wtórny obwód zamknięty.

Teraz trzeba pamiętać, że obie cewki są zawieszone w powietrzu, więc medium przewodzenia wykorzystywane przez pole magnetyczne jest powietrze. A powietrze ma większy opór w porównaniu z metalami w przypadku przewodzenia pola magnetycznego, więc jeśli użyjemy rdzenia metalowego lub ferrytowego jako medium dla pola elektromagnetycznego, możemy dokładniej doświadczyć indukcji elektromagnetycznej.

Więc teraz zastąpmy medium powietrzne medium żelaznym dla dalszego zrozumienia.

Jak pokazano na rysunku, możemy użyć rdzenia żelaznego lub ferrytowego, aby zmniejszyć straty strumienia magnetycznego podczas przenoszenia mocy z jednej cewki do drugiej. W tym czasie strumień magnetyczny wyciekający do atmosfery będzie znacznie mniejszy niż w czasie, gdy używaliśmy medium powietrznego, ponieważ rdzeń jest bardzo dobrym przewodnikiem pola magnetycznego.

Gdy pole zostanie wygenerowane przez cewkę 1, będzie przepływać przez żelazny rdzeń docierając do cewki2, a ze względu na prawo Faradaysa cewka2 generuje pole elektromagnetyczne, które będzie odczytywane przez galwanometr połączony z cewką2.

Teraz, jeśli przyjrzysz się uważnie, zauważysz, że ta konfiguracja jest podobna do transformatora jednofazowego. I tak, każdy obecny transformator działa na tej samej zasadzie.

Przyjrzyjmy się teraz uproszczonej konstrukcji transformatora trójfazowego.

Transformator trójfazowy

• Szkielet transformatora jest zaprojektowany przez tyczenie laminowanych blach, które służą do przenoszenia strumienia magnetycznego. Na schemacie widać, że szkielet jest pomalowany na szaro. Szkielet ma trzy kolumny, na których nawinięte są uzwojenia trzech faz.
• Uzwojenie o niższym napięciu jest nawijane jako pierwsze i jest nawijane bliżej rdzenia, podczas gdy uzwojenie o wyższym napięciu jest nawijane na uzwojenie o niższym napięciu. Pamiętaj, że oba uzwojenia są oddzielone warstwą izolacyjną.
• Tutaj każda kolumna reprezentuje jedną fazę, więc dla trzech kolumn mamy uzwojenie trójfazowe.
• Cała konfiguracja szkieletu i uzwojenia jest zanurzona w szczelnym zbiorniku wypełnionym olejem przemysłowym dla lepszej przewodności cieplnej i izolacji.
• Po uzwojeniu końcówki końcowe wszystkich sześciu cewek zostały wyprowadzone z uszczelnionego zbiornika przez izolator WN.
• Zaciski są zamocowane w odpowiedniej odległości od siebie, aby uniknąć skoków iskier.

Cechy transformatora mocy

Moc znamionowa	3 MVA do 200 MVA
Napięcia pierwotne zazwyczaj	11, 22, 33, 66, 90, 132, 220 kV
Napięcia wtórne zazwyczaj	3,3, 6,6, 11, 33, 66, 132 kV lub specyfikacja niestandardowa
Fazy	Transformatory jedno lub trójfazowe
Częstotliwość znamionowa	50 lub 60 Hz
Stukający	Przełączniki zaczepów pod obciążeniem lub bez
Wzrost temperatury	60 / 65C lub specyfikacja niestandardowa
Rodzaj chłodzenia	ONAN (oil natural air natural) lub inne rodzaje chłodzenia, takie jak KNAN (max 33kV) na zamówienie
Grzejniki	Panele chłodnicy montowane na zbiorniku
Grupy wektorowe	Dyn11 lub dowolna inna grupa wektorów zgodnie z IEC 60076
Regulacja napięcia	Za pomocą podobciążeniowego przełącznika zaczepów (z przekaźnikiem AVR w standardzie)
Zaciski WN i NN	Typ skrzynki kablowej powietrza (maks. 33 kV) lub otwarte przepusty
Instalacje	Wewnątrz lub na zewnątrz
Poziom głośności	Zgodnie z ENATS 35 lub NEMA TR1

Zastosowania przenoszenia mocy

• Transformator mocy jest stosowany głównie w produkcji energii elektrycznej i na stacjach rozdzielczych.
• Jest również stosowany w transformatorach izolacyjnych, transformatorach uziemiających, sześciopulsowych i dwunastopulsowych transformatorach prostowniczych, transformatorach do farm fotowoltaicznych, transformatorach do farm wiatrowych oraz w autotransformatorze Korndörfer.
• Służy do zmniejszania strat mocy podczas przesyłu energii elektrycznej.
• Służy do podwyższania wysokiego napięcia i obniżania wysokiego napięcia.
• Jest preferowany w sprawach konsumenckich na odległość.
• I preferowany w przypadkach, gdy obciążenie działa z pełną wydajnością 24x7.