Cómo está organizado y funcionando el transformador, qué características se tienen en cuenta durante el funcionamiento

En energía, electrónica y otras ramas de la ingeniería eléctrica aplicada, se da un gran papel a las transformaciones de energía electromagnética de un tipo a otro. Numerosos dispositivos transformadores, creados para diversas tareas de producción, abordan este problema.

Algunos de ellos, que tienen el diseño más complejo, realizan la transformación de poderosos flujos de energía de alto voltaje, por ejemplo. 500 o 750 kilovoltios en 330 y 110 kV o en la dirección opuesta.

Otros trabajan como parte de dispositivos pequeños de electrodomésticos, dispositivos electrónicos, sistemas de automatización. También son ampliamente utilizados. en varias fuentes de alimentación de dispositivos móviles.

Los transformadores funcionan solo en circuitos de CA de diferentes frecuencias y no están diseñados para usarse en circuitos de CC que usan otros tipos de convertidores.

Los transformadores se dividen en dos grupos principales: monofásicos, alimentados por una red de corriente alterna monofásica, y trifásicos, alimentados por una red de corriente alterna trifásica.

Los transformadores son muy diversos en diseño. Los elementos principales del transformador son: un núcleo de acero cerrado (núcleo magnético), bobinados y piezas utilizadas para unir el circuito magnético y bobinas con bobinados e instalar el transformador en el dispositivo rectificador. El tubo central está diseñado para crear una ruta cerrada para el flujo magnético.

Las partes del circuito magnético en el que se encuentran los devanados se llaman varillas, y las partes en las que no hay devanados y que sirven para cerrar el flujo magnético en el circuito magnético se denominan yugos. El material para el circuito magnético del transformador es chapa de acero eléctrico (acero para transformadores). Este acero puede ser de varios grados, espesores, laminado en caliente y en frío.

Principios generales de funcionamiento de transformadores.

Sabemos que la energía electromagnética es inextricable. Pero se acostumbra representarlo en dos componentes:

1. eléctrico;

2. magnético.

Es más fácil comprender los fenómenos que ocurren, describir procesos, hacer cálculos, diseñar varios dispositivos y circuitos. Secciones enteras de ingeniería eléctrica están dedicadas a análisis separados del funcionamiento de los circuitos eléctricos y magnéticos.

La corriente eléctrica, como el flujo magnético, fluye solo a lo largo de un circuito cerrado con resistencia (eléctrica o magnética). Es creado por fuerzas externas aplicadas: fuentes de voltaje de las energías correspondientes.

Sin embargo, al considerar los principios operativos de los dispositivos transformadores, será necesario estudiar simultáneamente ambos factores y tener en cuenta su complejo efecto sobre la conversión de energía.

El transformador más simple consiste en dos devanados hechos por bobinas de un cable aislado, a través de las cuales fluye corriente eléctrica y una línea para flujo magnético. Es comúnmente llamado núcleo o núcleo magnético.

El voltaje de la fuente de energía eléctrica U1 se aplica a la entrada de un devanado, y desde los terminales del segundo, después de la conversión a U2, se suministra a la carga conectada R.

Bajo la acción del voltaje U1, una corriente I1 fluye en un circuito cerrado en el primer devanado, cuyo valor depende de la impedancia Z, que consta de dos componentes:

1. resistencia activa de los cables del devanado;

2. componente reactivo con un carácter inductivo.

La magnitud de la inductancia tiene una gran influencia en el funcionamiento del transformador.

La energía eléctrica que fluye a través del devanado primario en forma de corriente I1 es parte de la energía electromagnética, cuyo campo magnético se dirige perpendicularmente al movimiento de las cargas o la ubicación de las vueltas del cable. El núcleo del transformador se encuentra en su plano: el circuito magnético, a través del cual fluye el flujo magnético F.

Todo esto se refleja claramente en la imagen y se observa estrictamente durante la fabricación. El circuito magnético en sí también está cerrado, aunque para ciertos fines, por ejemplo, para reducir el flujo magnético, se pueden hacer huecos en él, aumentando su resistencia magnética.

Debido al flujo de la corriente primaria a través del devanado, el componente magnético del campo electromagnético penetra en el circuito magnético y circula a través de él, cruzando las vueltas del devanado secundario, que está cerrado a la resistencia de salida R.

Bajo la influencia del flujo magnético, se induce una corriente eléctrica I2 en el devanado secundario. Su valor se ve afectado por el valor de la fuerza del componente magnético aplicado y la impedancia del circuito, incluida la carga conectada R.

Cuando el transformador funciona dentro del circuito magnético, se crea un flujo magnético común F y sus componentes F1 y F2.

Cómo se organiza y funciona el autotransformador

Entre los dispositivos transformadores, las construcciones simplificadas son especialmente populares, ya que no utilizan dos devanados diferentes, sino uno común, dividido en secciones. Se llaman autotransformadores.

El principio de funcionamiento de dicho circuito prácticamente se ha mantenido igual: la energía electromagnética de entrada se convierte en salida. Las corrientes primarias I1 fluyen a través de los devanados del devanado W1, y las secundarias I2 fluyen a través de W2. El circuito magnético proporciona una ruta para el flujo magnético F.

El autotransformador tiene una conexión galvánica entre los circuitos de entrada y salida. Como no se convierte toda la potencia aplicada de la fuente, sino solo una parte, se crea una mayor eficiencia que la de un transformador convencional.

Dichos diseños pueden ahorrar en materiales: acero para el circuito magnético, cobre para devanados. Tienen menos peso y costo. Por lo tanto, se usan efectivamente en el sistema de energía desde 110 kV y superiores.

Prácticamente no hay diferencias especiales en los modos de funcionamiento del transformador y el autotransformador.

Modos de operación del transformador

Durante el funcionamiento, cualquier transformador puede estar en uno de los siguientes estados:

• sin trabajo;

• modo clasificado;

• ralentí

• cortocircuito

• sobretensión

Modo de apagado

Para crearlo, es suficiente eliminar el voltaje de suministro de la fuente de energía eléctrica del devanado primario y, por lo tanto, excluir el paso de corriente eléctrica a través de él, lo que siempre hacen sin falta con dispositivos similares.

Sin embargo, en la práctica, cuando se trabaja con estructuras de transformadores complejos, esta medida no proporciona medidas de seguridad completas: el voltaje puede permanecer en los devanados y causar daños al equipo, poner en peligro al personal debido a la exposición accidental a descargas de corriente.

¿Cómo puede pasar esto?

Para transformadores de pequeño tamaño que funcionan como fuente de alimentación, como se muestra en la foto superior, el voltaje extraño no causará ningún daño. Simplemente no tiene a dónde ir desde allí. Y en equipos de potencia debe tenerse en cuenta. Analizaremos dos causas comunes:

1. conectar una fuente externa de electricidad;

2. El efecto del voltaje inducido.

Primera opción

En transformadores complejos, no se usan uno, sino varios devanados, que se usan en diferentes circuitos. Todos ellos deben estar desconectados de voltaje.

Además, en las subestaciones operadas en modo automático sin personal operativo constante, se conectan transformadores adicionales a los buses de los transformadores de potencia, proporcionando sus propias necesidades a la subestación con una potencia eléctrica de 0.4 kV.Están diseñados para protecciones de energía, dispositivos de automatización, iluminación, calefacción y otros fines.

Se llaman así - TSN o transformadores auxiliares. Si el voltaje se elimina de la entrada del transformador de potencia y sus circuitos secundarios están abiertos, y el trabajo se lleva a cabo en el TSN, entonces existe la posibilidad de una transformación inversa cuando el voltaje de 220 voltios desde el lado bajo penetra en el alto a través de los buses de alimentación conectados. Por lo tanto, deben estar apagados.

Acción de voltaje inducido

Si una línea de alto voltaje que funciona bajo voltaje pasa cerca de los buses del transformador apagado, entonces las corrientes que fluyen a través de ella pueden inducir voltaje en los buses. Es necesario aplicar medidas para eliminarlo.

Modo de funcionamiento clasificado

Este es el estado normal del transformador durante su funcionamiento para el que fue creado. Las corrientes en los devanados y los voltajes aplicados a ellos corresponden a los valores calculados.

El transformador en modo de carga nominal consume y convierte las capacidades correspondientes a los valores de diseño para todo el recurso provisto para él.

Modo inactivo

Se crea cuando se suministra voltaje al transformador desde la fuente de alimentación, y la carga se desconecta en los terminales del devanado de salida, es decir, el circuito está abierto. Esto elimina el flujo de corriente a través del devanado secundario.

El transformador en modo inactivo consume la potencia más baja posible, determinada por sus características de diseño.

Modo de cortocircuito

Esta es la situación en la que la carga conectada al transformador resulta estar en cortocircuito, fuertemente desviada por cadenas con resistencias eléctricas muy bajas y toda la fuente de alimentación de la fuente de voltaje actúa sobre ella.

En este modo, el flujo de grandes corrientes de cortocircuito es prácticamente ilimitado. Tienen una tremenda energía térmica y pueden quemar cables o equipos. Además, actúan hasta que el circuito de alimentación a través del devanado secundario o primario se quema, rompiéndose en el punto más débil.

Este es el modo más peligroso que puede ocurrir durante el funcionamiento del transformador y, en cualquier caso, el momento más inesperado en el tiempo. Se puede prever su aparición, y el desarrollo debe ser limitado. Para este fin, utilizan protecciones que controlan el exceso de corrientes permitidas en la carga y las apagan lo más rápido posible.

Modo de sobretensión

Los devanados del transformador están cubiertos con una capa de aislamiento, que se crea para trabajar bajo un cierto voltaje. Durante el funcionamiento, puede superarse por varias razones que surgen tanto dentro del sistema eléctrico como como resultado de la exposición a fenómenos atmosféricos.

En la fábrica, se determina el valor del exceso de voltaje permisible, que puede actuar sobre el aislamiento durante varias horas y sobretensiones a corto plazo creadas por transitorios durante la conmutación de equipos.

Para evitar su impacto, crean protección contra sobretensiones que, en caso de emergencia, desconectan la alimentación del circuito en modo automático o limitan los pulsos de descarga.

Continuación del artículo:Los principales tipos de diseños de transformadores.