In Minen verwendete Transformatoren (mit Diagramm)
Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, lernen Sie die Typen und die Wartung von Transformatoren kennen, die in Minen verwendet werden.
Transformer:
Transformatoren werden in Bergwerken ausgiebig eingesetzt, sowohl an der Oberfläche als auch im Untergrund. Um den Spannungsabfall ohne Verwendung großer Kabel auf einem niedrigen Wert zu halten, wird die elektrische Leistung mit 3.300 Volt oder 6.600 Volt verteilt.
Diese Spannung ist zwar ideal für die Verteilung, aber zu hoch für den Einsatz auf Maschinen mit Kohlegesicht oder den kleineren Maschinen an anderer Stelle im Untergrund. Daher werden Transformatoren verwendet, um diese hohen Spannungen in entweder 550 Volt oder 1100 Volt umzuwandeln.
Die häufigste Spannung in Bergwerken beträgt 550 Volt. Bohrfelder und Beleuchtungsfelder enthalten auch Transformatoren, um die erforderlichen niedrigeren Spannungen aus der Mittelspannungsversorgung zu erhalten. Diese Transformatoren werden als Abwärtstransformatoren bezeichnet.
In Bergwerken werden keine Aufwärtstransformatoren für allgemeine Zwecke verwendet. Ein Transformator ist tatsächlich eine Vorrichtung zum Erhalten einer Wechselstromversorgung einer erforderlichen Spannung aus einem Wechselstrom einer anderen Spannung.
Transformatoren gibt es zwei Arten:
(a) Einphasentransformatoren und
(b) Mehrphasentransformatoren.
(a) Einphasentransformatoren:
Ein Einphasentransformator besteht aus zwei Spulen, die vollständig von einer anderen Wicklung zu einem laminierten Weicheisen-Silikonkern isoliert sind. Die Versorgung ist mit einer Wicklung verbunden, die als Primärwicklung bezeichnet wird, und der Ausgang wird von der anderen als Sekundärwicklung bezeichnet.
Die Sekundärwicklung ist normalerweise über dem Blechpaket gewickelt, die Spulen sind jedoch ausreichend vom Blechpaket isoliert. Die Primärwicklung ist über die Sekundärwicklung gewickelt. Ein geeigneter Isolierzylinder ist zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung vorgesehen.
In Abb. 12.1 ist die elektrische Darstellung eines einphasigen Transformators dargestellt:
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(b) Polyphasentransformatoren:
Ein Transformator, der die Spannung einer Versorgung mit mehr als einer Phase ändern soll, muss für jede Phase mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung ausgestattet sein. Ein Transformator für eine dreiphasige Stromversorgung hat eine ähnliche Kernstruktur wie in Abb. 12.2. Eine Primärwicklung ist mit ihrer entsprechenden Sekundärwicklung auf jeden Arm des Kerns gewickelt.
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In einem Mehrphasentransformator sind alle Primärwicklungen miteinander verbunden, um den Primärkreis abzuschließen, und auf ähnliche Weise sind alle Sekundärwicklungen verbunden, um den Sekundärkreis abzuschließen. Die Wicklungen eines dreiphasigen Transformators können entweder in Stern oder in Dreieck geschaltet sein.
Das Prinzip des Transformators basiert auf dem Grundprinzip der kontinuierlichen gegenseitigen Induktion. Wenn eine Wechselstromversorgung an die Primärwicklung eines Transformators angeschlossen wird (die Sekundärseite bleibt miteinander verbunden), fließt ein Strom im Primärkreis.
Die Wicklung hat eine sehr hohe induktive Impedanz, so dass der fließende Strom sehr klein ist. Da die Wicklung im Vergleich zu dieser Induktivität einen niedrigen Widerstand aufweist, bleibt der Strom um fast 90 ° hinter der angelegten Spannung zurück. Dieser nacheilende Strom wird als Magnetisierungsstrom bezeichnet, da er dazu dient, ein sich ständig änderndes Magnetfeld zu erzeugen.
Die Sekundärwicklung des Transformators liegt innerhalb dieses Magnetfeldes, so dass in ihm ein Wechselstrom induziert wird. Die induzierte EMK liegt um 90 ° hinter dem Magnetisierungsstrom, der sie induziert. Daher liegt diese EMK um 180 ° hinter der Primärspannung, dh die Sekundärspannung ist gegenphasig zur Primärspannung. Abb. 12.3 erklärt dies.
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Welche Spannung auch immer an die Primärwicklung eines Transformators angelegt wird, die in der Sekundärwicklung induziert wird, ist proportional zu ihr, wobei das tatsächliche Verhältnis zwischen ihnen von der Konstruktion des Transformators abhängt.
Bei einem Einphasentransformator ist das Verhältnis zwischen der Primär- und der Sekundärspannung das gleiche wie das Verhältnis zwischen der Anzahl der Windungen in der Primärwicklung und der Anzahl der Windungen in der Sekundärwicklung. Die Beziehung wird durch die Formel ausgedrückt
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Alle Untersetzer haben daher in der Sekundärwicklung weniger Windungen als in der Primärwicklung. Umgekehrt haben Aufwärtstransformatoren in der Sekundärwicklung mehr Windungen als in der Primärwicklung. Wenn zum Beispiel die Primärwicklung 50 Windungen hat und die Sekundärwicklung 100 Windungen hat, ist die Ausgangsspannung doppelt so groß wie die Eingangsspannung.
Der Transformator würde dann als 2: 1-Transformator bezeichnet. Wenn die Primärwicklung 200 Windungen hat und die Sekundärseite 100 Windungen aufweist, beträgt die Ausgangsspannung die Hälfte der Eingangsspannung, was einen 2: 1-Abwärtstransformator ergibt.
Eine ähnliche Beziehung gilt zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung von Dreiphasentransformatoren, vorausgesetzt, dass beide Wicklungssätze auf die gleiche Weise verbunden sind, d. H. Vorausgesetzt, dass beide in Stern geschaltet sind oder beide in Dreieck geschaltet sind, wie in 12.4 gezeigt.
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Wenn die beiden Wicklungssätze unterschiedlich verbunden sind, gilt das Verhältnis zwischen den Spannungen in den entsprechenden Wicklungen, das Verhältnis zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen ist jedoch unterschiedlich, wie in Abb. 12.4 gezeigt.
Bei einem idealen Transformator ist jedoch sichergestellt, dass der gesamte durch die alternierende EMK in der Primärwicklung erzeugte Fluss alle Windungen in der Sekundärwicklung verbindet. In der Praxis ist in der Tat ein Leckkoeffizient zu berücksichtigen. Die festgestellte Beziehung zwischen Spannung und entwickeltem Fluss ist jedoch
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Transformator-äquivalente Schaltung:
Lassen Sie uns nun einen kurzen Blick auf die tatsächliche Ersatzschaltung eines Transformators werfen, der X 1 und R 1 als Primärreaktanz und Widerstand und X 2 und R 2 als Sekundärreaktanz und Widerstand aufweist. Fig. 12.4 zeigt eine vereinfachte Ersatzschaltung mit Widerstand R und Reaktanz X, bezogen auf die Primärwicklung. Die Werte von R und X sind als angegeben
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Aus dem Kurzschlusstest (dh dem Durchleiten eines Volllaststroms durch den Transformator mit entweder dem primären oder dem sekundären Kurzschluss) können die Werte von R und X bestimmt werden. Aufgrund eines Kurzschlusses einer der Wicklungen ist tatsächlich eine verringerte Spannung erforderlich. Diese Spannung wird auch als Impedanzspannung bezeichnet.
Wenn nun der Transformator belastet wird, sinkt die Spannung aufgrund des Widerstands der Primär- und Sekundärwicklung und auch aufgrund des magnetischen Streuflusses, der tatsächlich mit der Zunahme der Last ansteigt. Aus den obigen Überlegungen nimmt die Regelung tatsächlich mit der Zunahme der Last zu.
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Stromwandler:
Ein Stromwandler ist eine Art Transformator, der so ausgelegt ist, dass er einen Spannungsausgang liefert, der proportional zum in der Primärwicklung fließenden Strom ist. Die Primärwicklung eines solchen Transformators würde mit einer Last in einem Stromkreis wie einem Motor in Reihe geschaltet und der Sekundärausgang zum Zwecke der Verwendung in einem Überlastschutzsystem verwendet.
Der in der Primärwicklung fließende Strom wird daher durch die zugeführte Last bestimmt, und die Leistungsschaltung wird von der relativ geringen Leistungsaufnahme des Transformators praktisch nicht beeinflusst.
Die Primärwicklung eines Stromwandlers besteht normalerweise aus einer oder zwei Windungen, die aus einem schweren Kupferleiter gebildet sind. Die Sekundärwicklung weist üblicherweise eine sehr große Anzahl von Windungen auf und beide Wicklungen sind auf einem Blechpaket gebildet.
Einige Stromwandler bestehen aus einer Sekundärwicklung, die über die Isolation eines einzelnen Kerns geklemmt wird. Das Magnetfeld, das durch Strom erzeugt wird, der durch die Mitte des Kerns fließt, reicht aus, um eine Ausgabe in der Sekundärseite zu induzieren.
Der Stromwandler arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie der normale Spannungswandler, jedoch wird das Prinzip anders angewendet. Da die Spannung und die Frequenz der Versorgung der Schaltung insgesamt konstant sind, ändert sich der Strom nur, wenn die Gesamtimpedanz der Schaltung variiert.
Wenn der Strom ansteigt, hat die Gesamtimpedanz abgenommen, und die Impedanz der Transformatorprimärseite, obwohl sehr gering, repräsentiert einen größeren Anteil der Gesamtimpedanz der Schaltung. Die Potentialdifferenz über der Primärseite wird daher erhöht und die Spannung des Sekundärausgangs wird proportional erhöht. Das System wird in Abb. 12.5 zur leichteren Bezugnahme und Realisierung erläutert.
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Auto Transformer:
Ein Autotransformator arbeitet nach einem ähnlichen Prinzip wie ein gewöhnlicher Transformator, hat aber nur eine Wicklung, die den Primär- und Sekundärkreisen gemeinsam ist (siehe Abb. 12.6). Es ist im Allgemeinen als Abwärtstransformator mit einer relativ kleinen Differenz zwischen Primär- und Sekundärspannung ausgelegt.
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Sie wird in Zechen nur zum Starten von Wechselstrommotoren verwendet. Sie wird niemals verwendet, um eine kontinuierliche Versorgung für den Niederspannungskreis bereitzustellen, da die Gefahr besteht, dass bei einer fehlerhaften Verbindung die gesamte Primärspannung an den Sekundärkreis angelegt wird.
Unterirdischer Transformator:
In früheren Tagen waren alle unterirdisch verwendeten Krafttransformatoren ölgefüllt und reichten von 75 KVA bis etwa 250 KVA. Diese werden jetzt durch druckfeste, zertifizierte Trockentransformatoren mit 300 KVA bis 750 KVA ersetzt.
Praktisch alle Kohlefaservorrichtungen werden von diesen flammfesten Transformatoren versorgt, die zur Versorgung von eigensicheren Stromkreisen wie Signalkreisen verwendet werden. Sie sind speziell mit einer geerdeten Abschirmung zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung ausgeführt, um sicherzustellen, dass die Primärspannung nicht an den Sekundärkreis angeschlossen werden kann, selbst wenn die Isolierung vollständig ausfällt.
Ölgefüllte Transformatoren:
Transformatoren, die für hohe Last ausgelegt sind, sind normalerweise mit einem Isolieröl gefüllt, so dass alle Wicklungen und der Kern eintauchen. Das Öl verhindert das Eindringen von Feuchtigkeit (was die Durchschlagsfestigkeit der Luftisolierung stark verringert) und erhält daher einen höheren Isolationswiderstand zwischen den Wicklungen und zwischen den stromführenden Teilen und der Erde.
Das Öl hilft auch bei der Kühlung des Transformators. Starke elektrische Ströme, die durch die Wicklungen fließen, bewirken einen erheblichen Temperaturanstieg. Wenn sich das umgebende Öl erwärmt, bilden sich Konvektionsströme im Öl, die dazu beitragen, die Wärme von den Wicklungen abzuleiten.
Einige Transformatoren sind mit Kühlrohren konstruiert, die von den Seiten des Gehäuses oder Tanks abstehen. Durch die Rohre zirkulierendes Öl wird schneller abgekühlt, so dass die Kühlung des Transformators effizienter ist. Größere ölgefüllte Transformatoren sind mit einem Entlüfter ausgestattet, so dass Luft ein- und austreten kann, wenn sich das Öl ausdehnt oder zusammenzieht, wenn es erhitzt oder gekühlt wird.
Ein Entlüfter enthält normalerweise eine Feuchtigkeit absorbierende Chemikalie wie Silicagel, um zu verhindern, dass Feuchtigkeit angesaugt wird und das Öl kontaminiert. Silikagele haben im trockenen Zustand eine blaue Farbe, und wenn sie mit Feuchtigkeit versorgt wird, ändert sich die Farbe in Rosa.
Flammenfeste, luftgekühlte Transformatoren:
Mit der Einführung der Kohleflächenmechanisierung nahm die Anzahl und Größe der Kohleflächenmaschinen enorm zu, und es mussten größere Transformatoren in der Nähe der Kohlefläche installiert werden, um den Spannungsabfall zwischen Transformator und Motor auf ein Minimum zu reduzieren.
Diese Transformatoren sind vom Trockentyp, dh der Tank ist voll mit Luft. Die Tanks bestehen aus geschweißten Stahlkonstruktionen und sind flammfest zertifiziert. Die HV-Schaltanlage, die den Transformator steuert, ist ebenfalls feuerfest und wird am Transformator montiert.
Am LV und am Transformator befindet sich eine druckfeste Kammer, in der die Erdschluss- und Kurzschlussschutzeinrichtungen untergebracht sind. Wenn das Fehlerstromschutzsystem oder das Kurzschlussschutzsystem den Fehler im abgehenden Niederspannungskreis erkennt, löst es automatisch den HV-Schalter aus. Der HV-Schalter bietet außerdem einen Überlast- und Erdschlussschutz für Transformatoren.
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Leistung im Transformator:
Wenn die Sekundärwicklung in einen Stromkreis mit einer Last geschaltet wird, wird durch die induzierte Spannung ein Strom durch die Last geleitet. Die Sekundärseite des Transformators versorgt daher die Schaltung mit Strom. Die von der Sekundärseite gelieferte Leistung kann nur von der Versorgungsquelle im Primärkreis abgeleitet werden. Sobald im Sekundärkreis Strom fließt, fließt ein entsprechender Strom im Primärkreis.
Die Energieübertragung vom Primärkreis zum Sekundärkreis erfolgt durch das sich ständig ändernde Magnetfeld, das beide verbindet. Das Blechpaket intensivierte das Feld und die Verwebung der Wicklung macht die Verbindung so nahe wie möglich. In einem gut konzipierten Transformator wird sehr wenig Energie im Transformator selbst abgeführt.
Die vom Transformator aus dem Sekundärkreis entnommene Leistung ist daher nahezu dieselbe wie die vom Transformator aus dem Primärkreis entnommene Leistung. Tatsächlich wird Leistung von der primären Versorgungsquelle durch den Transformator zu der Vorrichtung geleitet, die ihn verwendet. Der Transformator bewirkt lediglich eine Änderung der Spannung, bei der die Leistung abgegeben wird.
Die von einer Schaltung übertragene Leistung wird sowohl durch die an sie angelegte Spannung als auch durch den darin fließenden Strom bestimmt. Da die von der Sekundärschaltung aufgenommene Leistung gleich der von der Primärschaltung gelieferten Leistung ist, hängt der Strom, der zum Übertragen einer gegebenen Leistungsmenge in den beiden Schaltungen erforderlich ist, von den Spannungen ab, bei denen die Schaltung arbeitet.
Das Verhältnis zwischen Primär- und Sekundärstrom ist daher das Inverse des Verhältnisses zwischen den Spannungen. Der Magnetisierungsstrom ist relativ zu den Leistungsübertragungsströmen so klein, dass seine Auswirkungen für die meisten Zwecke ignoriert werden können.
Obwohl die Wicklungen des Transformators stark induktiv sind, bleibt der Strom, der in Last fließt, wenn der Transformator eingeschaltet ist, nicht notwendigerweise hinter ihren Spannungen zurück. Wenn zum Beispiel die Last im Sekundärkreis kapazitiv wäre, würden die Ströme in den beiden Kreisen ihre Spannungen führen.
Die Primär- und Sekundärströme sind ebenso wie die Primär- und Sekundärspannungen gegenphasig. Jede durch den Sekundärstrom in der Sekundärwicklung induzierte Gegen-EMK wird durch die durch den Primärstrom in dieser Wicklung gegenseitig induzierte Vorwärts-EMK aufgehoben. In ähnlicher Weise wird jede in der Primärwicklung induzierte Gegen-EMK durch eine durch den Sekundärstrom gegenseitig induzierte Vorwärts-EMK aufgehoben.
Wenn jedoch die Sekundärlast einen nacheilenden oder voreilenden Leistungsfaktor aufweist, wird dieser Leistungsfaktor vom Sekundärkreis in den Primärkreis zurückgeführt. Die primären und sekundären Ströme bleiben gegenphasig, und jeder Strom verzögert oder leitet seine Spannung um den gleichen Betrag.
Es ist wichtig anzumerken, dass der Magnetisierungsstrom im Primärkreis, der ein induktiver Strom ist, einen kleinen Effekt hat, indem er bewirkt, dass der Gesamtprimärstrom gegenüber dem Sekundärstrom geringfügig nacheilt. Transformatoren tragen daher zum nacheilenden Leistungsfaktor in einem Pit-System bei, aber die Auswirkung eines Transformators auf den Leistungsfaktor ist im Vergleich zu der Wirkung des von ihm gelieferten Induktionsmotors ziemlich gering.
Transformator-Wartung:
Im Gegensatz zu Motoren benötigen Transformatoren, da sie keine beweglichen Teile haben, sehr wenig Wartung, wenn sie richtig auf die Lastanwendung abgestimmt sind und das Versorgungs- und Steuersystem effizient ist. Nachfolgend sind jedoch die Hauptaufgaben bei der Wartung des Transformators aufgeführt.
Der Wartungsplan für jeden Transformator, der die Häufigkeit der Inspektion festlegt, und die bei jedem Anlass durchzuführenden Überprüfungen werden vom Elektroingenieur der Zeche festgelegt und müssen genau befolgt werden.
1. Allgemeines:
Überprüfen Sie den Transformator von Zeit zu Zeit sorgfältig, um sicherzustellen, dass die Verbindungen, Wicklungen und der Kern in gutem Zustand sind. Das Gehäuse eines druckfesten Transformators muss auf Risse und korrekte Fugenabstände überprüft werden.
2. Temperatur:
Die Temperatur der Wicklungen aufzeichnen, um sicherzustellen, dass der Transformator nicht überhitzt. Die Temperaturprüfung ist zuverlässiger, wenn sie durchgeführt wird, nachdem der Transformator mehrere Stunden lang voll belastet wurde.
Überhitzung wird höchstwahrscheinlich durch eine elektrische Überlastung verursacht, sie kann jedoch auch durch einen Ausfall der Isolation zwischen dem Blechpaket des Kerns oder in einem ölgefüllten Transformator durch eine Verschlechterung des Öls oder durch einen Ausfall der Isolation zwischen den beiden verursacht werden Schichten oder die Windungen der Transformatorwicklung.
3. Isolierung:
Überprüfen Sie die Isolation regelmäßig, um sicherzustellen, dass sie sich nicht physisch verschlechtert hat, z. B. nicht spröde geworden ist. Messen Sie den Isolationswiderstand zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung sowie zwischen jeder Wicklung und Erde mit einem geeigneten Tester.
Um den Isolationswiderstand der Sekundärwicklung gegen Erde zu testen, ist es notwendig, die Erdungsverbindung des Neutralpunkts zu entfernen, falls vorhanden. Es ist wichtig sicherzustellen, dass die Erdungsverbindung nach dem Test ausgetauscht wird.
4. Windungswiderstand:
Messen Sie den Widerstand der Wicklungen mit einer Brücke und vergleichen Sie die Messwerte von Zeit zu Zeit mit den in der Spezifikation angegebenen Werten. Eine deutliche Abweichung vom erwarteten und vorgegebenen Wert, insbesondere wenn sie nur in einer Wicklungsphase auftritt, deutet auf einen Fehler hin, z. B. einen Kurzschluss zwischen den Windungen.
5. Ölstand:
Notieren Sie sich den Ölstand und fügen Sie gegebenenfalls frisches Öl hinzu, um den korrekten Stand zu erhalten. Das Gehäuse oder der Tank sollte auf mögliche Öllecks überprüft werden.
6. Ölzustand:
Untersuchen Sie das Öl auf Anzeichen von Schlittenfahren. Schlamm wird als klebrige Ablagerung auf den Windungen und den Seiten oder am Boden des Tanks gesehen. Seine Anwesenheit bedeckt die Wicklungen und verhindert, dass das Öl sie abkühlt. Wenn Schlamm gefunden wird, muss der Transformator abgelassen, gründlich von Öl gereinigt und mit frischem und geprüftem Öl aufgefüllt werden.
7. Öltests:
Einmal im Jahr oder häufiger, falls notwendig oder zweifelhaft, wird eine Ölprobe vom Transformator genommen und zur Prüfung in ein Labor geschickt. Die Tests sollen sicherstellen, dass das Öl kein Wasser aufgenommen hat und nicht sauer geworden ist. Das Vorhandensein von Feuchtigkeit im Öl verringert die Spannungsfestigkeit und kann zu einem Durchbruch der Isolierung führen. Säure verursacht Korrosion in der Transformatorwicklung.
8. Verschnaufpause:
Wenn der Transformator mit einem Entlüfter gefüllt ist, notieren Sie sich den Zustand des Silicagels und erneuern Sie die Chemikalie, wenn sie gesättigt ist. Kieselgel ist normalerweise gefärbt, um seinen Zustand anzuzeigen, es ändert sich von Blau zu Rosa, wenn es Feuchtigkeit aufnimmt.