Trasformatori usati nelle miniere (con diagramma)

Dopo aver letto questo articolo imparerai a conoscere i tipi e la manutenzione dei trasformatori usati nelle miniere.

Transformers:

I trasformatori sono usati estesamente nelle miniere, sia in superficie che in sotterraneo. Al fine di mantenere la caduta di tensione a un valore basso senza l'utilizzo di cavi di grandi dimensioni, l'energia elettrica viene distribuita a 3.300 volt o 6.600 volt.

Questa tensione, pur essendo ideale per la distribuzione, è troppo elevata per l'uso su macchine a superficie ridotta o su macchine più piccole situate altrove nel sottosuolo, pertanto i trasformatori vengono utilizzati per trasformare queste tensioni elevate a 550 volt o 1100 volt.

La tensione più comune nelle miniere è 550 volt. Pannelli di perforazione e pannelli di illuminazione contengono anche trasformatori per ottenere le tensioni inferiori richieste dall'alimentazione a media tensione. Questi trasformatori sono chiamati trasformatori step-down.

I trasformatori step-up delle miniere non sono affatto utilizzati per scopi comuni. Un trasformatore, infatti, è un dispositivo per ottenere un'alimentazione in corrente alternata di una tensione richiesta da una corrente alternata di un'altra tensione.

I trasformatori sono di due tipi:

(a) Trasformatori monofase e

(b) Trasformatori polifase.

(a) Trasformatori monofase:

Un trasformatore monofase è costituito da due bobine, completamente isolate da un'altra ferita a un nucleo in silicone laminato in ghisa morbida. L'alimentazione è collegata a un avvolgimento, noto come primario, e l'uscita è presa dall'altro, noto come secondario.

L'avvolgimento secondario viene solitamente avvolto sul nucleo laminato, ma le bobine sono adeguatamente isolate dal nucleo laminato. L'avvolgimento primario è avvolto sull'avvolgimento secondario. Un cilindro isolante adeguato è previsto tra l'avvolgimento primario e quello secondario.

In Fig. 12.1 viene mostrata la rappresentazione elettrica di un trasformatore monofase:

(b) Trasformatori polifase:

Un trasformatore destinato a cambiare la tensione di un'alimentazione con più di una fase deve essere dotato di un avvolgimento primario e di un avvolgimento secondario per ciascuna fase. Un trasformatore per un'alimentazione trifase ha una struttura centrale simile a quella mostrata in Fig. 12.2. Un avvolgimento primario è avvolto con il corrispondente avvolgimento secondario, su ciascun braccio del nucleo.

In un trasformatore polifase, tutti gli avvolgimenti primari sono interconnessi per completare il circuito primario e, analogamente, tutti gli avvolgimenti secondari sono collegati per completare il circuito secondario. Gli avvolgimenti di un trasformatore trifase possono essere collegati a stella o a triangolo.

Il principio del trasformatore si basa sul principio base della continua mutua induzione. Quando un'alimentazione alternata è collegata all'avvolgimento primario di un trasformatore (il secondario rimanente interconnesso), una corrente fluisce nel circuito primario.

L'avvolgimento ha un'impedenza induttiva molto elevata, quindi la corrente che scorre è molto piccola. Poiché l'avvolgimento ha una resistenza bassa rispetto a questa induttanza, la corrente è in ritardo di quasi 90 ° rispetto alla tensione applicata. Questa corrente in ritardo è chiamata corrente di magnetizzazione, poiché la sua funzione è quella di creare un campo magnetico in costante cambiamento.

L'avvolgimento secondario del trasformatore si trova all'interno di questo campo magnetico, cosicché in esso viene indotta una emf alternata. L'emf indotta rimane indietro di 90 ° rispetto alla corrente magnetizzante che lo induce. Pertanto, questa emf resta indietro di 180 ° rispetto alla tensione primaria, ovvero la tensione secondaria è in anti-fase con la tensione primaria. Fig. 12.3 spiega questo.

Qualunque tensione applicata all'avvolgimento primario di un trasformatore che è indotto nel secondario è proporzionata ad esso, il rapporto effettivo tra di essi dipende dal design del trasformatore.

In un trasformatore monofase, il rapporto tra le tensioni primarie e secondarie è uguale al rapporto tra il numero di spire nell'avvolgimento primario e il numero di spire nell'avvolgimento secondario. La relazione è espressa dalla formula

Tutti i trasformatori step-down, quindi, hanno meno giri nell'avvolgimento secondario rispetto all'avvolgimento primario. Viceversa, i trasformatori step-up hanno più giri nell'avvolgimento secondario rispetto all'avvolgimento primario. Se, per esempio, l'avvolgimento primario ha 50 giri e il secondario ha 100 giri, la tensione di uscita sarà il doppio della tensione di ingresso.

Il trasformatore sarebbe quindi descritto come un trasformatore step-up 2: 1. Allo stesso modo, se il primario ha 200 giri e il secondario ne ha 100, allora la tensione in uscita sarà metà della tensione in ingresso, dando un trasformatore step-down 2: 1.

Una relazione simile tra la tensione di ingresso e quella di uscita dei trasformatori trifase, a condizione che entrambi i gruppi di avvolgimenti siano collegati nello stesso modo, cioè a condizione che entrambi siano collegati a stella o entrambi siano collegati a triangolo come mostrato in Fig. 12.4.

Se i due gruppi di avvolgimento sono collegati in modo diverso, il rapporto rimane tra le tensioni negli avvolgimenti corrispondenti, ma il rapporto tra i terminali di ingresso e di uscita è diverso come mostrato in Fig. 12.4.

Ma in un trasformatore ideale, è assicurato che l'intero flusso generato dalla fem alternata nel primario, collega tutte le spire dell'avvolgimento secondario. Infatti, nell'uso pratico, c'è un coefficiente di perdita da considerare. Tuttavia, la relazione stabilita tra la tensione e il flusso sviluppato è

Trasformatore equivalente:

Ora diamo una breve occhiata al circuito equivalente reale di un trasformatore che ha X ₁ e R ₁ come reattanza primaria e resistenza, e X ₂ e R ₂ come reattanza e resistenza secondarie. La Fig. 12.4 mostra un circuito equivalente semplificato con resistenza R e reattanza X, riferito al primario. I valori di R e X sono dati come

Dalla prova di cortocircuito (che significa passare una corrente a pieno carico attraverso il trasformatore con il cortocircuito primario o secondario) è possibile determinare i valori di R e X. Infatti, a causa del cortocircuito di uno degli avvolgimenti, sarà richiesta una tensione ridotta. Questa tensione è anche chiamata tensione di impedenza.

Ora, quando il trasformatore viene caricato, ci sarà una caduta di tensione dovuta alla resistenza degli avvolgimenti primari e secondari e anche a causa del flusso magnetico di dispersione, che di fatto aumenta con l'aumento del carico. Infatti, dal ragionamento di cui sopra, la regolazione aumenta con l'aumento del carico.

Trasformatore di corrente:

Un trasformatore di corrente è un tipo di trasformatore progettato per fornire un'uscita di tensione proporzionale alla corrente che scorre nell'avvolgimento primario. Il primario di tale trasformatore sarebbe collegato in serie con un carico in un circuito di potenza come un motore, e l'uscita secondaria utilizzata allo scopo di utilizzare in un sistema di protezione da sovraccarico.

La corrente che fluisce nel primario è, quindi, determinata dal carico che viene fornito, e il circuito di potenza non è praticamente influenzato dalla quantità relativamente piccola di potenza presa dal trasformatore.

Il primario di un trasformatore di corrente consiste solitamente di uno o due giri formati da un pesante conduttore di rame. L'avvolgimento secondario di solito ha un numero molto elevato di spire e entrambi gli avvolgimenti sono formati su un nucleo di laminazione.

Alcuni trasformatori di corrente sono costituiti da un avvolgimento secondario che viene bloccato sull'isolamento di un singolo nucleo. Il campo magnetico prodotto dalla corrente che fluisce attraverso il centro del nucleo è sufficiente per indurre un'uscita nel secondario.

Il trasformatore di corrente funziona sullo stesso principio del comune trasformatore di tensione, ma il principio viene applicato in un modo diverso. Poiché la tensione e la frequenza dell'alimentazione al circuito nel suo complesso sono costanti, la corrente varia solo se varia l'impedenza totale del circuito.

Se la corrente aumenta, l'impedenza totale è diminuita e l'impedenza del primario del trasformatore, sebbene molto leggera, rappresenta una percentuale maggiore dell'impedenza totale del circuito. La differenza di potenziale attraverso il primario è, pertanto, aumentata e la tensione dell'uscita secondaria viene aumentata proporzionalmente. Il sistema è spiegato in Fig. 12.5 per una facile consultazione e realizzazione.

Trasformatore automatico:

Un autotrasformatore funziona su un principio simile a un normale trasformatore, ma ha solo un avvolgimento, che è comune ai circuiti primario e secondario come mostrato in Fig. 12.6. È generalmente progettato come un trasformatore step-down con una differenza relativamente piccola tra la tensione primaria e secondaria.

Il suo unico utilizzo nelle miniere è l'avviamento di motori in corrente alternata. Non viene mai utilizzato per fornire un'alimentazione continua per il circuito a bassa tensione, poiché sussiste il pericolo che, in caso di collegamento difettoso, l'intera tensione primaria possa essere applicata al circuito secondario.

Trasformatore sotterraneo:

Nei giorni precedenti tutti i trasformatori di potenza utilizzati nel sottosuolo erano del tipo a olio, che vanno da 75 KVA a circa 250 KVA, ma questi sono ora sostituiti da trasformatori di tipo secco a prova di fiamma che vanno da 300 KVA a 750 KVA.

Praticamente tutte le apparecchiature di coalface ricevono rifornimenti da questi trasformatori a prova di fiamma utilizzati per alimentare circuiti intrinsecamente sicuri come i circuiti di segnalazione. Sono costruiti appositamente con uno schermo collegato a terra tra gli avvolgimenti primario e secondario, per garantire che la tensione primaria non possa essere collegata al circuito secondario, anche in caso di guasto completo dell'isolamento.

Trasformatori pieni d'olio:

I trasformatori progettati per passare carichi pesanti sono normalmente riempiti con un olio isolante in modo che tutti gli avvolgimenti e il nucleo siano immersi. L'olio impedisce l'ingresso di umidità (che riduce notevolmente la rigidità dielettrica dell'isolamento dell'aria) e, pertanto, mantiene una maggiore resistenza di isolamento tra gli avvolgimenti e tra le parti in tensione e la terra.

L'olio aiuta anche a raffreddare il trasformatore. Le forti correnti elettriche che fluiscono attraverso gli avvolgimenti provocano un notevole aumento della temperatura. Quando l'olio circostante viene riscaldato, nell'olio vengono introdotte correnti di convezione che aiutano a mantenere il calore lontano dagli avvolgimenti.

Alcuni trasformatori sono costruiti con tubi di raffreddamento sporgenti dai lati della cassa o del serbatoio. L'olio che circola attraverso i tubi viene raffreddato più rapidamente, in modo che il raffreddamento del trasformatore sia più efficiente. I trasformatori pieni di olio più grandi sono dotati di sfiato in modo che l'aria possa entrare e uscire mentre l'olio si espande o si contrae quando viene riscaldato o raffreddato.

Uno sfiatatoio contiene normalmente un prodotto chimico che assorbe l'umidità come il gel di silice per impedire che l'umidità venga assorbita e che contamini l'olio. I gel di silice, quando asciutti, saranno di colore blu e, una volta idratati, il colore diventerà rosa.

Trasformatori a prova di fiamma e raffreddamento ad aria:

Con l'introduzione della meccanizzazione della coalface, il numero e le dimensioni delle macchine coalface aumentarono enormemente e divenne necessario disporre di trasformatori più grandi installati vicino alla superficie del carbone per mantenere al minimo la caduta di tensione tra il trasformatore e il motore.

Questi trasformatori sono del tipo a secco, ovvero il serbatoio è pieno d'aria. Le cisterne sono costruite in acciaio saldato e sono certificate ignifughe. Il quadro di comando ad alta tensione che controlla il trasformatore è anche a prova di fiamma ed è montato sul trasformatore.

C'è una camera a prova di fiamma sul LV e sul trasformatore che ospita la dispersione verso terra e l'equipaggiamento di protezione da cortocircuito. Se il sistema di protezione differenziale o il sistema di protezione da cortocircuito rileva il guasto sul circuito LV in uscita, attiva automaticamente l'interruttore HV. L'interruttore HV fornisce anche protezione da sovraccarico e guasto a terra per i trasformatori.

Trasformatore di alimentazione:

Se l'avvolgimento secondario è collegato a un circuito con un carico, la tensione indotta guiderà una corrente attraverso il carico. Il secondario del trasformatore, quindi, fornisce energia al suo circuito. La potenza fornita dal secondario può essere ricavata solo dalla fonte di alimentazione nel circuito primario. Non appena la corrente fluisce nel circuito secondario, una corrente corrispondente scorre nel primario.

La potenza viene trasferita dal circuito primario al circuito secondario mediante il campo magnetico in costante cambiamento che collega i due. Il nucleo laminato intensifica il campo e l'intreccio degli avvolgimenti rende il collegamento il più vicino possibile. In un trasformatore ben progettato, pochissima energia viene dissipata all'interno del trasformatore stesso.

La potenza estratta dal trasformatore dal circuito secondario è quindi quasi uguale alla potenza assorbita dal trasformatore dal circuito primario. In effetti, la potenza passa dalla fonte primaria di alimentazione attraverso il trasformatore all'apparecchio che la utilizza. L'effetto del trasformatore è semplicemente quello di cambiare la tensione a cui viene erogata la potenza.

La potenza trasmessa da un circuito è determinata sia dalla tensione applicata ad esso che dalla corrente che scorre in esso. Poiché la potenza assorbita dal circuito secondario è uguale alla potenza erogata dal circuito primario, la corrente richiesta per trasmettere una data quantità di potenza nei due circuiti dipende dalle tensioni a cui il circuito opera.

Il rapporto tra la corrente primaria e secondaria è, quindi, l'inverso del rapporto tra le tensioni. La corrente di magnetizzazione è "così piccola rispetto alle correnti di trasmissione di potenza che, per la maggior parte degli scopi, i suoi effetti possono essere ignorati.

Sebbene gli avvolgimenti del trasformatore siano altamente induttivi, la corrente che scorre in essi quando il trasformatore è in carica non è necessariamente in ritardo rispetto alle loro tensioni. Se, ad esempio, il carico nel circuito secondario fosse capacitivo, allora le correnti nei due circuiti porterebbero le loro tensioni.

Le correnti primarie e secondarie, come le tensioni primarie e secondarie, sono in anti-fase. Qualsiasi emf posteriore indotta nell'avvolgimento secondario dalla corrente secondaria viene cancellata da emf diretta mutuamente indotta in tale avvolgimento dalla corrente primaria. Allo stesso modo qualsiasi emf posteriore indotta nell'avvolgimento primario viene cancellata da emf in avanti mutuamente indotta dalla corrente secondaria.

Se, tuttavia, il carico secondario ha un fattore di potenza ritardato o iniziale, questo fattore di potenza viene riportato dal circuito secondario al primario. Le correnti primarie e secondarie rimangono in anti-fase, e ogni ritardo o porta la sua tensione della stessa quantità.

È importante notare che la corrente di magnetizzazione nel circuito primario, essendo una corrente induttiva, ha un piccolo effetto in quanto fa sì che la corrente primaria primaria sia leggermente in ritardo rispetto alla corrente secondaria. I trasformatori, quindi, contribuiscono al fattore di potenza in ritardo in un sistema di fossa, ma l'effetto di un trasformatore sul fattore di potenza è piuttosto ridotto rispetto all'effetto del motore a induzione che fornisce.

Manutenzione del trasformatore:

A differenza dei motori, poiché i trasformatori non hanno parti in movimento, richiedono pochissima manutenzione, se sono adeguatamente abbinati all'applicazione del carico, e il sistema di alimentazione e controllo è efficiente. Tuttavia, le attività principali coinvolte nella manutenzione del trasformatore sono illustrate di seguito.

Il programma di manutenzione per ciascun trasformatore che fornisce la frequenza dell'ispezione e i controlli da effettuare in ogni occasione saranno stabiliti dall'ingegnere elettrico della miniera di carbone, e questo deve essere seguito attentamente.

1. Generale:

Ispezionare attentamente il trasformatore di volta in volta per assicurarsi che i collegamenti, gli avvolgimenti e il nucleo siano in buone condizioni. Il caso di un trasformatore ignifugo deve essere controllato per individuare eventuali crepe e il mantenimento di giunzioni dei giunti corrette.

2.Temperature:

Registrare la temperatura degli avvolgimenti per assicurarsi che il trasformatore non si surriscaldi. Il controllo della temperatura è più affidabile se viene eseguito dopo che il trasformatore è stato a pieno carico per un periodo di diverse ore.

È probabile che il surriscaldamento sia causato da un sovraccarico elettrico, ma potrebbe anche essere causato da un guasto dell'isolamento tra la laminazione dell'anima o, in un trasformatore pieno d'olio, dal deterioramento dell'olio o dal guasto dell'isolamento tra il strati o le spire dell'avvolgimento del trasformatore.

3. isolamento:

Ispezionare regolarmente l'isolamento per assicurarsi che non si sia deteriorato fisicamente, ad esempio che non sia diventato fragile. Misurare la resistenza di isolamento tra gli avvolgimenti primario e secondario, e tra ogni avvolgimento e terra, con un tester adatto.

Per testare la resistenza di isolamento dell'avvolgimento secondario a terra, è necessario rimuovere il collegamento di terra del punto neutro, se ce n'è uno. È importante assicurarsi che il collegamento di messa a terra venga sostituito dopo il test.

4. Resistenza di avvolgimento:

Misurare la resistenza degli avvolgimenti con un ponte e confrontare di volta in volta le letture con i valori indicati nelle specifiche. Una marcata divergenza rispetto al valore previsto e specificato, in particolare se si verifica in una fase di un solo avvolgimento, indica un guasto, ad esempio un cortocircuito tra le spire.

5. Livello dell'olio:

Prendere nota del livello dell'olio e aggiungere olio fresco se necessario per mantenere il livello corretto. La custodia o il serbatoio devono essere ispezionati per eventuali perdite di olio.

6. Condizioni dell'olio:

Esaminare l'olio per i segni di slittino. Il fango sarà visto come un deposito appiccicoso sugli avvolgimenti e sui lati o sul fondo del serbatoio. La sua presenza copre gli avvolgimenti e impedisce all'olio di raffreddarli. Se si trova del fango, il trasformatore deve essere scaricato, pulito accuratamente dall'olio e riempito con olio nuovo e testato.

7. Test dell'olio:

Una volta all'anno o più frequentemente, se necessario o in dubbio, un campione di olio viene prelevato dal trasformatore e inviato a un laboratorio per essere sottoposto a test. I test hanno lo scopo di garantire che l'olio non abbia assorbito acqua e che non sia diventato acido. La presenza di umidità nell'olio riduce la sua rigidità dielettrica e può portare a una rottura dell'isolamento. L'acidità causa corrosione all'interno dell'avvolgimento del trasformatore.

8. Breather:

Se il trasformatore è riempito con uno sfiatatoio, annotare la condizione del gel di silice e rinnovare la sostanza chimica quando è satura. Il gel di silice è solitamente colorato per indicare la sua condizione, cambia dal blu al rosa mentre assorbe l'umidità.