Принцип работы трансформатора основан на законах. Трансформаторы. назначение трансформаторов и их применение. Принцип работы трансформатора

Назначение трансформатора. Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Трансформаторы позволяют значительно повысить напряжение, вырабатываемое источниками переменного тока, установленными на электрических станциях, и осуществить передачу электроэнергии на дальние расстояния при высоких напряжениях (110, 220, 500, 750 и 1150 кВ). Благодаря этому сильно уменьшаются потери энергии в проводах и обеспечивается возможность значительного уменьшения площади сечения проводов линий электропередачи.

В местах потребления электроэнергии высокое напряжение, подаваемое от высоковольтных линий электропередачи, снова понижается трансформаторами до сравнительно небольших значений (127, 220, 380 и 660 В), при которых работают электрические потребители, установленные на фабриках, заводах, в депо и жилых домах. На э. п. с. переменного тока трансформаторы применяют для уменьшения напряжения, подаваемого из контактной сети к тяговым двигателям и вспомогательным цепям.

Кроме трансформаторов, применяемых в системах передачи и распределения электроэнергии, промышленностью выпускаются трансформаторы: тяговые (для э. п. с), для выпрямительных установок, лабораторные с регулированием напряжения, для питания радиоаппаратуры и др. Все эти трансформаторы называют силовыми.

Трансформаторы используют также для включения электроизмерительных приборов в цепи высокого напряжения (их называют измерительными), для электросварки и других целей. Транс-

форматоры бывают однофазные и трехфазные, двух- и многообмоточные.

Принцип действия трансформатора. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из стального магнитопровода 2 (рис. 212) и двух расположенных на нем обмоток 1 и 3. Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны. К одной из обмоток подается электрическая энергия от источника переменного тока. Эту обмотку называют первичной. К другой обмотке, называемой вторичной , подключают потребители (непосредственно или через выпрямитель).

При подключении трансформатора к источнику переменного тока (электрической сети) в витках его первичной обмотки протекает переменный ток i 1 , образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные э. д. с. е 1 и е 2 . Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием э. д. с. е 2 по ее цепи проходит ток i 2 .

Э. д. с, индуцированная в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его изменения. Магнитный поток каждого трансформатора является определенной величиной, зависящей от напряжения и частоты изменения переменного тока в источнике, к которому подключен трансформатор. Постоянна также и скорость изменения магнитного потока, она определяется частотой изменения переменного тока. Следовательно, в каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая э. д.с. В результате этого отношение действующих значений э. д. с. Е 1 и E 2 , индуцированных в первичной и вторичной обмотках трансформатора, будет равно отношению чисел витков ? 1 и? 2 этих обмоток, т. е.

E 1 /E 2 = ? 1 / ? 2 .

Отношение э. д. с. Е вн обмотки высшего напряжения к э. д. с. E нн обмотки низшего напряжения (или отношение чисел их витков) называется коэффициентом трансформации ,

n = Е вн / E нн = ? вн / ? нн .

Коэффициент трансформации всегда больше единицы. Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (в трансформаторах средней и большой мощности они не превышают обычно 2-5 % номинальных значений напряжений U 1 и U 2), то можно считать, что отношение напряжения U 1 первичной обмотки к напряжению U 2 вторичной обмотки приблизительно равно отношению чисел их витков , т. е.

U 1 /U 2 ? ? 1 / ? 2

Таким образом, подбирая требуемое соотношение между числами витков первичной и вторичной обмоток, можно увеличивать или уменьшать напряжение на приемнике, подключенном к вторичной обмотке. Если необходимо на вторичной обмотке получить напряжение большее, чем подается на первичную, то применяют повышающие трансформаторы, у которых число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной.

В понижающих трансформаторах, наоборот, число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной.

Трансформатор не может осуществить преобразование напряжения постоянного тока. При подключении его первичной обмотки к сети постоянного тока в трансформаторе создается постоянный по величине и направлению магнитный поток, который не может индуцировать э. д. с. в первичной и вторичной обмотках. Поэтому не будет происходить передачи электрической энергии из первичной обмотки во вторичную.

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока через эту обмотку проходит некоторый ток, называемый током холостого хода. При включении нагрузки по вторичной обмотке трансформатора начинает проходить ток, при этом увеличивается и ток, проходящий по первичной обмотке. Чем больше нагрузка трансформатора, т. е. электрическая мощность и ток i 2 , отдаваемые его вторичной обмоткой подключенным к ней приемникам, тем больше электрическая мощность и ток i 1 , поступающие из сети в первичную обмотку.

Ввиду того что потери мощности в трансформаторе обычно малы, можно приближенно принять, что мощности в первичной и вторичной обмотках одинаковы. В этом случае можно считать, что токи в обмотках трансформатора приблизительно обратно пропорциональны напряжениям: I 1 /I 2 ? U 2 /U 1 или что токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числам витков первичной и вторичной обмоток: I 1 /I 2 ? ? 2 /? 1 . Это означает, что в повышающем трансформаторе ток во вторичной обмотке меньше, чем в первичной (во столько раз, во сколько напряжение U 2 больше напряжения U 1), а в понижающем ток во вторичной обмотке больше, чем в первичной. Поэтому в трансформаторах обмотки высшего напряжения выполняются из более тонких проводов, чем обмотки низшего напряжения.

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Трансформаторы широко используют для следующих целей.

Для передачи и распределения электрической энергии. Обычно на электростанциях генераторы переменного тока вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6-24 кВ.

Для питания различных цепей радио- и телевизионной аппаратуры; устройств связи, автоматики в телемеханики, электробытовых приборов; для разделения электрических цепей различных элементов этих устройств; для согласования напряжений

Для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов, например реле, в электрические цепи высокого напряжения или в цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности. Трансформаторы, применяемые для этой цели, называют измерительными. Они имеют сравнительно небольшую мощность, определяемую мощностью, потребляемой электроизмерительными приборами, реле и др.

Принцип действия трансформатора

Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора состоит из двух обмоток (рис. 2.1), разме­щенных на замкнутом магнитопроводе, который выполнен из ферромагнитного материала. Применение ферромагнитного магнитопровода позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т. е. уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток машины. Первичную обмотку 1 подключают к источнику переменного тока - электрической сети с напряжением u 1 . Ко вторичной обмотке 2 присоединяют сопротивление нагрузки Z H .

Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а низкого напряжения - обмоткой низшего напряжения (НН). Начала и концы обмотки ВН обозначают буквами А и X; обмотки НН - буквами а и х.

При подключении к сети в первичной обмотке возникает переменный ток i 1 , который создает переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС - е 1 и е 2 , пропорциональные, согласно закону Максвелла, числам витков w 1 и w 2 соответствующей обмотки и скорости изменения потока d Ф/dt .

Таким образом, мгновенные значения ЭДС, индуцированные в каждой обмотке,

е 1 = - w 1 dФ/dt; е2= -w 2 dФ/dt .

Следовательно, отношение мгновенных и действующих ЭДС в обмотках определяется выражением

Следовательно, подбирая соответствующим образом числа витков обмоток, при заданном напряжении U 1 можно получить желаемое напряжение U 2 . Если необходимо повысить вторичное напряжение, то число витков w 2 берут больше числа w 1 ; такой трансформатор называют повышающим. Если требуется уменьшить напряжение U 2 , то число витков w 2 берут мень­шим w 1 ; такой трансформатор называют понижающим,

Отношение ЭДС Е ВН обмотки высшего напряжения к ЭДС Е НН обмотки низшего напряжения (или отношение их чисел витков) называют коэффициентом трансформации

k = Е ВН /Е НН = w ВН /w НН

Коэффициент k всегда больше единицы.

В системах передачи и распределения энергии в ряде слу­чаев применяют трехобмоточные трансформаторы, а в устрой­ствах радиоэлектроники и автоматики - многообмоточные трансформаторы. В таких трансформаторах на магнитопроводе размещают три или большее число изолированных друг от друга обмоток, что дает возможность при питании одной из обмоток получать два или большее число различных напряжений (U 2 , U 3 , U 4 и т.д.) для электроснабжения двух или большего числа групп потребителей. В трехобмоточных силовых трансформаторах различают обмотки высшего, низшего и среднего (СН) напряжений.

В трансформаторе преобразуются только напряжения и токи. Мощность же остается приблизительно постоянной (она несколько уменьшается из-за внутренних потерь энергии в трансформаторе). Следовательно,

I 1 /I 2 ≈ U 2 /U 1 ≈ w 2 /w 1 .

При увеличении вторичного напряжения трансформатора в k раз по сравнению с первичным, ток i 2 во вторичной обмотке соответственно уменьшается в k раз.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора под­ключить к источнику постоянного тока, то в его магнито-проводе образуется магнитный поток, постоянный во времени по величине и направлению. Поэтому в первичной и вторичной обмотках в установившемся режиме не индуцируются ЭДС, а следовательно, не передается электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Такой режим опасен для трансформатора, так как из-за отсутствия ЭДС E 1 первич­ной обмотке ток I 1 =U 1 R 1 весьма большой.

Важным свойством трансформатора, используемым в устройствах автоматики и радиоэлектроники, является способность его преобразовывать нагрузочное сопротивление. Если к источнику переменного тока подключить сопротивление R через трансформатор с коэффициентом трансформации к, то для цепи источника

R" = P 1 /I 1 2 ≈ P 2 /I 1 2 ≈ I 2 2 R/I 1 2 ≈ k 2 R

где Р 1 - мощность, потребляемая трансформатором от источ­ника переменного тока, Вт; Р 2 = I 2 2 R ≈ P 1 - мощность, по­требляемая сопротивлением R от трансформатора.

Таким образом, трансформатор изменяет значение сопро­тивления R в k 2 раз. Это свойство широко используют при разработке различных электрических схем для согласования сопротивлений нагрузки с внутренним сопротивлением источ­ников электрической энергии.

Силовые трансформаторы служат для преобразования электрической энергии одного напряжения в энергию другого напряжения. Они являются основным оборудованием электрических подстанций. Электроэнергия, вырабатываемая на электростанциях, при передаче к потребителям претерпевает многократную трансформацию в повышающих и понижающих трансформаторах. Передача электроэнергии на большие расстояния более экономична высоким напряжением. Мощность трансформаторов, установленных в электроэнергетических системах, превышает установленную мощность генераторов в 4-5 раз. Несмотря на относительно высокий КПД трансформаторов стоимость энергии, теряемой ежегодно в них, составляет значительную сумму. Необходимо стремиться к уменьшению числа ступеней трансформации, уменьшению установленной мощности трансформаторов.

Трансформаторы изготовляют однофазными и трехфазными, двух- и трехобмоточными. Преимущественное применение в системах и сетях имеют трехфазные трансформаторы, экономические показатели которых выше показателей групп из однофазных трансформаторов. Группы из однофазных трансформаторов применяют только при самых больших мощностях и напряжениях 500 кВ и выше в целях уменьшения массы для транспортировки от места изготовления до места установки. Однофазные трансформаторы применяются также на тяговых подстанциях при электрификации железных дорог переменным током.

Трансформаторы и автотрансформаторы имеют номинальные мощности десятично кратные следующим значениям: 1; 1,6; 2,5; 4; 6,3 кВ*А.

Для удобства планирования работ, связанных с транспортировкой и ремонтом трансформаторов, их условно делят по габаритам в зависимости от мощности и напряжения обмоток ВН.

На рис. показано устройство и компоновка основных частей силового масляного трансформатора третьего габарита.

Основой конструкции трансформатора служит активная часть, состоящая из магнитопровода 17 с расположенными на нем обмотками 21 высшего напряжения (ВН) и низшего напряжения (НН), расположенными под ВН на стержнях магнитопровода, отводов НН 16 и BH18 и переключающего устройства 6. Магнитопровод, набранный из отдельных тонких листов трансформаторной стали с жаропрочным изоляционным покрытием, стягивается ярмовыми балками 19 и шпильками, пропущенными через сквозные отверстия стержней магнитопровода и ярмовых балок.

Отводами 16 и 18 называются соединительные провода, идущие от концов обмоток НН и ВН к вводам НН 14 и ВН 12.

Переключающее устройство 6 обмоток трансформатора служит для ступенчатого изменения напряжения в определенных пределах, поддержания номинального напряжения на зажимах обмотки НН при его изменении.

С этой целью обмотки ВН трансформаторов снабжают регулировочными ответвлениями 20, которые присоединяют к переключателям 6.

Необходимость регулирования вызвана тем, что в электросистемах возможны различные отклонения от нормального режима электроснабжения, приводящие к неэкономичной работе приемников электроэнергии.

Рис.1

1 - бак; 2 - вентиль; 3 - болт заземления; 4 - термосифонный фильтр; 5 - радиатор; 6 - переключатель; 7 - расширитель; 8 - маслоуказатель; 9 - воздухоосушитель; 10 - выхлопная труба; 11 - газовое реле; 12 - ввод ВН; 13 - привод переключающего устройства; 14 - ввод НН; 15 - подъемный рым; 16 - отвод НН; 17 - остов; 18 - отвод ВН; 19 - ярмовая балка остова (верхняя и нижняя); 20-- регулировочные ответвления обмоток ВН; 21 - обмотка ВН (внутри НН); 22 - каток тележки.

В трансформаторах могут быть два вида переключателей ответвления: регулирование под нагрузкой (РПН) и без нагрузки после отключения трансформатора, т.е. переключение без возбуждения (ПБВ). Переключающее устройство приводится в действие с помощью привода 13, расположенного на крышке бака трансформатора 1.

Бак трансформатора представляет собой стальной резервуар овальной формы, заполненный трансформаторным маслом, с погруженной в него активной частью трансформатора. Масло, являясь охлаждающей средой, отводит тепло, выделяющееся в обмотках и магнитопроводе, и отдает его в окружающую среду через стенки и крышку бака. Кроме охлаждения масло служит для повышения Уровня изоляции между токоведущими частями и заземленным баком. Для увеличения поверхности охлаждения баки делают ребристыми, вваривают в них трубы или снабжают съемными радиаторами 5. В нижней части бака имеется кран для слива масла 2, а в днище - пробка для спуска осадков после слива масла через кран. Ко дну бака трансформатора массой выше 800 кг приваривают тележку с поворотными катками 22, позволяющими изменять направление передвижения трансформатора с поперечного на продольное. Для подъема трансформатора на верхних ярмовых балках крепятся подъемные шпильки с рым-кольцами 15.

Термосифонный фильтр 4 крепится к баку трансформатора двумя патрубками с фланцами и промежуточными плоскими кранами. Фильтр предназначен для поддержания изоляционных свойств масла, а следовательно, продления срока его службы. Он представляет собой цилиндрическое устройства, заполненное активным материалом - сорбентом, который поглощает продукты старения трансформаторного масла. Работа фильтра основана на термосифонном принципе: более нагретое масло верхних слоев попадет в фильтр, охлаждается и опускается вниз, непрерывно при этом очищаясь.

На крышке бака размещены вводы 12 и 14, расширитель 7, выхлопная труба 10, газовое реле 11.

Вводы представляют собой фарфоровые проходные изоляторы, к которым в баке крепятся выводы обмоток трансформатора, а снаружи - токоведущие части распределительных устройств. Вводы внутри бака имеют гладкую поверхность, для наружной установки, работающие в тяжелых условиях (под дождем, снегом, в загрязненном воздухе), отличаются более развитой поверхностью (имеют зонтообразные ребра) для увеличения пути поверхностного электрического разряда по фарфору и электрической прочности ввода.

Расширитель 7 служит для компенсации колебаний уровня масла в трансформаторе при изменении температуры и уменьшения площади соприкосновения с воздухом открытой поверхности масла, защиты его от преждевременного окисления кислородом воздуха и увлажнения. Расширитель представляет собой цилиндрический бак, закрепленный с помощью кронштейна на крышке трансформатора. Расширитель сообщается с баком трансформатора трубой, не выступающей ниже внутренней поверхности крышки трансформатора и заканчивающейся внутри расширителя выше его дна во избежание попадания осадков масла в бак. Объем расширителя должен обеспечивать постоянное наличие в нем масла во всех режимах работы трансформатора как в летних так и в зимних условиях.

Для наблюдения за маслом на боковой стенке расширителя устанавливают маслоуказатель 8, выполненный в виде стеклянной трубки в металлической оправе. Воздухоосушитель 9 предназначен для поглощения влаги из воздуха, поступающего в расширитель.

Воздухоосушитель, устанавливаемый на расширителе трансформатора, имеет металлический корпус, заполненный селикагелем, отбирающим влагу у воздуха, поступающего в расширитель при понижении уровня масла.

Газовое реле 11 встраивают в рассечку трубы, соединяющей бак трансформатора с расширителем. Оно защищает трансформатор при внутренних повреждениях, связанных с выделением газа или утечкой из бака.

Повреждения внутри трансформатора, сопровождаемые электрической дугой, приводит к интенсивному разложению масла с образованием большого количества газа и, как следствие, резкому повышению давления внутри бака, при этом может разорваться бак и возникнуть пожар. Выхлопная труба 10, устанавливаемая на крышке бака трансформатора, закрыта стеклянным диском. При повышении давления внутри бака стекло лопается и газы вместе с маслом выбрасываются наружу раньше, чем произойдет деформация бака.

При сборке схем обмоток трансформаторов большое значение придается не только получению результирующего напряжения на его зажимах, но и направлению векторов напряжений первичной и вторичной обмоток, определяющих группу соединения трансформатора. Стандартом предусмотрены группы соединения обмоток трансформаторов: нулевая (0) и одиннадцатая (11). За единицу группы принят угол смещения вектора линейного напряжения обмотки НН относительно соответствующего вектора линейного напряжения обмотки ВН, равный 30. Смещение отсчитывают от вектора линейного напряжения ВН по часовой стрелке.

Начала фазных обмоток ВН трехфазных трансформаторов обозначают прописными латинскими буквами А, В, С, концы - буквами X, Y, Z. Начала обмоток НН обозначают строчными латинскими буквами а, в, с, концы - буквами х, у, z. Для трехобмоточных трансформаторов начала обмоток среднего напряжения (СН) обозначают буквами А аВа Са концы - буквами Х Y ZM

Фазные обмотки трехфазных трансформаторов могут быть соединены в звезду CD, треугольник (А) или зигзаг (У). Эти схемы в тексте обозначают буквами У, Д и Z.

В схеме соединения обмоток трансформатора ответвление нейтрали, сделанное на внешний зажим, обозначается буквой N.

Рис. 2.

Для отличия по конструкции, назначению, мощности, напряжению и другим признакам трансформаторы подразделяются на типы. Каждому типу присваивают обозначения, состоящие из букв и цифр.

Буквенные обозначения по конструктивному выполнению:

А - автотрансформатор (понижающий - А в начале обозначения, повышающий - А в конце); Т - трехфазный; 0 --однофазный; Р - с расщепленной обмоткой НН;

Т - трехобмоточный (вторая буква Т в обозначении трехфазного трансформатора).

Буквенное обозначение по видам охлаждения:

С - сухой (естественное воздушное);

М - масляный (естественное масляное);

Д - дутьевой (принудительная циркуляция воздуха при охлаждении радиаторов вентиляторами);

ДЦ - дутьевой, с принудительной циркуляцией масла через охладитель с помощью насоса;

МЦ - масляный, с принудительной циркуляцией масла и естественной - воздуха.

Буквенное обозначение при наличии регуляторов напряжения:

Н - с регулированием напряжения под нагрузкой (наличие РПН).

Число в числителе после буквенного обозначения указывает мощность трансформатора в киловольт-амперах, в знаменателе - класс напряжения обмотки ВН в киловольтах.

В условном обозначении указывают также год разработки конструкции, климатическое исполнение и категорию размещения трансформатора (1 - на открытом воздухе, 3 - в закрытом помещении)

Рис. 3. Пример обозначения типа трансформатора и его расшифровка:

Принцип работы трансформатора связан с принципом электромагнитной индукции. Ток поступающий на первичную обмотку создает в магнитопроводе магнитный поток.

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе, сдвинутый по фазе, при синусоидальном токе, на 90° по отношению к току в первичной обмотке. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° по отношению к магнитному потоку. Когда вторичные обмотки ни к чему не подключены (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток через первичную обмотку невелик, и определяется в основном её индуктивным сопротивлением. Напряжение индукции на вторичных обмотках в режиме холостого хода определяется отношением числа витков соответствующей обмотки w2 к числу витков первичной обмотки w1: U2=U1w2/w1.

При подключении вторичной обмотки к нагрузке, по ней начинает течь ток. Этот ток также создаёт магнитный поток в магнитопроводе, причём он направлен противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате, в первичной обмотке нарушается компенсация ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке, до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения. В этом режиме отношение токов первичной и вторичной обмотки равно обратному отношению числа витков обмоток (I1=I2w2/w1,) отношение напряжений в первом приближении также остаётся прежним.

Схематично, выше сказанное можно изобразить следующим образом:

U1 > I1 > I1w1 > Ф > ε2 > I2.

Магнитный поток в магнитопроводе трансформатора сдвинут по фазе по отношению к току в первичной обмотке на 90°. ЭДС во вторичной обмотке пропорциональна первой производной от магнитного потока. Для синусоидальных сигналов первой производной от синуса является косинус, сдвиг фазы между синусом и косинусом составляет 90°. В результате, при согласном включении обмоток, трансформатор сдвигает фазу приблизительно на 180°. При встречном включении обмоток прибавляется дополнительный сдвиг фазы на 180° и суммарный сдвиг фазы трансформатором составляет приблизительно 360°.

Опыт холостого хода

Для испытания трансформатора служит опыт холостого хода и опыт короткого замыкания.

При опыте холостого хода трансформатора его вторичная обмотка разомкнута и тока в этой обмотке нет (/2-0).

Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника электрической энергии переменного тока, то в этой обмотке будет протекать ток холостого хода I0, который представляет собой малую величину по сравнению с номинальным током трансформатора. В трансформаторах больших мощностей ток холостого хода может достигать значений порядка 5- 10% номинального тока. В трансформаторах малых мощностей этот ток достигает значения 25-30% номинального тока. Ток холостого хода I0 создает магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. Для возбуждения магнитного потока трансформатор потребляет реактивную мощность из сети. Что же касается активной мощности, потребляемой трансформатором при холостом ходе, то она расходуется на покрытие потерь мощности в магнитопроводе, обусловленных гистерезисом и вихревыми токами.

Так как реактивная мощность при холостом ходе трансформатора значительно больше активной мощности, то коэффициент мощности cos φ его весьма мал и обычно равен 0,2-0,3.

ТРАНСФОРМАТОРЫ

НАЗНАЧЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Трансформатор предназначен для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Увеличение напряжения осуществляется с помощью повышающих трансформаторов, уменьшение — понижающих.

Трансформаторы применяют в линиях электропередачи, в технике связи, в автоматике, измерительной технике и других областях.

В соответствии с назначением различают:

Силовые трансформаторы для питания электрических двигателей и осветительных сетей;

Специальные трансформаторы для питания сварочных аппаратов, электропечей и других потребителей особого назначения;

Измерительные трансформаторы для подключения измерительных приборов.

По числу фаз трансформаторы делятся на одно- и трехфазные. Трансформаторы, используемые в технике связи, подразделяют на низко- и высокочастотные.

Расчетные мощности трансформаторов различны — от долей вольт-ампер до десятков тысяч киловольт-ампер; рабочие частоты — от единиц герц до сотен килогерц.

Трансформатор — простой, надежный и экономичный электрический аппарат. Он не имеет движущихся частей и скользящих контактных соединений, его КПД достигает 99%. КПД трансформатора η, определяемый как отношение мощности на выходе Р 2 к мощности на входе Р 1 , зависит от нагрузки.

УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРА

Трансформатор представляет собой замкнутый магнитопровод, на котором расположены две или несколько обмоток. В маломощных высокочастотных трансформаторах, используемых в радиотехнических схемах, магнитопроводом может являться воздушная среда.

Для уменьшения потерь на гистерезис магнитопровод изготовляют из магнитомягкого материала — трансформаторной стали, имеющей узкую петлю намагничивания. Для уменьшения потерь на вихревые токи в материал магнитопровода вводят примесь кремния, повышающую его электрическое сопротивление, а сам магнитопровод собирают из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,35—0,5 мм, изолированных друг от друга теплостойким лаком или специальной бумагой.

Различают трансформаторы стержневого (рис. 7.1, а) и броневого (рис. 7.1, б) типов.

Рис. 7.1. Конструкция однофазного маломощного трансформатора стержневого (а) и броневого (б) типов

Последний хорошо защищает обмотки катушек от механических повреждений. Верхнюю часть магнитопровода, называемую ярмом, крепят после насадки на стержень катушек (обмоток). Стержни и ярмо соединяют очень плотно, чтобы исключить воздушные зазоры на стыках. В маломощных трансформаторах находят широкое применение кольцевые магнитопроводы, которые собирают из штампованных колец или навивают из длинной ленты. В этих магнитопроводах отсутствует воздушный зазор, поэтому магнитный поток рассеяния мал. В трансформаторах, рассчитанных на повышенные частоты, кольцевые магнитопроводы часто прессуют из ферромагнитного порошка, смешанного с изоляционным лаком.

Обмотки трансформаторов изготовляют из медного провода и располагают на одном и том же или на разных стержнях, рядом или одну под другой. В последнем случае непосредственно к стержню примыкает обмотка низшего напряжения, а поверх нее размещается обмотка высшего напряжения.

Обмотку трансформатора, к которой подводится напряжение питающей сети, называют первичной , а обмотку, к которой подсоединяется нагрузка,— вторичной . На сердечнике может быть размещено несколько вторичных обмоток с разным числом витков, что позволяет получить различные по значению вторичные напряжения.

При работе трансформатора за счет токов в обмотках, а также вследствие перемагничивания магнитопровода и вихревых токов выделяется теплота. Трансформаторы небольшой мощности (до 10 кВ-А), для которых достаточно воздушного охлаждения, называют сухими.

Рис. 7.2. Трехфазный силовой трансформатор Рис. 7.3. Общий вид автотрансформатора

I — ручка скользящего контакта; 2— скользящий контакт; 3 — обмотка

В мощных трансформаторах применяют масляное охлаждение (рис. 7.2). Магнитопровод 1 с обмотками 2, 3 размещается в баке 4, заполненном минеральным (трансформаторным) маслом. Масло не только отводит теплоту за счет конвекции или принудительной циркуляции, но и является хорошим диэлектриком (изолятором). Масляные трансформаторы надежны в работе и имеют меньшие размеры и массу по сравнению с сухими трансформаторами той же мощности. При изменении температуры объем масла меняется. При повышении температуры излишек масла поглощается расширителем 5, а при понижении температуры масло из расширителя возвращается в основной бак.

В тех случаях, когда требуется плавно изменять вторичное напряжение, применяют скользящий контакт для изменения числа витков обмотки (примерно так же, как это делается в ползунковых реостатах). Скользящий контакт широко используется в автотрансформаторах, рассчитанных на регулирование напряжения в небольших пределах (рис. 7.3).

ФОРМУЛА ТРАНСФОРМАТОРНОЙ ЭДС

Рассмотрим катушку (рис. 7.4), к зажимам которой подведено синусоидальное напряжение. Пренебрежем сопротивлением катушки и потерями на гистерезис и вихревые токи. Тогда приложенное к катушке напряжение u = U m sinωt будет уравновешиваться только ЭДС самоиндукции e = E m sin ω t .

Это очевидно, так как полностью уравновешивать друг друга могут только равные и одинаково изменяющиеся во времени величины.

В соответствии с законом электромагнитной индукции е = — w ; следовательно, Е m sin ωt= —ω.

Это дифференциальное уравнение позволяет найти зависимость между ЭДС обмотки и магнитным потоком в магнитопроводе:

d Ф= - sin ωt dt

Проинтегрируем левую и правую части этого выражения:

Ф = - ∫ sin ω t dt= cos ωt +A

Здесь постоянная интегрирования A = 0, так как синусоидальная ЭДС не может создать постоянную составляющую магнитного потока. Таким образом,

E= cos ω t = Ф m cos ω t,

где Ф m = Е m /ω w —амплитудное значение переменного магнитного потока в магнитопроводе катушки. Подставив в последнее равенство Е m = √2 E и ω = 2πf, получим

Ф m =, или Е=

т. е. Е = 4,44 fw Ф m . Это выражение, связывающее действующее значение ЭДС в обмотке с амплитудой магнитного потока в магнитопроводе, принято называть формулой трансформаторной ЭДС. Она играет важную роль в теории трансформаторов и электрических машин переменного тока.

Рис. 7.4. Схема катушки с ферромагнитным сердечником в цепи переменного тока

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА.

КОЭФФИЦИЕНТ ТРАНСФОРМАЦИИ.

Работа трансформатора основана на явлении взаимной индукции, которое является следствием закона электромагнитной индукции.

Рассмотрим более подробно сущность процесса трансформации тока и напряжения.

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока напряжением U 1 по обмотке начнет проходить ток I 1 (рис. 7.5), который создаст в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней ЭДС E 2 , которую можно использовать для питания нагрузки.

Поскольку первичная и вторичная обмотки трансформатора пронизываются одним и тем же магнитным потоком Ф, выражения индуцируемых в обмотке ЭДС можно записать в виде

Е 1 = 4,44fw 1 Ф m

Е 2 = 4,44 fw 2 Ф m

где f — частота переменного тока; w 1 , w 2 — число витков обмоток.

Е 2 /Е 1 = w 2 / w 2 = k .

Отношение чисел витков обмоток трансформатора называют коэффициентом трансформации k .

Таким образом, коэффициент трансформации показывает, как относятся действующие значения ЭДС вторичной и первичной обмоток.

На основании закона электромагнитной индукции можно написать

e 1 = — w 1 , e 2 = — w 2

Поделив одно равенство на другое, получим e 2 / e 1 = w 2 / w 1 = k

Следовательно, в любой момент времени отношение мгновенных значений ЭДС вторичной и первичной обмоток равно коэффициенту трансформации. Нетрудно понять, что это возможно только при полном совпадении по фазе ЭДС е 1 и е 2 .

Если цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута (режим холостого хода), то напряжение на зажимах обмотки равно ее ЭДС: U 2 = E 2 , а напряжение источника питания почти полностью уравновешивается ЭДС первичной обмотки U ≈ E 1 . Следовательно, можно написать, что k = E 2 / E 1 ≈U 2 /U 1 .

Рис. 7.5. Принципиальная схема однофазного трансформатора

Таким образом, коэффициент трансформации может быть определен на основании измерений напряжения на входе и выходе ненагруженного трансформатора. Отношение напряжений на обмотках ненагруженного трансформатора указывается в его паспорте.

Учитывая высокий КПД трансформатора, можно полагать, что S t ≈ S 2 , где S 1 = U 1 I 1 — мощность, потребляемая из сети; S 2 = U 2 I 2 — мощность, отдаваемая в нагрузку.

Таким образом, U 1 I 1 ≈ U 2 I 2 , откуда I 1 / I 2 ≈ U 2 / U 1 = k .

Отношение токов первичной и вторичной обмоток приближенно равно коэффициенту трансформации, поэтому ток I 2 во столько раз увеличивается (уменьшается), во сколько раз уменьшается (увеличивается) U 2 .

ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

В линиях электропередачи используют в основном трехфазные силовые трансформаторы. Внешний вид, конструктивные особенности и компоновка основных элементов этого трансформатора представлены на рис. 7.2. Магнитопровод трехфазного трансформатора имеет три стержня, на каждом из которых размещаются две обмотки одной фазы (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Размещение обмоток на сердечнике трехфазного трансформатора

Для подключения трансформатора к линиям электропередачи на крышке бака имеются вводы, представляющие собой фарфоровые изоляторы, внутри которых проходят медные стержни. Вводы высшего напряжения обозначают буквами А, В, С, вводы низшего напряжения — буквами а, b , с. Ввод нулевого провода располагают слева от ввода а и обозначают О (рис. 7.7).

Принцип работы и электромагнитные процессы в трехфазном трансформаторе аналогичны рассмотренным ранее. Особенностью трехфазного трансформатора является зависимость коэффициента трансформации линейных напряжений от способа соединения обмоток.

Применяются главным образом три способа соединения обмоток трехфазного трансформатора: 1) соединение первичных и вторичных обмоток звездой (рис. 7.8, а); 2) соединение первичных обмоток звездой, вторичных — треугольником (рис. 7.8, б); 3) соединение первичных обмоток треугольником, вторичных—звездой (рис. 7.8, в).

Рис. 7.8. Способы соединения обмоток трехфазного трансформатора

Обозначим отношение чисел витков обмоток одной фазы буквой k , что соответствует коэффициенту трансформации однофазного трансформатора и может быть выражено через отношение фазных напряжений: k = w 2 / w 1 ≈ U 2ф / U 1ф

Обозначим коэффициент трансформации линейных напряжений буквой с.

При соединении обмоток по схеме звезда — звезда

При соединении обмоток по схеме звезда — треугольник

с =.

При соединении обмоток по схеме треугольник— звезда

Таким образом, при одном и том же числе витков обмоток трансформатора можно в √3 раза увеличить или уменьшить его коэффициент трансформации, выбирая соответствующую схему соединения обмоток.

АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Принципиальная схема автотрансформатора изображена на рис. 7.9.

У автотрансформатора часть витков первичной обмотки используется в качестве вторичной обмотки, поэтому помимо магнитной связи имеется электрическая связь между первичной и вторичной цепями. В соответствии с этим энергия из первичной цепи во вторичную передается как с помощью магнитного потока, замыкающегося по магнитопроводу, так и непосредственно по проводам. Поскольку формула трансформаторной ЭДС применима к обмоткам автотрансформатора так же, как и к обмоткам трансформатора, коэффициент трансформации автотрансформатора выражается известными отношениями

k = w 2 /w l =E 2 /E l ≈ U 2 /U 1 ≈I 1 /I 2

Вследствие электрического соединения обмоток через часть витков, принадлежащую одновременно первичной и вторичной цепям, проходят токи I 1 и I 2 , которые направлены встречно и при небольшом коэффициенте трансформации мало отличаются друг от друга по значению. Поэтому их разность оказывается небольшой и обмотку w 2 можно выполнить из тонкого провода. Таким образом, при k = 0,5 - 2 экономится значительное количество меди. При больших или меньших коэффициентах трансформации это преимущество автотрансформатора исчезает, так как та часть обмотки, по которой проходят встречные токи I 1 и I 2 , уменьшается до нескольких витков, а сама разность токов увеличивается.

Электрическое соединение первичной и вторичной цепей повышает опасность при эксплуатации аппарата, так как при пробое изоляции в понижающем автотрансформаторе оператор может оказаться под высоким напряжением первичной цепи.

Автотрансформаторы применяют для пуска мощных двигателей переменного тока, регулирования напряжения в осветительных сетях, а также в других случаях, когда необходимо регулировать напряжение в небольших пределах.

Измерительные трансформаторы напряжения и тока используют для включения измерительных приборов, аппаратуры автоматического регулирования и защиты в высоковольтные цепи. Они позволяют уменьшить размеры и массу измерительных устройств, повысить безопасность обслуживающего персонала, расширить пределы измерения приборов переменного тока.

Измерительные трансформаторы напряжения служат для включения вольтметров и обмоток напряжения измерительных приборов (рис. 7.10). Поскольку эти обмотки имеют большое сопротивление и потребляют маленькую мощность, можно считать, что трансформаторы напряжения работают в режиме холостого хода.

Измерительные трансформаторы тока используют для включения амперметров и токовых катушек измерительных приборов (рис. 7.11). Эти катушки имеют очень маленькое сопротивление, поэтому трансформаторы тока практически работают в режиме короткого замыкания.

Рис. 7.10. Схема включения и Рис. 7.11. Схема включения и

условное обозначение измери- условное обозначение изме-

тельного трансформатора напря- рительного трансформатора тока
жения

Результирующий магнитный поток в магнитопроводе трансформатора равен разности магнитных потоков, создаваемых первичной и вторичной обмотками. В нормальных условиях работы трансформатора тока он невелик. Однако при размыкании цепи вторичной обмотки в сердечнике будет существовать только магнитный поток первичной обмотки, который значительно превышает разностный магнитный поток. Потери в сердечнике резко возрастут, трансформатор перегреется и выйдет из строя. Кроме того, на концах оборванной вторичной цепи появится большая ЭДС, опасная для работы оператора. Поэтому трансформатор тока нельзя включать в линию без подсоединенного к нему измерительного прибора. Для повышения безопасности обслуживающего персонала кожух измерительного трансформатора должен быть тщательно заземлен.

СВАРОЧНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

К источникам питания сварочных аппаратов предъявляются специфические требования: при заданной мощности они должны создавать большие токи в нагрузке, причем резкое изменение сопротивления нагрузки не должно существенно сказываться на значении сварочного тока.

Относительно невысокие напряжения при больших токах обеспечивают не только эффективное тепловыделение в сварочном контакте, но и безопасность сварщика, работающего обычно среди металлических конструкций с высокой электропроводностью.

В соответствии с рассмотренными требованиями сварочные трансформаторы обеспечивают понижение напряжения от 220 или 380 В до 60—70 В. Такое напряжение на зажимах вторичной обмотки устанавливается при холостом ходе сварочного трансформатора. В процессе сварки оно колеблется от максимального значения 60—70 В до значений, близких к нулю. Сопротивление электрической дуги, возникающей при сварке, изменяется при перемещениях руки сварщика. Если бы напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора поддерживалось постоянным, возникали бы резкие колебания тока в цепи и регулировать тепловыделение было бы невозможно. Поэтому сварочный трансформатор устроен так, что при резком уменьшении сопротивления дуги ток в цепи увеличивается незначительно, а произведение I 2 R , определяющее количество теплоты, сохраняется на требуемом уровне.

В соответствии с законом Ома при резком уменьшении сопротивления и незначительном увеличении тока напряжение на дуге снижается. Сварочный трансформатор имеет крутопадающую внешнюю характеристику.

Сварочный трансформатор выдерживает короткие замыкания, возникающие в случае прикосновения электрода к сварочному шву. Ток короткого замыкания, как показывает внешняя характеристика, ограничен. Вторичная обмотка трансформатора рассчитана на достаточно длительное протекание этого тока.

При постоянном напряжении питающей сети быстрое снижение выходного напряжения трансформатора при незначительном возрастании тока может быть достигнуто только за счет увеличения внутреннего падения напряжения в обмотках трансформатора. Для этого нужно увеличить сопротивление обмоток.

Сварочные трансформаторы изготовляют с большим регулируемым индуктивным сопротивлением обмоток. При этом увеличивают не активное сопротивление проводов, а индуктивное сопротивление рассеяния обмоток, так как увеличение активного сопротивления привело бы к возрастанию потерь энергии и перегреву трансформатора.

Для увеличения индуктивного сопротивления рассеяния обмоток увеличивают поток рассеяния, вводя в магнитопровод трансформатора шунтирующий магнитопроводящий стержень, через который замыкается часть основного магнитного потока. Изменяя значение воздушного зазора в шунтирующем стержне, можно изменять магнитный поток рассеяния. Средний подвижный стержень, выполняющий функции магнитного шунта, предусмотрен, например, в конструкции отечественного сварочного трансформатора СТАН-1.

Применяют и другие способы изменения индуктивного сопротивления рассеяния обмоток. Так, в трансформаторе СТЭ в цепь вторичной обмотки включают специальный дроссель с регулируемым воздушным зазором, а в трансформаторе ТС-500 изменяют расстояние между первичной и вторичной обмотками.