Основные определения и принцип действия трансформатора

Основные определения и принцип действия трансформатора

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока.

Для просмотра видео наведите курсор

В общем случае вторичная система переменного тока может отличаться любыми параметрами: величиной напряжения и тока, числом фаз, формой кривой напряжения (тока), частотой.

Наибольшее применение в электротехнических установках, а также в энергетических системах передачи и распределения электроэнергии имеют силовые трансформаторы, посредством которых изменяют величину переменного напряжения и тока. При этом число фаз, форма кривой напряжения (тока) и частота остаются неизменными.

Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопровода - сердечника, выполненного из ферромагнитного материала (обычно листовая электротехническая сталь) и двух обмоток (катушек), расположенных на стержнях магнитопровода. Одна из обмоток присоединена к источнику переменного тока на напряжение U 1, эту обмотку называют первичной. К другой обмотке подключен потребитель Z н - ее называют вторичной.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток i 1, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь на магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками (первичной и вторичной) и индуктирует в них э. д. с.:

e 1 = - w1 (d Ф/dt); (1)

e 2 = - w2 (d Ф/dt); (2)

где w 1 и w 2 , — число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

При подключении нагрузки Z н к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием Э.Д.С. е2 в цепи этой обмотки создается ток i 2 , а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U 2. В повышающих трансформаторах U 2 > U 1, а в понижающих — U 1 < U 2

Из (1) и (2) следует, что Э.Д.С. е1 и е2, отличаются друг от друга числом витков обмоток, в которых они наводятся. Поэтому, применяя обмотки с требуемым соотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое отношение напряжений.

Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения, — обмоткой низшего напряжения (НH).

Трансформаторы обладают свойством обратимости; один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повышающего и понижающего. Но обычно трансформатор имеет определенное назначение: либо он является повышающим, либо понижающим.

Трансформатор — это аппарат переменного тока. Если же его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то магнитный поток и магнитопроводе трансформатора также будет постоянным как по величине, так и по направлению (d Ф/dt = 0). Поэтому и в обмотках трансформатора не будет наводится Э.Д.С.

Классификация трансформаторов

Конструкция трансформаторов в значительной степени зависит от их назначения. По этому признаку трансформаторы разделяют на следующие основные виды:

1. силовые, применяемые:

• в системах передачи и распределения электроэнергии;

• для установок со статическими преобразователями (ионными или полупроводниковыми) при преобразовании переменного тока в постоянный (выпрямители) или постоянного в переменный (инверторы);
• для получения требуемых напряжений в цепях управления электроприводами и в целях местного освещения;

2. силовые специального назначения — печные, сварочные т. п.;

3. измерительные — для включения электрических измерительных приборов в сети высокого напряжения или сильного тока;
4. испытательные — для получения высоких и сверхвысоких напряжений, необходимых при испытаниях на электрическую прочность электроизоляционных изделий;
5. радио трансформаторы — применяемые в устройствах радио- и проводной связи, в системах автоматики и телемеханики для получения требуемых напряжений, согласования сопротивлений электрических цепей, гальванического разделения цепей и др.

Кроме того, имеется еще ряд специализированных трансформаторов;

Трансформаторы одного и того же назначения могут различаться:

по виду охлаждения — с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением;

по числу трансформируемых фаз — однофазные и многофазные;

по форме магнитопровода — стержневые, броневые, бронестержневые, тороидальные;

по числу обмоток — двухобмоточные и многообмоточные (одна первичная и две или более вторичных обмоток);

по конструкции обмоток — с концентрическими и чередующимися обмотками.

Основные элементы трансформаторов

Основные части трансформатора — это магнитопровод и обмотки. Магнитопровод трансформатора выполняют из листовой электротехнической стали. Перед сборкой листы с двух сторон изолируют (в основном лаком). Такая конструкция магнитопровода дает возможность в значительной степени ослабить в нем вихревые токи. Часть магнитопровода, на которой располагают обмотки, называют стержнем.

В двухфазных стержневых трансформаторах имеются два стержня (в трехфазных - три) и соединяющих их два ярма .

Броневые трансформаторы имеют разветвленный магнитопровод с одним стержнем и ярмами, частично прикрывающими («бронирующими») обмотки .

Стержневая конструкция имеет наибольшее распространение, особенно в трансформаторах большой и средней мощности. Достоинства этой конструкции — простота изоляции обмоток, лучшие условия охлаждения, простота ремонта.

Трехфазные трансформаторы обычно выполняют на магнитопроводе стержневого типа с тремя стержнями .

В трансформаторах большой мощности применяют бронестержневую конструкцию магнитопровода , которая хотя и требует несколько повышенного расхода электротехнической стали, но позволяет уменьшить высоту магнитопровода (НВС < НС), а следовательно, и высоту трансформатора. Это имеет большое значение при его перевозке в собранном виде.

По способу соединения стержней с ярмами различают магнитопроводы стыковые и шихтованные. В стыковых магнитопроводах стержни и ярма собирают раздельно, а затем соединяют посредством крепежных частей. Такая конструкция магнитопровода облегчает посадку обмоток на стержни, так как для этого достаточно снять только верхнее ярмо. Но при шихтовой сборке магнитопровода, когда листы (полосы) собирают «внахлестку», воздушный зазор в месте стыка стержней и ярем может быть сделан минимальным, что значительно снизит магнитное сопротивление магнитопровода. Кроме того, механическая прочность шихтованного магнитопровода намного выше, чем стыкового. Все это привело к тому, что шихтованные магнитопроводы получили в России основное применение. Листы магнитопровода стягивают посредством шпилек и накладок , изолированных от листов изоляционными шайбами и трубками.

В последнее время сборку листов (полос) магнитопровода в пакет выполняют наложением на стержни бандажа из стекловолокняной ленты.

Форма поперечного сечения стержней зависит от мощности трансформатора: в небольших трансформаторах применяют стержни прямоугольного сечения , в трансформаторах средней и большой мощности —стержни ступенчатого сечения с числом ступеней, возрастающим с увеличением мощности трансформатора. Ступенчатое сечение стержней обеспечивает лучшее использование площади внутри обмотки, так как периметр ступенчатого стержня приближается к окружности. В трансформаторах большой мощности для улучшения теплоотдачи между пакетами стали магнитопровода устраивают вентиляционные каналы .

Магнитопроводы трансформаторов малой мощности обычно изготовляют из узкой ленты холоднокатаной (текстурованной) стали путем навивки. Такая сталь имеет улучшенные магнитные свойства в направлении проката (но длине ленты), что позволяет уменьшить вес витого магнитопровода по сравнению с шихтованным. Обычно ленточные магнитопроводы делают сборными, собирают встык и стягивают специальными накладками (хомутами). Такая конструкция магнитопровода значительно упрощает сборку трансформатора.

Обмотки трансформаторов выполняют из проводов круглого и прямоугольного сечения, изолированных кабельной бумагой.

Обмотки бывают цилиндрические, располагаемые на стержнях концентрически, и дисковые, располагаемые на стержнях в чередующемся порядке.

Магнитопровод трансформатора вместе с кожухом или баком заземляют, что обеспечивает безопасность обслуживания трансформатора в случае, если изоляция обмотки окажется пробитой.

Возможны два варианта взаимного расположения обмоток на стержнях магнитопроводов: раздельное расположение (на одном стержне обмотка ВН, а на другом — НН) применяют весьма редко и только в высоковольтных трансформаторах, так как это создает лучшие условия для надежной изоляции обмотки ВН от обмотки НН; однако в этом случае наблюдается увеличение магнитного потока рассеяния.

Наиболее распространено равномерное концентрическое расположение обмоток на всех стержнях магнитопровода, так как это обеспечивает малую величину магнитного потока рассеяния. При этом обычно ближе к стержни располагают обмотку НН, так как она требует меньшей электрической изоляции от стержня (заземленного), затем укладывают слой изоляции из картона или бумаги и обмотку ВН.

В трансформаторах с масляным охлаждением магнитопровод с обмотками помещен в бак, наполненный трансформаторным маслом.

Омывая обмотки и магнитопровод, трансформаторное масло отбирает от них тепло и, обладая более высокой теплопроводностью, чем воздух, через стенки бака и трубы радиатора отдает ее в окружающую среду. Наличие трансформаторного масла обеспечивает более надежную работу высоковольтных трансформаторов, так как электрическая прочность масла намного выше, чем воздуха. Масляное охлаждение интенсивнее воздушного, поэтому габариты и вес масляных трансформаторов меньше, чем у сухих трансформаторов такой же мощности.

В трансформаторах мощностью до 20—30 кВ∙А применяют баки с гладкими стенками. У более мощных трансформаторов для увеличения охлаждаемой поверхности стенки бака делают ребристыми или же применяют трубчатые баки.

Масло, нагреваясь, поднимается сверх и, охлаждаясь, опускается вниз. При этом масло циркулирует в трубах, что способствует более быстрому его охлаждению .

У трансформаторов классов напряжения 110 кВ и выше для охлаждения применяют радиаторы.

Для компенсации объема масла при кипении температуры, а также для защиты масла трансформатора от окисления и увлажнения при контакте с воздухом в трансформаторах применяют расширитель, представляющий собой цилиндрический сосуд, установленный на крышке бака и сообщающийся с ним. Колебания уровня масла с изменением его температуры происходят не в баке, который всегда заполнен маслом, а в расширителе, сообщающемся с атмосферой.

В процессе работы трансформаторов не исключена возможность возникновения в них явлений, сопровождающихся бурным выделением газов, что ведет к значительному увеличению давления внутри бака, поэтому по избежание повреждения баков трансформаторы мощностью 1000 кВ∙А и выше снабжают выхлопной трубой , которую устанавливают на крышке бака. Нижним концом труба сообщается с баком, а ее верхний конец заканчивается фланцем, на котором укреплен стеклянный диск. При давлении, превышающем безопасное для бака, стеклянный диск лопается и газы выходят наружу.

Трансформаторы средней и большой мощности снабжены газовым реле. При возникновении в трансформаторе значительных повреждений, сопровождаемых обильным выделением газов (например, при коротком смыкании между витками обмоток), газовое реле срабатывает и замыкает контакты цепи управления выключателя, который отключает трансформатор от сети. Обмотки трансформатора с внешней цепью соединяют вводами, выполняемыми обычно из фарфора.

К баку трансформатора прикреплен щиток, на котором указаны:

• номинальная мощность — мощность на зажимах вторичной обмотки, кВ∙А или МВ∙А;
• номинальное напряжение, В или кВ;
• напряжение короткого замыкания, %;
• ток холостого хода, %.