Робочий процес трансформатора

Призначення й області застосування трансформаторів

Трансформатором називають статичний електромагнітний пристрій, що має дві (або більше) індуктивно зв'язані обмотки й призначене для перетворення за допомогою явища електромагнітної індукції однієї (первинної) системи змінного струму в іншу (вторинну) систему змінного струму.

У загальному випадку вторинна система змінного струму може відрізнятися від первинної будь-якими параметрами: значеннями напруги й токи, числом фаз, формою кривої напруги (струму), частотою. Найбільше застосування в електротехнічних установках, а також в енергетичних системах передачі й розподілу електроенергії мають силові трансформатори, за допомогою яких змінюють значення змінної напруги й струму. При цьому число фаз, форма кривої напруги (струму) і частота залишаються незмінними.

Залежно від призначення трансформатори розділяють на силові трансформатори загального призначення й трансформатори спеціального призначення. Силові трансформатори загального призначення застосовуються в лініях передачі й розподілу електроенергії, а також у різних електропристроях для одержання необхідної напруги. Трансформатори спеціального призначення характеризуються розмаїтістю робочих властивостей і конструктивного використання. До цих трансформаторів ставляться грубні й зварювальні трансформатори, трансформатори для пристроїв автоматики (пік-трансформатори, імпульсні, помножувачі частоти й т.п.), іспитові й вимірювальні трансформатори й т.д.

При вивченні даного розділу будемо мати на увазі силові трансформатори загального призначення, за винятком гл. 5, у якій розглянуті деякі види трансформаторів спеціального призначення.

Принцип дії трансформаторів

Найпростіший силовий трансформатор складається з магнітопровода (сердечника), виконаного з феромагнітного матеріалу (звичайно листова електротехнічна сталь), і двох обмоток, розташованих на стрижнях магнітопровода (мал. 1.1, а). Одна з обмоток, що називають первинною, приєднана до джерела змінного струму  на напругу .  іншій обмотці, називаної вторинної, підключений споживач .

 

Рис. 1.1. Електромагнітна (а) і принципова (б) схеми трансформатора

Первинна й вторинна обмотки трансформатора не мають електричного зв'язку один з одним, і потужність із однієї обмотки в іншу передається електромагнітним шляхом. магнітопровід, на якому розташовані ці обмотки, служить для посилення індуктивного зв'язку між обмотками.

Дія трансформатора заснована на явищі електромагнітної індукції. При підключенні первинної обмотки до джерела змінного струму у витках цієї обмотки протікає змінний струм  який створює в магнітопровіді змінний магнітний потік . Замикаючись у магнітопровіді, цей потік зчіплюється з обома обмотками (первинної й вторинної) і індуктуе у них ЕРС:

у первинній обмотці ЕРС самоіндукції

,                              (1.1)

у вторинній обмотці ЕРС взаємоіндукції

,                              (1.2)

де  й  – число витків у первинній і вторинній обмотках трансформатора.

При підключенні навантаження  до виводів вторинної обмотки трансформатора під дією ЕРС  у ланцюзі цієї обмотки створюється струм , а на виводах вторинної обмотки встановлюється напруга . У підвищувальних трансформаторах , а в понижуючим .

З (1.1) і (1.2) видно, що ЕРС  й , що наводять в обмотках трансформатора, відрізняються друг від друга лише за рахунок різного числа витків  й  в обмотках, тому, застосовуючи

обмотки з необхідним співвідношенням витків, можна виготовити трансформатор на будь-яке відношення напруг.

Обмотку трансформатора, підключену до мережі з більше високою напругою, називають обмоткою вищої напруги (ВН); обмотку, приєднану до мережі меншої напруги, - обмоткою нижчої напруги (НН).

На мал. 1.1,6 показане зображення однофазного трансформатора на принципових електричних схемах.

Трансформатори мають властивість оборотності, той самий трансформатор можна використати в якості підвищувальні й понижуючого. Але звичайно трансформатор має певне призначення: або він підвищувальний, або - понижуючий.

Трансформатор – це апарат змінного струму. Якщо ж його первинну обмотку підключити до джерела постійного струму, то магнітний потік у магнітопровіді трансформатора також буде постійним як по величині, так і по напрямку (  ), тому в обмотках трансформатора не буде наводитися ЕРС, а отже, електроенергія з первинного ланцюга не буде передаватися у вторинну.

Класифікують трансформатори по декількох ознаках:

по призначенню - силові загального призначення, силові спеціального призначення, імпульсні, для перетворення частоти й т.д.;

по виду охолодження - з повітряним (сухі трансформатори) і масляним (масляні трансформатори) охолодженням (див. § 1.3);

по числу фаз, що трансформують - однофазні й трифазні;

за формою магнітопровода - стрижневій, броньові, броні стрижневі, тороїдальні;

по числу обмоток на фазу - двох обмотувальні, багато обмотувальні.

На задньому форзаці даної книги представлена діаграма класифікації силових трансформаторів загального призначення.

Пристрій трансформаторів

Сучасний трансформатор складається з різних конструктивних елементів: магнітопровода, обмоток, уведень, бака й ін. магнітопровід з насадженими на його стрижні обмотками становить активну частину трансформатора. Інші елементи трансформатора називають неактивними (допоміжними) частинами. Розглянемо докладніше конструкцію основних частин трансформатора.

Магнітопровід. магнітопровід у трансформаторі виконує дві функції: по-перше, він становить магнітний ланцюг, по якій замикається основний магнітний потік трансформатора, а по-других, він є основою для установки й кріплення обмоток, відводів, перемикачів. Магнітопровід має шихтовану конструкцію, тобто він складається з тонких (звичайно товщиною 0,5 мм) сталевих пластин, покритих із двох сторін ізолюючою плівкою (наприклад, лаком). Така конструкція магнітопровода обумовлена прагненням послабити вихрові струми, що наводять у ньому змінним магнітним потоком, а отже, зменшити величину втрат енергії в трансформаторі.

Рис. 1.2. Магнітопровід трифазного трансформатора стрижневого типу з обмотками

Силові трансформатори виконуються з магнітопроводами трьох типів: стрижневій, броньового й броні стрижневого.

У магнітопровіді стрижневого типу (мал. 1.2, а) вертикальні стрижні 1, на яких розташовані обмотки 2, зверху й знизу замкнуті ярмами 3. На кожному стрижні розташовані обмотки відповідної фази й проходить магнітний потік цієї фази: у крайніх стрижнях – потоки  й , а в середньому стрижні – потік . На мал. 1.2, б показаний зовнішній вигляд магнітопровода. При цьому стрижні мають східчастий перетин, що вписує в коло діаметром  (мал. 1.3). Стрижні трансформаторів великої потужності мають багато щаблів, що забезпечує краще використання площі кругу усередині обмотки. Для кращої тепловіддачі іноді між окремими пакетами стрижня залишають повітряні зазори шириною 5-6 мм, службовці вентиляційними каналами.

 

Рис. 1.3. Форма перетину стрижнів: