5 Трансформаторы
5.1 Назначение трансформаторов
Трансформатором называют электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одного переменного напряжения в другое, при этом сохраняется частота.
Применение трансформаторов в силовых электрических сетях позволяет сделать систему передачи и распределения электроэнергии гибкой и удобной. На мощных электростанциях вырабатывается электроэнергия с напряжением 3,15; 6,3; 10,5; 15,75; кВ.
Для уменьшения потерь энергии при передаче на большие расстояния напряжение повышается, например до 110, 220, 500, кВ. Большинство потребителей электроэнергии рассчитано на напряжение 0,4 кВ, кроме мощных электродвигателей, рассчитанных на 3 - 6 кВ. Силовые трехфазные трансформаторы предназначены, таким образом, для повышения напряжения потребителей электроэнергии и помещается на стороне потребителей.
Существуют трансформаторы специального назначения:
Разделительные - для разделения питающей сети от цепи нагрузки в выпрямительных установках.
Сварочные - используемые в источниках питания сварки и способствующие стабилизации сварочного тока, за счет увеличения собственного внутреннего сопротивления.
Импульсные и пик-трансформаторы используются в устройствах автоматики и служат для преобразования напряжения синусоидальной формы в импульсы напряжения пилообразной формы, для источника постоянной составляющей напряжения, получения амплитуды импульсов, их размещения и т.д.
Автотрансформаторы - где вторичная обмотка является частью первичной (у понижающих автотрансформаторов) и кроме магнитной связи, таким образом, существует еще и электрическая. Трехфазные автотрансформаторы применяющиеся в линиях электропередачи для связи сетей смежных напряжений, например 110 и 220 или 220 и 500 кВ.
Автотрансформаторы применяются в электроприводах двигателей переменного тока для уменьшения пусковых токов двигателей большой мощности, а так же для регулирования режимов работы электротермических установок. Широкое применение имеют однофазные трансформаторы, с переменным коэффициентом трансформации.
Измерительные трансформаторы позволяют стандартным измерительным механизмам измерять электрические величины (ток, напряжение, мощность, и т.д.) различных диапазонов и используются, соответственно, в измерительной технике.
5.2 Устройство и принцип действия трансформаторов
Принципиальная схема трансформатора изображена на (рис. 5.1). На замкнутом ферромагнитном сердечнике закреплены две обмотки, одна из которых (первичная) подключена к источнику синусоидального напряжения, к другой (вторичной) подсоединяется нагрузка.
Рис. 5.1
Переменный ток первичной обмотки i, .наводит магнитный поток, основная часть которого замыкается по магнитопроводу, и сцеплен с обеими обмотками. Согласно закону электромагнитной индукции он индуктирует ЭДС и е1 и e2 в обмотках трансформатора. ЭДС е1 уравновешивает подведенное напряжение u1, а ЭДС e2 является источником напряжения для цепи нагрузки.
Ток вторичной цепи i2 создает собственный магнитный поток, который складывается с магнитным потоком первичной цепи, в соответствии с принципом суперпозиции. Совокупность магнитных потоков первичной и вторичной цепи и создает рабочий магнитный поток Ф в сердечнике, индуктирующий ЭДС.
(5.1)
Рабочий магнитный поток не зависит от режима работы трансформатора, и в конечном итоге определяется конструкцией трансформатора и входным напряжением U1.
Однако часть магнитного потока создаваемого обмотками замыкается не по сердечнику, а по воздуху (частично или полностью) и сцеплен не с двумя, а лишь с одной обмоткой. Это часть магнитного потока - поток рассеяния Фp - индуктирует в обмотках дополнительные ЭДС рассеяния еp1, и еp2.
Очень важным параметром является коэффициент трансформации.
(5.2)
Э.Д.С. e1 и e2 и, соответственно, напряжения U1 и U2 пропорциональны числу витков, а токи обратно пропорциональны им.
(5.3)