2. Принцип дії та будова трансформатора

Дія трансформатора грунтується на явищі електромагнітної індук­ції. Якщо первинну обмотку трансформатора ввімкнути в мережу джерела змінного струму, то по ній протікатиме змінний струм, який збудить в осерді трансформатора змінний магнітний потік. Магнітний, потік, пронизуючи витки вторинної обмотки трансформато­ра, індукує в ній ЕРС. Під дією цієї ЕРС по вторинній обмотці і че­рез приймач енергії протікатиме струм. Отже, електрична енергія, трансформуючись передається з первинного кола у вторинне, але з іншою напругою, на яку розрахований приймач енергії, ввімкнений у вторинне коло.

Щоб поліпшити магнітний зв'язок між первинною та вторинною обмотками, їх розміщують на сталевому магнітопроводі. Для змен­шення втрат від вихрових струмів магнітопроводи трансформаторів складають із тонких пластин (завтовшки 0,5 і 0,35 мм) трансформа­торної сталі з нанесеною ізоляцією (жаростійким лаком). Трансформа­торна сталь може бути гаряче- та холоднокатаною.

У холоднокатаної сталі висока магнітна проникність (більша, ніж у гарячекатаної) у напрямку, що збігається з напрямком прокатуван­ня, в той час як поперек прокатування магнітна проникність віднос­но низька. Тому магнітопроводи з холоднокатаної сталі виготовляють так, щоб магнітні лінії замикалися в напрямку прокатування сталі. Магнітопроводи трансформаторів малої потужності виготовляють з стрічки холоднокатаної сталі.

У трансформаторах великих потужностей магнітопроводи склада­ють зі сталевих штаб. Холоднокатану сталь розрізують так, щоб на­прямок магнітних ліній у складеному магнітопроводі збігався з на­прямком прокатування сталі. У гарячекатаної сталі магнітна проникність однакова в усіх напрямках і в разі малих потужностей магнітопроводи складають із пластин Ш- або П-подібної форми, які штам­пують з листової сталі.

Залежно від форми магнітопроводу та розміщення обмоток на ньому трансформатори можуть бути стержньовими та броньовими. У магнітопроводу стержньового однофазного трансформатора є два стержні, на яких розміщені його обмотки (рис. 74, а). Ці стержні з'єд­нані ярмом з двох боків так, що магнітний потік замикається по сталі. У магнітопроводу броньового однофазного трансформатора (рис. 74, б) є один стержень, на якому розміщені обмотки трансформатора. Стер­жень з двох боків охоплюється (бронюється) ярмом так, що обмотка частково захищена магнітопроводом від механічних пошкоджень.

Магнітопроводи з холоднокатаної сталі — стержньові (рис. 74, в) ^; і броньові (рис. 74, г) — виконуються стрічковими.

Трансформатори великої потужності виготовляють стержньовими, оскільки у них простіша, ніж у броньових, ізоляція обмоток вищої напруги від магнітопроводу. У трансформаторах малої потужності напруги обмоток низькі, тому ізолювання їх від магнітопроводу знач­но спрощується. Трансформатори малої потужності часто виготовля­ють із броньовим магнітопроводом, у якого один комплект з двома обмотками, в той час як у стержньового — два комплекти.

У броньовому магнітопроводі магнітний потік, виходячи зі стержня, розгалужується на дві однакові частини, причому та частина, що зами­кається через ярмо, удвічі менша, ніж та, що у стержні; через це пере­різ ярма передбачають удвічі меншим від перерізу стержня.

Для вимірювальних і лабораторних трансформаторів, а також у разі підвищеної частоти застосовують тороїдні (кільцеподібні) маг­нітопроводи, перевагами яких є відносно малий магнітний опір і май­же повна відсутність зовнішнього потоку розсіяння. За рівномірного розподілу обмоток по обводу тороїда такі трансформатори не чутливі до зовнішніх магнітних полів незалежно від їхнього напрямку. Торо­їдні магнітопроводи виготовляють зі стрічки холоднокатаної сталі, а обмотки намотують на спеціальному верстаті човникового типу.

Обмоткам трансформатора надають переважно форму циліндрич­них (круглих) котушок, які концентрично нанизують на стержень магнітопроводу. Обмотки такої форми краще витримують радіальні механічні зусилля, що виникають під час роботи трансформатора. У деяких випадках застосовують котушки складнішої форми — прямо­кутні, овальні та ін. Для малої сили струму обмотки намотують із мідного або алюмінієвого ізольованого проводу круглого поперечного перерізу, а для великої — прямокутного поперечного перерізу.

Р озміщення циліндричних обмоток показано на рис. 75. Ближче до стержня магнітопроводу знаходиться обмотка нижчої напруги (НН), бо її легше ізолювати від магнітопроводу, ніж обмотку вищої напруги (ВН). Обмотку НН ізолюють від магнітопроводу прокладками, рейками, шайбами та іншими ізоляційними деталями (частіше з електро-каргону). Обмотку ВН ізолюють від обмотки НН.

Якщо обмотки циліндричні, то краще, коли поперечний переріз магнітопроводу має круглу форму, оскільки в цьому випадку у площі, що охоплюється обмотками, не залишається проміжків, не заповне­них сталлю. Чим менше незаповнених проміжків, тим менша довжина витків обмоток, отже, менша маса обмотувального проводу при зада­ній площі поперечного перерізу магнітопроводу. Проте магнітопроводів круглого поперечного перерізу не роблять, бо такий магнітопровід треба складати з великої кількості сталевих листів різної ширини. Тому у трансформаторів великої потужності магнітопровід має сту­пінчастий поперечний переріз з дев'ятьма-десятьма ступенями. Кіль­кість ступенів перерізу осердя обумовлюється кількістю кутів у одній чверті обводу. На рис. 75 магнітопровід має три ступені поперечного перерізу.

Для кращого охолодження у магнітопроводах потужних трансфор­маторів передбачають охолоджувальні канали у площинах, паралель­них площинам сталевих листів і перпендикулярних до цих площин. Охолоджувальні канали влаштовують і в обмотках.

У малопотужних трансформаторів поперечний переріз магніто­проводу має прямокутну форму і обмоткам надають форму прямокутних котушок. У разі малих сил струмів радіальні механічні зусилля, що виникають під час роботи трансформатора і діють на обмотки, бу­дуть невеликі, отже, виготовлення обмоток спрощується.

Магнітопровід трансформатора складають встик або внапуск. Якщо встик, то всі частини магнітопроводу складають роздільно з окремих штаб або пластин і потім разом. За такого складання просто виконувати монтаж і демонтаж трансформатора, але в місці стикуван­ня треба помістити ізоляційну прокладку, яка збільшує магнітний опір. Пластини ярма точно не збігатимуться із пластинами стержня, внаслідок чого пластини ярма і стержня будуть замкнені. Таке зами­кання призведе до збільшення вихрових струмів, які обумовлюють високе нагрівання сталі у місці стику. Нагрівання може бути таке високе, що сталеві пластини сплавляться в суцільну масу і трансфор­матор вийде з ладу.

Якщо магнітопровід складають внапуск, то сталеві пластини ук­ладають так, щоб у штаб, які знаходяться поруч, розрізи були в різних точках. Такий спосіб ускладнює монтаж і демонтаж трансформатора, але й дає змогу значно зменшити магнітний опір, оскільки пластини щільно прилягають одна до одної.

У паспорті трансформатора зазначають його номінальну потуж­ність Р, номінальні напруги U₁ і U₂ та сили струмів І₁ і І₂ первин­ної та вторинної обмоток при повному (номінальному) навантаженні.

Номінальною потужністю трансформатора назива­ється повна потужність, яку віддає його вторинна обмотка при пов­ному (номінальному) навантаженні. Номінальна потужність вимірю­ється в одиницях повної потужності, тобто у вольт-амперах або кіло­вольт-амперах. У ватах і кіловатах виражають активну по­тужність трансформатора, тобто ту потужність, яка може бути перетворена з електричної в механічну, теплову, хімічну, світлову тощо.

Площі перерізу проводів обмоток та всіх частин машини чи будь-якого електричного апарата обумовлюються не активною складовою сили струму чи активною потужністю, а повною силою струму, що протікає по провіднику, отже, повною потужністю.

У трансформаторів малої потужності велика питома поверхня охо­лодження, тому природного повітряного охолодження для них ціл­ком досить. Для трансформаторів великої потужності передбачають масляне охолодження. Для цього їх поміщають у металеві баки, на­повнені мінеральним маслом. Дуже поширене природне охолодження стінок трансформаторного бака. Для збільшення охолоджуваної по­верхні в стінки баків вварюють сталеві труби або радіатори. У процесі експлуатації масло в трансформаторному баці стикається з навколишнім повітрям і зазнає окислення, зволоження та забруд­нення, внаслідок чого знижується його електрична тривкість. Щоб за­безпечити нормальну експлуатацію теансформатора, треба контролювати температуру масла, замінювати його новим, періодично вису­шувати й чистити. Зміна температури трансформатора призводить до зміни рівня масла. У зв'язку з цим трансформаторні баки забез­печують розширниками. Розширник являє собою циліндричну посуди­ну з листової сталі. Його встановлюють над кришкою бака і з'єдну­ють патрубком. Рівень масла змінюється тільки в розширнику, що дає змогу зменшити площу поверхні масла, яка стикається з повіт­рям, і запобігти забрудненню та зволоженню масла.