1 Трансформаторы

1.1 Назначение трансформаторов и их применение Принцип работы

Трансформатор – это статический электромагнитный аппарат, преобразующий посредством электромагнитной индукции переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте.

В трансформаторе нет вращающихся частей, поэтому он не является машиной в обычном смысле этого слова. Однако, преобразование электроэнергии в нем происходит на основе тех же законов, что и в электрических машинах. В частности, теория трансформаторов очень схожа с теорией асинхронных машин, поэтому трансформаторы составляют неотъемлемую часть курса электрических машин.

Трансформаторы различаются:

• по числу фаз питающей сети – на одно- и трехфазные;

• по соотношению напряжений первичной и вторичной обмотки – на повышающие U₂ > U₁ и на понижающие U₂ < U₁, где U₁ – напряжение питания первичной обмотки, U₂ – напряжение, снимаемое со вторичной обмотки трансформатора;

• по назначению – на силовые и специальные (измерительные, согласующие, сварочные, печные, автотрансформаторы, импульсные и т.д.);

• по конструкции – на сухие и масляные. В сухих трансформаторах охлаждение осуществляется при естественной или искусственной конвекции воздуха, а в масляных – при естественной или принудительной циркуляции трансформаторного масла.

Трансформатор характеризуется номинальными данными, которые указаны на его заводском щитке.

Номинальная мощность трансформатора S_н – полная мощность на зажимах вторичной обмотки, указываемая на щитке и выраженная в вольт–амперах (ВА) или киловольт–амперах (кВА).

Номинальное первичное напряжение U_1Н – напряжение сети, на которое рассчитан трансформатор.

Номинальное вторичное напряжение U_2Н – напряжение на зажимах вторичной обмотки при холостом ходе и номинальном первичном напряжении.

Номинальные токи обмоток – первичный I_1Н и вторичный I_2Н – токи, соответствующие номинальным значениям напряжений и мощности.

Для трехфазных трансформаторов в качестве номинальных значений напряжений и токов указывают линейные величины.

На электростанциях генераторы переменного тока вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6 – 24 кВ, передавать же ее на дальние расстояния с целью уменьшения потерь выгодно при значительно больших напряжениях (110,220,330,500 и 750 кВ). Поэтому на каждой электростанции устанавливают трансформаторы, осуществляющие повышение напряжения.

Распределение электрической энергии между промышленными предприятиями, населенными пунктами, в городах, а также внутри промышленных предприятий производится по воздушным и кабельным линиям при напряжении 35, 10 и 6 кВ. Следовательно, во всех узлах распределительных сетей должны быть установлены понижающие трансформаторы. На самом предприятии в цехах потребление электроэнергии в большинстве случаев производится напряжением 220, 380 и 660 В, что также требует использование понижающих трансформаторов.

Таким образом, электрическая энергия при передаче от электрических станций к потребителям подвергается в трансформаторах многократному преобразованию (3 – 5 раз).

Основными частями трансформатора являются сердечник и обмотки. Сердечник для уменьшения потерь от вихревых токов собирают из листов специальной электротехнической стали толщиной 0,35-0,5 мм. Толщина листов зависит от частоты питающего напряжения. Так, например, при: f=50 Гц, толщина листа – 0,5 мм;

f=400 Гц, толщина листа – 0,35 мм.

Листы перед сборкой сердечника покрывают с обеих сторон лаком. Сама электротехническая сталь обладает большой магнитной проницаемостью, что уменьшает намагничивающий ток трансформатора I_op, и малыми удельными потерями в стали, что уменьшает активную составляющую тока холостого хода I_oa. В результате отмеченных факторов использование электротехнической стали приводит к уменьшению всего тока холостого хода трансформатора.

Работа трансформаторов основана на явлении электромагнитной индукции. Рассмотрим ее на примере однофазного двухобмоточного трансформатора (рисунок 1.1).

Первичная обмотка трансформатора, имеющая w₁ витков, подключается к источнику синусоидального напряжения u₁. К вторичной обмотке с числом витков w₂ присоединяют нагрузку с сопротивлением z_н. Начало и конец обмотки высшего напряжения (ВН) обозначают буквами А и Х, обмотки низшего напряжения (НН) – буквами a и x.

Переменный ток первичной обмотки создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь по магнитопроводу, этот поток сцепляется с обмотками трансформатора и наводит в них ЭДС:

(1.1)

где е₁ – ЭДС самоиндукции, е₂ – ЭДС взаимоиндукции.

а)

Рисунок 1.1 – Схема однофазного трансформатора (а) и

его условное графическое изображение (б)

При подключении нагрузки z_н за счет ЭДС е₂ появится ток i₂ и на выводах вторичной обмотки установится напряжение u₂. Данное напряжение, как и ток i₂, будут отличаться от напряжения u₁ и тока i₁ первичной обмотки. Следовательно, в трансформаторе происходит изменение параметров энергии: подводимая к первичной обмотке из электрической сети энергия с напряжением u₁ и током i₁ преобразуется в электрическую энергию с напряжением u₂ и током i₂.

Е сли магнитный поток трансформатора является синусоидальной функцией времени , то после подстановки его в уравнения (1.1) и дифференцирования, получим

е₁ = – ω w₁ Ф_m = ω w₁ Ф_m ;

(1.2)

е₂ = – ω w₂ Ф_m = ω w₂ Ф_m .

Анализ полученных уравнений показывает, что ЭДС е₁ и е₂ отстают по фазе от потока Ф на 90°.

Максимальные значения ЭДС:

ω w₁ Ф_m; ω w₂ Ф_m;

действующие значения данных ЭДС:

= = w₁ Ф_m = 4,44 w₁ Ф_m = 4,44 w₁ ;

(1.3)

= = w₂ Ф_m = 4,44 w₂ Ф_m = 4,44 w₂ ,

где – частота тока в сети, w₁ и w₂ – числа витков обмоток; Ф_m – амплитудное значение основного магнитного потока в сердечнике; – амплитудное значение индукции в сердечнике магнитопровода; – площадь поперечного сечения сердечника.

Отношение ЭДС обмоток однофазного трансформатора равно отношению числа витков этих обмоток и называется коэффициентом трансформации k:

. (1.4)

В режиме холостого хода трансформатора U₁ ≈ E₁ и E₂ = U₂₀, поэтому . Обычно коэффициент трансформации принимается как отношение  .

Если пренебречь падениями напряжения в обмотках трансформатора, которые не превышают 3 – 5% от номинальных значений напряжений U₁ и U₂, и считать U₁ ≈ E₁ и U₂ ≈ E₂, то получим, что

. (1.5)

Следовательно, подбирая соответствующим образом число витков w₂, можно при заданных U₁ и w₁ получить желаемое напряжение U₂.

Так как КПД силового трансформатора сравнительно высок и может достигать 98-99%, то можно считать, что в трансформаторе преобразуются только напряжения и токи, мощность же остается примерно постоянной, т. е. S₁ ≈ S₂.

Тогда для однофазного трансформатора U₁ I₁ ≈ U₂ I₂, откуда

U₁ / U₂ ≈ I₂ / I₁. (1.6)

В трехфазных трансформаторах полные мощности обмоток S₁ ≈ S₂

S ₁= U₁ I₁;

(1.7)

S₂= U₂ I₂,

где U₁ и I₁ – линейные величины напряжения и тока первичной обмотки, U₂ и I₂ –то же вторичной.

Таким образом, токи в обмотках трансформатора практически обратно пропорциональны их напряжениям.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть постоянного тока на такое же напряжение как и при переменном токе, то трансформатор сгорит, потому что в нем не будет индуктироваться ЭДС E₁ и напряжение сети будет уравновешиваться только падением напряжения на активном сопротивлении r₁ первичной обмотки, которое мало и, следовательно, ток в первичной обмотке будет очень большой, I₁ = U_1Н / r₁ >> I_1Н.