Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную), имеющую другие характеристики.
Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции, открытом английским физиком Фарадеемв 1831 г.
Явление электромагнитной индукции состоит в том, что если внутри замкнутого проводникового контура изменяется во времени магнитный поток, то в самом контуре наводится (индуктируется) электродвижущая сила (э. д. с.) и возникает индукционный ток.
Мгновенное значение наводимой в контуре э. д. с. определяется формулой
е = -(dФ/dt)•10-4 в(1.1)
где е —мгновенное значение э. д. с; Ф — магнитный поток, вб; 10-4 — коэффициент пропорциональности.
Знак «минус» в формуле (1.1) поставлен согласно правилу русского физика Ленца, которое указывает на то, что наведенный в контуре ток вызывает внутри контура вторичный магнитный поток, направленный таким образом, что он противодействует изменению первоначального магнитного потока.
Формула (1.1) указывает на то, что величина наведенной э. д. с. не зависит от абсолютного значения магнитного потока Ф, а только от скорости изменения этого потока. Кроме того, наводимая в контуре э. д. с. не зависит ни от тока в контуре, ни от его сопротивления.
Если в контуре будет несколько последовательно соединенных витков ω, то наведенная в полученной катушке э. д. с будет в ω раз больше, т. е.
е = - ω•(dФ/dt)•10-4 в (1.2)
Если взять две катушки I и II с числами витков ω1 и ω2 и расположить их соосно, т. е. так, чтобы их оси совпадали, то мы получим простейший трансформатор, изображенный на рис. 1.1, действие которого заключается в следующем.
Рис.1.1 Простейший трансформатор (без стального сердечника)
К катушке I, называемой первичной, от сети переменного тока подводится напряжение с действующим значением U1. Благодаря этому в катушке возникает электрический ток, который в свою очередь создает переменный магнитный поток Ф. Силовые линии этого потока пронизывают не только первичную катушку I, но также и вторичную катушку II, поэтому в обеих катушках наводятся э. д. с. самоиндукции E1 (в первичной катушке) и э. д. с. взаимоиндукции E2 (во вторичной) (E1 и E2 — действующие значения э. д. с).
Э. Д. с. E1 компенсируется приложенным первичным напряжением U1, а э. д. с. E2 будет являться вторичным напряжением U2 (пренебрегая падениями напряжения, см. далее).
Однако изображенный на рис. 1.1 трансформатор является несовершенным для практического применения. Магнитный поток ввиду большого сопротивления воздуха невелик, поэтому магнитная связь между обеими катушками оказывается слабой. Кроме того, некоторая часть магнитных линий не пронизывает вторичную катушку, образуя так называемый поток рассеяния, который не участвует в трансформировании напряжения, поэтому вторичное напряжение соответственно понижается.
Чтобы уменьшить сопротивление по пути прохождения магнитного потока и тем самым усилить магнитную связь между первичной и вторичной катушками или, как их более принято называть, обмотками, последние должны быть расположены на замкнутом железном (стальном) сердечнике (магнитопроводе), как это показано на рис. 1.2. Применение замкнутого стального магнитопровода значительно снижает относительную величину потока рассеяния, так как проницаемость применяемой для магнитопроводов стали в 800—1000 раз выше, чем у воздуха (или вообще у диамагнитных материалов).
Таким образом, две (или более) обмотки, насаженные на замкнутый стальной магнитопровод, представляют собой трансформатор.
Из этого определения следует, что основными принципиальными частями трансформатора являются первичная и вторичная обмотки и магнитопровод.
Предполагая, что обе обмотки, первичная и вторичная, пронизываются одним и тем же магнитным потоком (пренебрегая потоком рассеяния), можем на основании формулы (1.2) написать для каждой из обмоток:
е1 = - ω1•(dФ/dt)•10-4 в,
е2 = - ω2•(dФ/dt)•10-4 в.
Рис. 1.2. Принцип устройства трансформатора две обмотки, насаженные на замкнутый стальной магнитопровод)
Разделив одно равенство на другое, легко получить соотношение
е1/е2 = ω1/ ω2
На основе равенства
(Е действующее значение э. д. с) можно написать, что
е1/е2 = Е1/Е2= ω1/ ω2=К. (1.3)
где К — коэффициент трансформации.
Коэффициентом трансформации называется отношение индуктируемых в первичной и вторичной обмотках э. д. с, равное отношению чисел витков этих обмоток.
§ 1.2. ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО СИЛОВЫХ
В последнее время в связи с внедрением теплостойкой изоляции расширился и предел применения воздушного (безмасляного) охлаждения силовых трансформаторов. Стало возможным выполнение «сухих» трансформаторов до мощности 1000 ква при напряжении до 15 кв.
Общий вид трансформатора с воздушным охлаждением без защитного кожуха изображен на рис. 1.9.
Как было уже сказано, собственно трансформатор состоит из магнитопровода и насаженных на него обмоток. Кроме того, трансформатор состоит из целого ряда чисто конструкционных узлов и элементов, представляющих собой конструктивную его часть.
Элементы конструкции служат главным образом для удобства применения и эксплуатации трансформатора. К ним относятся изоляционные конструкции, предназначенные для обеспечения изоляции токоведущих частей, отводы и вводы — для присоединения обмоток к линии электропередачи, переключатели — для регулирования напряжения трансформатора, баки — для заполнения их трансформаторным маслом, трубы и радиаторы — для охлаждения трансформатора и др.
Магнитопровод трансформатора представляет собой замкнутую магнитную цепь, предназначенную для прохождения главного магнитного потока, сцепленного с обеими обмотками.
Для силовых трансформаторов преимущественно применяются магнитопроводы стержневого типа. Однофазные трансформаторы имеют магнитопроводы с двумя стержнями, несущими обмотки, а трехфазные три стержня. Стержни соединены верхним и нижним ярмами. Одно- и трехфазный трансформаторы со стержневыми магнитопрово-дами показаны на рис. 1.3 и 1.4
На рис. 1.3 и 1.4 буквами С—С обозначены стержни. Я—Я — ярма о—О — обмотки, ИЦ — изоляционный цилиндр.
Магнитопровод трансформатора собирается из пластин листовой электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов пластины изолируются друг от друга нанесением лаковой или химической изоляционной пленки.
Так как магнитопроводы собираются из пластин прямоугольной формы, то их сборка производится впереплет (такая сборка называется шихтовкой).
Рис. 1.3. Однофазный стержневой магнитопровод
Рис. 1.4. Трехфазный стержневой магнитопровод
При этом образующиеся стыки пластин одного слоя перекрываются пластинами соседнего слоя, как это показано на рис. 1.5, б. Сборка встык применяется редко.
Сборка магнитопроводов способом шихтовки преследует две цели: во-первых, уменьшение намагничивающего тока трансформатора и, во-вторых, увеличение механической прочности собранного магнитопровода.
Сечению стержней магнитопровода, на которые насаживаются обмотки, придают форму, близкую к кругу (вписанную в окружность), показанную на рис. 1.6. Число ступеней выбирается в зависимости от мощности трансформатора: чем больше мощность (а следовательно, и диаметр круга), тем больше берется число ступеней.
Внутри магнитопроводов трансформаторов большой мощности для лучшего отведения тепла, возникающего от потерь в стали, устраиваются охлаждающие каналы, по которым циркулирует масло или воздух (у «сухих» трансформаторов).
Ярмо магнитопровода имеет в сечении также ступенчатую форму. Однако у трансформаторов меньшей мощности с целью некоторого упрощения конструкции число ступеней сечения ярма часто берут меньшим, чем у сечения стержня, или иногда ярмо делают прямоугольного сечения. В последних случаях для уменьшения тока холостого хода и потерь в стали сечение ярма выбирают на 5—10% больше сечения стержня.
Устройство и конструкция магнитопроводов более подробно описаны в гл. XI.
Обмотки силовых трансформаторов обычно подразделяют на обмотки высшего и низшего напряжения (ВН и НН), а не на первичную и вторичную, так как любая из обмоток может быть первичной или вторичной в зависимости от того, которая из них включается в питающую сеть.
Рис. 1.5. Способы сборки магнитопроводов:
а — встык; б — шихтовкой
Обмотка трансформатора представляет собой часть электрической цепи (первичной или вторичной), в связи с чем она состоит из проводникового материала (обмоточная медь или алюминий) и изоляционных деталей. В комплект обмотки входят также выводные концы, ответвления для регулирования напряжения, емкостные кольца и электростатические экраны емкостной защиты от перенапряжении.
Расположение обмоток ВН и НН на стержне у силовых трансформаторов применяется преимущественно концентрическое, т. е. когда одна обмотка одета (или намотана) на другую, как показано на рис. 1.7, а. Ближе к стержню обычно расположена обмотка НН, так
Рис. 1.6. Формы сечения стержней:
а — прямоугольная; б — ступенчатая
как ввиду более низкого напряжения ее легче изолировать от стержня, чем обмотку ВН. Между обмотками помещают изоляционные цилиндры (ИЦ, см. рис. 1.3).
При концентрическом расположении обмотки выполняются цилиндрическими двух- или многослойными, катушечными, винтовыми или непрерывными. Выбор типа обмоток зависит от числа витков, размера и числа параллельных проводов, способа охлаждения, мощности трансформатора и других факторов.
Об устройстве и конструкции обмоток более подробно сказано в гл. XII.
У некоторых трансформаторов специального назначения, как, например, у электропечных, применяется чередующееся расположение обмоток. При таком расположении обмотки выполняются дисковыми, состоящими из отдельных одинарных или двойных дисковых катушек. Катушки ВН и НН насаживаются на стержень поочередно причем крайними со стороны ярм располагают катушки НН, как требующие меньших изоляционных расстояний. Схематически чередующаяся обмотка изображена на рис. 1.7,6.
Рис. 1.7. Расположение обмоток ВН и НН на стержне магнитопровода:
а - концентрическое; б - чередующееся.
Магнитопровод и обмотки вместе с крепежными деталями образуют активную часть силового трансформатора.
Трансформатор во время своей работы вследствие возникающих в нем потерь нагревается. Чтобы температура нагрева трансформатора (в основном его изоляции) не превышала допустимого значения, необходимо обеспечить достаточное охлаждение обмоток и магнитопровода. Для этого в большинстве случаев трансформатор (активную часть) помещают в бак, заполненный трансформаторным маслом. При нагревании масло начинает циркулировать и отдает тепло стенкам бака, а от последних тепло рассеивается в окружающем воздухе.
Для увеличения теплоотдающей поверхности бака, что необходимо с увеличением мощности трансформатора, в стенки вваривают трубы, а у самых крупных трансформаторов к бакам пристраивают охладители в виде радиаторов или отдельных охлаждающих устройств.
Общий вид силового трансформатора с трубчатым баком изображен на рис. 1.8.
Подробнее об охлаждении и охлаждающих устройствах сказано в гл. X.
Рис. 1.8. Общий вид силового масляного трехфазного трансформатора мощностью 320 ква, 6кв, с трубчатым баком:
1 — термометр; 2 — ввод обмотки ВН; 3 — ввод об мотки НН; 4 — пробка для заливки масла; 5 указатель уровня масла; 6 — пробка для доливки масла; 7 — маслорасширитель; 8 — магнитопровод; 9 —обмотка НН; 10 — обмотка ВН; 11 — пробка для взятия пробы и спуска масла; 12 — бак для масла.
Рис. 1.9. Общий вид трехфазного трансформатора с воздушным охлаждением мощностью 560 ква, 10 кв, без защитного кожуха.
В последнее время в связи с внедрением теплостойкой изоляции расширился и предел применения воздушного (безмасляного) охлаждения силовых трансформаторов. Стало возможным выполнение «сухих» трансформаторов до мощности 1000 ква при напряжении до 15 кв.
Общий вид трансформатора с воздушным охлаждением без защитного кожуха изображен на рис. 1.9.
