Лекция № 6
Силовые трансформаторы
Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток, и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.
Назначение и области применения трансформаторов
При помощи трансформаторов повышают или понижают напряжение, изменяют число фаз, и в некоторых случаях преобразуют частоту переменного тока. Трансформаторы широко используют для следующих целей:
1) для передачи и распределения электрической энергии (силовые трансформаторы);
2) для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжений на выходе и входе преобразователя (преобразовательные трансформаторы);
3) для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питания электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др.
4) для питания различных цепей радиоаппаратуры и телевизионной аппаратуры, устройств связи, автоматики и телемеханики, электробытовых приборов; для разделения электрических цепей различных элементов указанных устройств; для согласования напряжений и пр.
5) для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов (реле и др.) в электрические цепи высокого напряжения или же в цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности (измерительные трансформаторы).
Трансформаторы, служащие для преобразования электрической энергии в сетях энергосистем и электропотребителей, называют силовыми трансформаторами. Для режима их работы характерны частота переменного тока 50 Гц и очень малые отклонения первичного и вторичного напряжений от номинальных значений. Силовые трансформаторы имеют мощность до 100 000 кВ·А и напряжение до 1150 кВ. Они могут быть одно- и трехфазными, двух- и трехобмоточными.
Трансформаторы, применяемые для этой цели, называют преобразовательными. Их мощность составляет сотни тысяч киловольт-ампер, напряжение до 110 кВ, работают они при частоте 50 Гц и более. Рассматриваемые трансформаторы выполняют одно-, трех- и многофазными с регулированием выходного напряжения в широких пределах и без него.
Мощность их достигает десятков тысяч киловольт-ампер при напряжении до 10 кВ, работают они обычно при частоте 50 Гц.
Трансформаторы, применяемые для этой цели, называют измерительными. Они имеют сравнительно небольшую мощность, определяемую мощностью, потребляемой электроизмерительными приборами, реле и др. Могут выполняться на такие же высокие напряжения, как и силовые трансформаторы.
Принцип действия трансформатора
Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора состоит из двух обмоток (рис. 29), размещенных на замкнутом магнитопроводе, который выполнен из ферромагнитного материала. Применение ферромагнитного магнитопровода позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т. е. уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток машины. Первичная обмотка подключается к источнику переменного тока (электрической сети) с напряжением U1; к вторичной обмотке присоединяется сопротивление нагрузки ZН.
Рис. 29. Электромагнитная система однофазного трансформатора:
1 – первичная обмотка, 2 – вторичная обмотка, 3 – магнитопровод
Обмотка более высокого напряжения называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а более низкого напряжения – обмоткой низшего напряжения (НН). Начала и концы обмотки ВН обозначаются большими буквами А и X, обмотки НН – малыми буквами а и х.
При подключении первичной обмотки к сети в этой обмотке возникает переменный ток, который создает переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуктирует в обеих обмотках переменные ЭДС е1 и е2 пропорциональные, согласно закону Максвелла, числам витков W1 и W2 соответствующих обмоток и скорости изменения потока dФ/dt. Таким образом, мгновенные значения ЭДС, индуктированных в каждой обмотке, будут
Следовательно, отношение мгновенных и действующих ЭДС в обмотках определяется выражением
Если пренебречь падениями напряжения в обмотках трансформатора, которые не превышают обычно 3–5% от номинальных значений напряжений U1 и U2 и считать Е1» U1 и Е2» U2, то получим, что
Следовательно, подбирая соответствующим образом числа витков обмоток, можно при заданном напряжении U1 получить желаемое напряжение U2. Если необходимо повысить вторичное напряжение, то число W1 берут меньшим W2, такой трансформатор называют повышающим. Если требуется уменьшить напряжение U2, то число витков W1 берут большим W2; такой трансформатор называют понижающим.
Отношение ЭДС первичного напряжения к ЭДС вторичного напряжения (или отношение их чисел витков) называют коэффициентом трансформации
В системах передачи и распределения энергии в ряде случаев применяют трехобмоточные трансформаторы, а в устройствах радиоэлектроники и автоматики — многообмоточные трансформаторы. В этих трансформаторах на магнитопроводе размещают три или большее число изолированных друг от друга обмоток, что дает возможность при питании одной из обмоток получать два или большее число различных напряжений (U2, U3, U4 и т. д.) для энергоснабжения двух или большего числа групп потребителей. В трехобмоточных силовых трансформаторах различают обмотки высшего, низшего и среднего напряжений.
В трансформаторе преобразуются только напряжения и токи. Мощность же остается приблизительно постоянной (она несколько уменьшается из-за внутренних потерь энергии в трансформаторе). Следовательно, при увеличении вторичного напряжения трансформатора в k раз (по сравнению с первичным) ток во вторичной обмотке соответственно уменьшается в k раз
Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику постоянного тока, то в его магнитопроводе также образуется магнитный поток, но он будет постоянным во времени по величине и направлению. Поэтому в первичной и вторичной обмотках в установившемся режиме не будет индуктироваться ЭДС, а следовательно, не будет передаваться электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Такой режим опасен для трансформатора, так как из-за отсутствия ЭДС E1 в первичной обмотке ток I1=U1/R1 резко возрастает.
Лекция № 7
