7. Трансформаторы: конструкция, принцип работы, схема замещения и уравнения однофазного трансформатора.

Трансформатор - статический электромагнитный ап­парат, предназначенный для преобразования одной системы U и I в другую.

Принцип дей­ствия Т осно­ван на явлении электромагнит­ной индукции. Простейший Т (рис. 8.1) представляет собой замкнутый стальной сердечник, на котором размещаются две или несколько обмоток с различным числом витков, сделанных из медной проволоки. Обмотка, к которой подво­дится ток из сети, называется первичной, а обмотка, в кото­рой наводится э. д. с. взаимо­индукции, — вторичной. Если трансформатор повышающий, то его первичная обмотка является обмоткой низшего напряжения (НН), а вторичная обмотка — обмоткой высшего напряжения (ВН). У понижающего - наоборот. При прохождении по первичной обмотке переменного I создается магнитный поток, который почти полностью замыкается в сердечнике трансформатора; лишь незначительная его часть за­мыкается вокруг первичной обмотки, главным образом в воздухе (поток рассеяния).

Основной (намагничивающий) магнитный поток Ф, сцепляю­щийся с витками обеих обмоток, наводит в них э. д. с, мгновен­ные значения которых:

в первичной обмотке во вторичной обмотке

Так как переменное напряжение, приложенное к первичной обмотке трансформатора, синусоидально, то и магнитный поток Ф, и наводимые им э.д.с. также являются синусоидальной функцией времени, т. е. Ф=Ф_М . Подставляя значения магнитного потока, получаем

Но так как то мгновенные значения э.д.с.

Э. д. с. е₁ и е₂ отстают по фазе от намагничивающего потока Ф на угол ^п/_г, Максимальное значение Е_М= . Соответственно действующие значения э. д. с.:

Разделив первое выражение на второе, получаем - коэффициент трансформации.

Э. д. с, наводимые в первичной и вторичной обмотках трансфор­матора, прямо пропорциональны количеству витков обмоток.

Трансформатор состоит из следующих основных частей: магнитопровода, обмоток (первичной и вторичной) (рис. 8.1.), вывод­ного устройства и кожуха или бака с расширителем.

В целях уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод собирается в пакеты из отдельных листов трансформаторной стали толщиной 0,35 — 0,50 мм, изолированных друг от друга лаком или бумагой. Магни­топровод состоит из сердеч­ников, верхнего и нижнего ярма, замыкающих магнит­ную цепь. Листы пакета ярма и сер­дечника обычно собираются внахлестку, что снижает магнитное сопротивление магнитопровода. Листы спрес­совываются и стягиваются стяжными шпильками.

Магнитопроводы: стержневые (более распространены) и броне­вые. В стержневом имеются 2 стерж­ня и 2 ярма, замыкающие эти стержни. Обмотки располагаются на обоих стержнях. В броневом 1 стержень. Броневые применяются преи­мущественно в Т малой мощности.

Рис. 8.5. Обмотка трансформатора:

а) — концентрическая; б) чередующаяся

Обмотки Т могут быть концентрические или чередующиеся. Для уменьшения по­токов рассеяния первичные и вторичные обмотки по возможности должны быть расположены ближе друг к другу. При концентрических - одна обмотка располагается внутри другой, снаружи помещается обмотка ВН, так как обмотку НН легче изолировать от заземленного сердечника. При чередующейся - первичная и вторичная обмотки разбиваются на ряд плоских секций, которые, чередуясь между собой, насаживаются на сердечник. Обмотки изготовляются из медного провода прямоугольного или круглого сечения, большей частью с хлопчатобумажной изо­ляцией, пропитанной специальными изоляционными лаками.

Выводное устройство предназначается для присоединения обмоток Т к внешним (первичной и вторичной) цепям. Для этого на крышке Т монтируются специальные выводы высокого и низкого напряжения, находящиеся в проходных фарфо­ровых изоляторах.

По способу охлаждения Т: сухие и масляные. Сухие имеют воздушное охлаждение и обычно помещаются в кожух, изготовленный из тонкой листовой стали, который предохраняет Т от механических по­вреждений. Т значительной мощности, а также Т, включаемые в сети высокого напряжения, делаются с масля­ным охлаждением. В этом случае магнитопровод с обмотками по­мещают в бак, заполненный трансформаторным маслом. Это спо­собствует более интенсивному охлаждению и в то же время повышает электрическую прочность изоляции обмо­ток. Обычно стенки бака делают ребристыми, что увеличивает поверхность охлажде­ния бака.

Трансформаторы можно классифицировать:

по числу фаз сети переменного тока — однофазные, трехфаз­ные и многофазные;

по числу обмоток — двухобмоточные, трехобмоточные и много­обмоточные;

по действию — повышающие и понижающие;

по назначению — силовые, измерительные и специального на­значения;

по месту установки — для внутренней и наружной установок;

по способу охлаждения — с естественным воздушным и с масляным охлаждениями. В свою очередь трансформаторы с масляным охлаждением могут быть с искусственным воздушным охлаждением и с принудительной циркуляцией масла.

Силовые Т - для преобразования U в силовых и осветительных сетях. Измерительные Т - в контрольно измерительных цепях для включения в сеть измерительных при­боров. Они подразделяются на ТV и TA. Специальные T представляют собой обширную группу разных по назначению T, используемых в различных целях. Это: автотрансформаторы, сварочные Т и Т для электрических печей, Т для ртутных выпрямителей и т. д.

Т характеризуются номинальными величинами: первичным и вторичным U (В или кВ), мощностью (кВа), I первичной и вторичной обмоток (А), час­тотой переменного тока (Гц).

При работе Т масло циркулирует от нагретых частей обмоток к радиаторам и стенкам бака и, соприкасаясь с ними, охлаждается. В нижней части бака имеется кран для выпуска масла. В крышке есть отверстие для заливки транс­форматорного масла. На крышке устанавливается расширитель, соединенный с баком трубкой. Расширитель зна­чительно уменьшает поверхность соприкосновения масла с возду­хом, вследствие чего уменьшается и количество влаги, попадаю­щей в масло из воздуха. При изменении температуры масло в баке расширяется и переходит по соединительной трубке в расширитель, в результате чего давление масла в баке не повышается. Расши­ритель имеет масломерное стекло для наблюдения за уровнем масла. В нижней части расширителя находится пробка, через ко­торую периодически выпускается влага, попадающая из воздуха а масло и ухудшающая его качество. Температура масла контроли­руется с помощью термометра, установленного на крышке транс­форматора.

В Т между первичным и вторичным контурами имеется только магнитная связь, прямой электрической связи нет. Это создает неудобства при расчетах. Практически более удобной является электрическая схема замещения Т, в которой магнитная связь между контурами заменена электрической.

Для приведенного Т уравнения напряжений име­ют вид:

Так как E₁'= E₁ то обе цепи трансформаторов можно пред­ставить в виде схемы (рис. 8.8.) r₁ и r'₂ представляют собой активные сопротивле­ния обмоток, а x₁=2πfL_S1 и x₂=2πfL_S2— их реактивные сопро­тивления рассеяния, изображенные в виде отдельных катушек: I₀— ток хx, E₁— э. д. с, наводимая магнитным пото­ком Ф. Здесь реальные обмотки представлены в виде идеальных (без рассеяния), объединен­ных в одну обмотку. Такое объе­динение возможно, так как потен­циалы начальных и конечных точек обмоток соответственно равны друг другу (E₁=E₂'), следовательно, рас­пределение токов не изменится. Эта объединенная обмотка имеет реактивное сопротивление х₀ и активное r₀ и называется намагни­чивающей ветвью. Очевидно, что

Величину r₀ находим из равенства

где

По первому закону Кирхгофа

В конечном виде уравнение токов

В случае работы трансформатора в режиме хх I'₂=0 и I₁=I₀, т. е. вторичная сторона тран­сформатора в создании намагничива­ющего тока участия не принимает.