13

Трансформатор

1. Назначение, устройство

И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

1.1. Назначение

Трансформатор – это статическое (т.е. без подвижных частей) устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмотки и предназначенное для преобразования переменного напряжения по величине или для гальванического разделения цепей. Передача энергии из одной цепи в другую происходит на основе электромагнитной индукции.

Преобразование напряжения по величине в электроэнергетике в основном требуется в следующих случаях:

● когда напряжение питания данного устройства отличается от выходного напряжения генератора или напряжения в сети;

● при передаче электроэнергии на большие расстояния – в сотни или тысячи километров.

Остановимся на последнем случае. Генераторы электростанций вырабатывают энергию напряжением обычно 10…20 кВ. Чтобы передать потребителю большую мощность, скажем, 10 МВт, то при столь невысоком напряжении в линии электропередачи (ЛЭП) должен быть очень большой ток: А. Этот ток приведёт к тепловым потерям в линии: ΔР_л=I²r_л. При достаточно большой длине ЛЭП эти потери станут настолько велики, что передача электроэнергии станет просто невыгодной. Увеличивать же сечение медных проводов ЛЭП с целью понизить её сопротивление r_л совсем уж нерационально. Но если ту же самую мощность Р=IU передавать при более высоком напряжении, повысив его, например, в 10 раз, т.е. до 100 кВ, то ток в линии в 10 раз уменьшится, а тепловые потери ΔР_л уменьшатся уже в 100 раз. Для этой цели на электростанциях ставят повышающие трансформаторы, которые повышают напряжение с генераторов до 35, 110, 220, 330, 500 или 750 кВ, а затем уже направляют энергию в ЛЭП. На местах потребления электроэнергии напряжение должно быть понижено до рабочего уровня большинства бытовых и промышленных приёмников: 220 или 380 В. Для этого в местах приёма устанавливаются понижающие трансформаторы.

Идею создания трансформатора предложил русский электротехник П. Н. Яблочков (1878), а интенсивно выпускаться и применяться трансформаторы начали с 1890 года, когда М. О. Доливо-Добровольским была разработана теория трёхфазных цепей и технически рассчитаны и созданы все звенья трёхфазной системы: генераторы, трансформаторы, линии передачи, электродвигатели.

1.2. Устройство трансформатора

Конструктивно трансформатор представляет собою две или несколько обмоток, насаженных на замкнутый магнитопровод (сердечник) из магнитомягкого ферромагнитного материала: какой-либо электротехнической стали или пермаллоя – сплава с малой коэрцитивной силой Н_с~10…100 А/м. Обмотки навиваются на каркас медным проводом. Одна из обмоток является первичной, на неё поступает входное напряжение и₁(t). Вторичных обмоток, откуда снимаются выходные напряжения, может быть одна или несколько. Все обмотки тщательно изолируются как от магнитопровода, так и друг от друга.

Использование магнитопровода преследует две цели: 1) уменьшить рассеяние магнитного потока Ф почти до нуля, так как почти все линии поля В (индукции) направляются по магнитопроводу; 2) сделать индуктивное сопротивление катушек ωL≫r − их активного сопротивления, что уменьшает тепловые потери в трансформаторе ΔР=I²r, так что КПД даже маломощных трансформаторов достигает 90%, а мощных – 98-99%.

М агнитопровод делается не цельным, а набирается из листов железа (или пермаллоя) толщиной обычно 0,35 мм, которые изолируются друг от друга слоем лака (он также может навиваться из железной ленты). Такая конструкция позволяет уменьшить тепловые потери в магнитопроводе, так как уменьшаются контуры развития вихревых токов: они циркулируют уже не по всему сечению магнитопровода, а лишь по сечениям отдельных листов (рис. 1), что резко увеличивает сопротивление вихревым токам.

По форме магнитопровода трансформаторы бывают стержневые и броневые. Стержневые набираются из П-образных пластин, а броневые – из Ш-образных. В обоих случаях магнитопровод может не набираться из листов, а навиваться из ленты, как показано на рис. 2. Ленточные магнитопроводы более экономичны, так как у них плавняе обводы (нет углов), что заметно уменьшает рассеяние потока из магнитопровода и, следовательно, увеличивает индуктивную связь обмоток.

В трансформаторах, работающих на высоких частотах, магнитопроводы делают из порошковых материалов – ферритов, так как даже в тонких пластинах потери от вихревых токов на высоких частотах оказываются недопустимо большими.

В трансформаторах большой мощности – в десятки и сотни мегаватт – интенсивность тепловыделения и нагрев обмоток настолько велики, что трансформатор приходится принудительно охлаждать, помещая его в кожух, заполненный циркулирующим трансформаторным маслом.