Трансформаторы

Трансформатор – электромагнитный статический преобразователь с двумя или более неподвижными обмотками, который преобразует параметры переменного тока: напряжение, ток, частоту, число фаз.

В электроустановках применяют силовые трансформаторы, преобразующие напряжение переменного тока при неизменной частоте.

Трансформаторные устройства специального назначения используются для преобразования не только напряжения переменного тока, но и его частоты, числа фаз и т.д.

Классификация трансформаторов:

1) по числу фаз преобразуемого напряжения – однофазные, многофазные (трехфазные)

2) по числу обмоток, приходящихся на одну фазу- двухобмоточные, многообмоточные

3) по способу охлаждения – сухие (с воздушным охлаждением), масляные (погруженные в металлический бак, заполненный трансформаторным маслом)

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

Основными частями трансформатора являются магнитопровод, обмотки, защитный кожух, клеммная колодка, крепежные элементы. Магнитопровод состоит из стержней и ярм. На стержнях расположены обмотки. Ярма служат для соединения магнитопровода в замкнутую систему. В качестве материала магнитопровода используют электротехнические стали и железо-никелевые сплавы.

По способу изготовления магнитопроводы бывают пластинчатые и ленточные.

В однофазных трансформаторах используют стержневые., броневые, тороидальные магнитопроводы.

Пластинчатые. Стержневые пластинчатые. Броневые пластинчатые. Тороидальные пластинчатые.

Ленточные разрезные стержневого и броневого типов. Тороидальные ленточные.

На стержне магнитопровода располагают первичную и вторичную обмотки одной фазы. Многообмоточный трансформатор имеет одну первичную и несколько вторичных обмоток. Обмотки многофазных трансформаторов могут быть соединены звездой или треугольником.

Режимы работы трансформаторов: холостой ход, короткое замыкание, режим нагрузки.

В режиме холостого хода определяется режим трансформации. Если W₂ < W_1­ и U₂ < U₁ – трансформатор понижающий; W₂ > W_1­ и U₂ > U₁ – повышающий. В зависимости к какой обмотке подводится U₁, один и тот же трансформатор может быть понижающим или повышающим. В режиме нагрузки мощность на выходе и входе равны. Трансформатор работает только на переменном токе, если:

Магнитный поток в магнитопроводе окажется постоянным по величине и направлению, не будет индуцировать по величине и обмотке. Передача энергии не будет происходить.

Трансформаторные устройства специального назначения.

1) Трансформаторы для выпрямительных устройств.

Особенность таких трансформаторов – наличие во вторичной цепи диодов.

Ток I_d создаёт в магнитопроводе постоянный ток I_d, т.е создаётся подмагничивание магнитопровода, которое ведёт к увеличению I_d. В связи с этим увеличивается ток обмотки I₁, увеличиваются потери и КПД уменьшается.

2) Автотрансформаторы имеют одну обмотку, часть витков которой принадлежит одновременно первичной и вторичной цепям. Авторансформаторы могут быть понижающими и повышающими, однофазными и трехфазными.

Ток I₁₂ = I₂ – I₁ –> I₂ = I₁₂ + I₁

Недостатки:

1) При коротком замыкании часть витков обмотки «ах» шунтируется и ток к.з. достигает максимальных значений.

2) При этом резко увеличивается напряжение на участке «Аа» или при обрыве «ах».

3) Наличие электрической связи между первичной и вторичной цепями.

3) Пик-трансформаторы применяются для преобразования синусоидального напряжения в импульсы пикообразной формы с целью управления тиристорами либо другими полупроводниковыми устройствами.

П ервичная обмотка расположена на стержне увеличенного сечения, в котором не наступает состояние магнитного насыщения.

Стержень с обмоткой Φ₂ имеет меньшее сечение, при некотором значении U₁ в нём наступает магнитное насыщение.

3-ий стержень – магнитный шунт, отделён воздушным зазором, в нём наступает магнитное насыщение.

Переменный магнитный поток Φ₁ разветвляется через боковые стержни Φ₁ =Σ Φ₂ + Φ_м­. Φ₁ имеет синусоидальный характер и значения. Его часть замыкается через его стержень с обмоткой W_2­­ и меньшей Φ_м­. С ростом U_1­ увеличивается Φ₁ и наступает магнитное насыщение W₂. Рост потока практически уменьшается и ЭДС наведённая во вторичной обмотке = 0. В момент времени l₂ резко увеличивается и приобретает пикообразную форму.

4 ) Импульсные трансформаторы применяют для согласования полных сопротивлений, изменения знака и амплитуды импульсов, для размножения импульсов. Основное требование к ним – минимальное искажение формы трансформируемых импульсов.

Электромагнитные процессы для передачи напряжения влияют на материал магнитопровода, вихревые, а также паразитные, ёмкостные связи между обмотками. Поэтому данные трансформаторы изготавливают из материалов с магнитным не насыщением, с узкой петлёй гистерезиса, с небольшим воздушным зазором применяют подмагничивание постоянным током, полярность которого противоположна полярности трансформаторных импульсов, из магнитных материалов с повышенной магнитной проницаемостью μ (пермаллой, ферриты).