Трансформаторы

Для передачи электрической энергии на большие расстояния используются напряжения до десятков мегавольт. Сделано это для снижения потерь при передаче электроэнергии потребителям. Для получения таких напряжений используются повышающие силовые трансформаторы. В сетях, где подключаются нагрузки, используются понижающие силовые трансформаторы, обеспечивающие снижение уровня напряжения до номинальных для потребителя значений.

Силовые трансформаторы составляют основу повышающих и понижающих силовых электрических подстанций.

В современной РЭА трансформаторы также нашли широкое применение. Например, в блоках питания используются трансформаторы питания. Они позволяют получить практически любое значение вторичного питающего напряжения.

Трансформаторы используются как элементы межкаскадного согласования, как выходные согласующие устройства, как элементы схем формирования мощных импульсных сигналов.

1. Назначение, конструкция и принцип действия однофазного трансформатора

Трансформатором называется статическое (т.е. без движущихся узлов) электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования одного переменного напряжения в другое напряжение (или другие напряжения) той же частоты.

Трансформатор (рис. 62) имеет не менее двух обмоток с общим магнитным потоком, которые изолированы друг от друга (за исключением автотрансформаторов).

Рис. 62. Трансформатор и схема его подключения

В большинстве трансформаторов обмотки размещаются на магнитопроводе. Магнитопровод отсутствует только в воздушных трансформаторах, применяемых на частотах свыше 20 кГц.

По виду используемого магнитного сердечника (магнитопровода) различают трансформаторы с пластинчатым [набор штампованных (до 0,65 мм) одинаковых пластин, содержащих 4 - 5 % кремния для уменьшения вихревых токов], ленточным (толщина ленты до 0,1 мм — витая конструкция) и прессованным сердечниками. Пластины перед сборкой покрываются изолирующим лаком.

В последнее время наибольшее применение получили ленточные и прессованные сердечники, позволяющие, более эффективно использовать свойства магнитных материалов.

Ленточные сердечники имеют меньшие потери, а следо­вательно, позволяют получить больший к.п.д. трансформатора.

Прессованные сердечники дешевле пластинчатых и лен­точных, в то же время они имеют свои недостатки: значи­тельную зависимость индукции от температуры, пропитки и заливки обмоток, подверженность механическим воздей­ствиям. Прессованные сердечники применяются на относительно высоких частотах (более 10 кГц).

Примеры магнитопроводов представлены на рис. 63.

а

б

в

Рис. 63. Магнтопроводы:

а – пластинчатый; б - ленточный; в - прессованный

Обмотка трансформатора, присоединенная к источнику питания (к сети, генератору), называется первичной, и все величины, относящиеся к этой обмотке, именуются первичными и снабжаются индексом 1 (см. рис. 62). Первичная обмотка может состоять из нескольких обмоток, которые объединяются в одну обмотку, рассчитанную на питающее напряжение сети, например, 127 / 220 В.

Обмотки, к которым подключены приемники (потребители) электроэнергии, называются вторичными; связанные с ними величины сопровождаются индексом 2. Вторичных обмоток, как правило, несколько. Нумерация выводов, отображающая начало и конец каждой из обмоток, указывается на трансформаторе.

Для цепей питания однофазного тока применяются однофазные трансформаторы, для цепей трехфазного тока – трехфазные. Варианты условных графических обозначений указанных трансформаторов для функциональных и принципиальных схем приведены на рис. 64.

Трансформаторы специального назначения (согласующие, межкаскадные, выходные, импульсные) являются однофазными устройствами.

На щитке каждого мощного сетевого трансформатора должны указываться: обмотка высшего напряжения (ВН), обмотка низшего напряжения (НН), номинальная полная мощность (В · А или кВ · А), частота, число фаз, схема соединения обмоток, способ охлаждения (сухие и масляные трансформаторы) и другие параметры.

Рис. 64. УГО трансформаторов:

а - на функциональной схеме; б - на принципиальной схеме

Для трансформаторов питания РЭА в справочной литературе обязательно указываются параметры:

1. Номинальное напряжение первичной обмотки транс­форматора.

2. Номинальный ток первичной обмотки трансформато­ра.

3. Напряжение вторичной обмотки (обмоток) трансформатора.

4. Ток вторичной обмотки (обмоток) трансформатора.

5. Напряжение холостого хода трансформатора - напряжение на любой разомкнутой вторичной обмотке при номинальных частоте и напряжении на первичной обмотке.

6. Номинальная мощность трансформатора - сумма мощностей вторичных обмоток.

7. Коэффициент трансформации п - отношение напряжений на зажимах первичной и вторичной обмоток при холо­стом ходе.

8. Частота питающей сети и т.д.

Если первичное напряжение трансформатора меньше вторичного напряжения , то трансформатор повышающий; если , то трансформатор понижающий.

Впервые однофазный трансформатор применен П.Н. Яблочковым в 1876 г. Конструкция трехфазного трансформатора разработана в 1891 г. М.О. Доливо–Добровольским.

Принцип работы трансформатора основан на законах электромагнитной индукции.

Под действием источника переменного напряжения е по первичной обмотке протекает ток (на рис. 62 показаны направления для положительной полуволны напряжения источника е). Магнитодвижущая сила (МДС) возбуждает в магнитопроводе магнитный поток Ф, направление которого определяется правилом буравчика. Этот переменный магнитный поток индуцирует в первичной обмотке ЭДС самоиндукции, во вторичной – ЭДС взаимной индукции.

После замыкания цепи нагрузки под действием ЭДС взаимной индукции в приемнике с сопротивлением нагрузки r₂ протекает ток i₂ . Магнитодвижущая сила i₂w₂ возбуждает магнитный поток, направленный навстречу магнитному потоку, возбужденному МДС i₁w₁ . Таким образом, обмотки w₁ и w₂ включены встречно, поэтому суммарная МДС равна i₁w₁ - i₂w₂ Эта МДС определяет общий магнитный поток Ф.

Так как ЭДС е₁ = - w₁ dФ /d t ; e₂ = - w₂ dФ /d t индуцируются одним потоком Ф, то положительные направления этих ЭДС совпадают относительно одноименных выводов (рис. 62).

Обмотки w₁ и w₂ трансформатора обладают внутренним сопротивлением r_вн1 и r_вн2 , и на них падает часть напряжения. Однако эти сопротивления малы, так что практически выполняются условия:

U₂ /U₁ ≈ E₂ /E₁ = w₂ /w₁ = n₂₁,

где n₂₁ – коэффициент трансформации.

2. Классификация и система обозначения трансформаторов, используемых в РЭА

В РЭА наибольшее рас­пространение получили малогабаритные трансформаторы малой мощности с выходной мощностью до 4 кВ-А.

Малогабаритные трансформаторы (МТ) классифицируют по различным признакам.

По функциональному назначению МТ подразделяются на трансформаторы питания (силовые), согласующие и им­пульсные трансформаторы.

По рабочей частоте МТ бывают:

пониженной частоты (ниже 50 Гц);

промышленной частоты (50 Гц);

повышенной промышленной частоты (400, 1000 Гц);

повышенной частоты (до 10 000 Гц);

высокой частоты (свыше 10 000 Гц).

По электрическому напряжению МТ можно разделить на низковольтные, у которых напряжение любой обмотки не пре­вышает 1000 В, и высоковольтные, у которых напряжение любой обмотки превышает 1000 В.

По количеству обмоток МТ делят на однообмоточные, двухобмоточные и многообмоточные. Однообмоточный транс­форматор называется автотрансформатором. Гальванической развязки между входной и выходной цепью у него нет.

По конструктивному исполнению (по виду магнитопровода) трансформаторы подразделяются на броневые, стержневые и тороидальные (коль­цевые).

Система обозначения трансформаторов питания включает в себя следующие элементы: первый – буква Т, второй – буква или две буквы – указывает назначение трансформатора (А – трансформатор питания анодных цепей, Н – накальных це­пей, АН – анодно-накальных цепей, ПП – для питания устройств на полупроводниках, С – силовой для питания бытовой аппаратуры). Последующие элементы указывают: третий – число – порядковый номер разработки; четвер­тый – число – номинальное напряжение питания; пятый – число – рабочую частоту; шестой – буква или сочетание букв – вид исполнения (буква В – всеклиматического испол­нения, буквы ТС и ТВ – тропического исполнения с сухим и влажным воздухом, соответственно, три буквы УХЛ – для районов с умеренным и холодным климатом). Пример: ТН5-127/220-50-В – трансформатор для питания цепей (вторичное питающее напряжение 6,3 В), номер 5, на напряжение 127 и 220 В частоты 50 Гц, всеклиматического исполнения.

В РЭА применяются следующие виды трансформаторов: ТАН – трансформаторы для питания анодно-накальных цепей (характерны для аппаратуры, где в качестве активных элементов используются радиолампы); ТН – накальные трансформаторы; ТПП – трансформаторы для питания полупроводниковых приборов; УТП - унифицированные трансформаторы питания, пред­назначеные для получения различных по амплитуде и мощ­ности переменных напряжений частоты 50 и 400 Гц, в том числе используемых после выпрямлений для питания полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС); ТС – силовые трансформаторы для питания бытовой аппаратуры.

Входные согласующие трансформа­торы обозначаются: первый – буквой Т, второй – сочетанием букв: ВТ – входной для транзисторных устройств; третий – числом, указывающим порядковый номер разработки. Пример: ТВТ-1 – входной согласующий транс­форматор для согласования устройств на транзисторах, номер разработки – 1.

Система обозначения выходных согласующих трансфор­маторов: первый элемент – буква Т, второй элемент – сочетание букв ОТ (оконечный для транзисторных устройств), третий элемент - число, определяющее порядковый номер разработки. Пример: ТОТ-1 – выходной согласующий транс­форматор для транзисторных устройств, номер разработки – 1.

Для импульсных малогабаритных трансформаторов в си­стеме обозначения: первый элемент – буква Т, второй эле­мент – буква И или ИМ. Буква И (импульсный) исполь­зуется для обозначения трансформаторов на длительность импульсов от 0,5 мкс до 100 мкс, а буквы ИМ – на дли­тельность импульсов от 0,02 мкс до 100 мкс, третий эле­мент обозначения – число – порядковый номер разработки. Пример: ТИ-6 – трансформатор импульсный на длитель­ность импульсов от 0,5 до 100 мкс, порядковый номер разработки – 6; ТИМ-5 – трансформатор импульсный на длительность импульсов от 0,02 мкс до 100 мкс, порядковый номер 5.

3. Режимы работы трансформатора питания