Раздел 2. Трансформаторы
Тема 2.1. Назначение, классификация, принцип действия и устройство трансформаторов
2.1.1. Назначение, классификация и принцип действия трансформаторов
Трансформатор – статический электромагнитный аппарат, имеющий две (или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенный для преобразования посредством электромагнитной индукции переменного напряжения (тока) одной величины в переменное напряжение (ток) другой величины при неизменной частоте, форме кривой напряжения (тока) и неизменном количестве фаз.
Трансформаторы позволяют значительно повысить напряжение, вырабатываемое источниками переменного тока, установленными на электрических станциях, и осуществить передачу электроэнергии на дальние расстояния при высоких напряжениях (110, 220, 500, 750, и 1150 кВ). Благодаря этому сильно уменьшаются потери энергии в проводах и обеспечивается возможность значительного уменьшения площади поперечного сечения проводов линий электропередач.
В местах потребления электроэнергии высокое напряжение, подаваемое от высоковольтных линий электропередач, снова понижается трансформаторами до сравнительно небольших значений (127, 220, 380 и 660 В), при которых работают электрические потребители, установленные на фабриках, заводах, в депо и жилых домах. На электроподвижном составе переменного тока трансформаторы применяют для уменьшения напряжения, подаваемого из контактной сети к тяговым двигателям и вспомогательным цепям.
Классифицируют трансформаторы по следующим признакам (рис. 18):
1). По назначению – силовые (применяют в системах передачи и распределения электроэнергии, а также для получения требуемого напряжения питания различных установок); специальные (характеризуются разнообразием свойств и конструкций – сварочные, печные, измерительные, испытательные, импульсные и др.).
2). По виду охлаждения – с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением.
3). По числу трансформируемых фаз – однофазные и трёхфазные.
4). По форме магнитопровода – стержневые, броневые, бронестержневые, тороидальные.
5). По числу обмоток на фазу – двухобмоточные, многообмоточные.
Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопровода М и двух обмоток w1 и w2, расположенных на стержнях магнитопровода. (рис. 19). К одной обмотке, называемой первичной, подаётся напряжение U1 от генератора Г. К другой обмотке, называемой вторичной, подключается потребитель Zн. Первичная и вторичная обмотки электрически не связаны между собой и мощность из первичной обмотки во вторичную передаётся электромагнитным путём. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в её витках протекает переменный ток i1,создавая в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф, зависящий от напряжения и частоты изменения переменного тока в источнике, к которому подключен трансформатор. Этот поток, проходя по магнитопроводу, пронизывает витки первичной w1 и вторичной w2 обмоток, индуктируя в них ЭДС е1 и е2:
е1 = ―w1·(dФ/dt) и е2 = ―w2·(dФ/dt),
где w1 и w2 – число витков обмоток, dФ/dt – скорость изменения магнитного потока.
Рис. 18. Классификация силовых трансформаторов.
Рис. 19. Электромагнитная (а) и принципиальная (б) схемы силовых трансформаторов.
ЭДС е1 и е2 отличаются друг от друга лишь за счёт разности витков в обмотках (в каждом витке первичной и вторичной обмотки индуцируется одинаковая ЭДС), поэтому, применяя обмотки с разным соотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое соотношение напряжений между обмотками.
При подключении к выводам вторичной обмотки нагрузки Zн в её цепи создаётся ток i2 под действием ЭДС е2 и устанавливается напряжение U2. В повышающих трансформаторах U2>U1, а в понижающих U2<U1.
Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотку, присоединённую к сети меньшего напряжения, - обмоткой низшего напряжения (НН).
Степень преобразования напряжения (тока) одной величины в напряжение (ток) другой величины показывает коэффициент трансформации n:
n = Евн/Енн = wвн/wнн,
где Евн – ЭДС обмотки высшего напряжения, Енн – ЭДС обмотки низшего напряжения, wвн – число витков обмотки высшего напряжения, wнн – число витков обмотки низшего напряжения.
При практических расчётах коэффициент трансформации с некоторым допущением принимают равным отношению номинальных напряжений обмоток ВН и НН:
n ≈ U1н/U2н,
где U1н – высшее номинальное напряжение, U1н – низшее номинальное напряжение.
Коэффициент трансформации всегда больше единицы. Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (в трансформаторах средней и большой мощности они не превышают обычно 2-5% номинальных значений напряжений U1 и U2), то можно считать, что отношение напряжения первичной обмотки U1 к напряжению вторичной обмотки U2 приблизительно равно отношению чисел их витков, т. е.:
U1/U2 ≈ w1/w2.
Ввиду того что потери мощности в трансформаторах обычно малы, можно приближённо принять, что мощности в первичной Р1 и вторичной Р2 обмотках одинаковы:
Р1 ≈ Р2, т. е. U1·I1 ≈ U2·I2.
В этом случае можно считать, что токи в обмотках трансформатора приблизительно обратно пропорциональны напряжениям:
I1/I2 ≈ U2/U1,
т. е. токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числам витков первичной и вторичной обмоток:
I1/I2 ≈ w2/w1.
Это означает, что в повышающем трансформаторе ток во вторичной обмотке меньше, чем ток в первичной, а в понижающем ток во вторичной обмотке больше, чем в первичной. Поэтому в трансформаторах обмотки высшего напряжения выполняют из более тонких проводов, чем обмотки низшего напряжения.