2.1.3.Многообмоточные трансформаторы

Наиболее распространены двухобмоточные однофазные трансформаторы. При необходимости получения от одного трансформатора нескольких различных напряжений, используют многообмоточные трансформаторы, у которых на магнитопроводе расположено несколько вторичных обмоток с различным числом витков (рис. 24).

Например, тяговые трансформаторы электровозов имеют обычно четыре обмотки: первичную (ВН) и три вторичные (НН). Одна из них (тяговая) служит для питания через выпрямитель цепи тяговых двигателей, вторая – для питания потребителей собственных нужд (цепей вспомогательных машин, управления, освещения и пр.) и третья – для питания электрических печей отопления пассажирских вагонов. Если на электровозе предусмотрено рекуперативное торможение, то в ряде случаев применяют специальную вторичную обмотку для питания обмоток возбуждения тяговых двигателей в этом режиме. На некоторых электровозах каждый тяговый двигатель питается от собственного выпрямительного блока и в трансформаторе предусматривают соответствующее число вторичных обмоток.

Рис. 24. Многообмоточный (трёхобмоточный) трансформатор: 1 – первичная обмотка; 2, 3 – вторичные обмотки.

Тема 2.2. Режимы работы трансформатора и его характеристики

2.2.1. Приведенный трансформатор

В общем случае параметры первичной обмотки трансформатора отличаются от параметров вторичной обмотки, Особенно это проявляется при больших коэффициентах трансформации, что затрудняет расчеты трансформаторов. Указанные затруднения устраняются приведением всех параметров трансформатора к одинаковому числу витков в обеих обмотках, обычно к числу витков первичной обмотки высшего напряжения wвн. Таким образом, вместо реального трансформатора с коэффициентом трансформации n = Евн/Енн = wвн/wнн получают эквивалентный трансформатор с n = Евн/Е´нн = wвн/w´нн = 1, где Евн = Е´нн и wвн = w´нн. Такой трансформатор называют приведенным.

Уравнения напряжений и токов для приведенного трансформатора имеют вид:

U1 = (-E1)+I1·Z1;

U´2 = (-E´2)+I´2·Z´2;

I1 = I0+(-I2), где U1 - напряжение первичной обмотки и U´2 ≈ U2×(w1/w2), - напряжение вторичной обмотки приведенного трансформатора, E1 - ЭДС первичной обмотки и E´2 ≈ E2×(w1/w2) - ЭДС вторичной обмотки приведенного трансформатора, Z1 - полное сопротивление первичной обмотки и Z´2 ≈ Z2×(w1/w2) -полное сопротивление вторичной обмотки приведенного трансформатора, I1 - ток первичной обмотки трансформатора и I2 - ток вторичной обмотки приведенного трансформатора, I0- ток намагничивающей составляющей (ток холостого хода).

Эти уравнения устанавливают аналитическую связь между параметрами трансформатора во всём диапазоне нагрузок от режима холостого хода (х. х.) до номинальной.

2.2.2. Режим холостого хода

В режиме холостого хода (х. х.) трансформатор работает при разомкнутой вторичной обмотке (Zн = ∞, І2 = 0). Ток х. х. І0, проходящий по первичной обмотке имеет две составляющих: активную І0а и реактивную І0р:

І0 = І0а+І0р.

Реактивная составляющая называется намагничивающим током, т. к. этот ток создаёт магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. Активная составляющая обеспечивает поступление в трансформатор электрической энергии, необходимой для компенсации магнитных потерь в магнитопроводе (потери на перемагничивание и вихревые токи) и электрических потерь в меди первичной обмотки (потери на нагрев обмотки). Она невелика и практически ток холостого хода І0 равен намагничивающему току І0р.:

І0 ≈ І0р.

Обычно ток холостого ход для мощных трансформаторов составляет (3÷4)%, а для трансформаторов средней мощности – (8÷10)% номинального тока первичной обмотки, поэтому электрическими потерями можно пренебречь и считать магнитные потери потерями холостого хода.

ЭДС, индуцированные в первичной Е1 и вторичной Е2 обмотках трансформатора, будут пропорциональны скорости изменения магнитного потока, т. е. его максимальному значению Фm, и частоте изменения магнитного потока f. В каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется ЭДС Ев, действующее значение которой:

Ев = 4,44×f×n×Фm, где 4,44 = 2×π× – постоянная.

Соответственно:

Е1 = 4,44×f×w1×Фm и Е2 = 4,44×f×w2×Фm.

В режиме х, х. ЭДС Е1 практически равна питающему напряжению U1, т. к. падение напряжения в первичной обмотке, создаваемое небольшим током холостого хода, мало. Если изменится напряжение U1, то будет меняться ЭДС Е1, магнитный поток Фm и ток холостого хода І0. Зависимость тока холостого хода І0, мощности х. х. Р0 и коэффициента мощности cos f0 от питающего напряжения U1 называют характеристиками холостого хода трансформатора (рис. 25).

Из характеристики видно, что при увеличении напряжения U1 магнитная цепь трансформатора насыщается и ток І0 начинает быстро расти, поэтому увеличение напряжения U1 выше номинального недопустимо.

Рис. 25. Схема опыта х. х. (а) и характеристики х. х. трансформатора (б).