книги из ГПНТБ / Сафонов А.С. Специальная электротехника учеб. для воен.-мор. команд.-инженер. училищ

ТРАНСФОРМАТОРЫ

§21.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Трансформатором называется статический электро­ магнитный аппарат, служащий для преобразования энергии переменного тока одного напряжения в энергию переменного тока другого напряжения при сохранении неизменной его частоты. Процесс подобного преобразо­ вания электроэнергии называется трансформацией.

Трансформатор, как правило, состоит из стального сердечника, являющегося магнитопроводом, и двух об­ моток. Та из обмоток трансформатора, к которой подво­

ний. На рис. 21.1 приведена примерная схема передачи электрической энергии, где Т\ — повышающий и Т2 — по­ нижающий трансформаторы.

По виду переменного тока трансформаторы разделя­ ются на однофазные, трехфазные и многофазные. По числу обмоток трансформаторы бывают двухобмоточные и многообмоточные, а также трансформаторы с от­ ветвлениями, т. е. трансформаторы, обмотки которых имеют специальные ответвления. Различают также мас-

450

ляные и сухие трансформаторы. Первые с целью предо­ хранения изоляции от вредного влияния воздуха и улуч­ шения условий их охлаждения погружают в бак с транс­ форматорным маслом, а вторые не погружены в масло.

По назначению все трансформаторы, применяемые в технике, можио разделить на две основные группы:

Рис. 21.1. Схема передачи электроэнергии с помощью транс­ форматоров

1) силовые трансформаторы, служащие для передачи и распределения энергии; 2) специальные трансформато­ ры, в частности автотрансформаторы, измерительные трансформаторы, вращающиеся, сварочные, для выпря­ мителей, радиотрансформаторы.

-Я 4- 4 Ярмо

Независимо от типа трансформатор состоит из фер­ ромагнитного сердечника и двух или более обмоток. Кроме того, в состав трансформатора могут входить: бак с маслом, если трансформатор масляный, или просто кожух, если трансформатор сухой. По способу располо­ жения сердечника относительно обмоток трансформато­ ры делятся на стержневые и броневые. На рис. 21.2

451

даны схемы устройства стержневого и броневого транс­ форматоров.

Сердечники трансформаторов имеют два или несколь­ ко стержней, на которых размещаются обмотки транс­ форматора, и два ярма — верхнее и нижнее. Сердечники изготовляются из листов электротехнической стали тол­ щиной 0,35—0,5 мм. Для уменьшения вихревых токов листы стали изолируются друг от друга.

- Обмотки трансформаторов изготовляются в виде ци­ линдрических и дисковых катушек. При цилиндрической форме катушек обычно ближе к стержню располагается обмотка низшего напряжения НН. Между обмотками ставятся изолированные цилиндры ИЦ, сделанные из специального картона. При дисковой форме катушки об­ моток низшего и высшего напряжения чередуются ме­ жду собой.

Во избежание ошибок при соединениях зажимы об­ моток каждого трансформатора маркируются. Согласно ГОСТ для однофазных трансформаторов приняты сле­ дующие обозначения зажимов: А и X — начало и конец обмотки высшего напряжения, а и х—начало и конец обмотки низшего напряжения.

Судовые трансформаторы мощностью до 100 кВА из­ готовляются сухими. Они выпускаются для однофазного и трехфазного тока на напряжение на высшей стороне 380, 220 и 127 В и на низшей стороне 220, 127 и 26 В со ступенчатым регулированием напряжения на высшей стороне. Маркировка сухих трансформаторов типов ОСЗ, ОСВ (рис. 21.3,а), ТСЗ, ТСВ обозначает: О —однофаз­ ный, Т — трехфазный, 3 — брызгозащищенный, В — водо­ защищенный.

Масляные трансформаторы (рис. 21.3,6), как прави­ ло, применяются в береговых установках. У таких транс­ форматоров сердечник с обмотками помещается в баке с трансформаторным маслом, которое является изоля­ ционной и охлаждающей средой. На крышке бака укреп­ лен маслорасширитель Р, соединенный с баком. Расши­

газовое реле, сигнализирующее о нарушении нормаль­ ной работы трансформатора.

452

Трансформаторы без сердечников получили название воздушных трансформаторов.

Несмотря на большое разнообразие типов трансфор­ маторов, принцип действия и физические процессы, про­ исходящие в них, по существу, одни и те же. Поэтому работу трансформатора будем рассматривать на основ-

Р

б

Рис. 21.3. Сухой (а) и масляный (б) трансформаторы

ном типе трансформатора. Таким трансформатором, в частности, является однофазный двухобмоточный сило­ вой трансформатор.

§ 21.2. ПРИНЦИП РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА

Действие трансформатора основано на явлении элек­ тромагнитной индукции. Если первичную обмотку транс­ форматора подключить к сети переменного тока с на­ пряжением Ui (рис. 21.4), то в ней будет проходить ток / ь который создаст в сердечнике переменный маг­ нитный поток Ф. Под влиянием этого потока в обеих обмотках трансформатора будет индуцироваться э. д. с. Если при этом вторичная обмотка будет замкнута, то по ней будет течь переменный ток /2 . Таким путем и осу­ ществляется передача энергии из первичной обмотки во вторичную, а следовательно, и преобразование энергии

453

переменного тока одного напряжения в энергию пере­ менного тока другого напряжения.

Мгновенные значения э. д. е., индуцируемых в обмот­ ках трансформатора, определяются в соответствии с за­ коном электромагнитной индукции:

гіф

(21.1)

где i0i и w2 — числа витков первичной и вторичной об­ моток трансформатора.

Рис. 21.4. Принципиальная схема работы трансформатора

При синусоидальном изменении магнитного потока

Ф = Ф т 8 І П с і ) £ Имеем

454

Аналогично найдем вторичную э. д. с.

высшего напряжения является первичная, а обмоткой

во вторичной обмотке нет тока, а в первичной он имеет

трансформатора, приближенно равно отношению на­

но найти из приближенного равенства полных мощно­

т. е. токи в обмотках трансформатора обратно пропор­ циональны напряжениям на зажимах этих обмоток. Другими словами, трансформатор является электриче­ ским редуктором, который позволяет при заданной мощ­ ности путем повышения напряжения уменьшать оилу тока или увеличивать ее, понижая напряжение.

455

Трансформаторы могут работать в двух основных ре­ жимах — в режиме холостого хода и под нагрузкой. В эксплуатационных условиях может иметь место режим внезапного короткого замыкания.

§ 21.3. ХОЛОСТОЙ ХОД ТРАНСФОРМАТОРА

Холостым ходом трансформатора называется такой режим его работы, когда на первичную обмотку подано напряжение U\ и по ней проходит ток силой / 0

Ф

Ф

Рис. 21.5. Схема холостого хода трансформатора

(рис. 21.5), а вторичная обмотка разомкнута, и ток в ней равен нулю. Ток, протекающий по первичной обмот­

ток трансформатора Ф, сцепляющийся с обеими обмот­

составляющий обычно несколько процентов от основного потока, индуцирует в первичной обмотке э. д. с. рас­ сеяния ЕЛ. По своей природе эта э. д. с. является э. д. с.

456

самоиндукции, и поэтому может быть определена по вы­ ражению

(21.8)

где Х\ — индуктивное сопротивление первичной обмотки трансформатора, обусловливаемое потоком рассеяния.

Таким образом, на основании второго закона Кирхгофа можно написать уравнение э. д. с. для первичной обмотки трансформа­ тора:

щий. Сначала откладывается вектор магнитного пото­ ка Ф т , а от него в сторону опережения на угол а — в е к ­ тор тока холостого хода /о. Векторы э. д. с. Е\ и Е2 от­ кладываются под углом 90° в сторону отставания от век­ тора Ф т , так как всякая э. д. с , индуцируемая перемен­ ным потоком, отстает в своих изменениях от потока на четверть периода. Вектор /оП находится в фазе с то­ ком /0 , а вектор jl0xi опережает на 90° вектор тока. Век-

457

тор напряжения U\ представляет собой геометрическую сумму вектора — Ёх и векторов падения напряжения.

Ток холостого хода можно представить в виде двух составляющих — активной Іа, определяемой потерями в стали, и реактивной /,, создающей основной магнитный поток трансформатора и называемой намагничи­ вающим током, т. е.

( 2 i . l i )

Величина намагничивающего реактивного тока обыч­ но составляет 90% от /0 . Поэтому трансформатор, ра­ ботающий вхолостую, нагружает питающую сеть глав­

вследствие насыщения резко увеличивается ток холо­ стого хода.

При работе трансформатора вхолостую полезная мощность равна нулю. Следовательно, мощность Р0, по­ требляемая трансформатором при холостом ходе, затра­

458

тически расходуется только на потери в стали. Поэтому потери в стали трансформатора принято называть поте­ рями холостого хода. Поскольку рс = В2, то можно счи­ тать, что рс = Ф2 = Щ • Следовательно, при i7i=const потери холостого хода практически остаются постоян­ ными при всех режимах работы трансформатора.

§ 21.4. НАГРУЗОЧНЫЙ РЕЖИМ ТРАНСФОРМАТОРА

Режим работы трансформатора, при котором к пер­ вичной обмотке подведено напряжение Ии а вторичная

Ф

Рис. 21.7. Схема трансформатора при на­ грузке

замкнута на внешнее сопротивление Z H некоторого по­ требителя (рис. 21.7), называется нагрузочным или ра­ бочим режимом трансформатора. Этот режим работы трансформатора является основным, так как в этом слу­ чае осуществляется передача электроэнергии из первич­ ной цепи во вторичную.

Физические процессы, происходящие в трансформа­ торе при нагрузке, заключаются в следующем. При за­

459