Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Трансформаторы и их применение. Учебное пособие.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Томский государственный архитектурно-строительный университет»
Э.С. Астапенко, Р.Н. Кахиев, Д.П. Столяров
ТРАНСФОРМАТОРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
Учебное пособие
Томск
Издательство ТГАСУ
2023
2
УДК
621.314.21(075.8)
ББК
31.261.8-04
А91
Астапенко, Э.С.
Трансформаторы и их применение : учебное
пособие / Э.С. Астапенко, Р.Н. Кахиев, Д.П. Столяров. –
Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2023. –
62 с. – Текст : электронный.
ISBN 978-5-6049515-4-5
Учебное пособие знакомит с устройством, принципом действия
и особенностями применения однофазных и трехфазных трансформаторов, их электрическими характеристиками. Кроме того, рассмотрены автотрансформаторы, измерительные и сварочные трансформаторы.
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по
направлениям подготовки «Строительство» и «Наземные транспортно-технологические комплексы», учебные планы которых содержат дисциплины «Электротехника с основами электроснабжения»,
«Электрооборудование ПТСДМиО».
Пособие по дисциплине «Трансформаторы и их применение»
предназначено для студентов всех форм обучения.
УДК
621.314.21(075.8)
ББК
31.261.8-04
Рецензенты:
Д.Ю. Орлов, канд. техн. наук, доцент кафедры приклад-
ной механики и материаловедения ФГБОУ ВО ТГАСУ;
П.Р. Баранов, канд. техн. наук, доцент, ОЭЭ ИШЭ
ФГАОУ ВО НИИ ТПУ.
ISBN 978-5-6049515-4-5
© Томский государственный
архитектурно-строительный
университет, 2023
© Астапенко Э.С., Кахиев Р.Н.,
Столяров Д.П., 2023
А91
3
ВВЕДЕНИЕ
В строительстве, на предприятиях по обслуживанию и ремонту технологического оборудования и других сферах хозяйственной деятельности используются электротехнические устройства с разным напряжением питания. Устройством, позволяющим
получить требуемую величину переменного напряжения, является
трансформатор.
Данное учебное пособие разработано с целью формирования у обучающихся системного инженерного мышления, позволяющего разобраться в устройстве и принципе работы трансфор-
матора.
Задачи учебного пособия:
– сформировать у обучающихся комплекс знаний в области
выбора, назначения и эксплуатации трансформаторов;
– дать обучающимся информацию об однофазных, трехфазных и специальных трансформаторах;
– научить методике расчета выпрямителя с трансформатором мощностью до 1000 Вт.
Пособие является дополнением к изданиям по электротехнике и предназначено для студентов неэлектрических специальностей, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров
и специалистов «Строительство» и «Наземные транспортно-тех-
нологические комплексы», учебные планы которых содержат
дисциплины «Электротехника с основами электроснабжения»,
«Электрооборудование ПТСДМиО».
Учебное пособие состоит из введения, семи разделов и заключения, снабжено справочным материалом, содержит библиографический список и список иллюстраций с указанием их источников. Материалы из библиографического списка рекоменду-
ются студентам для самостоятельного изучения.
4
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНСФОРМАТОРАХ
Трансформатор электрический – это статическое (не имею-
щее подвижных частей) устройство для преобразования перемен-
ного напряжения по величине с сохранением той же частоты.
Увеличение напряжения осуществляется с помощью повышаю-
щих трансформаторов, а уменьшение – понижающих.
Трансформатор впервые был использован в 1876 г. П.Н. Яблочковым в цепях электрического освещения. В 1890 г. М.О. Доливо-Добровольский разработал трехфазный трансформатор.
Дальнейшее развитие трансформаторов заключалось в совершенствовании их конструкции, увеличении мощности и КПД,
улучшении изоляции обмоток.
Трансформаторы применяются в линиях электропередач,
в технике связи, в автоматике, измерительной и бытовой технике
и других областях.
В соответствии с назначением различают силовые транс-
форматоры для питания электрических двигателей и осветитель-
ных сетей; специальные трансформаторы для питания сварочных
аппаратов, электропечей и других потребителей особого назначения; измерительные трансформаторы для подключения измери-
тельных приборов [1].
По числу фаз трансформаторы делятся на однофазные
и трехфазные.
Мощности трансформаторов различны – от долей вольт-ампер до десятков мегавольт-ампер; рабочие частоты – от десятков
герц до сотен килогерц.
5
2. ОДНОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
Однофазный трансформатор состоит из двух основных ча-
стей: замкнутого магнитопровода (сердечника), на котором расположены две или несколько обмоток.
Для уменьшения потерь на гистерезис при перемагничива-
нии магнитопровод изготавливают из магнитомягкого матери-
ала – электротехнической стали, имеющей узкую петлю намагни-
чивания. Для уменьшения потерь на вихревые токи (токи Фуко)
в материал магнитопровода вводят примесь кремния, повышаю-
щую его электрическое сопротивление, а сам магнитопровод собирают из отдельных листов электротехнической стали толщи-
ной 0,35–0,5 мм, изолированных друг от друга теплостойким лаком или оксидной пленкой [1].
2.1. Устройство однофазного трансформатора
Простейший однофазный трансформатор состоит из стального сердечника и двух обмоток. Магнитопроводы могут иметь
различную конструкцию: стержневую, броневую и тороидаль-
ную (рис. 2.1).
Магнитопроводы верхнего ряда собираются из листового
материала, а магнитопроводы нижнего ряда навиваются из ленты
электротехнической стали, которая также имеет изолирующее
покрытие.
Магнитопровод броневой конструкции хорошо защищает
обмотки катушек от механических повреждений. Верхнюю часть
магнитопровода называют ярмом, а части, на которые насажены
катушки, называются стержнями. Стержни и ярмо соединяют
очень плотно, с перекрытием, чтобы исключить воздушные зазоры на стыках.
В маломощных трансформаторах находят применение
кольцевые магнитопроводы, которые обычно навивают из длин-
6
ной ленты. В кольцевых магнитопроводах отсутствуют воздушные зазоры, поэтому магнитный поток рассеяния мал, и трансформатор имеет высокий КПД.
Рис. 2.1. Конструкции магнитопроводов однофазных трансформаторов
На рис. 2.2–2.4 представлен внешний вид трансформаторов
с магнитопроводами перечисленных конструкций.
Обмотки трансформаторов изготавливают из медного, изолированного лаком, провода и располагают на одном или на разных стержнях, рядом или одну под другой. В последнем случае
непосредственно к стержню примыкает обмотка низшего напря-
жения, а поверх нее размещается обмотка высшего напряжения.
7
Рис. 2.2. Трансформатор стержневой
Рис. 2.3. Трансформатор броневой
8
Обмотка трансформатора, к которой подводится напряжение питающей сети, называется первичной, а обмотка, к которой
подключается нагрузка – вторичной. На магнитопроводе может
быть размещено несколько вторичных обмоток с разным числом
витков, что позволяет получить различные по величине вторичные напряжения.
Рис. 2.4. Трансформатор тороидальный (кольцевой)
Из-за протекающих в обмотках трансформатора токов,
а также вследствие вихревых токов и перемагничивания стали
магнитопровода при работе трансформатора выделяется тепло,
которое необходимо отводить. Для трансформаторов небольшой
мощности (до 10 кВ·А) вполне достаточно естественного охлаждения или применения вентилятора воздушного охлаждения.
В более мощных трансформаторах используют масляное охлаждение (рис. 2.5). Магнитопровод с обмотками размещают
в баке, в который залито специальное нефтяное или синтетиче-
ское трансформаторное масло. Масло не только хорошо отводит
тепло благодаря высокой теплоемкости, но и является хорошим
диэлектриком. Для обеспечения хороших диэлектрических
свойств масло не должно содержать воду и механические загряз-
нения. Тепло отводится при циркуляции масла за счет конвекции
или принудительной прокачки насосом.
9
Рис. 2.5. Масляный трансформатор с расширительным баком и радиа-
торами охлаждения
Масляные трансформаторы имеют меньшие габариты
и массу по сравнению с сухими трансформаторами той же мощ-
ности. Для поглощения излишков масла при повышении его тем-
пературы на баке устанавливается расширитель, из которого
масло возвращается в основной бак при понижении его темпера-
туры. Для увеличения охлаждающей поверхности бак выполняется с ребрами или с радиаторами различной конструкции.
2.2. Принцип действия однофазного трансформатора
На рис. 2.6 представлена схема простейшего однофазного
трансформатора.
10
Рис. 2.6. Схема однофазного трансформатора
На стержневом магнитопроводе размещена первичная об-
мотка с количеством витков w1 и вторичная обмотка с количеством витков w2. На первичную обмотку подается напряжение
питающей сети u1. Ко вторичной обмотке подключена нагрузка
Zн. У однофазных трансформаторов начало и конец обмотки на
стороне высшего напряжения обозначаются заглавными буквами
латинского алфавита А и X, а на стороне низшего напряжения –
строчными латинскими буквами а и x.
Переменный ток i1 в первичной обмотке приводит к появлению в магнитопроводе переменного магнитного потока Ф.
В реальных трансформаторах часть магнитного потока замыкается вне магнитопровода, образуя поток рассеяния в первичной обмотке Ф
δ1
и поток рассеяния во вторичной обмотке
Ф
δ2
. В высококачественных трансформаторах потоки рассеяния
малы по сравнению с основным потоком (потоком в магнито-
проводе).
Основной магнитный поток Ф, пронизывая витки вторич-
ной обмотки (в соответствии с законом электромагнитной индук-