1. Трансформаторы

1. Общие сведения

Трансформатор это статический электромагнитный аппарат, который преобразует параметры электрической энергии напряжения переменного тока и представляет собой магнитопровод с одной или несколькими обмотками.

Конструкция однофазного трансформатора изображена на рисунке 1.1, где W₁, W₂ – первичная и вторичная обмотки соответственно; Ф₀ - основной магнитный поток ; Ф_S1, Ф_S2 - потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток.

Рисунок 1.1 – Конструкция однофазного трансформатора

Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции. При протекании в первичной обмотке тока магнитный поток в основном замыкается по сердечнику, в первичной цепи возникает ЭДС самоиндукции, а во вторичной цепи ЭДС - взаимоиндукции: где Ψ – потокосцепление. Если напряжение, приложенное к первичной обмотке изменяется по гармоническому закону, то отсюда следует основная формула трансформаторной ЭДС:

(1.1)

В современной электротехнике источником переменного напряжения часто являются инверторы, при этом выражение для ЭДС ( любой обмотки) при прямоугольной форме напряжения (меандр) определяется выражением:

(1.2)

Приведем уравнение ЭДС к общему виду для любой формы напряжения (см. табл. 1.1). Для этого введем значение коэффициента формы k_ф, который определяет связь между действующим и средним значениями напряжения: k_ф=Е/Е_ср. Для учета конструктивных особенностей сердечника трансформатора вводится понятие коэффициента заполнения сечения сердечника ферромагнитным материалом K_маг, который учитывает активную площадь магнитного материала в сечении сердечника S_маг.ак = S_маг. ×K_{маг .} . Под активной площадью сердечника S_маг.ак понимается не геометрическое, а чистое сечение магнитного материала.

Для борьбы с вихревыми токами сердечник изготавливается из пластин или лент с изоляционным покрытием, поэтому коэффициент заполнения находится в пределах K_маг = 0,8…1. Тогда выражение для ЭДС трансформатора принимает вид:

(1.3)

Таблица 1.1 – Значение коэффициента формы

Форма напряжения
kф	1,0	1,11	1,16

В зависимости от конфигурации сердечника, однофазные силовые трансформаторы делят на броневые, стержневые и тороидальные (рис. 1.2).

Рисунок 1.2. – Основные типы магнитопроводов

Броневые сердечники используются при мощности менее 150 В×А и частоте до 8 кГц, стрежневые – при мощности 150…800 В×А на таких же частотах, тороидальные – при мощности до 250 В×А и частоте свыше 8 кГц. В броневом сердечнике трансформатора основной магнитный поток раздваивается, что приводит к увеличению потока рассеяния. Расположение обмоток на одном (среднем) стержне трансформатора защищает обмотки от механических воздействий и электромагнитных помех. Такая конструкция обладает наибольшим рассеиванием основного потока (), поэтому используется при малых мощностях. В стержневом сердечнике трансформатора для улучшения сцепления обмоток первичную и вторичную обмотки располагают на двух стержнях. В такой конструкции поток рассеяния меньше, чем в броневом трансформаторе. Тороидальная конструкция сердечника обладает наименьшим потоком рассеяния, благодаря круговой траектории силовой линии основного магнитного потока Ф₀ и хорошему сцеплению обмоток (из-за намотки по всему тороиду). Ограничение по мощности связано с плохим охлаждением сердечника и технологическими трудностями изготовления. Поперечное сечение тороида и стержней приближают к округлой форме, что позволяет экономить материал сердечника.

Сердечники трансформатора изготавливаются из ленточной стали, пластин или прессуют из ферромагнитного порошка. Низкочастотные трансформаторы выполняются из горячекатаной или холоднокатанной (анизотропной и изотропной) стали (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 – Конструкции сердечников

Маркировка электротехни­ческой стали состоит из четырёх цифр, например такие марки: 1511, 1512, 3411, 3412, 3413 и др. Первая цифра показывает класс стали по структурному состоянию и виду проката: 1 — горячекатанная, изотропная, 2 — холоднокатанная изотропная, 3 — холоднокатанная анизотропная; вторая цифра – процентное содержание кремния, присадка которого делает сталь более хрупкой и увеличивает элек­трическое сопротивление; третья – удельные потери (Вт/кг); четвертая — порядковый номер разработки. Холоднокатанная сталь обладает высокой магнитной проницаемостью и малыми удельными потерями. В анизотропной холоднокатанной стали направление проката диктует направление силовой линии магнитного потока () потому, что в перпендикулярном направлении ухудшаются магнитные свойства стали. Горячекатанная сталь более экономична, но имеет более высокие удельные потери и низкую магнитную проницаемость (m_д).

В высокочастотных трансформаторах в качестве материала сердечников используют: ферриты и магнитодиэлектрики.

Ферриты – это поликристаллические многокомпонентные соединения, общая химическая формула которых MeFe₂О₃ (где Me – какой-либо ферромагнетик, например, Мn, Zn, Ni). Их формируют в сердечники путём спекания при высокой температуре и давлении. Ферриты обладают высокими значениями собственного омического сопротивления, превышающего сопротивление сталей более чем в 50 раз. Наибольшее распространение в силовой технике получили низкочастотные марганец-цинковые ферриты (НМ) и никель-цинковые ферриты (НН). При выборе между ними предпочтение, конечно, следует отдать ферритам марки НМ, поскольку они имеют более высокую температуру Кюри. Потери на гистерезис у марганец - цинковых ферритов на порядок меньше, чем у никель-цинковых. Ферриты НМ обладают высокой стабильностью к воздействию механических нагрузок. Ферриты НМС предназначены для силовых цепей. Однако, омическое сопротивление ферритов НМ меньше, чем ферритов НН, поэтому последние могут применяться для работы на более высоких частотах.

Магнитодиэлектрики состоят из мелкозернистого ферромагнитного порошка и связующего диэлектрического материала на основе полистирола. Частицы ферромагнетика изолированы друг от друга диэлектрической средой, являющейся одновременно и механической связкой всей системы. Магнитная проницаемость магнитодиэлектриков невелика (от нескольких единиц до сотен) поэтому параметры магнитодиэлектриков мало зависят от внешних полей. Распространены три основные группы магнитодиэлектриков: альсиферы, карбонильное железо и прессованный пермаллой (прессперм). Основу магнитного наполнителя альсиферов составляет тройной сплав Al-Si-Fe. Выпускается несколько марок альсиферов с проницаемостью от 22 до 90, предназначенных для работы в интервале температур от -60 до +120 °С. Буквы в названии марок означают: ТЧ — тональная частота, ВЧ — высокая частота, К — с компенсированным температурным коэффициентом магнитной проницаемости. Параметры альсиферов приведены в табл. 1.2, где δ_п – коэффициент потерь на гистерезис.

Таблица 1.2 – Параметры альсиферов

Марка	μ	δп·103	f, МГц	Маркировка
ТЧ-90	79…91	3,0	0,02	Синий
ТЧ-60	56…63	2,0	0,07	Черный
ТЧК-55	48…58	2,0	0,07	Красный
ВЧ-32	28…33	1,2	0,20	Белый
ВЧ-22	19…24	2,0	0,70	Зеленый
ВЧК-22	19…24	2,0	0,70	Желтый

Пресспермы изготавливаются из мелкого порошка пермаллоя, легированного молибденом. Они обладают повышенной магнитной проницаемостью и низким уровнем потерь на гистерезис. В обозначении термокомпенсированных пресспермов добавляется буква «К». Число в маркировке означает номинальную магнитную проницаемость. Параметры некоторых пресспермов приведены в табл. 1.3. Основные виды высокочастотных сердечников представлены в таблице 1.4.

Для анализа электромагнитных процессов в трансформаторе используется схема замещения, в которой магнитная связь заменяется электрической посредством введения коэффициента трансформации:

Таблица 1.3 – Параметры пресспермов

Марка	fс , кГц	0С	μ	δп·103
МП-60	100	-60…+85	55	1,5
МП-100	100	-60…+85	100	2,0
МП-140	100	-60…+85	140	2,0
МП-250	100	-60…+85	250	3,0

Таблица 1.4 – Виды высокочастотных сердечников

Внешний вид магнитопровода	Название	Шифр изделия	Основные размеры
	Тороидальный сердечник	К	D*d*h
	Стержень прямоугольного сечения	С	b*s*L
	Стержень круглого сечения	С	D*L
	Ш-образный сердечник	Ш	0*S
	Чашка броневого сердечника	Б	D

На рисунке 1.4 показана Т-образная схема замещения трансформатора, где R₀ – учитывает потери в магнитопроводе (на вихревые токи и на гистерезис); X₀ – учитывает намагниченность материала сердечника и зависит от марки материала (в идеальном трансформаторе Z₀ ® ¥); R_1, R₂ – учитывают омические потери в первичной и вторичной обмотках; X_S1, X_S2 – индуктивности рассеяния первичной и вторичной обмоток. Штрихи указывают на пересчёт вторичной обмотки в первичную цепь через коэффициент трансформации. Это “приведённый” трансформатор.

Рисунок 1.4 – Схема замещения трансформатора

При высоких мощностях для производства и передачи электрической энергии используют трехфазные цепи. Трёхфазные сети были разработаны русским электриком М.О.Доливо-Добровольским (1862 – 1919 гг.) и представляют собой систему из трёх источников переменного тока, ЭДС которых сдвинуты друг относительно друга на угол 120°. Трансформирование трехфазного тока можно осуществить тремя однофазными трансформаторами, соединенными в трансформаторную группу (так называемый групповой трансформатор) или трёхфазным трансформатором. Обмотки первичной и вторичной цепей соединяются: ”звездой” - Y, “треугольником” - ∆ или “зигзагом” - Z. Схемы соединения обмоток трансформатора обозначают дробью, в числителе которой указана схема соединения обмоток ВН (высшего напряжения), а в знаменателе — обмоток НН (низшего напряжения). Например, Y/Δ означает, что обмотки ВН соединены в звезду, а обмотки НН — в треугольник.

Соединение в зигзаг применяют только в трансформаторах специального назначения, например для многофазных выпрямителей. При соединении зигзагом каждую фазную обмотку НН делят на две части, располагая их на разных стержнях. Указанные части обмоток соединяют встречно так, чтобы конец одной части фазной обмотки был присоединен к началу другой части этой же обмотки, расположенной на другом стержне. При соединении в зигзаг ЭДС отдельных частей обмоток геометрически вычитаются.