Области применения трансформаторов

Передача электрической энергии большой мощности на большие расстояния технически возможна и экономически целесообразна при малых сечениях проводов линии передачи и малых потерях энергии в них. Сечение проводов и потери мощности в них определяются током, а ток при заданной мощности, как известно, зависит от напряжения:

S = UI.

Естественно, чем выше напряжение, тем меньше ток, сечение проводов и потери мощности. Напряжение синхронных генераторов электрических станций относительно невелико: 15000 — 24000 В, сечение проводов и потери мощности в проводах линии передачи при этом напряжении были бы слишком велики. Поэтому на электрических станциях с помощью трансформаторов напряжение повышают до 110000 — 750000 В и электроэнергию передают при таком напряжении к местам потребления. Энергия столь высокого напряжения не может быть непосредственно использована подавляющим числом потребителей, поскольку они рассчитаны по технико-экономическим соображениям и условиям безопасности для работы при относительно низком напряжении — порядка 220 — 380-500 В. Следует отметить, что имеется довольно широкая группа потребителей, работающих при напряжении 10 (6) кВ. Поэтому в местах потребления электрической энергии (в конце линии передачи) напряжение понижают до требуемых значений также с помощью трансформаторов. Это — одна из основных областей применения трансформаторов, где без них обойтись невозможно.

Трансформаторы широко используются во всякого рода измерительных устройствах, радиоприемниках, телевизорах, осциллографах, для местного освещения и т. п. В этих случаях трансформатор преобразует имеющееся стандартное напряжение электрической сети в напряжение другого значения, которое необходимо для питания отдельных элементов электротехнических устройств. Во многих случаях трансформаторы имеют несколько обмоток. Трансформаторы используются в сварочных и электротермических установках. Трансформаторы широко используются при измерении тока, напряжения и мощности в электрических цепях с большим напряжением или с большими токами. Они называются измерительными. Существует много специальных трансформаторов, работающих во всякого рода автоматических установках, напряжение на их обмотках во многих случаях несинусоидальное. В этой книге рассматриваются трансформаторы, работающие в цепях синусоидального тока.

Режим холостого хода трансформатора

Режим холостого хода трансформатора имеет место, когда разомкнута цепь его вторичной обмотки, в обмотке нет тока и она не оказывает влияния на режим работы первичной обмотки. В режиме холостого хода процессы, происходящие в трансформаторе, аналогичны процессам в катушке с ферромагнитным магнитопроводом, которые подробно рассмотрены в разд. Б гл. 6. Дополнительно к материалу, упомянутому в гл. 6, применительно к трансформатору необходимо добавить следующее.

Магнитопровод трансформаторов собирается из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,35 — 0,5 мм, между которыми есть изоляционная прослойка в виде лака, окалины или клея. Потери электрической энергии в магнитопроводе невелики и, следовательно, невелик и ток I_а , обусловленный этими потерями. Воздушный зазор магнитопровода, определяемый качеством обработки отдельных листов и качеством сборки, относительно невелик. Листы слоев магнитопровода собираются внахлестку: последующий слой перекрывает воздушные промежутки в стыках листов предыдущего слоя, что приводит к существенному уменьшению эквивалентного воздушного зазора магнитопровода трансформатора (подробнее — в § 8.12). По этой причине намагничивающий ток I_р трансформатора и ток холостого хода трансформатора, равный

I₁₀ = √I_р² + I_a²,

невелики. Ток холостого хода составляет всего 5 — 10% номинального значения.

Необходимо отметить, что ток I_а значительно меньше I_р . Поэтому при анализе работы и в расчетных формулах часто принимают

I₁₀ ≈ I_р .

Рис. 8.3. Кривая намагничивания трансформаторной стали

Следует обратить внимание на то, что петля перемагничивания электротехнической стали магнитопроводов трансформаторов относительно «узкая» (рис. 8.3) и значение амплитуды магнитной индукции В_mдля обычных трансформаторов выбирается в пределах 1,2—1,6 Тл, что соответствует примерно точке кривой намагничивания, лежащей на «колене», поэтому в пределах изменения В от В = 0 до В = В_m зависимость тока от магнитной индукции примерно линейная. Поскольку магнитный поток и, следовательно, магнитная индукция изменяются синусоидально, намагничивающий ток также будет изменяться по закону, близкому к синусоидальному. В дальнейшем будем считать, что ток холостого хода изменяется по синусоидальному закону. На рис. 8.4 изображены схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) трансформатора при холостом ходе (Е₂ на рисунке не показана). В схеме замещения r₀ — активное сопротивление, потери мощности в котором равны потерям мощности в магнитопроводе трансформатора, х₀ — индуктивное сопротивление первичной обмотки, обусловленное основным магнитным потоком, r₁ — активное сопротивление первичной обмотки, x₁ — индуктивное сопротивление первичной обмотки, обусловленное потоками рассеяния. Уравнение электрического состояния первичной цепи трансформатора при холостом ходе

U₁ = - E₁₀ + I₁₀r₁ + jI₁₀x₁. (8.6)

Напряжение на выводах вторичной обмотки при холостом ходе трансформатора

U₂₀ = E₂.

Рис.  8.4.  Схема замещения (а)  и  векторная диаграмма  (б)  холостого хода трансформатора

Рис. 8.5. Схема опыта холостого хода трансформатора

Опыт холостого хода. Для выяснения соответствия действи­тельных значений тока холостого хода, потерь мощности в магнитопроводе и коэффициента трансформации расчетным данным вновь спроектированного и изготовленного трансформатора проводят опыт холостого хода. Этот опыт иногда проводят для выяснения указанных выше параметров трансформаторов, паспортные данные которых отсутствуют. Схема опыта холостого хода изображена на рис. 8.5. В соответствии с паспортными данными трансформатора устанавливают напряжение на первичной обмотке, равное номинальному значению, после чего записывают показания приборов. Амперметр измеряет ток холостого хода I₁₀, ваттметр — потери мощности в трансформаторе ΔР₀ ≈ ΔР_ст . Отношение показаний вольтметров равно коэффициенту трансформации трансформатора n ≈ U₁/U₂. Поскольку ток холостого хода и активное сопротивление первичной обмотки малы, потери в ней незначительны и намного меньше потерь в магнитопроводе трансформатора. По этой причине можно считать, что ваттметр измеряет мощность потерь в магнитопроводе трансформатора. На основании опытных данных можно определить r₀, x₀, z₀, а также значения тока I_р и I_а . Если пренебречь r₁ и х₁ (так как r₁ << r₀и х₁ << х₀), то

r₀ = ΔP₀/I²₁₀;   z₀ = U₁/I₁₀;

х₀ = √z₀² - r₀²; cos φ₀ = r₀/z₀;

I_p = I₁₀sin φ₀;    I_a = I₁₀cos φ₀.