Трансформатори Частина 8. Робочий процес трансформатора

8.1 Призначення області використання трансформаторів

Трансформатором називають статичний електромагнітний пристрій, який має дві чи більшу кількість індуктивно пов'язаних обмоток і призначених для перетворення за допомогою електромагнітної індукції одної або декількох систем змінного струму в одну або декілька інших систем змінного струму. За допомогою трансформаторів підвищують або знижують напругу, змінюють кількість фаз і в деяких випадках перетворюють частоту змінного струму. Трансформатори широко використовують для таких цілей.

1. Для передавання і розподілу електричної енергії. Зазвичай на електростанціях генератори змінного струму виробляють електричну енергію з напругою6-24 кВ, проте передавати енергію на далекі відстані вигідно при значно більших напругах(110, 220, 330, 400, 500 і 750кВ). Тому на кожній електростанції встановлюють трансформатори, які здійснюють підвищення напруги.

Розподіл електричної енергії між промисловими підприємствами, населеними пунктами , в містах і сільських місцевостях, а також всередині промислових підприємств здійснюється за допомогою повітряних і кабельних ліній під напругою 220, 110, 35, 20 і6 кВ. Отже, в усіх вузлах розподільчих мереж повинні бути встановлені трансформатори, які знижують напругу. Понижувальні трансформатори потрібно також встановлювати, в пунктах споживання електроенергії, так як більшість електричних споживачів змінного струму працює при напругах220, 380 і 660 В.

Таким чином, електрична енергія при передачі від електричних станцій до споживачів зазнає в трансформаторах багатократного перетворення (3-5 разів).

Трансформатори, які служать для перетворення електричної енергії в мережах енергосистем і електроспоживачів, називають силовими.. Потужність силових трансформаторів досягає дуже великих значень (до1 млн, кВА), а напруга - до1150 В.

На електровозах силові тягові трансформатори служать для зниження напруги на струмоприймачі до напруги живлення тягових двигунів і інших пристроїв. З їхньою допомогою здійснюють ступінчасту зміну напруги для пуску і регулювання режимів роботи тягових двигунів.

2. Для забезпечення потрібної схеми включення напівпровідникових перетворювачів, коли необхідно узгодження напруги на вході і виході. Такі трансформатори називаютьперетворювальними.

3. Для різних технологічних цілей: зварювання, живлення електротермічних пристроїв тощо.

4. Для живлення різних кіл теле- і радіоапаратури, пристроїв зв'язку ї автоматики. Такі трансформатори можуть працювати на дуже великих частотах, (до десятків кілогерц).

5. Для включення електровимірювальних приладів - вимірювальні трансформатори. Трансформатори можуть бутиоднофазними аботрифазними, мати дві або більше обмоток.

Враховуючи завдання цього курсу, тут основну увагу приділено однофазним силовим трансформаторам; інші види трансформаторів розглядаються стисло.

8.2. Принцип дії трансформатора

Як і у електричних машин, принцип дії трансформаторів оснований на законі електромагнітної індукції, згідно якому при перетині магнітним потоком струмового витка в останньому виникає ЕРС, яка визначається рівнянням (В. 2).

Трансформатор складається з замкненого сталевого осердя зібраного з листової електротехнічної сталі (для зменшення вихрових струмів і втрат на гістерезис) і яке називають магнітопроводом, і двох або більше обмоток, настромлених на осердя трансформатора (рис. 8.1). Обмотка, до якої підводиться енергія, називається первинною; вона має витків і приєднується до джерела напруги. Обмотка, від якої відводиться енергія, називається вторинною; в ній євитків. До затискачів вторинної обмотки під'єднується навантаження, повний опір якого.

Прийнято позначати початки обмотки вищої напруги (ВН) великими літерами латинського алфавіту. А, В, а їх кінці - буквамиX, ; відповідно початки і кінці обмотки нижчої напруги (НН) -

маленькими літерамиа, і,у.

Рис. 8.1. Схема трансформатора

Таким чином, трансформатор, з одного боку є споживачем енергії, оскільки первинна обмотка приєднана до джерела, а з другого - джерелом енергії, так як до вторинної обмотки приєднаний споживач енергії. Потужність трансформаторів, як і всіх джерел змінного струму виражають в вольт-амперах (В-А) або кіловольт-амперах Виражати потужність джерел змінного струму в ватах або кіловатах не можна тому, що їх потужність не постійна і залежить від коефіцієнта потужності споживача

При підключенні до мережі первинної обмотки в ній створюється змінний струм, який створює змінний магнітний потік, замкнутий по магнітопроводу. Потік Ф перетинає обидві обмотки і створює в них змінні ЕРС

(8.1)

Якщо підведена первинна напруга і струм синусоїдальні, то нехтуючи насиченням магнітопроводу, можна вважати синусоїдальним також магнітний струм і наведену ЕРС, тобто

(8.2)

де Ф_т - амплітудне значення потоку. Підставивши в (8.1) вираз (8.2) отримаємо

(8.3)

(8.3а)

З отриманих виразів видно, що відстають по фазі від потокуФ на кут. Діючі значення обох ЕРС рівні відповідно

(8.4)

(8.5)

Якщо , то і такий трансформатор називаєтьсяпонижувальним,. При зворотному відношенні числа витків, а значить і ЕРС, трансформатор будепідвищувальним.

Відношення первинної і вторинної ЕРС носить назву коефіцієнт трансформації, з урахуванням виразів (8.4) він дорівнює

(8.5)

Незалежно від того підвищувальний трансформатор чи понижувальний, для визначення коефіцієнту трансформації приймають відношення більшого числа витків до меншого, тобто завжди.

Дня простоти в подальшому будемо розглядати понижувальний трансформатор, у якого обмотка ВН є первинною.

Якщо вторинна обмотка замкнена на навантаження, то разом з напругами в трансформаторі перетворюються і струми, а потужність залишається приблизно незмінною, так як втрати енергії в силових трансформаторах дуже малі і складають не більше потужності, тобто

Отже, якщо не враховувати спад напруги, то

(8.6)

Таким чином, якщо при перетворенні енергії при трансформації підведена напруга зменшилась в разів, то струм приблизно вк разів збільшився.