21

Лабораторная работа № 1

Принцип действия и конструкция трансформаторов

Т р а н с ф о р м а т о р о м называется электромагнитное статическое устройство (аппарат), предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции электрической энергии переменного тока одного напряжения (частоты) в электрическую энергию другого напряжения (частоты).

Рис. 1. Принцип действия однофазного трансформатора

Принцип действия трансформатора [1] основан на явлении электромагнитной индукции (рис. 1). Если одну из обмоток трансформатора подключить к источнику переменного напряжения , то по этой обмотке потечет переменный ток , который создаст в сердечнике переменный магнитный поток . Этот поток сцеплен как с одной, так и с другой обмоткой и, изменяясь, будет индуцировать в них ЭДС и . Так как в общем случае обмотки могут иметь различное число витков , то индуцируемые в них ЭДС будут отличаться по значению. В той обмотке, которая имеет большее число витков, индуцируемая ЭДС будет больше, чем в обмотке, имеющей меньшее число витков. Индуцируемая в первичной обмотке ЭДС примерно равна приложенному напряжению и будет почти полностью его уравновешивать. Ко вторичной обмотке подключаются различные потребители электроэнергии, которые будут являться нагрузкой для трансформатора. В этой обмотке под действием индуцируемой в ней ЭДС возникает ток , а на ее выводах установится напряжение , которые будут отличаться от тока и напряжения первичной обмотки. В этом случае магнитный поток создается токами обеих обмоток.

Трансформатор нельзя включать в сеть постоянного тока, т.к. в этом случае магнитный поток будет неизменным во времени и не будет индуцировать ЭДС в обмотках. Вследствие этого в первичной обмотке будет протекать большой ток, т.к. при отсутствии ЭДС он будет ограничиваться только относительно небольшим активным сопротивлением обмотки, что недопустимо во избежание перегорания обмотки.

Данное устройство чаще всего состоит из двух (а иногда и большего числа) взаимно неподвижных электрически не связанных между собой обмоток, расположенных на ферромагнитном магнитопроводе. Обмотки имеют между собой магнитную связь, осуществляемую переменным магнитным полем. Магнитопровод всегда выполняют ферромагнитным для усиления магнитной связи между обмотками.

Обмотка трансформатора, потребляющая энергию из сети, называется п е р в и ч н о й обмоткой (обмотка 1 на рис. 1), а обмотка, отдающая энергию в сеть, – в т о р и ч н о й (обмотка 2 на рис. 1). Обмотки трансформатора подключаются к сетям с различными напряжениями. Обмотка, предназначенная для присоединения к сети с более высоким напряжением, называется о б м о т к о й в ы с ш е г о н а п р я ж е н и я (ВН), а подсоединяемая к сети с меньшим напряжением – о б м о т к о й н и з ш е г о н а п р я ж е н и я (НН). Если вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется п о н и ж а ю щ и м, а если больше – п о в ы ш а ю щ и м. В зависимости от включения тех или иных обмоток к сети каждый трансформатор может быть как повышающим, так и понижающим.

Трансформаторы с двумя обмотками называются д в у х о б м о т о ч н ы- м и, с тремя – т р е х о б м о т о ч н ы м и. Изготавливаются и многообмоточные трансформаторы, которые имеют несколько первичных или вторичных обмоток. В зависимости от числа фаз трансформаторы подразделяются на о д н о ф а з н ы е, т р е х ф а з н ы е и м н о г о ф а з н ы е.

Наиболее широкое распространение получили трехфазные силовые трансформаторы, предназначенные для передачи и распределения электроэнергии, вырабатываемой на электростанциях. Силовые трансформаторы бывают м а с л я н ы е и с у х и е. В масляных трансформаторах сердечник с обмотками помещают в бак с трансформаторным маслом, которое выполняет одновременно роль электрической изоляции и охлаждающего агента. Однако трансформаторное масло является горючим, в связи с чем при аварии таких трансформаторов существует определенная опасность возникновения пожара. Поэтому в общественных и жилых зданиях, а также в ряде других случаев применяются сухие трансформаторы, охлаждение которых осуществляется воздухом.

М а г н и т о п р о в о д является конструктивной основой трансформатора и служит для проведения основного магнитного потока. Для уменьшения магнитного сопротивления по пути потока, а следовательно, и МДС и тока, необходимых для создания потока, магнитопровод выполняют из специальной электротехнической стали. Так как магнитный поток в трансформаторе изменяется во времени, то для уменьшения потерь от вихревых токов в магнитопроводе он собирается из отдельных электрически изолированных друг от друга листов толщиной 0,35 – 0,5 мм (в зависимости от частоты питающего напряжения). Обычно при частоте питающей сети толщина листов составляет 0,35 мм. Изоляция листов осуществляется чаще всего с помощью лаковой пленки, которая наносится с двух сторон листа.

В магнитопроводе различают стержни и ярма.

С т е р ж е н ь – это та часть магнитопровода, на которой располагаются обмотки.

Я р м о – часть, не несущая обмоток и служащая для замыкания цепи.

В зависимости от взаимного расположения стержней, ярм и обмоток магнитопроводы разделяют на с т е р ж н е в ы е и б р о н е в ы е (рис. 2).

В стержневых магнитопроводах ярма прилегают к торцевым поверхностям обмоток, не охватывая их боковых поверхностей (рис. 2(а)). В броневых магнитопроводах ярма охватывают не только торцевые, но и боковые поверхности обмоток, как бы закрывая их «броней» (рис. 2(б)).

Рис. 2. Однофазный стержневой (а) и броневой (б) трансформатор

В броневом магнитопроводе (рис. 2(б)) имеется один стержень и два ярма, охватывающих обмотки. По каждому ярму замыкается половина магнитного потока стержня, поэтому площадь поперечного сечения каждого ярма будет в 2 раза меньше площади стержня.

Магнитопровод стержневого трансформатора (рис. 2(а)) имеет два стержня, на которых располагаются по половине обмоток 1 и 2. Половины каждой из обмоток соединяются между собой последовательно или параллельно. При таком расположении обмоток уменьшаются потоки рассеяния и улучшаются характеристики трансформатора.

По способу сочленения стержней с ярмами различают трансформаторы со с т ы к о в ы м и (рис. 3) и ш и х т о в а н н ы м и в п е р е п л е т (рис. 4) магнитопроводами.

Рис. 3. Стыковая конструкция магнитопровода однофазного (а)

и трехфазного (б) трансформатора

В первом случае стержни и ярма выполняются и скрепляются раздельно, и при сборке магнитопровода стержни с размещенными на них обмотками устанавливаются встык с ярмами и стягиваются специальными стяжными шпильками. В местах стыка во избежание замыкания листов и возникновения больших вихревых токов, вызывающих увеличение потерь и чрезмерное повышение температуры стали, устанавливаются изоляционные прокладки.

При стыковой конструкции наличие немагнитных зазоров в местах стыков вызывает заметное увеличение магнитного сопротивления сердечника и вследствие этого – увеличение намагничивающего тока. Кроме того, наличие изоляционных прокладок не дает полной гарантии от возможности замыкания листов стали. Поэтому стыковые сердечники применяются редко.

Во втором случае сборка магнитопровода ведется путем чередования листов, т.е. стержни и ярма собираются вместе как цельная конструкция. В результате такой сборки после стяжки ярм прессующими балками и стержней бандажами из стеклоленты получается остов трансформатора, не требующий каких-либо добавочных креплений.

Рис. 4. Укладка листов стали шихтованных магнитопроводов

однофазных (а) и трехфазных (б) трансформаторов

О с т о в о м трансформатора называется магнитопровод вместе со всеми конструкциями и деталями, служащими для скрепления его отдельных частей.

Вследствие резко выраженной анизотропии магнитных свойств холоднокатаной стали улучшение ее характеристик наблюдается только при совпадении линий индукции с направлением проката. При их несовпадении происходит резкое ухудшение характеристик. Поэтому при сборке магнитопровода из этой стали листы штампуются и укладываются так, чтобы поток проходил в них по направлению проката. Если взять листы прямоугольной формы, то в местах, где линии магнитного поля поворачиваются на 90^º, будет наблюдаться увеличение потерь и падения магнитного напряжения, что приведет к ухудшению характеристик трансформатора. Во избежание этого при сборке магнитопровода из холоднокатаной стали применяют косые стыки (рис. 5).

После сборки шихтованного в переплет магнитопровода листы верхнего ярма вынимаются (расшихтовываются), на стержнях размещаются обмотки, после чего ярмо снова зашихтовывается.

Рис. 5. Косые стыки при сборке магнитопровода

Стержни магнитопровода трансформатора в поперечном сечении имеют форму с т у п е н ч а т о й ф и г у р ы или прямоугольника, вписанной в окружность с определенным диаметром (рис. 6(б)). Число ступеней фигуры увеличивается с возрастанием мощности трансформатора. Увеличение числа ступеней увеличивает заполнение площади круга площадью ступенчатой фигуры, но одновременно увеличивает число пластин, необходимых для сборки стержня. В мощных трансформаторах в сечении магнитопровода предусматриваются каналы для его охлаждения.

Рис. 6. Поперечные сечения ярем (а) и стержней (б) трансформаторов

При стержнях, имеющих поперечное сечение, приближающееся к кругу, обмотки будут иметь вид полых цилиндров. При такой конструктивной форме обмотки (по сравнению с прямоугольной) сокращается расход материалов на ее изготовление, увеличивается электрическая и механическая прочность, но усложняется технологический процесс ее изготовления. Прямоугольное сечение стержней применяется иногда в трансформаторах броневого типа и трансформаторах небольшой мощности.

Форма сечения ярма и его сочленение со стержнем выбираются с учетом обеспечения равномерного распределения магнитного потока в сечении сердечника. Равномерность распределения магнитного потока между пакетами можно получить, если ярмо будет иметь число ступеней, равное числу ступеней стержня. Для упрощения технологии изготовления ярм иногда число ступеней у них берут меньше, чем у стержней (рис. 6(а)).

По способу расположения на стержне обмотки трансформаторов подразделяются на к о н ц е н т р и ч е с к и е и ч е р е д у ю щ и е с я (рис. 7).

Концентрические обмотки (рис. 7(а)) выполняются каждая в виде цилиндра и располагаются на стержне концентрически относительно друг друга. Высота обмоток, как правило, делается равной. В высоковольтных трансформаторах ближе к стержню располагается обмотка НН, так как при этом уменьшается изоляционное расстояние между стержнем и этой обмоткой.

В чередующихся обмотках (рис. 7(б)) катушки ВН и НН чередуются вдоль стержня по высоте. Эти обмотки имеют меньшее магнитное рассеяние. Однако, при высоких напряжениях изоляция таких обмоток сложнее из-за большого количества промежутков между катушками ВН и НН.

Рис. 7. Стержень трансформатора с концентрическими (а)

и чередующимися (б) обмотками

Лабораторная работа № 2