Классификация трансформаторов

По назначению – силовые общего и специального назначения, импульсные, для преобразования частоты;

По виду охлаждения – с воздушным (сухие) и масляным (масляные) охлаждением;

По числу трансформированных фаз – однофазные и трехфазные;

По форме магнитопровода – стержневые, броневые, бронестержневые, тороидальные;

По числу обмоток на фазу – двухобмоточные, многообмоточные.

Основные элементы устройства

Трансформатор состоит из различных конструктивных элементов: магнитопровода, обмоток, вводов и выводов, бака и др.

Магнитопровод с насаженными на его стержни обмотками составляет активную часть трансформатора. Остальные части – вспомогательные.

Магнитопровод: выполняет две функции: первая – образует магнитную цепь, по которой замыкается магнитный поток трансформатора, вторая – для установки и крепления обмоток, отводов, переключателей.

Для того чтобы не возникла разность потенциалов между мателлическими частями во время работы трансформатора, что может вызвать пробой изоляции между металлическими частями, магнитопровод и детали его крепления обязательно заземляют (** сварочный трансформатор).

Обмотки: трансформаторов средней и большой мощности выполняют из обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения. Основа – бумажно-бекелитовый цилиндр, на котором крепятся все элементы.

По взаимному расположению на стержне обмотки делятся на концентрические и чередующиеся.

Концентрические выпускают в виде цилиндров, размещаемых на стержне: ближе к центру – НН, снаружи ВН.

1 – крепеж

2 – обмотка ВН

3 – обмотка НН

Чередующиеся (дисковые) обмотки выполняют в виде отдельных секций, НН и ВН располагают на стержне в чередующие порядке.

1 – Обмотка НН, 2 – Обмотка ВН

Их применение ограничено, только в некоторых трансформаторах специального назначения (для броневых трансформаторов).

Трансформаторы выпускаются с воздушным и масляным охлаждением. Первые называются сухими, вторые - масляными. В масляных трансформаторах сердечник вместе с обмотками помещается в баке с маслом. Масляные трансформаторы более надежны в работе Масло предохраняет изоляцию обмоток от вредного воздействия воздуха улучшает условия охлаждения обмоток и сердечника, т.к. имеет высокую теплопроводность чем воздух. Т.к. у масла более высокая диэлектрическая прочность, то появляется возможность сократить изоляционное расстояние, т.е. расстояние от меди обмоток до стали сердечника.

Идеализированный трансформатор

Для того, чтобы понять сущность физических процессов, происходит в трансформаторе рассмотрим идеализированный трансформатор, у которого магнитный поток Ф полностью замыкается по стальному магнитопроводу и сцеплен с обеими обмотками, а потери в стали отсутствуют.

Режим холостого хода. Пусть к первичной обмотке, при разомкнутой вторичной, подведено напряжение U₁. По первичной обмотке будет протекать ток i₁. В трансформаторе будет возникать магнитное поле, создающееся намагничивающей силой i₁w₁ первичной обмотки. Магнитным полем вне сердечника можем пренебречь, т.к. магнитная проницаемость стали намного выше магнитной проницаемости воздуха (или масла).

Полю в сердечнике соответствует магнитный поток Ф, сцепленный со всеми витками обмоток. Он будет наводить ЭДС в первичной и вторичной обмотке.

, (1)

(2)

В режиме х.х. цепь вторичной обмотки разомкнута и ток i₂ =0. При этом для контура первичной обмотки трансформатора мгновенное значение приложенного к ней напряжения U₁=i₁r₁+ . Вводя в формулу значение e₁ (1) и пренебрегая падением напряжения в активном сопротивлении первичной обмотки i₁r₁, получаем U₁=i₁r₁-e₁

Но т.к. падение напряжения в активном сопротивлении i₁r₁ практически мало, то считаем что напряжение U₁ уравновешивается в любой момент времени только e₁, индуцированной в этой области.

U₁+e₁=0 (3)

Если напряжение U₁ изменяется по sin закону, то следовательно ЭДС e₁ и наводящий ее поток Ф – тоже sin функции времени. Подставив в (1) и (2)

,

где Ф_m – максимальное значение амплитуды потока ω =2πf – угловая частота

t – время, сек

Полученные значения показывают, что е₁ и е₂ отстают по фазе от потока Ф на угол .

Действующие значения ЭДС соответственно равны:

(4)

где Ф_М – в вольт-секундах

Из этих формул следует, что

Т.к. при холостом ходе U₂₀=E₂, то

(4)

Отношение напряжений при x.х. трансформатора называется коэффициентом трансформации. Обычно для трансформаторов указывают.

При синусоидальном характере изменения u₁ и е₁ уравнение 3 можно представить в комплексной форме

(5)

Это уравнение справедливо для идеализированного трансформатора. Но оно правильно определяет сущность качественных процессов происходящих в трансформаторе и является одним из фундаментальных в теории электрических машин.

Предположив, что насыщение в стали трансформатора отсутствует и весь магнитный поток замыкается по стальному магнитопроводу, ток первичной обмотки можно считать прямо пропорциональным Ф. Поэтому на векторной диаграмме идеализированного трансформатора в режиме х.х. ток х.х. I_о изображен вектором, совпадающим по направлению с вектором магнитного потока Ф_m. На этой же диаграмме векторы ЭДС Е₁ и напряжений U₁ показаны в противофазе в соответствии с уравнением (5), а вектор магнитного потока Ф_m опережает вектор ЭДС на 90⁰.

Вектор ЭДС Е₂ совпадает по фазе с Е₁, т.к. Е₂ индуцируется тем же самым магнитным потоком что и Е₁.

Режим нагрузки. При работе под нагрузкой для первичной обмотки идеализированного трансформатора мгновенное значение приложенного к ней напряжения:

где Ф₁ и Ф₂ – мгновенное значение потоков, создаваемых токами первичной и вторичной обмоток.

Обозначая (6)

Получим , т.е такое же соотношение как и при х.х. . Таким образом если первичное напряжение при нагрузке идеализированного трансформатора остается неизменным, то величина ЭДС е₁ такая же как при х.х. следовательно результирующий поток при нагрузке равен потоку при х.х.

Ф₁ + Ф₂ = Ф₀ или в комплексной форме

(7)

Неизменность магнитного потока при переходе от режима х.х. к режиму нагрузки является важнейшим свойством трансформатора. Отсюда следует закон равновесия магнитодвижущих сил (МДС) в трансформаторе: магнитодвижущая сила (МДС) – намагничивающая сила – характеристика способности источников магнитного поля (эл. токов) создавать магнитные потоки.

,

где и - МДС, создаваемые первичной и вторичной обмотками трансформатора при нагрузке

- МДС, создаваемая первичной обмоткой при х.х.

При ~ I работают с амплитудами МДС, при этом из (8)

(9)

Для того, чтобы лучше увидеть это соотношение представляют - нагрузочная составляющая тока первичной обмотки (компенсационный ток)

(10)

Таким образом, МДС, создаваемая током , равна по значению и противоположна по фазе МДС вторичной обмотки, т.е. компенсирует МДС вторичной обмотки.

Это обуславливает неизменность магнитного потока трансформатора.

Мощность нагрузочной составляющей первичного тока равна мощности, отдаваемой трансформатором нагрузке, т.к.

Ток нагрузки отстает по фазе от ЭДС Е₂ на угол, МДС оказывает на магнитопровод трансформатора размагничивающее действие.

Нагрузочная составляющая тока I₁ не только уравновешивает МДС вторичной обмотки, но и обеспечивает поступление в трансформатор из сети мощности, отдаваемой приемнику электроэнергии, подключенному ко вторичной обмотке.

Эти закономерности справедливы и для реальных трансформаторов.

Итак, магнитный поток изменяется во времени синусоидально , а его амплитуда определяется ЭДС

(11)

Т.к. при ХХ ЭДС практически равна напряжению, то значение магнитного потока определяется напряжением первичной обмотки, ее числом витков и частотой.