§ 82. Общие сведения 0 трансформаторах

Трансформатор был изобретен П. Н. Яблочковым, впервые при­менившим его в 70-х годах прошлого века в установках промышленного типа.

Трансформатор представляет собой электромагнитный аппарат, основанный на явлении взаимоиндукции и предназначенный для преобразования переменного тока од­ного напряжения в переменный ток другого напряжения, но той же частоты.

Простейший трансформатор имеет стальной сердечник и две обмотки, изолированные как от сердечника, так и друг от друга

Обмотка трансформатора, которая подключается к источнику напряжения, называется первичной обмоткой, а та обмотка, к которой подключаются потребители (лампы накаливания, электродвигатели, нагревательные приборы и т. д.) или линии передачи, ведущие к потребителям, называется вторичной обмоткой.

Принцип работы:

Переменный ток, проходя по первичной обмотке, создает переменный магнитный поток Ф, который сцепляется с витками вторичной обмотки и наводит в них э. д. с. е₂.

Так как магнитный поток переменный, то индуктированная э. д. с. во вторичной обмотке трансформатора также переменная и частота ее равна частоте тока в первичной обмотке.

Переменный магнитный поток, проходящий по сердечнику трансформатора, пересекает не только вторичную обмотку, но и первич­ную обмотку трансформатора. Поэтому в первичной обмотке также будет индуктироваться э. д. с. е₁.

По закону электромагнитной индукции,

где w₁ и w₂ — числа витков первичной и вторичной обмоток.

В любой момент времени отношение э. д. с. индуктируемых в обмотках, равно отношению чисел витков этих обмоток:

Отношение э. д. с. обмотки высшего напряжения к э. д. с. обмотки низшего напряжения называется коэффициентом трансформации и обозначается буквой k:

Из формулы видно, что во сколько раз число витков в первичной обмотке больше (или меньше) числа витков вторичной обмотки, во столько же раз напряжение первичной обмотки больше (или меньше) напряжения вторичной обмотки.

Вольтметры V₁ и V₂, включенные к зажимам первичной и вторичной обмоток (рис. 189), покажут нам напряжения U₁ и U₂ этих обмоток.

Номинальные напряжения обмоток высшего и низшего напряжений, указанные на заводском щитке трансформатора, относятся к режиму холостого хода.

Номинальные токи обмоток равны частным от деления номинальной мощности трансформатора на соответствующие номинальные напряжения.

Вторичное напряжение трансформатора в общем случае не равно первичному напряжению. Если вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется понижающим, если больше — то повышающим.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА

Холостой ход трансформатора

Режим, при котором вторичная обмотка трансформатора разомкнута, а на зажимы первичной обмотки подано переменное напряжение, называется холостым ходом трансформатора.

Если к первичной обмотке подвести напряжение U₁ по ней потечет ток, который обозначим I₀. Этот ток создает магнитный поток Ф. Магнитный поток Ф, возбуждаемый первичной обмоткой, индуктирует во вторичной обмотке э. д. с, величина которой равна Е₂. Тот же самый магнитный поток индуктирует в первичной обмотке э. д. с. E_­1. Небольшой ток I₀, потребляемый первичной обмоткой трансформатора при холостом ходе, называется током холостого хода. Величина этого тока обычно составляет 3—10% от тока при номинальной нагрузке транс­форматора.

НАГРУЗОЧНЫЙ РЕЖИМ ТРАНСФОРМАТОРА

Нагрузочным режимом трансформатора называется режим, при котором вторичная обмотка замкнута на какое-либо сопротивление (рис. 192). При этом во вторичной обмотке будет проходить ток I₂, который создает свой магнитный поток Ф₂. Таким образом, при нагрузке трансформатора в нем будут действовать намагничивающие силы (сокращенно н. с.) двух обмоток, а в сердечнике его будет проходить магнитный поток, полученный действием н. с. обеих обмоток.

Согласно правилу Ленца магнитный поток вторичной обмотки стремится уменьшить поток первичной обмотки. Однако результирующий магнитный поток должен остаться постоянным (точнее, почти постоянным). Объясняется это тем, что индуктированная им э. д. с. Е₁ при неизменном напряжении сети U₁ должна остаться почти неизменной и почти равной напряжению U₁ поскольку э. д. с. Е₁ все время уравновешивается приложенным напряжением U₁, а паде­ние напряжения в обмотке невелико. Построим векторную диаграмму для режима идеального трансформатора в случае, когда к зажимам его вторичной обмотки подключено активное сопротив­ление Z_нагр = r_нагр

Магнитный поток трансформатора Ф и намагничивающий ток I₀ совпадают по фазе (рис. 193).

УСТРОЙСТВО И ТИПЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Сердечник (магнитопровод) трансформатора образует замкнутый для магнитного потока контур и изготовляется из листовой электротехнической стали толщиной 0,5 и 0,35 мм. В состав

стали входит 4,0—5% кремния по весу. Присутствие кремния улуч­шает магнитные свойства стали и увеличивает ее удельное со­противление вихревым токам. Отдельные листы стали для изоля­ции их один от другого покрывают слоем лака, после чего стя­гивают болтами, пропущенным в изолирующихся втулках. Такое устройство применяется для уменьшения вихревых токов ин­дуктируемых в стали переменным магнитным потоком. Части магнитопровода, на которые надевается обмотка, называются стерж­нями. Стержни соединяются верхним и нижним ярмом.

По конструкции магнитопровода различают два типа транс­форматоров: стержневые и броневые (рис. 199). У транс­форматора стержневого типа обмотки охватывают стержни магнитопровода; у трансформатора броневого типа магнитопровод, наоборот, как «броней», охватывает обмотки. В случае неисправности в об­мотке броневого трансформатора ее неудобно осматривать и трудно ремонтировать. Поэтому наибольшее распространение получили трансформаторы стержневого типа.

В последнее время на практике получили распространение трансформаторы, сердечники которых изготовляются из узкой ленты электротехнической стали (рис. 200). Ленточные сердечники разрезаются на две половины, чтобы можно было надеть на них катушки. Затем половины сердечника стягиваются и закрепляются.

Обмотка трансформаторов выполняется из изолированной круг­лой или прямоугольной меди. На стержень магнитопровода предва­рительно надевают изолирующий (обычно картонный, пропитанный бакелитовым лаком) цилиндр, на котором помещают обмотку низ­шего напряжения. Расположение обмотки низшего напряжения ближе к стержню объясняется тем, что ее проще изолировать от стального стержня, чем обмотку высшего напряжения.

На наложенную обмотку низшего напряжения надевают другой изолирующий цилиндр, на который помещают обмотку высшего напряжения. Расположение этой обмотки снаружи удобно еще тем, что при неисправностях (которые чаще случаются в высоко­вольтной обмотке) она доступна для осмотра и ремонта.

Концы обмоток высшего и низшего напряжения выводятся через проходные изоляторы, укрепленные на стальной крышке трансфор­матора.

Сердечник с обмотками обычно опускают в бак прямоугольной или овальной формы, изготовленный из листовой стали. В бак заливается специальное трансформаторное масло, обладающее боль­шой электрической прочностью.

Витки обмотки, помещенной в масло, хорошо изолируются один от другого. Кроме того, трансформаторное масло, обладая большой теплопроводностью, отнимает тепло от обмоток и отдает его баку. Для увеличения поверхности охлаждения у бака делают ребристую поверхность. Для этой же цели к баку приваривают трубы, сооб­щающиеся с баком в верхней и нижней частях. Для трансформа­торов большой мощности трубы сваривают в отдельные блоки, назы­ваемые радиаторами, которые прикрепляют к баку. Крышка трансформатора при помощи болтов крепится к баку.

При работе трансформатора масло, отнимая тепло от обмоток трансформатора, само нагревается и начинает расширяться. При остывании масло сжимается и в свободное от масла пространство может проникнуть воздух, содержащий влагу. Во избежание этого между крышкой и баком прокладывают слой резины, которая не дает воздуху проникать в бак.

При большом объеме масла в баке расширение масла при нагре­вании может быть настолько большим, что оно станет вытекать из-под крышки. Чтобы дать возможность маслу расширяться, на крышке трансформатора устанавливают дополнительный бачок, называемый расширителем. Этот бачок соединяется трубой с баком. При нагреве масло вытесняется в расширитель, а при охлаждении, сокращаясь в объеме, уходит в бак. На расширителе устанавливают масломерную стеклянную трубку для наблюдения за уровнем масла. Так устроены масляные трансформаторы с есте­ственным воздушным (рис. 201) охлаждением. Трансформаторы небольших мощностей (5—10 ква) иногда устраиваются с естествен­ным воздушным охлаждением.

Для лучшего охлаждения трансформаторов с масляным охла­ждением устанавливают воздушные вентиляторы, приводимые в дви­жение электрическими двигателями (рис. 202). Для этой же цели некоторые трансформаторы имеют масляный насос, который гонит нагретое масло из верхней части бака, прогоняет его через змеевик, охлаждаемый проточной водой, и подает остывшее масло в нижнюю часть бака трансформатора.

Наблюдение за температурой масла в баке чаще всего осущест­вляется при помощи термометра, установленного в крышке транс­форматора.

До сих пор мы рассматривали трансформаторы, у которых на фазу приходилось две обмотки — высшего и низшего напряжений. Такие транс­форматоры называются д в у х обмоточными. Встречают­ся трансформаторы, у которых на фазу приходятся одна пер­вичная и две вторичные обмот­ки. Первичная обмотка являет­ся обмоткой высшего напряже­ния (В. И.). Вторичные обмотки в зависимости от величины напряжения на их зажимах назы­ваются: одна — обмоткой сред­него напряжения (С. Н.) и дру­гая — обмоткой низшего напря­жения (Н. Н.). Такие трансфор­маторы называются т р е х обмоточными. Напряжения обмоток трехобмоточного транс­форматора указываются тройной дробью, например 220/115/10,5 кв или 110/35,8/11 кв.

Для трансформации трехфаз­ного тока можно пользоваться однофазными трансформаторами. Недостатком такой схемы яв­ляются большие затраты транс­форматорной стали на сердеч­ники трех трансформаторов.

Если объединить сталь трех сердечников в один общий сердечник, мы получим сердечник трехфазного трансформатора.

На рис. 203 показаны схемы расположения обмоток трехфазных трансформаторов.

Обозначения Y/Y0 — 12 и Y/∆ — 11 указывают схемы и группы соединений обмоток трансформаторов:

Y — соединение звездой;

Y₀ — соединение звездой с выводом нулевой точки;

∆ — соединение треугольником.

Начала фазных обмоток высшего напряжения обозначаются латинскими буквами А, В, С, низшего напряжения — а, b, с.

Соответственно концы фазных обмоток обозначаются буквами X, Y, Z и х, у, z.

В обозначении Y/∆— 11 первый значок Y показывает, что обмотка высшего напряжения соединена звездой. Второй значок ∆ показывает, что обмотка низшего напряжения соединена треуголь­ником. Числа 11 и 12 показывают угловое смещение векторов линейных напряжений обмоток высшего и низшего напряжений. Оно соответствует углу сдвига в сторону вращения стрелки часов между векторами линейных напряжений первичной и вторичной обмоток, принимая за единицу угла угол в 30°. Так, при угле сдвига в 330° группа соединения будет 330 : 30 = 11.

На рис. 204 показаны устройство и частичный разрез трехфаз­ного трансформатора мощностью 300 ква на напряжение 6 кв. В том случае, когда мощность трансформатора, питающего потреби­тели, становится недостаточной, параллельно ему подключается другой трансформатор.

Для включения трансформатора на параллельную работу с дру­гими, уже работающими трансформаторами необходимо выполнить следующие условия:

равенство номинальных напряжений первичной и вторичной обмоток (равенство коэффициентов трансформации);

равенство номинальных напряжений короткого замыкания;

трансформаторы должны принадлежать к одной и той же группе соединений;

трансформаторы должны быть соединены одноименными зажи­мами (одинаковыми фазами со стороны высшего и низшего напря­жений).

Трансформаторы служат для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Трансформатор состоит из стального замкнутого сердечника и двух и более электрически не связанных между собой обмоток.

• Трансформатор называется двухобмоточным, если он содержит две обмотки - обмотку высшего напряжения (ВН), присоединяемую к сети более высокого напряжения, и обмотку низшего напряжения (НН), присоединяемую к сети более низкого напряжения.

• Обмотка транформатора, к которой подводится энергия, называется первичной обмоткой, а обмотка, от которой энергия отводится, - вторичной.

• Если первичной обмоткой является обмотка ВН, а вторичной - обмотка НН, то такой трансформатор называется понижающим. В противном случае трансформатор называется повышающим.