Трансформаторы — электромагнитные статические преобразователи электрической энергии. Трансформаторами называются электромагнитные аппараты, служащие для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при той же частоте и для передачи электрической энергии электромагнитным путем из одной цепи в другую.
Основное назначение трансформаторов — изменять напряжение переменного тока. Трансформаторы применяются также для преобразования числа фаз и частоты.
Трансформаторами тока называются аппараты, предназначенные для преобразования тока любой величины в ток, допустимый для измерений нормальными приборами, а также для питания различных реле и обмоток электромагнитов. Число витков вторичной обмотки трансформатора тока w2 > w1.
Особенностью трансформаторов тока является их работа в режиме, близком к короткому замыканию, так как их вторичная обмотка всегда замкнута на небольшое сопротивление.
Трансформаторами напряжения называются аппараты, предназначенные для преобразования переменного тока высшего напряжения в переменный ток низшего напряжения и питания параллельных катушек измерительных приборов и реле. Принцип действия и устройства трансформаторов напряжения аналогичен принципу работы силовых трансформаторов. Число витков вторичной обмотки w2
Особенность работы измерительного трансформатора напряжения заключается в том, что его вторичная обмотка всегда оказывается замкнутой на большое сопротивление, и трансформатор работает в режиме, близком к режиму холостого хода, так как подключаемые приборы потребляют незначительный ток.
Наибольшее распространение имеют силовые трансформаторы напряжения , которые выпускаются электротехнической промышленностью на мощности свыше миллиона киловольт-ампер и на напряжения до 1150 — 1500 кВ.
Для передачи и распределения электрической энергии необходимо повысить напряжение турбогенераторов и гидрогенераторов, установленных на электростанциях, с 16 — 24 кВ до напряжений 110, 150, 220, 330, 500, 750 и 1150 кВ, используемых в линиях передачи, а затем снова понизить до 35; 10; 6; 3; 0,66; 0,38 и 0,22 кВ, чтобы использовать энергию в промышленности, сельском хозяйстве и быту.
Так как в энергетических системах имеет место многократная трансформация, мощность трансформаторов в 7 — 10 раз превышает установленную мощность генераторов на электростанциях.
Силовые трансформаторы в выпускаются в основном на частоту 50 Гц.
Трансформаторы малой мощности широко используются в различных электротехнических установках, системах передачи и переработки информации, навигации и других устройствах. Диапазон частот, на которых могут работать трансформаторы, — от нескольких герц до 105 Гц.
По числу фаз трансформаторы делятся на однофазные, двухфазные, трехфазные и многофазные. Силовые трансформаторы выпускаются в основном в трехфазном исполнении. Для применения в однофазных сетях выпускаются однофазные трансформаторы.
Классификация трансформаторов по числу и схемам соединения обмоток
Трансформаторы имеют две или несколько обмоток, индуктивно связанных друг с другом. Обмотки, потребляющие энергию из сети, называются первичными . Обмотки, отдающие электрическую энергию потребителю, называются вторичными .
Многофазные трансформаторы имеют обмотки, соединенные в многолучевую звезду или многоугольник. Трехфазные трансформаторы имеют соединение в трехлучевую звезду и треугольник.
Повышающие и понижающие трансформаторы
В зависимости от соотношения напряжений на первичной и вторичной обмотках трансформаторы делятся на повышающие и понижающие . В повышающем трансформаторе первичная обмотка имеет низкое напряжение, а вторичная — высокое. В понижающем трансформаторе , наоборот, вторичная обмотка имеет низкое напряжение, а первичная — высокое.
Трансформаторы, имеющие одну первичную и одну вторичную обмотки, называются двухобмоточными . Достаточно широко распространены трехобмоточные трансформаторы , имеющие на каждую фазу три обмотки, например две на стороне низкого напряжения, одну — на стороне высокого напряжения или наоборот. Многофазные трансформаторы могут иметь несколько обмоток высокого и низкого напряжения.
Классификация трансформаторов по конструкции
По конструкции силовые трансформаторы делят на два основных типа — масляные и сухие .
В масляных трансформаторах магнитопровод с обмотками находится в баке, заполненном трансформаторным маслом, которое является хорошим изолятором и охлаждающим агентом.
Сухие трансформаторы охлаждаются воздухом. Они применяются в жилых и промышленных помещениях, в которых эксплуатация масляного трансформатора является нежелательной. Трансформаторное масло является горючим, и при нарушении герметичности бака масло может повредить другое оборудование. Подробнее про этот вид трансформаторов читайте здесь: Сухие трансформаторы
- Автотрансформатор (для однофазных О, для трехфазных Т) — А
- Расщепленная обмотка низшего напряжения — Р
- Защита жидкого диэлектрика с помощью азотной подушки без расширителя — З
- Исполнение с литой изоляцией — Л
- Трех обмоточный трансформатор — Т
- Трансформатор с РПН — Н
- Сухой трансформатор с естественным воздушным охлаждением (обычно вторая буква в обозначении типа), либо исполнение для собственных нужд электростанций (обычно последняя буква в обозначении типа) — С
- Кабельный ввод — К
- Фланцевый ввод (для комплектных ТП) — Ф
Силовой масляный трансформатор ТМ-160 (250) кВА
Системы охлаждения сухих трансформаторов:
- Естественное воздушное при открытом исполнении — С
- Естественное воздушное при защищенном исполнении — СЗ
- Естественное воздушное при герметичном исполнении — СГ
- Воздушное с принудительной циркуляцией воздуха — СД
Системы охлаждения масляных трансформаторов:
- Естественная циркуляция воздуха и масла — М
- Принудительная циркуляция воздуха и естественная циркуляция масла — Д
- Естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла с ненаправленным потоком масла — МЦ
- Естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла с направленным потоком масла — НМЦ
- Принудительная циркуляция воздуха и масла с ненаправленным потоком масла — ДЦ
- Принудительная циркуляция воздуха и масла с направленным потоком масла — НДЦ
- Принудительная циркуляция воды и масла с ненаправленным потоком масла — Ц
- Принудительная циркуляция воды и масла с направленным потоком масла — НЦ
Системы охлаждения трансформаторов с негорючим жидким диэлектриком:
- Охлаждение жидким диэлектриком с принудительной циркуляцией воздуха — НД
- Охлаждение негорючим жидким диэлектриком с принудительной циркуляцией воздуха и с направленным потоком жидкого диэлектрика — ННД
Наряду с трансформаторами широко применяются автотрансформаторы, в которых имеется электрическая связь между первичной и вторичной обмотками. При этом мощность из одной обмотки автотрансформатора в другую передается как магнитным полем, так и за счет электрической связи. Автотрансформаторы строятся на большие мощности и высокие напряжения и применяются в энергосистемах, а также используются для регулирования напряжения в установках небольшой мощности.
Номинальные данные трансформаторов
Номинальные данные трансформатора, на которые он рассчитан с заводской гарантией на 25 лет указываются в паспортной табличке трансформатора :
номинальная полная мощность Sном, КВ-А,
номинальное линейное напряжение U л.ном, В или кВ,
номинальный линейный ток I л.ном. А,
номинальная частота f , Гц,
схема и группа соединения обмоток,
напряжение короткого замыкания Uк, %,
В табличке приводятся также данные, необходимые для монтажа: полная масса, масса масла, масса выемной (активной) части трансформатора. Указываются тип трансформатора в соответствии с ГОСТ на марки трансформаторов и завод-изготовитель.
Номинальная мощность однофазного трансформатора Sном= U1 ном I1 ном, a трехфазного
где U1 лном, U1 фном, I1 лном и I1 фном — соответственно номинальные линейные и фазные значения напряжений и токов.
Номинальными напряжениями трансформатора являются линейные напряжения при холостом ходе на первичной и вторичной обмотках трансформатора. За номинальные токи первичной и вторичной обмоток трансформатора принимаются токи, рассчитанные по номинальной мощности при номинальных первичных и вторичных напряжениях.
Ввиду общности конструкции и методов расчета к трансформаторам могут быть отнесены реакторы, дроссели насыщения и сверхпроводящие индуктивные накопители.
Трансформатор предназначен для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Увеличение напряжения осуществляется с помощью повышающих трансформаторов, а уменьшение − с помощью уменьшающих.
§ 7.1. Устройство однофазного трансформатора.
Схема однофазного трансформатора.
Рис.7-1. Схема однофазного трансформатора.
Трансформатор представляет собой замкнутый магнитный провод, на котором расположено две или несколько обмоток. Для уменьшения потерь на гистерезис магнитопровод изготавливают из магнитомягкого материала – трансформаторной стали, имеющий узкую петлю намагничивания. Для уменьшения потерь на вихревые токи в материал магнитопровода вводят примесь кремния (4-5%), а сам магнитопровод собирают из отдельных листов толщиной 0,35-0,5 мм, изолированных друг от друга теплостойким лаком или специальной бумагой.
Магнитопровод предназначен для создания внутри аппарата магнитного потока Ф.
Обмотки трансформатора изготавливаются из медного провода и располагают на одном и том же или на разных стержнях рядом или одну под другой. Обмотка трансформатора, к которой подводится напряжения имеющей сети, называется первичной, а обмотку, к которой подсоединяется нагрузка, называется вторичной.
§ 7.2. Принцип действия однофазного трансформатора.
Работа трансформатора основана на явлении взаимной индукции. При подключении первичной обмотки в сеть переменного тока напряжением U1 по обмотке начнет проходить ток I1, который создаст в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Этот поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней ЭДС (Е2), которую можно использовать для питания нагрузки. Так как, первичная и вторичная обмотки пронизываются одним и тем же магнитным потоком, то индуктируемые в них ЭДС определяются по формулам:
,
,
где ω1, ω2 – количество витков.
§ 7.3. Режимы работы трансформатора.
1. Режим (опыт) холостого хода.
Вторичная обмотка разомкнута, а к первичной подводится номинальное напряжение. Под действием этого напряжения в обмотке протекает небольшой по величине ток, который называют током холостого хода. Из этого режима определяют коэффициент трансформации, который, пренебрегая падением напряжения в обмотке, определяется по формуле:
.
Из режима холостого хода также определяется мощность потерь стали (Рст).
2. Трансформатор под нагрузкой.
К первичной обмотке подключают нагрузку, под действием чего в ней устанавливается ток, величина и напряжение которого по закону Ленца поддерживает неизменный магнитный поток трансформатора. Из этого режима определяют процентное изменение напряжения на зажимах вторичной обмотки во всем диапазоне изменения нагрузки (от 0 до номинального).
,
где U2 – напряжение на зажимах вторичной обмотки в режиме холостого хода; U2ном – номинальное напряжение трансформатора. Из этого режима также строят внешнюю характеристику трансформатора.
3. Режим (опыт) короткого замыкания.
Вторичная обмотка заворачивается. Затем в первичную обмотку подводят малое по величине напряжение, под действием которого в первичной и вторичной обмотках устанавливаются номинальные токи. Напряжение, при котором выполняется данный опыт, называется напряжением короткого замыкания. Мощность, определяемая в этом опыте, называют мощность идущую на покрытие потерь в меди – тепловые потери (Ро.ном).
.
Суммарные потери мощности в трансформаторе с учетом первого и третьего опыта определяют по формуле
,
где Кн – коэффициент нагрузки
,
где Р2 – мощность, отдаваемая в нагрузку; cosφ2 – коэффициент мощности нагрузки; Sном – полная номинальная мощность трансформатора
.
Суммарные потери мощности в трансформаторе можно определить по формуле:
,
где Р1 – мощность потребляемая из сети.
или 
.
§ 7.4. Трехфазные трансформаторы.
Рис.7-3. Трехфазный трансформатор.
В линиях электропередачи используются в основном трехфазные силовые трансформаторы.
Для подключения трансформатора к линиям электропередачи на крышке бака имеются вводы, представляющие собой фарфоровые изоляторы, внутри которых проходят медные стержни. Вводы высшего напряжения обозначают буквами А, В, С, вводы низшего напряжения – буквами a, b, c. Ввод нулевого провода располагают слева от ввода а и обозначают 0.
Принцип работы и электромагнитные процессы в трехфазном трансформаторе аналогичны рассмотренным выше. Особенностью трехфазного трансформатора является зависимость коэффициента трансформации линейных напряжений от способа соединения обмоток.
Применяются главным образом три способа соединения обмоток трехфазного трансформатора:
1. соединение первичных и вторичных обмоток звездой;
2. соединение первичных обмоток звездой, вторичных – треугольником;
3. соединение первичных обмоток треугольником, вторичных – звездой.
§ 7.5. Трансформаторы для дуговой электросварки (сварочный трансформатор).
Обычные трансформаторы в качестве питания дуговой электрической сварки совершенно не пригодны потому, что перед зажиганием электрической дуги и замы замыкании электропроводов накоротко возникает недопустимо большой ток (в 15—20 раз больше номинального).
 |
Рис.7-4. Внешняя характеристика сварочного трансформатора.
В трансформаторах для сварки электрической дугой вторичное напряжение меняется от U2X = 70 В при холостом ходе до U2r = 0 при коротком замыкании, когда электрод касается свариваемой детали. Ток I2К в последнем случае не должен превышать рабочий ток 12 более чем на 20—40%. Внешняя характеристика такого трансформатора должна иметь вид, показанный на рис.7-4. Тогда даже при больших колебаниях напряжения, обусловленных непостоянством сопротивления электрической дуги, ток I2 будет почти неизменным, что необходимо для доброкачественной сварки. Для получения такого большого падения напряжения во вторичной цепи сварочные трансформаторы конструируются с обмотками, имеющими большие магнитные потоки рассеяния Фр, или комплектуются с отдельным реактором, или снабжаются дополнительной обмоткой на общем магнитопроводе.
При первой форме исполнения (рис.7-5, а)первичная обмотка 1 рассчитана на стандартные напряжения U1 = 220 или 380 В. Вторичная обмотка 2, соединенная последовательно с отдельной реактивной катушкой 3, имеет при холостом ходе напряжение U2х = 70 В и при номинальном вторичном токе I2Н напряжение U2≈30 В. Сварочный ток между электродом 5 и изделием 4 регулируется изменением воздушного зазора 6 катушки 3 путем перемещения подвижной части сердечника 7.
Рис.7-5. Трансформатор для дуговой сварки.
Вторая форма исполнения (рис.7-5, б) — однокорпусное. Здесь реактивная катушка 3 и вторичная обмотка 2, расположенные на общем магнитопроводе, связаны магнитно. Подвижная часть магнитопровода 7 для изменения воздушного зазора в обоих исполнениях может перемещаться специальной рукояткой. Коэффициент полезного действия сварочных трансформаторов составляет 83—90%, a cos ф = 0,52 ÷ 0,62.
Контрольные вопросы:
1. Что называется трансформатором?
2. Опишите устройство однофазного трансформатора?
3. Каковы принципиальные основы работы трансформатора?
4. Какие режимы работы трансформатора вы знаете?
5. Какие существуют отличия трехфазных трансформаторов?
6. Опишите принцип работы сварочного трансформатора.
2. Укажите формулы, соответствующие последовательному соединению резисторов:
а) I=I1=I2; U=U1+U2 в) I=I1=I2; U=U1=U2
б) I=I1+I2; U=U1+U2 г) I=I1+I2; U=U1=U2
3. Если сопротивления всех резисторов одинаковы и равны 6 Ом, то общее сопротивление схемы, изображенной на рисунке, равно…
а) 11 Ом б) 36 Ом в) 18 Ом г) 2 Ом
4. Емкостное сопротивление XC рассчитывается как…
а) б) в) г)
5. Формула закона Ома для участка цепи, содержащего только приемники энергии, через проводимость цепи g, имеет вид…
а) б) в) г)
6. В цепи синусоидального тока амперметр электромагнитной системы показал 0,5 А, тогда амплитуда этого тока Im равна…
а) 0,5 А б) 0,7 А в) 0,9 А г) 0,33 А
7. Величиной, имеющей размерность А/м, является…
а) магнитный поток Ф
б) напряженность магнитного поля Н
в) магнитная индукция В
г) напряженность электрического поля Е
8. Пять резисторов с сопротивлениями R1=100 Ом, R2=10 Ом, R3=20 Ом, R4=500 Ом, R5= 30 Ом соединены параллельно. Наибольший ток будет наблюдаться…
а) в R2 б) в R4 в) во всех один и тот же г) в R1 и R5
9. В цепи известны сопротивления R1= 10 Ом, R2= 20 Ом, напряжение U=100 В и мощность Р=200 Вт всей цепи. Мощность Р2 второго резистора будет равна…
а) 30 Вт б) 25 Вт в) 80 Вт г) 125 Вт
10. Величина сопротивления тела человека, обычно принимаемая в расчетах на электробезопасность.
а) 500 Ом
б) 1000 Ом
в) 1500 Ом
г) 2000 Ом
11. Какие части электротехнических установок заземляются?
а) Соединенные с токоведущими деталями.
б) Изолированные от токоведущих деталей.
в) Любые.
г) Заземление не целесообразно.
12. Трансформаторы предназначены для преобразования в цепях переменного тока…
а) электрической энергии в световую
б) электрической энергии в механическую
в) электрической энергии с одними параметрами напряжения и тока в электрическую энергию с другими параметрами этих величин
г) электрической энергии в тепловую
13. При неизменном сопротивлении участка цепи при увеличении тока падение напряжения на данном участке…
а) не изменится б) увеличится в) будет равно нулю г) уменьшится
14. В индуктивном элементе L…
а) напряжение uL(t) совпадает с током iL(t) по фазе
б) напряжение uL(t) и ток iL(t) находятся в противофазе
в) напряжение uL(t) отстаёт от тока iL(t) по фазе на
г) напряжение uL(t) опережает ток iL(t) по фазе на
