Принцип действия трансформатора. Назначение и устройство силовых трансформаторов

Трансформатор представляет собой статический электромагнитный аппарат с двумя (или больше) обмотками, предназначенный чаще всего для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем. Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, распределении ее между приемниками, а также в различных выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах.

При передаче электрической энергии от электростанции к потребителям сила тока в линии обуславливает потери энергии в этой линии и расход цветных металлов на ее устройство. Если при одной и той же передаваемой мощности увеличить напряжение, то сила тока в такой же мере уменьшится, а следовательно, можно будет применить провода с меньшим поперечным сечением. Это сократит расход цветных металлов при устройстве линии электропередачи и снизит потери энергии в ней.

Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях синхронными генераторами при напряжении 11-20 кВ; в отдельных случаях применяют напряжение 30-35 кВ. Хотя такие напряжения являются слишком высокими для их непосредственного использования в производстве и для бытовых нужд, они недостаточны для экономичной передачи электроэнергии на большие расстояния. Дальнейшее повышение напряжения в линиях электропередачи (до 750 кВ и более) осуществляют повышающими трансформаторами.

Приемники электрической энергии (лампы накаливания, электродвигатели и т. д.) из соображений безопасности рассчитывают на более низкое напряжение (110-380 В). Кроме того, изготовление электрических аппаратов, приборов и машин на высокое напряжение связано со значительными конструктивными сложностями, так как токоведущие части этих устройств при высоком напряжении требуют усиленной изоляции. Поэтому высокое напряжение, при котором происходит передача энергии, не может быть непосредственно использовано для питания приемников и подводится к ним через понижающие трансформаторы.

Электрическую энергию переменного тока по пути от электростанции, где она вырабатывается, до потребителя приходится трансформировать 3-4 раза. В распределительных сетях понижающие трансформаторы нагружаются неодновременно и не на полную мощность. Поэтому полная мощность трансформаторов, используемых для передачи и распределения электроэнергии, в 7-8 раз больше мощности генераторов, устанавливаемых на электростанциях.

Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем с использованием магнитопровода.

Напряжения первичной и вторичной обмоток, как правило, неодинаковы. Если первичное напряжение меньше вторичного, трансформатор называется повышающим, если больше вторичного - понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий. Повышающие трансформаторы применяют для передачи электроэнергии на большие расстояния, а понижающие - для ее распределения между потребителями.

В зависимости от назначения различают силовые трансформаторы, измерительные трансформаторы напряжения и трансформаторы тока

Силовые трансформаторы преобразуют переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения для питания электроэнергией потребителей. В зависимости от назначения они могут быть повышающими или понижающими. В распределительных сетях применяют, как правило, трехфазные двухобмоточные понижающие трансформаторы, преобразующие напряжение 6 и 10 кВ в напряжение 0,4 кВ. (Основные типы трансформаторов ТМГ, ТМЗ, ТМФ, ТМБ, ТМЭ, ТМГСО, ТМ, ТМЖ, ТДТН, ТРДН, ТСЗ, ТСЗН, ТСЗГЛ и другие.)

Измерительные трансформаторы напряжения – это промежуточные трансформаторы, через которые включаются измерительные приборы при высоких напряжениях. Благодаря этому измерительные приборы оказываются изолированными от сети, что делает возможным применение стандартных приборов (с переградуированием их шкалы) и тем самым расширяет пределы измеряемых напряжений.

Трансформаторы напряжения используются как для измерения напряжения, мощности, энергии, так и для питания цепей автоматики, сигнализаций и релейной защиты линий электропередачи от замыкания на землю.

В ряде случаев трансформаторы напряжения могут быть использованы как маломощные понижающие силовые трансформаторы или как повышающие испытательные трансформаторы (для испытания изоляции электрических аппаратов).

На рынке России представлены следующие виды трансформаторов напряжения:

3НОЛ.06, ЗНОЛП, ЗНОЛПМ, ЗНОЛ.01ПМИ, 3хЗНОЛ.06, 3хЗНОЛП, 3хЗНОЛПМ, НОЛ.08, НОЛ.11-6.О5, НОЛ.12 ОМ3, ЗНОЛ.06-35 (ЗНОЛЭ-35), ЗНОЛ 35, НОЛ 35, НОЛ-35 III, НАМИТ-10 , ЗНИОЛ, ЗНИОЛ-10-1, ЗНИОЛ-10-П, ЗНИОЛ-20, ЗНИОЛ-20-П, ЗНИОЛ-35, ЗНИОЛ-35-П, ЗНИОЛ-35-1, НИОЛ -20, НИОЛ-35, НОЛ-СЭЩ -10, НОЛ-СЭЩ -10-1, НОЛ-СЭЩ-6, НОЛ-СЭЩ-6-1, НОЛ-СЭЩ-20, НОЛ-СЭЩ-35, 3хЗНОЛ-СЭЩ- 6, 3хЗНОЛ-СЭЩ -10, НАЛИ-СЭЩ-10, НАЛИ-СЭЩ-6, НТМИ 6, НТМИ 10, НАМИ 6, НАМИ 10, НАМИ 35, НАМИ 110, ЗНАМИТ-6, ЗНАМИТ-10, ЗНОМП 35, НОМ 6, НОМ 10, НОМ 35, НКФ 110, НКФ 150, НКФ 220 и другие.

У измерительных трансформаторов напряжения первичная обмотка 3000/√3, 6000/√3, 10000/√3, 13800/√3, 18000/√3, 24000/√3, 27000/√3, 35000/√3, 66000/√3, 110000/√3, 150000/√3, 220000/√3, 330000/√3, 400000/√3, 500000/√3, а вторичная 100/√3 или 110/√3.

Трансформатор тока представляет собой вспомогательный аппарат, в котором вторичный ток практически пропорционален первичному току и предназначенный для включения измерительных приборов и реле в электрические цепи переменного тока.

Поставляются с классом точности: 0,5; 0,5S; 0,2; 0,2S.

Трансформаторы тока служат для преобразования тока любого значения и напряжения в ток, удобный для измерения стандартными приборами (5 А), питания токовых обмоток реле, отключающих устройств, а также для изолирования приборов и обслуживающего их персонала от высокого напряжения.

ВАЖНО! Измерительные трансформаторы тока поставляются со следующими коэффициентами трансформации: 5/5, 10/5, 15/5, 20/5, 30/5, 40/5, 50/5, 75/5, 100/5, 150/5, 200/5, 300/5, 400/5, 500/5, 600/5, 800/5, 1000/5, 1500/5, 2000/5, 2500/5, 3000/5, 5000/5, 8000/5, 10000/5.
На рынке России трансформаторы тока представлены следующими моделями:

ТОП-0,66, ТШП-0,66, ТОП-0,66-I, ТШП-0,66-I, ТШЛ-0,66, ТНШЛ-0,66, ТНШ-0,66, ТОЛ-10, ТЛО-10, ТОЛ-10-I, ТОЛ-10-М, ТОЛ-10-8, ТОЛ-10-IM, ТОЛ-10 III, ТШЛ-10, ТЛШ-10, ТПЛ-10-М, ТПОЛ-10, ТПОЛ-10М, ТПОЛ-10 III, ТЛ-10, ТЛ-10-М, ТПЛК-10, ТОЛК-6, ТОЛК-6-1, ТОЛК-10, ТОЛК-10-2, ТОЛК-10-1, ТОЛ-20, ТШЛ-20-I, ТПЛ-20, ТПЛ-35, ТОЛ-35, ТОЛ-35-III-IV, ТОЛ-35 II-7.2, ТЛК-35, ТВ, ТЛК-10, ТПЛ-10С, ТЛМ-10, ТШЛП-10, ТПК-10, ТВЛМ-10, ТВК-10, ТВЛМ-6, ТЛК-20, ТЛК-35-1, ТЛК-35-2, ТЛК-35-3, ТОЛ-СЭЩ 10, ТОЛ-СЭЩ-20, ТОЛ-СЭЩ-35, ТШЛ-СЭЩ 0,66, трансформаторы Ritz, ТПЛ-СЭЩ 10, ТЗЛК(Р)-СЭЩ 0,66, ТВ-СЭЩ-10, ТВ-СЭЩ-20, ТВ-СЭЩ-35, ТШЛ-СЭЩ-10, ТШЛ-СЭЩ-20, ТЗЛВ-СЭЩ-10 и другие.

Классификация трансформаторов напряжения

Трансформаторы напряжения различаются:

А) по числу фаз - однофазные и трехфазные;
б) по числу обмоток - двух-обмоточные, трех-обмоточные, четырех-обмоточные.
Пример 0,5/0,5S/10Р;
в) по классу точности, т. е. по допускаемым значениям погрешностей;
г) по способу охлаждения - трансформаторы с масляным охлаждением (масляные), с естественным воздушным охлаждением (сухие и с литой изоляцией);
д) по роду установки - для внутренней установки, для наружной установки и для комплектных распределительных устройств (КРУ).

Для напряжений до 6-10 кВ трансформаторы напряжения изготовляют сухими, т. е. с естественным воздушным охлаждением. Для напряжений выше 6-10 кВ применяют масляные трансформаторы напряжения.

Трансформаторы внутренней установки предназначены для работы при температуре окружающего воздуха от -40 до + 45°С с относительной влажностью до 80 %.

В однофазных трансформаторах напряжения на 6 к 10 кВ преимущественно применяется литая изоляция. Трансформаторы с литой изоляцией полностью или частично (одни обмотки) залиты изоляционной массой (эпоксидной смолой). Такие трансформаторы, предназначенные для внутренней установки, выгодно отличаются от масляных: имеют меньшие массу и габаритные размеры и почти не требуют ухода в эксплуатации.

Трехфазные двух-обмоточные трансформаторы напряжения имеют обычные трех-стержневые магнитопроводы, а трех-обмоточные - однофазные броневые.
Трехфазный трех-обмоточный трансформатор представляет собой группу из трех однофазных однополюсных единиц, обмотки которых соединены по соответствующей схеме. Трехфазные трех-обмоточные трансформаторы напряжения старой серии (до 1968-1969 г.) имели бронестержневые магнитопроводы. Трехфазный трансформатор меньше по массе и габаритам, чем группа из трех однофазных трансформаторов. При работе трехфазного трансформатора для резерва нужно иметь другой трансформатор на полную мощность
В масляных трансформаторах основной изолирующей и охлаждающей средой является трансформаторное масло.

Масляный трансформатор состоит из магнитопровода, обмоток, бака, крышки с вводами. Магнитопровод собирают из изолированных друг от друга (для уменьшения потерь на вихревые токи) листов холоднокатаной электротехнической стали. Обмотки изготовляют из медного или алюминиевого провода. Для регулирования напряжения обмотка ВН имеет ответвления, соединяющиеся с переключателем. В трансформаторах предусмотрено два вида переключении ответвлений: под нагрузкой - РПН (регулирование под нагрузкой) и без нагрузки, после отключения трансформатора от сети - ПБВ (переключение без возбуждения). Наиболее распространен второй способ регулирования напряжения как наиболее простой.

Кроме указанных трансформаторов с масляным охлаждением (Трансформатор ТМ) выпускаются трансформаторы в герметичном исполнении (ТМГ), в которых масло не сообщается с воздухом и, следовательно, исключается его ускоренное окисление и увлажнение. Масляные трансформаторы в герметичном исполнении полностью заполнены трансформаторным маслом и не имеют расширителя, а температурные изменения его объема при нагревании и охлаждении компенсируются изменением объема гофров стенок бака. Эти трансформаторы заполняются маслом под вакуумом, вследствие чего повышается электрическая прочность их изоляции.

Сухой трансформатор , так же как и масляный, состоит из магнитопровода, обмоток ВН и НН, заключенных в защитный кожух. Основной изолирующей и охлаждающей средой является атмосферный воздух. Однако воздух является менее совершенной изолирующей и охлаждающей средой, чем трансформаторное масло. Поэтому в сухих трансформаторах все изоляционные промежутки и вентиляционные каналы делают большими, чем в масляных.

Сухие трансформаторы изготовляют с обмотками со стеклоизоляцией класса нагревостойкости В (ТСЗ), а также с изоляцией на кремнийорганических лаках класса Н (ТСЗК). Для уменьшения гигроскопичности обмотки пропитывают специальными лаками. Применение в качестве изоляции обмоток стекловолокна или асбеста позволяет значительно повысить рабочую температуру обмоток и получить практически пожаробезопасную установку. Это свойство сухих трансформаторов дает возможность применять их для установки внутри сухих помещений в тех случаях, когда обеспечение пожарной безопасности установки является решающим фактором. Иногда сухие трансформаторы заменяют более дорогими и сложными в изготовлении совтоловыми.

Сухие трансформаторы имеют несколько большие габаритные размеры и массу (трансформатор ТСЗ) и меньшую перегрузочную способность, чем масляные, и используются для работы в закрытых помещениях с относительной влажностью не более 80%. К преимуществам сухих трансформаторов относят их пожаробезопасность (отсутствие масла), сравнительную простоту конструкции и относительно малые затраты на эксплуатацию.

Классификация трансформаторов тока

Трансформаторы тока классифицируются по различным признакам:

1. По назначению трансформаторы тока можно разделить на измерительные (ТОЛ-СЭЩ-10, ТЛМ-10), защитные, промежуточные (для включения измерительных приборов в токовые цепи релейной защиты, для выравнивания токов в схемах дифференциальных защит и т. д.) и лабораторные (высокой точности, а так же со многими коэффициентами трансформации).

2. По роду установки различают трансформаторы тока:
а) для наружной установки, устанавливаются в открытых распределительных устройствах (ТЛК-35-2.1 УХЛ1);
б) для внутренней установки;
в) встроенные в электрические аппараты и машины: выключатели, трансформаторы, генераторы и т. д.;
г) накладные - одевающиеся сверху на проходной изолятор (например, на высоковольтный ввод силового трансформатора);
д) переносные (для контрольных измерений и лабораторных испытаний).

3. По конструкции первичной обмотки трансформаторы тока делятся:
а) многовитковые (катушечные, с петлевой обмоткой и с восьмерочной обмоткой);
б) одновитковые (стержневые);
в) шинные (ТШ-0,66).

4. По способу установки трансформаторы тока для внутренней и наружной установки разделяются:
а) проходные (ТПК-10, ТПЛ-СЭЩ-10);
б) опорные (ТЛК-10, ТЛМ-10).

5. По выполнению изоляции трансформаторы тока можно разбить на группы:
а) с сухой изоляцией (фарфор, бакелит, литая эпоксидная изоляция и т. д.);
б) с бумажно-масляной изоляцией и с конденсаторной бумажно-масляной изоляцией;
в) с заливкой компаундом.

6. По числу ступеней трансформации имеются трансформаторы тока:
а) одноступенчатые;
б) двухступенчатые (каскадные).

7. По рабочему напряжению различают трансформаторы:
а) на номинальное напряжение выше 1000 В;
б) на номинальное напряжение до 1000 В.

Сочетание различных классификационных признаков вводится в обозначение типа трансформаторов тока, состоящее из буквенной и цифровой частей.

Трансформаторы тока характеризуются номинальным током, напряжением, классом точности и конструктивным исполнением. На напряжении 6-10 кВ их изготовляют опорными и проходными с одной и двумя вторичными обмотками классов точности 0,2; 0,5; 1 и 3. Класс точности указывает предельную погрешность, вносимую трансформатором тока в результаты измерений. Трансформаторы классов точности 0,2, имеющие минимальную погрешность, используют для лабораторных измерений, 0,5 - для питания счетчиков, 1 и 3 - для питания токовых обмоток реле и приборов технических измерений. Для безопасной эксплуатации вторичные обмотки должны быть заземлены и не должны быть разомкнуты.
При монтаже распределительных устройств напряжением 6-10 кВ применяют трансформаторы тока с литой и фарфоровой изоляцией, а при напряжении до 1000 В - с литой, хлопчатобумажной и фарфоровой.

Примером может служить ТОЛ-СЭЩ-10 опорный 2-х обмоточный трансформатор тока с литой изоляцией на номинальное напряжение 10 кВ конструктивного варианта исполнения 11, c вторичными обмотками:

Для подключения цепей измерения, с классом точности 0,5 и нагрузкой 10 ВА;
- для подключения цепей защиты, с классом точности 10Р и нагрузкой 15 ВА;

На номинальный первичный ток 150 Ампер, номинальный вторичный ток 5 Ампер, климатического исполнения «У» категории размещения 2 по ГОСТ 15150-69 при размещении заказа на производство у ЗАО «ВолгаЭнергоКомплект:

ТОЛ-СЭЩ-10-11-0,5/10Р-10/15-150/5 У2 - с номинальным первичным током - 150А, вторичным - 5А.

Действие трансформатора основано на явлении взаимной индукции. Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника переменного тока, то по ней будет протекать переменный ток, который создаст в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Этот магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки, будет индуктировать в ней электродвижущую силу (ЭДС). Если вторичную обмотку замкнуть на какой-либо приемник энергии, то под действием индуктируемой ЭДС по этой обмотке и через приемник энергии начнет протекать ток.

Одновременно в первичной обмотке также появится нагрузочный ток. Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, передается из первичной сети во вторичную при напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вторичную сеть.

В целях улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками их помещают на стальной магнитопровод. Обмотки изолируют как друг от друга, так и от магнитопровода. Обмотка более высокого напряжения называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а обмотка более низкого напряжения - обмоткой низшего напряжения (НН). Обмотка, включенная в сеть источника электрической энергии, называется первичной; обмотка, от которой энергия подается к приемнику, - вторичной.

Обычно напряжения первичной и вторичной обмоток неодинаковы. Если первичное напряжение меньше вторичного, трансформатор называется повышающим, если больше вторичного - понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий. Повышающие трансформаторы применяют для передачи электроэнергии на большие расстояния, а понижающие - для ее распределения между потребителями.

В трех-обмоточных трансформаторах на магнитопровод помещают три изолированные друг от друга обмотки. Такой трансформатор, питаемый со стороны одной из обмоток, дает возможность получать два различных напряжения и снабжать электрической энергией две различные группы приемников. Кроме обмоток высшего и низшего напряжения трех-обмоточный трансформатор имеет обмотку среднего напряжения (СН).

Обмоткам трансформатора придают преимущественно цилиндрическую форму, выполняя их при малых токах из круглого медного изолированного провода, а при больших токах - из медных шин прямоугольного сечения.

Ближе к магнитопроводу располагают обмотку низшего напряжения, так как ее легче изолировать от него, чем обмотку высшего напряжения.

Обмотку низшего напряжения изолируют от стержня прослойкой из какого-либо изолировочного материала. Такую же изолирующую прокладку помещают между обмотками высшего и низшего напряжения.

При цилиндрических обмотках поперечному сечению стержня магнитопровода желательно придать круглую форму, чтобы в площади, охватываемой обмотками, не оставалось немагнитных промежутков. Чем меньше немагнитные промежутки, тем меньше длина витков обмоток, а следовательно, и масса меди при заданной площади сечения стального стержня.

Однако стержни круглого сечения изготовлять сложно. Магнитопровод набирают из тонких стальных листов, и для получения стержня круглого сечения понадобилось бы большое число стальных листов различной ширины, а это потребовало бы изготовления множества штампов. Поэтому в трансформаторах большой мощности стержень имеет ступенчатое поперечное сечение с числом ступеней не более 15-17. Количество ступеней сечения стержня определяется числом углов в одной четверти круга. Ярмо магнитопровода, т. е. та его часть, которая соединяет стержни, имеет также ступенчатое сечение.

Для лучшего охлаждения в магнитопроводах, а также в обмотках мощных трансформаторов устраивают вентиляционные каналы в плоскостях, параллельных и перпендикулярных плоскости стальных листов.
В трансформаторах малой мощности площадь сечения провода мала и выполнение обмоток упрощается. Магнитопроводы таких трансформаторов имеют прямоугольное сечение.

Номинальные данные трансформатора

Полезная мощность, на которую рассчитан трансформатор по условиям нагревания, т. е. мощность его вторичной обмотки при полной (номинальной) нагрузке называется номинальной мощностью трансформатора. Эта мощность выражается в единицах полной мощности - в вольтамперах (ВА) или киловольт-амперах (кВА). В ваттах или киловаттах выражается активная мощность трансформатора, т. е. та мощность, которая может быть преобразована из электрической в механическую, тепловую, химическую, световую и т. д. Сечения проводов обмоток и всех частей трансформатора, так же как и любого электротехнического аппарата или электрической машины, определяются не активной составляющей тока или активной мощностью, а полным током, протекающим по проводнику и, следовательно, полной мощностью. Все прочие величины, характеризующие работу трансформатора в условиях, на которые он рассчитан, также называются номинальными.

Каждый трансформатор снабжен щитком из материала, не подверженного атмосферным влияниям. Щиток прикреплен к баку трансформатора на видном месте и содержит его номинальные данные, которые нанесены травлением, гравировкой, выбиванием или другим способом, обеспечивающим долговечность знаков. На щитке трансформатора указаны следующие данные:

1. Марка завода-изготовителя.
2. Год выпуска.
3. Заводской номер.
4. Обозначение типа.
5. Номер стандарта, которому соответствует изготовленный трансформатор.
6. Номинальная мощность (кВА). (Для трехобмоточных указывают мощность каждой обмотки.)
7. Номинальные напряжения и напряжения ответвлений обмоток (В или кВ).
8. Номинальные токи каждой обмотки (А).
9. Число фаз.
10. Частота тока (Гц).
11. Схема и группа соединения обмоток трансформатора.
12. Напряжение короткого замыкания (%).
13. Род установки (внутренняя или наружная).
14. Способ охлаждения.
15. Полная масса трансформатора (кг или т).
16. Масса масла (кг или т).
17. Масса активной части (кг или т).
18. Положения переключателя, обозначенные на его приводе.

Для трансформатора с искусственным воздушным охлаждением дополнительно указана мощность его при отключенном охлаждении. Заводской номер трансформатора выбит также на баке под щитком, на крышке около ввода ВН фазы А и на левом конце верхней полки ярмовой балки магнитопровода. Условное обозначение трансформатора состоит из буквенной и цифровой частей. Буквы означают следующее:

Т - трехфазный,
О - однофазный,
М - естественное масляное охлаждение,
Д - масляное охлаждение с дутьем (искусственное воздушное и с естественной циркуляцией масла),
Ц - масляное охлаждение с принудительной циркуляцией масла через водяной охладитель,
ДЦ - масляное с дутьем и принудительной циркуляцией масла,
Г - грозоупорный трансформатор,
Н в конце обозначения - трансформатор с регулированием напряжения под нагрузкой,
Н на втором месте - заполненный негорючим жидким диэлектриком,
Т на третьем месте - трехобмоточный трансформатор.

Первое число, стоящее после буквенного обозначения трансформатора, показывает номинальную мощность (кВА), второе число - номинальное напряжение обмотки ВН (кВ). Так, тип ТМ 6300/35 означает трехфазный двухобмоточный трансформатор с естественным масляным охлаждением мощностью 6300 кВА и напряжением обмотки ВН 35 кВ. Буква А в обозначении типа трансформатора означает автотрансформатор. В обозначении трехобмоточных автотрансформаторов букву А ставят либо первой, либо последней. Если автотрансформаторная схема является основной (обмотки ВН и СН образуют автотрансформатор, а обмотка НН дополнительная), букву А ставят первой, если автотрансформаторная схема является дополнительной, букву А ставят последней.

Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:

1. Изменяющийся во времени электрический ток создаёт магнитное поле (электромагнетизм)

2. Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)

Протекающий в первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе, изменения которого в свою очередь, проходя через вторичную обмотку, создают в ней переменную ЭДС.

Рис. 1 Схематическое устройство трансформатора. 1 - первичная обмотка, 2 - вторичная

Закон Фарадея

ЭДС, создаваемая во вторичной обмотке, может быть вычислена по закону Фарадея, который гласит, что:

N2 - число витков во вторичной обмотке,

Φ - суммарный магнитный поток, через один виток обмотки. Если витки обмотки расположены перпендикулярно линиям магнитного поля, то поток будет пропорционален магнитному полю B и площади S через которую он проходит.

ЭДС, создаваемая в первичной обмотке, соответственно:

U1 - мгновенное значение напряжения на концах первичной обмотки,

N1 - число витков в первичной обмотке.

Поделив уравнение U2 на U1, получим отношение:

Уравнения идеального трансформатора

Если вторичную обмотку подключить к нагрузке, то электрическая энергия будет передаваться из первичной цепи во вторичную. В идеале трансформатор всю поступающую энергию из первичной цепи трансформирует в магнитное поле и, затем, в энергию вторичной цепи. В этом случае поступающая энергия, равна преобразованной энергии.

P1 - мгновенное значение поступающей на трансформатор мощности, поступающей из первичной цепи,

P2 - мгновенное значение преобразованной трансформатором мощности, поступающей во вторичную цепь.

Соединив это уравнение с отношение напряжений на концах обмоток, получим уравнение идеального трансформатора:

Таким образом получаем, что при увеличении напряжения наконцах вторичной обмотки U2, уменьшается ток вторичной цепи I2.

Для преобразования сопротивления одной цепи к сопротивлению другой, нужно умножить величину на квадрат отношения. Например, сопротивление Z2 подключено к концам вторичной обмотки, его приведённое значение к первичной цепи будет . Данное правило справедливо также и для вторичной цепи: .

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе, сдвинутый по фазе, при синусоидальном токе, на 90° по отношению к напряжению в первичной обмотке. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку. Когда вторичные обмотки ни к чему не подключены (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток через первичную обмотку невелик, и определяется в основном её индуктивным сопротивлением. Напряжение индукции на вторичных обмотках в режиме холостого хода определяется отношением числа витков соответствующей обмотки w2 к числу витков первичной обмотки w1:

При подключении вторичной обмотки к нагрузке, по ней начинает течь ток. Этот ток также создаёт магнитный поток в магнитопроводе, причём он направлен противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате, в первичной обмотке нарушается компенсация ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке, до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения. В этом режиме отношение токов первичной и вторичной обмотки равно обратному отношению числа витков обмоток

отношение напряжений в первом приближении также остаётся прежним. В результате, мощность, потребляемая от источника в цепи первичной обмотки практически полностью передаётся во вторичную.

Схематично, выше сказанное можно изобразить следующим образом:

U1 → I1 → I1w1 → Ф → ε2 → I2

Мгновенный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора определяется интегралом по времени от мгновенного значения ЭДС в первичной обмотке, и в случае синусоидального напряжения сдвинут по фазе на 90° по отношению к ЭДС. Наведенная во вторичных обмотках ЭДС пропорциональна первой производной от магнитного потока, и для любой формы тока совпадает по фазе и форме с ЭДС в первичной обмотке.

Трансформатор – статический электромагнитный аппарат для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, той же частоты. Трансформаторы применяют в электрических цепях при передаче и распределении электрической энергии, а также в сварочных, нагревательных, выпрямительных электроустановках и многом другом.

Трансформаторы различают по числу фаз, числу обмоток, способу охлаждения. В основном используются силовые трансформаторы, предназначенные для повышения или понижения напряжения в электрических цепях.

Устройство и принцип работы

Схема однофазного двухобмоточного трансформатора представлена ниже.

На схеме изображены основные части: ферромагнитный сердечник, две обмотки на сердечнике. Первая обмотка и все величины которые к ней относятся (i1-ток, u1-напряжение, n1-число витков,Ф1 – магнитный поток) называют первичными, вторую обмотку и соответствующие величины - вторичными.

Первичную обмотку включают в сеть с переменным напряжением, её намагничивающая сила i1n1 создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф, который сцеплен с обеими обмотками и в них индуцирует ЭДС e1= -n1 dФ/dt, e2= -n2dФ/dt. При синусоидальном изменении магнитного потока Ф = Фm sinωt , ЭДС равно e = Em sin (ωt-π/2). Для того чтобы посчитать действующее значение ЭДС нужно воспользоваться формулой E=4.44 f n Фm, где f- циклическая частота, n – количество витков, Фm – амплитуда магнитного потока. Причем если вы хотите посчитать величину ЭДС в какой либо из обмоток, нужно вместо n подставить число витков в данной обмотке.

Из приведенных выше формул можно сделать вывод о том, что ЭДС отстает от магнитного потока на четверть периода и отношение ЭДС в обмотках трансформатора равно отношению чисел витков E1/E2=n1/n2.

Если вторая обмотка не находится под нагрузкой, значит трансформатор находится в режиме холостого хода. В этом случае i2 = 0, а u2=E2, ток i1 мал и мало падение напряжения в первичной обмотке, поэтому u1≈E1 и отношение ЭДС можно заменить отношением напряжений u1/u2 = n1/n2 = E1/E2 = k. Из этого можно сделать вывод, что вторичное напряжение может быть меньше или больше первичного, в зависимости от отношения чисел витков обмоток. Отношение первичного напряжения ко вторичному при холостом ходе трансформатора называется коэффициентом трансформации k.

Как только вторичная обмотка подключается к нагрузке, в цепи возникает ток i2, то есть совершается передача энергии от трансформатора, который получает ее из сети, к нагрузке. Передача энергии в самом трансформаторе происходит благодаря магнитному потоку Ф.

Обычно мощность на выходе и мощность на входе приблизительно равны, так как трансформаторы являются электрическими машинами с довольно высоким КПД, но если требуется произвести более точный расчет, то КПД находиться как отношение активной мощности на выходе к активной мощности на входе η = P2/P1.

Магнитопровод трансформатора представляет собой закрытый сердечник собранный из листов электротехнической стали толщиной 0,5 или 0,35мм. Перед сборкой листы с обеих сторон изолируют лаком.

По типу конструкции различают стержневой (Г-образный) и броневой (Ш-образный) магнитопроводы. Рассмотрим их структуру.

Стержневой трансформатор состоит из двух стержней, на которых находятся обмотки и ярма, которое соединяет стержни, собственно, поэтому он и получил свое название. Трансформаторы этого типа применяются значительно чаще, чем броневые трансформаторы.

Броневой трансформатор представляет собой ярмо внутри которого заключается стержень с обмоткой. Ярмо как бы защищает стержень, поэтому трансформатор называется броневым.

Обмотка

Конструкция обмоток, их изоляция и способы крепления на стержнях зависят от мощности трансформатора. Для их изготовления применяют медные провода круглого и прямоугольного сечения, изолированные хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой. Обмотки должны быть прочными, эластичными, иметь малые потери энергии и быть простыми и недорогими в изготовлении.

Охлаждение

В обмотке и сердечнике трансформатора наблюдаются потери энергии, в результате которых выделяется тепло. В связи с этим трансформатору требуется охлаждение. Некоторые маломощные трансформаторы отдают свое тепло в окружающую среду, при этом температура установившегося режима не влияет на работу трансформатора. Такие трансформаторы называют “сухими”, т.е. с естественным воздушным охлаждением. Но при средних и больших мощностях, воздушное охлаждение не справляется, вместо него применяют жидкостное, а точнее масляное. В таких трансформаторах обмотка и магнитопровод помещены в бак с трансформаторным маслом, которое усиливает электрическую изоляцию обмоток от магнитопровода и одновременно служит для их охлаждения. Масло принимает теплоту от обмоток и магнитопровода и отдает ее стенкам бака, с которых тепло рассеивается в окружающую среду. При этом слои масла имеющие разницу в температуре циркулируют, что улучшает теплообмен. Трансформаторам с мощностью до 20-30 кВА хватает охлаждения бака с гладкими стенками, но при больших мощностях устанавливаются баки с гофрированными стенками. Также нужно учитывать что при нагреве масло имеет свойство увеличиваться в объеме, поэтому в высокомощных трансформаторах устанавливают резервные баки и выхлопные трубы (в случае если масло закипит, появятся пары которым нужен выход). В трансформаторах меньшей мощности ограничиваются тем, что масло не заливают до самой крышки.

Генераторы, которые стоят на электростанциях, вырабатывают очень мощное ЭДС. На практике такое напряжения редко когда бывает нужно. Поэтому такое напряжение необходимо преобразовывать.

Трансформаторы

Для преобразования напряжения используются устройства, называемы трансформаторами. Трансформаторы могут как и повысить напряжение, так и понизить его. Существуют также стабилизирующие трансформаторы, которые не повышают и не понижают напряжение.

Рассмотрим устройство трансформатора на следующем рисунке.

картинка

Устройство и работа трансформатора

Трансформатор состоит из двух катушек с проволочными обмотками. Эти катушки надевают на стальной сердечник. Сердечник не является монолитным, а собирается из тонких пластин.

Одна из обмоток называется первичной. К этой обмотке подсоединяют переменное напряжение, которое идет от генератора, и которое нужно преобразовать. Другая обмотка называется вторичной. К ней подсоединяют нагрузку. Нагрузка это все приборы и устройства, которые потребляют энергию.

На следующем рисунке представлено условное обозначение трансформатора.

картинка

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. Когда через первичную обмотку проходит переменный ток, в сердечнике возникает переменный магнитный поток. А так как сердечник общий, магнитный поток индуцирует ток и в другой катушке.

В первичной обмотке трансформатора имеется N1 витков, её полная ЭДС индукции равняется e1 = N1*e, где е – мгновенное значение ЭДС индукции во всех витках. е одинаково для всех витков обоих катушек.

Во вторичной обмотке имеется N2 витков. В ней индуцируется ЭДС e2 = N2*e.

Следовательно:

Сопротивлением обмоток пренебрегаем. Следовательно, значения ЭДС индукции и напряжения будут приблизительно равны по модулю:

При разомкнутой цепи вторичной обмотки в ней не идет ток, следовательно:

Мгновенные значения ЭДС e1, e2 колеблются в одной фазе. Их отношение можно заменить отношением значений действующих ЭДС: E1 и E2. А отношение мгновенных значений напряжения заменим действующими значениями напряжения. Получим:

E1/E2 ≈U1/U2 ≈N1/N2 = K

К – коэффициент трансформации. При K>0 трансформатор повышает напряжение, при K<0 – трансформатор понижает напряжение. Если же к концам вторичной обмотки подключить нагрузку, то во второй цепи появится переменный ток, который вызовет появление в сердечнике еще одного магнитного потока.

Это магнитный поток будет уменьшать изменение магнитного потока сердечника. Для нагруженного трансформатора будет справедлива следующая формула:

U1/U2 ≈ I2/I1.

То есть при повышении напряжения в несколько раз, мы во столько же раз уменьшим силу тока.

Принцип работы трансформатора связан с принципом электромагнитной индукции. Ток поступающий на первичную обмотку создает в магнитопроводе магнитный поток.

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе, сдвинутый по фазе, при синусоидальном токе, на 90° по отношению к току в первичной обмотке. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° по отношению к магнитному потоку. Когда вторичные обмотки ни к чему не подключены (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток через первичную обмотку невелик, и определяется в основном её индуктивным сопротивлением. Напряжение индукции на вторичных обмотках в режиме холостого хода определяется отношением числа витков соответствующей обмотки w2 к числу витков первичной обмотки w1: U2=U1w2/w1.

Схематично, выше сказанное можно изобразить следующим образом:

U1 > I1 > I1w1 > Ф > ε2 > I2.

Магнитный поток в магнитопроводе трансформатора сдвинут по фазе по отношению к току в первичной обмотке на 90°. ЭДС во вторичной обмотке пропорциональна первой производной от магнитного потока. Для синусоидальных сигналов первой производной от синуса является косинус, сдвиг фазы между синусом и косинусом составляет 90°. В результате, при согласном включении обмоток, трансформатор сдвигает фазу приблизительно на 180°. При встречном включении обмоток прибавляется дополнительный сдвиг фазы на 180° и суммарный сдвиг фазы трансформатором составляет приблизительно 360°.

Опыт холостого хода

Для испытания трансформатора служит опыт холостого хода и опыт короткого замыкания.

При опыте холостого хода трансформатора его вторичная обмотка разомкнута и тока в этой обмотке нет (/2-0).

Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника электрической энергии переменного тока, то в этой обмотке будет протекать ток холостого хода I0, который представляет собой малую величину по сравнению с номинальным током трансформатора. В трансформаторах больших мощностей ток холостого хода может достигать значений порядка 5- 10% номинального тока. В трансформаторах малых мощностей этот ток достигает значения 25-30% номинального тока. Ток холостого хода I0 создает магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. Для возбуждения магнитного потока трансформатор потребляет реактивную мощность из сети. Что же касается активной мощности, потребляемой трансформатором при холостом ходе, то она расходуется на покрытие потерь мощности в магнитопроводе, обусловленных гистерезисом и вихревыми токами.

Так как реактивная мощность при холостом ходе трансформатора значительно больше активной мощности, то коэффициент мощности cos φ его весьма мал и обычно равен 0,2-0,3.