Принцип работы и устройство трансформатора

В трансформаторе передача электрической энергии из первичной обмотки во вторичную осуществляется, как и во всех электрических машинах, посредством магнитного потока Ф, который является переменным, т.е. изменяющимся во времени.

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции, в соответствии с которым значение электродвижущей силы (ЭДС), наведенной в контуре, пропорционально скорости изменения потока Ф, пронизывающего этот контур. Если в контуре имеется несколько последовательно соединенных витков w, то наведенная в катушке ЭДС будет в w раз больше.

Принцип работы трансформатора рассмотрим на примере простейшего однофазного двухобмоточного трансформатора, электромагнитная система которого представлена на рис. 8.2.

Трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода 3 и двух обмоток с числом витков w₁ и w₂.

Обмотки трансформатора служат для создания магнитного поля, посредством которого осуществляется передача электрической энергии и обеспечивается наведение в обмотках ЭДС, требуемой по условиям эксплуатации. Обмотки выполняют из медных или алюминиевых изолированных проводов круглого или прямоугольного сечения.

Обмотку w₁ трансформатора, к которой подводится электрическая энергия (напряжение u₁), называют первичной, а обмотку w₂, от которой энергия отводится (напряжение u₂), — вторичной.

Магнитопровод трансформатора служит для усиления магнитной связи между обмотками и является конструктивным основанием (остовом) для установки и крепления обмоток, отводов и других деталей трансформатора (рис. 8.3).

Магнитопровод набирают из изолированных листов специальной электротехнической стали с относительным содержанием кремния до 5 %. Толщину листов выбирают из условий получения приемлемого уровня потерь от индуктированных в них вихревых токов при заданной частоте питающего трансформатор источника переменного тока и технологических условий при производстве магнитопровода. При частоте 50 Гц в современных силовых трансформаторах толщина листов равна 0,27—0,35 мм.

Часть магнитопровода, на которой располагается обмотка, называют стержнем, а часть магнитопровода, замыкающая стержни, на которых не располагаются обмотки, называется ярмом.

Если первичную обмотку трансформатора при разомкнутой вторичной включить в сеть переменного тока с напряжением u₁, то по ней потечет ток i₁ = i₀, называемый током холостого хода. Обусловленная током i₀ магнитодвижущая сила (МДС) первичной обмотки i₀w₁ создает в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток Ф, который почти полностью, за исключением некоторого рассеяния, сцеплен со всеми витками первичной и вторичной обмоток. Магнитный поток Ф в соответствии с законом электромагнитной индукции наведет в первичной обмотке ЭДС самоиндукции e₁, значение которой пропорционально числу витков w₁, а во вторичной обмотке — ЭДС e₂, пропорциональную числу витков w₂.

Отношение индуктированных в первичной и вторичной обмотках ЭДС, равное отношению чисел витков этих обмоток, называют коэффициентом трансформации K = e_l/e₂ = w_l/w₂.

Таким образом, подбирая число витков обмоток, можно при заданном напряжении u_l, которое примерно равно ЭДС e_l, получить требуемое выходное напряжение трансформатора u₂ = e₂.

Если u_l > u₂ (w_l > w₂), т.е. K > 1, трансформатор называют понижающим, а при u_l < u₂ (w_l < w₂) — повышающим.

При подключении вторичной обмотки к сопротивлению нагрузки Z_н по ней потечет переменный ток i₂. При этом в первичной обмотке возникнет ток i₁, который поддерживает магнитный поток постоянным. Вследствие этого обеспечивается равновесие между ЭДС e_l, наведенной в первичной обмотке, и напряжением в сети u_l.

Таким образом, при нагрузке трансформатора магнитный поток создается совместным действием магнитодвижущих сил первичной и вторичной обмоток.

При замкнутом магнитопроводе, собранном из пластин электротехнической стали, обладающей небольшим магнитным сопротивлением, МДС первичной обмотки i₀w₁ (при разомкнутой вторичной обмотке) составляет 0,2—3,0 % МДС обмоток при номинальной нагрузке, поэтому можно принять, что i₁w₁  i₂w₂. Следовательно, токи, протекающие в первичной и вторичной обмотках, обратно пропорциональны отношению чисел их витков i₁/i₂ = w₂/w₁.

Для силовых трансформаторов установлены стандартные обозначения (маркировка) начал и концов (выводов) обмоток.

В однофазном трансформаторе начало и конец обмотки высшего напряжения (ВН) обозначается соответственно прописными буквами А и X, а обмотки низшего напряжения (НН) — строчными латинскими буквами а и х. При наличии третьей обмотки с промежуточным (средним) напряжением (СН) начало и конец обмотки обозначают соответственно А_m и Х_m.

В трехфазном трансформаторе начала и концы обмоток ВН обозначаются соответственно А, В, С и X, Y, Z и т.д.

В трехфазных трансформаторах обмотки могут быть соединены по схемам «звезда», «треугольник» или «зигзаг», которые соответственно обозначают русскими буквами У и Д и латинской Z. При выводе от нейтрали (общей точки обмоток фаз) у схемы «звезда» или «зигзаг» отвода (ответвления) его обозначают 0, добавляя к буквенным обозначениям схем соединения обмоток индекс «н» (У_н).

Схемы соединения трехфазного трансформатора обозначаются в виде дроби, в числителе которой ставят обозначение схемы соединения обмотки ВН, а в знаменателе — НН, например для трансформатора с обмоткой ВН, соединенной по схеме треугольник, а НН — в звезду с выведенной нейтралью обозначение имеет вид Д/У_н.

При обслуживании трансформаторов кроме схем соединения необходимо знать взаимное направление ЭДС в обмотках ВН и НН. Если две обмотки 1 и 2 размещены на одном и том же стержне и пронизываются одним и тем же потоком Ф, то при одинаковом направлении намотки и обозначении выводов (концов) (рис. 8.4, а) наведенные ЭДС одинаково направлены (от концов к началам) и, следовательно, совпадают по фазе.

Для характеристики сдвига фаз линейных ЭДС обмоток ВН и НН введено понятие группы соединения обмоток трансформатора.

Группа соединения обозначается целым числом, которое получено от деления на 30° угла сдвига между линейными ЭДС на одноименных выводах обмоток ВН и НН трансформатора, причем отсчет угла производится от вектора ЭДС обмотки ВН по направлению движения часовой стрелки.

На рис. 8.4, а сдвиг между ЭДС Е₁ и Е₂ обмоток АХ и ах равен нулю, поэтому группа соединений обмоток обозначается как I/I-0, где «I» говорит об однофазном варианте трансформатора, при этом ЭДС высшего напряжения Е₁ ассоциируется с минутной стрелкой часов и условно направляется на циферблате часов на цифру 12. Часовая стрелка часов представляет собой ЭДС низшего напряжения Е₂ и обозначает группу соединения.

Фазовый сдвиг между фазными ЭДС обмоток ВН и НН зависит как от обозначения выводов, так и от направления намотки. При размещении обмоток на одном стержне этот сдвиг может быть равным либо 0, либо 180°.

На рис. 8.4, б, в при изменении обозначений концов обмотки НН (рис. 8.4, б) или изменении направления намотки обмотки НН (рис. 8.4, в) ЭДС Е₂ поворачивается на угол 180°, что дает группу соединений I/I-6.

В трехфазных трансформаторах схемы соединения У, Д, Z могут образовывать 12 различных групп со сдвигом фаз линейных ЭДС через 30°.

На рис. 8.5 для примера приведены схема соединения обмоток У/У и соответствующая векторная диаграмма для нулевой группы, которая обозначается У/У-0 (рис. 8.5, а), а также векторная диаграмма для одиннадцатой группы при соединении обмоток У/Д (обозначение У/Д-11) (рис. 8.5, б).

Из всех возможных групп соединения трехфазных двухобмоточных трансформаторов стандартизировано только две группы: 0 и 11 — с выводом в случае необходимости нулевой точки «звезды» или «зигзага», а для однофазных трансформаторов — только с соединением I/I-0.

Для трансформации трехфазного тока и напряжения применяют или три однофазных трансформатора (рис. 8.6, а), или один трехфазный трансформатор (рис. 8.6, б), в котором общий для трех фаз магнитопровод может быть образован из трех однофазных.

В самом деле, если три однофазных трансформатора расположить, как показано на рис. 8.7, а, то стержни магнитопроводов, на которых не размещены обмотки, можно конструктивно объединить в один. Учитывая, что в трехфазной системе сумма фазных токов I_A + I_B + I_C = 0, а следовательно, и сумма потоков равна нулю, то надобность в объединенном стержне вообще отпадает. Полученный таким образом магнитопровод (рис. 8.7, б) является пространственным трехфазным. В реальных конструкциях используют магнитопровод, называемый плоским стержневым трехфазным; он образуется, если у пространственного магнитопровода убрать ярма фазы В и все три стержня расположить в одной плоскости (рис. 8.7, в).

Трехфазные трансформаторы с плоскими стержневыми магнитопроводами получили наибольшее распространение, а свойственная им магнитная несимметрия фаз существенного значения при эксплуатации не имеет.

На рис. 8.8 представлена конструкция пространственного ленточного магнитопровода, состоящего из трех овальных секций, имеющих фасонную форму сечения и навитых из ленты холоднокатаной стали переменной ширины при безотходном раскрое стали и высоком коэффициенте заполнения сечения стержня активной сталью. Обмотки наматываются после сборки системы непосредственно на стержни на специальном стенде.

Автотрансформаторы

Для передачи электрической энергии с незначительным изменением напряжения и тока применяются автотрансформаторы, у которых, в отличие от обычного трансформатора, обмотки имеют не только магнитные, но и электрические связи. Автотрансформатор, как и трансформатор, может быть понижающим или повышающим (рис. 8.9).

Электромагнитная (расчетная) мощность автотрансформатора меньше расчетной мощности двухобмоточного трансформатора вследствие того, что часть мощности передается во вторичную сеть за счет непосредственной электрической связи обмоток.

За счет уменьшения массы металла обмоток и стали магнитопровода КПД автотрансформатора выше по сравнению с трансформатором такой же номинальной мощности.

К числу недостатков автотрансформаторов, ограничивающих их применение, относится усложнение их релейной защиты и регулирования напряжения, а также повышенная опасность атмосферных перенапряжений из-за электрической связи обмоток. Автотрансформатор имеет, кроме того, повышенные токи короткого замыкания.

Автотрансформаторы используются для соединения электрических сетей высокого напряжения, пуска двигателей переменного тока большой мощности и т.д.