Раздел 6. Трансформаторы

Трансформатор – это электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте. Увеличение напряжения осуществляется с помощью повышающих трансформаторов, уменьшение – понижающих.

По назначению трансформаторы делятся на силовые (тяговые, для выпрямительных установок, питания радиоаппаратуры и т.п.) и специального назначения (сварочные, измерительные и др.). По числу фаз трансформаторы бывают однофазные и трехфазные, по количеству обмоток – двухобмоточныеимногообмоточные, по способу охлаждения – сухиеи масляные, с естественным и принудительным охлаждением. Основными частями трансформатора являются сердечник (магнитопровод)(рис.6.1)и обмотки.

Магнитопровод выполняется шихтованным из листов электротехнической (трансформаторной) стали. Части магнитопровода, на которых располагаются обмотки, называют стержнями. Части магнитопровода, замыкающие стержни (части без обмоток), называют ярмом. Однофазные трансформаторы в зависимости от формы магнитопровода и расположения на нем обмоток разделяются на стержневые, броневые и торроидальные (рис. 221). Магнитопровод стержневого трансформатора имеет два стержня, на которых размещены обмотки. Магнитопровод броневого трансформатора имеет один стержень, на котором находятся обмотки. Стержень с двух сторон охватывается (бронируется) ярмом так, что обмотка частично защищена магнитопроводом от механических повреждений.

Обмотку трансформатора, к которой подводится напряжение питающей сети, называют первичной, а обмотку, к которой подключается нагрузка, - вторичной. На сердечнике может быть размещено несколько вторичных обмоток с разным числом витков, что позволяет получить различные по значению вторичные напряжения. Обмотка с большим числом витков называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а обмотка с меньшим числом витков – обмоткой низшего напряжения (НН). Так, у повышающего трансформатора обмотка низшего напряжения является первичной, а обмотка высшего напряжения – вторичной, а у понижающего трансформатора - наоборот.

Отношение числа витков (W) обмотки ВН и обмотки НН называется коэффициентом трансформации (К)

К = Wвн/ Wнн

Прим. Коэффициент трансформации не может быть меньше 1, т.е. не является признаком различия повышающего и понижающего трансформатора.

Принцип действия трансформатора, основанный на явлении взаимоиндукции, рассмотрим на примере однофазного двухобмоточного трансформатора (рис. 6.3). Если на первичную обмотку с числом витков W₁ подать переменное напряжение u₁, то протекающий по обмотке переменный ток i₁ создаст в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф, пронизывающий обе обмотки трансформатора и индуцирующий в них переменные ЭДС е₁ и е₂. Если ко вторичной обмотке подключить нагрузку, то под действием ЭДС е₂ в цепи вторичной обмотки будет протекать переменный ток i₂.

Отношение ЭДС равно отношению числу витков первичной и вторичной обмоток (у понижающего трансформатора оно равно коэффициенту трансформации):

Пренебрегая незначительными падениями напряжения в обмотках, отношение ЭДС можно заменить отношением напряжений:

Преобразование энергии в трансформаторах происходит с незначительными потерями, и подводимая к трансформатору мощность приблизительно равна отдаваемой полной мощности . Откуда , т.е. повышение напряжения на вторичной обмотке в несколько раз создает во столько же раз понижение тока и наоборот

Учитывая это, обмотку ВН, имеющую большее число витков, выполняют проводом меньшего сечения, чем обмотку НН.

Прим. Трансформаторы с одинаковым числом витков на первичной и вторичной обмотке (К=1) называются разделительными. Обычно они используются для разделения в целях безопасности цепей без заземления от цепей с заземлением.

В автотрансформаторах часть первичной обмотки может использоваться как вторичная и наоборот. Их эффективно использовать при небольших (К меньше 2) коэффициентах трансформации.

Измерительные трансформаторы служат для подключения маломощных измерительных приборов к силовым цепям.

Раздел 7

Реакторы

Реактором – это статическое электромагнитное устройство (катушка с сердечником), предназначенное для использования его индуктивности в электрической цепи. Типы реакторов по назначению:

сглаживающие – для сглаживания пульсаций выпрямленного тока;

токоограничивающие– для ограничения тока короткого замыкания;

переходные – для переключения выводов трансформатора;

делительные– для равномерного распределения тока нагрузки между параллельно включенными вентилями;

помехоподавления – для подавления радиопомех, возникающих при работе электрических машин и аппаратов;

индуктивные шунты – для обеспечения требуемого распределения токов между обмоткой возбуждения тягового двигателя и шунтирующим резистором.

Сглаживающие реакторывыполняются в виде массивной катушки со стальным сердечником. За счет большой индуктивности катушки переменной составляющей пульсирующего тока значительное сопротивление, почти без потерь энергии. Сглаженное реактором напряжение с выпрямительно й установки подается на тяговые двигатели.

Токоограничивающие реакторы.При коротком замыкании в цепи нагрузки выпрямительной установки индуктивное сопротивление реактора ограничивает ток короткого замыкания и замедляет скорость его нарастания, чтоб успели сработать аппараты защиты.

Дроссели.

В общем случае дроссель – это катушка с сердечником, у которой регулируется индуктивность. Как один из вариантов, регулирование индуктивности можно производить путем изменения воздушного зазора в магнитопроводе, что будет существенно влиять на изменение рабочего переменного тока.

Дроссель насыщения предназначен для плавного регулирования переменного тока большой мощности при помощи электрической цепи постоянного тока малой мощности.

Дроссель насыщения состоит из шихтованного сердечника и 2-х обмоток. Обмотка, включаемая в цепь переменного тока последовательно с нагрузкой, называется рабочейобмоткой. Как правило, рабочая обмотка имеет небольшое количество витков. Обмотка, включаемая в цепь постоянного тока последовательно с реостатом, называется обмоткой управления. Как правило, обмотка управления имеет большое количество витков.

Принцип действия.

При подаче переменного напряжения на рабочую обмотку, она создает переменный магнитный поток, под действием которого в рабочей обмотке индуктируется е_L. Соответственно, в рабочей обмотке создается индуктивное сопротивления Х_L, ограничивающее ток, протекающий через нагрузку. Если дополнительно подать постоянное напряжение на обмотку управления, то она создает постоянный магнитный поток, который намагничивает сердечник дросселя. При этом, пульсации магнитного потока рабочей обмотки уменьшаются (см. рисунок), что приводит к уменьшению е_L и Х_L рабочей обмотки и ,соответственно, к увеличению тока, протекающего через нагрузку.

Таким образом, при увеличении тока в обмотке управления, индуктивное сопротивление рабочей обмотки уменьшается, соответственно, ток в рабочей обмотке и нагрузке пропорционально увеличивается. Максимальное значение тока в обмотке управления, до которого можно его увеличивать, равно I_нас. ( ток насыщения). Дальнейшее увеличение тока в обмотке управления смысла не имеет.

Дроссель насыщения обладает одним существенным недостатком: переменный магнитный поток рабочей обмотки индуктирует в обмотке управления ЭДС взаимоиндукции ( е_М), что приводит к искажению работы дросселя наыщения .