Общие сведения о трансформаторах

Силовой трансформатор – это статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования (понижения или повышения) напряжения в сетях переменного тока.

Первый в мире трансформатор был создан русским инженером

П. Н. Яблочковым, который в 1876 г. высказал идею о возможности трансформации переменного тока, а в 1885 г. предложил передавать энергию на значительные расстояния, используя для этой цели высокое напряжение переменного тока.

В простейшем виде трансформатор представляет собой устройство, в котором на сердечник С, собранный из пластин электротехнической стали, намотаны две обмотки (рис. 5.1). Одна из них – первичная I – подключена к источнику энергии, к другой – вторичной II – присоединен потребитель – нагрузка Н.

Рис. 5.1. Схема однофазного трансформатора:

u – источник энергии (генератор); С – стальной сердечник; I и II – первичная

и вторичная обмотки; Н – нагрузка.

Ток, протекающий в первичной обмотке от источника энергии, создает в сердечнике переменный магнитный поток Ф, индуктирующий во вторичной обмотке электродвижущую силу. Для любого трансформатора отношение напряжений первичной U₁ и вторичной U₂ обмоток при холостом ходе приблизительно равно отношению чисел их витков:

(5.1)

где ω₁ и ω₂ – соответственно число витков первичной и вторичной обмоток.

Это отношение принято называть коэффициентом трансформации.

Если напряжение вторичной обмотки больше, чем подведенное к первичной, то трансформатор называют повышающим; в противном случае, когда вторичное напряжение меньше первичного, – понижающим. Один и тот же трансформатор можно использовать в качестве понижающего и повышающего.

Мощности в первичной и во вторичной обмотках примерно равны между собой. Таким образом, для однофазного трансформатора

(5.2)

где I₁ и I₂ – соответственно ток в первичной и во вторичной обмотках.

Тогда коэффициент трансформации

(5.3)

Следовательно, токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны напряжениям, а значит, и числам витков. Поэтому обмотку высшего напряжения всегда делают из большего числа витков провода меньшего сечения, тогда как обмотку низшего напряжения выполняют из меньшего числа витков провода большего сечения.

По числу фаз трансформаторы разделяют на однофазные и трехфазные, по числу обмоток – на двухобмоточные и трехобмоточные. По назначению различают силовые (предназначены для передачи и распределения электрической энергии) и специальные (сварочные, измерительные, печные, испытательные, инструментальные и др.) трансформаторы.

По способу охлаждения классификация такова: трансформаторы с воздушным (мощностью до 10 кВ^.А), масляным, а также с масляным и принудительным воздушным охлаждением.

Обозначение трансформатора расшифровывают так: первая буква Т – трехфазный и трехобмоточный, О – однофазный; вторая М – с естественным масляным охлаждением, Д – с масляным охлаждением и дутьем, Ц – с циркуляцией масла через воздушные (Д) или водяные (В) охладители, Н – с регулированием напряжения под нагрузкой, С – сухой. Цифры в числителе дроби – это номинальная мощность (кВ×А), в знаменателе – линейное напряжение обмотки высшего напряжения (кВ).

В зависимости от способа соединения обмоток трансформаторы различают по группам и схемам соединений.

Группой соединения называют комбинацию схем соединения обмоток высшего и низшего напряжений. Группа соединения показывает (по аналогии с взаимным расположением стрелок на часах – часовой и минутной) взаимное расположение векторов линейного низшего напряжения по отношению к векторам линейного высшего напряжения в каждой фазе. Вектор высшего напряжения принимают за минутную стрелку и устанавливают против цифры 12, а вектор низшего напряжения – за часовую стрелку.

Из всех возможных способов соединения обмоток трехфазных двухобмоточных трансформаторов наибольшее распространение нашли схемы соединения «звезда – звезда – нуль».

1. Ознакомиться с принципиальными электрическими схемами лабораторной установки (рис. 5.2, 5.3) и табл. 5.1 для записи результатов испытания трансформатора. Записать паспортные величины трансформатора и измерительных приборов.

2. Собрать цепь в соответствии с рис. 5.2 для поиска выводов, принадлежащих каждой из трех вторичных обмоток трансформатора. Для этой цели один из проводов контрольной лампы EL1 необходимо соединить с клеммой А распределительного щитка, а с клеммой N соединить один из шести выводов вторичных обмоток трансформатора. Затем с разрешения преподавателя включить сеть и, поочередно касаясь свободным проводом контрольной лампы каждого из оставшихся пяти выводов вторичных обмоток, наблюдать, когда загорится контрольная лампа. Отключить сеть и присоединить два найденных вывода вторичной обмотки трансформатора на клеммную плату (например, на клеммы а и х). Таким же способом нужно определить выводы двух других вторичных обмоток трансформатора и так же присоединить их выводы соответственно на клеммы b и y, c и z.

3. Собрать цепь в соответствии с рис. 5.3. Для этого начала первичных обмоток А, В, С и нейтраль N трансформатора необходимо присоединить к соответствующим клеммам распределительного щитка. Вторичные обмотки трансформатора следует соединить способом «звезда», перемкнув клеммы х, у и z.

С разрешения преподавателя включить трансформатор в сеть. Вольтметром PV1 необходимо поочередно измерить и записать в соответствующие графы табл. 5.1 линейные U_1Л (U_AB, U_BC, U_CA) и фазные U_1Ф (U_AN, U_BN, U_CN) напряжения первичных обмоток трансформатора, линейные U_2Л (U_ab, U_bc, U_ca) и фазные U_2Ф (U_ax, U_by, U_cz) напряжения вторичных обмоток. Пользуясь вольтметром PV2 и амперметром PА1, следует измерить соответственно напряжение U_Д на добавочной обмотке и ток I₁₀ холостого хода первичной обмотки трансформатора.

При измерении линейных напряжений U_2Л необходимо обратить внимание на то, что одно из этих напряжений может быть больше двух других в раз. Причина этого явления заключается в том, что при соединении их способом «звезда» одна из вторичных обмоток «опрокинута», т.е. были ошибочно приняты «конец» обмотки за ее «начало», или наоборот.

4. По результатам измерений необходимо вычислить линейные токи трансформатора I_1Л и I_2Л, число витков первичной w₁ и вторичной w₂ обмоток, коэффициент трансформации k. Следует определить также магнитные величины холостого хода для одной обмотки трансформатора: магнитодвижущую силу первичной обмотки F₁, магнитный поток Ф₁ и магнитную индукцию В₁.

5. Нарисовать принципиальные схемы, векторные диаграммы напряжений для следующих типов трансформаторов: Y/Y_N – 0, Y/D – 11 (символ «Y» обозначает способ соединения обмоток в «звезду», символ «Y_N» - в «звезду» с нейтральным проводом, символ «D» - в «треугольник»).

Построить векторную диаграмму напряжений испытуемого трансформатора для случая, когда одна из вторичных обмоток «опрокинута».