Тема 1.7 Трансформатори

Призначення, будова і принцип дії трансформатора. Трансформатор — статичний електромагнітний пристрій із двома або більшим числом індуктивно зв'язаних обмоток, який служить для перетворення за допомогою електромагнітної індукції змінного струму однієї напруги в змінний струм іншої напруги. За призначенням трансформатори поділяються на силові, узгоджувальні та імпульсні

Силові трансформатори призначені для перетворення електричної енергії в електричних мережах та в установках для її приймання і використання.

Потужні силові трансформатори встановлюють на електростанціях для підвищення електричної енергії генераторів. Передача електроенергії по лінії електропередачі високою напругою і малими струмами значно зменшує втрати потужності, що дає можливість зменшити переріз проводів та істотно знизити витрати кольорового металу.

У кінці лінії електропередачі встановлюють трансформатори, які знижують напругу до рівня, необхідного для розподілу ЇЇ між великими споживачами (міста, населені пункти, промислові підприємства, цехи підприємств та ін.).

У місцях споживання електроенергії встановлюють трансформатори, які знижують напругу до експлуатаційної. Більшість споживачів працюють при напрузі 220, 380 і 660 В.

Отже, електроенергія, яка передається від електростанції до електроприймачів, трансформується декілька разів. Спочатку підвищується, а потім знижується.

Трансформатори, призначені для підвищення напруги, називаються підвищувальними, а трансформатори, призначені для зниження напруги,— знижувальними.

Трансформатори широко використовують у радіо- і телеапаратурі, у вимірювальних пристроях, місцевому освітленні тощо. Трансформатори, які використовуються для узгодження напруги або опорів між каскадами в радіопристроях, називаються узгоджувальними.

Трансформатори, призначені для передачі імпульсів напруги або струмів з однієї мережі в іншу, називаються імпульсними. Вони широко використовуються в імпульсній техніці.

Конструкція трансформатора залежить від його габаритів, які, в свою чергу, залежать від номінальної потужності трансформатора. Залежно від потужності трансформатори випускають з природним охолодженням і масляним. Активні частини трансформаторів у потужних енергетичних установках занурюють в мінеральне трансформаторне масло для кращого відведення тепла і поліпшення ізоляції.

Трансформатори малої потужності випускають з повітряним охолодженням.

Основні частини трансформатора — магнітопровід та обмотки. Магнітопровід складається з тонких листів електротехнічної сталі, легованої кремнієм, які ізольовані один від одного лаком, папером або окалиною. Це потрібно для зменшення втрат у сталі на перемагнічування та нагрівання вихровими струмами.

Рис.1.40 - Будова однофазного трансформатора:

а - стержньового; б – броньового;

1-стержень 2-вторинна обмотка 3-первинна обмотка.

Основне призначення магнітопроводу — підсилення магнітного зв'язку між обмотками трансформатора, тобто зменшення магнітного опору контуру, крізь який проходить магнітний потік.

Магнітопроводи можуть мати П — або Ш-подібну форму. Трансформатори з П-подібними магнітопроводами називаються стержньовими (рис.1.40, а), а з Ш-подібними — броньовими (рис.1.40, б). Частини магнітопроводу, на яких розміщені обмотки, називаються стержнями, а частини, на яких немає обмоток,— ярмом.

У трансформаторах малої потужності, які використовуються при частотах понад 20 кГц, феромагнітний магнітопровід відсутній, оскільки він фактично не проводить магнітного потоку через витиснення його до поверхні магнітопроводу.

Обмотки трансформаторів виготовляють з мідного (рідше — з алюмінієвого) дроту круглого або прямокутного перерізу. Обмотка, до якої підводиться електрична енергія, називається первинною, а обмотка, від якої відводиться електрична енергія, вторинною.

Умовне позначення однофазного трансформатора зображено на рис.1.41.

Рис.1.41 - Умовне позначення двообмоткового трансформатора.

Розглянемо принцип дії однофазного двообмоткового трансформатора (рис.1.42).

Рис.1.42 - Схема принципу дії однофазного двообмоткового трансформатора

Під час вмикання первинної обмотки трансформатора до мережі змінного струму з напругою у ній виникає струм , який збуджує в магнітопроводі змінний магнітний потік Ф. Замикаючись по магнітопроводу, змінний магнітний потік перетинає витки обмоток та індукує в первинній обмотці е.р.с. , а у вторинній обмотці е.р.с. Під час вмикання вторинної обмотки до навантажування е.р.с. створить у ній струм . Отже, у трансформаторі електрична енергія первинного кола з параметрами , та частотою f перетворюється в електричну енергію змінного струму з параметрами , та частотою f . Поряд з основним магнітним потоком у трансформаторі ще є змінні магнітні потоки розсіювання Ф_р1та Ф_р2, які замикаються навколо витків первинної та вторинної обмоток в основному через повітря. Магнітні лінії потоків розсіювання зчеплені тільки з витками своєї обмотки і не беруть участі у передачі енергії з первинного кола до вторинного. У кожній з обмоток вони створюють е.р.с. е_р1 і е_р2 відповідно.

Змінні е.р.с. е₁ і е₂ залежать від кількості витків і швидкості зміни магнітного потоку dФ/dt :

.

Оскільки е.р.с. е₁ і е₂ створюються одним і тим самим магнітним потоком при синусоїдальній напрузі, то діюче значення е.р.с. і буде таким, як і у котушці з феромагнітним осердям, і залежатиме від частоти струму, витків обмотки та магнітного потоку:

;

.

Поділивши значення е.р.с. первинного і вторинного кола, одержимо вираз для коефіцієнта трансформації:

Отже, коефіцієнт трансформації — це відношення е.р.с. обох обмоток або відношення чисел витків цих обмоток.

У трансформаторі виникає подвійне перетворення електричної енергії. Спочатку електрична енергія мережі у первинній обмотці перетворюється в енергію магнітного поля і передається у вторинну обмотку. У вторинній обмотці енергія магнітного поля перетворюється в електричну і передається навантаженню.

Втрати трансформатора на нагрівання його обмоток, магнітопроводу невеликі. Тому, нехтуючи втратами, можна вважати, що у трансформаторі перетворюються тільки напруга і струм, а потужність залишається незмінною:

Вираз для коефіцієнта трансформації можна переписати у вигляді:

Якщо не враховувати втрати активної та реактивної потужності в трансформаторах, які зумовлені основним магнітним потоком і потоком розсіювання, то можна вважати, що коефіцієнт трансформації буде

тобто струми в трансформаторі обернено пропорційні їхнім напругам.

Режими роботи однофазного трансформатора.Під час випробовування трансформаторів під навантаженням виникають великі втрати електроенергії. Тому використовують режими холостого ходу і короткого замикання.

У режимі холостого ходу трансформатора у вторинній обмотці немає струму, оскільки її електричне коло розімкнуте (рис.1.43, а). Отже, вторинна обмотка не впливає на режим роботи первинної обмотки. Під час подачі номінальної напруги на первинну обмотку вимірювальні прилади покажуть струм холостого ходу , втрати потужності , напругу вторинної обмотки .

Рис.1.43 - Схема режиму холостого ходу (а) і короткого замикання (б).

Відношення показань вольтметрів дорівнює коефіцієнтові трансформації трансформатора:

Активна потужність Р₀ у режимі холостого ходу витрачається на втрати потужності у магнітопроводі та електричні втрати у первинній обмотці:

Оскільки активний опір первинної обмотки і струм холостого ходу малі, то втрати в обмотці незначні. А це означає, що ватметр показує потужність втрат у магнітопроводі трансформатора .

На підставі цих випробувань можна визначити активний , реактивний та повний опір первинного кола трансформатора, а також активну і реактивну складову струму:

; ; ;

При випробовуванні режиму короткого замикання трансформатора вторинну обмотку замикають накоротко (рис.1.43, б).

Режим короткого замикання для трансформатора є аварійним, а тому при випробуваннях встановлюють напругу первинної обмотки значно меншу, ніж номінальну, з таким розрахунком, щоб струми в обмотках не перевищували номінального значення та . Ця напруга називається напругою короткого замикання . Мала напруга короткого замикання створює у трансформаторі і малий магнітний потік Ф. Магнітні втрати у сталі, в свою чергу, пропорційні квадрату магнітного потоку і значно менші від втрат в обмотках трансформатора. Фактично ватметр буде показувати потужність , яка йде на нагрівання його обмоток:

.

Отже, потужність буде дорівнювати втратам в обмотках трансформатора при номінальному навантаженні:

Активний, реактивний і повний опір трансформатора при короткому замиканні визначається:

;

У режимі навантаження первинна обмотка ввімкнена на номінальну напругу, а вторинна - на споживача електричної енергії.

Під час навантаження трансформатора, яке не змінюється, е.р.с. утворює у вторинній обмотці струм . Падіння напруги на вторинній обмотці буде залежати від характеру навантаження.

При індуктивному характері навантаження напруги на вторинній обмотці трансформатора зменшується із зростанням струму навантаження . Це пояснюється збільшенням зсуву фаз між е.р.с. і струмом навантаження при індуктивному навантаженні.

При ємнісному характері навантаження зсув фаз між е.р.с. і струмом зменшується, а зі збільшенням струму навантаження напруга на вторинній обмотці зростатиме.

Струм вторинної обмотки перебуває майже в протифазі із струмом первинної обмотки. Це означає, що е.р.с. вторинної обмотки більшу частину періоду змінного струму є розмагнічувальною відносно е.р.с. струму первинної обмотки. Основний магнітний потік утворюється спільною дією е.р.с. первинної та вторинної обмоток. Результуюча е.р.с. дорівнює геометричній сумі двох е.р.с. первинної та вторинної обмоток. Тобто струм у вторинній обмотці є розмагнічу вальним щодо струму у первинній обмотці. Під час роботи трансформатора виникають втрати перетворювальної енергії. Потужність, яка споживається , завжди буде більшою від корисної потужності . Основними втратами у трансформаторі є втрати в сталі і в обмотках Тому потужність, яка споживається трансформатором, складатиметься з суми потужностей:

Корисна потужність однофазного трансформатора визначається за формулою:

.

Коефіцієнт корисної дії однофазного трансформатора визначається як відношення корисної потужності до потужності, яка споживається трансформатором ,

.

У сучасних трансформаторах коефіцієнт корисної дії при повному навантаженні досягає 95-99,5% .

Трифазний трансформатор.Трифазні трансформатори призначені для перетворення електричної енергії змінного струму з одним співвідношенням лінійних напруг і струмів в електричну енергію з іншим співвідношенням напруг і струмів при незмінній частоті.

Для пояснення будови трифазного трансформатора візьмемо три однофазні трансформатори і встановимо їх так, щоб стержні, на яких розміщено обмотки, були під кутом 120°, а стержні без обмоток об'єднаємо в один стержень (рис. 1.44). Первинні обмотки трансформаторів з'єднаємо в зірку.

Під час живлення трансформаторів від симетричної трифазної мережі по їхніх обмотках потечуть струми однакового значення та магнітні потоки, зсунуті один відносно іншого на 120°. Магнітні потоки, утворені струмами в обмотках» також будуть зсунуті на 120°. Сума струмів і магнітних потоків дорівнюватиме нулю. Через те необхідність у стержні, який об'єднує три стержні однофазних трансформаторів, відпадає. Тому магнітопровід трифазного трансформатора не має четвертого замикаючого стержня. Подібно до цього у трифазній мережі при симетричному навантаженні може бути відсутній четвертий провід.

При неправильному з'єднанні обмоток результуючий магнітний потік не дорівнюватиме нулю і буде замикатися, залежно від конструкції трансформатора, через повітря або через бак трансформатора.

Рис.1.44 - До пояснення будови трифазного трансформатора

Оскільки важко технічно виготовити трифазний трансформатор із розміщенням стержнів під кутом 120°, то їх розміщують в одній площині (рис.1.45). У такій конструкції довжина магнітного кола, по якому замикається магнітний потік Ф_В, трохи менша, ніж для потоків Ф_А і Ф_С.

Рис.1.45 - Електромагнітна .система трифазного трансформатора.

Але асиметрія не має значення, оскільки при навантаженні струм холостого ходу не дуже впливає на значення струмів у первинній та вторинній обмотках. А тому при симетрії напруги на фазах первинних обмоток та симетрії навантаження, яке ввімкнене до вторинної обмотки, всі фази трансформатора перебувають у рівних умовах. Отже, роботу трифазного трансформатора можна розглядати тільки в одній фазі, оскільки процеси в інших фазах подібні.

Три первинні й три вторинні обмотки трифазного трансформатора можуть бути з'єднані зіркою (Υ) або трикутником . Група з'єднання обмоток трифазного трансформатора визначається кутом між векторами лінійної напруги первинної та вторинної обмоток трансформатора.

При з'єднанні обмоток зірка — зіркаΥ/Υ (рис. 1.46, а) кут зміщення векторів відповідних лінійних напруг дорівнює нулю, такі трансформатори належать до групи Υ/Υ-0.

При з'єднанні обмоток зірка — трикутник Υ/Δ (рис.1.46, б) кут зміщення векторів відповідних лінійних напруг дорівнює і трансформатори належать до групи Υ/Δ - 11.

Рис. 1.46 - З'єднання обмоток трифазного трансформатора:

а — зірка—зірка Υ/Υ; б — зірка—трикутник Υ/Δ.

Групу з'єднання трансформаторів можна визначити й іншим способом. Для цього треба вектор лінійної напруги первинної обмотки сумістити з хвилинною стрілкою годинника і встановити її на цифрі 12, а вектор лінійної напруги вторинної обмотки сумістити з годинною стрілкою. Наприклад, при з'єднанні обмоток Υ/Υ вектори лінійної напруги первинної та вторинної обмоток будуть показувати нуль годин, а при з'єднанні обмоток Υ/Δ - 11 годин.

Автотрансформатори.Автотрансформатор— це трансформатор, у якого дві (або більше) обмотки зв'язані гальванічно і мають спільну частину (рис. 1.47).

Рис. 1.47 - Схема автотрансформатора.

Автотрансформатори бувають однофазними і трифазними, підвищувальними і знижувальними. Автотрансформатор, в якого первинна обмотка є частиною вторинної, називається підвищувальним. Автотрансформатор, в якого вторинна обмотка є частиною первинної, називається знижувальним.

В автотрансформаторі електрична енергія з первинної обмотки передається у вторинну через гальванічний зв'язок і безпосередньо змінним магнітним потоком.

Автотрансформатори використовують в енергетиці, пристроях автоматики, радіоелектроніки, у побутовій техніці, лабораторіях та ін.

Усі процеси, які виникають під час роботи автотрансформатора, подібні до процесів, що відбуваються в двообмотковому трансформаторі.

При малих коефіцієнтах трансформації ( ) автотрансформатори мають ряд переваг перед двообмотковими: менша маса магнітопроводу і проводу обмоток; дешевші; мають більший коефіцієнт корисної дії. Але із збільшенням коефіцієнта корисної дії трансформації ці переваги зменшуються. Вони також мають обмеження щодо їхнього використання. Оскільки в автотрансформаторах є гальванічний зв'язок, їх не можна використовувати для живлення розподільних мереж низької напруги від мережі високої напруги, бо при пробиванні ізоляції автотрансформатора створюються небезпечні умови для обслуговуючого персоналу.

Вимірювальні трансформатори.У мережах змінного струму використовують вимірювальні трансформатори напруги й струму. Вони призначені для розширення меж електровимірювальних приладів, а також дають можливість ізолювати їх від високої напруги, що створює безпечні умови роботи обслуговуючого персоналу.

Вимірювальні трансформатори напруги призначені для вмикання вольтметрів, котушок напруги ватметрів, лічильників, реле і фазометрів, розрахованих на роботу із стандартними електроприладами напругою 100 В. Їх виготовляють як знижувальні двообмоткові трансформатори.

Первинну обмотку трансформатора ТV (рис. 1.48) вмикають на вимірювальну високу напругу, а до вторинної вмикають електровимірювальні прилади. Вторинна обмотка надійно ізольована від первинної, а також заземлена.

Рис. 1.48 - Схема ввімкнення амперметра і вольтметра з використанням трансформатора струму і напруги

Опір обмоток напруги електровимірювальних приладів великий, а тому вимірювальний трансформатор напруги працює в режимі, що близький до холостого ходу.

Падіння напруги у вторинній обмотці незначне .Падіння напруги у первинній обмотці зумовлене тільки струмами ходу трансформатора. Вторинну напругу трансформатора можна вважати пропорційно первинній:

У трансформаторі струму, як і в двообмотковому, є феромагнітне осердя, на якому розміщено первинну і вторинну обмотки.

Первинну обмотку трансформатора струму TA вмикають в електричну мережу послідовно з вимірювальним об'єктом, а до вторинної обмотки вмикають послідовно амперметр і струмові кола інших вимірювальних приладів (ватметрів, лічильників тощо).

За правилами безпеки праці вторинну обмотку трансформатора струму обов'язково заземлюють.

Струми первинних обмоток трансформаторів струму досягають десятків і тисяч ампер, а напруга первинної обмотки коливається від десятків до сотень мілівольт. Невеликий магнітний потік у магнітопроводі утворює невелику е.р.с. яка досягає не більше 10 В.

При відсутності вимірювальних приладів вторинна обмотка трансформатора повинна бути замкнута накоротко. При розімкнутій вторинній обмотці магніторушійна сила трансформатора струму збільшується у багато разів, і, як наслідок, дуже зростає магнітний потік у його осерді. Це призводить до різкого збільшення магнітних втрат у сталі, перегрівання осердя трансформатора, а також до виходу його з ладу. Оскільки е.р.с. пропорційна магнітному потоку, то напруга на розімкнутих затискачах вторинної обмотки може досягти небезпечного значення для обслуговуючого персоналу (декілька сотень або тисяч вольт).

Коефіцієнт трансформації вимірювального трансформатора напруги визначається відношенням номінальних значень напруг первинної та вторинної обмоток

Коефіцієнт трансформації вимірювального трансформатора струму визначається відношенням номінальних значень струмів первинної та вторинної обмоток

Ціна поділки вольтметра, амперметра і ватметра визначається:

Де , , - відповідно ціна поділки вольтметра, амперметра ватметра; , , - відповідно ціна поділки вольтметра, амперметра ватметра з трансформаторами напруги і струму.

Зварювальні трансформатори.Використовуються для електродугового зварювання. Ці трансформатори повинні мати достатню для загоряння дуги напругу холостого ходу, вони повинні забезпечувати обмеження струму при стиканні електродів та виключити можливість попадання зварювальника під напругу мережі. Перші дві умови виконуються при крутоспадній зовнішній характеристиці з напругою холостого ходу. 60…70В і струмі короткого замикання, що не перевищує робочий струм більше ніж на 40…50% . Третя умова виконується при використанні трансформаторів з розділеними первиною і вторинною обмотками. Вольт-амперна характеристика зварювальної дуги має вигляд, наведений на рис.1.49.

Рис.1.49 - Вольт-амперна характеристика зварювальної дуги

Для підтримання стійкого горіння дуги треба, щоб трансформатор мав крутоспадну зовнішню характеристику , яка забезпечується значним індуктивним опором розсіювання вторинної обмотки. Це досягається за допомогою зазору в самому магнітопроводі трансформатора або увімкнення послідовно із вторинною обмоткою котушки індуктивності (дроселя) з регульованим зазором (рис.1.50). Змінюючи зазор, можна регулювати спад зовнішньої характеристики, отже і струм зварювання.

Рис.1.50 – Схема електричних з’єднань трансформатора

Контрольні запитання

1. Що називається трансформатором?

2. За якими ознаками класифікують трансформатори?

3. Яка будова і принцип дії однофазного трансформатора?

4. Як визначається коефіцієнт трансформації?

5. Які величини визначають у режимі холостого ходу і короткого

замикання трансформатора?

6. Для чого призначений трифазний трансформаторі яка його будова?

7. Як з’єднують обмотки трифазних трансформаторів?

8. Що називають автотрансформатором, яка його будова і призначення?

9. Для чого призначені і як використовуються трансформатори?