трансформаторы - WordPress.com

ТРАНСФОРМАТОРЫ
НАЗНАЧЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
Трансформатор предназначен для преобразования переменного тока одного
напряжения в переменный ток другого напряжения. Увеличение напряжения
осуществляется с помощью повышающих трансформаторов, уменьшение —
понижающих.
Трансформаторы применяют в линиях электропередачи, в технике связи, в
автоматике, измерительной технике и других областях.
В соответствии с назначением различают:
- силовые трансформаторы для питания электрических двигателей и осветительных
сетей;
- специальные трансформаторы для питания сварочных аппаратов, электропечей и
других потребителей особого назначения;
- измерительные трансформаторы для подключения измерительных приборов.
По числу фаз трансформаторы делятся на одно- и трехфазные. Трансформаторы,
используемые в технике связи, подразделяют на низко- и высокочастотные.
Расчетные мощности трансформаторов различны — от долей вольт-ампер до
десятков тысяч киловольт-ампер; рабочие частоты — от единиц герц до сотен
килогерц.
Трансформатор — простой, надежный и экономичный электрический аппарат. Он не
имеет движущихся частей и скользящих контактных соединений, его КПД достигает
99%. КПД трансформатора η, определяемый как отношение мощности на выходе Р2 к
мощности на входе Р1, зависит от нагрузки.
УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРА
Трансформатор представляет собой замкнутый магнитопровод, на котором
расположены две или несколько обмоток. В маломощных высокочастотных
трансформаторах, используемых в радиотехнических схемах, магнитопроводом может
являться воздушная среда.
Для уменьшения потерь на гистерезис магнитопровод изготовляют из
магнитомягкого материала — трансформаторной стали, имеющей узкую петлю
намагничивания. Для уменьшения потерь на вихревые токи в материал
магнитопровода вводят примесь кремния, повышающую его электрическое
сопротивление, а сам магнитопровод собирают из отдельных листов
электротехнической стали толщиной 0,35—0,5 мм, изолированных друг от друга
теплостойким лаком или специальной бумагой.
Различают трансформаторы стержневого (рис. 7.1, а) и броневого (рис. 7.1, б) типов.
Рис. 7.1. Конструкция однофазного маломощного трансформатора стержневого (а) и броневого (б)
типов
Последний хорошо защищает обмотки катушек от механических повреждений.
Верхнюю часть магнитопровода, называемую ярмом, крепят после насадки на стержень
1
катушек (обмоток). Стержни и ярмо соединяют очень плотно, чтобы исключить
воздушные зазоры на стыках. В маломощных трансформаторах находят широкое
применение кольцевые магнитопроводы, которые собирают из штампованных колец
или навивают из длинной ленты. В этих магнитопроводах отсутствует воздушный
зазор, поэтому магнитный поток рассеяния мал. В трансформаторах, рассчитанных на
повышенные частоты, кольцевые магнитопроводы часто прессуют из ферромагнитного
порошка, смешанного с изоляционным лаком.
Обмотки трансформаторов изготовляют из медного провода и располагают на одном
и том же или на разных стержнях, рядом или одну под другой. В последнем случае
непосредственно к стержню примыкает обмотка низшего напряжения, а поверх нее
размещается обмотка высшего напряжения.
Обмотку трансформатора, к которой подводится напряжение питающей сети,
называют первичной, а обмотку, к которой подсоединяется нагрузка,— вторичной.
На сердечнике может быть размещено несколько вторичных обмоток с разным числом
витков, что позволяет получить различные по значению вторичные напряжения.
При работе трансформатора за счет токов в обмотках, а также вследствие
перемагничивания магнитопровода и вихревых токов выделяется теплота.
Трансформаторы небольшой мощности (до 10 кВ-А), для которых достаточно
воздушного охлаждения, называют сухими.
Рис. 7.2. Трехфазный силовой трансформатор
Рис. 7.3. Общий вид автотрансформатора
I — ручка скользящего контакта; 2— скользящий контакт; 3 — обмотка
В мощных трансформаторах применяют масляное охлаждение (рис. 7.2).
Магнитопровод 1 с обмотками 2, 3 размещается в баке 4, заполненном минеральным
(трансформаторным) маслом. Масло не только отводит теплоту за счет конвекции или
принудительной циркуляции, но и является хорошим диэлектриком (изолятором).
Масляные трансформаторы надежны в работе и имеют меньшие размеры и массу по
сравнению с сухими трансформаторами той же мощности. При изменении
температуры объем масла меняется. При повышении температуры излишек масла
поглощается расширителем 5, а при понижении температуры масло из расширителя
возвращается в основной бак.
В тех случаях, когда требуется плавно изменять вторичное напряжение, применяют
скользящий контакт для изменения числа витков обмотки (примерно так же, как это
делается в ползунковых реостатах). Скользящий контакт широко используется в
автотрансформаторах, рассчитанных на регулирование напряжения в небольших
пределах (рис. 7.3).
2
ФОРМУЛА ТРАНСФОРМАТОРНОЙ ЭДС
Рассмотрим катушку (рис. 7.4), к зажимам которой подведено синусоидальное
напряжение. Пренебрежем сопротивлением катушки и потерями на гистерезис и
вихревые токи. Тогда приложенное к катушке напряжение u = Um sinωt будет
уравновешиваться только ЭДС самоиндукции e = Emsin ωt.
Это очевидно, так как полностью уравновешивать друг друга могут только равные и
одинаково изменяющиеся во времени величины.
В соответствии с законом электромагнитной индукции е = —w
Еm sin ωt= —ω
dФ .
dt
dФ ; следовательно,
dt
Это дифференциальное уравнение позволяет найти зависимость между ЭДС обмотки и
магнитным потоком в магнитопроводе:
dФ= -
Em
w
sin ωt dt
Проинтегрируем левую и правую части этого выражения:
Ф= -
Em
E
∫ sin ωt dt= m cos ωt +A
w
w
Здесь постоянная интегрирования A = 0, так как синусоидальная ЭДС не может
создать постоянную составляющую магнитного потока. Таким образом,
E=
Em
cos ωt = Фm cos ωt,
w
где Фm = Еm/ωw—амплитудное значение переменного магнитного потока в
магнитопроводе катушки. Подставив в последнее равенство Еm = √2E и ω = 2πf,
получим
Фm=
2 E , или Е= 2f m
2f
2
т. е. Е = 4,44fwФm. ЭТО выражение, связывающее действующее значение ЭДС в
обмотке с амплитудой магнитного потока в магнитопроводе, принято называть
формулой трансформаторной ЭДС. Она играет важную роль в теории трансформаторов
и электрических машин переменного тока.
Рис. 7.4. Схема катушки с ферромагнитным сердечником в цепи переменного тока
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА.
КОЭФФИЦИЕНТ ТРАНСФОРМАЦИИ.
Работа трансформатора основана на явлении взаимной индукции, которое является
следствием закона электромагнитной индукции.
Рассмотрим более подробно сущность процесса трансформации тока и напряжения.
При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока
напряжением U1 по обмотке начнет проходить ток I1 (рис. 7.5), который создаст в
магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Магнитный поток, пронизывая
3
витки вторичной обмотки, индуцирует в ней ЭДС E2, которую можно использовать для
питания нагрузки.
Поскольку первичная и вторичная обмотки трансформатора пронизываются
одним и тем же магнитным потоком Ф, выражения индуцируемых в обмотке ЭДС
можно записать в виде
Е1 = 4,44fw1 Фm
Е2 = 4,44fw2 Фm
где f — частота переменного тока; w1 ,w2 — число витков обмоток.
Поделив одно равенство на другое, получим
Е2/Е1 =w2/w2 =k.
Отношение чисел витков обмоток трансформатора называют коэффициентом
трансформации k.
Таким образом, коэффициент трансформации показывает, как относятся
действующие значения ЭДС вторичной и первичной обмоток.
На основании закона электромагнитной индукции можно написать
e1= —w1
dФ ,
dt
e2= —w2
dФ
dt
Поделив одно равенство на другое, получим e2/e1=w2/w1=k
Следовательно, в любой момент времени отношение мгновенных значений ЭДС
вторичной и первичной обмоток равно коэффициенту трансформации. Нетрудно
понять, что это возможно только при полном совпадении по фазе ЭДС е1 и е2.
Если цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута (режим холостого хода),
то напряжение на зажимах обмотки равно ее ЭДС: U2 = E2, а напряжение источника
питания почти полностью уравновешивается ЭДС первичной обмотки U ≈ E1.
Следовательно, можно написать, что k = E2/E1≈U2/U1.
Рис. 7.5.
Принципиальная
схема однофазного
трансформатора
Таким образом, коэффициент трансформации может быть определен на основании
измерений напряжения на входе и выходе ненагруженного трансформатора.
Отношение напряжений на обмотках ненагруженного трансформатора указывается в
его паспорте.
Учитывая высокий КПД трансформатора, можно полагать, что St≈S2, где S1 = U1I1 —
мощность, потребляемая из сети; S2 = U2I2 — мощность, отдаваемая в нагрузку.
Таким образом, U1I1 ≈U2I2, откуда I1/I2≈U2/U1=k.
Отношение токов первичной и вторичной обмоток приближенно равно
коэффициенту трансформации, поэтому ток I2 во столько раз увеличивается
(уменьшается), во сколько раз уменьшается (увеличивается) U2.
4
ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
В линиях электропередачи используют в основном трехфазные силовые
трансформаторы. Внешний вид, конструктивные особенности и компоновка основных
элементов этого трансформатора представлены на рис. 7.2. Магнитопровод
трехфазного трансформатора имеет три стержня, на каждом из которых размещаются
две обмотки одной фазы (рис. 7.6).
Рис. 7.6. Размещение обмоток на
сердечнике трехфазного трансформатора
Для подключения трансформатора к линиям электропередачи на крышке бака
имеются вводы, представляющие собой фарфоровые изоляторы, внутри которых
проходят медные стержни. Вводы высшего напряжения обозначают буквами А, В, С,
вводы низшего напряжения — буквами а, b, с. Ввод нулевого провода располагают
слева от ввода а и обозначают О (рис. 7.7).
Принцип работы и электромагнитные процессы в трехфазном трансформаторе
аналогичны рассмотренным ранее. Особенностью трехфазного трансформатора
является зависимость коэффициента трансформации линейных напряжений от способа
соединения обмоток.
Применяются главным образом три способа соединения обмоток трехфазного
трансформатора: 1) соединение первичных и вторичных обмоток звездой (рис. 7.8, а);
2) соединение первичных обмоток звездой, вторичных — треугольником (рис. 7.8, б);
3) соединение первичных обмоток треугольником, вторичных—звездой (рис. 7.8, в).
Рис. 7.8. Способы соединения обмоток трехфазного трансформатора
Обозначим отношение чисел витков обмоток одной фазы буквой k, что
соответствует коэффициенту трансформации однофазного трансформатора и может
быть выражено через отношение фазных напряжений: k = w2/w1≈U2ф/U1ф
Обозначим коэффициент трансформации линейных напряжений буквой с.
При соединении обмоток по схеме звезда — звезда
5
с=
U л2 3Uф2

k
U л1
3Uф1
При соединении обмоток по схеме звезда — треугольник
с=
U л 2 U ф2
k
.


U л1 3U
3
ф1
При соединении обмоток по схеме треугольник— звезда
U л2 3Uф2
с=

 3k
U л1 Uф1
Таким образом, при одном и том же числе витков обмоток трансформатора можно в
√3 раза увеличить или уменьшить его коэффициент трансформации, выбирая
соответствующую схему соединения обмоток.
АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Принципиальная схема автотрансформатора изображена на рис. 7.9.
У автотрансформатора часть витков первичной обмотки используется в качестве
вторичной обмотки, поэтому помимо магнитной связи имеется электрическая связь
между первичной и вторичной цепями. В соответствии с этим энергия из первичной
цепи во вторичную передается как с помощью магнитного потока, замыкающегося по
магнитопроводу, так и непосредственно по проводам. Поскольку формула
трансформаторной ЭДС применима к обмоткам автотрансформатора так же, как и к
обмоткам трансформатора, коэффициент трансформации автотрансформатора
выражается известными отношениями
k = w2/wl=E2/El≈ U2/U1 ≈I1/I2
Вследствие электрического соединения обмоток через часть витков,
принадлежащую одновременно первичной и вторичной цепям, проходят токи I1 и I2,
которые направлены встречно и при небольшом коэффициенте трансформации мало
отличаются друг от друга по значению. Поэтому их разность оказывается небольшой и
обмотку w2 можно выполнить из тонкого провода. Таким образом, при k = 0,5 - 2
экономится значительное количество меди. При больших или меньших коэффициентах
трансформации это преимущество автотрансформатора исчезает, так как та часть
обмотки, по которой проходят встречные токи I1 и I2, уменьшается до нескольких
витков, а сама разность токов увеличивается.
Электрическое соединение первичной и вторичной цепей повышает опасность при
эксплуатации аппарата, так как при пробое изоляции в понижающем
автотрансформаторе оператор может оказаться под высоким напряжением первичной
цепи.
Автотрансформаторы применяют для пуска мощных двигателей переменного тока,
6
регулирования напряжения в осветительных сетях, а также в других случаях, когда
необходимо регулировать напряжение в небольших пределах.
Измерительные трансформаторы напряжения и тока используют для включения
измерительных приборов, аппаратуры автоматического регулирования и защиты в
высоковольтные цепи. Они позволяют уменьшить размеры и массу измерительных
устройств, повысить безопасность обслуживающего персонала, расширить пределы
измерения приборов переменного тока.
Измерительные трансформаторы напряжения служат для включения вольтметров и
обмоток напряжения измерительных приборов (рис. 7.10). Поскольку эти обмотки
имеют большое сопротивление и потребляют маленькую мощность, можно считать,
что трансформаторы напряжения работают в режиме холостого хода.
Измерительные трансформаторы тока используют для включения амперметров и
токовых катушек измерительных приборов (рис. 7.11). Эти катушки имеют очень
маленькое сопротивление, поэтому трансформаторы тока практически работают в
режиме короткого замыкания.
Рис. 7.10. Схема включения и
Рис. 7.11. Схема включения и
условное обозначение измери- условное обозначение изметельного трансформатора напря- рительного
трансформатора
тока
жения
Результирующий магнитный поток в магнитопроводе трансформатора равен
разности магнитных потоков, создаваемых первичной и вторичной обмотками. В
нормальных условиях работы трансформатора тока он невелик. Однако при
размыкании цепи вторичной обмотки в сердечнике будет существовать только
магнитный поток первичной обмотки, который значительно превышает разностный
магнитный поток. Потери в сердечнике резко возрастут, трансформатор перегреется и
выйдет из строя. Кроме того, на концах оборванной вторичной цепи появится большая
ЭДС, опасная для работы оператора. Поэтому трансформатор тока нельзя включать в
линию без подсоединенного к нему измерительного прибора. Для повышения
безопасности обслуживающего персонала кожух измерительного трансформатора
должен быть тщательно заземлен.
СВАРОЧНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
К источникам питания сварочных аппаратов предъявляются специфические
требования: при заданной мощности они должны создавать большие токи в нагрузке,
причем резкое изменение сопротивления нагрузки не должно существенно сказываться
на значении сварочного тока.
Относительно невысокие напряжения при больших токах обеспечивают не только
эффективное тепловыделение в сварочном контакте, но и безопасность сварщика,
работающего
обычно
среди
металлических
конструкций
с
высокой
7
электропроводностью.
В соответствии с рассмотренными требованиями сварочные трансформаторы
обеспечивают понижение напряжения от 220 или 380 В до 60—70 В. Такое напряжение
на зажимах вторичной обмотки устанавливается при холостом ходе сварочного
трансформатора. В процессе сварки оно колеблется от максимального значения 60—70
В до значений, близких к нулю. Сопротивление электрической дуги, возникающей при
сварке, изменяется при перемещениях руки сварщика. Если бы напряжение на зажимах
вторичной обмотки трансформатора поддерживалось постоянным, возникали бы резкие
колебания тока в цепи и регулировать тепловыделение было бы невозможно. Поэтому
сварочный трансформатор устроен так, что при резком уменьшении сопротивления
дуги ток в цепи увеличивается незначительно, а произведение I2R, определяющее
количество теплоты, сохраняется на требуемом уровне.
В соответствии с законом Ома при резком уменьшении сопротивления и
незначительном увеличении тока напряжение на дуге снижается. Сварочный
трансформатор имеет крутопадающую внешнюю характеристику.
Сварочный трансформатор выдерживает короткие замыкания, возникающие в случае
прикосновения электрода к сварочному шву. Ток короткого замыкания, как показывает
внешняя характеристика, ограничен. Вторичная обмотка трансформатора рассчитана на
достаточно длительное протекание этого тока.
При постоянном напряжении питающей сети быстрое снижение выходного
напряжения трансформатора при незначительном возрастании тока может быть
достигнуто только за счет увеличения внутреннего падения напряжения в обмотках
трансформатора. Для этого нужно увеличить сопротивление обмоток.
Сварочные трансформаторы изготовляют с большим регулируемым индуктивным
сопротивлением обмоток. При этом увеличивают не активное сопротивление проводов,
а индуктивное сопротивление рассеяния обмоток, так как увеличение активного
сопротивления привело бы к возрастанию потерь энергии и перегреву трансформатора.
Для увеличения индуктивного сопротивления рассеяния обмоток увеличивают
поток рассеяния, вводя в магнитопровод трансформатора шунтирующий
магнитопроводящий стержень, через который замыкается часть основного магнитного
потока. Изменяя значение воздушного зазора в шунтирующем стержне, можно
изменять магнитный поток рассеяния. Средний подвижный стержень, выполняющий
функции магнитного шунта, предусмотрен, например, в конструкции отечественного
сварочного трансформатора СТАН-1.
Применяют и другие способы изменения индуктивного сопротивления рассеяния
обмоток. Так, в трансформаторе СТЭ в цепь вторичной обмотки включают
специальный дроссель с регулируемым воздушным зазором, а в трансформаторе ТС500 изменяют расстояние между первичной и вторичной обмотками.
8