Глава VII. ТРАНСФОРМАТОРЫ
§ 1. Принцип действия трансформаторов
Силовой трансформатор слу жит для преобразования электрического тока одного напряжения в другое.
Простейший трансформатор имеет две обмотки, намотанные на стальной сердечник. Одна из обмоток подключается к источ нику электроэнергии, другая — к потребителю.
Установлено (см. Главу IV «Электромагнетизм»), что про хождение тока в обмотке, под ключенной к источнику питания, вызовет в ней магнитный поток, который, проходя по сердечнику и другой обмотке, приведет к возникновению в последней электрического напряжения. При этом напряжения в обмотках за висят от соотношения витков в них. Если число витков в первич ной обмотке больше, чем во вто ричной, то трансформатор пони жает напряжение. Такой трансформатор является понижаю щим. Наоборот, если число вит ков в первичной обмотке меньше, чем во вторичной, то трансформатор повышает напряжение, т. е. является повышающим.
Между напряжением и количеством витков существует прямая зависимость. Если предположить, что число витков в первичной обмотке в два раза больше числа витков во вторичной обмотке, то и напряжение в первичной обмотке будет в 2 раза больше, чем во вторичной. Зависимость между напряжением и числом витков численно выражается таким образом
(29)
где U1 и U2 — напряжения в первичной и во вторичной обмотках; ω1 и ω2 — соответственно число витков в этих обмотках; к — коэффициент трансформации.
напряжением будет меньшее напряжение, а вторичным большее, то трансформатор будет повышающим.
Частота переменного тока во всех случаях остается неизменной как с первичной, так и со вторичной сторон.
Следовательно, если принять, что напряжение в первичной обмотке U1 больше напряжения во вторичной обмотке U2, то для сохранения равенства ток в первичной обмотке I1 должен быть во столько же раз меньше тока во вторичной обмотке
(31)
Рис. 25. Схема работы трансформатора.
Трансформатор является обратимым аппаратом. Он может быть как понижающим (рис. 25), так и повышающим. Все зависит, с какой стороны (к какой обмотке) будет подведено первичное напряжение. Если первичным
Мощность в первичной обмотке P1 больше мощности во вторичной обмотке Р2. Происходит это потому, что в трансформаторе имеют место потери мощности. Эти потери происходят как в обмотках (потери в меди), так и в магнитопроводе (потери в стали). Потери в стали складываются из потерь, образуемых в результате перемагничивания и вихревых токов.
Если бы не было потерь в трансформаторе, то мощность Р1 была бы равна мощности Р2.
Если мощность в первичной обмотке будет примерно равна мощности во вторичной обмотке
(30)
Обмотки в трансформаторе отличаются между собой не только числом витков, но и сечением их. Так как в обмотке с высшим напряжением ток меньший, то и сечение витков меньшее. Наоборот, в обмотке с низшим напряжением ток больший, соответственно и сечение витков большее.
§ 2. Устройство трансформаторов
Трансформаторы могут иметь две обмотки и более. По числу обмоток на фазу трансформаторы подразделяются на двухобмоточные и многообмоточные (рис. 26). Кроме того, трансформаторы подразделяются также по числу фаз: на однофазные и трехфазные (рис. 27).
Рис. 26. Классификация трансформаторов по числу обмоток на фазу: а) двухобмоточный; б) трехобмоточный.
Рис. 27. Классификация трансформаторов по числу фаз: а) однофазный; б) трехфазный.
По конструктивному выполнению трансформаторы малых мощностей бывают стержне вые, броневые и тороидальные (рис. 28).
Основными частями любого трансформатора являются обмотки и сердечник (магнитопровод), который имеет вид буквы Ш, а обмотки располагаются на среднем стержне. В тороидальном трансформаторе сердечник имеет вид кольца.
Рис. 28. Трансформаторы малых мощностей:
а) стержневой; б) броневой; в) тороидальный.
Броневые трансформаторы отличаются от стержневых расположением обмоток. У броневых обмотки лучше защищены от внешних механических повреждений самим сердечником.
Сочетание трех однофазных трансформаторов дает возможность получить один трехфазный. Силовой трансформатор (рис. 29) состоит из следующих основных частей.
Рис. 29. Трехфазный трансформатор с трубчатым баком типа ТМ-320 в мощностью 320 ква.
1 — сердечник магнитопровода; 2 — обмотка низшего напряжения; 3 — обмотка высшего напряжения; 4 — бак; 5 — расширитель; 6—7 — устройства для переключения числа витков обмотки высшего напряжения; 8 — проходные изоляторы (ввод) высшего напряжения; 9 — проходные изоляторы (ввод) низшего напряжения; 10 — термометр; 11— пробка для спуска масла; 12 — пробка для залива масла.
Обмотки высшего (ВН) и низшего (НН) напряжений служат для преобразования (трансформации) подводимого к трансформатору напряжения.
Обмотки изготовляются из медных проводов. Для изоляции их друг от друга и от магнитопровода трансформатора используются лак, пряжа, бумага, эмаль и др. материалы.
По конструктивному выполнению первичные и вторичные обмотки располагаются одна над другой или одна как бы внутри другой. Наибольшее распространение получили обмотки второго типа. При этом ближайшей к сердечнику является обмотка низшего напряжения.
Магнитопровод (сердечник) трансформатора служит для увеличения магнитной связи между первичными и вторичными обмотками, а также для уменьшения магнитного сопротивления прохождению магнитного потока.
Магнитопровод состоит из двух основных частей: стержня и ярма. В трехфазном двухобмоточном трансформаторе он имеет три стержня, на которых находятся обмотки. Стержни состоят из стальных листов, изолированных друг от друга лаком или слоем тонкой пропитанной лаком бумаги. Сверху и снизу стержней находятся два ярма: верхний и нижний. Стержни крепятся к ним с помощью болтов. В результате получается замкнутая цепь для прохождения магнитного потока.
Переключатель — устройство для регулирования напряжения путем уменьшения числа витков первичной обмотки. С его помощью можно изменять напряжение в пределах ± 5 %.
Бак — емкость, в которой помещаются сердечник, обмотки и переключатель трансформатора. Заполняется он трансформаторным маслом, которое служит для охлаждения обмоток. Под действием проходящего по ним тока обмотки нагреваются и часть тепла отдают близлежащим слоям масла. Нагретые частицы масла перемещаются вверх, а охлажденные — вниз. Циркулирующее масло соприкасается со стенками бака и отдает тепло им. Последние снаружи обдуваются воздухом. Для интенсификации процесса охлаждения масла баки для увеличения площади соприкосновения с воздухом окружающей среды выполняются ребристыми или трубчатыми, а в трансформаторах большой мощности — радиаторными.
Крышка, закрывающая бак, служит основанием для крепления проходных изоляторов — вводов первичных и вторичных обмоток и другой арматуры.
Проходные изоляторы (фарфоровые) служат для присоединения обмоток. Внутри изолятора имеется металлический (медный) стержень, с помощью которого обмотки трансформатора соединяются с внешней сетью.
Расширитель имеет вид цилиндрического бачка. Изготовлен из листовой стали. С помощью трубопровода он соединен с баком. Сбоку в расширитель встроен стеклоуказатель уровня масла, сверху имеется пробка, через которую производится доливка масла, а также специальное, так называемое дыхательное отверстие для пропуска воздуха при изменении уровня масла.
§ 3. Основные данные трансформаторов
Трансформатор характеризуется тремя основными параметрами : мощностью, напряжением (первичным и вторичным) и коэффициентом трансформации.
Мощность, которую трансформатор может длительно отдавать при нормальных температурных условиях окружающей среды, называется номинальной.
Единицей измерения трансформаторной мощности является вольт-ампер (ва), но на практике для определения мощности силовых трансформаторов применяются единицы в 1000 раз большие — киловольт-амперы (ква). Если на трансформаторе имеется обозначение ТМ-100/10-0,4 — это означает: трансформатор масляный, мощность 100 ква, первичное напряжение 10 кВ, а вторичное — 0,4 кВ. Обычно вторичное напряжение опускается, так как напряжение 0,4 кВ подразумевается само собой. Вторичное напряжение 0,4 кВ берется с запасом, так как линейное напряжение (между двумя любыми фазами) составляет 0,38 кВ, т. е. 380 в. Фазное напряжение (между любым из фазных проводов и нулевым) равно 220 в.
В однофазных силовых трансформаторах с низшей стороны отходят три провода: два крайние — фазные и средний — нулевой. Напряжение между фазными проводами 440 в, а между любым фазным проводом и нулевым — 230 в.
Кроме рассмотренных параметров, при определенных условиях работы трансформатора учитываются другие параметры: напряжение короткого замыкания, коэффициент мощности, коэффициент полезного действия, группа соединения обмоток трансформатора.
