Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индукционно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока, в том числе для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения.
Рис. 1. Схема работы однофазного трансформатора при холостом ходе
Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции, заключающемся в том, что при изменении во времени магнитного поля, пронизывающего проводящий контур, в последнем наводится (индуцируется) электродвижущая сила (эдс).
Если к концам одной из обмоток однофазного трансформатора (рис. 1), в данном случае АХ обмотки 1У подведено переменное напряжение U1, то по ней протекает ток /х холостого хода, его также называют намагничивающим, он создает магнитное поле, изменяющееся с той же частотой, что и напряжение. При этом вследствие высокой магнитной проницаемости стали большая часть магнитного поля, которая называется основным магнитным нолем ф трансформатора, замыкается через контур магнитной системы, другая часть магнитного поля, называемого полем рассеяния Фр замыкается через воздух, она не связана магнитно с обмоткой 2 и поэтому в трансформировании напряжения (энергии) не участвует. Согласно закону электромагнитной индукции изменяющееся основное магнитное поле Ф, пронизывающее обе обмотки, наводит в них эдс E1 и Е2. Напряжение U2l измеренное вольтметром и подведенное напряжение Uu практически можно считать равными эдс Е2 и Е1 соответственно. Если к концам ах обмотки подсоединить какую-либо электрическую нагрузку, то в ее цепи возникает ток, который одновременно вызовет увеличение тока в обмотке 1.
Таким образом, в рассматриваемом электромагнитном устройстве— трансформаторе происходит трансформация электрической энергии, подведенной к обмотке /, в электромагнитную и далее в электрическую, используемую в цепи нагрузки, подключенной в обмотке 2.
Трансформатор, в магнитной системе 3 которого создается однофазное магнитное поле, называется однофазным, если же создается трехфазное поле, то — трехфазным.
Обмотка, к которой подводится энергия (напряжение) преобразуемого переменного тока, называются первичной; обмотка трансформатора, от которой отводится энергия преобразованного переменного тока, называется вторичной.
Под обмоткой трансформатора подразумевают совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются электродвижущие силы, наведенные в витках, с целью получения заданного напряжения.
Обмотка трансформатора, к которой подводится электроэнергия преобразуемого или от которой отводится энергия преобразованного переменного тока, называется основной. Силовой трансформатор имеет не менее двух основных обмоток.
Основная обмотка трансформатора, имеющая наибольшее номинальное напряжение, называется обмоткой высшего напряжения (ВН), наименьшее — обмоткой низшего напряжения (НН), а промежуточное между ними — обмоткой среднего напряжения (СН).
Трансформатор с двумя гальванически не связанными обмотками (ВН и НН) называется двухобмоточным, с тремя (ВН, СН и НН) — трехобмоточным. Одна из этих обмоток является первичной, две другие — вторичными. Если у трансформатора первичной является обмотка НН, его называют повышающим, если ВН — понижающим.
Значения вторичной эдс Е2 и соответственно напряжения U2 зависят от числа витков вторичной обмотки. Увеличение числа витков вторичной обмотки приводит к увеличению вторичных эдс и напряжения и наоборот.
Другим расчетным показателем трансформатора является коэффициент трансформации ky равный отношению напряжения на зажимах обмотки высшего напряжения к напряжению на зажимах обмотки низшего напряжения в режиме холостого хода (ненагруженного) трансформатора.
Двухобмоточный трансформатор имеет один коэффициент трансформации, равный отношению высшего напряжения к низшему, трехобмоточный трансформатор — три коэффициента трансформации, равные отношению высшего напряжения к низшему, высшего напряжения к среднему и среднего к низшему.
Для двух обмоток силового трансформатора, расположенных на одном стержне магнитной системы, коэффициент трансформации принимается равным отношению чисел их витков. Поэтому если, например, первичная обмотка с числом витков W\ является обмоткой высшего напряжения, а вторичная с числом витков w2— низшего напряжения, то k=U\fU2=Wi/w2y откуда U\ = kU2, W\ = kw2.
Таким образом, зная коэффициент трансформации и напряжение вторичной обмотки трансформатора, легко определить напряжение первичной обмотки и наоборот. Это относится также к значениям токов и к числам витков.
Для улучшения электрической изоляции токопроводящих частей и условий охлаждения трансформатора обмотки вместе с магнитной системой погружают в бак с трансформаторным маслом. Такие трансформаторы называют маслонаполненным и или масляными.
Некоторые трансформаторы специального назначения вместо масла наполняют негорючей синтетической жидкостью — совтолом. Трансформаторы, у которых основной изолирующей средой служит воздух, газ или твердый диэлектрик, а охлаждающей средой — атмосферный воздух, называют сухими.
Каждый трансформатор характеризуется номинальными данными, основные указывают в прикрепляемой к нему табличке. К ним относятся: мощность, напряжение, ток, частота и др.
Номинальная мощность трансформатора — это мощность, на которую он рассчитан.
Номинальная мощность 5 трансформаторов выражается полной электрической мощностью в киловольт-амперах (кВ-А) или мегавольтамперах (MB-А).
Номинальное первичное напряжение — это напряжение, на которое рассчитана первичная обмотка трансформатора; номинальное вторичное напряжение— напряжение на зажимах вторичной обмотки, получающееся при холостом ходе трансформатора и номинальном напряжении на зажимах первичной обмотки. Номинальные токи определяются соответствующими номинальными значениями мощности и напряжения.
Высшее номинальное напряжение трансформатора — это наибольшее из номинальных напряжений обмоток трансформатора.
Низшее номинальное напряжение — наименьшее из номинальных напряжений обмоток трансформатора.
Среднее номинальное напряжение — номинальное напряжение, являющееся промежуточным между высшим и низшим номинальным напряжением обмоток трансформатора.
Режим, при котором одна из обмоток трансформатора замкнута накоротко, а вторая находится под напряжением, называется коротким замыканием (к. з.). Если короткое замыкание происходит в процессе эксплуатации трансформатора при номинальных напряжениях, в обмотках возникают токи короткого замыкания, в 5—20 раз (и более) превышающие номинальные. При этом резко повышается температура обмоток и в них возникают большие механические усилия. Такое замыкание является аварийным и для предотвращения повреждения трансформатора применяется специальная защита, которая должна отключить его в течение долей секунды.
Если в порядке опыта замкнуть накоротко одну из обмоток трансформатора (рис. 2), в данном случае обмотку НН с числом витков W29 а к другой с числом витков w\ подвести пониженное напряжение и постепенно его повышать, то при определенном значении напряжения С/кз, называемом напряжением короткого замыкания, в обмотках будут проходить токи, соответственно равные номинальным значениям первичной и вторичной обмоток.
Равенство напряжений короткого замыкания параллельно включенных трансформаторов — одно из условий их нормальной работы. Напряжение икз указывают в табличке каждого трансформатора. Оно определено стандартами и зависит от типа и мощности трансформатора: для силовых трансформаторов малой и средней мощности оно составляет 5—7%, для мощных трансформаторов — 6—17% и более.
Рис. 2. Схема и поля рассеяния однофазного трансформатора в режиме короткого замыкания: а — условного, б — реального
При опыте короткого замыкания в магнитной системе создается незначительное магнитное поле Фк, обусловленное малым намагничивающим током вследствие небольшого подведенного напряжения ик.3. Проходящие по первичной и вторичной обмоткам номинальные токи создают встречнонаправленные мдс, соответственно им поля рассеяния и Фp1 и Фр2, вынуждены замыкаться через воздух и металлические детали трансформатора (см. рис. 2, а). Поля рассеяния в реальном трансформаторе, в котором первичная и вторичная обмотки размещены на одном стержне магнитной системы, изображены на рис. 2 б.
Результирующее поле рассеяния Фр создает в обмотках индуктивное сопротивление, которое при аварийном коротком замыкании ограничивает ток в обмотках, предохраняя их от чрезмерного нагрева и разрушения. Чем больше иш, тем меньше опасность разрушения обмоток при аварийных коротких замыканиях. Однако напряжение короткого замыкания иш при расчете трансформатора ограничивают до определенного значения, в противном случае, поля рассеяния, создавая значительное индуктивное сопротивление, вызовут недопустимо большое реактивное падение напряжения в обмотках, в результате чего снизятся вторичное напряжение и соответственно мощность, получаемая потребителем. Напряжение короткого замыкания определяется для каждой пары обмоток: в двухобмоточном трансформаторе — для обмоток ВН — НН; в трехобмоточном трансформаторе — для обмоток ВН—НН; ВН — СН и СН — НН.
Потери трансформатора — это активная мощность, расходуемая в магнитной системе, обмотках и других частях трансформатора при различных режимах работы.
Потери холостого хода Рхх — это потребляемая трансформатором активная мощность в режиме холостого хода при номинальном напряжении и номинальной частоте первичной обмотки.
При холостом ходе трансформатор не передает электрическую энергию, так как вторичная обмотка разомкнута. Потребляемая им активная мощность тратится на нагревание стали магнитной системы от перемагничивания и вихревыми токами, а также частично первичной обмотки. Эти суммарные потери называют потерями холостого хода трансформатора. Ввиду малого тока холостого хода потери в активном сопротивлении обмотки при этом незначительны (0,3—0,5% номинальной мощности трансформатора), поэтому ими пренебрегают и считают, что мощность расходуется только на потери в стали магнитной системы. Абсолютное значение потерь холостого хода трансформатора незначительно. Однако их стремятся максимально снизить, так как суммарные годовые потери холостого хода трансформатора сравнительно велики.
Потери короткого замыкания Рш — это потребляемая трансформатором активная мощность при опыте к. з., обусловленная потерями в активном сопротивлении первичной и вторичной обмоток и токоведущих частях трансформатора при прохождении номинального тока и добавочными потерями, вызванными полями рассеяния.
Напряжение Uкз, подводимое к трансформатору при опыте короткого замыкания, в зависимости от его конструкции и назначения в 5—20 раз меньше номинального, поэтому магнитное поле в магнитной системе незначительное, соответственно незначительны и потери в активной стали на перемагничивание. Ими пренебрегают, считая, что потребляемая мощность при коротком замыкании расходуется только на потери в активном сопротивлении обмоток и на добавочные потери, вызванные полями рассеяния. Поля рассеяния наводят в обмотках и других токоведущих частях трансформатора (отводы, вводы и др.) вихревые токи, а в стальных конструкциях (стенки бака, ярмовые балки, детали прессовки и др.) кроме вихревых токов создают гистерезисные потери (потери от перемагничивания). Добавочные потери от полей рассеяния вызывают перегревы отдельных частей трансформатора и снижают его коэффициент полезного действия (кпд). Поэтому при расчетах и конструировании трансформаторов поля рассеяния стараются уменьшить до оптимального значения, для этого первичную и вторичную обмотки размещают концентрически она одном стержне магнитной системы, максимально возможно уменьшая канал между ними (рис. 3). Чем ближе обмотки друг к другу, тем меньше поле рассеяния, а следовательно, добавочные потери от вихревых токов и перемагничивания.
Рис. 3. Размещение обмоток ВН и НН на стержне магнитной системы
При опыте короткого замыкания токи и потери мощности такие же, как и при полной нагрузке трансформатора, поэтому их часто называют нагрузочными потерями. Потери холостого хода и короткого замыкания нормируются стандартом.
Суммарные потери трансформатора при номинальной нагрузке составляют потери холостого хода и короткого замыкания. Зная эти потери и мощность, выдаваемую трансформатором в сеть, можно определить его кпд в процентах. Трансформаторы имеют сравнительно высокий кпд (98,5—99,3%).
