Однофазный трансформатор. Он представляет собой электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Трансформатор может быть однофазным или трехфазным.

Простейший однофазный трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника 1 (рис. 162) и двух магнитосвязанных обмоток 2 и 3.

Обмотку 2, соединенную с источником электроэнергии, называют первичной. Все величины, относящиеся к этой обмотке, называют первичными и обозначают соответствующими буквами с индексом 1. Обмотка 3, соединенная с потребителем энергии Z, является вторичной. Все величины, относящиеся к этой обмотке, обозначают с индексом 2. Под действием переменного напряжения Их в первичной обмотке с числом витков возникает ток /[. Намагничивающая сила первичного тока возбуждает в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Ф = Фт sin со/. Этим потоком в первичной обмотке наводится э. д. с. самоиндукции Е1 = 4,44/ау,Фт, а во вторичной обмотке - э. д. с. взаимоиндукции /:2 = 4,44 /ш2Фт. Поэтому на зажимах вторичной обмотки возникает переменное напряжение U2, а приемник энергии получает ток /2 = t/2/Z2. Таким образом, со стороны вторичной обмотки трансформатор является источником электрической энергии, а со стороны первичной обмотки- потребителем этой энергии. Отношение действующих значений э. д. с., равное отношению чисел витков обмоток, называют коэффициентом трансформации: К = Нг/:2 - 4,44(4,44/ш2Фт) =- w1/w2'~.

В трансформаторах, понижающих напряжение, w2 < wlt а коэффициент трансформации К > 1.

Обмотку трансформатора, рассчитанную на большее напряжение, называют обмоткой высшего напряжения (ВН). Обмотку, на зажимах которой действует меньшее напряжение, называют обмоткой низшего напряжения (НН).

Электрическая энергия в трансформаторе преобразуется с незначительными потерями, и подводимая к трансформатору полная мощ-<р ность SL = UJx почти равна отдавае мой мощности S2 - U,zl2. Поэтому при увеличении напряжения U2 соответственно снижается и ток /2. Таким образом, обмотка низшего напряжения должна иметь меньшее число витков с большим поперечным сечением соответственно большей величине проходящего по ней тока, а обмотка высшего напряжения - большее число витков с меньшим поперечным сечением, В ря-

Принципиальная схема однофазного трансформатора
Рис. 162. Принципиальная схема однофазного трансформатора

де случаев обмотки трансформатора имеют несколько ответвлений (рис. 163). Это позволяет включать ^ трансформатор в сеть с различным напряжением ии а на приемнике получать различные напряжения Н2 в зависимости от числа витков, включенных в работу. Такие трансформаторы используют, например, в электрической централизации для питания ламп светофоров, маршрутных указателей, пульта-табло в различных режимах (дневном и ночном).

Трансформатор состоит из сердечника, по которому замыкается магнитный поток, обмоток высшего и низшего напряжения, бака с маслом (если трансформатор имеет масляное охлаждение), выводных изоляторов.

Для уменьшения нагрева от вихревых токов сердечник трансформатора набирают из штампованных пластин электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, покрытых пленкой лака или окиси. Применение электротехнической стали с большой магнитной проводимостью способствует увеличению магнитного потока и усилению электромагнитной связи между обмотками.

По конструкции сердечника трансформаторы делят на стержневые, броневые, тороидальные и ленточные разрезные.

Сердечник однофазного стержневого трансформатора (рис. 164, а) имеет два стержня 5, на которых размещаются обмотки, и два ярма 1, замыкающих магнитную цепь. Такие сердечники собирают из Г-об-разных пластин. Обмотки стержневого трансформатора размещают на двух стержнях магнитопровода. Обе половины одной и той же обмотки соединяют так, чтобы их намагничивающие силы складывались.

На стержни сердечника надевают изоляционные гильзы. Ближе к стальному стержню размещают обмотку низшего напряжения 2, так как ее легче изолировать от стержня 5. Обмотку высшего напряжения 4 отделяют от обмотки низшего напряжения изоляцией 3. В качестве изоляции применяют электротехнический картон, специальную бумагу или ткань, пропитанную лаком.

Расположение ответвлений на обмотках трансформатора
Рис. 163. Расположение ответвлений на обмотках трансформатора
Сердечники и обмотки стержневого (а) и броневого (б) трансформаторов
Рис. 164. Сердечники и обмотки стержневого (а) и броневого (б) трансформаторов
Тороидальный трансформатор (а) и трансформатор с ленточным разрезным сердечником (б)
Рис. 165. Тороидальный трансформатор (а) и трансформатор с ленточным разрезным сердечником (б)

Сердечники броневых трансформаторов (рис. 164, б) собирают из штампованных пластин Ш-образной формы, и они имеют три стержня. Обмотки низшего 2 и высшего 4 напряжения размещают на стержне 5. Между обмотками находится изоляция 3. Обмотки трансформатора размещают на среднем стержне 5. Магнитный поток из среднего стержня разветвляется на крайние стержни через ярмо 1. По сравнению со стержневыми в броневых трансформаторах больше коэффициент электромагнитной связи между обмотками, меньше рассеивание магнитного потока в окружающую среду. Благодаря этому броневые трансформаторы имеют лучшие электрические характеристики, оказывают меньшее индуктивное влияние на электрические цени, расположенные вблизи. Тороидальные сердечники применяют в маломощных трансформаторах (рис. 165, а), чаще всего рассчитанных для работы на повышенных частотах. Их выполняют из стали специальных марок в виде пластин или лент толщиной от 0,2 до 0,08 мм. На рис. 165, б показана конструкция Ш-образного ленточного сердечника и расположение на нем обмоток.

Обмотки трансформатора обычно имеют цилиндрическую форму и выполняются из медного провода соответствующего сечения, что уменьшает активное сопротивление.

Для уменьшения потерь на рассеивание и лучшего отвода теплоты обмотки мощных трансформаторов выполняют в виде дисковых катушек, между которыми, оставляют вентиляционные каналы. При этом катушки высшего напряжения и катушки низшего напряжения чередуются между собой. Трансформаторы небольшой мощности называемые сухими, имеют естественное воздушное охлаждение.

Трансформаторы значительной мощности, как правило, имеют масляное охлаждение. У этих трансформаторов сердечник с обмотками помещается в стальной бак с трансформаторным маслом, которое имеет высокие изоляционные свойства и хорошую теплопроводность. Слои масла от сердечника и обмоток перемещаются к стенкам бака и передают им тепло, которое рассеивается в воздух. Для увеличения поверхности охлаждения в мощных трансформаторах применяют трубчатые баки.

Трехфазный трансформатор. Трехфазный силовой трансформатор с масляным охлаждением (рис. 166) имеет сердечник 10 с обмотками 9, которые помещены в трубчатый бак 8, заполненный минеральным маслом. На верхней крышке бака расположены выводы обмоток высшего 2 и низшего 3 напряжений, изолированные от крышки бака посредством проходных изоляторов. Бак заполняют минеральным маслом через кран 1. При необходимости масло сливают через кран 7. Во время работы трансформатора объем масла в баке меняется. При увеличении нагрузки повышается температура обмоток и сердечника трансформатора, а значит, и трансформаторного масла. Масло расширяется и объем его увеличивается. При уменьшении нагрузки температура и объем масла уменьшаются. Вследствие этого в некоторых трансформаторах бак заливают маслом не полностью, т. е. оставляют достаточное воздушное пространство для расширения масла.

Однако в таких трансформаторах масло плохо защищено от окружающей среды. Слои гигроскопичного масла окисляются кислородом воздуха и насыщаются влагой, в результате чего резко уменьшается электрическая прочность масла и сокращается срок его службы.

Для защиты масла от соприкосновения с воздухом мощные трансформаторы снабжают расширителем 5, который представляет собой цилиндрический резервуар. Его соединяют с баком трансформатора трубопроводом. Масло заполняет весь бак и часть расширителя. В расширителе масло имеет более низкую температуру, чем в баке, и соприкасается с воздухом меньшей поверхностью. Поэтому оно меньше окисляется и дольше сохраняет изоляционные свойства. Расширитель снабжен указателем уровня масла, грязеотстой

Схема обмоток трех-флзного трансформатора
Рис 167. Схема обмоток трех-флзного трансформатора

ником с краном для удаления влаги и осадков и трубкой для всасывания и вытеснения воздуха.

При работе трансформатора внутри бака могут образоваться газы. Для предупреждения деформации бака от выделяющихся газов трансформаторы большой мощности имеют выхлопную трубу 4 с мембраной и газовое реле 6. При большом скоплении газы выдавливают мембрану и выходят наружу. В случае большого выделения газов газовое реле автоматически отключает трансформатор от источника электроэнергии.

На трехстержневом сердечнике трансформатора (рис. 167) находятся обмотки высшего ВН и низшего НИ напряжений. Начало обмоток высшего напряжения обозначают буквами А, В, С, а концы - X. ?. X. Начало обмоток низшего напряжения обозначают буквами а, Ь, с, а концы - х, у, г.

На каждом стержне сердечника имеются обмотки высшего и низшего напряжений, принадлежащие одной фазе. Обмотки фазы одного напряжения соединяют звездой или треугольником. В соответствии с этим приняты следующие стандартные группы соединения обмоток трехфазных трансформаторов: звезда/звезда с выведенной нулевой точкой У У„ - 0; звезда/треугольник У/А - 11; звезда с выведенной нулевой точкой/треугольник У0, А- 11; треугольник/звезда с выведенной нулевой точкой А/Уи- 11.

В первой стандартной группе (рис. 168) обмотки первой фазы А -- X и а - х наматывают в одном направлении. Поэтому напряжения этих обмоток ид и На совпадают по фазе. По этой же причине совпадают по фазе напряжения Нв и Нв, а также напряжения Нс и ис. При указанном соединении обмоток совпадут по фазе и соответствующие линейные напряжения: IIАВ и Иав, II вс. и НвС, Пса и Нса.

Схема соединения обмоток по схеме У /У-0 (а) и векторные диаграммы фазных и линейных напряжений (б)
Рис. 168. Схема соединения обмоток по схеме У /У-0 (а) и векторные диаграммы фазных и линейных напряжений (б)
Соединение обмоток по схеме У/Д-11 (о) и векторная диаграмма напряжений (б)
Рис. 169. Соединение обмоток по схеме У/Д-11 (о) и векторная диаграмма напряжений (б)

Так как отсутствует угловое смещение между одноименными линейными напряжениями обмоток высшего и низшего напряжения, эту группу называют нулевой.

Название группы зависит от угла сдвига фаз между указанными линейными напряжениями и определяется при помощи циферблата часов. Для этого минутную стрелку часов условно принимают за вектор высшего линейного напряжения и устанавливают на число 12. Часовую стрелку совмещают с вектором линейного низшего напряжения. На циферблате часов эта стрелка установится против числа, которое и определит группу трансформатора. В рассматриваемом способе соединения линейное высшее напряжение совпадает по фазе с линейным низшим напряжением, поэтому часовая стрелка, как и минутная, установится против числа 12. Такая группа соединения обмоток называется нулевой (нуль часов).

Во второй стандартной схеме V', Д - 11 первичные обмотки соединяют звездой, а вторичные - треугольником (рис. 169, а). Фазные напряжения обмоток высшего напряжения совпадают по фазе с соответствующими фазными напряжениями обмоток низшего напряжения (рис. 169, б). Однако линейные напряжения этих обмоток окажутся сдвинутыми по фазе.

Вектор низшего линейного напряжения (Уав образует с вектором высшего линейного напряжения ?/АВ угол 330е. Если минутную стрелку часов совместить с вектором напряжения (УАВ и установить на число 12, то часовая стрелка, совмещенная с вектором напряжения ?/ав, установится на числе 11. Следовательно, трансформатор с таким соединением обмоток относится к 11-й группе.

Из изложенного следует, что группа трансформатора выражает угловое смещение между линейными высшим и низшим напряжениями в условных единицах, равных 30е. В нулевой группе это смещение равно 0<:, в 11-й - 330е. Отношение линейных напряжений и,ал2 в трехфазных трансформаторах зависит не только от числа витков иуі и и)2 обмоток, но и от схемы их соединения.

На щитке трехфазного трансформатора указывают: схему и группу соединения обмоток; номинальные высшее и низшее напряжения (В или кВ); номинальную полную мощность (В А или кВ • А); линейные токи при номинальной мощности (А или кА); частоту и способ охлаждения.

Если два трансформатора имеют одинаковые номинальные данные и одинаковую группу для увеличения тока, то их можно включать на параллельную работу. Вторичные напряжения таких трансформаторов будут смещены относительно первичного напряжения на один и тот же угол. В результате этого вторичная э. д. с. одного трансформатора в любой момент времени будет равна вторичной э. д. с. другого В случае если трансформаторы имеют разные группы, их вторичные напряжения не будет совпадать но фазе. Так, если один трансформатор имеет группу 0, а другой-группу 11, их вторичные напряжения будут сдвинуты на угол 30е. При параллельном включении между такими трансформаторами возникнут уравнительные токи, которые разрушат их обмотки.

Трехфазные трансформаторы применяют на трансформаторных подстанциях, в мощных выпрямительных устройствах, питающих различную аппаратуру автоматики и телемеханики.

Потери в трансформаторе. Мощность Р2, отдаваемая трансформатором, меньше подводимой Рх, так как часть ее теряется в трансформаторе при его работе. Потери в трансформаторе складываются из потерь в стали Рст и потерь в меди Рм. Коэффициент полезного действия (рис. 170) трансформатора

Ч г К2і (РУ РСтфЕм)] 100 %.

Для уменьшения потерь в стали на вихревые токи и гистерезис сердечники трансформаторов изготавливают из листовой трансформаторной стали, содержащей до 5% кремния.

Мощность потерь в меди обмоток зависит от нагрузки трансформатора: Рм = /|Гд -г 1\г2. Для снижения этих потерь уменьшают активное сопротивление обмоток т 1 и г2 до определенного значения, увеличивая площадь поперечного сечения медного обмоточного провода.

Потери в стали можно определить из опыта холостого хода трансформатора при номинальном первичном напряжении 11 х (рис. 171, а). При этом полезная мощность Рг- 0, а потери в меди первичной обмотки из-за малого тока можно не учитывать. Следовательно, мощность Рх ж Рст.

Потери в меди определяют из опыта короткого замыкания (рис. 171, б), когда зажимы вторичной обмотки замкнуты нако

Рис. 170. Зависимость к. п. д. трансформатора от нагрузки
Схемы для определения потерь в стали (а) и меди (б)
Рис. 171. Схемы для определения потерь в стали (а) и меди (б)

ротко, а к первичной обмотке подводится такое пониженное напряжение (5-8% номинального значения), при котором в обмотках устанавливаются номинальные токи. Из-за малого напряжения магнитная индукция и потери в стали будут незначительны и мощность ~ Рм-

Коэффициент полезного действия трансформатора зависит от его нагрузки и достигает 98-99%.

Электродвигатели постоянного тока и их характеристики | Электропитающие устройства и линейные сооружения автоматики, телемеханики и связи железнодорожного транспорта | Автотрансформаторы и дроссели насыщения

Рекомендуемый контент: