3.1. Устройство и принцип действия трансформаторов

Статическое электромагнитное устройство, предназначен­ное для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения, называется трансфор­матором. При этом, если основным параметром этого устройства является мощность передаваемой электрической энергии переменного тока, то речь идет о силовом трансформаторе.

Чем выше значение передаваемой мощности, тем сложнее обеспечение условий работы такого трансформатора, тем серьезнее требования к его системе охлаждения. При относительно небольшой мощности трансформатора не требуется применение каких-то специальных мер для охлаждения трансформатора, поэтому трансформаторы мощностью до 100 кВ-А обычно выполня­ются сухими, т.е. с воздушным охлаждением.

Трансформаторы не являют­ся источниками электроэнергии. По закону электромагнитной ин­дукции электрическая энергия, получае­мая из се­ти первичной обмоткой, лишь передается во вторичную обмотку и от нее — потребителям.

Схема однофазного трансфор­матора показана на рис. 39.

Подводимое к первичной обмотке напряжение U₁ вызывает в ней ток I₁. Ток I₁ образует магнитный поток Ф₁ замыкающийся по магнитопроводу, и поток рассеяния Ф_s1 пересекая витки пер­вичной и вторичной обмоток, наводит в них ЭДС Е₁ и Е₂. При разомкнутой вторичной обмотке (как показано на рис.39) имеет место режим холостого хода трансформатора, при котором I₁=I₁₀. При этом, действующие значения ЭДС и напряжений в первичной и вторичной цепях соответственно равны: U₁=E₁, Е₂= U₂₀.

При замыкании вторичной обмотки на нагрузку r по цепи пойдет ток I₂ = U₂/r, который создаст в магнитопроводе поток Ф₂, направленный встречно потоку Ф₁ и поток рассеяния Ф_s2, прони­зывающий только витки вторичной обмотки. Таким образом, в магнитопроводе образуется результирующий магнитный по­ток Ф. Иначе говоря, при работе трансформатора под нагрузкой именно поток Ф наводит в обмотках ЭДС Е₁ и Е₂. В связи с ма­лым падением напряжения в обмотках обычно считают, что U₂≈E₂. Следует иметь в виду, что результирующий по­ток трансформатора Ф есть величина для данного аппарата по­стоянная.

Мерой изменения напряжения, осуществляемого с помощью трансформатора, служит отношение числа витков обмотки выс­шего напряжения к числу витков обмотки низшего напряжения. Это отношение называется коэффициентом трансформации:

w₁/w₂≈ E₁/E2 (3-1)

где w₁—число витков обмотки высшего напряжения (первичной);

w₂ — число витков обмотки низшего напряжения (вторичной);

E₁ и E₂— ЭДС первичной и вторичной обмоток.

Трансформаторы небольших мощностей могут служить как для повышения, так и для понижения напряжения. Обычно же транс­форматоры имеют строго определенное назначение. Трансформа­тор, служащий для повышения напряжения, называется повышаю­щим, а для понижения — понижающим.

Конструктивно трансформатор состоит из стального сердеч­ника, набранного из отдельных листов электротехнической стали, на котором располагаются две или несколько электрически не соединенных между собой обмоток. Сердечник трансформатора для уменьшения потерь на вихревые токи набирается из листов трансформаторной стали толщиной 0,35—0,5 мм. Листы изоли­руются друг от друга тонкой бумагой или лаком. Для сердечников применяются стали марок Э-41, Э-42, Э-310 и Э-320.

В зависимости от конструкции сердечника различают транс­форматоры стержневого и броневого типов. В трансформаторах стержневого типа (рис. 40,а) обмотки высшего ОВН и низшего ОНН напряжения выполняются в виде двух катушек, надеваемых на стержни сердечников С, которые соединяются так называе­мыми ярмами Я в замкнутый магнитопровод.

В трансформаторах броневого типа, представленных на рис. 40, б, обмотки расположены на среднем стержне сердечника, который в соединении с ярмами и боковыми стержнями без об­моток образует замкнутый магнитопровод.

Современные трансформаторы чаще бывают стержневого типа.

По способу расположения обмотки трансформаторов делятся на концентрические и чередующиеся.

Концентрические обмотки (см. рис. 40,а) выполняются в виде цилиндрических катушек, надеваемых на стержни магнитопро-вода сердечника. Ближе к стержню обычно располагают обмотку низшего напряжения, так как ее легче изолировать от него. Об­мотки высшего и низшего напряжения изолируют друг от друга с помощью цилиндров из бакелизированной бумаги или специаль­ного картона.

Чередующиеся обмотки (см. рис. 40,б), применяемые обычно в трансформаторах броневого типа, выполняются в виде отдель­ных дисковых катушек. Обмотки высшего и низшего напряжения чередуются, следуя друг за другом по высоте стержня трансфор­матора. Между отдельными катушками прокладывают изоляцион­ные диски.