РОЗДІЛ ДРУГИЙ

ТРАНСФОРМАТОРИ

Трансформатором в електротехніці називають електромагнітний апарат, що служить для перетворення електричної енергії змінного струму однієї напруги в електричну ж енергію змінного струму іншої або тієї ж напруги. У трансформаторі немає обертових частин, тому він не є машиною у звичайному змісті цього слова. Однак перетворення енергії змінного струму в ньому відбувається за допомогою магнітного поля й на основі тих же законів електрики й магнетизму, як і в електричних машинах. На цій підставі трансформатори становлять невід'ємну частину курсу електричних машин.

В цьому розділі розглядаються тільки силові одно- і трифазні трансформатори й автотрансформатори малої потужності в діапазоні потужностей до декількох сотень вольт-амперів і спеціальні пікові й імпульсні трансформатори. Тут зовсім не зачіпаються питання й особливості потужних силових високовольтних трансформаторів, застосовуваних у великих сучасних електроенергетичних установках.

Вивчення другого розділу даного курсу доцільно почати з розгляду принципу дії, будови і робочих властивостей силових однофазних трансформаторів малої потужності й потім уже інших типів трансформаторів.

Глава XII

ПРИНЦИП ДІЇ І БУДОВА ОДНОФАЗНИХ ТРАНСФОРМАТОРІВ

§ 12.1. Принцип дії трансформаторів

На рис. 12.1 представлена принципова будова однофазного трансформатора. Як показує цей малюнок, технічний трансформатор складається із двох основних частин: замкнутого магнітного ланцюга, що збирається з листової електротехнічної сталі і називається сердечником 1 трансформатора, і двох або більше окремих обмоток 2, розташованих на цьому сердечнику. Оскільки в даному сердечнику однією із цих обмоток створюється змінне магнітне поле, то всі, обмотки на ньому є магнітно зв'язаними. Принцип дії трансформатора полягає в наступному (див. рис. 12.1).-При підведенні з мережі до його обмотки із числом витків w₁

з мінної напруги и₁ = U₁√2 sinwt по ній буде проходити відповідний струм i₁, що створить у сердечнику змінне магнітне поле. Силові лінії цього поля пронизують як першу обмотку із числом витків w₁ так і другу із числом витків w₂. Через це в цих обмотках, за законом електромагнітної індукції, індукуються відповідні е.р.с.: у першій обмотці — е.р.с. самоіндукції е₁ а в другій — е.р.с. взаємоіндукції е₂. Першу обмотку трансформатора, яка включається в мережу живлення, умовно називають первинною, а другу обмотку, від якої одержують електричну енергію змінного струму, — вторинною. Ці обмотки в процесі експлуатації можна міняти місцями, а саме: другу обмотку включати в мережу живлення відповідної напруги, а від першої одержувати енергію. Відповідно до цього змінюються і їх умовні найменування. Передавачем енергії змінного струму з первинного кола трансформатора у вторинне є магнітне поле в сердечнику, яке зчеплене з первинною й вторинною обмотками. Якщо первинна й вторинна обмотки із числами витків w₁ і w₂ пронизуються загальним змінним магнітним полем Ф (Вб), то, за законом електромагнітної індукції, миттєві значення первинної й вторинної е.р.с. (В) цих обмоток

Відношення первинної е.р.с. до вторинної називають коефіцієнтом трансформації трансформатора:

Як показує рівняння (12.2), індуковані в первинній і вторинній обмотках миттєві значення е.р.с. е₁ і е₂ відносяться один до одного так само, як числа витків цих обмоток w₁ і w₂. Це співвідношення справедливе також і для ефективних значень зазначених е.р.с. Е₁ і Е₂. У цьому полягає основна властивість трансформатора.

Трансформатор, у якого вторинна е.р.с. Е₂ > Е₁ називають підвищувальним, при зворотному співвідношенні е.р.с., коли Е₂<Е₁ — понижувальним.

§ 12.2. Будова сердечників і обмоток однофазних трансформаторів

По конструкції сердечників однофазні силові трансформатори малої потужності виконують стрижневого (рис. 12.2) і броньового (рис. 12.3) типів.

Матеріалом для сердечників малих силових трансформаторів служить спеціальна листова гаряче- або холоднокатана електротехнічна сталь різних марок товщиною листа 0,5 і 0,35 мм (марки Э41, Э42, Э44 - гарячекатана; Э310, Э320, ЭЗЗО - холоднокатана сталь, ДЕРЖСТАНДАРТ 802-58). Із цієї листової сталі штампуються або нарізаються ножицями пластини відповідної форми, з яких і збирається сердечник трансформатора у вигляді пакета необхідної товщини. З метою зменшення магнітних втрат у сердечнику трансформатора на гістерезис і вихрові струми від пульсації змінного магнітного поля в ньому окремі пластини його ізолюються одна від одної шляхом попереднього покриття їх тонким шаром ізоляційного лаку.

Малі силові трансформатори стрижневого типу із двома котушками мають кращі умови охолодження обмоток і сердечника і вимагають зменшеної витрати матеріалу на обмотку через меншу середню довжину витка. Частини сердечника трансформатора, на яких розташовуються котушки первинної й вторинної обмоток, називають стрижнями, а частини його без обмоток — ярмами (див. рис. 12.2).

Однак слід зазначити, що більшість силових трансформаторів малої потужності все-таки будують броньового типу із сердечником зі штампованих Ш-подібних пластин (див. рис. 12.3). Це дає можливість зменшити величину струму, що намагнічує, трансформатора за рахунок меншого числа повітряних проміжків на шляху замикання магнітного поля в сердечнику.

О станнім часом одержали поширення малі трансформатори з тороїдальними (рис. 12.4,а) і Ш-подібними (рис. 12.4, б) крученими розрізними сердечниками. Кручені сердечники малих трансформаторів, особливо ті, які виконані з холоднокатаної сталі, мають більш високу магнітну провідність для поля, що дозволяє трохи підвищити індукцію в них і завдяки цьому зменшити масу трансформатора. Форма поперечного перерізу стрижня сердечника в малих силових трансформаторах буває прямокутна (рис. 12.5,а) або квадратна (рис. 12.5,б), при цьому котушки обмоток зазвичай роблять прямокутної форми. Однак при квадратному перетині стрижня можлива також і кругла форма котушок.

Кріплення сердечника в силових трансформаторах малої потужності зазвичай здійснюється за допомогою шпильок. У цьому випадку пакет сердечника з листової електротехнічної сталі стискають за допомогою шпильок і скоб зі стрічкової сталі товщиною 1-2 мм (рис. 12.б).

Для обмоток трансформаторів малої потужності застосовуються круглі мідні і алюмінієві обмотувальні проводи (дроти) різних марок по нагрівостійкості, а також алюмінієва фольга у вигляді стрічок. Круглі мідні і алюмінієві обмотувальні проводи застосовують для котушок, які намотуються на каркаси. Каркаси котушок роблять зазвичай із ізолюючого матеріалу або шляхом штампування із пластмаси або клеять із картону та інших матеріалів.

Ці котушки використовують у звичайних сердечниках трансформаторів стрижневого і броньового типів, які збирають із окремих пластин у вигляді пакетів (див. рис. 12.2 і 12.3). Алюмінієву фольгу у вигляді стрічок зазвичай застосовують для обмоток малих трансформаторів із крученими сердечниками (див. рис. 12.4,б).

ТРИФАЗНІ ТРАНСФОРМАТОРИ