Лекция № 7 трансформаторы
Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях синхронными генераторами с напряжением до 35 кВ. Для непосредственного безопасного использования потребителями это напряжение очень велико (220В, 380В, 660В) а для экономичной передачи на большие расстояния, поскольку обычно приемники электрической энергии расположены на некотором расстоянии от электростанций, очень низкое (1150 кВ). При заданной передаваемой мощности линией электропередачи, чем выше напряжение, тем меньше будет значение тока и тем меньше получается требуемое сечение проводов линии электропередачи. Поэтому в месте производства электрической энергии - на электрических станциях - выгодно повышать напряжение до сотен тысяч Вольт и выше, а затем передавать энергию по проводам потребителям.
Изменение напряжения до необходимых значений осуществляется с помощью трансформаторов.
Трансформатором называется статическое электротехническое устройство, служащее для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.
Электрическая энергия при передаче от электростанции до потребителей преобразуется с помощью трансформаторов около 5 - 7 раз.
В цепях переменного тока использование трансформаторов позволяет изменять напряжения, ток и число фаз.
Трансформаторы относятся к высоконадежным электротехническим устройствам, поскольку они не имеют движущихся частей и скользящих контактных соединений. Коэффициент полезного действия трансформаторов достигает 99 %.
Классификация трансформаторов.
По назначению трансформаторы делятся на силовые и специального назначения. Силовые трансформаторы служат для передачи и распределения электрической энергии, а также для питания различных электротехнических устройств. К трансформаторам специального назначения относятся измерительные, сварочные трансформаторы, для прогрева бетона, для переносных светильников, питания электроинструментов и другие.
По числу фаз трансформаторы делятся на однофазные и трехфазные.
Устройство трансформаторов.
Трансформатор состоит из стального магнитопровода, на который намотаны обмотки:
Обмотка, подключаемая к источнику электрической энергии, называется первичной обмоткой, а обмотка к которой подключается нагрузка называется вторичной.
Если через трансформатор необходимо осуществить питание двух и более нагрузок с разным напряжением, то выполняется соответствующее число вторичных обмоток. Такие трансформаторы называются многообмоточными.
Существуют трансформаторы, у которых две или больше обмоток гальванически связаны, таким образом, что они имеют общую часть. Такие трансформаторы называются автотрансформаторами. Обмотки автотрансформатора связаны электрически и магнитно, и передача энергии из первичной цепи во вторичную происходит как посредством магнитного поля, так и электрическим путем.
В случае повышающего автотрансформатора Э.Д.С. подводится к части обмотки, а вторичная Э.Д.С. снимается с части обмотки. В понижающем автотрансформаторе напряжение сети подается на всю обмотку, а вторичная Э.Д.С. снимается с части обмотки.
Автотрансформаторы применяются для пуска мощных двигателей переменного тока, регулирования напряжения в осветительных сетях, а также в других случаях, когда необходимо регулировать напряжение в широких пределах.
Магнитопровод трансформаторов изготавливают из стальных листов толщиной 0,35 - 0,5 мм. Стальные пластины сердечника трансформатора изолируют друг от друга бумажной, лаковой изоляцией или окалиной, что позволяет уменьшить потери мощности в магнитопроводе за счет того, что вихревые токи замыкаются в плоскости поперечного сечения отдельной пластины. Чем меньше толщина листа, тем меньше сечение проводника, по которому протекает вихревой ток, и тем больше его сопротивление. В результате вихревой ток и потери мощности на нагрев магнитопровода уменьшаются.
Обмотки трансформаторов обычно выполняют из медного провода круглого или прямоугольного сечения. Для лучшей магнитной связи между обмотками их стремятся расположить как можно ближе друг к другу. Обычно их располагают на одном стержне. Обмотки изолируют как от стержня магнитопровода, так и друг от друга. В качестве изоляции применяют электротехнический картон, специальную бумагу или ткань, пропитанную лаком.
По расположению обмоток относительно друг от друга различают концентрические, изготовленные в виде цилиндров, и чередующиеся,
когда обмотки расположены друг за другом. В случае концентрической намотки обмоток первой наматывается обмотка низшего напряжения, а поверх нее размещается обмотка высшего напряжения.
По способу охлаждения трансформаторы делятся на сухие и масляные. Сухие трансформаторы имеют естественное воздушное охлаждение, которое может быть использовано только для трансформаторов малой мощности. При увеличении мощности увеличивается нагрев обмоток. Чтобы обеспечить допустимую для изоляции температуру нагрева, применяют более интенсивные способы отвода тепла. Для этого магнитопровод с обмотками помещают в специальный бак, заполненный трансформаторным маслом. Масло является одновременно и охлаждающей и изолирующей средой. Интенсивность охлаждения обеспечивается как за счет большей по сравнению с воздухом теплопроводности масла, так и за счет того, что поверхность бака по сравнению с поверхностью трансформатора значительно больше. Этот способ охлаждения называется естественным масляным охлаждением. В трансформаторах большой мощности применяют систему принудительного масляного охлаждения при котором масло специальными насосами прокачивается через специальные теплообменники, которые в свою очередь охлаждаются водой или воздухом.