Трансформатора

Назначение. Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения одной и той же частоты.

Приоритет в изобретении первого однофазного трансформатора с разомкнутым магнитопроводом принадлежит П.Н.Яблочкову, который создал такой трансформатор в 1875 году для питания электрических свечей. Конструкции первых трехфазных трансформаторов, основные черты которых сохранились и до настоящего времени, разработал другой русский инженер-изобретатель М.О.Доливо-Добровольский в 1890 году.

Ценное свойство трансформаторов, заключающееся в преобразовании параметров электрической энергии без преобразования самой энергии из одного вида в другой, обеспечило им широкое применение во всех звеньях системы электропитания РЭС переменными токами.

Трансформаторы широко применяются как в народном хозяйстве, так и в военной технике. В системах электропередачи они являются исключительно важным и необходимым элементом. Передача большой мощности на дальние расстояния практически может быть осуществлена только при относительно небольшом значении тока в линии передачи, а следовательно, при высоком напряжении.

Поэтому в начале линии электропередачи (ЛЭП), обычно на электрической станции или вблизи неё, устанавливаются трансформаторы, повышающие напряжение переменного тока, вырабатываемого генераторами.

В конце ЛЭП на трансформаторных подстанциях (ТП) устанавливаются трансформаторы, понижающие напряжение, так как для распределения электроэнергии по потребителям необходимо сравнительно низкое напряжение.

Трансформаторы, устанавливаемые в начале и в конце ЛЭП и у потребителей, называются силовыми.

Трансформаторы широко применяются в электроустановках различного назначения, в системах связи и в системах питания радиоустройств (сетевые приемники, блоки питания передатчиков, телевизоры и т.д.), причем в электронной аппаратуре чаще всего применяются трансформаторы малой мощности, не превышающей 4 кВ×А для однофазных и 5 кВ×А для трехфазных систем переменного тока, а в сетевых блоках питания - сотен В×А. В источниках вторичного электропитания РЭС их также называют силовыми.

В настоящее время существует очень много разнообразных типов трансформаторов, различающихся как по назначению, так и по конструктивному исполнению.

Классификация. Трансформаторы классифицируются по ряду признаков:

- по назначению - силовые, измерительные и специальные;

- по числу обмоток - двухобмоточные и многообмоточные;

- по способу охлаждения - сухие и масляные;

- по конструкции магнитопровода - стержневые, броневые и тороидальные (рис.7.4,а,б,в);

- по числу фаз - однофазные и многофазные.

Для преобразования переменного напряжения в небольших пределах применяются автотрансформаторы.

Рисунок 7.4 - Основные виды однофазных трансформаторов

а - стержневой; б - броневой; в - тороидальный

Конструкции. Основными элементами любого трансформатора являются обмотки и магнитная система - магнитопровод, состоящий из стержня и ярем. Стержнем называется та часть магнитопровода, на которой размещены обмотки, а ярмом – участок магнитопровода, соединяющий отдельные стержни. Первичная и вторичная обмотки трансформатора обычно располагаются на одном стержне одна над другой для усиления магнитной связи и уменьшения потоков рассеяния обмоток.

Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопровод трансформатора набирается (шихтуется) из изолированных листов специальной электротехнической стали толщиной 0,35 и 0,5 мм (в трансформаторах повышенных частот используют и более тонкие листы), а в высокочастотных трансформаторах применяют пермаллои и ферриты.

Для уменьшения магнитного сопротивления стыков магнитопровод трансформатора обычно набирают внахлест, так, чтобы стыки соседних слоев лежали в разных местах и воздушный зазор слоя шунтировался цельным ферромагнитным материалом соседних слоев.

Однофазные трансформаторы малой мощности чаще всего выполняются броневыми и тороидальными, так как они имеют меньшую массу и стоимость по сравнению со стержневыми трансформаторами из-за меньшего числа катушек, упрощения сборки и изготовления.

В броневых трансформаторах магнитопровод набирается из пластин, имеющих Ш-образную форму, в тороидальных – из штампованных колец. Значительное распространение получили трансформаторы с магнитопроводами, навитыми из ленты холоднокатанной электротехнической стали.

Обмотки в трансформаторах источников вторичного электропитания (ИВЭ) выполняются из медного провода круглого сечения двух основных типов - концентрические и чередующиеся (или дисковые) (рис.7.5, а, б).

В силовых трансформаторах чаще всего применяют концентрические обмотки, причем ближе к стержням располагают обмотку низшего напряжения (НН), требующую меньшей изоляции относительно остова трансформатора, а снаружи (см. рис. 7.2, а) обмотку высшего напряжения (ВН).

Рисунок 7.5 - Основные типы обмоток трансформаторов:

а - концентрические; б - дисковые

Принцип действия трансформатора основывается на законе электромагнитной индукции. Преобразование электрической энергии в нем осуществляется за счет взаимодействия магнитно связанных обмоток. Трансформатор преобразует (изменяет по величине) только амплитуду переменного напряжения и тока.

Работа трансформатора характеризуется тремя режимами: холостого хода, короткого замыкания и нагрузки.