А.1. Загальні відомості

Трансформатори призначені для перетворення електричної енергії з одними параметрами на електричну енергію з іншими параметрами. В теперішній час існує велика різноманітність видів трансформаторів, але їх принцип дії однаковий та базується на законі електромагнітної індукції, відкритому М.Фарадеєм в 1831 році. Одночасно з цим законом з’явились перші схематичні зображення трансформаторів в роботах М. Фарадея та Дж. Генрі. Перші прилади, що принципово відтворили трансформатори з замкненими осердями, були створені в Англії в 1844 році братами винахідниками Дж. Гопкінсоном та Е. Гопкінсоном. Першим прообразом трансформатора була індукційна котушка Г. Румкорфа, винайдена в 1848 році. Датою народження трансформатора вважається 30 листопада 1876 року, коли російським фізиком П.М.Яблочковим було отримано патент на трансформатор з розімкненим осердям. Перший трифазний трансформатор був запропонований російським електротехніком М.О. Доліво–Добровольським в 1889 році. З появою трансформаторів виникає технічна зацікавленість до змінного струму.

Початком промислового виробництва трансформаторів вважається 1885 рік. В цей час угорська компанія «Ganz and Company» розпочала випуск трансформаторів з тороїдальним осердям для паралельного підключення освітлювальних ламп до джерел живлення. Того ж року компанія Вестингауза за пропозицією інженера У. Стенлі почала випускати трансформатори з Ш-подібним осердям.

В СРСР виробництво силових трансформаторів існує з 1928 року, коли почав роботу Московський трансформаторний завод. Після другої світової війни були побудовані Запорізький трансформаторний завод та Тольятінський електротехнічний завод, де в теперішній час зосереджене виробництво силових трансформаторів великих та надвеликих потужностей для енергетики.

Рисунок А.1 – Трифазний силовий трансформатор

Силовий трансформатор – це статичний електромагнітний пристрій, який має дві або більше обмоток та призначений для перетворення за допомогою електромагнітної індукції однієї або декількох систем змінних напруги та струму в одну або декілька інших систем змінних напруги та струму, які мають інші значення при тій самій частоті, для передавання потужності. За допомогою трансформаторів також можна змінювати частоту, кількість фаз, форму вихідної напруги (пікові трансформатори). Загальний вигляд силового трансформатора наведено на рис. А.1.

За призначенням трансформатори поділяють на:

- силові трансформатори. Вони використовуються для передачі та розподілу електроенергії, у різноманітних перетворюючих пристроях, наприклад, статичних перетворювачах частоти, випрямлячах, інверторах, приладах управління електроприводів. Це найпоширеніший вид трансформаторів. Найбільше поширення має встановлення трансформаторів на шляху передачі електроенергії, тому що електроенергія на шляху від генераторів на електростанції до споживача перетворюється 5–7 разів. Загальна встановлена потужність силових трансформаторів у 5–7 разів більша, ніж установлена потужність генераторів на електростанції;

- силові спеціальні трансформатори призначаються для живлення електропечей (пічні), зварювальних пристроїв (зварювальні);

- вимірювальні трансформатори використовують для приєднання вимірювальних приладів у електричному колі високої напруги та сильних струмів із метою розширення меж вимірів;

- випробувальні трансформатори необхідні для отримання високої напруги (до 1 млн. Вольт) для випробування електроізоляційних виробів і матеріалів;

- радіотрансформатори вживають у приладах автоматики, інформатики, зв’язку (звичайно, це багатообмоткові трансформатори).

Силові трансформатори класифікують:

- за умовами роботи – трансформатори, що призначаються для роботи в нормальних та спеціальних умовах;

- за видом ізолюючого та охолоджуючого середовища – сухі трансформатори, масляні трансформатори, трансформатори, що заповнені негорючим рідким діелектриком, та трансформатори з литою ізоляцією;

- за типами, що характеризують призначення та основне конструктивне виконання – однофазні або трифазні, з регулюванням напруги під навантаженням (РПН), з перемиканням без збудження (ПБВ) і т.ін.

Кожний трансформатор обладнується табличкою номінальних даних, на якій зазначаються:

1. Вид трансформатора – трансформатор, автотрансформатор і т.д.

2. Кількість фаз мережі, до якої ввімкнутий трансформатор, .

3. Номінальна потужність трансформатора S_N, кВ×А – повна потужність, на яку розраховано трансформатор за умовами нагрівання та безаварійної роботи упродовж усього строку служби.

4. Номінальна частота f, Гц – промислова частота 50 Гц, в спеціальних установках – до 400 Гц, можливо проектування трансформаторів на частоту 60 Гц (країни Америки, Японія, Фінляндія).

5. Номінальні напруги обмоток вищої напруги (ВН) та нижчої напруги (НН) U_hN / U_lN, кВ. Номінальна напруга обмотки ВН визначається діючим значенням номінальної лінійної напруги на затискачах обмотки в колі з більшою напругою. Номінальна напруга обмотки НН визначається діючим значенням номінальної лінійної напруги на затискачах обмотки в колі з меншою напругою при холостому ході. Першою завжди пишеться величина для обмотки ВН, другою – для обмотки НН.

6. Номінальні струми обмоток ВН та НН I_hN / I_lN, А – номінальні лінійні струми обмоток ВН та НН, що визначаються діючими значеннями, на які розраховано трансформатор за умовами нагрівання та безаварійної роботи упродовж усього строку служби. Першою завжди пишеться величина для обмотки ВН, другою – для обмотки НН.

Для трифазних трансформаторів

       

7. Умовні позначення схем та груп з’єднання обмоток. Наприклад, Y/Y₀ – 0, Y/Δ – 11. Першою завжди пишеться схема з’єднань обмотки ВН, другою – обмотки НН. Числом від 0 до 11 позначається група з’єднань обмоток трансформатора.

8. Напруга короткого замикання u_k,% – напруга на затискачах первинної обмотки при закороченій вторинній при номінальних струмах в обмотках, виражена у відсотках до номінальної первинної напруги.

9. Умовне позначення способу системи охолодження.

10. Повна маса, кг.

11.Маса ізоляційного масла, кг.

Крім того в технічних умовах на трансформатор повинні указуватися:

1. Втрати холостого ходу, , Вт – втрати потужності в магнітопроводі трансформатора при номінальній напрузі первинної обмотки

2. Втрати короткого замикання , Вт – втрати потужності в обмотках трансформатора при номінальних струмах в обмотках.

3. Струм холостого ходу і_о, % – струм первинної обмотки в режимі холостого ходу при номінальній напрузі, виражається у відсотках до номінального струму первинної обмотки.

4. Номінальний ККДh _N, в.о. або % (може бути відсутнім) – ККД, визначений для номінального режиму, тобто при номінальних напругах та струмах трансформатора.

 

 А.2. Принцип дії трансформатора

Теорія трансформаторів розглядається на прикладі простішого трансформатора, який являє собою однофазний двохобмотковий двострижневий трансформатор (рис. А.2).

Однофазний двохобмотковий трансформатор складається з замкненого феромагнітного осердя (магнітопроводу) та двох котушок, розташованих на ньому та зчеплених з єдиним магнітним потоком Ф.

Обмотка, яка приєднується до джерела перетворюваного змінного струму[В1], називається первинною обмоткою. Величини, які стосуються первинної обмотки мають індекс p (primary).

Обмотка, до якої приєднується навантаження, називається вторинною обмоткою. Величини, які стосуються вторинної обмотки, мають індекс s (secondary). У відповідності до величини номінальної напруги обмоток трансформатора розрізнюють обмотки вищої напруги (ВН) та обмотки нижчої напруги (НН), як вже було зазначено.

Для трифазних двохобмоткових трансформаторів вивідні кінці фазних обмоток вищої напруги позначаються 1 U 1 – 1 U 2,1 V 1 – 1 V 2,1 W 1 – 1 W 2, а вивідні кінці фазних обмоток нижчої напруги 2 U 1 – 2 U 2,2 V 1 – 2 V 2,2 W 1 – 2 W 2.

В начальному процесі та в деяких країнах прийнято інше позначення: вивідні кінці фазних обмоток вищої напруги – A–X, B–Y, C–Z, вивідні кінці фазних обмоток нижчої напруги – a–x, b–y, c–z.

Первинна обмотка АХ з кількістю витків N_p приєднується до мережі змінного струму частотою f з напругою u_р. До затискувачів вторинної обмотки ах з кількістю витків N_s приєднується навантаження з опором Z_l (load). У первинній обмотці протікає змінний струм і_р, в магнітопроводі наводиться змінний магнітний потік Ф, напрям якого визначається за правилом свердлика. У відповідності до закону електромагнітної індукції цей магнітний потік індукує в обмотках електрорушійні сили (ЕРС)  та , які можна записати:

 ;     .

Якщо вторинну обмотку замкнути на опір навантаження Z_l, то під впливом ЕРС е_s в колі вторинної обмотки протікатиме струм і_s, а на затискачах вторинної обмотки ах встановиться напруга u_s.

Характер змінювання струму, магнітного потоку, ЕРС, вторинної напруги визначається характером змінювання первинної напруги. Якщо вона змінюється за синусоїдальним законом, то інші величини будуть змінюватися за тим самим законом, але з різними початковими фазами.

Значення ЕРС визначається за законом електромагнітної індукції. При синусоїдальному характері змінювання магнітного потоку, ,

Тоді діюче значення ЕРС

ЕРС первинної та вторинної обмоток обумовлені однаковим магнітним потоком Φ. Тому отриманий вираз справедливий для обох обмоток:

;             

Важливіший параметр трансформатора – це коефіцієнт трансформації, який визначається як

Величини, які стосуються обмотки вищої напруги мають індекс h (high). Величини, які стосуються обмотки нижчої напруги, мають індекс l (low). Коефіцієнт трансформації завжди більше 1 (n > 1).

Для інженерних розрахунків, зважаючи на малість падіння напруги на активних та індуктивних опорах обмоток трансформатора, можна вважати, що

,                                     (А.1)

Якщо кількість витків первинної обмотки більше за кількість витків вторинної обмотки, тобто N_p > N_s, то напруга первинної обмотки буде більша за напругу вторинної обмотки, тобто U_р > U_s. У цьому випадку трансформатор називається трансформатором, що знижує напругу. У протилежному випадку, тобто N_p < N_s та U_р < U_s, буде трансформатор, що підвищує напругу.

Залежно від того, яка з обмоток вмикається до живильної електромережі, стають відомі номінальні параметри первинної обмотки: напруга  і струм первинної обмотки . Тобто, якщо це обмотка ВН, то , ; якщо це обмотка НН, то , .

Для трифазних трансформаторів розрізняють фазні (індекс φ) та лінійні (індекс lin) коефіцієнти трансформації:

 та .

Коефіцієнтом трансформації трифазного трансформатора є лінійний коефіцієнт трансформації.

Коефіцієнт трансформації трифазного трансформатора визначається в залежності від схем з’єднання обмоток ВН та НН:

          (А.2)

Аналіз процесів у трифазних трансформаторах при симетричних режимах роботи можна проводити тільки для однієї фази. В інших фазах усе буде таким самим, але зі зсувом на 120° або на 240° відповідно. Отже, для аналізу процесів у трифазних трансформаторів використовуються рівняння, схеми заміщення, векторні діаграми, які отримуються для однофазних трансформаторів.