ТРАНСФОРМАТОРЫ
Принцип действия и устройства трансформатора
Трансформатор не является Э.М., так как его работа не связана с преобразованием механической энергии в электрическую или наоборот.
Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения.
Электромагнитные процессы, протекающие в трансформаторах, аналогичны процессам, происходящим при работе Э.М.. Простейший трансформатор состоит из магнитопровода, выполненного из ферромагнитного материала, и двух обмоток, расположенных на стержнях магнитопровода.
СХЕМА
Обмотка, присоединенная к источнику переменного тока на напряжение U1, называется первичной.
Обмотка, к которой присоединяется нагрузка Zн, называется вторичной.
Первичная и вторичная обмотки трансформатора не имеют электрической связи друг с другом. Мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем. Магнитопровод трансформатора служит для усиления связи между обмотками. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.
При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в ней протекает переменный ток ί1, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками и индуцирует в них ЭДС. В первичной обмотке - ЭДС самоиндукции
е1 
Во второй обмотке – ЭДС взаимоиндукции
е2=-W 2 
W1,W2 – число витков первичной и вторичной обмоток.
ЭДС е1 и е2 отличаются друг от друга лишь за счет числа витков, поэтому, применяя обмотки с различным соотношением чисел витков, можно изготовить трансформатор на любое соотношение напряжений.
Если W1 больше W2, то, U1 больше U2 – трансформатор понижающий
Если W1 меньше W2, то, U1 меньше U2 – трансформатор повышающий.
Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высшего напряжения (ВН). Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более низким напряжением называют обмоткой низшего напряжения (НН).
Трансформаторы обладают свойством обратимости, то есть один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повышающего или понижающего трансформатора.
Классификация трансформаторов
Их классифицируют по нескольким признакам:
1) По назначению:
- Трансформаторы общего назначения (силовые)
- Трансформаторы специального назначения.
Силовые трансформаторы общего назначения применяются в линиях передач и распределении электроэнергии. Трансформаторы специального назначения разнообразны по рабочим свойствам и конструктивному исполнению. К ним относятся: печные трансформаторы, сварочные, трансформаторы для устройств автоматики, измерительные трансформаторы и др.
2) По виду охлаждения:
-трансформаторы с воздушным охлаждением (сухие трансформаторы)
- трансформаторы с масляным охлаждение (масляные трансформаторы)
3) По числу трансформирующих фаз:
- однофазные
- трехфазные
4) По форме магнитопровода:
- стержневые
- броневые
- бронестержневые
- тороидальные
5) По числу обмоток на фазу:
- 2-х обмоточные
- 3хобмоточные
- многообмоточные
Конструкции трансформаторов
Магнитопроводы
а) стержневые
СХЕМА
б) броневые
СХЕМА
Однофазный броневой трансформатор имеет один стержень и два ярма, закрывающих и как бы бронирующих обмотки сверху и по бокам.
Трехфазный броневой трансформатор получается из трех однофазных, если поставить их друг на друга.
Магнитный поток в стержне магнитопровода броневого типа в 2 раза больше чем в ярме, поэтому сечение стержня вдвое больше, чем сечение ярма.
Для силовых трансформаторов применяются преимущественно стержневые магнитопроводы. Магнитопроводы броневого типа применяют в радиотрансформаторах.
В силовых трансформаторах мощностью свыше 100 МВА и напряжением 220 кВ и выше применяют бронестержневую или многостержневую конструкцию магнитопровода. Эта конструкция получается из стержневой, если добавить по краям 2 стержня, закрывающих обмотки.
Бронестержневые магнитопроводы имеют меньшую высоту, чем стрежневые за счет толщины ярма. Так как поток в ярме бронестержневого магнитопровода меньше, чем в стержневом, оно имеет меньшее сечение.
Магнитопровод трансформатора состоит из стальных листов толщиной 0,3, 0,35, 0,5мм, покрытых изоляционным лаком. Такая конструкция магнитопровода обусловлена стремлением уменьшить вихревые токи и, следовательно, уменьшить величину потерь энергии в магнитопроводе.
По способу соединения стержней с ярмами магнитопроводы делятся на:
- стыковые
- шихтованные
В стыковых конструкциях стержни и ярма собираются отдельно, а в местах стыков ставятся изоляционные прокладки, которые устраняют замыкание листов стали стержней и ярм. Эти немагнитные зазоры увеличивают магнитное сопротивление, что приводит к увеличению потерь в магнитопроводе. Поэтому стыковые соединения применяются редко, несмотря на простоту сборки.
В шихтованных магнитопроводах стальные листы стержней и ярм переплетаются или шихтуются друг с другом в смежных слоях
СХЕМА
Магнитопровод собирается из отдельных слоев, каждый из которых состоит из одной или нескольких пластинок. При сборке трансформаторов сначала собирается магнитопровод, затем расшихтовывается ярмо, надеваются на стержни обмотки, затем ярмо вновь зашихтовывается. У электротехнической стали, из которой изготавливаются магнитопроводы, магнитные свойства вдоль направления прокатки лучше чем поперек, поэтому при шихтованной конструкции в местах поворота листов на 90 градусов появляются зоны несовпадения направления прокатки с направлением магнитного потока, в этих местах увеличивается магнитное сопротивление, поэтому для уменьшения потерь применяют пластины со скошенными краями.
СХЕМА
Поперечное сечение магнитопровода имеет ступенчатую форму, его стремятся приблизить к кругу.
СХЕМА
Число ступеней зависит от диаметра стержня. Сечение ярма выполняют с меньшим числом ступеней. Скрепляют пакеты стержней с помощью стеклоленты. Для скрепления ярма на него с двух сторон накладывают деревянные или стальные балки и на концах стягивают шпилькой. Магнитопровод и детали его крепления обязательно заземляют. Для этого применяют медные ленты.
Обмотки
Чаще всего обмотки выполняются из медных проводов, так как медь обладает наилучшим удельным сопротивлением. Основой обмотки является бумажно-бакелитовый цилиндр, на котором крепятся рейки, угловые шайбы и другие элементы, обеспечивающие обмотке механическую и электрическую прочность. По взаимному расположению на стержнях обмотки разделяют на концентрические и чередующиеся.
Концентрические выполняют в виде цилиндров, размещенных на стержне концентрически
СХЕМА
Ближе к центру располагается обмотка низшего напряжения, так как она требует меньшей изоляции от стержня.
Чередующиеся обмотки выполняют в виде отдельных дисков низшего напряжения и высшего напряжения и располагают на стержне в чередующемся порядке. Чередующиеся обмотки применяются редко, только в трансформаторах специального назначения.
Концентрические обмотки разделяют на несколько типов:
- цилиндрические
- винтовые
- непрерывные
Цилиндрическая обмотка может быть однослойной или многослойной. Каждый слой обмотки наматывается по винтовой линии.
Винтовые обмотки также наматываются по винтовой линии, каждый виток может состоять из нескольких параллельных проводников, расположенных в радиальной плоскости. При этом различные проводники одного витка оказываются на разных расстояниях от стержня, поэтому они сцепляются с различными потоками рассеяния и в них наводятся разные ЭДС. Следовательно, в параллельных проводниках будут протекать разные токи. Для того, чтобы все проводники одинаково нагружались током, выполняют транспозицию (перекладку проводников). При транспозиции стремятся, чтобы в пределах одного витка каждый проводник поочередно занимал все положения от внутреннего до наружного. Обмотки бывают одноходовыми и многоходовыми. Многоходовые состоят из нескольких винтовых обмоток, вмотанных одна в другую.
Непрерывные обмотки состоят из отдельных дисковых обмоток, намотанных по спирали и соединенных между собой без пайки, то есть выполненных непрерывно. Несмотря на сложность изготовления, непрерывная обмотка получила наибольшее применение в силовых трансформаторах, так как они имеют большую механическую прочность и надежность.
При наматывании обмоток в них оставляют вертикальные и радиальные каналы для охлаждения, для этого используют специальные рейки и прокладки.
Важной частью обмоток являются регулировочные ответвления и выводные концы. Регулировочные ответвления выполняются у первичных обмоток. Они позволяют, изменяя число витков первичной обмотки, регулировать напряжение во вторичной. Соединение концов обмоток между собой и с вводами, подключение регулировочных ответвлений к переключателям и другие соединения внутри трансформатора осуществляются с помощью проводников, называемых отводами. Их изготавливают из шин, прутков или гибкого кабеля.
Для вывода концов обмоток и подключения к электрической сети служат вводы (фарфоровые проходные изоляторы, внутри которых проходит токоведущий стержень).
Охлаждение трансформаторов
При работе трансформатор сильно нагревается, поэтому его необходимо охлаждать. Трансформаторы могут быть с масляным или воздушным охлаждением.
Трансформаторы с масляным охлаждением.
Магнитопровод помещён в бак, наполненный трансформаторным маслом.
Трансформаторное масло, омывая обмотки и магнитопровод, отбирает у них тепло и через стенки бака отдает его в окружающую среду. Форма бака – овальная. Тогда она приближается к форме активной части трансформатора и является более простой и механически прочной. Бак должен быть герметично уплотнен, так как проникновение в него влаги из атмосферы вызывает снижение электрической прочности масла, может привести к короткому замыканию.
В трансформаторах мощностью до 30кВА применяют баки с гладкими стенками, у более мощных трансформаторов для увеличения поверхности охлаждения стенки бака делают ребристыми. С увеличением мощности трансформатора это мероприятие оказывается недостаточным и приходится увеличивать поверхность охлаждения, присоединяя к баку многорядные трубчатые охладители, в которых циркулирует трансформаторное масло.
В трансформаторах мощностью свыше 3200кВА применяется разветвленная радиаторная система охлаждения и дополнительный обдув радиаторов с помощью вентиляторов. Это позволяет увеличить номинальную мощность трансформаторов на 30%. При изменении температуры объём масла в баке изменяется. Для компенсации объёма масла у трансформаторов малой мощности оставляют воздушную прослойку вверху бака. На более мощных трансформаторах устанавливают расширители. Расширитель представляет собой мелкий сосуд цилиндрической формы. Он устанавливается на крышке бака и сообщается с баком. При этом бак доверху наполнен маслом и колебания уровня происходят не в баке, а в расширителе.
При коротком замыкании в трансформаторе масло начинает разлагаться, и выделяется газ, который поднимается в расширитель. В трубе, соединяющий расширитель с баком устанавливают газовое реле. При значительном газообразовании газовое реле срабатывает и отключает трансформатор от сети.
При серьезной аварии, когда отключение трансформатора почему-либо запоздало, в баке может развиться высокое давление, способное разорвать бак. Для предотвращения этого на крышке трансформатора устанавливается выхлопная труба. Отверстие выхлопной трубы закрыто стеклянной мембраной. При резком повышении давления мембрана лопается, и избыточная масса газа и масла выбрасывается через трубу.