ТРАНСФОРМАТОРЫ
Общие сведения о трансформаторах
Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.
Трансформаторы получили очень широкое практическое применение при передаче электрической энергии на большие расстояния и при распределении этой энергии между различными ее приемниками.
Поперечное сечение проводов линии передачи энергии выбирается в зависимости от силы тока. Этим выбором обусловливается и стоимость проводов, а также потери энергии в них.
Если при одной и той же передаваемой мощности в несколько раз увеличить напряжение, то во столько же раз понизится сила тока, а следовательно, представится возможность применить провода с меньшим поперечным сечением. Это уменьшит расход цветных металлов при сооружении линии и потери мощности в ней.
Поперечные сечения проводов и потери мощности в них определяются следующими выражениями:
так как
где q — поперечное сечение провода, мм 2;
I — сила тока, а;
δ — плотность тока, а/мм 2;
U — напряжение в линии электропередачи, в;
Р — передаваемая мощность, вт;
Р л — потери мощности в линии электропередачи, вт;
r — сопротивление провода, ом;
l — длина линии, м;
ρ — удельное сопротивление материала провода, ом·мм 2/ м.
Таким образом, при неизменной передаваемой мощности поперечное сечение провода и потери мощности в линии обратно пропорциональны напряжению.
Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях синхронными генераторами при напряжении 11 — 18 кв (в некоторых случаях при 30 — 35 кв). Хотя это напряжение очень велико для непосредственного его использования потребителями, однако оно недостаточно для экономичной, передачи электроэнергии на большие расстояния.
Для увеличения напряжения применяют повышающие трансформаторы.
С другой стороны, приемники электрической энергии (лампы накаливания, электродвигатели и т. д.) в отношении безопасности лиц, пользующихся этими приемниками, рассчитываются на более низкое напряжение (110 — 380 в). Кроме того, высокое напряжение требует усиленной изоляции токоведущих частей, что делает конструкцию аппаратов и приборов очень сложной. Поэтому высокое напряжение, при котором происходит передача энергии, не может непосредственно использоваться для питания приемников, вследствие чего к потребителям энергия подводится через понижающие трансформаторы.
Таким образом, электрическая энергия при передаче от места ее производства к месту потребления трансформируется несколько раз (3 — 4 раза). Кроме того, понижающие трансформаторы в распределительных сетях включаются неодновременно и не всегда на полную мощность, вследствие чего мощности установленных трансформаторов значительно больше (в 7 — 8 раз) мощностей генераторов, вырабатывающих электроэнергию на электростанциях.
На рис. 101 изображена принципиальная схема трансформатора. Для наглядности обмотки его помещены на разных стержнях стального сердечника. В действительности каждая обмотка находится на обоих стержнях так, что половины двух обмоток находятся на левом, а вторые половины — на правом стержне сердечника. При таком расположении обмоток достигается лучшая магнитная связь между ними, вследствие чего уменьшаются потоки рассеяния, которые не участвуют в процессе трансформирования энергии.
Обмотка, включенная в сеть источника электрической энергии, называется первичной; обмотка, от которой энергия подается к приемнику, — вторичной.
Обычно напряжения первичной и вторичной обмоток неодинаковы.
Если первичное напряжение меньше вторичного, то трансформатор называется повышающим, если же первичное напряжение больше вторичного, — понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий.
Принцип действия и устройство трансформатора
Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.
Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника переменного тока, то (при разомкнутой вторичной обмотке) по ней будет протекать переменный ток I 0 (ток холостого хода), который возбудит в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки трансформатора, будет индуктировать в этой обмотке э. д. с. Если вторичную обмотку замкнуть на какой-либо приемник энергии (на рис. 101 — лампы накаливания), то под действием индуктируемой э. д. с. E 2 по этой обмотке и через приемник энергии будет протекать ток I 2. Одновременно увеличится ток первичной обмотки I 1. Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, будет передаваться из первичной сети во вторичную, но при другом напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вторичную сеть.
Для улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками они помещаются на стальном магнитопроводе.
Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопроводы трансформаторов собираются из тонких пластин (толщиной 0,5 и 0,35 мм) трансформаторной стали, покрытых изоляцией (жаростойким лаком). Трансформаторная сталь может быть как горячекатаной, так и холоднокатаной.
Холоднокатаная сталь имеет высокую магнитную проницаемость (больше, чем у горячекатаной) в направлении, совпадающем с направлением проката, тогда как поперек проката магнитная проницаемость ее относительно низкая. Поэтому магнитопроводы из холоднокатаной стали делают так, чтобы магнитные потоки замыкались по направлению проката стали. В качестве материала для магнитопроводов трансформаторов малой мощности служит лента холоднокатаной стали.
В настоящее время ленточные разрезные магнитопроводы трансформаторов изготовляют следующим образом: половину магнитопроводов делают из полос холоднокатаной стали различной длины так, что полосы укладываются в пакет ступенями. В специальных формах пакеты на прессе выгибают (делают верхнюю и нижнюю половины магнитопровода) и отжигают для снятия остаточных механических напряжений. После пропитки в клеящем составе (для склейки отдельных листов) половины магнитопроводов подвергают механической обработке (для фрезеровки стыков) и направляют на сборку.
При сборке трансформатора обмотки устанавливают на магнитопроводе и половины магнитопроводов (верхняя и нижняя) составляют и стягивают, причем предварительно места стыков покрывают специальным клеящим составом.
В трансформаторах больших мощностей магнитопроводы собирают из полос стали. Холоднокатаную сталь разрезают так, чтобы направление магнитных линий в собранном магнитопроводе совпадало с направлением прокатки стали. У горячекатаной стали магнитная проницаемость одинакова во всех направлениях и при малых мощностях магнитопроводы собираются из пластин Ш - или П - образной формы, которые штампуются из листовой стали.
В зависимости от формы магнитопровода и расположения обмоток на нем трансформаторы могут быть стержневыми и броневыми. Магнитопровод стержневого однофазного трансформатора имеет два стержня, на которых помещены его обмотки (рис. 102, а). Эти стержни соединены ярмом с двух сторон так, что магнитный поток замыкается через сталь. Магнитопровод броневого однофазного трансформатора (рис. 102, б) имеет один стержень, на котором полностью размещены обмотки трансформатора. Стержень с двух сторон охватывается (бронируется) ярмом так, что обмотка частично защищена сердечником от механических повреждений.
Ленточные магнитопроводы из холоднокатаной стали, так же как и из горячекатаной стали, могут быть стержневыми (рис. 102, в) или броневыми (рис. 102, г).
Трансформаторы большой мощности в настоящее время изготовляют исключительно стержневыми, так как у них проще изоляция обмоток высшего напряжения от сердечника, чем в броневых. В трансформаторах малой мощности напряжения обмоток малы, а поэтому изоляция их от сердечника значительно упрощается. Поэтому трансформаторы малой мощности часто изготовляют с броневым магнитопроводом, который имеет только один комплект с двумя обмотками, тогда как у стержневого — два комплекта.
Магнитный поток в броневом магнитопроводе, выходя из стержня, разветвляется на две равные части так, что магнитный поток, замыкающийся через ярмо, вдвое меньше, чем в стержне, вследствие чего сечение ярма делают вдвое меньшим, чем сечение стержня.
Часто выполняют сердечники трансформаторов с уширенным ярмом, в которых поперечное сечение ярма больше поперечного сечения стержня. Это дает возможность уменьшить магнитную индукцию в ярме, снижает потери в стали и уменьшает потребление трансформаторами реактивных намагничивающих токов из сети.
Обмоткам трансформатора придают преимущественно форму цилиндрических (круглых) катушек, концентрически нанизываемых на стержень магнитопровода. Обмотки такой формы лучше противостоят радиальным электродинамическим усилиям, возникающим при работе трансформатора. В некоторых случаях применяют катушки более сложной формы — прямоугольные, овальные и др. При малых токах обмотки делают из медного или алюминиевого изолированного провода круглого поперечного сечения. При больших токах применяют провод прямоугольного поперечного сечения, наматываемый в одну или несколько параллелей.
Расположение цилиндрических обмоток показано на рис. 103. Ближе к стержню магнитопровода помещается обмотка низшего напряжения НН, так как ее легче изолировать от магнитопровода, чем обмотку высшего напряжения ВН. Обмотка низшего напряжения изолируется от магнитопровода прокладками, рейками, шайбами из какого-либо изоляционного материала (чаще из электрокартона). Обмотка высшего напряжения также изолируется от обмотки низшего напряжения.