При работе трансформатора под нагрузкой (рис. 104) в первичной и во вторичной его обмотке протекают токи, создающие потоки рассеяния Φs1 и Φs2. Потоки рассеяния сцеплены только с витками той обмотки, током которой они создаются, и всегда много меньше основного магнитного потока Φo, замыкающегося по магнитопроводу трансформатора (по стали), так как потоки рассеяния проходят через немагнитную среду.
Основной магнитный поток Φo, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуктирует в них э. д. с., зависящие от числа витков обмотки, амплитуды магнитного потока и частоты его изменения. Действующие значения э. д. с. обмоток:
E 1 = 4,44ω1 f Φ m и E 21 = 4,44ω21 f Φ m,
где Е 1 и Е 2 — действующие значения э. д. с. первичной и вторичной обмоток;
ω1 и ω2 — числа витков этих обмоток;
f — частота тока;
Φ m — амплитуда (наибольшее значение) магнитного потока в сердечнике, вб.
Так как потоки рассеяния и падения напряжения в сопротивлениях обмоток трансформатора очень малы, то приближенно можно считать, что напряжения на зажимах первичной U 1 и вторичной U 2 обмоток равны э. д. с. этих обмоток, т. е. U 1 = E 1 и U 2 = E 2.
При холостом ходе трансформатора оба напряжения практически не отличаются по величине от соответствующих э. д. с. По этой причине отношение напряжений на зажимах первичной и вторичной обмоток трансформатора при холостом ходе (без нагрузки) называется коэффициентом трансформации и обозначается буквой K, т. е.
Таким образом, если в трансформаторе первичная и вторичная обмотки имеют различное число витков, то при включении первичной обмотки в сеть переменного тока с напряжением U 1 на зажимах вторичной обмотки возникает напряжение U 2, не равное напряжению U 1. Если число витков вторичной обмотки меньше числа витков первичной, то в той же мере напряжение на зажимах вторичной обмотки меньше напряжения первичной обмотки и трансформатор является понижающим. Если же число витков вторичной обмотки больше числа витков первичной, то и напряжение вторичной обмотки больше напряжения первичной и трансформатор окажется повышающим.
Пример. Первичная обмотка трансформатора с числом витков ω1 = 660 включена в сеть напряжением U 1 = 220 в. Определить напряжение на зажимах вторичной обмотки, если число ее витков ω2 = 36.
Решение.
Напряжение и э. д. с. вторичной обмотки трансформатора зависит от числа витков. Поэтому наиболее простым способом регулирования напряжения трансформатора является изменение числа витков одной из обмоток, чаще обмотки высшего напряжения.
Число витков изменяется обычно в пределах ± 5% от номинального. Для этой цели от одного из концов обмотки делают отводы.
Если вторичную обмотку трансформатора замкнуть на какой-либо приемник электрической энергии, то во вторичной цепи будет протекать ток I 2, а в первичной обмотке ток I 1 который может быть представлен геометрической суммой тока холостого хода и нагрузочного тока.
Первичная и вторичная обмотки трансформатора электрически не соединены. Однако надо иметь в виду, что за счет магнитной связи между этими обмотками изменение тока во вторичной обмотке I 2 будет вызывать соответствующее изменение тока первичной обмотки I 1. Если увеличится ток во вторичной обмотке, то увеличится ток и в первичной обмотке. Наоборот, при уменьшении тока во вторичной обмотке уменьшится ток и в первичной обмотке. Если разомкнуть вторичную обмотку, то ток в ней станет равным нулю, а в первичной обмотке уменьшится до малой величины.
Ток I 0, протекающий по первичной обмотке трансформатора, при разомкнутой вторичной цепи называется током холостого хода, который значительно меньше номинального тока трансформатора.
По первичной и вторичной обмоткам при нагрузке протекают численно неравные токи. Если пренебречь потерями мощности в трансформаторе, то можно записать, что мощность, отдаваемая трансформатором приемнику энергии U 2 I 2, равна мощности, потребляемой им из сети источника энергии U 1 I 1 т. е.
U 2 I 2 = U 1 I 1,
откуда
и
I 2 = K I 1. (105)
Пренебрегая падением напряжения в сопротивлениях первичной обмотки трансформатора, можно допустить, как это было показано выше, при любой его нагрузке приближенное равенство абсолютных величин приложенного напряжения U 1 и уравновешивающей это напряжение э. д. с. первичной обмотки, т. е.
U 1 = E 1. (106)
На основании этого равенства можно сказать, что при неизменном по величине приложенном напряжении U 1 будет приблизительно неизменной э. д. с. E 1 индуктируемая в первичной обмотке трансформатора при любой его нагрузке.
А так как э. д. с. E 1 зависит от магнитного потока φ m, то и магнитный поток в магнитопроводе трансформатора при любом изменении нагрузки будет приблизительно неизменным.
Таким образом, при неизменном приложенном напряжении магнитный поток в сердечнике трансформатора будет практически неизменным при любом изменении нагрузки.
Ток I 2, протекающий по вторичной обмотке при нагрузке трансформатора, создает свой магнитный поток, который, согласно закону Ленца, направлен встречно магнитному потоку в сердечнике, стремясь его уменьшить. Чтобы результирующий магнитный поток в сердечнике остался неизменным, встречный магнитный поток вторичной обмотки должен быть уравновешен магнитным потоком первичной обмотки.
Следовательно, при увеличении тока вторичной обмотки I 2 возрастает размагничивающий магнитный поток этой обмотки и одновременно повышается как ток первичной обмотки I 1 так и магнитный поток, создаваемый этим током. Так как магнитный поток первичной обмотки уравновешивает размагничивающий поток вторичной обмотки, то результирующий магнитный поток в сердечнике поддерживается неизменным.
В понижающем трансформаторе напряжение первичной обмотки U 1 больше напряжения вторичной обмотки U 2 в K раз, следовательно, и сила тока вторичной обмотки I 2 больше силы тока первичной обмотки I 1 также в К раз. В повышающем трансформаторе имеет место обратное соотношение между напряжениями его обмоток и между силами токов в них. Если, например, включить на полную нагрузку трансформатор, напряжения первичной и вторичной обмоток которого равны U 1 = 220 в, U 2 = 24 в, то при номинальной силе тока первичной обмотки = 0,3 а сила тока во вторичной обмотке
Если напряжения первичной и вторичной обмоток соответственно равны U 1 = 127 в, U 2 = 510 в, то при силе тока во вторичной обмотке I 2 = 0,2 а в первичной обмотке сила тока будет примерно равна:
Таким образом, обмотка с более высоким напряжением имеет большее число витков и выполнена из провода с меньшим поперечным сечением, чем обмотка с более низким напряжением, так как сила тока в обмотке более высокого напряжения меньше силы тока в обмотке с более низким напряжением.
При цилиндрических обмотках поперечному сечению магнитопровода желательно было бы придать круглую форму, так как в этом случае площадь, охватываемая обмотками, не имела бы промежутков, не заполненных сталью. Чем меньше незаполненных промежутков, тем меньше длина витков обмоток и, следовательно, вес обмоточного провода при заданной площади поперечного сечения магнитопровода. Однако магнитопроводы круглого поперечного сечения не делают. Для изготовления магнитопровода круглого сечения надо его собрать из стальных листов различной ширины, что потребует большого числа штампов. Поэтому в трансформаторах большой мощности магнитопровод имеет ступенчатое поперечное сечение с числом ступеней не более 9 — 10. Число ступеней сечения сердечника определяется числом углов в одной четверти круга. На рис. 103 показано три ступени поперечного сечения магнитопровода.
Для лучшего охлаждения в магнитопроводах мощных трансформаторов устраивают охлаждающие каналы в плоскостях, параллельных и перпендикулярных плоскости стальных листов. Охлаждающие каналы устраивают также и в обмотках.
В трансформаторах малой мощности поперечное сечение магнитопровода имеет прямоугольную форму и обмоткам придают форму прямоугольных катушек.
Магнитопроводы трансформаторов собираются встык или внахлестку. При сборке встык вначале собирают все части магнитопровода раздельно из отдельных полос или пластин и затем вместе.
При такой сборке просто осуществляется монтаж и демонтаж трансформатора. Но при установке ярма его пластины не будут точно совпадать с пластинами стержня, в результате чего в стыках пластины ярма и стержня окажутся замкнутыми. Такое замыкание пластин ведет к увеличению вихревых токов, которые могут вызвать недопустимо высокий нагрев стали в месте стыка. Нагрев может стать настолько высоким, что стальные пластины сплавятся в сплошную массу («пожар» в стали) и трансформатор выйдет из строя. Поэтому в месте стыка необходимо поместить изоляционную прокладку, увеличивающую магнитное сопротивление.
При сборке внахлестку стальные пластины укладывают так, чтобы у лежащих рядом полос разрезы были в различных местах, и магнитопровод собирается целиком. При такой сборке усложняется монтаж и демонтаж трансформатора, но значительно уменьшается магнитное сопротивление, так как пластины могут плотно прилегать одна к другой.
В паспорте трансформатора указаны его номинальные полная мощность S в вольт-амперах (ва) или в киловольт-амперах (ква), напряжения U 1 и U 2 в вольтах (в) или киловольтах (кв) и токи I 1 и I 2 в амперах (а) первичной и вторичной обмоток при полной (номинальной) нагрузке.
Номинальной мощностью трансформатора называется полная мощность, отдаваемая его вторичной обмоткой при полной (номинальной) нагрузке. Номинальная мощность выражается в единицах полной мощности, т. е. в вольт-амперах или киловольт-амперах.
В ваттах и киловаттах измеряется активная мощность трансформатора, т. е. мощность, которая может быть преобразована из электрической в механическую, тепловую, химическую, световую и т. д.
Сечения проводов обмоток и всех частей машины или любого электротехнического аппарата определяются не активной составляющей тока или активной мощностью, а полным током, протекающим по проводнику и, следовательно, полной мощностью.
Трансформаторы малой мощности имеют большую удельную поверхность охлаждения и естественное воздушное охлаждение является для них вполне достаточным.
Трансформаторы большой мощности устраивают с масляным охлаждением, для чего помещают их в металлические баки, наполненные минеральным (нефтяным) маслом. Наиболее широко распространено естественное охлаждение стенок бака трансформатора.
Для увеличения охлаждающей поверхности в стенки баков вваривают стальные трубы или радиаторы.
Масло в баке трансформатора в процессе эксплуатации соприкасается с окружающим воздухом и подвергается окислению, увлажнению и загрязнению, вследствие чего уменьшается его электрическая прочность.
Для обеспечения нормальной эксплуатации трансформаторов необходимо контролировать температуру масла, наблюдать за ним, производить его периодическую сушку и очистку или замену новым.
Изменение температуры трансформатора приводит к изменению уровня масла. В связи с этим баки трансформаторов снабжаются расширителями.
Расширитель, представляющий собой цилиндрический сосуд из листовой стали, устанавливается над крышкой бака и соединяется с ним патрубком. Объем расширителя составляет 10% объема масла в баке. При изменениях температуры уровень масла изменяется только в расширителе. В результате этого уменьшается поверхность масла, соприкасающаяся с воздухом, и масло предохраняется в значительной мере от загрязнения и увлажнения.