Прогрессивные направления развития машино-приборостроительных отраслей и транспорта: Материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 19-24 мая 2003 г. – Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2003. – С. 18–24.
Трансформатор (от лат. transformo – преобразую), устройство для преобразования каких-либо существенных свойств энергии (напр., электрический трансформатор, гидротрансформатор) или объектов (напр., фототрансформатор).
Обычно крупные электрические станции строят ближе к источникам топлива; иногда электростанции отстоят от промышленных районов, потребляющих электроэнергию, на десятки и даже на сотни километров.
Как известно, при передаче электрической энергии мощностью S = I·U часть ее (P = I2·r) теряется в проводах (переходит в тепловую энергию). Очевидно, для уменьшения этих потерь передачу энергии необходимо производить при более высоком напряжении U, что приведет к уменьшению величины тока при данной мощности.
Электрические генераторы в зависимости от мощности изготовляются на напряжение от 6 до 35 кВ. Однако, для передачи электроэнергии на значительные расстояния это напряжение является недостаточным, необходимы еще более высокие напряжения (до 110–400 кВ). Напряжение, на которое рассчитываются приемники электрической энергии, не превышает 0,5–6 кВ. Отсюда следует, что для передачи электрической энергии на расстояние напряжение генераторов должно вначале повышаться, а затем, на предприятиях, оно должно понижаться.
Повышение и понижение напряжения в технике переменных токов легко осуществляется при помощи специальных аппаратов – трансформаторов.
Первый трансформатор был изобретен русским ученым П. Н. Яблочковым и усовершенствован И. Ф. Усагиным в 1882 г.
С изобретением трансформатора появилась возможность производить передачу электрической энергии переменным током на значительные расстояния, что позволило еще шире использовать электрическую энергию в промышленности.
Силовые трансформаторы изготовляются однофазными и трехфазными.
Трансформаторы в основном состоят из стальных сердечников, первичной и вторичной обмоток.
На рисунке 1 приведена схема силового трансформатора типа ТМ-320, где 1 – стальной сердечник; 2 – обмотка высшего напряжения; 3 – обмотка низшего напряжения; 4 – стальной кожух; 5 – фарфоровые изоляторы (вводы); 6 – изоляторы (выводы); 7 – переключатель напряжения ±5%; 8 – радиаторные трубки; 9 – расширитель.
Рисунок 1 – Схема силового трансформатора типа ТМ-320
Сердечник трансформатора набирают из листовой трансформаторной стали. Для уменьшения потерь на вихревые токи листы стали изолируются друг от друга.
Для трансформаторов небольшой и средней мощностей применяется цилиндрическая обмотка в виде катушек из круглой или прямоугольной меди.
Обычно силовые трансформаторы изготовляются с масляным охлаждением (в последнее время для цеховых подстанций стали изготовлять трансформаторы также с воздушным охлаждением).
У трансформаторов с масляным охлаждением обмотки с сердечниками погружаются в бак, заполненный трансформаторным маслом.
На рисунке 1 приведен общий вид трехфазного трансформатора с масляным охлаждением.
Как видно на рисунке, бак имеет масло-расширитель. При нагревании трансформатора масло вытесняется в расширитель и уровень его повышается. Для увеличения охлаждающей поверхности применяются трубчатые баки (рисунок 1). Выводные изоляторы изготовляются чаще всего из фарфора.
Однофазные трансформаторы
Принцип действия
На рисунке 2 приведена схема однофазного трансформатора. Как уже указывалось, он состоит из стального сердечника 1, набранного из листовой трансформаторной стали, первичной обмотки с числом витков W1 и вторичной обмотки с числом витков W2.
Рисунок 2 – Схема однофазного трансформатора
Первичной обмоткой трансформатора является та обмотка, к которой подводится напряжение от источника.
Первичной обмоткой трансформатора является та обмотка, к которой подводится напряжение от источника.
Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции.
Если к первичной обмотке трансформатора подвести напряжение переменного тока, то в обмотке появится переменный ток I01, который в стальном сердечнике создает магнитный поток Ф0. При изменении величины тока с определенной частотой с той же частотой будет изменяться и магнитный поток; при этом магнитные силовые линии будут пересекать первичную и вторичную обмотки трансформатора и индуктировать в них электродвижущие силы.
Мгновенное абсолютное значение э. д. с. выражается формулой:
e1=W1·dФ/dt=W1·d(Фmax·sinωt)/dt,
где W1 – число витков первичной обмотки трансформатора; Фmax – максимальное значение магнитного потока, Вб.
Максимальное значение э. д. с. равно:
E1max=W1·ω·Фmax ,
где ω=π·f – угловая частота тока.
Действующее значение э. д. с. выражается формулой:
где f – частота тока; Ф0 – магнитный поток сердечника, Вб.
Величина э. д. с. во вторичной обмотке определится по формуле:
E2=4.44·f·W2·Ф0·10-8,
где W2 – число витков вторичной обмотки.
Холостым ходом трансформатора называется режим работы, когда к первичной обмотки трансформатора приложено напряжение, а вторичная обмотка находится в разомкнутом состоянии, следовательно, ток в первичной обмотке является намагничивающим, при этом величина его незначительна и составляет 5–8% от величины номинального тока. При холостом ходе трансформатора, не обращая внимания на падение напряжения в первичной обмотке трансформатора I01·z1, можно принять, что э.д.с. в обеих обмотках трансформатора численно равны напряжениям на их зажимах:
E1 ≈ U01 и E2 ≈ U02.
Разделим э.д.с. первичной обмотки на э.д.с. вторичной обмотки, получим:
E1/E2=W1/W2,
следовательно, э.д.с., индуктируемые в обмотках трансформатора, пропорциональны числам витков обмоток.
Так как при холостом ходе E1 ≈ U01 и E2 ≈ U02, то можно записать:
E1/E2 ≈ U01/U02=W1/W2.
Значит, и напряжение на первичной стороне U1, а также и на вторичной стороне U2 трансформатора пропорциональны числам витков обмоток трансформатора.
Отношение напряжений первичной и вторичной обмоток при холостом ходе трансформатора называется коэффициентом трансформации:
k=U01/U02=W1/W2.