Трансформаторы. Лекция 3

4.1 Общие сведения
Электрический трансформатор – электромагнитное устройство, преобразующее напряжение и ток одного уровня в напряжение и ток другого уровня при неизменной частоте и малой потере мощности.
Генераторы электрических станций вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6, 10, 15 кВ, так как на более высокие напряжения конструировать электрогенераторы сложно в связи с трудностью обеспечения хорошей изоляции обмоток.
В то же время в линиях электропередачи применяют напряжения до 110, 220, 400, 500 кВ и более, чтобы уменьшить силу тока в линии, а значит и сечение проводов, что позволяет резко снизить мощность потерь и стоимость линий электропередач.

Таким образом, необходимы повышающие трансформаторы, увеличивающие напряжение генераторов электрических станций до напряжения линий электропередач.
В местах потребления электрической энергии, на производстве, в быту и так далее, необходимы понижающие трансформаторы, чтобы иметь напряжения 380, 220, 127 В и менее.
Электрические трансформаторы имеют высокий коэффициент полезного действия, доходящий до 99%, и высокую надежность, так как не содержат движущихся частей.
Электрические трансформаторы – необходимые элементы и в устройствах малой мощности (радиоэлектронных устройствах, компьютерах других).

Изобрел электрический трансформатор в 1876 году П.Н. Яблочков, который в своих работах по электрическому освещению встретился с необходимостью обеспечить автономную работу нескольких светильников разным напряжением от одного генератора.
В 1891 году М.О. Доливо-Добровольским была разработана конструкция первого трехфазного электрического трансформатора, после чинго применение электротрансформаторов стало резко возрастать.
Простейший однофазный электрический трансформатор (рис. 4.1) состоит из двух обмоток, размещенных на ферромагнитном магнитопроводе, который набран из изолированных друг от друга листов электротехнической стали толщиной 0,3...0,5 мм, с целью уменьшения потерь на вихревые токи (потерь в стали) Рс.

Обмотка, подключаемая к источнику электрической энергии (генератору) или к линии электропередач (электрической сети), называется первичной (входной). Обмотка, к которой подключается приемник электрической энергии, – вторичной (выходной).
Рис. 4.1. Схема электрической цепи с трансформатором

На щитке электрического трансформатора указываются:
высшее и низшее номинальные напряжения;
номинальная полная мощность , ВА или кВА;
частота f (Гц);
токи в первичной и вторичной ( ) обмотках при номинальной мощности;
коэффициент трансформации К;
число фаз;
схема соединений обмоток («звездой» или «треугольником») в случае трехфазного электрического трансформатора;
режим работы (длительный или кратковременный);
способ охлаждения (масляный, воздушный).

4.2 Принцип действия трансформатора
Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции (рис. 4.1).
При подаче от источника электрической энергии напряжения u1 на первичную обмотку электрического трансформатора в ней возникает ток i1, возбуждающий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1, который, пронизывая витки первичной обмотки, создает в ней напряжение w1 в результате явления самоиндукции.

4.3 Работа трансформатора в режиме холостого хода
Режим холостого хода – такой режим работы электрического трансформатора, при котором его вторичная цепь разомкнута и ток в ней равен нулю (i2 = 0).
Под действием приложенного напряжения u1 по первичной обмотке протекает ток i1x , возбуждающий в магнитопроводе магнитное поле Ф0.
Большая часть магнитного потока замыкается в магнитопроводе. Однако небольшая часть этого потока замыкается вокруг витков только первичной обмотки, образуя поток рассеяния ФS , и не индуктирует напряжение взаимоиндукции uM2 во вторичной обмотке.

Кроме того, первичная обмотка обладает резистивным сопротивлением r1. На рисунке 4.2 представлена схема замещения электрического трансформатора с учетом резистивных сопротивлений r1 и r2 первичной и вторичной обмоток и их индуктивностей рассеяния LS1 и LS2.
Рис.4.2. Схема замещения трансформатора в режиме холостого хода

Рис. 4.3. Векторная диаграмма напряжений и тока трансформатора
в режиме холостого хода

Опытом холостого хода называется испытание электрического трансформатора при разомкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном приложенном к первичной обмотке напряжении U1X= U1H .
Для проведения опыта холостого хода собирается электрическая цепь согласно схеме рисунка 4.4.
Рис. 4.4. Схема электрической цепи для проведения опыта холостого хода
трансформатора

4.4 Опыт короткого замыкания
Необходимо различать опыт короткого замыкания и режим короткого замыкания, так как в последнем случае имеет место аварийный режим электрического трансформатора, при котором последний сильно разогревается, из-за чего может произойти его сгорание.
Опыт короткого замыкания – испытание электрического трансформатора при короткозамкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном токе в первичной обмотке

Этот опыт проводится при аттестации электрического трансформатора для определения важнейших параметров:
мощности потерь в проводах обмоток (потери в меди) ;
внутреннего падения напряжения;
коэффициента трансформации и др.
Опыт короткого замыкания (рис. 4.5), как и опыт холостого хода, обязателен при заводских испытаниях
Рис. 4.5. Схема электрической цепи для проведения опыта короткого замыкания трансформатора

4.5 Мощность потерь в трансформаторе
Отношение активной мощности Р2 на выходе трансформатора к активной мощности Р1 на входе называется коэффициентом полезного действия трансформатора. Коэффициент полезного действия трансформатора зависит от режима работы.
Мощность потерь в электрических трансформаторах равна сумме мощностей потерь в магнитопроводе РС (потери в стали) и в проводах обмоток РМ (потери в меди).

4.6 Автотрансформаторы
В ряде случаев при передаче электроэнергии требуется соединить через трансформатор электрические цепи, отношение номинальных напряжений которых не превышает два, например цепи высокого напряжения ПО и 220 кВ.
В подобных случаях экономически целесообразно вместо электротрансформатора применить автотрансформатор, так как его коэффициент полезного действия выше, а габариты меньше, чем у электротрансформатора той же номинальной мощности.
Автотрансформатор отличается от электротрансформатора тем, что имеет лишь одну обмотку – обмотку высшего напряжения, а обмоткой низшего напряжения служит часть обмотки высшего напряжения (рис. 4.6).

Обмотка высокого напряжения автотрансформатора может быть первичной (рис. 4.6,а) и вторичной (рис. 4.6,б).
Рис. 4.6. – Схема автотрансформаторов с первичной обмоткой высшего напряжения (а) и первичной обмоткой низшего напряжения (б)