Глава III
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНСФОРМАТОРАХ
§ 9. Принцип действия и устройство однофазного трансформатора
Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения. Трансформаторы широко применяются в устройствах проводной связи. Они входят в состав выпрямительных устройств, различных преобразователей, стабилизаторов и регуляторов переменных напряжений и т. д. Различают однофазные и трехфазные трансформаторы.
Простейший однофазный трансформатор (рис. 21) состоит из замкнутого стального сердечника 1 и двух магнитосвязанных обмоток 2 и 3. Обмотка 2, соединенная с источником электроэнергии, называется первичной и обозначается соответствующими буквами с индексом 1. Обмотка 3, соединенная с потребителем энергии Ζ, называется вторичной. При буквенном обозначении величин, относящихся к этой обмотке, ставится индекс 2. Под действием переменного напряжения U в первичной обмотке с числом витков wr возникает ток 1r. Намагничивающая сила тока первичной обмотки возбуждает в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток
. Этим потоком в первичной обмотке наводится э. д. с. самоиндукции Еr=
, а во вторичной обмотке э.д.с. взаимоиндукции Е2 —
Поэтому на зажимах вторичной обмотки возникает переменное напряжение U2, а приемник энергии получает ток
. Таким образом, со стороны вторичной обмотки трансформатор является источником электрической энергии, а со стороны первичной обмотки — потребителем этой энергии.
Отношение действующих значений э.д.с., равное отношению чисел витков обмотки, называется коэффициентом трансформации
В трансформаторах, понижающих напряжение, и коэффициент трансформации k>1. В трансформаторах, повышающих напряжение, а коэффициент трансформации k<1. Обмотка трансформатора, которая рассчитана на большее напряжение, называется обмоткой высшего напряжения (ВН). Другая обмотка, на зажимах которой действует меньшее напряжение, называется обмоткой низшего напряжения (НН).
Электрическая энергия в трансформаторе преобразуется с незначительными потерями, а подводимая к трансформатору полная мощность
приблизительно равна отдаваемой мощности
. Поэтому с увеличением напряжения U2 соответственно снижается ток I2. Таким образом, обмотка низшего напряжения должна иметь меньшее число витков и большее сечение соответственно большему значению проходящего по ней тока, а обмотка высшего напряжения — большее число витков меньшего сечения.
Основными частями трансформаторов являются: сердечник, по которому замыкается магнитный поток; обмотки высшего и низшего напряжения; бак с маслом (если трансформатор имеет масляное охлаждение); выводные изоляторы. Сердечник трансформатора для уменьшения нагрева от вихревых токов набирают из листов трансформаторной стали толщиной до 0,5 мм, которые изолируют один от другого лаком или пленкой окиси.
По конструкции сердечника трансформаторы разделяются на стержневые, броневые, тороидальные и ленточные разрезные.
Сердечник однофазного стержневого трансформатора имеет два стержня 5 (рис. 22), на которых размещаются обмотки, и два ярма 4, замыкающих магнитную цепь. Такие сердечники собирают обычно из Г-образных пластин. Каждую обмотку стержневого трансформатора размещают на двух стержнях магнитопровода. Обе половины одной и той же обмотки соединяют так, чтобы их намагничивающие силы складывались. На каждый стержень сердечника надевают изоляционные гильзы. Ближе к стальному стержню размещают обмотку низшего напряжения I, так как ее легче изолировать от стержня 5. Обмотка высшего напряжения 3 отделяется от обмотки низшего напряжения изоляцией 2.
Сердечники броневых трансформаторов с тремя стержнями собирают из штампованных пластин Ш-образной формы (рис. 23).
Рис. 21. Принципиальная схема трансформатора
Рис. 22. Сердечник и обмотки однофазного стержневого трансформатора
Рис. 23. Броневой трансформатор:
1 — ярмо; 2 — обмотка низшего напряжения; 3 — изоляция; 4 — обмотка высшего напряжения; 5 — стержень сердечника
Рис. 24. Тороидальный трансформатор
Рис. 25. Трансформатор с ленточным разрезным сердечником
Обмотки трансформатора размещаются на среднем стержне. Магнитный поток из среднего стержня разветвляется на крайние стержни через ярмо 1. В броневых сердечниках по сравнению со стержневыми уменьшается магнитный поток рассеяния, а следовательно, и индуктивное влияние трансформатора на соседние электрические цепи. Поэтому броневые трансформаторы широко применяются в тех устройствах связи, где такое влияние должно быть сведено до минимума. Уменьшение потока рассеяния позволяет также снизить внутренние потери энергии и улучшить характеристики трансформаторов.
Тороидальные сердечники применяются в маломощных трансформаторах (рис. 24), чаще всего рассчитанных для работы на повышенных частотах. Они выполняются из стали специальных марок в виде пластин или лент толщиной от 0,2 до 0,08 мм. На рис. 25 показана конструкция Ш-образного ленточного сердечника и расположение на нем обмоток. Ярмо и стержни стержневого и броневого сердечников в поперечном сечении имеют форму прямоугольника, квадрата или ступенчатого многоугольника, вписанного в круг. Обмотки трансформатора для уменьшения активного сопротивления выполняются из медного провода и обычно имеют цилиндрическую форму.
Для уменьшения потерь на рассеивание и лучшего отвода теплоты обмотки мощных трансформаторов выполняют в виде дисковых катушек, между которыми оставляют вентиляционные каналы. При дисковой системе катушки высшего напряжения и катушки низшего напряжения чередуются между собой. Трансформаторы небольшой мощности имеют естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.
Трансформаторы значительной мощности, как правило, имеют масляное охлаждение. У этих трансформаторов сердечник с обмотками помещается в стальной бак с минеральным трансформаторным маслом, которое имеет высокие изоляционные свойства и хорошую теплопроводность. Слои масла от сердечника и обмоток перемещаются к стенкам бака и передают им тепло, которое рассеивается в воздухе. Для увеличения поверхности охлаждения в мощных трансформаторах применяют трубчатые баки.