Трансформатором називається електромагнітний апарат, призначений для перетворення електричної енергії змінного струму з одними параметрами в електричну енергію з іншими параметрами. У трансформаторі перетворюється напруга, струм, початкова фаза. Частота залишається незмінною.
Трансформатори використовуються при передачі та розподілі електричної енергії. Вони є невід'ємною частиною енергосистеми країни. Без них неможлива передача електро-енергії на значну відстань від електростанції до споживачів; без них неможливий і розподіл електроенергії між споживачами на об'єкті, підключення споживачів із номінальною напругою 127 В, 42В, виконання електрозварювальних робіт. Через транс-форматори, що знижують напругу, підключаються до мережі всі радіоелектронні пристрої, які працюють від напруги в декілька вольт.
Трансформатор вперше був сконструйований у 1876 році знаменитим російським вченим-електротехніком П.Н.Яблочковим. У 1882 р. він був удосконалений іншим російським винахідником П.Ф.Усагіним, а в 1890 році російський інженер М.О.Доливо-Добровольський сконструював трифазний трансформатор. Сучасні трансформатори мають різноманітну конструкцію і призначення.
Як і будь-які інші електротехнічні вироби, трансформатори утворюють значну пожежну небезпеку.
Класифікація трансформаторів. Трансформатори бувають: однофазні, трифазні та багатофазні.
Трансформатор називається силовим, якщо він засто-совується для перетворення електричної енергії в електричних мережах і в установках, призначених для приймання і викори-стання електричної енергії. До силових відносяться транс-форматори трифазні і багатофазні потужністю 6,3 кВА і більше, однофазні потужністю 5кВА та більше. За менших потужностей трансформатори називаються трансформаторами малої потужності.
Вимірювальний трансформатор використовується для включення вимірювальних приладів.
Автотрансформатором називається трансформатор, дві або більше обмоток якого гальванічно пов'язані так, що вони мають загальну частину. Обмотки автотрансформатора пов'язані електрично і магнітно, і передача енергії з первинного кола у вторинне відбувається як за допомогою магнітного поля, так і електричним шляхом.
Номінальними параметрами називаються зазначені виготовлювачем параметри трансформатора (частота, потужність, напруга, струм), що забезпечують його роботу в умовах, установлених нормативним документом, і які є підставою для визначення умов виготовлення, випробувань, експлуатації. Номінальною потужністю обмотки трансформатора називається зазначене на паспортній табличці значення повної потужності на основному відгалуженні обмотки, гарантоване виготовлювачем у номінальних умовах місця установки й охолоджувального середовища за номінальної частоти і номінальної напруги обмотки. Номінальною потужністю двохобмоткового трансформатора є номінальна потужність кожної із його обмоток, у трьохобмотковому трансформаторі - найбільша з номінальних потужностей трьох його обмоток. Номінальний струм обмотки трансформатора визначається за його номінальною потужністю і напругою.
Основні частини трансформатора. Основними частинами трансформатора є:
- магнітна система (магнітопровід або осердя);
- обмотки;
- система охолодження.
Магнітна система трансформатора являє собою комплект пластин або інших елементів, виготовлених з електротехнічної сталі або іншого феромагнітного матеріалу і зібраних у якійсь геометричній формі, призначений для локалізації у ньому основного магнітного поля трансформатора. Магнітна система в цілком зібраному виді спільно з усіма вузлами і деталями, призначеними для скріплення її окремих частин у єдину конструкцію, називається остовом трансформатора. За видом осердя відрізняють трансформатори стержньові, броньові, тороїдні.
Обмоткою називається сукупність витків, що утворюють електричне коло, у якому додаються ЕРС, наведені у витках. Основним елементом обмотки є виток, тобто деталь з електричного провідника, або ряд паралельно з’єднаних таких деталей, які однократно охоплюють частину магнітної системи трансформатора, електричний струм якого разом із струмами інших таких деталей та інших частин трансформатора створює магнітне поле трансформатора й у якому під дією цього магнітного поля виникає електро-рушійна сила. Обмотки, як правило, виконуються з мідного або алюмінієвого емальпроводу у виді кругових циліндрів. У двохобмотковому трансформаторі відрізняють обмотку вищої напруги, що приєднується до мережі більш високої напруги, і обмотку нижчої напруги, приєднаної до мережі більш низької напруги. У трьохобмотковому трансформаторі розрізняють обмотки вищої, середньої і нижчої напруг.
Трансформатори з природним повітряним охолодженням (сухі трансформатори) не мають спеціальної системи охолодження. У масляних трансформаторах у систему охолодження входить бак трансформатора, що заливається мастилом, а у потужних трансформаторах є також і охолоджувачі, вентилятори, мастильні насоси, теплообмінники й інш.
Принцип роботи однофазного трансформатора. Найпростіший трансформатор зображений на рис.5.1. Розглянемо фізичні процеси, що проходять у ньому.
При живленні первинної обмотки змінним струмом частотою f буде створюватися змінний магнітний потік
Ф = Фm · sin , Вб. (5.1)
Величина ЕРС, що індукована в одному витку обмотки, знаходиться на основі закону електромагнітної індукції:
= - Фm ·cos 
= 
. (5.2)
Рис.5.1 - Однофазний трансформатор.
ЕРС, що індукована, відстає за фазою від потоку на кут
.
Діюче значення ЕРС в одному витку:
. (5.3)
Якщо в первинній обмотці трансформатора v1 витків, то ЕРС первинної обмотки визначається за формулою:
, В. (5.4)
Якщо у вторинній обмотці трансформатора v2 витків, то ЕРС вторинної обмотки визначається за формулою:
, В. (5.5)
Відношення ЕРС первинної і вторинної обмоток (відношення чисел їх витків) називають коефіцієнтом трансформації:
. (5.6)
Для трансформаторів, що знижують, k>1; для трансформаторів, що підвищують, - k<1.
Якщо вторинну обмотку трансформатора з'єднати з приймачем електричної енергії, то під дією ЕРС цієї обмотки у вторинному колі трансформатора виникає струм i2. Таким чином, електрична енергія за допомогою змінного магнітного поля передається з первинної обмотки трансформатора на вторинну.
При теоретичному аналізі роботи трансформатора часто вживають поняття реальний трансформатор, ідеалізований трансформатор, зведений трансформатор.
Реальний трансформатор має обмотки, розташовані на осерді. Обмотки мають як активний опір, так і опір розсіяння (крім основного магнітного потоку, є потоки розсіяння первинної та вторинної обмоток).
Ідеалізований трансформатор це трансформатор, у котрого відсутні магнітні потоки розсіяння, а активні опори обмоток дорівнюють нулю.
Зведений трансформатор - еквівалентний реальному трансформатор, у якого коефіцієнт трансформації дорівнює одиниці. Для заміщення реального трансформатора зведеним треба витримати принципи еквівалентності енергетичного стану. Зведені електричні величини у цьому випадку позначаються штрихами.
Режим холостого ходу однофазного трансформатора. Холостим ходом називають режим роботи трансформатора, коли його первинна обмотка приєднана до кола змінного струму, а вторинна розімкнута. Особливість трансформатора полягає в тому, що за відсутності струму в колі вторинної обмотки струм у його первинній обмотці (струм холостого ходу) дуже малий. Розмір струму холостого ходу в 15-20 разів менше за величину струму первинної обмотки трансформатора при його повному навантаженні.
Невеличкий струм холостого ходу створює мале падіння напруги (I10×r1) в опорі r1 первинної обмотки (його величина не перевищує 0,5% від величині прикладеної напруги U1). Основна частина прикладеної напруги урівноважена ЕРС е1 первинної обмотки. Тому, нехтуючи незначним падінням напруги в первинній обмотці при холостому ході трансформатора, можна вважати
e1»u1. (5.7)
Якщо напруга, прикладена до первинної обмотки, змінюється в часі за синусоїдальним законом, то урівноважуюча його ЕРС первинної обмотки також буде змінюватися за синусої-дальним законом:
e1=ЕМ1×sinwt.. (5.8)
ЕРС вторинної обмотки створюється тим же магнітним потоком, що й ЕРС первинної обмотки. Тому
e2=ЕМ2×sinwt. (5.9)
Оскільки величина ЕРС е1 практично дорівнює величині прикладеної напруги u1, а напруга на розімкнутих затискачах вторинної обмотки чисельно дорівнює ЕРС е2, то вираз для коефіцієнта трансформації можна записати у виді:
. (5.10)
Отже, коефіцієнт трансформації приблизно може бути визначений відношенням величин напруг на затискачах первинної і вторинної обмоток трансформатора при холостому ході.
Підбираючи число витків w2 вторинної обмотки, можна за заданого значення первинної напруги U1 одержати бажану величину напруги U2 на затискачах вторинної обмотки.
Векторна діаграма для холостого (неробочого) ходу трансформатора подібна векторній діаграмі котушки індуктивності (параграф 3.5).
Побудова векторної діаграми починається з відкладання вектора магнітного потоку 
. Потім зі зсувом 
відкладається вектор ЕРС первинної обмотки 
. Вектор ЕРС у вторинній обмотці збігається за напрямком з вектором , але величина його може бути як більше, так і менше . Для зручності побудови векторної діаграми звичайно відкладається зведене значення вторинної ЕРС, що в даному випадку дорівнює первинній ЕРС:
. (5.11)
Рис.5.2 - Векторна діаграма холостого ходу однофазного трансформатора.
Вектори і 
зливаються в один. Струм холостого ходу має дві складові - реактивну (що намагнічує) 
і активну
. Складова є струмом, що намагнічує та збігається за фазою з потоком. Складова визначається втратами в сталевому осерді і знаходиться у фазі з напругою. Повний струм холостого ходу 
. Струм холостого ходу дуже малий (не перевищує декількох % від номінального струму первинної обмотки), 
. Через малість струму падіння напруги в первинній обмотці мале, тому 
. На векторній діаграмі відкладається вектор 
, рівний і протилежний вектору .
Для холостого ходу трансформатора можна записати:
, (5.12)
звідкіля випливає, що при збільшенні первинної напруги вище номінальної, внаслідок насичення, різко збільшується струм холостого ходу, і трансформатор працює в пожежонебезпечному режимі.
Режим навантаження однофазного трансформатора. При підключенні навантаження до затискачів вторинної обмотки збудженого трансформатора створюється електричне коло, у якому під дією ЕРС е2 вторинної обмотки створюється змінний струм i2. Величина струму залежить від опору навантаження. Вторинну обмотку трансформатора можна розглядати як нове джерело змінного струму, що не має електричного зв'язку з зовнішнім джерелом живлення. При передачі електричної енергії з первинного кола трансформатора у вторинне неминуче виникають втрати. Частина енергії джерела живлення марно використовується на нагрів обмоток і осердя. Втрати електричної енергії характеризуються потужністю втрат DР, які, у свою чергу, зручно подати у вигляді складових: потужність електричних втрат DРЕ і потужність магнітних втрат DРМ.
Потужністю електричних втрат характеризують нагрів обмоток, що мають опори r1 і r2, - вона визначається за законом Джоуля -Ленца:
. (5.13)
Потужністю магнітних втрат DРМ характеризують нагрів осердя, викликаний вихровими струмами в ньому, а також циклічним перемагніченням осердя.
Внаслідок втрат DР, потужність Р2 передачі енергії в навантаження буде менше потужності Р1 споживання енергії в первинній обмотці трансформатора.
Коефіцієнт корисної дії трансформатора визначається за формулою:
, (5.14)
де Р1=Р2+DР.
Сучасні трансформатори мають високий ККД, який сягає 97-99%. Якщо знехтувати втратами в трансформаторі, то
Р1»Р2 (5.15)
Враховуючи, що кути зсуву фаз струму та напруги в первинному і вторинному колах трансформатора є приблизно однаковими, можна записати:
U1I1»U2I2 (5.16)
або
. (5.17)
Таким чином струми в обмотках трансформатора обернено пропорційні напругам, що діють на затискачах цих обмоток.
Векторна діаграма навантаженого трансформатора приведена на рис. 5.3
При побудові діаграми нехтуємо струмом холостого ходу 
. У цьому випадку струм первинної обмотки 
збігається з приведеним струмом вторинної обмотки 
. Очевидно, що
, (5.18)
де 
- приведена вторинна напруга;
- 
первинна напруга;
- 
повне падіння напруги в трансформаторі.
, (5.19)
де Ua - активне падіння напруги;
Up - реактивне падіння напруги.
Рис. 5.3 - Векторна діаграма навантаженого трансформатора.
Зміна приведеної вторинної напруги (втрата напруги) визначається алгебраїчною різницею:
, (5.20)
де 
- приведена вторинна напруга;
- 
первинна напруга;
- 
приведена вторинна напруга.
З геометричних розумінь:
ΔU2 ≈ (ab + bc) · mu = Ua · cos φ2 + Up · sin φ2 . (5.21)
де mu – масштаб напруги.
Відносна величина зміни вторинної напруги:
, (5.22)
де 
, [%] - відносна активна складова напруги короткого замикання при 
;
відносна реактивна складова напруги короткого замикання при .
Напруга на затискачах вторинної обмотки при довільному навантаженні:
. (5.23)
Цей вираз представляє рівняння зовнішньої характеристики. Це рівняння прямої, що виходить із точки U2ном. Нахил прямої залежить від характеру навантаження (рис.5.4).
|
|
Рис.5.4 - Зовнішня характеристика трансформатора
Коротке замикання однофазного трансформатора. "Коротким замиканням" називається режим роботи трансформатора, при котрому U2®0 і Z®0.
Режим короткого замикання, що виник випадково в процесі експлуатації за номінальної напруги на первинній обмотці, є аварійним процесом, що супроводжується значними струмами в обох обмотках. Перевищення фактичних струмів над номінальними в 10-20 разів може призвести до руйнації або загоряння ізоляції обмоток під дією високої температури і механічних зусиль між обмотками. Таким чином це пожежонебезпечний режимі роботи трансформатора.
Дослід короткого замикання виконується за зниженої напруги в первинному колі U1КЗ. Величина цієї напруги повинна бути такою, щоб при короткому замиканні у вторинному колі по обох обмотках протікали б номінальні струми.
Напруга
(5.24)
звичайно задається в паспортних даних трансформатора. Якщо цього параметра немає, то його можна визначити експериментально за показниками вольтметра (U1КЗ), приєднаного до вихідних затискачів ЛАТР. Для цього затискачі вторинної обмотки трансформатора замикаються накоротко, а напругу на первинній обмотці плавно підвищують за допомогою автотрансформатора від нуля доти, поки показання амперметрів у первинній і вторинній обмотках не досягнуть номінального значення.
При досліді короткого замикання напруга U1КЗ, що підводиться до трансформатора, не перевищує 4-6% номінальної напруги U1ном. Тому магнітний потік буде дуже малий і втратами в сталі можна знехтувати. З огляду на те, що 
і 
, можна вважати, що вся потужність P1КЗ, яка підводиться до трансформатора, витрачається на нагрівання обмоток:
Р1КЗ = Р1обм + Р2обм = 
. (5.25)
При конструюванні трансформаторів опір обмоток вибирають так, щоб обидві обмотки нагрівалися однаково. При цьому умови втрати в провідниках розподіляються між обмотками порівну:
, (5.26)
. (5.27)
Звідси легко визначаються активні опори обмоток трансформатора:
, (5.28)
. (5.29)
З деякими наближеннями можна вважати, що напруга короткого замикання 
рівно йде на покриття падінь напруги в обох обмотках, тобто
, (5.30)
. (5.31)
Тоді повні опори обмоток трансформатора:
, (5.32)
. (5.33)
Реактивні опори обмоток:
, (5.34)
. (5.35)
ККД трансформатора у функції b може бути визначений за номінальною потужністю, результатами досліду холостого ходу і короткого замикання за формулою:
, (5.36)
де Sном, [ВА] - номінальна потужність трансформатора;
b - коефіцієнт завантаження;
Р10, [Вт] - потужність за показниками ватметра в первинному колі при холостому ході, дорівнює потужності втрат у сталі;
Р1КЗ, [Вт] - потужність за показанням ватметра в первинному колі при досліді короткого замикання, дорівнює потужності втрат у провідниках обмоток при номінальному струмі;
- потужність втрат у провідниках обох обмоток при коефіцієнті завантаження b.
Зразковий вид залежності h=f(b) приведений на рис.5.5.
Рис.5.5 - ККД трансформатора у функції b.
Трифазний трансформатор. Якщо три однофазних трансформатори з'єднати в один тристрижневий, то матимемо трифазний трансформатор (рис.5.6).
На стрижнях розташовані первинна і вторинна обмотки окремих фаз. Затискачі обмоток вищої напруги позначаються великими літерами: А, В, С - початки обмоток, Х, Y, Z - кінці. Затискачі обмоток нижчої напруги позначені малими літерами: a, b, c - початки обмоток, x, y, z - кінці. Затискач нульової точки позначений знаком 0. Обмотки трифазного трансформатора з'єднують "зіркою" і "трикутником". В умовних позначеннях схем трифазних трансформаторів за позначенням ставлять цифри 12 або 11. Ці цифри позначають кут зсуву вторинної лінійної напруги відносно первинної лінійної напруги, що необхідно знати при вмиканні трансформаторів у паралельну роботу.
Коефіцієнт трансформації трифазного трансформатора при однакових з'єднаннях обмоток (Y/Y або D/D) визначається відношенням лінійних напруг, а при різних (D/Y або Y/D) - як відношення фазних напруг.
|
|
Рис.5.6 - Трифазний трансформатор.
Пожежна небезпека трансформаторів. Пожежна небезпека трансформаторів обумовлена наявністю горючого середовища (трансформаторне мастило, ізоляція обмоток, кабелів, проводів, горючі будівельні конструкції і матеріали) та джерел запалювання (струми короткого замикання, перевантаження, великі перехідні опори, вихрові струми).
При нормальному режимі роботи теплове нагрівання обмоток і осердя веде до нагрівання трансформатора. Для відводу цього тепла в трансформаторах невеликої потужності застосовується природне повітряне охолодження (сухі трансформатори). У трансформаторах великої потужності осердя і обмотка занурюються в бак, заповнений трансформаторним мастилом. Масляні баки охолоджуються як природним шляхом, так і примусовим - обдув повітрям. Для збільшення поверхні охолодження часто влаштовують трубчастий радіатор. Трансформатори великої потужності обладнуються розширювальним баком для мастила.
Трансформаторне мастило - гарний діелектричний матеріал, але це горюча рідина з температурою спалаху порядку 130-140°С. Випускаються також трансформатори, заповнені важкогорючим рідким діелектриком - совтолом. Продукти розкладання совтола отруйні, тому такі трансформатори обладнані газовбирачами.
| « Глава 5. Електричні машини та апарати. | 5.2 Електричні машини постійного струму. » |