Принцип действия и устройство трансформатора

§ 81. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРА

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.

Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника  переменного тока,  то по ней  будет протекать переменный ток I₀ (ток холостого хода), который возбудит в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Магнитный поток, прони­зывая витки вторичной обмотки трансформатора, будет индуктиро­вать в этой обмотке э. д. с. Если вторичную обмотку замкнуть на какой-либо приемник энергии (на рис. 98 — лампа накаливания), то под действием индуктируемой э. д. с. Е₂ по этой обмотке и через при­емник энергии будет протекать ток I₂. Одновременно и в первичной обмотке появится нагрузочный ток I', который в сумме с током хо­лостого хода I₀ определит ток первичной обмотки I₁. Таким обра­зом, электрическая энергия, трансформируясь, будет передаваться из первичной сети во вторичную, но при другом напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вторичную сеть.

Для улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками они помещаются на стальном магнитопроводе.

Для уменьшения  потерь  от  вихревых   токов   магнитопроводы трансформаторов собираются из тонких пластин  (толщиной 0,5 щ 0,35 мм) трансформаторной стали, покрытых изоляцией (жаростой­ким лаком).

Материалом магнитопровода является трансформаторная сталь Э-42; Э-43; Э-43А; Э-320; Э-330; Э-ЗЗОА и др.

В настоящее время осуществляется полный переход на сталь Э-ЗЗОА. Марки электротехнических сталей обозначают: буква Э — сталь электротехническая; первые цифры после буквы (1, 2, 3, 4) — степень легированности стали (1 — слаболегированная, 2 — среднелегированная, 3 — повышеннолегированная, 4 — высоколегиро­ванная) ; вторые цифры — гарантированные свойства стали (удель­ные потери в стали при частоте 50 гц: нормальные — 1; пониженные — 2 и низкие — 3); А — особо низкие удельные потери в стали, 0 — сталь холоднокатаная.

Холоднокатаная сталь имеет высокую магнитную проницаемость (больше, чем у горячекатаной) в направлении, совпадающем с на­правлением проката, тогда как поперек проката магнитная прони­цаемость относительно низкая. Поэтому магнитопроводы из холод­нокатаной стали делают так, чтобы магнитные линии замыкались

по направлению проката стали. Магнитопроводы трансформато­ров малой мощности изготовляют из ленты холоднокатаной стали.

В настоящее время ленточные разрезные магнитопроводы тран­сформаторов получают следую­щим образом: половину магнитопроводов изготовляют из полос холоднокатаной стали различной длины так, что полосы укладыва­ются в пакет ступенями. В спе­циальных формах пакеты на прес­се выгибаются в половины (верх­нюю и нижнюю) магнитопровода и отжигаются для снятия остаточ­ных механических напряжений. После пропитки в клеящем соста­ве (для склейки отдельных лис­тов) половины магнитопроводов подвергаются механической обра­ботке (для фрезеровки стыков) и направляются на сборку.

При   сборке   трансформатора обмотки устанавливают на магнитопроводе, и половины магнитопроводов (верхняя и нижняя) составляются и стягиваются, причем предварительно места стыков покрывают специальным клеящим составом.

В трансформаторах больших мощностей магнитопроводы соби­раются из полос стали. Холоднокатаную сталь разрезают так, что­бы направление магнитных линий в собранном магнитопроводе сов­падало с направлением прокатки стали. У горячекатаной стали маг­нитная проницаемость одинакова во всех направлениях и при ма­лых мощностях магнитопроводы собираются из пластин Ш или П-образной формы, которые штампуются из листовой стали.

В зависимости от формы магнитопровода и расположения обмо­ток на нем трансформаторы могут быть стержневыми и броневыми. Магнитопровод стержневого однофазного трансформатора имеет Два стержня, на которых помещены его обмотки (рис. 99,а). Эти стержни соединены ярмом с двух сторон так, что магнитный поток замыкается по стали. Магнитопровод броневого однофазного транс­форматора (рис. 99, б) имеет один стержень, на котором полностью помещены обмотки трансформатора. Стержень с двух сторон охватывается (бронируется) ярмом так, что обмотка частично защищена сердечником от механических повреждений.

Ленточные магнитопроводы из холоднокатаной стали подобны стержневым (рис. 99,в) или броневым (рис. 99,г).

Трансформаторы большой мощности в настоящее время изготовляют исключительно стержневыми, так как у них проще изоляция обмоток   высшего   напряжения   от   сердечника,  чем  в  броневых. В трансформаторах малой мощности напряжения обмоток малы, а поэтому изоляция их от сердечника значительно упрощается.

Трансформаторы малой мощности часто изготовляют с броневым магнитопроводом, который имеет только один комплект с двумя обмотками, тогда как у стержневого — два комплекта.

Магнитный поток в броневом магнитопроводе, выходя из стержня, разветвляется на две равные части так, что магнитный поток, замыкающийся через ярмо, вдвое меньше, чем в стержне, вследствие чего сечение ярма делают вдвое меньшим, чем сечение стержня. I

Часто выполняют   сердечники   трансформаторов с уширенным ярмом, в которых поперечное сечение ярма больше поперечного се­чения стержня. Это дает возможность уменьшить магнитную индукцию в ярме, снижает потери в стали и уменьшает потребление транс­форматорами реактивных намагничивающих токов из сети.

Для измерительных и лабораторных трансформаторов, а также при повышенной частоте применяют тороидальные (кольцеобразные) магнитопроводы, достоинством которых является относительна но малое магнитное сопротивление и почти полное отсутствие внеш­него потока рассеяния. При равномерном распределении обмоток по окружности тороида такие трансформаторы не чувствительны к внешним магнитным полям независимо от их направления. Торо­идальные магнитопроводы изготовляют из ленты холоднокатаной стали, а обмотки наматываются на специальном станке челночного типа.

Обмоткам трансформатора придают преимущественно форму цилиндрических (круглых) катушек, концентрически нанизываемых на стержень магнитопровода. При такой форме обмотки лучше про­тивостоят радиальным механическим усилиям, возникающим во вре­мя работы трансформатора. В некоторых случаях до ряду сообра­жений применяют катушки более сложной формы — прямоуголь­ные, овальные и др. При малых токах обмотки наматываются из медного или алюминиевого изолированного провода круглого попе­речного сечения. При больших токах применяют провод прямоуголь­ного поперечного сечения, наматываемый в одну или несколько параллелей.

. Расположение цилиндрических обмоток показано на рис. 100. Ближе к стержню магнитопровода располагается обмотка низшего напряжения НН, так как ее легче изолировать от магнитопровода, чем обмотку высшего напряжения ВН. Обмотку низшего напряже­ния изолируют от магнитопровода прокладками, рейками, шайбами и другими изоляционными  деталями   (чаще   из   электрокартона)-

Обмотку высшего напряжения изолируют от обмотки низшего на­пряжения.

При цилиндрических обмотках поперечному сечению магнитопро­вода желательно придать круглую форму, так как в этом случае в площади, охватываемой обмотками, не остается 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 большого числа стальных листов различной ширины, что потребует большого числа штампов. Поэтому у тран­сформаторов 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. 100 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 и в обмотках.

В трансформаторах малой мощности поперечное сечение магни­топровода имеет прямоугольную форму и обмоткам придают фор­му прямоугольных катушек. При малых токах радиальные меха­нические усилия, возникающие при работе трансформатора и дей­ствующие на обмотки, будут малы, так что изготовление обмоток упрощается.

Магнитопроводы трансформаторов собирают встык или вна­хлест. При сборке встык все части магнитопровода собирают раз­дельно из отдельных полос или пластин и затем вместе.

При такой сборке просто осуществляется монтаж и демонтаж трансформатора, но в месте стыка необходимо поместить изоля­ционную прокладку, увеличивающую магнитное сопротивление. При установке ярма его пластины не будут точно совпадать с пла­стинами стержня, в результате чего пластины ярма и стержня ока­жутся замкнутыми. Такое замыкание пластин поведет к увеличе­нию вихревых токов, которые могут вызвать недопустимо высокий нагрев стали в месте стыка. Нагрев может стать настолько боль­шим, что стальные пластины сплавятся в сплошную массу («пожар» в стали) и трансформатор выйдет из строя.

При сборке внахлест стальные пластины укладывают так, что­бы у лежащих рядом   полос разрезы   были   в   различных  точках.

Такая сборка усложняет монтаж и демонтаж трансформатора, но и позволяет значительно уменьшить магнитное сопротивление, так как пластины могут плотно прилегать одна к другой.

В паспорте трансформатора указывают его номинальную мощность Р, номинальные напряжения U₁ и U2 и токи I₁ и I₂ первичной и вторичной обмоток при полной (номинальной) нагрузке.

Номинальной мощностью трансформаторов  называется  полная мощность, отдаваемая его вторичной обмоткой при полной (номи­нальной) нагрузке. Номинальная мощность выражается в единицах полной   мощности, т. е. в вольтамперах    или    киловольтамперах. В ваттах и киловаттах измеряют активную мощность трансформатора, т. е. ту мощность, которая может быть преобразована из электрической в механическую, тепловую, химическую, световую и т. д.

Сечения проводов обмоток и всех частей машины или любого электрического 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 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 трансформатора не­обходимо контролировать температуру масла, заменять его новым, производить периодическую сушку и очистку трансформатора.

Изменение температуры трансформатора приводит к измене­нию уровня масла. В связи с этим баки трансформаторов снаб­жаются расширителями.

Расширитель, представляющий собой цилиндрический сосуд из листовой стали, устанавливают над крышкой бака и соединяют пат­рубком. Уровень масла изменяется только в расширителе, что по­зволяет уменьшить поверхность масла, соприкасающуюся с возду­хом, и предохранить масло от загрязнения и увлажнения.