§1. Конструкция и принцип действия трансформаторов

Трансформаторы различают:
по уровню мощности – малой мощности, с номинальной мощностью 5 кВ·А и ниже у трехфазных и 4 кВ·А и ниже у однофазных; силовые однофазные и трехфазные трансформаторы большей мощности;

Трансформаторы выполняют либо с воздушным, либо с масляным охлаждением; каждый из способов может быть либо с естественным теплообменом, либо с принудительной вентиляцией. В автоматических системах наиболее распространены однофазные и трехфазные трансформаторы питания малой мощности с воздушным охлаждением.

Конструкция однофазных трансформаторов питания.
   Основные части трансформаторов – обмотки, осуществляющие электромагнитное преобразование энергии, и магнитопровод (магнитная система), выполненный из ферромагнитного материала и предназначенный для локализации магнитного потока и усиления электромагнитной связи обмоток. Магнитопровод трансформаторов малой мощности изготавливают из листовой или ленточной электротехнической стали толщиной 0,1 - 0,35 мм.

Рис. 1.1

В зависимости от конфигурации магнитопровода различают трансформаторы стержневого, броневого и кольцевого типов. Конструктивные схемы таких двухобмоточных трансформаторов с ленточным магнитопроводом представлены соответственно на рис. 1.1, а-в. Магнитопровод 1 навивают из узкой ленты на станках; при этом магнитопровод броневого типа (рис. 1.1, б) собирают из двух магнитопроводов стержневого типа. Слои ленты изолируют друг от друга тонким слоем окисла, пленкой лака или бумагой с целью уменьшения вихревых токов, наводимых в магнитопроводе переменным магнитным потоком. Навитые магнитопроводы трансформаторов стержневого и броневого типов разрезают на две половины по линии А-А для создания возможности монтажа на них заранее намотанных обмоток. После монтажа обмоток половины вновь соединяют и плотно стягивают специальными обжимами. Использование ленты, нарезанной вдоль направления наибольшей магнитной проницаемости материала, позволяет создавать магнитопроводы на всех участках которых магнитный поток идет по пути наименьшего магнитного сопротивления материала. Участки магнитопровода, на которых расположены обмотки, называют стержнями, остальные участки – ярмом. Для обеспечения постоянной магнитной индукции по всему магнитопроводу у трансформаторов броневого типа ширина центрального стержня в два раза больше, чем боковых участков ярма.

   Обмотка трансформатора – это совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются ЭДС витков. Обмотки 3, 4 трансформаторов стержневого и броневого типов представляют собой катушки, намотанные из изолированного провода, в большинстве случаев медного, на изолирующий каркас 2 или гильзу. Отдельные слои проводов изолируют друг от друга тонкой межслойной изоляцией из специальной бумаги или ткани, пропитанной лаками; между обмотками прокладывают более толстую межобмоточную изоляцию. Обмотки трансформатора, к которым электрическая энергия подводится, называют первичными, обмотки, от которых электрическая энергия отводится, - вторичными. Если на стержне в пределах катушки первичные и вторичные обмотки располагаются концентрично одна поверх другой, их называют концентрическими (рис. 1.1, a). При этом у стержневого трансформатора в катушках расположено по половине витков каждой из обмоток. Возможно раздельное расположение первичных и вторичных обмоток на каждом из стержней, но магнитная связь обмоток в этом случае ухудшается.
   Если обмотки чередуются в осевом направлении стержня в виде отдельных катушек, имеющих форму дисков, их называют чередующимися (рис. 1.1, б). В кольцевых трансформаторах (рис. 1.1, в) обмотки наматывают непосредственно на изолированный магнитопровод одна поверх другой по всей длине магнитопровода, при этом на внутренней стороне кольца слоев получается больше, чем на внешней.
   Повышение электрической прочности трансформаторов и их устойчивости к механическим и атмосферным воздействиям достигается путем пропитки обмоток изоляционными лаками или компаундами или заливкой трансформаторов в эпоксидную смолу. Стержневые трансформаторы имеют наилучшие условия охлаждения ввиду большой поверхности охлаждения обмоток. Броневые трансформаторы благодаря меньшему числу катушек имеют меньшие размеры и более просты в изготовлении. Кольцевые трансформаторы отличаются малыми потоками рассеяния и низким сопротивлением сердечника благодаря отсутствию воздушных зазоров на пути потока, но более сложны в изготовлении ввиду невозможности предварительной намотки обмоток вне магнитопровода.

Рис. 1.2

Магнитопроводы трансформаторов, собранные из штампованных листов, представлены на рис. 1.2. Магнитопроводы стержневых трансформаторов собирают из листов П-образной формы (рис. 1.2, а), броневых - из Ш-образной формы (рис. 1.2, б), кольцевых - из колец (рис. 1.2, в).

Принцип действия трансформатора.

Принцип действия рассмотрим на примере однофазного двухобмоточного трансформатора (рис. 1.3), первичная обмотка которого с числом витков w₁ включена в однофазную сеть переменного тока с напряжением u₁, а вторичная обмотка с числом витков w₂ замкнута на сопротивление нагрузки Z_н. Под действием приложенного напряжения u₁ по первичной обмотке протекает ток i₁, создающий МДС первичной обмотки F₁= i₁w₁, которая приводит к появлению переменного магнитного потока. Основная часть потока (поток взаимоиндукции Ф₀) замыкается по магнитопроводу, сцепляется с обеими обмотками и наводит в них ЭДС e₁ и e₂. Небольшая часть потока Ф_σ1, называемая потоком рассеяния первичной обмотки, замыкается по воздуху непосредственно вокруг этой обмотки.

   
Рис. 1.3

Во вторичной обмотке ЭДС e₂ вызывает ток i₂, на сопротивлении нагрузки Z_н снимается выходное напряжение u₂=i₂Z_н и выходная мощность P₂=u₂i₂ Одновременно ток i₂ создает МДС вторичной обмотки F₂=i₂w₂, направление которой в контуре магнитопровода определяется по правилу Ленца. Значение потока взаимоиндукции Ф₀ определяется результирующим действием МДС F₁ и F₂. В обеих обмотках ЭДС взаимоиндукции определяются в соответствии с законом электромагнитной индукции:

e₁=-w₁dФ₀/dt;      e₂=-w₂dФ₀/dt    (1.1)

   Поток Ф_σ1 наводит ЭДС самоиндукции в первичной обмотке:

e_σ1=-L_σ1di₁/dt,    (1.2)
где L_σ1 - индуктивность первичной обмотки, соответствующая потоку рассеяния.

   При увеличении тока нагрузки i₂ МДС F₂ стремится уменьшить поток Ф₀ и тем самым – ЭДС e₁. Поскольку трансформаторы выполняют с минимальными потоками рассеяния и минимальным активным сопротивлением обмоток, основная часть приложенного напряжения u₁ уравновешивается ЭДС e₁, которая направлена в контуре обмотки встречно напряжению u₁; при неизменной амплитуде напряжения u₁ ток i₁ увеличивается. Таким образом, приращение выходной мощности покрывается за счет приращения потребляемой мощности P₁=u₁i₁. Увеличение тока i₁ приводит к увеличению МДС F₁, и поток Ф₀ восстанавливается до прежнего значения. Небольшое уменьшение потока может быть вызвано падением части приложенного напряжения на сопротивлении обмотки. Это изменение тем больше, чем меньше мощность трансформатора, однако при изменении тока нагрузки от нуля (холостой ход) до номинального значения оно не превышает нескольких процентов. Магнитодвижущая сила F₁ вызывает также появление потока рассеяния вторичной обмотки Ф_σ2, наводящего ЭДС самоиндукции во вторичной обмотке:

e_σ2= -L_σ2di₂/dt   (1.3)

   При допущении о линейной зависимости индукции от напряженности магнитного поля и отсутствии гистерезиса в магнитной системе трансформатора можно утверждать, что в трансформаторе, подключенном к сети переменного синусоидального напряжения, все токи, потоки, ЭДС и напряжения изменяются по синусоидальному закону. Напряжение u₁, приложенное к первичной обмотке, уравновешивается в основном наведенной ЭДС взаимоиндукции, т.е. u₁≈ -e₁. При синусоидальном напряжении источника u₁=U_1msinωt выражение (1.1) можно представить в виде
dФ₀ ≈(u₁/w₁)dt=(U_1m/w₁)sinωtdt (ω=2πf - угловая частота напряжения), откуда после интегрирования получим выражение для потока:

Ф₀ = ∫(u₁/w₁)dt=- Ф_mcosωt,        (1.4)
Ф_m ≈ U_1m/(w₁ω)= U₁/(4,44fw₁)   (1.5)

Ф_m – амплитудное значение потока Ф₀.
   Из (1.5) видно, что амплитуда основного магнитного потока определяется амплитудой U_1m, угловой частотой первичного напряжения ω и числом витков w₁ первичной обмотки.
   Подставив (1.4) в (1.1), после дифференцирования получим

e₁=-E_1m sinωt; e₂= -E_2m sinωt (1.6)
где E_1m=ωФ_mw₁; E_2m=ωФ_mw₂ – амплитудные значения ЭДС взаимоиндукции.

   Из формулы (1.6) видно, что ЭДС e₁ и e₂ совпадают друг с другом по фазе и отстают от вызывающего их магнитного потока на 90°. При переходе к действующим значениям ЭДС получаем:

E₁=4,44fФ_mw₁; E₂=4,44fФ_mw₂    (1.7)

   Соотношение напряжений на входе и выходе трансформатора определяется в основном соотношением ЭДС взаимоиндукции в первичной и вторичной обмотках, которое называется теоретическим коэффициентом трансформации:

K_т=E₁/E₂=w₁/w₂   (1.8)

   Как видно, соотношение напряжений на обмотках трансформатора определяется соотношением чисел витков.

Ток, необходимый для создания магнитного потока и являющийся по характеру реактивным (индуктивным), называют намагничивающим током трансформатора I_0p. Он протекает по первичной обмотке независимо от того, нагружен трансформатор или нет, и является основной составляющей тока холостого хода (х.х.) трансформатора. По закону Ома для магнитной цепи:

Ф_m= √2·I_0pw₁/R_м   (1.9)
где R_м - магнитное сопротивление магнитопровода трансформатора.

Преобразуя (1.9) с учетом (1.5), получим: I_0p=Ф_mR_м/(√2·w₁)=U₁R_м/(6,28f·w₁²)

Как видно, намагничивающий ток прямо пропорционален магнитному сопротивлению магнитопровода. Поэтому при проектировании и изготовлении магнитопроводов трансформаторов следует сводить к минимуму воздушные зазоры на пути основного магнитного потока, так как магнитная проницаемость воздуха значительно меньше магнитной проницаемости ферромагнитных материалов.
   Необходимо отметить, что в реальных трансформаторах перемагничивание магнитопроводов происходит по нелинейному закону (петля намагничивания). Поэтому временной закон изменения ЭДС, токов и напряжений в зависимости от степени насыщения сердечника может более или менее отличаться от синусоидального.
   Процесс передачи мощности с первичной на вторичную обмотку трансформатора сопровождается потерями части активной мощности. Мощность, называемая электрическими потерями, выделяется на активном сопротивлении обмоток при протекании по ним тока:

ΔP_э=I₁²R₁+I₂²R₂ (1.10)
где R₁ и R₂ - активные сопротивления обмоток.

   Значение электрических потерь зависит от токов в обмотках, т.е. от режима нагрузки, поэтому электрические потери называют переменными потерями трансформатора.
   Мощность ΔP_м, называемая магнитными потерями, выделяется в магнитопроводе при прохождении по ней переменного магнитного потока. Она обусловлена наличием вихревых токов, наводимых переменным потоком, и явлением гистерезиса.
   Значение ΔP_м зависит от свойств материала магнитопровода, индукции в магнитопроводе и частоты его перемагничивания. Как видно из (1.5), поток, а следовательно, и индукция не зависят от нагрузки, поэтому потери ΔP_м называют постоянными потерями трансформатора. Так как потери на вихревые токи и гистерезис пропорциональны примерно квадрату индукции, то ΔP_м ~ U₁². Выделение части потребляемой трансформатором мощности в виде электрических и магнитных потерь приводит к нагреву трансформатора.
   Потери ΔP_м выделяются в трансформаторе и в режиме х.х., поэтому при х.х., не отдавая полезной выходной мощности, трансформатор потребляет от источника некоторую активную мощность, идущую на покрытие потерь. Следовательно, в токе х.х. I₀ имеется активная составляющая I_0a, которая обычно не превышает 10% от намагничивающей составляющей тока х.х. I_0p. У трансформаторов большой и средней мощности ток I₀= I_0a+j I_0p не превышает 2-10% от номинального; у трансформаторов микромощности его значение может достигать 40-60% от номинального.
   Следует отметить, что наряду с трансформаторами, имеющими фиксированный коэффициент трансформации, выпускается ряд типов трансформаторов с регулируемым вторичным напряжением. В основном регулирование осуществляется изменением соотношения между числами витков первичной и вторичной обмоток. При ступенчатом регулировании обмотка, обычно вторичная, имеет ряд ответвлений с различным числом витков. Выводы ответвлений подведены к переключателю. Для плавного регулирования трансформатор может быть выполнен со скользящим контактом – щетками, перемещающимися по неизолированной контактной дорожке на поверхности проводников вторичной обмотки и подключающими к выходу различное число витков.

Трехфазные трансформаторы.
   Трехфазные трансформаторы мощностью в единицы и десятки кВ·А обычно выполняют с единой магнитной системой фаз; в этом случае конструкция магнитной системы напоминает конструкцию магнитной системы однофазного броневого трансформатора (см. рис. 1.1, б) с той лишь разницей, что здесь поперечное сечение всех трех стержней одинаковое (рис. 1.4, а). Большими буквами A, B, C обозначаются выводы обмотки высокого напряжения, малыми a, b, c - выводы низкого напряжения. Основные схемы соединения обмоток фаз - звезда и треугольник. При схеме звезд (Y) (рис. 1.4, б) концы обмоток x, y, z соединяются в общую нулевую точку, начала a, b и c подсоединяют к внешней цепи; при схеме треугольник (Δ) (рис. 1.4, в) поочередно соединяют начала и концы обмоток фаз. ГОСТом рекомендуются следующие схемы соединения обмоток: Y/Y₀, Y/Δ и Y₀/Δ ; для трансформаторов малой мощности допускаются также схемы Δ/Δ , Δ/Y и Δ/Y₀.Схема Y₀ означает соединение звездой с выведенной нулевой точкой. У трехфазных трансформаторов наряду с рекомендуемой схемой соединения обмоток указывается номер группы (от 0 до 12) трансформатора, соответствующий данной схеме. Группа характеризует сдвиг по фазе между первичным и вторичным линейными напряжениями трансформатора. Для параллельной работы должны подключаться трансформаторы, имеющие одинаковое выходное напряжение и принадлежащие к одной группе, чтобы не возникали уравнительные токи из-за разницы фаз выходных напряжений.

Рис.1.4

Трехфазные трансформаторы широко используются в качестве трансформаторов статических преобразователей, применяемых для питания электроприводов.

Импульсные трансформаторы.
   Импульсные трансформаторы применяют в радиоэлектронике и вычислительной технике для преобразования кратковременных сигналов с крутыми фронтами, в основном прямоугольных импульсов длительностью до долей микросекунды. Основное требование, предъявляемое к импульсным трансформаторам, заключается в минимальном искажении формы импульсов и снижении длительности фронтов импульсов. Искажение объясняется нелинейностью кривой намагничивания материала магнитопровода, наличием потоков рассеяния обмотки и увеличивающимся, по мере возрастания частоты импульсов, влиянием вихревых токов в магнитопроводе и паразитных межвитковых и межобмоточных емкостей. В частности, электромагнитная постоянная времени трансформатора, определяющая длительность фронтов импульса, тем больше, чем больше индуктивность рассеяния, паразитная емкость обмоток и вихревые токи. Уменьшение рассеяния в импульсных трансформаторах достигается использованием кольцевых магнитопроводов, уменьшение вихревых токов - использованием магнитопроводов из феррита или тонкой пермаллоевой ленты, уменьшение емкости - специальной схемой укладки проводов и металлическими экранами. Линейность намагничивания обеспечивается выбором соответствующего материала магнитопровода и малыми значениями индукции.
   Следует иметь в виду, что трансформация прямоугольных импульсов возможна только в том случае, если длительность импульсов t_и значительно меньше полной электромагнитной постоянной времени первичной обмотки. Это означает, что намагничивающий ток и магнитный поток за время tи не будут достигать установившегося значения. В противном случае в трансформаторе установится постоянный поток и выходная ЭДС будет равна нулю.

Рис.1.5

Принцип передачи прямоугольного импульса напряжения через трансформатор (рис. 1.5) рассмотрим, считая трансформатор идеальной индуктивностью с потоком Ф0, замыкающимся только по магнитопроводу. В этом случае u₁ ≈ -e₁ и, аналогично (1.4), проинтегрировав, при u₁=U₁=const получим закон изменения потока в пределах импульса:

Ф₀=∫(u₁/w₁)dt= U₁t/w₁    (1.11)

т.е. поток нарастает в пределах импульса по линейному закону. Подставив (1.11) в (1.1) для e₂, получим

e₂= - U₁w₂/w₁= - U₁/K_т (1.12)

т.е. функция e₂(t) представляет собой прямоугольный импульс. В действительности по указанным выше причинам закон изменения выходной ЭДС и напряжения отличается от прямоугольного (кривая e_2д).