Назначение и принцип работы трансформаторов

Раздел 2. Электромагнитные устройства, электрические аппараты и электрические

Л е к ц и я № 7

ТРАНСФОРМАТОРЫ

Цель занятия: Изучить назначение, устройство, принцип работы и основные параметры однофазных и трехфазных трансформаторов

Назначение и принцип работы трансформаторов

Передача электроэнергии на большие расстояния от электростанций осуществляется при высоком напряжении (до 500 кВ и более), чем обеспечиваются минимальные электрические потери в линиях электропередачи. Получить такое высокое напряжение в генераторе электростанции невозможно, поэтому электроэнергия после генератора подается на повышающий трансформатор, в котором напряжение увеличивается до требуемого значения. Например, для передачи электроэнергии мощностью 10⁶ кВт на расстояние 1000 км необходимо напряжение 500 кВ.

В местах распределения электроэнергии между потребителями устанавливаются понижающие трансформаторы, которые снижают напряжение до требуемого значения. И, наконец, в местах потребления электроэнергии напряжение еще раз понижают посредством трансформаторов до 380 или 220 В. Такое напряжение подается непосредственно потребителям – на рабочие места предприятий и в жилые помещения.

Кроме того, трансформаторы широко используются в различных электроустановках: нагревательных, сварочных, в блоках питания, устройствах автоматики и т.д.

Таким образом, в процессе передачи и распределения электроэнергии приходится неоднократно понижать и повышать напряжение. Этот процесс выполняется посредством электромагнитных устройств, называемых трансформаторами.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Трансформатором называют электротехническое устройство, которое служит для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения.

Простейшая схема магнитной системы однофазного трансформатора (рис.7.1) содержит магнитопровод 1, выполненный из ферромагнитного материала, первичную 2 и вторичную 3 обмотки. Первичная обмотка W₁ (обмотка высокого напряжения) подключается к источнику электроэнергии с напряжением U₁, а вторичная обмотка W₂ (обмотка низкого напряжения) с напряжением U₂ подключается к нагрузке Z_Н.

ЭТО ВАЖНО. Для уменьшения потерь магнитопровод, собирается из тонких листов электротехнической стали (0,35; 0,5 мм), которые изолируют друг от друга лаком.. Часть магнитопровода, на которой располагаются обмотки, называют стержнями. Части магнитопровода, замыкающие стержни, называют ярмом.

ПРИНЦИП РАБОТЫ трансформатора основан на явлении взаимной электромагнитной индукции. При подключении к первичной обмотке источника напряжения переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток i₁, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф (рис.7.1). Магнитный поток Ф, замыкаясь в магнитопроводе, индуцирует в первичной и вторичной обмотках W₁ и W₂ ЭДС Е₁ и Е₂ соответственно. При подключении нагрузки Z_Н к выводам вторичной обмотки под действием ЭДС Е₂ в цепи этой обмотки потечет ток i₂.

Таким образом, электроэнергия, трансформируясь, передается от первичной цепи во вторичную цепь.

В понижающих трансформаторах U₂ < U₁, а в повышающих наоборот U₂ > U₁.

Однофазные трансформаторы в зависимости от формы магнитопровода и расположения обмоток подразделяются на стержневые и броневые (рис.7.2). Сечение стержней у маломощных трансформаторов выполняется прямоугольным, а у мощных трансформаторов (как правило, более 5 кВт), для лучшего использования стали, - в виде ступенчатой фигуры, вписанной в окружность витков обмотки.

ЭТО ВАЖНО. С целью снижения потоков рассеяния первичную и вторичную обмотки трансформатора выполняют на одном стержне. При этом первичная обмотка располагается ближе к стержню, а вторичная обмотка наматывается поверх первичной. В мощных трансформаторах это способствует повышенной интенсивности охлаждения, так как по вторичной обмотке понижающего трансформатора течет больший ток.

Для трансформации трехфазного тока можно использовать три однофазных трансформатора, обмотки которых могут быть соединены по схеме звезды или треугольника. Однако на практике широкое применение нашли трехфазные трансформаторы с общим для всех трех фаз магнитопроводом (рис.7.3).

Зажимы трехфазного трансформатора обозначаются в порядке чередования фаз: на стороне высокого напряжения начало обмоток обозначается А, В, С, а их концы – X, Y, Z; на стороне низкого напряжения соответственно a, b, c и x, y, z.

Соединение обеих обмоток трехфазного трансформатора в звезду является самым простым и дешевым, поскольку каждая из обмоток и ее изоляция (при заземленной нейтрали) должны быть рассчитаны только на фазные напряжения и линейный ток. Соединение звезда – треугольник применяют для трансформаторов большой мощности в тех случаях, когда на стороне низкого напряжения не требуется нейтральный провод.