Трансформаторы – наиболее
распространенные устройства в современной
электротехнике. Трансформаторы большой
мощности на напряжение до сотен киловольт
составляют основу систем передачи электроэнергии
от электростанций в линии электропередачи.
Эти трансформаторы повышают напряжение
переменного тока до значений, необходимых
для экономичной передачи электроэнергии
на значительные расстояния. В местах
распределения электроэнергии между потребителями
применяют трансформаторы, понижающие
напряжение до требуемых для потребителя
значений. Наряду с этим трансформаторы
являются элементами электроприводов,
нагревательных и других установок, где
они осуществляют преобразование напряжения
питающей сети до значений, необходимых
для работы электродвигателей, нагревательных
печей и других электроустройств.
Определение: Трансформатором
называют статическое электромагнитное
устройство, имеющее две (или более) индуктивно
связанные обмотки и предназначенное
для преобразования посредством явления
электромагнитной индукции одной (первичной)
системы переменного тока в другую (вторичную)
систему переменного тока.
Наибольшее применение в электротехнических
установках, а также в энергетических
системах передачи и распределения электроэнергии
имеют силовые трансформаторы, посредством
которых изменяют значения переменного
напряжения и тока. Трансформаторы разделяют
на силовые трансформаторы общего и специального
назначения. Силовые трансформаторы общего
назначения применяются на линиях передачи
и распределения электроэнергии, а также
в различных электроустройствах для получения
требуемого напряжения. Трансформаторы
специального назначения характеризуются
разнообразием рабочих свойств и конструктивного
использования. К этим трансформаторам
относятся печные и сварочные трансформаторы,
трансформаторы для устройств автоматики
(пик-трансформаторы, импульсные, умножители
частоты, стабилизаторы напряжения), испытательные
и измерительные трансформаторы и т. д.
Рассмотрим подробно некоторые из них.
Трехфазные трансформаторы
Трехфазные трансформаторы
рассчитаны на преобразование трехфазного
электрического тока и конструктивно
представляют собой стержневую конструкцию
из трех стержней с обмотками напряжения,
расположенных в одной плоскости и соединенных
между собой ярмом. Данное соединение
может выполняться по типу треугольника
или звезды.
В зависимости от конструкции
магнитопровода могут выпускаться броневые
и стержневые типытрансформаторов.
В свою очередь стержневые
устройства подразделяются на трансформаторы
с ассиметричной и симметричной цепью.
В первом случае стержни располагаются
в углах равностороннего треугольника,
а во втором – в единой плоскости. Наибольшее
распространение получили трансформаторы
с ассиметричной системой стержней, так
как их конструкция значительно проще
в исполнении. В дополнение хорошая сборка
стержней и малая насыщенность ярма позволяют
уравновесить существующее в данной системе
неравенство токов на холостом ходу в
одном фазовом напряжении.
Схема устройства трехфазного
трансформатора
Система трансформатора
броневого типа состоит из трех однофазных
устройств (групповой трансформатор),
соединенных между собой ярмами. Подобное
расположение позволяет получить короткий
путь замыкания потоков, что в свою очередь
ведет к невысоким токам холостой работы.
Однако броневые обмотки имеют худшие
условия для охлаждения и труднодоступны
при проведении ремонта. Основным преимуществом
группового трансформатора является возможность
экономичного устройства резерва для
повышения надежности работы. С этой целью
достаточно включить в схему один запасной однофазный трансформатор, который имеет меньший
вес и габаритные размеры по сравнению
с трехфазным устройством.
Повседневно трансформаторы
применяются в электросетях и в источниках
питания различных приборов.
Применение в электросетях
Поскольку потери на
нагревание провода пропорциональны квадрату
тока, проходящего через провод, при передаче
электроэнергии на большое расстояние
выгодно использовать очень большие напряжения
и небольшие токи. Из соображений безопасности
и для уменьшения массы изоляции в быту
желательно использовать не столь большие
напряжения. Поэтому для наиболее выгодной
транспортировки электроэнергии в электросети
многократно применяют трансформаторы:
сначала для повышения напряжения генераторов
на электростанциях перед транспортировкой
электроэнергии, а затем для понижения
напряжения линии электропередач до приемлемого
для потребителей уровня.
Поскольку в электрической
сети три фазы, для преобразования напряжения
применяют трёхфазные трансформаторы,
или группу из трёх однофазных трансформаторов,
соединённых в схему звезды или треугольника.
У трёхфазного трансформатора сердечник
для всех трёх фаз общий.
Несмотря на высокий
КПД трансформатора (для трансформаторов
большой мощности — свыше 99 %), в очень мощных
трансформаторах электросетей выделяется
большая мощность в виде тепла (например,
для типичной мощности блока электростанции
1 ГВт на трансформаторе может выделяться
мощность до нескольких мегаватт). Поэтому
трансформаторы электросетей используют
специальную систему охлаждения: трансформатор
помещается в баке, заполненном трансформаторным
маслом или специальной негорючей жидкостью.
Масло циркулирует под действием конвекции
или принудительно между баком и мощным
радиатором. Иногда масло охлаждают водой.
«Сухие» трансформаторы используют при
относительно малой мощности (до 16000 кВт).
Применение
в источниках электропитания
Для питания различных
электроприборов требуются самые разнообразные
напряжения. Блоки электропитания в устройствах,
которым необходимо несколько напряжений
различной величины содержат трансформаторы
с несколькими вторичными обмотками или
содержат в схеме дополнительные трансформаторы.
Например, в телевизоре с помощью трансформаторов
получают напряжения от 5 вольт (для питания
микросхем и транзисторов) до 30 киловольт
(для питания анода кинескопа).
В прошлом в основном
применялись трансформаторы, работающие
с частотой электросети, то есть 50-60 Гц.
В схемах питания современных
радиотехнических и электронных устройств
(например в блоках питания персональных
компьютеров) широко применяются высокочастотные
импульсные трансформаторы. В импульсных
блоках питания переменное напряжение
сети сперва выпрямляют, а затем преобразуют
при помощи инвертора в высокочастотные
импульсы. Система управления с помощью
широтно-импульсной модуляции (ШИМ) позволяет
стабилизировать напряжение. После чего
импульсы высокой частоты подаются на
импульсный трансформатор, на выходе с
которого, после выпрямления и фильтрации
получают стабильное постоянное напряжение.
В прошлом сетевой
трансформатор (на 50-60 Гц) был одной из
самых тяжёлых деталей многих приборов.
Дело в том, что линейные размеры трансформатора
определяются передаваемой им мощностью,
причём оказывается, что линейный размер
сетевого трансформатора примерно пропорционален
мощности в степени 1/4. Размер трансформатора
можно уменьшить, если увеличить частоту
переменного тока. Поэтому современные
импульсные блоки питания при одинаковой
мощности значительно легче.
Трансформаторы 50-60
Гц, несмотря на их недостатки, продолжают
использовать в схемах питания, в случая,
когда надо обеспечить минимальный уровень
высокочастотных помех, например в высококачественном
звуковоспроизведении.
Другие применения
трансформатора
Разделительные трансформаторы (трансформаторная
гальваническая развязка). Нейтральный
провод электросети может иметь контакт
с «землёй», поэтому при одновременном
касании человеком фазового провода (а
также корпуса прибора с плохой изоляцией)
и заземлённого предмета тело человека
замыкает электрическую цепь, что создаёт
угрозу поражения электрическим током.
Если же прибор включён в сеть через трансформатор,
касание прибора одной рукой вполне безопасно,
поскольку вторичная цепь трансформатора
никакого контакта с землёй не имеет.
Импульсные трансформаторы (ИТ). Основное
применение заключается в передаче прямоугольного
электрического импульса (максимально
крутой фронт и срез, относительно постоянная
амплитуда). Он служит для трансформации
кратковременных видеоимпульсов напряжения,
обычно периодически повторяющихся с
высокой скважностью. В большинстве случаев
основное требование, предъявляемое к
ИТ, заключается в неискажённой передаче
формы трансформируемых импульсов напряжения;
при воздействии на вход ИТ напряжения
той или иной формы на выходе желательно
получить импульс напряжения той же самой
формы, но, быть может, иной амплитуды или
другой полярности.
Измерительные трансформаторы. Применяют
для измерения очень больших или очень
маленьких переменных напряжений и токов
в цепях РЗиА.
Измерительный трансформатор постоянного
тока. На самом деле представляет собой
магнитный усилитель, при помощи постоянного
тока малой мощности управляющий мощным
переменным током. При использовании выпрямителя
ток выхода будет постоянным и зависеть
от величины входного сигнала.
Измерительно-силовые трансформаторы.
Имеют широкое применение в схемах генераторов
переменного тока малой и средней мощности
(до мегаватта), например, в дизель-генераторах.
Такой трансформатор представляет собой
измерительный трансформатор тока с первичной
обмоткой, включённой последовательно
с нагрузкой генератора. Со вторичной
обмотки снимается переменное напряжение,
которое после выпрямителя подаётся на
обмотку подмагничивания ротора. (Если
генератор — трёхфазный, обязательно применяется
и трёхфазный трансформатор). Таким образом,
достигается стабилизация выходного напряжения
генератора — чем больше нагрузка, тем
сильнее ток подмагничивания, и наоборот.
Согласующие трансформаторы. Из законов
преобразования напряжения и тока для
первичной и вторичной обмотки (I1=I2w2/w1,U1=U2w1/w2) видно,
что со стороны цепи первичной обмотки
всякое сопротивление во вторичной обмотке
выглядит в (w1/w2)² раз больше.
Поэтому согласующие трансформаторы применяются
для подключения низкоомной нагрузки
к каскадам электронных устройств, имеющим
высокое входное или выходное сопротивление.
Например, высоким выходным сопротивлением
может обладать выходной каскад усилителя
звуковой частоты, особенно, если он собран
на лампах, в то время как динамики имеют
очень низкое сопротивление. Согласующие
трансформаторы также исключительно полезны
в высокочастотных линиях, где различие
сопротивления линии и нагрузки привело
бы к отражению сигнала от концов линии,
и, следовательно, к большим потерям.
Фазоинвертирующие трансформаторы. Трансформатор
передаёт только переменную компоненту
сигнала, поэтому даже если все постоянные
напряжения в цепи имеют один знак относительно
общего провода, сигнал на выходе вторичной
обмотки трансформатора будет содержать
как положительную, так и отрицательную
полуволны, причём, если центр вторичной
обмотки трансформатора подключить к
общему проводу, то напряжение на двух
крайних выводах этой обмотки будет иметь
противоположную фазу. До появления широко
доступных транзисторов с npn типом проводимости
фазоинвертирующие трансформаторы применялись
в двухтактных выходных каскадах усилителей,
для подачи противоположных по полярности
сигналов на базы двух транзисторов каскада.
К тому же, из-за отсутствия «ламп с противоположным
зарядом электрона», фазоинвертирующий
трансформатор необходим в ламповых усилителях
с двухтактным выходным каскадом.
Потери в трансформаторах
Степень потерь (и снижения КПД) в трансформаторе
зависит, главным образом, от качества,
конструкции и материала «трансформаторного
железа» (электротехническая сталь). Потери
в стали состоят в основном из потерь на
нагрев сердечника, на гистерезис и вихревые
токи. Потери в трансформаторе, где «железо»
монолитное, значительно больше, чем в
трансформаторе, где оно составлено из
многих секций (так как в этом случае уменьшается
количество вихревых токов). На практике
монолитные сердечники не применяются.
Для снижения потерь в магнитопроводе
трансформатора магнитопровод может изготавливаться
из специальных сортов трансформаторной
стали с добавлением кремния, который
повышает удельное сопротивление железа
электрическому току, а сами пластины
лакируются для изоляции друг от друга.
Режим работы трансформаторов
1. Режим холостого
хода. Данный режим характеризуется
разомкнутой вторичной цепью
трансформатора, вследствие чего
ток в ней не течёт. С помощью
опыта холостого хода можно
определить КПД трансформатора,
коэффициент трансформации, а также
потери в стали.
2. Нагрузочный режим.
Этот режим характеризуется замкнутой
на нагрузке вторичной цепи
трансформатора. Данный режим является
основным рабочим для трансформатора.
3. Режим короткого
замыкания. Этот режим получается
в результате замыкания вторичной
цепи накоротко. С его помощью
можно определить потери полезной
мощности на нагрев проводов
в цепи трансформатора. Это учитывается
в схеме замещения реального
трансформатора при помощи активного
сопротивления.
Габаритная
мощность
Габаритная мощность
трансформатора описывается следующей
формулой:
Pгаб=(P1 + P2)/2=(U1I1 + U2I2)/2
Однако, это конечный
результат. Или академическое определение.
Изначально габаритная мощность, как следует
из названия, определяется габаритами
сердечника и материалом, его магнитными
и частотными свойствами.
КПД трансформатора
КПД трансформатора
находится по следующей формуле:
где
P0 — потери холостого
хода (кВт) при номинальном напряжении
PL — нагрузочные потери
(кВт) при номинальном токе
P2 — активная мощность
(кВт), подаваемая на нагрузку
n — относительная степень
нагружения (при номинальном токе n=1).
Недостатки группового трансформатора:
1) занимает большую площадь;
2) большая стоимость;
3) меньше КПД.
Преимущества:
1) резерв достаточен на
1/3 установленной мощности;
2) транспортный габарит
меньше чем у трехстержневого
трансформатора.
Групповой трансформатор используется
на большие мощности на тепловых станциях.
Трехстержневые трансформаторы
используется в распределительных сетях
на предприятиях.