Файл: LEKTsIYa_9.doc

Лекція 9

Тема: «Призначення, типи, будова, принцип дії трансформатора. Структурно-логічна схема роботи трансформатора».

Мета: «Розглянути будову, типи, принцип дії та призначення трансформаторів, структурно - логічну схему трансформатора; навчитися розрізняти режими роботи трансформатора».

Література: Л1, ст.234..237; Л2, ст. 117..119, ст. 126.

Основні питання:

1. Однофазний трансформатор: призначення, типи, область застосування

2. Будова трансформатора

3. Принцип дії, структурно-логічна схема роботи трансформатора

4. Режим холостого ходу трансформатора.

1. Однофазний трансформатор: призначення, типи, область застосування.

Трансформатор являє собою статичний електромагнітний апарат із двома (або більше) обмотками, що мають між собою магнітний зв'язок, здійснюваний змінним магнітним полем, і слугуують для перетворення змінного струму однієї напруги в змінний струм іншої напруги при збереженні частоти струму незмінною.

Трансформатори застосовуються в основному для перетворення однофазного і трифазного струмів. Відповідно до цього розрізняють однофазні й трифазні трансформатори.

Вперше трансформатори набули технічного застосування в схемах зі свічами Яблочкова. П. Н. Яблочков розробив конструкцію однофазного трансформатора з розімкнутим сердечником і, проводячи досліди, виявив основні його властивості.

В системі електропередачі трансформатори являються необхідними елементами. Передача великої потужності на далекі відстані практично може бути здійснена тільки при відносно невеликому значенні струму а, отже, при високій напрузі.

На початку лінії електропередачі встановлюються трансформатори, що підвищують напругу змінного струму, який виробляється на електричних станціях.

Вкінці лінії електропередачі, встановлюють понижуючі трансформатори, тому що для розподілу енергії по заводах, фабриках, житлових будинках і колгоспах необхідні порівняно низькі напруги.

Вперше трифазна лінія електропередачі високої напруги (15000 В; з Лауфена на Неккарі до Франкфурта-на-Майне, довжина близько 175 км), що поклала початок широким роботам по електрифікації, була побудована за участю російського інженера М.О. Доливо-Добровольского. Ним же були розроблені конструкції трифазних трансформаторів, основні риси яких збереглися дотепер.

---

Насьогодні трансформатори досить широко застосовуються. Існує досить багато різноманітних типів трансформаторів, що розрізняються як по призначенню, так і по виконанню.

Основні типи трансформаторів:

• По кількості фаз: однофазні, трифазні;

• По значенню U₂: знижувальні, підвищувальні;

• По кількості обмоток: одно-, двох-, трьох- та багатообмоточні.

По призначенню:

• Силові або розподілю вальні (ЛЕП, енергосистеми);

• Силові спеціальні (зварювальні, пічні для плавки металів);

• Автотрансформатори (для зміни U₂ в незначних межах k≤1.5 в електромережах, лабораторіях, для пуску та керування АД);

• Вимірювальні (трансформатори струму Т.С. та трансформатори напруги Т.Н. для розширення меж вимірювальних приладів);

• Випрямлювальні (для тяглових підстанцій електротранспорту);

• Випробувальні (для випробування якості ізоляції);

• Радіо трансформатори (до 5 квт, радіотехнічні пристрої).

Змінний струм на шляху від електричної станції, де він створюється, до споживача звичайно доводиться трансформувати 3-4 рази. Звідси слідує, що потужність силових трансформаторів, необхідних для передачі і розподілу електроенергії, в 3-4 рази більше потужності встановлених на електричних станціях генераторів.

Кожен трансформатор забезпечується щитком, прикріпленим на видному місці, із зазначеними на ньому номінальними величинами. Останні характеризують режим роботи, для якого трансформатор призначений.

---

2. Будова трансформатора.

Рассмотрим устройство трансформатора:

Рис.1

Основні частини трансформатора - його сердечник і обмотки.

На замкнутому сердечнику (магнитопроводі) розташовані дві (або більше) котушки (обмотки). До однієї з обмоток підводить електрична енергія від джерела змінного струму. Ця обмотка називається первинною. Від іншої, вторинної обмотки із числом витків W2, енергія підводиться до приймача. Всі величини, що відносяться до цих обмоток (струми, напруги, потужності і т.п.) називаються відповідно первинними або вторинними. Магнитопровід слугує для посилення магнітного зв'язку між обмотками.

Сердечник для зменшення втрат від вихрових струмів збирається з листів спеціальної електротехнічної сталі з відносним змістом кремнію до 4-5%. Товщина стали береться 0,5 або 0,35 мм (ще більш тонкі листи застосовуються при підвищеній частоті струму). Листи перед зборкою сердечника покриваються з обох сторін лаком, що дає більш міцну і тонку ізоляцію між листами ніж папір, яким іноді оклеюються листи до нарізки їх на смуги.

Сердечник складається зі стержнів, на яких містяться обмотки, і ярм, які замикають стержні і не мають обмоток. Зборка листів (смуг) сердечника виконується, як правило, "внахлест". Таким чином вдається звести до мінімуму магнітні опори стиків між стержнями і ярмами.

На рис. 2-2 показано окремі шари листів, з яких складається сердечник однофазного трансформатора.

/

Рис. 2-2. Листи сердечника однофазного трансформатора при зборці їх «внахлест».

  Листи сердечника стягуються за допомогою накладок і шпильок, ізольованих від листів (рис. 2-3). Листи верхнього ярма остаточно закладаються і потім стягуються, після того як поміщені обмотки на стержнях сердечника (рис. 2-4).

Рис. 2-3 Ізоляція шпильки, що стягує листи сердечника.

Рис. 2-4. Зборка сердечника трифазного трансформатора.

---

 Різні форми перетину стержня представлені на рис. 2-6. Перетин по рис. 2-5,а застосовується лише для невеликих трансформаторів; перетини по рис 2-5,б і в застосовуються для трансформаторів середньої та великої потужності. При великій кількості щаблів перетину його периметр наближається до окружності, і, отже, при тому ж перетині стрижня зменшується середня довжина витка обмоток, що призводить до зменшення кількості обмотувальної міді, яка витрачається.

Рис. 2-5. Форма перетину стержнів.

По виконанню сердечника прийнято розрізняти два типи трансформаторів: стержньовий і броньовий. Стержньовий тип трансформатора (рис. 2-4) найбільш застосовується на практиці.

 Обмотки трансформаторів виконуються у вигляді циліндричних котушок із провідників круглого або прямокутного перетину, ізольованих бавовняною пряжею або спеціальним (кабельним) папером.

Залежно від номінальної напруги варто розрізняти обмотку нижчої напруги і обмотку вищої напруги. Обмотка нижчої напруги (НН) знаходиться ближче до стрижня, а обмотка вищої напруги (ВН) — зовні; вона охоплює обмотку нижчої напруги (рис. 2-6). При такому розташуванні обмоток зменшується витрата ізоляційних матеріалів, так як обмотка вищої напруги відносно стержня, буде мати власну ізоляцію і ізоляцію обмотки нижчої напруги. Обмотки, показані на рис. 2-6, називаються концентричними.

Рис. 2-6. Однофазний стержневий трансформатор з концентричними обмотками.

 Трансформатори виконуються з повітряним і масляним охолодженням. Перші називаються сухими, другі - масляними. У масляних трансформаторах сердечник разом з обмотками знаходяться в баці з маслом. Масляні трансформатори більш надійні в роботі. Масло охороняє ізоляцію обмоток від шкідливого впливу повітря, поліпшує умови охолодження обмоток і сердечника, так як має більшу теплопровідність, ніж повітря; крім того, внаслідок великої діелектричної міцності дозволяє скоротити ізоляційні відстані, тобто відстані від міді обмоток до сталі сердечника.

---

3. Принцип дії, структурно-логічна схема роботи трансформатора.

Розглянемо принцип роботи трансформатора.

В основі роботи трансформатора лежить закон електромагнітної індукції.

Під дією змінної напруги U₁, підведеної до первинної обмотки, в ній виникає струм I₁, а в сердечнику збуджується змінний магнітний потік Ф1. Більшу частину потоку Ф₀, яка замикається по магнітопроводу, і скріплену з обома обмотками трансформатора, називають основним магнітним потоком; невелику частину потоку, яка скріплена лише з однією первинною обмоткою, називають первинним потоком розсіяння Фр. Основний магнітний потік перетинає витки обох обмоток трансформатора та індуктує в них ЭРС:

В кожний момент часу відношення цих ЭРС пропорційно відношенню кількості витків обмоток:

Якщо коло вторинної обмотки замкнуте, то під дією ЭРС Е₂ виникає струм I₂.

При синусоїдальній зміні напруги живлення U₁ із частотою f потік у магнитопроводі Ф виявляється практично синусоїдальним. Діючі значення ЭРС в обмотках знайдемо по формулі:

Відношення цих ЭРС

прийнято називати коефіцієнтом трансформації. Приблизно можна прийняти, що ЭРС обмоток дорівнюють напругам на їхніх затискачах, тобто

Отримана рівність характеризує основне призначення трансформатора - перетворення однієї напруги в іншу, більшу або меншу.

Кола вищої і нижчої напруги електрично ізольовані одне від одного і зв'язані лише магнітним потоком, що замикається в сердечнику трансформатора. Перетворення електричної енергії в трансформаторі супроводжується досить малими втратами енергії: величина ККД при номінальному навантаженні змінюється в межах 0,96 - 0,996 залежно від потужності трансформатора. Цим пояснюється винятково велике поширення трансформаторів в сучасній техніці.

---