6. Трансформаторы

Трансформатор − статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования одного переменного напряжения в другое или несколько переменных напряжений другого уровня одинаковой частоты. Передача энергии от первичной обмотки, подключенной к сети питания, к вторичной обмотке осуществляется переменным магнитным потоком, созданным в стальном магнитопроводе. В высокочастотных трансформаторах магнитопровод может быть отсутствующим или изготовленным из ферромагнитных материалов.

Трансформатор обычно имеет две или больше обмотки, размещенных на магнитопроводе. Магнитопровод изготовляют из пластин электротехнической стали или из стальной ленты. Обмотки изготовляют из изолированных медного или алюминиевого (в трансформаторах большой мощности) провода.

Идеальный трансформатор имеет обмотки, которые не создают магнитные потоки рассеивания и не имеют омических сопротивлений, для идеального трансформатора коэффициент трансформации

Где U₁, U₂, І₁ и І₂ − действующие значения первичных и вторичных напряжений и токов обмоток трансформатора, а w₁ и w₂ − количество витков обмоток. С некоторыми приближенными свойствами идеального трансформатора можно считать присущими и трансформаторам реальным.

Номинальной мощностью трансформатора называют полную номинальную мощность .

Для анализа цепей с трансформаторами электромагнитная связь между первичной и вторичной обмотками заменяют связью электрической с условием, что мощности в обмотках трансформатора остаются неизменными. С этой целью заменяют реальную вторичную обмотку с количеством витков w₂ обмоткой, приведенной по количеству витков к первичной, то есть обмоткой с количеством витков . Такой трансформатор можно представить схемой замещения, показанной на рис.1, в которой: R₁ и R′₂ − омические сопротивления проводников первичной обмотки и, соответственно, проводников вторичной обмотки, приведенной по количеству витков к обмотке первичной; X₁ и Х′_{2 -}− индуктивные сопротивления рассеивания первичной обмотки и, соответственно, вторичной обмотки, приведенной по количеству витков к первичной; Х_μ или X₀ − индуктивное сопротивление первичной обмотки, обусловленная магнитным потоком в магнитопроводе; R_μ или R₀ − активное сопротивление, потери в котором соответствует потерям в стали магнитопровода трансформатора.

Рис.1. Схема замещения реального трансформатора.

Холостым ходом трансформатора называют режим, в котором ток в вторичной обмотке равняется нулю, то есть режим, при котором вторичная обмотка не соединена с нагрузкой. Опыт холостого хода выполняют при номинальном напряжении на первичной обмотке трансформатора. Обычно ток холостого хода . Поскольку R₀>>R₁, в опыте XX имеют место лишь потери в стали магнитопровода. Потерями в меди (то есть в обмотках трансформатора) можно пренебрегать. По данным измерений в опыте холостого хода определяют параметры схемы замещения R₀ и X₀ (или R_μ и Х_μ). Напряжение U₂₀, измеренное в опыте холостого хода трансформатора на выводах его вторичной обмотки, считают номинальным напряжением вторичной обмотки.

Режим короткого замыкания (КЗ) трансформатора возникает, если замкнуть между собою выводы его вторичной обмотки. Если напряжение U₁ при коротком замыкании имеет номинальное значение, то ток в первичной обмотке І_1k намного больше номинального тока , поэтому при проведении опыта короткого замыкания трансформатора напряжение U₁ уменьшают так, чтобы ток в обмотках трансформатора равнялся номинальному току. Такое напряжение называют напряжением короткого замыкания U_1k. Обычно . Активная мощность, измеренная в опыте короткого замыкания равняется потерям в обмотках трансформатора при протекании по ним номинальных токов. По данным измерений из опыта короткого замыкания определяют параметры схемы замещения R₁, R′₂, X₁; X′₂.

После подключения к вторичной обмотке сопротивления нагрузки Z_НВ напряжение на вторичной обмотке немного уменьшается вследствие появления падения напряжения на сопротивлениях обмоток трансформатора. Разность этих напряжений называют изменением напряжения трансформатора. Приняв за базовые единицы изменения напряжения трансформатора в относительных единицах можно определить по формуле

Здесь − коэффициент нагрузки трансформатора током, − угол сдвига фаз нагрузки.

При номинальном токе в обмотках потери в них равняются мощности Р_1к, измеренной в опыте КЗ. Так как , то при других токах потери в меди обмоток будут равняться . Потери в стали зависят от частоты сети питание и магнитной индукции в магнитопроводе трансформатора. Поэтому потери в стали есть неизменными и не зависят от нагрузки трансформатора током. Потери в стали равняются активной мощности трансформатора, измеренной в исследовании XX, .

Коэффициентом полезного действия (КПД) трансформатора называют отношения активной мощности, отданной трансформатором приемнику, к активной мощности, потребляемой трансформатором из сети. С учетом коэффициента мощности нагрузка и загрузка трансформатора током КПД трансформатора равняется

КПД имеет максимальное значение, если потери в меди трансформатора равняются потерям в стали, то есть когда . Обычно трансформаторы проектируют так, чтобы этот максимум наступал при β = 0,7. Тогда КПД трансформаторов средней и большой мощности находятся приблизительно в границах 0,95÷0,99, то есть потери в трансформаторах не превышают (1÷5)% от их номинальной мощности.

Трехфазный трансформатор может быть создан из трех однофазных трансформаторов с отдельными магнитопроводами. Такой трансформатор называют групповой. Наиболее распространенным среди трехфазных трансформаторов в системах электроснабжения является трансформатор с трехстержневым магнитопроводом. Обычно трехстержневой магнитопровод трансформатора вместе с намотанными на него обмотками размещают в герметично закрытом металлическом баке, заполненном трансформаторным маслом. Назначение трансформаторного масла − обеспечивать лучшее охлаждение обмоток трансформатора и одновременно предотвращать контакт изоляции обмоток с кислородом воздуха. Работа в масляной среде замедляет старение изоляции.

Электроснабжение приемников в электроэнергетике осуществляют обычно не от одного трансформатора большой мощности, а от группы параллельно включенных на общую нагрузку трансформаторов меньшей мощности. При включении трансформаторов на параллельную работу необходимо, чтобы трансформаторы имели одинаковые номинальные первичные и вторичные линейные напряжения, одинаковые группы соединений обмоток и одинаковые напряжения короткого замыкания.

Для уменьшения потерь стали и меди изготовляют трансформаторы, которые имеют лишь одну обмотку, часть витков которой используют как вторичную обмотку, − так называемые автотрансформаторы. Мощность в автотрансформаторах подается в вторичную обмотку частично электромагнитным путем, как у обычного трансформатора, а частично электрическим, благодаря прямой электрической связи первичной и вторичной обмоток. Гальваническая связь между обмотками является одновременно недостатком автотрансформаторов с точки зрения безопасности работы персонала, который их использует.

Измерительные трансформаторы тока и напряжения используют для расширения границ измерений приборов и повышения безопасности благодаря отделению цепей измерительных приборов от цепей высокого напряжения.

В электросварке широко используют специальные сварочные трансформаторы. Для обеспечения постоянного горения дуги и уменьшения перепадов тока при коротких замыканиях дугового промежутка сварочные трансформаторы должны иметь мягкую внешнюю характеристику (то есть характеристику с большим углом наклона к оси абсцисс). Поэтому они имеют в своем составе так или иначе конструктивно оформленный дроссель с регулированным воздушным зазоре, включенный последовательно с дуговым зазором. Изменением воздушного зазора можно регулировать индуктивное сопротивление обмотки дросселя и изменять наклон внешней характеристики сварочного трансформатора.