Принцип действия и устройство трансформатора

Приемники электрической энергии (лампы накаливания, элек­тродвигатели и т. д.) из соображений безопасности для лиц, поль­зующихся этими приемниками, рассчитываются на более низкое напряжение (ПО—380 в). Кроме того, высокое напряжение требует усиленной изоляции токоведущих частей, что делает конструкцию аппаратов и приборов очень сложной. Поэтому высокое напряже­ние, при котором передается энергия, не может непосредственно использоваться для питания приемников, вследствие чего к потре­бителям энергия подводится через понижающие  трансформаторы.

Таким образом, электрическая энергия при передаче от места ее производства к месту потребления трансформируется несколько раз (3—4 раза). Кроме того, понижающие трансформаторы в распре­делительных сетях включаются неодновременно и не всегда на пол­ную мощность, вследствие чего мощности установленных трансфор­маторов зачительно больше (в 7—8 раз) мощностей генераторов, вырабатывающих электроэнергию на электростанциях.

На рис.. 98 изображена принципиальная схема трансформатора; для ясности обмотки его помещены на разных стержнях стального сердечника. В действительности каждая обмотка располагается на

обоих стержнях так, что половины двух обмоток находятся на левом, а вторые половины — на правом стержнях сердечника. При таком размещении обмоток достигается лучшая магнитная связь между ними, вследствие чего уменьшаются потоки рассеяния, которые не участвуют в процессе трансформирования энергии.

Обмотка, включенная в сеть источника электрической энергии называется первичной; обмотка, от которой энергия подается к при­емнику,— вторичной.

Обычно напряжения первичной и вторичной обмоток неодинаковы.

Если первичное напряжение меньше вторичного, то трансформатор называется повышающим, если же первичное напряжение больше вторичного, то понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий.

§ 81. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРА

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.

Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника  переменного тока,  то по ней  будет протекать переменный ток I0 (ток холостого хода), который возбудит в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Магнитный поток, прони­зывая витки вторичной обмотки трансформатора, будет индуктиро­вать в этой обмотке э. д. с. Если вторичную обмотку замкнуть на какой-либо приемник энергии (на рис. 98 — лампа накаливания), то под действием индуктируемой э. д. с. Е2 по этой обмотке и через при­емник энергии будет протекать ток I2. Одновременно и в первичной обмотке появится нагрузочный ток I’, который в сумме с током хо­лостого хода I0 определит ток первичной обмотки I1. Таким обра­зом, электрическая энергия, трансформируясь, будет передаваться из первичной сети во вторичную, но при другом напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вторичную сеть.

Для улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками они помещаются на стальном магнитопроводе.

Для уменьшения  потерь  от  вихревых  токов  магнитопроводы трансформаторов собираются из тонких пластин  (толщиной 0,5 щ 0,35 мм) трансформаторной стали, покрытых изоляцией (жаростой­ким лаком).

Материалом магнитопровода является трансформаторная сталь Э-42; Э-43; Э-43А; Э-320; Э-330; Э-ЗЗОА и др.

В настоящее время осуществляется полный переход на сталь Э-ЗЗОА. Марки электротехнических сталей обозначают: буква Э — сталь электротехническая; первые цифры после буквы (1, 2, 3, 4) — степень легированности стали (1 — слаболегированная, 2 — среднелегированная, 3 — повышеннолегированная, 4 — высоколегиро­ванная) ; вторые цифры — гарантированные свойства стали (удель­ные потери в стали при частоте 50 гц: нормальные — 1; пониженные — 2 и низкие — 3); А — особо низкие удельные потери в стали, 0 — сталь холоднокатаная.

Холоднокатаная сталь имеет высокую магнитную проницаемость (больше, чем у горячекатаной) в направлении, совпадающем с на­правлением проката, тогда как поперек проката магнитная прони­цаемость относительно низкая. Поэтому магнитопроводы из холод­нокатаной стали делают так, чтобы магнитные линии замыкались

по направлению проката стали. Магнитопроводы трансформато­ров малой мощности изготовляют из ленты холоднокатаной стали.

В настоящее время ленточные разрезные магнитопроводы тран­сформаторов получают следую­щим образом: половину магнитопроводов изготовляют из полос холоднокатаной стали различной длины так, что полосы укладыва­ются в пакет ступенями. В спе­циальных формах пакеты на прес­се выгибаются в половины (верх­нюю и нижнюю) магнитопровода и отжигаются для снятия остаточ­ных механических напряжений. После пропитки в клеящем соста­ве (для склейки отдельных лис­тов) половины магнитопроводов подвергаются механической обра­ботке (для фрезеровки стыков) и направляются на сборку.

При  сборке  трансформатора обмотки устанавливают на магнитопроводе, и половины магнитопроводов (верхняя и нижняя) составляются и стягиваются, причем предварительно места стыков покрывают специальным клеящим составом.

В трансформаторах больших мощностей магнитопроводы соби­раются из полос стали. Холоднокатаную сталь разрезают так, что­бы направление магнитных линий в собранном магнитопроводе сов­падало с направлением прокатки стали. У горячекатаной стали маг­нитная проницаемость одинакова во всех направлениях и при ма­лых мощностях магнитопроводы собираются из пластин Ш или П-образной формы, которые штампуются из листовой стали.

В зависимости от формы магнитопровода и расположения обмо­ток на нем трансформаторы могут быть стержневыми и броневыми. Магнитопровод стержневого однофазного трансформатора имеет Два стержня, на которых помещены его обмотки (рис. 99,а). Эти стержни соединены ярмом с двух сторон так, что магнитный поток замыкается по стали. Магнитопровод броневого однофазного транс­форматора (рис. 99, б) имеет один стержень, на котором полностью помещены обмотки трансформатора. Стержень с двух сторон охватывается (бронируется) ярмом так, что обмотка частично защищена сердечником от механических повреждений.

Ленточные магнитопроводы из холоднокатаной стали подобны стержневым (рис. 99,в) или броневым (рис. 99,г).

Трансформаторы большой мощности в настоящее время изготовляют исключительно стержневыми, так как у них проще изоляция обмоток  высшего  напряжения  от  сердечника,  чем  в  броневых. В трансформаторах малой мощности напряжения обмоток малы, а поэтому изоляция их от сердечника значительно упрощается.

Трансформаторы малой мощности часто изготовляют с броневым магнитопроводом, который имеет только один комплект с двумя обмотками, тогда как у стержневого — два комплекта.

Магнитный поток в броневом магнитопроводе, выходя из стержня, разветвляется на две равные части так, что магнитный поток, замыкающийся через ярмо, вдвое меньше, чем в стержне, вследствие чего сечение ярма делают вдвое меньшим, чем сечение стержня. I

Часто выполняют  сердечники  трансформаторов с уширенным ярмом, в которых поперечное сечение ярма больше поперечного се­чения стержня. Это дает возможность уменьшить магнитную индукцию в ярме, снижает потери в стали и уменьшает потребление транс­форматорами реактивных намагничивающих токов из сети.

Для измерительных и лабораторных трансформаторов, а также при повышенной частоте применяют тороидальные (кольцеобразные) магнитопроводы, достоинством которых является относительна но малое магнитное сопротивление и почти полное отсутствие внеш­него потока рассеяния. При равномерном распределении обмоток по окружности тороида такие трансформаторы не чувствительны к внешним магнитным полям независимо от их направления. Торо­идальные магнитопроводы изготовляют из ленты холоднокатаной стали, а обмотки наматываются на специальном станке челночного типа.

Обмоткам трансформатора придают преимущественно форму цилиндрических (круглых) катушек, концентрически нанизываемых на стержень магнитопровода. При такой форме обмотки лучше про­тивостоят радиальным механическим усилиям, возникающим во вре­мя работы трансформатора. В некоторых случаях до ряду сообра­жений применяют катушки более сложной формы — прямоуголь­ные, овальные и др. При малых токах обмотки наматываются из медного или алюминиевого изолированного провода круглого попе­речного сечения. При больших токах применяют провод прямоуголь­ного поперечного сечения, наматываемый в одну или несколько параллелей.

. Расположение цилиндрических обмоток показано на рис. 100. Ближе к стержню магнитопровода располагается обмотка низшего напряжения НН, так как ее легче изолировать от магнитопровода, чем обмотку высшего напряжения ВН. Обмотку низшего напряже­ния изолируют от магнитопровода прокладками, рейками, шайбами и другими изоляционными  деталями  (чаще  из  электрокартона)-

Обмотку высшего напряжения изолируют от обмотки низшего на­пряжения.

При цилиндрических обмотках поперечному сечению магнитопро­вода желательно придать круглую форму, так как в этом случае в площади, охватываемой обмотками, не остается промежутков, не заполненных сталью. Чем меньше незаполненных промежутков, тем меньше длина витков обмоток, и, следовательно, вес обмоточного провода при заданной площади поперечного