Общие сведения о трансформаторах.

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.
Трансформаторы получили очень широкое практическое применение при передаче электрической энергии на большие расстояния, для распределения энергии между ее приёмниками и в различных выпрямительных, сигнальных, усилительных и других устройствах.
При передаче электрической энергии от электростанций к ее потребителям большое значение имеет величина тока, проходящего по проводам. В зависимости от силы тока выбирают сечение проводов линии передачи энергии и, следовательно, определяют стоимость проводов, а также и потери энергии в них.

Если при одной и той же передаваемой мощности увеличить напряжение, то ток в той же мере уменьшится, а это позволит применять провода с меньшим поперечным сечением для устройства линии передачи электрической энергии и уменьшит расход цветных металлов, а также потери мощности в линии.
При неизменной передаваемой мощности поперечное сечение провода и потери мощности в линии обратно пропорциональны напряжению.

Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях синхронными генераторами при напряжении 11-18 кВ (в некоторых случаях при 30—35 кВ). Хотя это напряжение очень велико для непосредственного его использования потребителями, однако оно недостаточно для экономичной передачи электроэнергии на большие расстояния. Для увеличения напряжения применяют повышающие трансформаторы.

Приемники электрической энергии (лампы накаливания, электродвигатели и т. д.)
из соображений безопасности для лиц, пользующихся этими приемниками, рассчитываются на более низкое напряжение (до 380 В). Кроме того, высокое напряжение требует усиленной изоляции токопроводящих 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 трасформаторы.

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 значительно больше (в 7-8 раз) мощностей генераторов, вырабатывающих электроэнергию на электростанциях.

Трансформатор имеет две изолированные обмотки, помещенные на стальном магпитопроводе. 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 вторичное напряжение больше первичного, то трансформатор называется повышающим, если же вторичное напряжение меньше первичного, то понижающим.
Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий.

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 проходить переменный ток, который возбудит в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки трансформатора, индуктирует в этой обмотке эдс. Под действием этой эдс по вторичной обмотке и через приемник энергии будет протекать ток.

Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, передается из первичной цепи во вторичную, но при другом напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вторичную цепь.
Для улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками их помещают на стальном магнитопроводе.
Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопроводы трансформаторов собирают из тонких пластин (толщиной 0,5 и 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.
Холоднокатаная сталь имеет высокую магнитную проницаемость (больше чем горячекатаная) в направлении, совпадающем с направлением проката, тогда как перпендикулярно прокату 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 трансформаторах больших мощностей магнитопроводы собирают из полос стали. Холоднокатаную сталь разрезают так, чтобы направление магнитных линий в собранном магнитопроводе совпадало с направлением прокатки стали.

У горячекатаной стали (Э-42, Э-43 и др.) магнитная проницаемость одинакова во всех направлениях и при малых мощностях магнитопроводы собирают 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 (изо,а). Эти стержни соединены ярмом с двух сторон так, что магнитный поток замыкается по стали.

Магнитопровод броневого однофазного трансформатора (изо,б) имеет один стержень, на котором полностью помещены обмотки трансформатора. Стержень с двух сторон охватывается (бронируется) ярмом так, что обмотка частично защищена магнитопроводом от механических повреждений.

Магнитопроводы однофазных трансформаторов:

а - пластинчатый стержневой	б - пластинчатый броневой	в - ленточный стержневой	г - ленточный броневой
ленточный кольцевой		тороидальный

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

Трансформаторы большой мощности в настоящее время изготовляют исключительно стержневыми, а трансформаторы малой мощности часто делают броневыми.

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

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, масса обмоточного провода при заданной площади поперечного сечения магнитопровода.

Однако магнитопроводы круглого поперечного сечения не делают. Для изготовления магнитопровода круглого сечения надо было бы собрать его из большого числа стальных листов различной ширины.
Поэтому у трансформаторов большой мощности магнитопровод имеет ступенчатое поперечное сечение с числом ступеней не более 9 - 10. Число ступеней сечения сердечника определяется числом углов в одной четверти круга. На рисунке показано поперечное сечение трехступенчатого магнитопровода.

Для лучшего охлаждения в магнитопроводах и в обмотках мощных трансформаторов устраивают охлаждающие каналы в плоскостях, параллельных и перпендикулярных плоскости стальных листов.

В трансформаторах малой мощности поперечное сечение магнитопровода имеет прямоугольную форму и обмоткам придают форму прямоугольных катушек.
При малых токах радиальные механические усилия, возникающие при работе трансформатора и действующие на обмотки, будут малы, так что изготовление обмоток упрощается.

В паспорте трансформатора указывают его номинальную мощность S, номинальные напряжения U1 и U2 и токи I1 и I2 первичной и вторичной обмоток при полной (номинальной) нагрузке.

Номинальной мощностью трансформаторов называется полная мощность, отдаваемая его вторичной обмоткой при полной (номинальной) нагрузке.

Номинальная мощность выражается в единицах полной мощности, т. е. в вольт-амперах или киловольт-амперах. В ваттах и киловаттах измеряют активную мощность трансформатора, т. е. ту мощность, которая может быть преобразована из электрической в механическую, тепловую, химическую, световую и т. д.

Сечения проводов обмоток и всех частей машины или любого электрического аппарата определяются не активной составляющей тока или активной мощностью, а полным током, проходящим по проводнику, и, следовательно, полной мощностью.

Трансформаторы малой мощности имеют большую удельную поверхность охлаждения, и естественное воздушное охлаждение является для них вполне достаточным.
Трансформаторы большой мощности устраивают с масляным ох-лаждением, для чего помещают их в металлические баки, наполненные минеральным маслом.
Наиболее широко распространено естественное охлаждение стенок бака трансформатора. Для увеличения охлаждающей поверхности в стенки баков вваривают стальные трубы или радиаторы.
Масло в баке трансформатора в процессе эксплуатации соприкасается с окружающим воздухом и подвергается окислению, увлажнению и загрязнению, вследствие чего уменьшается его электрическая прочность.

Для обеспечения нормальной эксплуатации трансформатора необходимо контролировать температуру масла, заменять его новым, производить периодическую сушку и очистку.


Работа трансформатора под нагрузкой.

При холостом ходе трансформатора (нагрузки нет) вторичная обмотка его разомкнута и ток в этой обмотке не проходит. В первичной обмотке при этом проходит ток холостого хода I0, который много меньше тока этой обмотки при номинальной нагрузке трансформатора.
Намагничивающая сила холостого хода I01 возбуждает переменный магнитный поток, который замыкается по магнитопроводу и индуктирует в первичной и вторичной обмотках эдс, зависящие от числа витков этих обмоток 1 и 2, амплитуды магнитного потока Фm (Вб) и частоты его изменения f.

Действующие значения эдс первичной E1 и вторичной Е2 обмоток:
E1 = 4.441fФm и E2 = 4.442fФm

Так как при холостом ходе во вторичной обмотке тока нет, то напряжение на зажимах этой обмотки равно эдс, т. е. U2 = E2.

В первичной обмотке проходит небольшой ток холостого хода и напряжение этой обмотки незначительно отличается от эдс, т. е. U1 E1.
Отношение напряжений на зажимах первичной и вторичной обмоток трансформатора при холостом ходе (без нагрузки) называется коэффициентом трансформации и обозначается буквой n, т. е.

n = U1/U2 = E1/E2 = 1/2 и U1 = (1/2)U2 = nU2.

Таким образом, если в трансформаторе первичная и вторичная обмотки имеют различное число витков, то при включении первичной обмотки в сеть переменного тока с напряжением U1 на зажимах вторичной обмотки возникает напряжение U2, не равное напряжению U1.

Если вторичную обмотку трансформатора замкнуть на какой-либо приемник энергии (изо, а), то во вторичной цепи будет проходить ток I2, а в первичной обмотке - ток I1. Магнитодвидущие силы первичной и вторичной совместно возбудят в магнитопроводе результирующий магнитный поток.

Схема работы трансформатора (а) и его условное обозначение (б)

Пренебрегая падением напряжения в сопротивлении первичной обмотки трансформатора и потоком рассеяния, можно допустить при любой его нагрузке приближенное равенство абсолютных величин приложенного напряжения и уравновешивающей это напряжение эдс первичной обмотки, т. е. U1 = E1.
Поэтому при неизменном по величине приложенном напряжении U1 будет приблизительно неизменной эдс E1, индуктированная в первичной обмотке при любой нагрузке трансформатора.

Так как эдс E1 зависит от магнитного потока, то и магнитный поток в магнитопроводе трансформатора при любом изменении нагрузки будет приблизительно неизменным и равным магнитному потоку при холостом ходе Фm.
Следовательно, геометрическая сумма мдс первичной и вторичной обмоток трансформатора при нагрузке равна мдс холостого хода, т. е.
i11+i22=i01, откуда i11 = i01- i22 или i1 = i0 - i'2,
где I'2 =I2(2/1) = I2(1/n) - приведенный к первичной цепи ток вторичной обмотки.
Таким образом, при нагрузке трансформатора ток первичной обмотки возбуждает магнитный поток в магнитопроводе с неизменной амплитудой (составляющая I0) и уравновешивает размагничивающее действие тока вторичной обмотки (составляющая -I'2).

Ток I2, проходящий по вторичной обмотке при нагрузке трансформатора, создает свой магнитный поток, который согласно закону Ленца направлен встречно магнитному потоку в сердечнике и стремится его уменьшить; это бы вызвало уменьшение эдс Е1 и увеличение тока I1.
Чтобы результирующий магнитный поток в сердечнике остался неизменным, встречный магнитный поток вторичной обмотки должен быть уравновешен магнитным потоком первичной обмотки.
Следовательно, при увеличении тока вторичной обмотки I2 возрастает размагничивающий магнитный поток этой обмотки и одновременно увеличиваются как ток первичной обмотки I1, так и магнитный поток, создаваемый этим током.
Так как магнитный поток первичной обмотки уравновешивает размагничивающий поток вторичной обмотки, то результирующий магнитный поток в сердечнике оказывается неизменным.

В понижающем трансформаторе напряжение первичной обмотки U1 больше напряжения вторичной обмотки U2 в n раз и ток вторичной обмотки I2 больше тока первичной обмотки I1 также в n раз.

В повышающем трансформаторе имеет место обратное соотношение между напряжениями его обмоток и между токами в них.
Если, например, включить на полную нагрузку трансформатор, напряжения первичной и вторичной обмоток которого равны U1 = 220 В, U2 = 24 В, то при номинальном токе первичной обмотки I1 = 3A, ток во вторичной обмотке
I2 = 3 •(220/24) = 27,5 A.

Таким образом, в обмотке с более высоким напряжением ток меньше, чем в обмотке с более низким напряжением. Обмотка с более высоким напряжением имеет большее число витков и наматывается из провода с меньшим поперечным сечением, чем обмотка с более низким напряжением.

При работе трансформатора под нагрузкой в первичной и во вторичной его обмотках проходят токи, создающие потоки рассеяния Фs1 и Фs2.
Эти магнитные потоки сцеплены только с витками той обмотки, током которой они создаются, и всегда много меньше основного магнитного потока Фm, замыкающегося по магнитопроводу трансформатора (по стали), так как потоки рассеяния частично проходят в немагнитной среде.

Потоки рассеяния индуктируют в обмотках эдс рассеяния, которые в небольшой степени изменяют напряжение вторичной обмотки трансформатора при изменении его нагрузки.
Условное обозначение трансформатора показано на изо,б.
Чтобы не устанавливать отдельный трансформатор на каждое рабочее напряжение, целесообразно на одном трансформаторе иметь несколько вторичных обмоток с различным числом витков.
Такие трансформаторы, называемые многообмоточными, широко применяют в радиоприемниках, телевизорах, усилителях и другой аппаратуре, требующей для питания несколько переменных напряжений различной величины.
Соотношения числа витков обмоток определяются их напряжениями, т. е.
2/1= U2/U1; 3/1 = U3U1.

Ток в первичной обмотке равен суммарному току всех приведенных вторичных обмоток: I1 = I2U2/U1 + I3U3/U1 + ....

Изменение тока в любой вторичной обмотке вызывает соответствующее изменение тока первичной обмотки. При этом несколько изменяются напряжения всех вторичных обмоток трансформатора, т. е. напряжение любой вторичной обмотки зависит от тока как в этой обмотке, так и в любой другой вторичной обмотке трансформатора.