Общие сведения о трансформаторах

ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Трехфазные трансформаторы изготовляют главным образом стержневыми.

Схема построения магнитопровода трехфазного стержневого трансформатора показана на рис. 102, а. Три одинаковых одно­фазных трансформатора выполнены так, что их первичные и вто­ричные обмотки размещены на одном стержне сердечника, а другой стержень магнитопровода каждого трансформатора не имеет обмотки. Если эти три трансформатора расположились так, что­бы стержни, не имеющие обмоток, находились рядом, то эти три стержня можно объединить в один 0 (рис. 102, б). Через объеди­ненный стержень 0 будут замыкаться магнитные потоки трех одно­фазных трансформаторов, которые равны по величине и сдвинуты по фазе на одну треть периода. Так как сумма трех равных по амплитуде и сдвинутых по фазе на 1/3 периода магнитных пото­ков равна нулю в любой момент времени (Фа + Фb + Фс=0), то в объединенном стержне магнитного потока нет и надобность в этом стержне отпадает. Таким образом, для магнитопровода достаточно иметь три стержня, которые по конструктивным соображениям рас­полагаются в одной плоскости (рис. 102, в).

На каждом стержне трехфазного трансформатора размещаются обмотки высшего и низшего напряжения одной фазы. Стержни соединяются между со­бой ярмом сверху и снизу. Легко видеть, что длина магнитных ли­лий потока среднего стержня меньше, чем крайних стержней, так лак магнитный поток среднего стержня встречает на своем пути меньшее магнитное сопротивление, чем магнитные потоки крайних стержней. Поэтому в фазе, обмотка которой помещена на среднем стержне, протекает меньший намагничивающий ток, чем в фазах, обмотки которых помещены на крайних стержнях.

Конструктивно обмотки трехфазных трансформаторов выполняются так же, как и однофазных.

Начала фаз обмоток высшего напряжения обозначаются за­главными буквами А, В и С; концы фаз обмоток высшего напря­жения — X, Y и Z.

Если обмотка высшего напряжения имеет выведенную нулевую точку, то этот зажим обозначается заглавной буквой О.

Зажимы обмоток низшего напряжения обозначаются строчны­ми буквами: а, в, с — начала фаз и х, у, z— концы фаз; о — вывод нулевой точки.

Обмотки трехфазных трансформаторов могут быть соединены звездой и треугольником.

При соединении обмоток звездой концы (или начала) всех трех фаз соединяются между собой, образуя нейтральную или нулевую точку, а свободные зажимы начал (или концов) трех фаз подклю­чаются к трем проводам сети источника (или приемника) электри­ческой энергии переменного тока.

При соединении обмоток в треугольник начало первой фазы со­единяется с концом второй, начало второй, фазы — с концом треть­ей, начало третьей фазы — с концом первой. Точки соединения на­чала одной фазы с концом другой подключаются к проводам трех­фазной сети переменного тока.

Соединение обмоток трехфазных трансформаторов звездой обозначается Y, а треугольником — ∆. Если обмотки соединены звездой и имеют выведенную нулевую точку, то такое соединение обозначается

Группы трехфазных трансформаторов обозначаются знаками

где знак над чертой показывает схему соединения обмоток высше­го напряжения, знак под чертой — схему соединения обмоток низ­шего напряжения, цифра-угол между векторами линейных э д с
обмоток высшего и низшего напряжения, выраженный числом уг­ловых единиц по 30°.

Так, первое обозначение группы показывает, что обмотки выс­шего и низшего напряжения соединены в звезду, причем обмотки низшего напряжения имеют выведенную нулевую точку, и угол между векторами линейных э. д. с., обмоток высшего и низшего напряжения равен 12х30° = 360°, или 0°.

Группы трехфазных трансформаторов зависят от схем соедине­ния обмоток, обозначения зажимов фаз обмоток высшего и низшего напряжения и от направления намоток. Если направление на­моток витков обмоток высшего и низшего напряжения одинаково, то э. д. с, индуктируемые в фазах обмоток высшего и низшего напряжения, совпадают по фазе; если же обмотки имеют встречное направление намотки, то э. д. с. фаз высшего и низшего напряжения находятся в противофазе.

В СССР стандартными группами являются следующие:

В стандартных схемах обмотки высшего напряжения соедине­ны звездой, так как при такой схеме фазное напряжение в раз меньше линейного, благодаря чему упрощается изоляция обмоток. Обмотки низшего напряжения чаще соединяются треугольником, гак как при таком соединении трансформатор менее чувствителен к несимметрии нагрузки фаз.

Обмотки низшего напряжения соединяются также по схеме звезда с нулем, так как при такой схеме можно в четырехпроводной сети получить два различных напряжения — линейное и фаз­ное (например, 327 и 220 в, 220 и 380 в и т. д.).

АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ

В конструктивном отношении автотрансформатор подобен трансформатору: на стальном магнитопроводе помещаются две обмотки, выполненные из проводников различного поперечного се­чения. Конец одной обмотки электрически соединяется с началом другой так, что две последовательно соединенные обмотки обра­зуют общую обмотку высшего напряжения. Обмоткой низшего напряжения, являющейся частью обмотки высшего напряжения, служит одна из двух обмоток автотрансформатора.

Таким образом, между обмотками высшего и низшего напряжения автотрансформато­ра имеется не только магнитная, но и электрическая связь.

Принципиальная схема понижающего автотрансформатора показана на рис. 105. Первичное напряжение подведено к зажи­мам А—X первичной обмотки с числом витков ω₁. Вторичной обмоткой является часть первичной а—х с числом витков ω₂.

При холостом ходе I_­2=0, пренебрегая падением напряжения в сопротивлениях первичной обмотки, можно записать уравнения равновесия э. д, с. для первичной и вторичной обмоток в следующем виде:

Отношение напряжения первичной и вторичной обмоток при холостом ходе называется коэффициентом трансформации авто­трансформатора, т. е.

Если вторичную обмотку автотрансформатора замкнуть на ка­кой-либо приемник энергии, то во вторичной цепи будет протекать ток I₂. Пренебрегая потерями энергии, мощность, потребляемую автотрансформатором из сети, можно принять равной мощности, отдаваемой во вторичную сеть, т. е.

откуда

Таким образом, основные соотношения трансформатора остаются без изменения в автотрансформаторах.

В общей части обмотки а — х, принадлежащей сети высшего и низшего напряжения, протекают токи I₁ и I₂, направленные встречно.

Если пренебречь током холостого хода, величина которого очень мала, то можно считать, что токи I₁ и I₂ сдвинуты по фазе на 180°, и сила тока I₁₂ в части обмотки а — х равна арифметической раз­ности сил токов вторичной и первичной сети, т. е.

В понижающем автотрансформаторе ток I₁₂ совпадает по на­правлению с током _I2, в повышающем — направлен противополож­но току I_2­.

Преимуществом автотрансформатора перед трансформатором той же полезной мощности является меньший расход активных материалов — обмоточного провода и стали, меньшие потери энер­гии, более высокий к. п. д., меньшее изменение напряжения при изменении нагрузки.

Вес провода обмоток автотрансформатора примерно в раз меньше веса провода обмоток трансформатора при одинаковых плотностях тока. Это объясняется тем, что у трансформатора на сердечнике имеются две обмотки — первичная с числом витков ω₁ поперечное сечение провода которой рассчитано на силу тока I₁ и и вторичная с числом витков ω₂, поперечное сечение провода кото­рой рассчитано на силу тока I2. У автотрансформатора также две обмотки, но одна из них (часть А—а) имеет число витков (ω₁— ω₂) из провода, поперечное сечение которого рассчитано на силу тока jh а другая (часть а — х) с числом витков w2 из провода, поперечное сечение которого рассчитано на разность сил токов I₂—I₁=I₁₂

Поперечное сечение и вес стали магнитопровода автотрансфор­матора также меньше сечения и веса стали магнитопровода транс­форматора. Это объясняется тем, что в трансформаторе энергия из первичной сети во вторичную передается магнитным путем в ре­зультате электромагнитной связи между обмотками. В автотранс­форматоре энергия из первичной сети во вторичную частично пере­дается путем электрического соединения первичной и вторичной сети, т. е. электрическим путем. Так как в процессе передачи этой энергии магнитный поток не участвует, у автотрансформатора электромагнитная мощность меньше, чем у трансформатора.

Полезная мощность автотрансформатора при активной нагруз­ке равна: P₂=U₂I₂.

Имея в виду, что I₂=I₁+I₁₂, получим:

где Рм — электромагнитная мощность автотрансформатора, опреде­ляющая необходимый магнитный поток, поперечное сечение и вес стали магнитопровода. Эта мощность является расчетной или га­баритной мощностью автотрансформатора.

Наряду с преимуществами автотрансформаторов перед транс­форматорами они имеют существенные недостатки: малое сопро­тивление короткого замыкания, что обусловливает большую крат­ность тока короткого замыкания; возможность попадания высшего напряжения в сеть низшего напряжения из-за электрической связи между этими сетями. Наличие электрической связи между сетью источника и приемника энергии делает невозможным применение автотрансформатора в том случае, когда приемник энергии имеет заземленный полюс (в выпрямительных устрой­ствах).

Достоинства автотрансформаторов будут выражены тем силь­нее, чем коэффициент трансформации ближе к единице. Поэтому автотрансформаторы применяют при небольших коэффициентах

трансформации (К=1—2).

В трехфазных сетях используют трехфазные автотрансформа­торы, обмотки которых обычно соединяются звездой.

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 для передачи электрической энергии на большие расстояния для распределения энергии между ее приемниками и в различных выпрямительных, сигнализационных, усилительных и других устрой­ствах.

При передаче электрической энергии от электростанций к ее потребителям большое значение имеет величина тока, протекающего по проводам. В зависимости от силы тока выбирается сечение прово­дов линии передачи энергии и, следовательно, определяется 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 уменьшит потери мощности в линии.

Поперечные сечения проводов и потери мощности в них опреде­ляются следующими выражениями:

так как

где q — поперечное сечение провода, мм2,

I — сила тока, а,

δ — плотность тока, а/мм2,

U — напряжение в линии электропередачи, в,

Р— передаваемая мощность, вт,

Рл — потери мощности в линии электропередачи, вт,

r— сопротивление провода, ом,

l — длина линии, м,

ρ—удельное сопротивление материала провода,

Таким образом, 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 (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.