Общие сведения. Трансформатор представляет собой статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного (синусоидального) тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.
Первые трансформаторы с разомкнутым магнитопроводом предложил в 1876 г. П. Н. Яблочков, который применял их для питания электрической «свечи». В 1885 г. венгерские ученые М. Дери, О. Блати, К. Циперновский разработали однофазные промышленные трансформаторы с замкнутым магнитопроводом. Трехфазные трансформаторы появились в 1889 – 1891 гг. ( М. О. Доливо-Добровольский, Н. Тесла ).
Трансформаторы широко применяются в разных областях электротехники, радиотехники, электроники, в устройствах измерения, автоматического управления и регулирования.
По особенностям конструкции и применению трансформаторы можно разделить на силовые, сварочные, измерительные и специальные. Наибольшее применение в народном хозяйстве получили силовые трансформаторы, которые являются необходимым элементом промышленной электрической сети (см. рис. 3.39).
Генераторы на электростанциях вырабатывают электрическую энергию при напряжении не более 24 кВ, так как при более высоких напряжениях возникают трудности создания достаточной изоляции в электрических машинах. Передача электрической энергии на большие расстояния при таких относительно низких напряжениях экономически невыгодна из-за больших потерь в линии. Действительно, при низких напряжениях U та же мощность (P=UIcos(
)) получается при большем токе, следовательно, увеличивается мощность потерь в проводах RI2, т. е. необходимо увеличивать сечение проводов.
Поэтому на электрических станциях устанавливаются силовые трансформаторы, повышающие напряжение до 110, 220, 500, 750 и до 1150 кВ. У потребителейнапряжение при помощи трансформаторов понижается несколькими ступенями: на районных подстанциях до 35 (10) кВ, на подстанциях предприятий до 10 (6) кВ и, наконец, на подстанциях цехов и жилых районов — до 380/220 В.
По числу фаз трансформаторы подразделяются на однофазные и трехфазные. Каждая фаза трансформатора имеет первичную обмотку (к ней энергия подводится от источника) и вторичную обмотку (с нее энергия поступает к потребителю). Вторичных обмоток у трансформатора может быть несколько — в этом случае трансформаторы называются многообмоточными. Таким образом, однофазные трансформаторы имеют как минимум две обмотки, трехфазные — шесть.
Методические указания. Изучение конструкции и основ теории трансформатора важно не только само по себе, но и является той базой, на основе которой изучаются асинхронные и синхронные машины.
В этой главе рассматриваются устройство и принцип действия трансформатора, намагничивание магнитопровода, векторные диаграммы и схемы замещения, уравнения электрического состояния, холостой ход и короткое замыкание, потери и КПД, специальные трансформаторы.
Для лучшего понимания теории работы трансформаторов необходимо повторить основные законы электротехники (Кирхгофа, электромагнитной индукции, полного тока), явления само- и взаимоиндукции.
При изучении теории важно понять физику процессов в нагруженном трансформаторе и, в частности, что при неизменном первичном напряжении магнитный поток трансформатора практически не зависит от нагрузки трансформатора, что МДС вторичной обмотки действует против МДС первичной обмотки, т. е. стремится размагнитить трансформатор, и что магнитный поток есть результат действия обеих этих МДС, что все изменения режима вторичной цепи вызывают изменения режима в первичной, что физика работы трансформатора описывается тремя уравнениями: электрического состояния первичной и вторичной цепей и МДС (2.5), (2.8), (2.9), что векторная диаграмма трансформатора (рис. 2.8), схема замещения (рис. 2.9) строятся на основе уравнений трансформатора. Для технически грамотной эксплуатации трансформаторов необходимо знать и использовать их номинальные данные, процентное изменение напряжения, внешние характеристики, группы соединений.
