|
ПРЕДИСЛОВИЕ.
Трансформатором в электротехнике называется аппарат, преобразующий электрическую энергию переменного тока в электрическую же энергию переменного тока. В этом аппарате нет непрерывно вращающихся частей. Поэтому трансформатор не является машиной в обычном смысле этого слова; но так как в трансформаторе все же имеет место преобразование энергии и притом это преобразование, как и в обычных электрических машинах, происходит при посредстве магнитного потока, то он весьма близко к ним подходит по явлениям, в нем происходящим. На этом основании курс трансформаторов составляет неотъемлемую часть общего курса электрических машин.
Трансформатор является необходимейшим элементом электрической установки переменного тока. Он облегчает передачу энергии на далекие расстояния, он же облегчает ее распределение между крупными и самыми мелкими приемниками. Благодаря применению трансформатора, позволяющего получать переменный ток при любом напряжении, облегчается производство электрических машин переменного тока, которые не могут работать при слишком высоких напряжениях, а также электрической аппаратуры и приемников электрической энергии. Только благодаря трансформатору переменный ток получил широчайшее распространение, отодвинув постоянный ток, не имеющий своего трансформатора, на второе и относительно весьма скромное место.
Трансформаторы, как и электрические машины, характеризуются, в основном, мощностью и напряжением. Диапазон мощностей и напряжений современных трансформаторов весьма широк. Имеются трансформаторы мощностью 0,5 VA, но имеются трансформаторы мощностью и в ЮООООкУАв одной единице. Точно так же существуют трансформаторы с напряжением 2 — 3 V, но существуют трансформаторы с напряжением 1 миллион вольт или 1000 kV. Последнее напряжение имеется у трансформаторов лабораторного типа. Наивысшие напряжения промышленных трансформаторов — 110 kV и 220 kV. Причины ограничения предельного напряжения промышленных трансформаторов кроются не в производстве трансформаторов, а в устройстве линий передачи и высоковольтной аппаратуры. Точно так же причины ограничения мощности трансформатора величиною 100000 kVA в одной единице лежат не в трансформаторе, а в условиях железно-дорожного транспорта. Размеры мощного трансформатора (свыше 100 000 kVA) при высоком напряжении получаются настолько значительными, что трансформатор с его баком и выводами (изоляторами) уже не вмещается в железнодорожный габарит даже при специально для него построенной тележке.
Рост мощности центральных электрических станций, а также проблема единой высоковольтной сети выдвигает мощное транс-форматоростроение и у нас, в СССР. В настоящее время электрозавод в Москве уже строит трансформаторы (однофазные) мощностью 20 000 kVA с напряжением 220110 kV. Ведется подготовка к производству мощных трансформаторов высокого напряжения с применением собственных, неимпортных, изоляционных материалов.
Настоящая книга имеет целью дать основные сведения об устройстве и работе трансформаторов однофазного и трехфазного тока. Она является одним из звеньев серии руководств по электрическим машинам, которые предназначаются для проработки учащимися в электротехнических ВТУЗах и техникумах — очных и заочных.
Инж. А. В. Трамбицкому, просмотревшему рукопись и сделавшему ряд указаний, приношу глубокую благодарность.
ГЛАВА ПЕРВАЯ.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВА ОДНОФАЗНЫХ И ТРЕХФАЗНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ. § 1. Работа однофазного трансформатора вхолостую.
Трансформаторами в электротехнике называют такие аппараты, в которых электрическая энергия переменного тока от одной неподвижной катушки из проводника передается другой неподвижной же катушке из проводника, не связанной с первой электрически.
Звеном, передающим энергию от одной катушки другой, является магнитный поток, сцепляющийся с обеими катушками и непрерывно меняющийся по величине и по направлению.
На рис. 1а изображен простейший трансформатор, состоящий из двух катушек I и , расположенных коаксиально одна над другой.
К катушке подводится переменный ток от генератора переменного тока Г; эта катушка называется первичной катушкой или первичной обмоткой. С катушкою II, называемой вторичной катушкой или вторичной обмоткой, соединяется цепь с приемниками электрической энергии.
Действие трансформатора заключается в следующем. При прохождении тока в первичной катушке ею создается магнитное поле, силовые линии которого пронизывают не только создавшую их катушку, но частично и вторичную катушку II. Примерная картина распределения силовых линий, создаваемых первичною катушкою, изображена на рис. lb. Как видно из рисунка, все силовые линии замыкаются вокруг проводников катушки I, но часть их (на рис. lb силовые линии 1, 2. 3, 4) замыкаются также вокруг проводников катушки II. Таким образом катушка II является магнитно связанной с катушкою при посредстве магнитных силовых линий. Степень магнитной связи катушек I и II, при коаксиальном расположении их, зависит от расстояния между ними: чем дальше катушки друг от друга, тем меньше магнитная связь между ними, ибо тем меньше силовых линий катушки сцепляется с катушкою II. Так как через катушку I проходит, как мы предполагаем, переменный ток, т. е. ток, меняющийся во времени по какому-то закону, например по закону синуса, то и магнитное поле, им создаваемое, также будет меняться во времени по тому же закону. Например, когда ток в катушке проходит через наибольшее значение, то и магнитный поток, им создаваемый, также проходит через наибольшее значение; когда ток в катушке проходит через нуль, меняя свое направление, то и магнитный поток проходит через нуль, также меняя Свое направление. В результате изменения тока в катушке 1 обе катушки и II пронизываются магнитным потоком, непрерывно меняющим свою величину и свое направление. Согласно основному закону электромагнитной индукции при всяком изменении пронизывающего катушку магнитного потока в катушке индуктируется переменная электродвижущая сила. В нашем случае в катушке индуктируется электродвижущая сила самоиндукции, а в катушке II индуктируется электродвижущая сила взаимоиндукции.
Если концы катушки II соединить с цепью приемников электрической энергии (см. рис. 1а), то в этой цепи появится ток; следовательно приемники получат электрическую энергию. В то же время к катушке от генератора направится энергия, почти равная энергии, отдаваемой в цепь катушкой II. Таким образом электрическая энергия от одной катушки будет передаваться в цепь второй катушки, совершенно не связанной с первой катушкой гальванически (металлически). Средством передачи энергии в этом случае является только переменный магнитный поток.
Изображенный на рис. 1а трансформатор весьма несовершенен, ибо между первичной катушкой и вторичной катушкой II магнитная связь невелика.
Магнитная связь двух обмоток, вообще говоря, оценивается отношением магнитного потока, сцепляющегося с обеими обмотками, к потоку, создаваемому одной катушкой.
Из рис. lb видно, что только часть силовых линий катушки замыкается вокруг катушки II. Другая часть силовых линий (на рис. lb — линии 6, 7, 8) замыкается только вокруг катушки I. Эти силовые линии в передаче электрической энергии от первой катушки ко второй совершенно не участвуют, они образуют так называемое поле рассеяния.
Для того чтобы увеличить магнитную связь между первичной и вторичной обмотками и одновременно уменьшить магнитное сопротивление для прохождения магнитного потока, обмотки технических трансформаторов располагают на совершенно замкнутых железных сердечниках.
Первым примером выполнения трансформаторов может служить схематически изображенный на рис. 2 однофазный трансформатор так называемого стержневого типа. У него первичные и вторичные катушки сг и с.2 расположены на железных стержнях а — а, соединенных с торцов железными же накладками b — Ъ, называемыми ярмами. Таким образом два стержня а, а и два ярма b, b образуют замкнутое железное кольцо, в котором и проходит магнитный поток, сцепляющийся с первичной и вторичной обмотками. Это железное кольцо называется сердечником трансформатора.
Вторым примером выполнения трансформаторов может служить схематически изображенный на рис. 3 однофазный трансформатор так называемого броневого типа.
У этого трансформатора первичные и вторичные обмотки с, состоящие каждая из ряда плоских катушек, расположены на сердечнике, образуемом двумя стержнями двух железных колец а и Ь. Кольца а и Ь, окружая обмотки, покрывают их почти целиком как бы бронею; поэтому описываемый трансформатор и называется броневым. Магнитный поток, проходящий внутри обмоток с, разбивается на две равные части, замыкающиеся каждое в своем железном кольце.
Применением железных замкнутых магнитных цепей у трансформаторов добиваются значительного снижения потока рассеяния. У таких трансформаторов потоки, сцепляющиеся с первичною и вторичною обмотками, почти равны друг другу. Предполагая, что первичная и вторичная обмотки пронизываются одним и тем же магнитным потоком, мы можем на основании общего закона индукции для мгновенных значений электродвижущих сил обмоток написать выражения: ...
т. е. индиктируемые в первичной, и вторичной катушках и II мгновенные электродвижущие силы относятся друг к другу так же, как числа витков катушек. Последнее заключение справедливо не только по отношению к мгновенным значениям электродвижущих сил, но и к их наибольшим и действующим значениям.
Электродвижущая сила, индуктируемая в первичной, катушке, будучи электродвижущей силой самоиндукции, почти целиком уравновешивает приложенное к той же катушке напряжение (см. далее). Если через Et и обозначить действующие значения электродвижущей силы первичной катушки и приложенного к ней напряжения, то можно написать:
E V,.
Электродвижущая сила, индуктируемая во вторичной катушке, равна в рассматриваемом случае напряжению на концах этой катушки. Если, аналогично предыдущему, через и 14 обозначить действующие значения электродвижущей силы вторичной катушки и напряжения на ее концах, то можно написать:
Е% V2.
Следовательно, приложив к одной катушке трансформатора некоторое напряжение, можно на концах другой катушки получить любое напряжение, стоит только взять подходящее отношение между числами витков этих катушек. В этом и заключается основное свойство трансформатора.
Отношение числа витков.первичней обмотки к числу витков вторичной обмотки называется коэфициентом трансформации трансформатора. Коэфициент трансформации мы будем обозначать в дальнейшем буквою и.
Следовательно можно написать: ...
отношение электродвижущих сил первичной и вторичной обмоток трансформатора равно коэфици-енту трансформации.
Трансформатор, у которого коэфициент трансформации меньше единицы,называется повышающим трансформатором, ибо у него напряжение вторичной обмотки, или так называемое вторичное напряжение, больше напряжения первичной обмотки, или так называемого первичного напряжения. Трансформатор, у которого коэфициент трансформации больше единицы, называется понижающим трансформатором, ибо у него вторичное напряжение меньше первичного.
Величины коэфициентов трансформации по ОСТу 4815 для трансформаторов разных мощностей см. в конце книги „Приложения".
§ 2. Работа однофазного трансформатора под нагрузкою.
При холостой работе трансформатора магнитный поток создается током первичной обмотки или, вернее, магнитодвижущей силой первичной обмотки, равной 0,4 ir0 щ, где 0 — ток в обмотке, a w1 — число ее витков. Так как магнитная цепь трансформатора выполняется из железа и потому имеет небольшое магнитное сопротивление, а число витков первичной обмотки берется обычно большим, то ток холостой работы трансформатора невелик; он составляет 5 — 10% нормального (см. далее).
Если замкнуть вторичную обмотку на какое-либо сопротивление, то с появлением тока во вторичной обмотке появится и магнитодвижущая сила этой обмотки.
Согласно закону Ленца магнитодвижущая сила вторичной обмотки действует против магнитодвижущей силы первичной обмотки.
Казалось бы, что магнитный поток в этом случае должен уменьшаться, но если к первичной обмотке подведено постоянное по величине напряжение, то уменьшения магнитного потока почти не произойдет. В самом деле, электродвижущая сила, индуктируемая в первичной обмотке, при нагрузке трансформатора пзчти равна приложенному напряжению (см. далее, § 23). Эта электродвижущая сила пропорциональна магнитному потоку. Следовательно, если первичное напряжение постоянно по величине, то и электродвижущая сила при нагрузке должна остаться почти той же, какой она была при холостой работе трансформатора. Это обстоя гельство имеет следствием почти полное постоянство магнитного потока при любой нагрузке.
Итак, при постоянном по величине первичном напряжении магнитный поток трансформатора почти не меняется с изменением нагрузки и может быть принят равным магнитному потоку при холостой
работе.
Магнитный поток трансформатора может сохранить свою величину при нагрузке лишь потому, что с появлением тока во вторичной обмотке увеличивается и ток в первичной обмотке и при том настолько, что разность магнитодвижущих сил или ампер-витков первичной и вторичной обмоток остается почти равной магнитодвижущей силе или ампервиткам при холостой работе. Таким образом появление во вторичной обмотке размагничивающей магнитодвижущей силы или ампервитков сопровождается автоматическим увеличением магнитодвижущей силы первичной обмотки.
Так как для создания магнитного потока трансформатора требуется, как было указано выше, небольшая магнитодвижущая сила, то можно сказать, что увеличение вторичной магнитодвижущей силы сопровождается почти таким же по величине увеличением первичной магнитодвижущей силы. Это значит, что если при каком-либо токе во вторичной обмотке 2 магнитодвижущая сила ее равна 0,4 я2 где w2 — число витков вторичной обмотки, то можно сказать, что с большим приближением она равна магнитодвижущей силе первичной обмотки 0,4где , — ток в первичной обмотке при токе 2 во вторичной обмотке, a wt — число витков первичной обмотки. ...
Последнее равенство дает третью характеристику трансформа тора, которую можно выразить словами так:
отдаваемая вторичной обмоткой трансформатора мощность в вольт-амперах, почти равна мощности, подводимой к первичной обмотке также в вольт-амперах.
Если пренебречь потерями энергии в меди обмоток и в железе сердечника трансформатора, то можно сказать, что вся мощность, подводимая к первичной обмотке трансформатора от источника энергии, передается вторичной обмотке его, причем передатчиком служит магнитный поток. В этом отношении трансформатор можно уподобить механической зубчатой передаче, почему коэфициент трансформации называется иногда передаточным числом.
§ 3. Принцип действия и устройства трехфазных трансформаторов.
Трехфазный ток можно трансформировать тремя совершенно отдельными однофазными трансформаторами (см. дальше). В этом случае обмотки всех трех фаз магнитно ще связаны друг с другом: каждая фаза имеет свою магнитную ..цепь. Но тот же трехфазный ток можно трансформировать и .одним трехфазным трансформатором, у которого обмотки всех трех фаз магнитно связаны между собою, так как имеют обжую магнитную цепь.
Чтобы уяснить себе принцип действия и устройства трехфазного трансформатора, представим себе три однофазных трансформатора, приставленных один к другому так, что три стержня их образуют один общий центральный стержень (рис. 4). На каждом из остальных трех стержней наложены первичные и вторичные обмотки (на рис. 4 вторичные обмотки не изображены).
Предположим, что первичные катушки всех стержней совершенно одинаковы и намотаны в одном направлении (на рис. 4 первичные катушки намотаны по часовой стрелке, если смотреть на них сверху). Соединим все верхние концы катушек в нейтраль О, а нижние концы катушек подведем к трем зажимам трехфазной сети. Токи в катушках создадут переменные во времени магнитные потоки, которые будут замыкаться каждый в своей магнитной цепи. В центральном составном стержне магнитные потоки сложатся и в сум,ме дадут нуль, ибо эти потоки создаются симметричными трехфазными токами, относительно которых мы знаем, что сумма мгновенных значений их равна нулю в любой момент времени. Например, если бы в катушке АХ ток , был наибольший и проходил в указанном на рис. 4 направлении, то магнитный поток был бы равен наибольшему своему значению Ф и был направлен в центральном составном стержне сверху вниз. В двух других катушках BY и CZтоки 9 и 3 в тот же момент времени равны половине наибольшего тока и имеют обратное направление по отношению к току в катушке АХ (таково свойство трехфазных токов). По этой причине в стержнях катушек BY и CZ магнитные потоки будут равны половине наибольшего потока и в центральном составном стержне будут иметь обратное направление по отношению к потоку катушки АХ. Сумма потоков в рассматриваемый момент равна нулю. То же самое имеет место и для любого другого момента. Отсутствие потока в центральном стержне не означает отсутствия потоков в остальных стержнях. Если бы мы уничтожили центральный стержень, а верхние и нижние ярма соединили в общие ярма (см. рис. 5), то поток катушки АХ нашел бы себе путь через сердечники катушек BY и CZ, причем магнитодвижущей щие силы этих катушек сложились бы с магнитодвижущей силой катушки АХ. В таком случае мы получили бы трехфазный трансформатор с общей магнитною цепью всех трех фаз.
Так как токи в катушках смещены по фазе на 3 периода, то и создаваемые ими магнитные потоки также смещены во времени на 73 периода, т. е. наибольшие значения магнитных потоков в стержнях катушек следуют друг за другом через 7з периода. Следствием сдвига по фазе магнитных потоков в сердечниках на 7з периода является такой же сдвиг по фазе и электродвижущих сил, индуктируемых как в первичных, так и во вторичных катушках, наложенных на стержнях.
Электродвижущие силы первичных катушек почти уравновешивают приложенное трехфазное напряжение. Электродвижущие силы вторичных катушек при правильном соединении концов катушек дают трехфазное вторичное напряжение, которое подается во вторичную цепь.
В отношении конструкции магнитной цепи трехфазные трансформаторы, как и однофазные, разделяются на стержневые и броневые. Стержневые трансформаторы
подразделяются на: а) трансформаторы с симметричной магнитной цепью и Ь) трансформаторы с несимметричной магнитной цепью. На рис. 6 схематически изображен стержневой трансформатор с симметричной магнитной цепью, а на рис. 7 изображен стержневой трансформатор с несимметричной магнитной цепью. Как видно из рисунков, оба трансформатора состоят из трех железных стержней 1, 2 и 3, схваченных сверху и снизу железными накладками-ярмами. На каждом стержне находятся первичная I и вторичная И катушки одной фазы.
У первого трансформатора стержни расположены по вершинам углов равностороннего треугольника; у второго трансформатора стержни расположены в одной плоскости.
Расположение стержней по вершинам углов равностороннего треугольника дает равные магнитные сопротивления для магнитных потоков всех трех фаз, так как пути прохождения этих потоков одинаковы. В самом деле, магнитные потоки трех фаз проходят каждый в отдельности через один вертикальный стержень полностью и через два других стержня но половине. На рис. 6 пунктиром изображены пути замыкания магнитного потока фазы стержня 2.
Легко видеть, что для потоков фаз стержней 1 и 3 пути замыкания их магнитных потоков совершенно одинаковы. Это значит, что у рассматриваемого трансформатора магнитные сопротивления для потоков равны между собою.
Расположение стержней в одной плоскости приводит к тому, что магнитное сопротивление для потока средней фазы
(на рис. 7 для фазы стержня 2) меньше, нежели для потоков крайних фаз (на рис. 7 — для фаз стержней 1 и 3). Действительно магнитные потоки крайних фаз проходят по несколько более длинным путям, чем поток средней фазы. Кроме того, поток крайних фаз, выйдя из своих стержней, проходит в одной половине ярма полностью, и только в другой половине (после ответвления в средний стержень) проходит его половина. Поток же средней фазы по выходе из вертикального стержня тотчас же разветвляется на две половины, и потому в обеих частях ярма проходит лишь половина потока средней фазы. Таким образом потоки коайних фаз насыщают ярмо в большей степени, чем поток средней фазы, а потому магнитное сопротивление для потоков крайних фаз больше, чем для потока средней фазы.
Следствием неравенства магнитных сопротивлений для потоков разных фаз тргхфазного трансформатора является неравенство токов холостой работы в отдельных фазах при одном и том же фазном напряжении.
Однако при небольшой насыщенности железа ярма и хорошей сборке железа стержней это неравенство токов незначительно. Так как конструкция трансформаторов с несимметричной магнитной цепью значительно проще, чем трансформатора с симметричной магнитной цепью, то первые трансформаторы и нашли себе преимущественное применение. Трансформаторы с симметричною магнитною цепью встречаются редко.
Рассматривая рис. 6 и 7 и предполагая, что во всех трех фазах проходят токи, легко видеть, что все фазы магнитно связаны друг с другом. Это значит, что магнитодвижущие силы отдельных фаз влияют друг на друга, чего мы не имеем, когда трехфазный ток трансформируется тремя однофазными трансформаторами.
Вторую группу трехфазных трансформаторов составляют броневые трансформаторы. Броневой трансформатор можно рассматривать как бы состоящим из трех однофазных броневых трасформаторов, приставленных один к другому своими ярмами.
На рис. 8 схематически изображен броневой трехфазный трансформатор с вертикально расположенным внутренним стержнем. Легко видеть из рисунка, что плоскостями АВ и CD он может быть разбит на три однофазных броневых трансформатора, магнитные потоки которых могут замыкаться каждый по своей магнитной цепи. Пути прохождения магнитных потоков на рис. 8 указаны пунктирными линиями. Как видно из рисунка, в средних вертикальных стержнях а, на которых наложены первичная I и вторичная II обмотки одной фазы, проходит полный поток, тогда как в ярмах b-b и боковых стенках проходит по половине потока. При одной и той же индукции сечения ярма и боковых стенок должны быть вдвое меньше сечения среднего стержня а.
Что касается магнитного потока в промежуточных частях с — с, то его величина, как мы увидим далее, зависит от способа включения средней фазы.
Броневые трансформаторы широко распространены в Америке. В Европе они встречаются значительно реже.
Главным преимуществом броневых трансформаторов перед стержневыми трансформаторами являются короткие пути замыкания магнитных потоков, а следовательно, небольшие токи холостой работы. К недостаткам броневых трансформаторов можно отнести, во-первых, малую доступность обмоток для ремонта, в виду того, что они окружены железом, и, во-вторых, худшие условия охлаждения обмотки — по той же причине. У стержневых трансформаторов обмотки почти целиком открыты и потому более доступны для осмотра и ремонта, а также и для охлаждающей среды.
§ 4. Вопросы для самопроверки.
1. Что представляет собою трансформатор?
2. На каком явлении основана работа трансформатора?
3. Из каких частей состоит трансформатор?
4. Как устроены стержневой и броневой трансформаторы?
5. Какова роль сердечника у трансформатора?
6. Что такое коэфициент трансформации?
7. Почему магнитный поток трансформатора остается почтй постоянным при постоянном напряжении?
8. Первичное напряжение И, = 100 V; число витков первичной обмотки wt = 100; сколько витков должна иметь вторичная обмотка при вторичном напряжении 2000 V? Чему равен вторичный ток, если первичный ток = 100 А?
9. Как устроен трехфазный трансформатор стержневой и броневой?
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
