Конструкция трансформатора

ТРАНСФОРМАТОРЫ

Трансформатор – это статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования напряжения переменного тока одной величины в напряжение другой величины без изменения частоты.

Наибольшее применение трансформаторы получили в электроэнергетике при передаче электроэнергии на расстояние.

Экономически выгодно при передаче электрической энергии на расстояние увеличить напряжение до десятков или даже сотен тысяч вольт. Для этого на электростанциях устанавливают повышающий трансформатор, а после передачи электроэнергии на расстояние устанавливают понижающий трансформатор.

,

т.к. - увеличив напряжение можно уменьшить ток, тогда потери при передаче уменьшатся.

Принцип действия

Рис. 1 – Принцип действия трансформатора

На стальном сердечнике расположены две катушки. Одна, с числом витков , соединенная с источником питания, называется первичной. Ко вторичной катушке (с числом витков ) подсоединена нагрузка.

На первичную обмотку нельзя подать любое напряжение. Это зависит от сечения сердечника, количества витков. Там, где много витков и провод тоньше – это обмотка высшего напряжения, а где провод толще – напряжение ниже.

Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток i₁, который в магнитопроводе создает переменный магнитный поток Ф.

Замыкаясь в магнитопроводе этот поток пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС.:

.

Как видно, Е пропорциональна числу витков в катушке.

Отношение этих ЭДС пропорционально отношению числа витков соответствующих катушек, и эта величина называется коэффициентом трансформации.

.

Число витков W₁ выбирается таким образом, чтобы ЭДС Е₁ была приблизительно равна приложенному напряжению U₁.

.

В этом случае ток I₁ при отсутствии нагрузки трансформатора будет минимальным, I₁ = I₀, потому что Е₁ будет направлена навстречу приложенному U и будет практически его компенсировать.

При подключении нагрузки к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС Е₂ в цепи этой обмотки будет течь ток I₂. этот ток создает свой магнитный поток Ф₂, направленный навстречу потоку Ф₁. уменьшение результирующего магнитного потока Ф приводит к уменьшению ЭДС Е₁ и соответственно к увеличению тока в первичной обмотке I₁.

.

Таким образом, с увеличением нагрузки автоматически увеличиваются оба тока I₁ и I₂.

Конструкция трансформатора

Магнитная система. В зависимости от конфигурации магнитной системы, трансформаторы подразделяют на стержневые (рис. 2, а), броневые (рис.2, б) и тороидальные (рис. 2, в).

Стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки (рис. 2; 2). Часть магнитопровода, на которой обмотки отсутствуют, называют ярмом (рис. 2; 1). Трансформаторы большой и средней мощности обычно выполняют стержневыми. Они имеют лучшие условия охлаждения и меньшую массу, чем броневые.

Рис. 2 – Конфигурации магнитных систем

Для уменьшения потерь от вихревых токов, магнитопроводы трансформаторов (рис. 2) собирают из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,28-0,5 мм при частоте 50 Гц.

Трансформаторы малой мощности и микротрансформаторы часто выполняют броневыми, так как они имеют более низкую стоимость по сравнению со стержневыми трансформаторами из-за меньшего числа катушек и упрощения сборки и изготовления. Применяют также и маломощные трансформаторы стержневого типа с одной или двумя катушками (рис. 2; 3). Преимущество тороидальных трансформаторов – отсутствие в магнитной системе (рис. 2; 4) воздушных зазоров, что значительно уменьшает магнитное сопротивление магнитопровода. В трансформаторах малой мощности магнитопровод собирают из штамповых пластин П-, Ш- и О- образной формы (рис. 3; а, б, в).

Широкое применение получили магнитопроводы, навитые из узкой ленты электротехнической стали или из специальных железоникелевых сплавов типа пермаллой. Их можно использовать для стержневых, броневых, тороидальных и трёхфазных трансформаторов (рис 3; г, д, е, ж).

Рис. 3 – Конструкции магнитопроводов

Монолитность конструкции ленточного магнитопровода обеспечивается путём применения клеющих лаков и эмалей.

Для трансформаторов, работающих при частоте 400 и 500 Гц, магнитопроводы выполняют из специальных сортов электротехнической стали с малыми удельными потерями при повышенной частоте, а также из железоникелевых сплавов типа пермаллой, которые имеют большие начальную и максимальную магнитные проницаемости и позволяют получить магнитные поля с большой индукцией при сравнительно слабой напряжённости. Толщина листов составляет 0.2; 0,15; 0.1 и 0.08 мм. При частотах более10-20 кГц магнитопроводы прессуют из порошковых материалов (магнитодиэлектриков и ферритов).

Обмотки. В современных трансформаторах первичную (рис. 4; 1) и вторичную (рис. 4; 3, 4, 5) обмотки стремятся расположить для лучшей магнитной связи как можно ближе одну к другой. При этом на каждом стержне магнитопровода (рис. 4; 2) размещают обе обмотки либо концентрически – одну поверх другой (рис. 4 а), либо в виде нескольких дисковых катушек, чередующиеся по высоте стержня (рис. 4 б). В первом случае обмотки называют концентрическими, во втором – чередующимися. В силовых трансформаторах обычно применяют концентрические обмотки, причём ближе к стержням располагают обмотку НН, требующей меньшей изоляции относительно остова трансформатора, а снаружи – обмотку ВН.

В трансформаторах малой мощности и микротрансформаторах используют однослойные и многослойные обмотки из круглого провода с эмалевой или хлопчатобумажной изоляцией, которые наматывают на гильзу или на каркас из электрокартона (рис. 4; а); между слоями проводов прокладывают изоляцию из кабельной бумаги или ткани.

Рис. 4 – Конструкция трансформатора

В микротрансформаторах часто выполняют из алюминиевой фольги толщиной 30-20 мкм. Изоляцией здесь служит окисная плёнка фольги, которая обладает достаточной теплоёмкостью, теплопроводностью и может выдерживать рабочее напряжение до 100 В.