§ 82. Принцип действия и устройство трансформатора

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.
Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника переменного тока, то (при разомкнутой вторичной обмотке) по ней будет протекать переменный ток I₀ (ток холостого хода), который возбудит в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки трансформатора, будет индуктировать в этой обмотке э. д. с. Если вторичную обмотку замкнуть на какой-либо приемник энергии (на рис. 101 — лампы накаливания), то под действием индуктируемой э. д. с. E₂ по этой обмотке и через приемник энергии будет протекать ток I₂. Одновременно увеличится ток первичной обмотки I₁. Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, будет передаваться из первичной сети во вторичную, но при другом напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вторичную сеть.

Для улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками они помещаются на стальном магнитопроводе.
Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопроводы трансформаторов собираются из тонких пластин (толщиной 0,5 и 0,35 мм) трансформаторной стали, покрытых изоляцией (жаростойким лаком). Трансформаторная сталь может быть как горячекатаной, так и холоднокатаной.
Холоднокатаная сталь имеет высокую магнитную проницаемость (больше, чем у горячекатаной) в направлении, совпадающем с направлением проката, тогда как поперек проката магнитная проницаемость ее относительно низкая. Поэтому магнитопроводы из холоднокатаной стали делают так, чтобы магнитные потоки замыкались по направлению проката стали. В качестве материала для магнитопроводов трансформаторов малой мощности служит лента холоднокатаной стали.
В настоящее время ленточные разрезные магнитопроводы трансформаторов изготовляют следующим образом: половину магнитопроводов делают из полос холоднокатаной стали различной длины так, что полосы укладываются в пакет ступенями. В специальных формах пакеты на прессе выгибают (делают верхнюю и нижнюю половины магнитопровода) и отжигают для снятия остаточных механических напряжений. После пропитки в клеящем составе (для склейки отдельных листов) половины магнитопроводов подвергают механической обработке (для фрезеровки стыков) и направляют на сборку.
При сборке трансформатора обмотки устанавливают на магнитопроводе и половины магнитопроводов (верхняя и нижняя) составляют и стягивают, причем предварительно места стыков покрывают специальным клеящим составом.
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 магнитная проницаемость одинакова во всех направлениях и при малых мощностях магнитопроводы собираются 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 (рис. 102, а). Эти стержни соединены ярмом с двух сторон так, что магнитный поток замыкается через сталь. Магнитопровод броневого однофазного трансформатора (рис. 102, б) имеет один стержень, на котором полностью размещены обмотки трансформатора. Стержень с двух сторон охватывается (бронируется) ярмом так, что обмотка частично защищена сердечником от механических повреждений.

Ленточные магнитопроводы из холоднокатаной стали, так же как и из горячекатаной стали, могут быть стержневыми (рис. 102, в) или броневыми (рис. 102, г).
Трансформаторы большой мощности в настоящее время изготовляют исключительно стержневыми, так как у них проще изоляция обмоток высшего напряжения от сердечника, чем в броневых. В трансформаторах малой мощности напряжения обмоток малы, а поэтому изоляция их от сердечника значительно упрощается. Поэтому трансформаторы малой мощности часто изготовляют с броневым магнитопроводом, который имеет только один комплект с двумя обмотками, тогда как у стержневого — два комплекта.
Магнитный поток в броневом магнитопроводе, выходя из стержня, разветвляется на две равные части так, что магнитный поток, замыкающийся через ярмо, вдвое меньше, чем в стержне, вследствие чего сечение ярма делают вдвое меньшим, чем сечение стержня.
Часто выполняют сердечники трансформаторов с уширенным ярмом, в которых поперечное сечение ярма больше поперечного сечения стержня. Это дает возможность уменьшить магнитную индукцию в ярме, снижает потери в стали и уменьшает потребление трансформаторами реактивных намагничивающих токов из сети.
Обмоткам трансформатора придают преимущественно форму цилиндрических (круглых) катушек, концентрически нанизываемых на стержень магнитопровода. Обмотки такой формы лучше противостоят радиальным электродинамическим усилиям, возникающим при работе трансформатора. В некоторых случаях применяют катушки более сложной формы — прямоугольные, овальные и др. При малых токах обмотки делают из медного или алюминиевого изолированного провода круглого поперечного сечения. При больших токах применяют провод прямоугольного поперечного сечения, наматываемый в одну или несколько параллелей.
Расположение цилиндрических обмоток показано на рис. 103. Ближе к стержню магнитопровода помещается обмотка низшего напряжения НН, так как ее легче изолировать от магнитопровода, чем обмотку высшего напряжения ВН. Обмотка низшего напряжения изолируется от магнитопровода прокладками, рейками, шайбами из какого-либо изоляционного материала (чаще из электрокартона). Обмотка высшего напряжения также изолируется от обмотки низшего напряжения.

При цилиндрических обмотках поперечному сечению магнитопровода желательно было бы придать круглую форму, так как в этом случае площадь, охватываемая обмотками, не имела бы промежутков, не заполненных сталью. Чем меньше незаполненных промежутков, тем меньше длина витков обмоток и, следовательно, вес обмоточного провода при заданной площади поперечного сечения магнитопровода. Однако магнитопроводы круглого поперечного сечения не делают. Для изготовления магнитопровода круглого сечения надо его собрать из стальных листов различной ширины, что потребует большого числа штампов. Поэтому в трансформаторах 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 рис. 103 показано три ступени поперечного сечения магнитопровода.
Для лучшего охлаждения в магнитопроводах мощных трансформаторов устраивают охлаждающие каналы в плоскостях, параллельных и перпендикулярных плоскости стальных листов. Охлаждающие каналы устраивают также и в обмотках.
В трансформаторах малой мощности поперечное сечение магнитопровода имеет прямоугольную форму и обмоткам придают форму прямоугольных катушек.
Магнитопроводы трансформаторов собираются встык или внахлестку. При сборке встык вначале собирают все части магнитопровода раздельно из отдельных полос или пластин и затем вместе.
При такой сборке просто осуществляется монтаж и демонтаж трансформатора. Но при установке ярма его пластины не будут точно совпадать с пластинами стержня, в результате чего в стыках пластины ярма и стержня окажутся замкнутыми. Такое замыкание пластин ведет к увеличению вихревых токов, которые могут вызвать недопустимо высокий нагрев стали в месте стыка. Нагрев может стать настолько высоким, что стальные пластины сплавятся в сплошную массу («пожар» в стали) и трансформатор выйдет из строя. Поэтому в месте стыка необходимо поместить изоляционную прокладку, увеличивающую магнитное сопротивление.
При сборке внахлестку стальные пластины укладывают так, чтобы у лежащих рядом полос разрезы были в различных местах, и магнитопровод собирается целиком. При такой сборке усложняется монтаж и демонтаж трансформатора, но значительно уменьшается магнитное сопротивление, так как пластины могут плотно прилегать одна к другой.
В паспорте трансформатора указаны его номинальные полная мощность S в вольт-амперах (ва) или в киловольт-амперах (ква), напряжения U₁ и U₂ в вольтах (в) или киловольтах (кв) и токи I₁ и I₂ в амперах (а) первичной и вторичной обмоток при полной (номинальной) нагрузке.
Номинальной мощностью трансформатора 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 измеряется активная мощность трансформатора, т. е. мощность, которая может быть преобразована из электрической в механическую, тепловую, химическую, световую и т. д.
Сечения проводов обмоток и всех частей машины или любого электротехнического аппарата определяются не активной составляющей тока или активной мощностью, а полным током, протекающим 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 охлаждением, для чего помещают их в металлические баки, наполненные минеральным (нефтяным) 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 трансформаторов необходимо контролировать температуру масла, наблюдать за ним, производить его периодическую сушку и очистку или замену новым.
Изменение температуры трансформатора приводит к изменению уровня масла. В связи с этим баки трансформаторов снабжаются расширителями.
Расширитель, представляющий собой цилиндрический сосуд из листовой стали, устанавливается над крышкой бака и соединяется с ним патрубком. Объем расширителя составляет 10% объема масла в баке. При изменениях температуры уровень масла изменяется только в расширителе. В результате этого уменьшается поверхность масла, соприкасающаяся с воздухом, и масло предохраняется в значительной мере от загрязнения и увлажнения.