Введение

     Трансформаторы - один из основных видов электротехнического оборудования. Благодаря им можно получать электрическую энергию, при наиболее удобном напряжении, передавать ее с минимальными потерями напряжения и использовать при напрядении, рассчитанном на любого возможного потребителя.
      Передача электрической энергии от места производства до потребителя требует создания многих повышающих и понижающих напряжение трансформаторов. В зависимости от параметров электроэнергии, необходимой тем или иным потребителям, трансформаторы изготавливают на различные мощности и напряжения. Существуют трансформаторы мощностью от нескольких вотльт-ампер до 1 200 000 кВ*А и более.
     Для транспортировки электроэнергии построены десятки и сотни тысяч километров высоковольтных линий электропередачи напряжением 110, 220, 330, 500, 700, 1150 и 1500 кВ.
     Для обеспечения этих линий элетропередачи, разработанны и освоены мощные трансформаторы и автотрансформаторы; создане крупные серии распределительных трансформаторов общего назначения различной мощности и назначения; специальные трансформаторы для электротермических преобразовательных и других установок; пусковые, передвижные, регулировочные, испытательные и другие специальные трансформаторы.

Основные параметры трансформаторов

     Генераторы электрического тока по техническим причинам, нельзя изготовлять на очеь большие напряжени, даже крупные из них имеют напряжения не более 24 кВ, а такое напряжение можно использовать только на малых расстояниях от электростанции.
     Чтобы передача электрической энергии(электроэнергии) на многие сотни и тысячи километров стали выгодной, необходимо значительно большее напряжение 500, 750 кВ и более. Для этой цели и служит трансформатор - электомагнитное устройство с двумя или более обмотками, предназначенное для преобразования с помощью элетромагнитной индукции переменного тока одного напряжения в переменный ток другого(или других) напряжений.
     Обмотка трансформатора, к которой подводиться энергия преобразуемого перемнного тока, называется первичной, а обмотка от которой отводится энергия преобразованного переменного тока - вторичной.Существут трансформаторы у которых помимо первичной и вторичной обмоток, существует третья обмотка с промежуточным напряжением.
     Обмотки трансформаторов, к которым подводится энергия преобразуемого или отводится энергия преобразованного переменного тока, нахывают основными, напрмер, первичная и вторичная обмотки трансформатора. Кроме основных, у трансформатора могут быть и другие обмотки, не связанные непосредственно с приемом или отдачей энергии преобразованного переменного тока, которые называют вспомогательными. Различают Различают основные обмотки трансформатора высшего(ВН), низшего(НН) и среднего (СН) напряжений.
     Обмотка ВН имеет наибольшее номинальное напаряжение по сравнению с другими основными обмотками трансформатора, Обмотка НН - наименьшее номинальное напряжение, а обмотка СН - номинальное напряжение, являющееся промежуточным между ВН и НН.
     Трансформатор у которого первичной обмоткой называется НН - называют повышающим. В конце линии передач, где начинаеться распределение энергии, устанавливают трансформаторы, снижающие напряжение линнии до напряжений, необходимых потребителю. Первичной в таких трансформаторах служит обмотка ВН, а трансформаторы называются понижающими. Таким образом, в зависимости от назначения повышать или понижать, напряжение первичной обмотки одного и того же трансформатора может быть обмотка НН или ВН.

Конструкция

     Магнитопровод трансформатора, для уменьшения потерь на вихревые токи собираеться на листовой электротехнической стали толщиной 0.35 или 0.5 мм. Сталь имеет сравнительно высокое содержание кремния - до 4%. Обычно применятся сталь 1511, 1512, 3411, 3412,. Магнитопровод однофазного трансформатора может быть стержневым или броневым. Стержневой магнитопровод может собираться из штампованных листов прямоугольной или Г-образной формы. Для уменьшения влияния зазоров, сборка листов магнитопровода проводится внахлестку. Первичная и вторичная цилиндрические обмотки трансформаторов значительной мощности, помещаются на двух стержнях магнитопровода, отдельно друг от друга, или на каждом магнитопроводе помещаются половинки первичной и вторичной обмоток, соединяемых последовательно.Первичная и втрочиная обмотки трансформаторов малой и средней мощности иногда состоят из ряда катушек ввиде дисков.
     В трансформаторах большой мощности сечения стержней стараются приблизить к кругу, так как из всех геометрических фигур, при данной площади, наименьший периметр, определяющий длину витков, имеет окружность. Трансформаторы выполняются с масляным охлаждением. Магнитопровод трансформатора с обмотками помещаются в специальном блоке, заливаемым минеральным трансформаторным маслом, которое одновременно является хорошим изодятором Для лучшего отвода тепла от масла, в крупных трансформаторах снаружи имеется радиатор, омываемые естественным или искусственным потоком воздуха. Кроме того, на мощных трансформаторах устанавливается выхлопная труба, также соединенная с основным баком трансформатора и сверху закрытая стеклянной мембраной толщиной 3-5 мм. При внутренних повреждениях обмоток трансформатора, в следствие испарения и разложения масла, образуются газы, котороые выдавливают мемьранну и выходят наружу. Выхлопная труба, предохраняет таким образом, основной бак от деформации. Маслянные трансформаторы, значительно более надежны в работе и имеют меньшие габариты по мравнению с сухимим тренсформаторами

Особенности магнитной системы

     Известно, что при питании первичной обмотки трансформатора от источнока с переменным напряжением, возникает магнитное поле. Если другие обмотки трансформатора разомкнуты, то магнитное поле создаеться магнитодвижущей силой (МДС - произведение тока в обмотке на число её витков) только первичной обмотки. Такой режимработы трансформатора называется режимом холостого хода (х. х).
     Интенсивность магнитного поля(магнитная индукция) зависит не только от тока и числа витков, го и от среды в которой расположена обмотка. Для ферромагнитных материалов, например сталь, магнитная проницаемость во много раз больше магнитной проницаемости воздуха, поэтому для усиления магнитного поля, созданного первичной обмоткой, ее помещают на магнитную систему, изготовленной из специальной электротехнической стали. Благодаря высокой магнитной проницаемости стали, индукция внутри магнитной системы оказывается во много раз больше, чем вне ее, и весь магнитный поток как бы собирается в стали.
     Магнитный поток в режиме холостого хода трансформатора называют основным, а ток в первичной обмотке, создающий в режиме холосого хода (при номинальных частоте и напряжении) основной магнитный поток - током холостого хода трансформатора.
     В режиме холостого хода первичная обмотка получает от сети не только намагничевающую(реактивную) мощность, которая вновь возвращается к источнику энергии, но и определенную активную мощность. Лишь незначительная часть активной мощности расходуется на электрические потери в первичной обмотке от тока холостого хода. Большую её часть составляют магнитные потери, возникающие в стали магнитной системы(магнитопровода).
     У тока холостого хода различают две составляющие: намагничивающую и активную. Намагничивающая, определяеся величиной основного магнитного потока, создающего в первичной обмотке электродвижущую силу (ЭДС), равную напряжению сети, активная - почти исключительно потерями активной мощности в магнитопроводе.
     Вследствие постоянного изменения значения и направления тока холостого хода, происходит непрерывное перемагничивание стали в магнитопроводе, которое сопровождается ее нагреванием, т.е. потерями энергии. Мощность этой жнергии, отнесенную к еденице массы стали, называют удельными потерями,являющимися одной из важнейших характеристик, электротехнической стали.
     Потери в магнитной системе трансформатора неизбежны и обусловлены природой намагничивания стали. Условно их разделяют на три вида: потери от гистерезиса (Рг), вихревых токов (Рв), и добавочные.
     Потери от гистерезиса - это потери на перемагничивание стали магнитопровода. Вихревые токи возникают в стали в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока, т.е. в плоскостях поперечного сечения магнитопровода(см. рис.). Потери от вихревых токов пропорциональны квадрату толщины и обратно пропорциональны удельному электрическому сопротивлению стали. Поэтому магитную систему собирают не из сплошных слитков, а из тонких изолированных друг от друга пластин стали(см. рис) во избежании увеличения контура для вихревых токов.
     Последняя составляющая потерь в магнитной системе - добавочные потери, оценивается примерно в 10-20% от суммы потерь, и объясняется намагиченностью стали, не учитываемой при расчетах вихревых токов.
     Другой важнейшей характеристикой стали является магнитная индукция, от значения которой зависят размеры и масса магнитной системы и обмоток трансформатора. Для их уменьшения стремяться повысить индукцию в магнитной системе, для чего применяют спецмальную электротехническую сталь с высокой магнитной проницаемостью. Ранее для силовых трансформаторов использовали в основном горячекатанную сталь, в последние годы ее успешно вытеснила холоднокатанная сталь с повышенной индукцией Bmax.
     Эта сталь очень чувствительна к механическим нагрузкам: изгибы и наклеп от резких ударов и других воздействий, повреждают изоляцию, ухудшают магнитную проницаемость, увеличивают потери и ток холостого хода трансформатора. Поэтому при изготовлении магнитных систем и сборке трансформаторов, необходимо избегать любых повреждений изоляции пластин (из-за увеличеия вихревых токов)и их механических нагрузок(из-за увеличения потерь гистерезиса и тока холостого хода); внимательно следить за точным расположением пластин относительно прокатки и строго контролировать их толщину, не допуская смещения пластин разных толщин и марок.

Конструкционные материалы

     К конструкционным относятся материалы, применяемы для изготовления сборочных едениц и деталей, несущих механические нагрузки и скрепляющих отдельные части трансформатора. Это черные(сталь, чугун) и цветные(латунь, бронза) металлы, пластмассы, бук и др. Черные и цыетные метраллы используются главным образом в виде листового, круглого, прямоугольного и шестигранного проката.
     Буковая древесина обладает хорошими изоляционными и механическими свойствами, поэтому применяется в трансформатора в качестве конструкционно-изоляционного материала. При использовании бук сушат и пропитывают трансформаторным маслом. Применяют его для отводов, переключателей и в качестве опорной изоляции обмоток и деталей крепления магнитной системы. Электрическая прочность бука на воздухе 5-6кВ/мм, а втрансформаторном масле - значительно меньше.
     Стеклянная бандажная лента ЛСБ-Т, состоящая из волокон стекла, пропитанных клеящим кремнийорганическим лаком, применяется в основном для стяжки стержней магнитных систем наложением бандажей. Ленту выпускают толщиной 0.2 мм и шириной 20 мм.
     Маслотепломорозостойкую резину использут для уплотнения крышек, фланцевых соединений, вводов, приводов переключателей и др мест разъема маслонаполненных трансформаторов. Наиболее распространена листовая и рулонная резина толщиной 6-12 мм и полосовая размерами 6х15,8х20, 12х30, 16х40 мм.Эта резина расчитана для работы при температурах от -55до +100С.
     К вспомогательным материалам относят припои, канифоль, магнезитовую замазку, сиоикагель, цеолиты и др.Сплавы металлов, которые служа для пайки и лужения металлических изделий называют - припоями, а соединение металлических изделий с помощью расплавленных припоев - пайкой. При пайке и лужении припоями применяют различные флюзы - вещества способные в расплавленном состоянии растворять имеющиеся на поверхности металлов оксиды.
     При изготовлении трансформаторов применяют медно-фосфористый самофлюсующий МФ3, серебряный ПСр15 и оловянистые ПОС40 и ПОС30 припои.
     Припой МФ3(96-97% меди и 4-3% фосфора) с температурой плавления 715-730С применяют для пайки и отводов.
     Припой ПСр15(80% меди, 15% серебра и 5% фосфора) с температурой плавления 810С применяют для пайки медных обмоточных прводов при намотке обмоток. Он отличается простотой пайки, высоким качеством спаев и большой механической прочностью; как припой МФ3 не требует при пайке флюса.
     В последние годы используют бессеребрянный припой ПМФОЦр-6-4-0,03 с температурой плавления 730-800С, не уступающий по основным характеристикам припою ПСр15. Присадка кремния(0.1-0,15%) придает припою высокую пластичность, текучесть, смачиваемость, обесцвечивающее высокое качество спая.
     Припой ПОС40(40% олова, 58-58,5% свинца и 2-1,5% сурьмы) с температурой плавления 235С применяют для пайки обмоточных проводов малого сечения.
     Припой ПОС30(30% олова, 68-68,5% свинца и 2-1,5% сурьмы) с температурой плавления 245С применяют для лужения отводов т ленточной меди.
     Канифоль, получаемую очисткой смолы(живицы) хвойных пород деревьев(с температурой плавления около 100С) применяют в качестве флюса при паянии и лужении оловянистыми припоями.
     Магнезитовую смазку применяют для вмазки фарфорового изолятора в металический фланецармированных вводов. Для приготовления одной порции замазки берут 130г магнезита, 70г фарфоровой муки и 165г хлористого магния. Последний получают растворением кристаллического магния(2 мас.ч. ) в горячей воде (1 мас. ч.).
     Силикагель - силикатный минерал в виде стекловидных и стекловидоматовых зерен, обладает большой пористостью и способностью задерживать влагу и мелчайшие смолообразующие вещества и применяется в трансформаторах в качестве адсорбирующего вещества: гранулированный крупнопористый КСМГ

Режим холостого хода

     Холостым ходом называется режим работы трансформатора с разомкнутой вторичной обмоткой. В этом случае в первичной обмотке трансформатора течет очень малый ток холостого хода; трансформатор потребляет небольшую мощность Рх.х, которая практически совпадает с мощностью, расходуемой на перемагничивание сердечника (это потери на гистерезис, называемые потерями в стали Рст):
      Рхх=Рст
     Оценим напряжение на зажимах первичной и вторичной обмоток. При подключении выводов первичной катушки к источнику переменного напряжения в ней возникает переменный ток. Если напряжение изменяется со временем по гармоническому закону с частотой w, то по гармоническому закону с этой же частотой происходят изменения силы тока I1в катушке и магнитного потока Ф1, создаваемого этим током:

    При изменениях магнитного потока в каждом витке провода первичной катушки возникает изменяющаяся по гармоническому закону ЭДС самоиндукции:

    где Em-амплитуда колебаний ЭДС в одном витке.Если число витков в первичной катушке w1, а ЭДС самоиндукции в одном витке е, то мгновенное значение ЭДС самоиндукции в первичной катушке равно:

    Вторичную катушку пронизывает тот же магнитный поток, который проходит через первичную катушку: Ф2=Ф1. При изменениях магнитного потока в каждом ее витке возникает ЭДС индукции, изменяющаяся по гармоническому закону. Если число витков провода во вторичной катушке w2, то мгновенное значение ЭДС в ней равно:

    Отношение ЭДС самоиндукции в первичной обмотке к ЭДС индукции во вторичной обмотке равно отношению числа витков:

    где k=w1/w2 есть коэффициент трансформации.     При K>1 трансформатор называется понижающим, при K<1 - повышающим. Для выяснения напряжения между первичным и вторичным напряжениями необходимо высказать следующие соображения.
    Во-первых, кроме основного магнитного потока Ф или просто магнитного потока трансформатора, который просто пронизывает все витки первичной и вторичной обмоток, ток первичной обмотки создает магнитный поток рассеяния Фр1. Поток рассеяния Фр1 в отличии от основного охватывает витки только первичной обмотки и располагается главным образом в немагнитной среде (воздушном пространстве или трансформаторном масле, окружающем обмотку). Этот поток создает в первичной обмотке ЭДС Eр1.
    Во-вторых, первичная обмотка обладает определенным активным сопротивлением. Поэтому, как вытекает из уравнения электрического состояния первичной цепи

      Значение напряжения U1 и ЭДС E1 не равны. ЭДС Е1 меньше напряжения U1 на значение падения напряжения, обусловленное ЭДС Ер1 и активным сопротивлением обмотки. Однако эта разность не велика, и если ею пренебречь, то можно допустить, что U1=E1. Напряжение на выводах вторичной обмотки при холостом ходе трансформатора U2=E2. Опыт холостого хода проводят для выяснения соответствия действительных значений тока холостого хода, потерь мощности в магнитопроводе и коэффициента трансформации расчетным данным. Этот опыт иногда проводят для выяснения указанных выше параметров трансформаторов, паспортные данные которых отсутствуют.

Режим нагрузки

    При работе трансформатора с нагрузкой в его вторичной обмотке действует ток I2. Ток вторичной обмотки участвует в создании основного магнитного потока Ф, а также создает поток рассеяния Фр2, расположенный в немагнитной среде, как Фр1, и наводящий в этой обмотке ЭДС Ер2.Напряжение U2, как вытекает из уравнения электрического состояния вторичной цепи

меньше Е2 на значение падения напряжения, обусловленное ЭДС Ер2 и активным сопротивлением обмотки. Однако эта разность не велика, и если ею можно пренебречь,то можно считать, что

    При этих условиях окажется справедливым выражение для напряжений на зажимах обмотки:

    Поэтому можно считать, что коэффициент трансформации трансформатора представляет собой отношение значений первичного напряжения к вторичному.Амплитуда колебаний силы тока в первичной катушке при нагрузке увеличивается. Действующее значение силы тока в первичной обмотке нагруженного трансформатора больше силы тока холостого хода:

    По закону сохранения энергии имеем:

    Здесь

    мощность, потребляемая во вторичной цепи;

    мощность, потребляемая из сети первичной обмоткой;

    «потери в меди», т.е. мощность потерь, связанная с нагреванием обмоток, активное сопротивление которых r1 и r2; наконец Pст – «потери в стали», т.е. потери на перемагничивание. КПД трансформатора:

    При нагрузках, близких к номинальной, КПД трансформаторов весьма высок (порядок 90-95%); сдвиги фаз близки к нулю. Напряжения на зажимах мало отличается от ЭДС, так как активные сопротивления обмоток сравнительно невелики.Трансформаторы для преобразования переменных токов больших мощностей обладают КПД, близким к 100%. Некоторое снижение КПД трансформатора обусловлено потерями энергии на нагревание проводов его обмоток и стального сердечника. Сердечник нагревается в результате его перемагничивания и токами Фуко. Для уменьшения токов Фуко сердечник трансформатора обычно изготавливают из тонких стальных листов, изолированных друг от друга.
    Соотношение между первичным и вторичным токами можно определить из равенства первичной и вторичной мощностей. Действительно, если пренебречь потерями активной мощности в обмотках и реактивной мощностью, обусловленной главным магнитным потоком и потоками рассеяния трансформатора, то