§ 82. Принцип дії і пристрій трансформатора
Дія трансформатора засновано на явищі електромагнітної індукції.
Якщо первинну обмотку трансформатора включити в мережу джерела змінного струму, то (при розімкнутої вторинної обмотці) по ній буде протікати змінний струм I0 (струм холостого ходу), який порушить в осерді трансформатора змінний магнітний потік. Магнітний потік, пронизуючи витки вторинної обмотки трансформатора, буде індукувати в цій обмотці е. д. з. Якщо вторинну обмотку замкнути на будь-якої приймач енергії (на рис. 101 - лампи розжарювання), то під дією индуктируемой е. д. з. E2 по цій обмотці і через приймач енергії буде протікати струм I2. Одночасно збільшиться струм первинної обмотки I1. Таким чином, електрична енергія, трансформуючись, буде передаватися з первинної мережі у вторинну, але при іншому напрузі, на яке розрахований приймач енергії, включений у вторинну мережу.
Для поліпшення магнітної зв'язку між первинною і вторинною обмотками вони поміщаються на сталевому муздрамтеатрі.
Для зменшення втрат від вихрових струмів магнітопроводи трансформаторів збираються з тонких пластин (товщиною 0,5 і 0,35 мм) трансформаторної сталі, покритих ізоляцією (жаростійким лаком). Трансформаторна сталь може бути як гарячекатаної, так і холоднокатаної.
Холоднокатаная сталь має високу магнітну проникність (більше, ніж у гарячекатаної) в напрямку, що збігається з напрямком прокату, тоді як поперек прокату магнітна проникність її відносно низька. Тому магнітопроводи з холоднокатаної сталі роблять так, щоб магнітні потоки замикалися у напрямку прокату сталі. Як матеріал для магнітопроводів трансформаторів малої потужності служить стрічка холоднокатаної сталі.
В даний час стрічкові розрізні магнітопроводи трансформаторів виготовляють наступним чином: половину магнитопроводов роблять зі смуг холоднокатаної сталі різної довжини так, що смуги укладаються в пакет ступенями. У спеціальних формах пакети на пресі вигинають (роблять верхню і нижню половини муздрамтеатру) і отжигают для зняття залишкових механічних напруг. Після просочення в клеїть складі (для склеювання окремих аркушів) половини магнитопроводов піддають механічній обробці (для фрезерування стиків) і направляють на складання.
При складанні трансформатора обмотки встановлюють на муздрамтеатрі і половини магнитопроводов (верхня і нижня) складають і стягують, причому попередньо місця стиків покривають спеціальним складом, що клеїть.
У трансформаторах великих потужностей магнітопроводи збирають з смуг стали. Холоднокатану сталь розрізають так, щоб напрямок магнітних ліній в зібраному муздрамтеатрі збігалося з напрямком прокатки стали. У гарячекатаної сталі магнітна проникність однакова у всіх напрямках і при малих потужностях магнітопроводи збираються з пластин Ш - або П - подібної форми, які штампуються з листової сталі.
Залежно від форми муздрамтеатру і розташування обмоток на ньому трансформатори можуть бути стрижневими і броньованими. Магнитопровод стрижневого однофазного трансформатора має два стержня, на яких поміщені його обмотки (рис. 102, а). Ці стрижні з'єднані ярмом з двох сторін так, що магнітний потік замикається через сталь. Магнитопровод броньового однофазного трансформатора (рис. 102, б) має один стрижень, на якому повністю розміщені обмотки трансформатора. Стрижень з двох сторін охоплюється (бронюється) ярмом так, що обмотка частково захищена сердечником від механічних пошкоджень.
Стрічкові магнітопроводи з холоднокатаної сталі, так само як і з гарячекатаної сталі, можуть бути стрижневими (рис. 102, в) або броньованими (рис. 102, г).
Трансформатори великої потужності в даний час виготовляють виключно стрижневими, так як у них простіше ізоляція обмоток вищої напруги від сердечника, ніж в броньових. У трансформаторах малої потужності напруги обмоток малі, а тому ізоляція їх від сердечника значно спрощується. Тому трансформатори малої потужності часто виготовляють з броньовим магнитопроводом, який має тільки один комплект з двома обмотками, тоді як у стрижневого - два комплекти.
Магнітний потік в броньовий магнітопроводі, виходячи з стрижня, розгалужується на дві рівні частини так, що магнітний потік, що замикається через ярмо, вдвічі менше, ніж в стрижні, внаслідок чого перетин ярма роблять удвічі меншим, ніж перетин стрижня.
Часто виконують сердечники трансформаторів з розширеним ярмом, в яких поперечний переріз ярма більше поперечного перерізу стержня. Це дає можливість зменшити магнітну індукцію в ярмі, знижує втрати в сталі і зменшує споживання трансформаторами реактивних намагнічують струмів з мережі.
Обмоток трансформатора надають переважно форму циліндричних (круглих) котушок, концентрично нанизуються на стрижень муздрамтеатру. Обмотки такої форми краще протистоять радіальним електродинамічним зусиль, які виникають при роботі трансформатора. У деяких випадках застосовують котушки більш складної форми - прямокутні, овальні та ін. При малих токах обмотки роблять з мідного або алюмінієвого ізольованого проводу круглого поперечного перерізу. При великих токах застосовують провід прямокутного поперечного перерізу, намотуваний в одну або кілька паралелей.
Розташування циліндричних обмоток показано на рис. 103. Ближче до стрижня муздрамтеатру поміщається обмотка нижчої напруги НН. так як її легше ізолювати від муздрамтеатру, ніж обмотку вищого напруги ВН. Обмотка нижчої напруги ізолюється від муздрамтеатру прокладками, рейками, шайбами з будь-якого ізоляційного матеріалу (частіше з електрокартону). Обмотка вищої напруги також ізолюється від обмотки нижчої напруги.
При циліндричних обмотках поперечному перерізі муздрамтеатру бажано було б надати круглу форму, так як в цьому випадку площа, що охоплюється обмотками, не мала б проміжків, не заповнених сталлю. Чим менше незаповнених проміжків, тим менше довжина витків обмоток і, отже, вага обмотувального дроту при заданій площі поперечного перерізу магнітопроводу. Однак магнітопроводи круглого поперечного перерізу не роблять. Для виготовлення муздрамтеатру круглого перетину треба його зібрати з сталевих листів різної ширини, що потребують великої кількості штампів. Тому в трансформаторах великої потужності муздрамтеатр має ступеневу поперечний переріз з числом ступенів не більше 9 - 10. Число ступенів перетину сердечника визначається числом кутів в одній чверті кола. На рис. 103 показано три ступені поперечного перерізу магнітопроводу.
Для кращого охолодження в магнитопроводах потужних трансформаторів влаштовують охолоджуючі канали в площинах, паралельних і перпендикулярних площині сталевих листів. Охолоджуючі канали влаштовують також і в обмотках.
У трансформаторах малої потужності поперечний переріз магнітопровода має прямокутну форму і обмоткам надають форму прямокутних котушок.
Лінії по переробці трансформаторів збираються встик або внахлестку. При складанні встик спочатку збирають всі частини муздрамтеатру окремо з окремих смуг або пластин і потім разом.
При такій збірці просто здійснюється монтаж і демонтаж трансформатора. Але при установці ярма його пластини не будуть точно збігатися з пластинами стрижня, в результаті чого в стиках пластини ярма і стержня виявляться замкнутими. Таке замикання пластин веде до збільшення вихрових струмів, які можуть викликати неприпустимо високий нагрів стали в місці стику. Нагрівання може стати настільки високим, що сталеві пластини сплаву в суцільну масу ( «пожежа» в стали) і трансформатор вийде з ладу. Тому в місці стику необхідно помістити ізоляційну прокладку, яка збільшить магнітний опір.
При складанні внахлестку сталеві пластини укладають так, щоб у лежать поруч смуг розрізи були в різних місцях, і муздрамтеатр збирається цілком. При такій збірці ускладнюється монтаж і демонтаж трансформатора, але значно зменшується магнітне опір, так як пластини можуть щільно прилягати одна до одної.
У паспорті трансформатора вказані його номінальні повна потужність S в вольт-амперах (ва) або в кіловольт-амперах (ква), напруги U1 і U2 в вольтах (в) або кіловольт (кВ) і струми I1 і I2 в амперах (а) первинної і вторинної обмоток при повній (номінальною) навантаженні.
Номінальною потужністю трансформатора називається повна потужність, що віддається його вторинної обмоткою при повній (номінальною) навантаженні. Номінальна потужність виражається в одиницях повної потужності, т. Е. В вольт-амперах або кіловольт-амперах.
У ватах і кіловатах вимірюється активна потужність трансформатора, т. Е. Потужність, яка може бути перетворена з електричної в механічну, теплову, хімічну, світлову і т. Д.
Перетини проводів обмоток і всіх частин машини або будь-якого електротехнічного апарату визначаються не активною складовою струму або активною потужністю, а повним струмом, що протікає по провіднику і, отже, повної потужністю.
Трансформатори малої потужності мають велику питому поверхню охолодження і природне повітряне охолодження є для них цілком достатнім.
Трансформатори великої потужності влаштовують з масляним охолодженням, для чого розміщують їх у металеві баки, наповнені мінеральним (нафтовим) маслом. Найбільш широко поширене природне охолодження стінок бака трансформатора.
Для збільшення охолоджуючої поверхні в стінки баків вваривают сталеві труби або радіатори.
Масло в баку трансформатора в процесі експлуатації стикається з навколишнім повітрям і піддається окисленню, зволоженню і забруднення, внаслідок чого зменшується його електрична міцність.
Для забезпечення нормальної експлуатації трансформаторів необхідно контролювати температуру масла, спостерігати за ним, проводити його періодичну сушку і очистку або заміну новим.
Зміна температури трансформатора призводить до зміни рівня масла. У зв'язку з цим баки трансформаторів забезпечуються розширниками.
Розширювач, що представляє собою циліндричну посудину з листової сталі, встановлюється над кришкою бака і з'єднується з ним патрубком. Обсяг розширювача складає 10% обсягу олії в баку. При змінах температури рівень масла змінюється тільки в розширнику. В результаті цього зменшується поверхню масла, що стикається з повітрям, і масло охороняється значною мірою від забруднення і зволоження.