9.2. Принцип работы и устройство трансформатора

В трансформаторе передача электрической энергии из первичной обмотки во вторичную осуществляется, как и во всех электрических машинах, посредством магнитного потока Ф, который является переменным, т.е. изменяющимся во времени. В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции Фарадея, в соответствии с которым значение электродвижущей силы (ЭДС), наведённой в контуре, пропорционально скорости изменения потока Ф, пронизывающего этот контур. Если в контуре имеется несколько последовательно соединённых витков w, то наведённая в катушке ЭДС будет в w раз больше.
Принцип работы трансформатора рассмотрим на примере простейшего однофазного двухобмоточного трансформатора, электромагнитная система которого представлена на рис. 9.1.
Трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода 3,4,5 и двух обмоток 1,2 с числами витков w₁ и w₂.
Обмотку трансформатора, к которой подводится электрическая энергия (напряжение u₁ ), называют первичной, а обмотку , с помощью которой энергия отводится (напряжение u₂ ) - вторичной.
Обмотки выполняются из медных или алюминиевых изолированных проводов круглого или прямоугольного сечения.
Магнитопровод служит для усиления магнитной связи между обмотками и является конструктивным основанием (остовом) для установки и крепления обмоток и других деталей трансформатора (рис. 9.2).


Магнитопровод набирают из изолированных листов специальной электротехнической стали с относительным содержанием кремния до 5 %. Толщину листов выбирают из условий получения приемлемого уровня потерь от индуктированных в них вихревых токов при заданной частоте питающего трансформатор источника переменного тока и технологических условий при производстве магнитопровода. При частоте 50 Гц в современных силовых трансформаторах толщина листов равна 0,27 - 0,35 мм.
Часть магнитопровода, на которой располагается обмотка, называют стержнем, а часть магнитопровода, замыкающая стержни, на которых не располагаются обмотки, называется ярмом.
Если первичную обмотку трансформатора при разомкнутой вторичной, включить в сеть переменного тока с напряжением u1, то по ней потечёт ток i₁ = i₀, называемый током холостого хода. Обусловленная током i₀ магнитодвижущая сила (МДС) первичной обмотки i₀w₁ создаёт в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток Ф, который почти полностью, за исключением некоторого рассеяния, сцеплён со всеми витками первичной и вторичной обмоток. Магнитный поток Ф в соответствии с законом электромагнитной индукции наведёт в первичной обмотке ЭДС самоиндукции e₁, значение которой пропорционально числу витков w₁, а во вторичной обмотке - ЭДС e₂, пропорциональную числу витков w₂.
Отношение индуктированных в первичной и вторичной обмотках ЭДС, равное отношению чисел витков этих обмоток, называется коэффициентом трансформации

I₁/I₂=w₂/w₁ Для силовых трансформаторов установлены стандартные обозначения (маркировка) начал и концов (выводов) обмоток.
В однофазном трансформаторе начало и конец обмотки высшего напряжения (ВН) обозначается соответственно прописными буквами и , а обмотки низшего напряжения (НН) - строчными латинскими буквами a и x . При наличии третьей обмотки с промежуточным (средним) напряжением (СН) начало и конец обмотки обозначают соответственно a_m и X_m .
В трёхфазном трансформаторе начала и концы обмоток ВН обозначаются соответственно A, B , C и X,Y ,Z и т.д.
В трёхфазных трансформаторах обмотки могут быть соединены по схемам «звезда», «треугольник» или «зигзаг», которые соответственно обозначают русскими буквами У и Д и латинской Z . При выводе от нейтрали (общей точки обмоток фаз) у схемы «звезда» или «зигзаг» отвода (ответвления) его обозначают 0, добавляя к буквенным обозначениям схем соединения обмоток индекс «н» (Ун).
Схемы соединения трёхфазного трансформатора обозначаются в виде дроби, в числителе которой ставят обозначение схемы соединения обмотки ВН, а в знаменателе - НН, например, для трансформатора с обмоткой ВН, соединённой в звезду с выведенной нейтралью, а НН - по схеме треугольник обозначение имеет вид Ун / Д.
При обслуживании трансформаторов кроме схем соединения необходимо знать взаимное направление ЭДС в обмотках ВН и НН. Если две обмотки 1 и 2 размещены на одном и том же стержне и пронизываются одним и тем же потоком , то при одинаковом направлении намотки и обозначении выводов (концов) наведённые ЭДС одинаково направлены (от концов к началам) и, следовательно, совпадают по фазе (рис.9.3).

На рис. 9.3, а сдвиг между ЭДС Е1 и Е2 обмоток АХ и ах равен нулю, поэтому группа соединений обмоток обозначается как I/I-0, где «I» говорит об однофазном варианте трансформатора, при этом ЭДС высшего напряжения Е1 ассоциируется с минутной стрелкой часов и условно направляется на циферблате часов на цифру 12. Часовая стрелка часов представляет собой ЭДС низшего напряжения Е2 и обозначает группу соединения.
Фазовый сдвиг между фазными ЭДС обмоток ВН и НН зависит как от обозначения выводов, так и от направления намотки. При размещении обмоток на одном стержне этот сдвиг может быть равным либо 0, либо 180°.
На рис. 9.3, б, в при изменении обозначений концов обмотки НН (рис. 9.3, б) или изменении направления намотки обмотки НН (рис. 9.3, в) ЭДС Е2 поворачивается на угол 180°, что даёт группу соединений I/I-6.
Для характеристики сдвига фаз трёхфазных ЭДС обмоток ВН и НН введено понятие группы соединения обмоток трансформатора.
Группа соединения обозначается целым числом, которое получено от деления на 30° угла сдвига между линейными ЭДС на одноимённых выводах обмоток ВН и НН трансформатора, причём отсчёт угла производится от вектора ЭДС обмотки ВН по направлению движения часовой стрелки.
В трёхфазных трансформаторах схемы соединения У, Д, Z могут образовывать 12 различных групп со сдвигом фаз линейных ЭДС через 30°.
На рис. 9.4 для примера приведены схема соединения обмоток У/У и соответствующая векторная диаграмма для нулевой группы, которая обозначается У/У-0 (рис. 9.4, а), а также векторная диаграмма для одиннадцатой группы при соединении обмоток У/Д (обозначение У/Д-11) (рис. 9.4, б).

При этом ЭДС высшего напряжения Е1 ассоциируется с минутной стрелкой часов и условно направляется на циферблате часов на цифру 12. Часовая стрелка часов представляет собой ЭДС низшего напряжения Е2 и обозначает группу соединения.
Из всех возможных групп соединения трёхфазных двухобмоточных трансформаторов стандартизировано только две группы: 0 и 11 - с выводом в случае необходимости нулевой точки «звезды» или «зигзага», а для однофазных трансформаторов - только с соединением I/I-0.
Для трансформации трёхфазного тока и напряжения применяют или три однофазных трансформатора (рис. 9.5, а), или один трёхфазный трансформатор (рис. 9.5, б), в котором общий для трёх фаз магнитопровод может быть образован из трёх однофазных.

Три однофазных трансформатора расположить, как показано на рис. 9.6, а, то стержни магнитопроводов, на которых не размещены обмотки, можно конструктивно объединить в один. Учитывая, что в симметричной трёхфазной системе сумма фазных токов
, а, следовательно, и сумма потоков равна нулю, то надобность в объединённом стержне отпадает. Полученный таким образом магнитопровод (рис. 9.6, б) является пространственным трёхфазным. В реальных конструкциях используют магнитопровод, называемый плоским стержневым трёхфазным; он образуется, если у пространственного магнитопровода убрать ярма фазы В и все три стержня расположить в одной плоскости (рис. 9.6,в).

Трёхфазные трансформаторы с плоскими стержневыми магнитопроводами получили наибольшее распространение, а свойственная им магнитная несимметрия фаз существенного значения для эксплуатации не имеет. На рис. 9.7 (а – магнитопровод в сборе, б – секция магниитопровода) представлена конструкция пространственного ленточного магнитопровода, состоящего из трёх овальных секций, имеющих фасонную форму сечения и навитых из ленты холоднокатаной стали переменной ширины при безотходном раскрое стали и высоком коэффициенте заполнения сечения стержня активной сталью. Обмотки наматываются после сборки системы непосредственно на стержни на специальном стенде.