Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнтной индукции. Если одну из обмоток трансформатора подключить к источнику переменного напряжения (рис. 1), то по этой обмотке потечет переменный ток, который создаст в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Этот магнитный поток, сцепленный как с одной, так и с другой обмоткой, изменяясь, будет индуктировать в обмотках ЭДС. Так как в общем случае обмотки могут иметь различное число витков, то значения индуктируемых в них ЭДС будут неодинаковы. В той обмотке, которая имеет большее число витков, индуктируемая ЭДС будет больше, чем в обмотке, имеющей меньшее число витков.
Индуктируемая в первичной обмотке ЭДС примерно равна приложенному напряжению и будет почти полностью его уравновешивать. Ко вторичной обмотке подключаются различные потребители электроэнергии, которые будут являться нагрузкой для трансформатора. При подключении нагрузки в этой обмотке под действием индуктированной в ней ЭДС возникнет ток I2, а на ее выводах установится напряжение U2, которые будут отличаться от тока I1 и напряжения U1 первичной обмотки. Следовательно, в трансформаторе происходит изменение параметров энергии: подводимая к первичной обмотке из электрической сети электрическая энергия с напряжением U1 и током I1 преобразуется в электрическую энергию с напряжением U2 и током I2.
Трансформатор нельзя включать в сеть постоянного тока, так как при подключении трансформатора к сети постоянного тока магнитный поток в нем будет неизменным во времени и, следовательно, не будет индуктировать ЭДС в обмотках; вследствие этого в первичной обмотке будет протекать большой ток, так как при отсутствии ЭДС он будет ограничиваться только относительно небольшим активным сопротивлением обмотки. Этот ток может вызвать недопустимый нагрев обмотки и даже ее перегорание.
Отношение ЭДС Е1/Е2=W1/W2=К – коэффициент трансформации трансформатора. ЭДС, наводимая в первичн обмотке – ЭДС самоиндукции (Е 1). ЭДС со вторичной обмотки – ЭДС взаимной индукции (Е2). Е1=W1, Е2=W2. При этом величина ЭДС пропорциональна кол-ву витков обмоток. В зависимости от величины К трансформаторы бывают повыш (<1), пониж (>1). Для определ К делают опыт холостого хода.
Отличительные особенности электроэнергетики как технической системы:
Невозможность запасать электрическую энергию в значительных масштабах, в связи с чем имеет место постоянное единство производства и потребления;
Зависимость объемов производства энергии исключительно от потребителей;
Необходимость оценивать объемы производства и потребления энергии не только в расчете на год (квартал, месяц), но и текущие величины энергетических нагрузок (мощность);
Необходимость бесперебой -ности энергоснабжения потребителей, являющейся важнейшим условием работы всего национального хозяйства и жизнедеятельности населения;
Планирование энергопотре- бления на каждые сутки и каждый час в течение года, т.е. необходимость разработки графиков нагрузки на каждый день каждого месяца с учетом сезона, климатических условий, дня недели и других факторов;
Зависимость качества продукции не только от производителя и поставщика, но и от потребителя.
Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:
1. Изменяющийся во времени электрический ток создаёт магнитное поле (электромагнетизм)
2. Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)
Протекающий в первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе, изменения которого в свою очередь, проходя через вторичную обмотку, создают в ней переменную ЭДС.
Рис. 1 Схематическое устройство трансформатора. 1 - первичная обмотка, 2 - вторичная
Закон Фарадея
ЭДС, создаваемая во вторичной обмотке, может быть вычислена по закону Фарадея, который гласит, что:
N2 - число витков во вторичной обмотке,
Φ - суммарный магнитный поток, через один виток обмотки. Если витки обмотки расположены перпендикулярно линиям магнитного поля, то поток будет пропорционален магнитному полю B и площади S через которую он проходит.
ЭДС, создаваемая в первичной обмотке, соответственно:
U1 - мгновенное значение напряжения на концах первичной обмотки,
N1 - число витков в первичной обмотке.
Поделив уравнение U2 на U1, получим отношение:
Уравнения идеального трансформатора
Если вторичную обмотку подключить к нагрузке, то электрическая энергия будет передаваться из первичной цепи во вторичную. В идеале трансформатор всю поступающую энергию из первичной цепи трансформирует в магнитное поле и, затем, в энергию вторичной цепи. В этом случае поступающая энергия, равна преобразованной энергии.
P1 - мгновенное значение поступающей на трансформатор мощности, поступающей из первичной цепи,
P2 - мгновенное значение преобразованной трансформатором мощности, поступающей во вторичную цепь.
Соединив это уравнение с отношение напряжений на концах обмоток, получим уравнение идеального трансформатора:
Таким образом получаем, что при увеличении напряжения наконцах вторичной обмотки U2, уменьшается ток вторичной цепи I2.
Для преобразования сопротивления одной цепи к сопротивлению другой, нужно умножить величину на квадрат отношения. Например, сопротивление Z2 подключено к концам вторичной обмотки, его приведённое значение к первичной цепи будет 
. Данное правило справедливо также и для вторичной цепи: 
.
Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе, сдвинутый по фазе, при синусоидальном токе, на 90° по отношению к напряжению в первичной обмотке. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку. Когда вторичные обмотки ни к чему не подключены (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток через первичную обмотку невелик, и определяется в основном её индуктивным сопротивлением. Напряжение индукции на вторичных обмотках в режиме холостого хода определяется отношением числа витков соответствующей обмотки w2 к числу витков первичной обмотки w1:
При подключении вторичной обмотки к нагрузке, по ней начинает течь ток. Этот ток также создаёт магнитный поток в магнитопроводе, причём он направлен противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате, в первичной обмотке нарушается компенсация ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке, до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения. В этом режиме отношение токов первичной и вторичной обмотки равно обратному отношению числа витков обмоток
отношение напряжений в первом приближении также остаётся прежним. В результате, мощность, потребляемая от источника в цепи первичной обмотки практически полностью передаётся во вторичную.
Схематично, выше сказанное можно изобразить следующим образом:
U1 → I1 → I1w1 → Ф → ε2 → I2
Мгновенный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора определяется интегралом по времени от мгновенного значения ЭДС в первичной обмотке, и в случае синусоидального напряжения сдвинут по фазе на 90° по отношению к ЭДС. Наведенная во вторичных обмотках ЭДС пропорциональна первой производной от магнитного потока, и для любой формы тока совпадает по фазе и форме с ЭДС в первичной обмотке.
Силовые трансформаторы служат для преобразования электрической энергии одного напряжения в энергию другого напряжения. Они являются основным оборудованием электрических подстанций. Электроэнергия, вырабатываемая на электростанциях, при передаче к потребителям претерпевает многократную трансформацию в повышающих и понижающих трансформаторах. Передача электроэнергии на большие расстояния более экономична высоким напряжением. Мощность трансформаторов, установленных в электроэнергетических системах, превышает установленную мощность генераторов в 4-5 раз. Несмотря на относительно высокий КПД трансформаторов стоимость энергии, теряемой ежегодно в них, составляет значительную сумму. Необходимо стремиться к уменьшению числа ступеней трансформации, уменьшению установленной мощности трансформаторов.
Трансформаторы изготовляют однофазными и трехфазными, двух- и трехобмоточными. Преимущественное применение в системах и сетях имеют трехфазные трансформаторы, экономические показатели которых выше показателей групп из однофазных трансформаторов. Группы из однофазных трансформаторов применяют только при самых больших мощностях и напряжениях 500 кВ и выше в целях уменьшения массы для транспортировки от места изготовления до места установки. Однофазные трансформаторы применяются также на тяговых подстанциях при электрификации железных дорог переменным током.
Трансформаторы и автотрансформаторы имеют номинальные мощности десятично кратные следующим значениям: 1; 1,6; 2,5; 4; 6,3 кВ*А.
Для удобства планирования работ, связанных с транспортировкой и ремонтом трансформаторов, их условно делят по габаритам в зависимости от мощности и напряжения обмоток ВН.
На рис. показано устройство и компоновка основных частей силового масляного трансформатора третьего габарита.
Основой конструкции трансформатора служит активная часть, состоящая из магнитопровода 17 с расположенными на нем обмотками 21 высшего напряжения (ВН) и низшего напряжения (НН), расположенными под ВН на стержнях магнитопровода, отводов НН 16 и BH18 и переключающего устройства 6. Магнитопровод, набранный из отдельных тонких листов трансформаторной стали с жаропрочным изоляционным покрытием, стягивается ярмовыми балками 19 и шпильками, пропущенными через сквозные отверстия стержней магнитопровода и ярмовых балок.
Отводами 16 и 18 называются соединительные провода, идущие от концов обмоток НН и ВН к вводам НН 14 и ВН 12.
Переключающее устройство 6 обмоток трансформатора служит для ступенчатого изменения напряжения в определенных пределах, поддержания номинального напряжения на зажимах обмотки НН при его изменении.
С этой целью обмотки ВН трансформаторов снабжают регулировочными ответвлениями 20, которые присоединяют к переключателям 6.
Необходимость регулирования вызвана тем, что в электросистемах возможны различные отклонения от нормального режима электроснабжения, приводящие к неэкономичной работе приемников электроэнергии.
Рис.1
1 - бак; 2 - вентиль; 3 - болт заземления; 4 - термосифонный фильтр; 5 - радиатор; 6 - переключатель; 7 - расширитель; 8 - маслоуказатель; 9 - воздухоосушитель; 10 - выхлопная труба; 11 - газовое реле; 12 - ввод ВН; 13 - привод переключающего устройства; 14 - ввод НН; 15 - подъемный рым; 16 - отвод НН; 17 - остов; 18 - отвод ВН; 19 - ярмовая балка остова (верхняя и нижняя); 20-- регулировочные ответвления обмоток ВН; 21 - обмотка ВН (внутри НН); 22 - каток тележки.
В трансформаторах могут быть два вида переключателей ответвления: регулирование под нагрузкой (РПН) и без нагрузки после отключения трансформатора, т.е. переключение без возбуждения (ПБВ). Переключающее устройство приводится в действие с помощью привода 13, расположенного на крышке бака трансформатора 1.
Бак трансформатора представляет собой стальной резервуар овальной формы, заполненный трансформаторным маслом, с погруженной в него активной частью трансформатора. Масло, являясь охлаждающей средой, отводит тепло, выделяющееся в обмотках и магнитопроводе, и отдает его в окружающую среду через стенки и крышку бака. Кроме охлаждения масло служит для повышения Уровня изоляции между токоведущими частями и заземленным баком. Для увеличения поверхности охлаждения баки делают ребристыми, вваривают в них трубы или снабжают съемными радиаторами 5. В нижней части бака имеется кран для слива масла 2, а в днище - пробка для спуска осадков после слива масла через кран. Ко дну бака трансформатора массой выше 800 кг приваривают тележку с поворотными катками 22, позволяющими изменять направление передвижения трансформатора с поперечного на продольное. Для подъема трансформатора на верхних ярмовых балках крепятся подъемные шпильки с рым-кольцами 15.
Термосифонный фильтр 4 крепится к баку трансформатора двумя патрубками с фланцами и промежуточными плоскими кранами. Фильтр предназначен для поддержания изоляционных свойств масла, а следовательно, продления срока его службы. Он представляет собой цилиндрическое устройства, заполненное активным материалом - сорбентом, который поглощает продукты старения трансформаторного масла. Работа фильтра основана на термосифонном принципе: более нагретое масло верхних слоев попадет в фильтр, охлаждается и опускается вниз, непрерывно при этом очищаясь.
На крышке бака размещены вводы 12 и 14, расширитель 7, выхлопная труба 10, газовое реле 11.
Вводы представляют собой фарфоровые проходные изоляторы, к которым в баке крепятся выводы обмоток трансформатора, а снаружи - токоведущие части распределительных устройств. Вводы внутри бака имеют гладкую поверхность, для наружной установки, работающие в тяжелых условиях (под дождем, снегом, в загрязненном воздухе), отличаются более развитой поверхностью (имеют зонтообразные ребра) для увеличения пути поверхностного электрического разряда по фарфору и электрической прочности ввода.
Расширитель 7 служит для компенсации колебаний уровня масла в трансформаторе при изменении температуры и уменьшения площади соприкосновения с воздухом открытой поверхности масла, защиты его от преждевременного окисления кислородом воздуха и увлажнения. Расширитель представляет собой цилиндрический бак, закрепленный с помощью кронштейна на крышке трансформатора. Расширитель сообщается с баком трансформатора трубой, не выступающей ниже внутренней поверхности крышки трансформатора и заканчивающейся внутри расширителя выше его дна во избежание попадания осадков масла в бак. Объем расширителя должен обеспечивать постоянное наличие в нем масла во всех режимах работы трансформатора как в летних так и в зимних условиях.
Для наблюдения за маслом на боковой стенке расширителя устанавливают маслоуказатель 8, выполненный в виде стеклянной трубки в металлической оправе. Воздухоосушитель 9 предназначен для поглощения влаги из воздуха, поступающего в расширитель.
Воздухоосушитель, устанавливаемый на расширителе трансформатора, имеет металлический корпус, заполненный селикагелем, отбирающим влагу у воздуха, поступающего в расширитель при понижении уровня масла.
Газовое реле 11 встраивают в рассечку трубы, соединяющей бак трансформатора с расширителем. Оно защищает трансформатор при внутренних повреждениях, связанных с выделением газа или утечкой из бака.
Повреждения внутри трансформатора, сопровождаемые электрической дугой, приводит к интенсивному разложению масла с образованием большого количества газа и, как следствие, резкому повышению давления внутри бака, при этом может разорваться бак и возникнуть пожар. Выхлопная труба 10, устанавливаемая на крышке бака трансформатора, закрыта стеклянным диском. При повышении давления внутри бака стекло лопается и газы вместе с маслом выбрасываются наружу раньше, чем произойдет деформация бака.
При сборке схем обмоток трансформаторов большое значение придается не только получению результирующего напряжения на его зажимах, но и направлению векторов напряжений первичной и вторичной обмоток, определяющих группу соединения трансформатора. Стандартом предусмотрены группы соединения обмоток трансформаторов: нулевая (0) и одиннадцатая (11). За единицу группы принят угол смещения вектора линейного напряжения обмотки НН относительно соответствующего вектора линейного напряжения обмотки ВН, равный 30. Смещение отсчитывают от вектора линейного напряжения ВН по часовой стрелке.
Начала фазных обмоток ВН трехфазных трансформаторов обозначают прописными латинскими буквами А, В, С, концы - буквами X, Y, Z. Начала обмоток НН обозначают строчными латинскими буквами а, в, с, концы - буквами х, у, z. Для трехобмоточных трансформаторов начала обмоток среднего напряжения (СН) обозначают буквами А аВа Са концы - буквами Х Y ZM
Фазные обмотки трехфазных трансформаторов могут быть соединены в звезду CD, треугольник (А) или зигзаг (У). Эти схемы в тексте обозначают буквами У, Д и Z.
В схеме соединения обмоток трансформатора ответвление нейтрали, сделанное на внешний зажим, обозначается буквой N.
Рис. 2.
Для отличия по конструкции, назначению, мощности, напряжению и другим признакам трансформаторы подразделяются на типы. Каждому типу присваивают обозначения, состоящие из букв и цифр.
Буквенные обозначения по конструктивному выполнению:
А - автотрансформатор (понижающий - А в начале обозначения, повышающий - А в конце); Т - трехфазный; 0 --однофазный; Р - с расщепленной обмоткой НН;
Т - трехобмоточный (вторая буква Т в обозначении трехфазного трансформатора).
Буквенное обозначение по видам охлаждения:
С - сухой (естественное воздушное);
М - масляный (естественное масляное);
Д - дутьевой (принудительная циркуляция воздуха при охлаждении радиаторов вентиляторами);
ДЦ - дутьевой, с принудительной циркуляцией масла через охладитель с помощью насоса;
МЦ - масляный, с принудительной циркуляцией масла и естественной - воздуха.
Буквенное обозначение при наличии регуляторов напряжения:
Н - с регулированием напряжения под нагрузкой (наличие РПН).
Число в числителе после буквенного обозначения указывает мощность трансформатора в киловольт-амперах, в знаменателе - класс напряжения обмотки ВН в киловольтах.
В условном обозначении указывают также год разработки конструкции, климатическое исполнение и категорию размещения трансформатора (1 - на открытом воздухе, 3 - в закрытом помещении)
Рис. 3. Пример обозначения типа трансформатора и его расшифровка:
Генераторы, которые стоят на электростанциях, вырабатывают очень мощное ЭДС. На практике такое напряжения редко когда бывает нужно. Поэтому такое напряжение необходимо преобразовывать.
Для преобразования напряжения используются устройства, называемы трансформаторами. Трансформаторы могут как и повысить напряжение, так и понизить его. Существуют также стабилизирующие трансформаторы, которые не повышают и не понижают напряжение.
Рассмотрим устройство трансформатора на следующем рисунке.
картинка
Трансформатор состоит из двух катушек с проволочными обмотками. Эти катушки надевают на стальной сердечник. Сердечник не является монолитным, а собирается из тонких пластин.
Одна из обмоток называется первичной. К этой обмотке подсоединяют переменное напряжение, которое идет от генератора, и которое нужно преобразовать. Другая обмотка называется вторичной. К ней подсоединяют нагрузку. Нагрузка это все приборы и устройства, которые потребляют энергию.
На следующем рисунке представлено условное обозначение трансформатора.
картинка
Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. Когда через первичную обмотку проходит переменный ток, в сердечнике возникает переменный магнитный поток. А так как сердечник общий, магнитный поток индуцирует ток и в другой катушке.
В первичной обмотке трансформатора имеется N1 витков, её полная ЭДС индукции равняется e1 = N1*e, где е – мгновенное значение ЭДС индукции во всех витках. е одинаково для всех витков обоих катушек.
Во вторичной обмотке имеется N2 витков. В ней индуцируется ЭДС e2 = N2*e.
Следовательно:
Сопротивлением обмоток пренебрегаем. Следовательно, значения ЭДС индукции и напряжения будут приблизительно равны по модулю:
При разомкнутой цепи вторичной обмотки в ней не идет ток, следовательно:
Мгновенные значения ЭДС e1, e2 колеблются в одной фазе. Их отношение можно заменить отношением значений действующих ЭДС: E1 и E2. А отношение мгновенных значений напряжения заменим действующими значениями напряжения. Получим:
E1/E2 ≈U1/U2 ≈N1/N2 = K
К – коэффициент трансформации. При K>0 трансформатор повышает напряжение, при K<0 – трансформатор понижает напряжение. Если же к концам вторичной обмотки подключить нагрузку, то во второй цепи появится переменный ток, который вызовет появление в сердечнике еще одного магнитного потока.
Это магнитный поток будет уменьшать изменение магнитного потока сердечника. Для нагруженного трансформатора будет справедлива следующая формула:
U1/U2 ≈ I2/I1.
То есть при повышении напряжения в несколько раз, мы во столько же раз уменьшим силу тока.
