Развитие трансформаторостроения
Начальные этапы развития трансформаторостроения были изложены во введении. В 1890 г. М. О. Доливо-Добровольский предложил конструкцию трехфазного трансформатора с симметричным расположением стержней, а затем — в 1891 г. — с расположением стержней в одной плоскости (обычным в настоящее время).
В 1891 г. Браун (завод «Эрликон» в Швейцарии) построил первый масляный трансформатор на высокое по тому времени напряжение 30 кВ. Одновременно фирма «Вестингауз» в США выполнила две трансформаторные группы мощностью каждая 3 X 2250 кВ»а с внутренним водяным охлаждением масла.
Дальнейшее развитие основного типа трансформатора — силового — находится в тесной зависимости от развития электроэнергетических систем. За время с 1905 по 1940 г. потребление электроэнергии в промышленно развитых странах удваивалось примерно каждые 10 лет. Это потребовало создания трансформаторов все большей мощности. Уже к 1930 г. был построен трехфазный пятистержневой трансформатор мощностью 100 Мв*А, а к 1936 г. — трехфазный групповой трансформатор мощностью 3 X 65 Мв*А при нормальном охлаждении и 3 X 80 Мв*А при форсированном охлаждении. В настоящее время для Волжской ГЭС имени В. И. Ленина выполнены трансформаторные группы мощностью 3 X 123,5 Мв*А.
В связи с передачей значительных количеств электроэнергии на все большие расстояния росло рабочее напряжение трансформаторов: с 110 кВ в 1907 г. до 220 кВ в 1921 г,, 287,5 кВ в 1937 г., 400 кВ в 1952 г., 500 кВ в 1958 г. и 750 кВ в 1970 г.
В процессе роста мощности и рабочего напряжения трансформаторов перед трансформаторостроением возник ряд проблем: повышение к. п. д., совершенствование системы охлаждения, разработка конструкций, устойчивых как в отношении перенапряжений при возникновении высоких напряжений в линии передач, так и механических усилий при внезапных коротких замыканиях. Путем применения новых активных и изолирующих материалов, непрерывного совершенствования способов расчета и конструктивных форм трансформаторов эти проблемы удалось в значительной степени разрешить.
Наряду с разработкой основного типа трансформатора шла большая работа по созданию других типов трансформаторов — автотрансформаторов, трехобмоточных трансформаторов, печных, сварочных, испытательных и т. д.
Устройство и принцип действия
Трансформатором называется электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной — первичной — системы переменного тока в другую — вторичную, имеющую другие характеристики, в частности другое напряжение.
Обычно трансформатор состоит из стального замкнутого сердечника и двух или нескольких электрически не связанных между собой обмоток.
Рис. 1. Принципиальная схема трансформатора
Трансформатор с двумя обмотками схематически показан на рис. 1. Если одна из обмоток, например 7, включена в сеть с переменным напряжением их, то переменный ток ix этой обмотки создает в стальном сердечнике 3 переменный магнитный поток ф, сцепляющийся с обеими обмотками трансформатора. По закону электромагнитной индукции этот поток наводит э. д. с. в обмотках 1 и 2. К зажимам обмотки 2 можно присоединить приемник электроэнергии (нагрузку) 4.
Тогда в замкнутой цепи, состоящей из обмотки 2 и приемника 4, под влиянием э. д. с. будет переменный ток и на зажимах обмотки переменное напряжение и2. Магнитный поток при нагрузке создается токами i1 и i2 и по-прежнему обеспечивает магнитную связь между обмотками трансформатора, благодаря которой осуществляется передача электроэнергии от обмотки 1 к обмотке 2.
Если трансформатор содержит две обмотки — обмотку высшего напряжения,
присоединяемую к сети более высокого напряжения, и обмотку низшего напряжения, присоединяемую к сети более низкого напряжения, то он называется двухобмоточным.
В энергетических установках применяются также трехобмоточные трансформаторы, имеющие три обмотки: высшего напряжения, среднего напряжения и низшего напряжения. В радиотехнике и автоматике используются многообмоточные трансформаторы с тремя, четырьмя и пятью обмотками.
Трансформатором с ответвлениями называется трансформатор, обмотки которого имеют специальные ответвления для изменения соотношения между числами витков обмоток.
Та из обмоток трансформатора, к которой подводится энергия переменного тока, называется первичной обмоткой, другая, от которой энергия отводится, называется вторичной, В соответствии с названиями обмоток, все величины, относящиеся к первичной обмотке, как, например, напряжение-, мощность, ток, сопротивление и т. д., тоже называются первичными, а относящиеся ко вторичной обмотке — вторичными.
Если первичной обмоткой является обмотка высшего напряжения, а вторичной — обмотка низшего напряжения, то такой трансформатор называется понижающим. При вторичном напряжении выше первичного трансформатор называется повышающим.
Соответственно системе тока имеются трансформаторы одно-, трех- и многофазные. Обмоткой многофазного трансформатора является совокупность всех соединенных между собой фазных обмоток.
Для улучшения охлаждения трансформатора его сердечник вместе с обмотками размещается в баке с жидкостью, обычно трансформаторным маслом; такие трансформаторы называются масляными. Трансформаторы с воздушным охлаждением называются сухими.
Основные типы трансформаторов
Наибольшее распространение получили следующие типы трансформаторов:
силовые — для передачи и распределения электроэнергии;
автотрансформаторы — для преобразования напряжения в небольших пределах, для пуска двигателей переменного тока и т. д.;
измерительные трансформаторы — для включения в схемы измерительных приборов;
трансформаторы специального назначения — сварочные, печные, испытательные, импульсные, пиковые, высокочастотные, для ртутных выпрямителей и игнитронов, для преобразования частоты, для автоматических устройств, для медицинских и радиотехнических целей.
Таким образом область применения трансформаторов чрезвычайно широка, соответственно велико и число конструктивных форм трансформаторов. Но во всех случаях процесс преобразования энергии в трансформаторах и приемы изучения происходящих в них явлений по существу одни и те же. Поэтому в дальнейшем рабочие процессы рассматриваются в основном типе трансформатора — в одно- и трехфазном двухобмоточном силовом трансформаторе.
Номинальные величины
Величины, характеризующие условия работы, на которые рассчитан трансформатор, называются номинальными. Основные из них указываются на паспортном щитке.
Номинальной полезной мощностью трансформатора называется полная мощность трансформатора на зажимах вторичной обмотки. Для двухобмоточных силовых трансформаторов номинальная подведенная мощность (первичной обмотки) принимается равной номинальной полезной мощности (вторичной обмотки).
Номинальным напряжением обмотки трансформатора, не имеющей ответвлений, называется напряжение между зажимами обмотки при холостом ходе трансформатора. Таким образом, напряжение на вторичной обмотке при номинальной нагрузке немного отличается от номинального. При обмотке с переключаемыми ответвлениями номинальное напряжение относится к основному ответвлению.
Номинальный ток обмотки трансформатора соответствует номинальной мощности и номинальному напряжению.
