Электрические машины и трансформаторы: история, роль, классификация и принципы работы

История развития электрических машин

Развитие электрических машин началось в первой четверти XIX века с фундаментальных экспериментов Майкла Фарадея. В 1821 году Фарадей обнаружил возможность механического движения под действием электрического тока и магнитного поля, наблюдая вращение проводника с током возле постоянного магнита – фактически, первый опыт электрического мотора. Чуть позже, на основе работ Фарадея, был сформулирован общий закон электромагнитной индукции Джеймсом Максвеллом. Этот закон (часто связываемый с именем Фарадея) гласит, что ЭДС (электродвижущая сила) индукции в контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока через этот контур:

\mathcal{E} \;=\; -\frac{d\Phi}{dt}\,

где Φ – магнитный поток (в веберах, Вб), t – время (с). Отрицательный знак отражает закон Ленца о противодействии наведённой ЭДС изменению потока.

Практическое применение открытий не заставило себя ждать. В 1832 году братья Ипполит и Эдмон Пикси сконструировали первую модель электрического генератора на основе принципа электромагнитной индукции. Спустя два года, в 1834-м, русский учёный Борис Семёнович Якоби создал первый действующий электрический двигатель. Этот мотор имел мощность около 15 Вт при огромной массе (более 500 кг) – показатели скромные по современным меркам, но революционные для своего времени.

В последующие десятилетия произошло развитие техники переменного тока. В 1860 году Павел Яблочков впервые применил переменный ток на практике, а в 1876-м изобрёл первый трансформатор, позволивший изменять уровень напряжения переменного тока. В 1880 году Михаил Доливо-Добровольский предложил систему трёхфазного переменного тока. Используя эту идею, итальянский физик Галилео Феррарис в 1885 году продемонстрировал явление вращающегося магнитного поля – основу работы асинхронного двигателя. К концу десятилетия (в 1889 году) Доливо-Добровольский изобрёл первый трёхфазный электрический двигатель и, для его питания, сконструировал вместе с коллегами трёхфазные генераторы и трансформаторы. Дальнейшее развитие электрических машин шло по пути повышения эффективности и надёжности – за счёт научного прогресса, улучшения конструкции, технологий производства и использования новых материалов.

Роль и значение электрических машин и трансформаторов

Электрические машины и трансформаторы сыграли ключевую роль в промышленной революции и остаются фундаментом современной энергетики и техники. Электрическая энергия удобна тем, что может передаваться на большие расстояния и сравнительно просто превращаться в другие виды энергии – механическую, тепловую, световую – с относительно небольшими потерями. Производство электрической энергии в промышленных масштабах осуществляется с помощью генераторов – электрических машин, преобразующих механическую энергию (например, вращение турбины на электростанции) в электрическую.

Широчайшее распространение получила электрическая машина в роли двигателя (электромотора) – устройства, способного, наоборот, совершать механическую работу за счёт потребления электрической энергии. Электродвигатели используются практически во всех областях: в промышленности (станки, конвейеры, подъемные механизмы), на транспорте (электровозы, электромобили, троллейбусы), в сельском хозяйстве (электроприводы машин), в военной технике, а также в быту (бытовые приборы, инструменты). Благодаря электродвигателям производственные процессы автоматизируются и ускоряются, труд человека заменяется работой механизмов.

Не менее важна роль трансформаторов в энергетических системах. При передаче электроэнергии от генератора на электростанции к удалённым потребителям трансформаторы служат для повышения напряжения в начале линии электропередачи и понижения его до требуемого уровня у потребителя. Повышение напряжения при данной передаваемой мощности позволяет снизить ток в линиях и тем самым уменьшить потери I²R в проводах. Таким образом, трансформаторы обеспечивают экономичную передачу электроэнергии на большие расстояния и безопасное распределение её по потребителям.

Электрические машины малой мощности также нашли применение в системах автоматического регулирования и управления, где они выполняют функции датчиков, исполнительных механизмов, сервомоторов. Существуют специальные виды электрических машин для узкоспециальных применений – например, генераторы импульсов, высокочастотные машины для испытательных стендов, машины для рудничных установок и т.д. От крупных генераторов и тяговых двигателей до микродвигателей и трансформаторов питания радиоаппаратуры – электрические машины и трансформаторы пронизывают все сферы современной техники, делая возможным функционирование промышленности, транспорта, связи и бытовой электрификации.

Классификация электрических машин: основные понятия и определения

Электрические машины – это устройства, в которых происходит преобразование энергии между электрической и механической формами посредством электромагнитных процессов. Классический пример – генератор и двигатель, представляющие собой обратимые машины: генератор преобразует механическую энергию в электрическую, а двигатель – электрическую в механическую. Существует множество типов и подвидов электрических машин; для упорядочения многообразия применяется классификация по разным признакам.

По роду потребляемого тока

По роду потребляемого тока электрические машины делятся на машины переменного тока и машины постоянного тока. Машины переменного тока, в свою очередь, подразделяются на синхронные (магнитное поле ротора вращается синхронно с полем статора) и асинхронные (ротор вращается несинхронно, с некоторым скольжением относительно поля статора). К асинхронным иногда относят отдельно коммутаторные (коллекторные) машины переменного тока – например, универсальные коллекторные моторы, способные работать и от постоянного, и от переменного тока. Машины постоянного тока обычно имеют коллекторно-щеточный узел для коммутации тока в обмотке ротора.

Отдельно среди электрических аппаратов стоят трансформаторы. Формально трансформатор – тоже электрическая машина (электромагнитный преобразователь), но у трансформаторов нет движущихся частей, и они не участвуют в механическом преобразовании энергии. Трансформаторы служат для преобразования параметров электрической энергии в пределах электрической системы: они изменяют величины переменного напряжения и тока (а в специальных случаях – число фаз или частоту тока) посредством явления электромагнитной индукции, оставаясь при этом статическими устройствами. В силу отсутствия движения трансформаторы иногда выделяют в особый класс электротехнических устройств, отличных от вращающихся машин, хотя принципы электромагнитных процессов у них общие.

По функциональному назначению

По функциональному назначению электрические машины можно разделить на две большие группы: генераторы и двигатели. И те, и другие являются электромеханическими преобразователями энергии, способными работать в паре (каждый двигатель может работать в генераторном режиме, и наоборот – генератор при подаче на него электрического тока способен работать как двигатель). Также существуют электромеханические преобразователи особого назначения – так называемые преобразователи (конверторы) одного вида электрической энергии в другой. К ним относятся, например, машинные выпрямители (мотор-генераторы, преобразующие переменный ток в постоянный) и инверторы (обратное преобразование), устройства для изменения частоты или числа фаз переменного тока, магнитные усилители (электрические машины-усилители, где управление происходит электрическим способом с добавлением мощности от внешнего источника). Подобные машины-преобразователи образуют особую группу, объединённую тем, что они не имеют внешнего механического выхода, а служат для преобразования электрической энергии (иногда с повышением мощности за счёт дополнительного источника).

Кроме того, электромашины разделяют на машины общего назначения и специального назначения. Машины общего назначения изготавливаются стандартизированными сериями без учета каких-либо особых требований, подходя для большинства типовых применений (например, стандартные асинхронные двигатели для промышленных приводов). Машины специального назначения проектируются и производятся с учётом особых требований – например, повышенной точности, особых условий эксплуатации, военного стандарта надежности, минимального уровня электромагнитных помех и т.п.

Ниже приведены некоторые распространённые критерии классификации электрических машин:

• По мощности:
  • Микромашины – менее 0,5 кВт (сюда попадают миниатюрные двигатели и генераторы, например, сервомоторы, моторы в электронике).
  • Малой мощности – от 0,5 до 10 кВт.
  • Средней мощности – от 10 кВт до нескольких сотен кВт.
  • Большой мощности – от сотен кВт до сотен МВт (генераторы электростанций, мощные двигатели прокатных станов и т.д.).
• По напряжению питания (для двигателей) или выработки (для генераторов):
  • Низковольтные – менее 100 В.
  • Среднего напряжения – от 100 В до 1000 В.
  • Высоковольтные – выше 1000 В (1 кВ).

Разумеется, существуют и другие классификационные признаки – по конструктивному исполнению (например, наличие или отсутствие щёток, тип ротора: явнополюсный или неявнополюсный, и др.), по частоте вращения (тихоходные, быстроходные, число полюсов) и т.д. Однако выше перечислены основные критерии, позволяющие систематизировать множество разновидностей электрических машин и разобраться в их терминологии.

Номинальные параметры и режимы работы электрических машин

Каждая электрическая машина рассчитана заводом-изготовителем на работу при определённых условиях и нагрузках, которые указаны в её технических характеристиках.

Номинальный режим работы машины – это режим длительной работы при установленных заводом значениях основных параметров, при котором машина должна функционировать надёжно и эффективно. Соответственно, номинальными параметрами называются количественные значения характеристик машины в этом режиме. Как правило, номинальные параметры указываются на специальной паспортной табличке (шильдике), закреплённой на корпусе машины. К числу важнейших номинальных данных относятся: номинальная мощность, номинальное напряжение, номинальный ток, номинальная частота вращения (для двигателей) или частота тока (для генераторов и трансформаторов), номинальный коэффициент мощности (cos φ), КПД, а также параметры окружающей среды, для которых номинальный режим обеспечивается (например, температура, высота над уровнем моря и пр.).

Помимо номинального, электрооборудование может работать и в других режимах. Нормальным режимом называют такой режим (отличный от номинального), при котором отклонение параметров не приводит к снижению надёжности машины при долговременной работе. Если же параметры превышают допустимые для долговременной эксплуатации и могут вызвать перегрев или износ, то такой режим считается анормальным (аварийным) и не допускается на длительное время. Режимы работы разделяются также на установившиеся (стационарные), когда параметры не меняются со временем либо изменяются периодически, и переходные, когда происходит изменение состояния машины (например, разгон, торможение, переключение обмоток и т.п.).

Основными, с практической точки зрения, являются установившиеся длительные и повторно-кратковременные режимы работы электрических машин. В стандарте ГОСТ 183 принята классификация видов режима работы под обозначениями S1 – S8 (в международной практике аналогичные обозначения Standard Duty Types IEC):

S1 – Продолжительный режим:

Машина работает длительное время с постоянной нагрузкой, пока нагрев её обмоток не достигнет установившейся температуры (теплового равновесия с окружающей средой). Это типичный номинальный режим для большинства двигателей и генераторов, характеризующийся устойчивым тепловым состоянием.

S2 – Кратковременный режим:

Машина работает с постоянной нагрузкой только в течение короткого промежутка времени, недостаточного для достижения теплового равновесия (обмотки не успевают прогреться до установившейся температуры). Затем следует длительная пауза (выключение), достаточная для полного остывания до температуры окружающей среды. Например, подъемный кран может использовать двигатель лишь на время подъёма груза, после чего двигатель остывает.

S3 – Повторно-кратковременный режим (без влияния пуска):

Циклическая работа, состоящая из чередующихся интервалов работы под нагрузкой и пауз (выключения). Длительность цикла такова, что за время работы машина не достигает установившейся температуры, а за паузу не успевает полностью остыть до температуры окружающей среды. В результате температура периодически колеблется в некотором интервале ниже предельного значения. Пример – периодически включающийся привод какого-либо механизма без существенных перегрузок при пуске.

S4 – Повторно-кратковременный режим с частыми пусками:

То же, что S3, но существенное влияние на температурный режим оказывают частые пуски машины. Каждый цикл включает запуск (пусковой режим с повышенным током), рабочий интервал под нагрузкой и паузу. Пусковые потери вызывают дополнительный нагрев, не успевающий полностью рассеяться.

S5 – Повторно-кратковременный режим с электрическим торможением:

Цикл включает пуск, рабочий ход, затем активное электрическое торможение (например, противотоком) и паузу. Торможение, как и пуск, вносит дополнительный тепловой импульс. Температура за цикл не выравнивается полностью.

S6 – Перемежающийся режим (прерывно-продолжительный):

Периодически повторяющийся цикл, включающий работу под нагрузкой и работу без нагрузки (холостой ход) вместо полного выключения. То есть в паузах машина не обесточивается, а работает вхолостую, продолжая немного греться, но меньше, чем под нагрузкой. Например, двигатель работает некоторое время с номинальной нагрузкой, затем нагрузка снимается (но питание не отключается, ротор продолжает вращаться без нагрузки), затем снова нагрузка и т.д., без остановки двигателя.

S7 – Перемежающийся режим с пусками:

Аналогичен S6, но циклы включают дополнительные нагревы от частых пусков. Нагрузка чередуется с холостым ходом без остановки, учитываются тепловые эффекты от запусков.

S8 – Перемежающийся режим с торможением:

Аналогичен S6, но в цикле помимо работы под нагрузкой и холостого хода присутствуют фазы электрического торможения. Машина не выключается полностью, чередуя нагрузку, торможение и холостой ход.

На практике чаще всего встречается продолжительный режим S1 (например, для приводных двигателей большинства механизмов). Повторно-кратковременные режимы свойственны подъемно-транспортным механизмам, насосам, компрессорам периодического действия и т.д. При проектировании и выборе электрической машины важно учитывать необходимый вид режима работы, так как от этого зависят требования к системе охлаждения, перегрузочной способности и ресурсу.

Конструктивные формы электрических машин: степень защиты, охлаждение и монтаж

Конструкция электрической машины в значительной мере определяется условиями её эксплуатации: окружающей средой, требуемой степенью защиты, способом охлаждения, вариантом установки и крепления. Стандарты регламентируют обозначения различных конструктивных исполнений, чтобы упростить выбор подходящей модели под конкретные условия.

Степень защиты от внешних воздействий

Степень защиты от внешних воздействий (пыль, влага, посторонние предметы) обозначается кодом IP (International Protection) по ГОСТ 14254 (совпадает с международным стандартом IEC 60529). Код состоит из букв IP и двух цифр: первая характеризует защиту от проникновения твёрдых предметов и пыли, вторая – от воды и влаги:

Первая цифра

Первая цифра (0–6): 0 – отсутствие какой-либо защиты; 1 – защита от крупных посторонних предметов (диаметром >50 мм); 2 – от средних предметов (>12,5 мм); 3 – от мелких (>2,5 мм); 4 – от очень мелких (>1 мм); 5 – пылезащищённое исполнение (проникновение пыли не полностью предотвращено, но не нарушает работу); 6 – пыленепроницаемое исполнение (полная защита от пыли).

Вторая цифра

Вторая цифра (0–8): 0 – нет специальной защиты от воды; 1 – защита от вертикально падающих капель (конденсата, дождя); 2 – защита от капель воды, падающих под углом до 15°; 3 – защита от дождя/водяных брызг под углом до 60°; 4 – защита от брызг воды со всех направлений; 5 – защита от водяных струй под давлением; 6 – защита от мощных струй воды, морских волн; 7 – защита при кратковременном погружении в воду; 8 – защита при длительном погружении (глубина и время оговорены производителем).

Примеры распространённых исполнений: IP22 – защита от проникновения пальцев и капель, падающих вертикально; IP44 – защищено от проникновения твёрдых предметов >1 мм и брызг воды; IP54 – пылезащищённое исполнение, выдерживает брызги; IP65 – пыленепроницаемое и защищено от струй воды и т.д. Степень защиты выбирается исходя из условий – для помещений обычно достаточно IP21–IP44, для улицы – IP54 и выше, для пыльных и влажных сред – IP55, IP65, вплоть до герметичных IP67–68 при необходимости.

Способы охлаждения электрических машин

Способы охлаждения электрических машин стандартизованы и кодируются согласно ГОСТ 20459 индексом IC (International Cooling) с указанием принципа циркуляции охлаждающего агента. Как правило, в качестве хладоагента используется воздух (для сильнонагруженных крупных машин – дополнительно вода или масло). Буквенный префикс в коде IC обозначает тип хладоагента, если это не воздух (например, W – water, вода; O – oil, масло; если охлаждение воздухом – буква опускается). Далее следуют две цифры, характеризующие способ организации охлаждения:

• Первая цифра указывает конструкцию системы охлаждения: 0 – свободная естественная циркуляция воздуха (машина открытая, обдувается окружающим воздухом без специальных каналов); 1 – циркуляция с помощью подводящего канала или воздуховода (например, вентилятор подаёт воздух через трубу); 3 – принудительная циркуляция с подводящим и отводящим каналами (замкнутая система вентиляции с теплообменником); 4 – охлаждение за счёт поверхности машины (например, рёбра на корпусе для увеличения площади теплоотдачи); 5 – встроенный теплообменник (например, машина с внутренним водяным охладителем); 6 – пристроенный внешний теплообменник.
• Вторая цифра указывает способ движения охлаждающей среды: 0 – естественная конвекция (за счёт нагрева воздуха, без вентиляторов); 1 – самовентиляция (машина имеет собственный вентилятор на валу, нагнетающий воздух при её работе); 3 – принудительное движение зависимым устройством (например, внешний вентилятор, механически связанный с машиной); 5 – принудительное движение независимым встроенным устройством (встроенный электровентилятор с отдельным питанием); 6 – принудительное движение независимым пристроенным устройством (отдельный внешний вентилятор/насос охлаждения); 7 – циркуляция охлаждающей жидкости отдельным агрегатом.

Например, обозначение IC01 можно трактовать как: 0 – открытая машина, охлаждаемая естественной конвекцией, 1 – самовентиляция отсутствует (в данном случае 0 и 1 вместе могут означать просто открытое исполнение с естественным воздушным охлаждением); IC06 – машина с принудительным обдувом (цифра 0 – открытая, 6 – внешний независимый вентилятор). IC37 могла бы означать, к примеру, наличие замкнутого контура воздушного охлаждения (3) с отдельным внешним насосом воздуха (7). Фактически, системы обозначений могут различаться, и производитель обычно в паспорте расшифровывает принятую кодировку. Правильный выбор системы охлаждения критически важен для мощных машин: улучшенная вентиляция или водяное охлаждение позволяют значительно повысить нагрузочную способность.

Конструктивно для улучшения охлаждения корпуса электрических машин снабжаются оребрёнными поверхностями, вентиляционными каналами, встроенными теплообменниками. Для малых машин зачастую достаточно естественного воздушного охлаждения (открытое или с простым вентилятором на валу), тогда как большие генераторы и двигатели могут иметь сложную систему вентиляции с радиаторами или водяными кожухами.

Исполнение по способу монтажа

Исполнение по способу монтажа регламентируется стандартом МЭК 34-7 и обозначается кодом IM с четырёхзначным номером. Этот код описывает как установлена машина: на лапах или фланце, положение вала – горизонтальное или вертикальное, наличие и число подшипниковых щитов, форма конца вала и пр. В частности, первая цифра IM-кода обозначает группу конструктивного исполнения: например, 1* – машина на лапах (основание с крепёжными лапами) с одним или двумя подшипниковыми щитами; 2* – то же на лапах, но с присоединительным фланцем на щите; 3* – машина без лап, крепление только на фланце и т.д. Вторая и третья цифры уточняют способ монтажа – горизонтальное или вертикальное положение, направление выступающего конца вала, наличие упоров и пр. Четвертая цифра описывает исполнение вала: 1 – один цилиндрический конец вала; 2 – два конца вала; 3 – свободные концы вала конические; 5 – вертикальный вал, нагрузка на нижний конец и т.п. Для примера, код IM1001 обычно соответствует горизонтальному двигателю на лапах с одним выходным концом вала, а IM3001 – двигатель без лап (фланцевый) с одним горизонтальным валом. Подобная стандартизация облегчает взаимозаменяемость машин: можно легко подобрать двигатель нужного типа крепления (например, чтобы он подошел к существующему фланцу редуктора или раме агрегата).

Производители предлагают электрические машины в разнообразных конструктивных формах: открытые и защищённые, с разными способами охлаждения, для горизонтального или вертикального монтажа, что позволяет эксплуатировать их практически в любых условиях – от чистых цехов до шахт с агрессивной средой.

Классификация, назначение и паспортные данные трансформаторов

Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования одной системы переменного тока (первичной) в другую систему переменного тока (вторичную) посредством электромагнитной индукции, при сохранении частоты и приближении передаваемой мощности на выходе к мощности на входе. Иными словами, трансформатор изменяет параметры электрической энергии (уровни напряжения и тока, иногда число фаз или форму напряжения) без непосредственной электрической связи между входной и выходной цепями.

Классификация трансформаторов

Трансформаторы можно классифицировать по различным признакам:

1. По назначению: различают силовые трансформаторы общего назначения (для передачи и распределения электроэнергии в энергосистемах) и специальные трансформаторы. К специальным относятся: печные (для электропечей, например дуговых сталеплавильных печей), выпрямительные (для питания выпрямительных установок, электрохимических производств), сварочные (для сварочных аппаратов), автотрансформаторы (особый вид трансформаторов с общей обмоткой, используют в сетях высокого напряжения для экономии материалов), измерительные – трансформаторы тока и трансформаторы напряжения (для подключения измерительных приборов и релейной защиты к высоковольтным цепям, понижают токи и напряжения до безопасных и стандартизованных значений), испытательные (генерируют высокое напряжение при малой мощности для испытания изоляции) и др. Назначение трансформатора обычно отражается в его марке и техническом описании.
2. По виду охлаждения: сухие трансформаторы (охлаждаются воздухообменом, без жидкого диэлектрика) и масляные трансформаторы (погружены в бак с трансформаторным маслом, которое отводит тепло и одновременно изолирует обмотки). Сухие применяются преимущественно на низкие и средние мощности в помещениях, где нежелательно наличие масла (например, в общественных зданиях), а масляные – в сетях распределения и передачи, на подстанциях, рассчитаны на большие мощности. Масляное охлаждение более эффективно, поэтому масляные трансформаторы компактнее и мощнее при той же температуре нагрева, однако требуют мер пожаробезопасности.
3. По числу фаз: однофазные и трёхфазные. Также бывают многофазные специальные трансформаторы (например, для преобразования числа фаз – схемы типа «звезда-треугольник-зигзаг»), но в энергосистемах главную роль играют однофазные (для небольших нужд и в составе трехфазных групп) и трёхфазные трансформаторы (основное оборудование подстанций).
4. По конфигурации магнитопровода: стержневые (сердечниковые), броневые (шкафовые) и тороидальные. Стержневой трансформатор имеет магнитопровод в виде одного или нескольких отдельных стержней (столбов), охваченных обмотками, соединённых ярмами (похоже на раму с колоннами). Броневой – магнитопровод окружает обмотки, образуя как бы «броню» вокруг них; обмотки заключены внутри замкнутого магнитопровода с внешними боковыми стенками. Тороидальный – магнитопровод замкнутый кольцевой (тор) формы, обмотки намотаны по окружности тора. Разные конфигурации имеют свои плюсы: стержневые проще в изготовлении и лучше охлаждаются, броневые – компактнее и имеют меньший рассеяний поток, тороидальные – обладают минимальными потерями на рассеяние и магнитным полем вне, но труднее в намотке обмоток.
5. По количеству обмоток на фазу: двухобмоточные (имеют первичную и одну вторичную обмотку), трёхобмоточные (одна первичная и две независимых вторичных обмотки, обычно для мощных трансформаторов в сетях с несколькими уровнями напряжения), многообмоточные (более трёх обмоток – встречаются в специальных случаях, например в преобразовательных трансформаторах для сложных выпрямительных схем, где много вторичных обмоток с разными напряжениями).
6. По конструкции обмоток: концентрические (коаксиальные) и чередующиеся (дисковые). Концентрические обмотки – классический вариант в стержневых трансформаторах, когда обмотки разных напряжений намотаны цилиндрами одна поверх другой на общем стержне (обычно низковольтная ближе к стали, высоковольтная поверх неё, с изоляционным промежутком). Чередующиеся (интерлевированные) обмотки состоят из чередующихся секций ВН и НН по высоте колонны – чаще применяются в броневых трансформаторах; они позволяют сильно уменьшить рассеяние магнитного поля, но усложняют изоляцию между многочисленными секциями.
7. По соотношению первичного и вторичного напряжения: повышающие (на выходе получают более высокое напряжение, чем на входе, то есть U₂ > U₁) и понижающие (U₂ < U₁). Повышающие трансформаторы используют на генераторах электростанций, чтобы поднять напряжение до уровня линии передачи, а понижающие – у потребителей, чтобы снизить высокое напряжение линии до рабочего (например, с 110 кВ до 10 кВ, затем до 0,4 кВ). Принципиально это одно и то же устройство, разница только в количестве витков обмоток: у повышающего трансформатора число витков вторичной обмотки W₂ больше числа витков первичной W₁ (отсюда U₂ > U₁ и коэффициент трансформации k_T < 1 по принятым отечественным обозначениям), а у понижающего – W₂ < W₁ (U₂ < U₁, k_T > 1). Здесь под коэффициентом трансформации k_T понимают отношение первичного напряжения к вторичному (идеализировано, при холостом ходе):

k_T = \frac{U_1}{U_2} = \frac{W_1}{W_2}

Данные на шильдике трансформатора

На паспортной табличке трансформатора (шильдике) указываются его номинальные данные, основные для эксплуатации:

• Полная номинальная мощность S_н – обычно указывается в вольт-амперах (ВА) или киловольт-амперах (кВА). Для трехфазных трансформаторов это суммарная мощность по трём фазам.
• Номинальные напряжения (первичное U₁ и вторичное U₂) и номинальные токи (I₁, I₂) обмоток. Для трёхфазных трансформаторов напряжения обычно указываются линейные (межфазные) значения, а ток – фазный ток при подключении обмоток по определённой схеме.
• Схема и группа соединения обмоток – код, показывающий, как соединены обмотки трансформатора (звезда, треугольник, зигзаг и их сочетания) и сдвиг фаз между первичной и вторичной обмотками. Например, обозначение Y/Δ-11 означает первичная обмотка соединена звездой, вторичная треугольником, группа соединения №11 (со сдвигом фаз ~30°).
• Коэффициент трансформации k_T – отношение номинального напряжения первичной обмотки к номинальному напряжению вторичной (в тех же единицах). Если k_T > 1, трансформатор понижающий; если k_T < 1 – повышающий.
• Номинальная частота переменного тока (например, 50 Гц). Трансформатор рассчитан на определённую частоту – при другой частоте изменяются потери и индуктивные сопротивления.
• Номинальные условия окружающей среды – например, температура охлаждающего воздуха (обычно +20°C или +25°C), высота над уровнем моря (стандартно до 1000 м), установка наружная или внутренняя, климатическое исполнение и категория размещения (по ГОСТ, например, У3 – умеренный климат, размещение в помещении, или ХЛ1 – холодный климат, наружная установка, и т.д.).

Маркировка трансформаторов

В маркировке трансформаторов обычно заложена информация о его основных характеристиках. В отечественной практике обозначение типа трансформатора состоит из набора буквенно-цифровых символов в определённом порядке. Например, рассмотрим обозначение ТДТН-40000/110:

• Первые буквы указывают конструктивные и функциональные особенности: Т – трёхфазный (однофазные обозначаются О), Д – трансформаторы с дутьевым охлаждением (принудительное воздушное охлаждение, от слова «дутье»; если буква М – маслоохлаждаемый с естественной циркуляцией масла и воздуха, С – сухой). Комбинации букв могут быть сложными: например ТСЗ – трёхфазный, сухой, защищённый кожухом; ТМ – трёхфазный масляный (естественное охлаждение); ТД – трёхфазный масляный с дутьём (вентиляторы).
• Далее могут следовать буквы, указывающие на конструкцию обмоток или дополнительные устройства: например, Н в маркировке означает наличие устройства РПН (регулирование под нагрузкой, то есть встроенный переставной переключатель ответвлений под нагрузкой), Р – расщеплённая (раздвоенная) низковольтная обмотка, Т (в середине, как во втором примере) – трёхобмоточный трансформатор.
• Цифры через дефис обозначают мощность и класс напряжения: 40000/110 означает номинальная мощность 40000 кВА, высшее напряжение 110 кВ. Если трансформатор трёхфазный, эта мощность – суммарная по фазам.
• Дополнительные буквы в конце могут указывать на климатическое исполнение и категорию размещения: например, У1 – умеренный климат, категория 1 (наружная установка), ХЛ – холодный климат, Т – тропический и т.п. Также могут добавляться обозначения особых механических исполнений, например буква Г иногда указывает на сейсмостойкое или виброустойчивое (грузоупорное) исполнение.

В качестве иллюстрации можно привести другой пример: ТМ-1000/35-УХЛ1 – это трансформатор: Т – трёхфазный, М – масляный (естественное охлаждение), мощность 1000 кВА, высшее напряжение 35 кВ, климатическое исполнение УХЛ (умеренно-холодное), категория размещения 1 (открытая площадка). Такая маркировка позволяет специалисту быстро получить ключевые сведения о трансформаторе.

Классификация трансформаторов по областям применения

По области применения трансформаторы делятся на несколько типов (частично мы их уже упоминали в классификации по назначению):

• Силовые трансформаторы общего назначения (а также автотрансформаторы) мощностью от небольших (несколько кВА) до очень крупных (сотни МВА) – используются в системах передачи и распределения электроэнергии. Это подстанционные трансформаторы, которые мы видим на энергосистемных объектах, понижающие напряжение с уровня линий электропередачи до распределительного (например, 110 кВ → 10 кВ → 0,4 кВ). Также повышающие трансформаторы генераторного напряжения относятся сюда же.
• Специальные силовые трансформаторы – для питания промышленного оборудования: трансформаторы для электротермических установок (печные трансформаторы для дуговых и индукционных печей), для выпрямительных установок (преобразовательные трансформаторы в составе мощных выпрямителей и конверторов), для сварочных аппаратов (сварочные трансформаторы с понижающим и регулируемым напряжением, рассчитанные на большие токи при низком напряжении).
• Измерительные трансформаторы – трансформаторы тока (ТТ) и трансформаторы напряжения (ТН). Они используются совместно с электроизмерительными приборами и релейной защитой, чтобы безопасно измерять большие токи и высокие напряжения. Трансформатор тока понижает ток до стандартного значения (обычно 5 А или 1 А на выходе при номинальном первичном токе сотни или тысячи ампер), а трансформатор напряжения снижает высокое напряжение (например, 6-10-35 кВ до 100 В). При этом они обеспечивают гальваническую развязку, что важно для безопасности.
• Испытательные трансформаторы – специальные трансформаторы, предназначенные для получения очень высокого напряжения (сотни киловольт) при относительно малой мощности, для испытания изоляции, грозозащитных устройств и другого оборудования на электрическую прочность.
• Трансформаторы связи и автоматики, маломощные трансформаторы специального назначения – это небольшие трансформаторы (от долей вата до сотен ватт), используемые в источниках питания электронной аппаратуры, в устройствах связи, системах управления и сигнализации, а также в бытовых приборах (например, понижающие трансформаторы в зарядных устройствах, адаптерах). К ним предъявляются дополнительные требования по габаритам, безопасности (двойная изоляция) и стабильности параметров.

Устройство трансформатора: типы магнитопроводов и обмоток

Активная часть трансформатора состоит из магнитопровода (стального сердечника) и обмоток. Обмотки представляют собой изолированные проводники, намотанные таким образом, чтобы образовать замкнутые витки и катушки, охватывающие части магнитопровода. Обмотки электрически изолированы друг от друга, но связаны магнитно через общий сердечник. Магнитопровод служит для замыкания магнитного потока, создаваемого обмотками, и тем самым обеспечивает тесную магнитную связь между первичной и вторичной обмотками.

Магнитопровод трансформатора изготавливается из ферромагнитных материалов – как правило, из специальных сортов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями. Чтобы уменьшить потери на вихревые токи, магнитопровод выполняют не сплошным, а набирают из тонких стальных листов (ламинируют). Листы (толщиной порядка 0,28–0,5 мм) покрыты с обеих сторон тонкой изоляционной плёнкой (оксидной или лаковой) и собираются в пакет – такой слоистый сердечник резко снижает циркуляцию вихревых токов в стали. Листы укладывают внахлёст (так называемая шихтовка с перекрытием стыков) – либо с прямыми стыками, либо со скошенными (ступенчатый, «миткованный» стык). На рисунке ниже показаны два принципа соединения листов в углах магнитопровода: прямой и диагональный стык.

Магнитопроводы крупных трансформаторов стягиваются специальными конструкциями: стальными бинтами (обручами) вокруг стержней, стяжными шпильками через ярма, прессующими планками и уголками. Это необходимо, чтобы пластины держались плотно, не возникало вибраций и шума (гудения) при намагничивании, а также чтобы выдерживать усилия, возникающие при коротком замыкании. Стержни магнитопровода после установки обмоток часто дополнительно расклиниваются деревянными или пластиковыми клиньями, обеспечивая плотность пакета.

Конфигурация магнитной системы трансформатора может различаться. В трёхфазных трансформаторах широко применяется плоская стержневая магнитная система – три стержня (столба) магнитопровода расположены в одной плоскости, соединены двумя ярмами (верхним и нижним). Такая конструкция называется несимметричной, поскольку крайние и средний стержни находятся в несколько разных условиях (средний окружён двумя соседними фазами, а крайние – с одной стороны имеют «пустое» пространство). Тем не менее она технологична и преобладает до средних мощностей. Реже применяются симметричные пространственные магнитные системы – например, трёхфазный магнитопровод, в котором стержни расположены в пространстве под 120° друг относительно друга, соединены общими ярмами, образуя трёхмерную конструкцию. Симметричная система обеспечивает равенство магнитных путей для каждой фазы, что может снизить потери холостого хода и массу стали, но сложнее в изготовлении и применима ограниченно (в трансформаторах до ~6300 кВА).

Для очень мощных трансформаторов (свыше примерно 100 МВА) иногда применяют магнитопроводы с пятью стержнями. Пятистержневая схема представляет собой как бы два трёхфазных магнитопровода, объединённых общими ярмами: между тремя основными стержнями добавлены ещё два вспомогательных, через которые замыкается часть потока. Это делается с целью уменьшить высоту и массу каждого отдельного стержня (т.е. вместо трёх длинных стержней имеют пять более тонких), что упрощает транспортировку крупных трансформаторов (можно разобрать на части меньшего размера и веса). В нормальном режиме два крайних дополнительных стержня несут половину потока каждой из соседних фаз.

Форма поперечного сечения стержня

Форма поперечного сечения стержня также влияет на характеристики. Идеально обмотка должна наматываться на круглое сечение – тогда она наиболее компактна и равномерно заполнена. Поскольку пластины прямоугольные, на практике делают ступенчатое (составное) сечение стержня: несколько слоёв листов разных размеров образуют приближённый к окружности контур. Число ступеней (градаций) может быть от 3–5 (для небольших мощностей) до 7–10 (для крупных трансформаторов). С увеличением числа ступеней сечение ближе к кругу, обмотка плотно прилегает, уменьшается расход проводника и улучшается распределение изоляции и охлаждение.

На рисунке выше (условно) показаны примеры ступенчатого сечения. В ярмах обычно делают на 1–2 ступень меньше, а площадь сечения ярма принимают на 5–15% больше, чем у стержня, чтобы снизить магнитное насыщение в ярме и потери холостого хода (ведь через ярмо идет суммарный поток нескольких фаз у броневых систем или весь поток у стержневых).

Для облегчения охлаждения крупного магнитопровода в его пакетах оставляют охлаждающие каналы. Если диаметр условной окружности стержня D₀ превышает ~350 мм, стальные листы собирают в отдельные пакеты, между которыми вертикально располагаются промежутки (каналы) шириной порядка 6–12 мм – через них проходит масло или воздух, охлаждая сталь. Если диаметр превышает ~800 мм, делают также горизонтальные каналы (разбивая пакет и по высоте на секции). В маломощных трансформаторах и особенно в броневых конструкциях стержень может быть прямоугольного сечения без каналов (при небольшой толщине столба достаточен наружный обдув или пропитка эпоксидом для отвода тепла).

Особые материалы магнитопроводов применяют для высокочастотных трансформаторов. При частотах 400–500 Гц берут специальные низкопотерные марки кремнистой стали или даже пермаллой (железо-никелевый сплав с крайне низкими потерями). На частотах выше 10–20 кГц стальные магнитопроводы уже не применимы – используют ферритовые или порошковые сердечники (магнитодиэлектрики), которые работают эффективно на радиочастотах.

Отметим также, что в современных трансформаторах, особенно малой и средней мощности, появляются аморфные магнитопроводы – из лент аморфных металлических сплавов (например, железо ~78%, бор ~13%, кремний ~9%). Такие материалы имеют чрезвычайно низкие потери на перемагничивание (в разы ниже, чем у кремнистой стали), что позволяет снизить потери холостого хода трансформатора. Однако у них ниже насыщение и механическая прочность, поэтому широкое применение пока ограничено специфическими случаями (например, распределительные трансформаторы с пониженным холостым ходом).

Обмотки трансформатора

Перейдём к обмоткам трансформатора. Первичная обмотка подключается к источнику переменного тока (например, к питающей сети), вторичная обмотка – к нагрузке. При этом не важно, какая обмотка физически находится «первой» на магнитопроводе – первичность/вторичность определяется тем, с какой стороны подводится энергия. Для улучшения электромагнитной связи обмотки располагают как можно ближе друг к другу и к стальному сердечнику. В стержневых трансформаторах обычно низковольтную (НН) обмотку размещают непосредственно на стержне, а высоковольтную (ВН) – поверх неё, отделив достаточной изоляцией. Это уменьшает требуемую изоляцию между ВН-обмоткой и сердечником (потому что ближе к стали – НН обмотка на низкое напряжение относительно сердечника).

В трёхфазном трансформаторе термин обмотка может означать совокупность всех трёх фаз, принадлежащих одному напряжению. Например, говорят «обмотка ВН» – подразумевая три фазы высоковольтной обмотки, соединённые в звезду или треугольник. Обычно начало фаз первичной обмотки обозначают заглавными буквами A, B, C, концы фаз – X, Y, Z. Для вторичной обмотки применяют строчные буквы: начала фаз a, b, c, концы x, y, z. Эти обозначения используются на схемах и табличках для указания групп соединений и маркировки выводов.

Проводники обмоток изготавливаются из меди или алюминия, покрытого эмалевой или иной изоляцией. В силовых трансформаторах общего назначения мощностью до ~16000 кВА часто применяется алюминиевый обмоточный провод – он дешевле и легче, хотя несколько большего сечения, чем медный (из-за меньшей проводимости алюминия). В больших мощностях и в ответственных трансформаторах предпочтительна медь (медные обмотки прочнее, компактнее и надёжнее при долгой эксплуатации). Провод может быть круглого сечения (для небольших токов) или прямоугольного (плоская шина, для больших токов). Также применяются фольговые обмотки, о них ниже.

Конструкция обмоток. Основной элемент – виток (петля провода, охватывающая стержень). Несколько витков, намотанных рядом вдоль стержня, образуют слой обмотки. Группа витков, соединённых последовательно и конструктивно оформленных вместе (например, намотанных на отдельной оправке), называется катушка. Катушка может содержать один или несколько слоёв. Несколько катушек, последовательно соединённых между собой, образуют фазную обмотку. Иногда катушки выполняются секционными с отводами – для переключения напряжения (переключение ответвлений).

Обмотки одной фазы обычно делятся на две и более катушки по конструктивным причинам – так легче изолировать между собой участки обмотки, обеспечить охлаждение между катушками и упростить изготовление. Например, вместо одной очень длинной катушки можно выполнить две половинные и соединить их; между ними будет масляный канал для охлаждения.

Изоляция обмоток – критически важный узел трансформатора. Различают межвитковую изоляцию (между витками одного слоя – это обычно эмаль на проводе или лак), межслойную (прокладки из кабельной бумаги, лакоткани или другого материала между слоями), межкатушечную и основную изоляцию – между обмотками разных напряжений, а также между обмотками и сердечником (и другими заземлёнными частями). Основная изоляция создаётся комбинацией твердых изоляторов (например, цилиндров и прокладок из электро-картона, бумажных прессшпоновых колец, деревянных или текстолитовых расстояров) и промежутков, заполненных маслом или воздухом. Масляный трансформатор использует масло как жидкий диэлектрик, пропитывая им бумагу обмоток и заполняя все полости – такая масляно-бумажная изоляция обладает высоким электрическим пробивным напряжением. В сухих трансформаторах основная изоляция – это воздухные промежутки и твердые изоляторы (эпоксидные композиции, литьевая изоляция и пр.).

По направлению укладки витков различают правую и левую спираль обмотки (аналогично резьбе винта). Например, если смотреть со стороны одного конца стержня, витки могут наматываться по часовой стрелке (правая обмотка) или против часовой (левая). В однослойной цилиндрической обмотке это не играет большой роли (любую однослойную обмотку можно считать и правой, и левой в зависимости от выбора стороны обзора и вывода за начало). А вот в многослойных обмотках направление намотки обычно чередуется от слоя к слою: если первый слой намотан, скажем, по часовой стрелке, то после перехода на следующий слой провод ведут обратно и наматывают против часовой (это нужно, чтобы витки следующего слоя лежали поверх предыдущего от конца к началу – такая техника снижает риск пробоя между слоями на торцах). Дисковые катушки (плоские спирали) тоже могут быть правыми или левыми, но обычно их устанавливают попарно противоположно, чтобы компенсировать асимметрию.

Расположение обмоток на стержне делится на два главных типа: концентрическое (коаксиальное) и чередующееся. При концентрическом расположении

обмотки разных напряжений выполнены в виде цилиндров одинаковой высоты, надетых одна на другую на общем стержне. Такое решение применяется практически во всех стержневых трансформаторах: ближе к железному стержню располагают обмотку низшего напряжения (НН), поверх неё – обмотку высшего напряжения (ВН). Между ними – цилиндрические изоляционные барьеры и расстояния, часто заполненные маслом или другим диэлектриком. Концентрическая компоновка обеспечивает относительно простую изоляцию (большой цилиндрический барьер между обмотками), но магнитный поток рассеяния при этом несколько больше, чем в идеально чередованной обмотке, поскольку вся ВН обмотка находится снаружи НН и часть потока от её витков не сцепляется с внутренней обмоткой.

Чередующиеся (дисковые) обмотки

представляют собой набор плоских катушек, уложенных чередой: часть катушек принадлежит обмотке ВН, часть – обмотке НН, и они чередуются по высоте стержня. Такая конструкция характерна для броневых трансформаторов, где две колонки окружены общей магнитной рамой, и дисковые секции позволяют «переплетать» обмотки. Преимущество – крайне малый поток рассеяния (витки ВН и НН перемежаются, максимально приближены друг к другу). Недостаток – очень сложная изоляция, так как между множеством секций обмоток нужно разместить изоляционные прокладки, и конструкция оказывается менее устойчивой к динамическим силам короткого замыкания (множество небольших катушек труднее жестко закрепить). Поэтому чередующиеся обмотки применяются либо в относительно небольших трансформаторах, либо там, где особо важно малое рассеяние (например, в импульсной технике, измерительных трансформаторах, в некоторых высокочастотных устройствах).

В концентрических обмотках различают несколько типов намотки:

• Цилиндрическая обмотка – наиболее простая: витки каждого слоя намотаны плотно один к другому вдоль стержня. Если ток небольшой, используют круглый провод и делают много слоёв. Для больших токов берут более толстый провод прямоугольного сечения, тогда обмотку выполняют однослойной (витки в один слой по всей высоте катушки) или двуслойной. Прямоугольный провод укладывают плашмя или на ребро. При очень большом сечении проводника (более ~40–50 мм²) каждый виток делают составным из нескольких параллельных проволок – это нужно, чтобы избежать перегрева из-за эффекта близости и неравномерности распределения тока (несколько тонких проводников вместо одного толстого лучше охлаждаются и уменьшают потери от вихревых токов в проводе). Между слоями цилиндрической обмотки обычно делают радиальные каналы охлаждения (5–8 мм шириной) для циркуляции масла. Одно- и двуслойные цилиндрические обмотки применяют главным образом для низковольтных обмоток трансформаторов при токах до ~500–800 А. Многослойные цилиндрические – используются как высоковольтные обмотки на напряжения до примерно 35 кВ (выше 35 кВ обычно применяют более сложные типы, например, чередующиеся или спиральные секции, для улучшения распределения напряжения по виткам).
• Винтовая (спиральная) обмотка – её иногда путают с цилиндрической, но отличие в наличии осевых зазоров между витками. Винтовая наматывается по спирали вдоль стержня, с промежутками между соседними витками для прохождения охлаждающего масла. Обычно между витками оставляют зазор ~4–6 мм. Чтобы витки не «растягивали» обмотку слишком высоко, иногда делают промежутки через один виток (то есть витки попарно, между парами зазор). Каждый виток винтовой обмотки выполняется из нескольких параллельных проводников прямоугольного сечения (например, от 6 до 20 проводников в ширину витка), уложенных рядом по радиусу. Это своего рода «лента» из параллельных проволок. Чтобы через них протекал одинаковый ток, проводят транспозицию – периодически меняют их местами по ширине витка, так что каждый проводник на равном участке проходит то ближе, то дальше к сердечнику. Транспозиция выравнивает индуктивность и сопротивление параллельных проводов, предотвращая неравномерность нагрузки между ними. Винтовые обмотки благодаря своей прочной связке проводников и пропитке обладают высокой механической прочностью и стойкостью к силовым воздействиям (например, электродинамические силы при коротком замыкании распределяются по нескольким параллельным проводам и виткам). Их применяют главным образом как обмотки низкого напряжения в мощных трансформаторах, где токи велики (сотни и тысячи ампер). Например, в трансформаторах мощностью более нескольких МВА обмотка НН часто выполняется винтовой.
• Спиральная (дисковая) обмотка – представляет собой несколько последовательно соединённых катушек (дисков), намотанных плоской спиралью. То есть из провода формируют плоские круглые катушки (диски), которые нанизываются на стержень одна над другой, разделяясь радиальными каналами для охлаждения между дисками. Концы дисков соединяются последовательно особым образом без пайки – провод просто переходит от одного диска к другому (так называемое непрерывное чередование). В результате получается непрерывная обмотка: единый провод проходит через все диски, образуя последовательную цепь катушек. Если в витке спиральной обмотки также используются несколько параллельных проводников, их тоже транспонируют внутри каждого диска для равномерности. Спиральные обмотки делают из прямоугольного провода и применяют чаще всего для высоковольтных обмоток на напряжения 35 кВ и выше (например, в трансформаторах 110 кВ, 220 кВ и т.д.). Их плюс – хорошее охлаждение (масло циркулирует между каждым диском), высокое электрическое сопротивление короткого замыкания (малый ток КЗ благодаря большой распределенной индуктивности), минус – более сложная конструкция.
• Фольговые обмотки – их стоит упомянуть отдельно. В трансформаторах малой мощности (особенно низкого напряжения до 1–10 кВ) распространены обмотки, выполненные из алюминиевой или медной фольги. Широкая тонкая лента фольги (толщиной десятки микрометров) наматывается вместе с изоляционной лентой в несколько слоёв. Получается цилиндрическая обмотка, как бы состоящая из одного слоя очень большого числа параллельных проводников (по ширине фольги). Такая конструкция имеет исключительно высокую устойчивость к электродинамическим силам – по сути, виток – это цельная труба, которую трудно деформировать током КЗ. Кроме того, фольговая обмотка хорошо охлаждается (большая поверхность) и равномерно нагревается. Её недостаток – ограничение по напряжению (из-за большой емкости между слоями фольги), поэтому она применяется в трансформаторах до 6–10 кВ, в том числе в силовых раздающих трансформаторах и особенно часто – в малых силовых трансформаторах и дросселях для электроники.

По назначению обмотки трансформатора подразделяются на:

1. Основные обмотки – это те, через которые происходит передача полезной мощности. К ним относятся первичная и вторичная (или несколько вторичных) обмотки, непосредственно связанные с нагрузкой или источником.
2. Регулирующие обмотки – обмотки, имеющие ответвления (отводы) для переключения. Они используются для регулирования коэффициента трансформации, то есть изменения выходного напряжения. Регулирующая обмотка может быть частью основной (например, у трансформатора с РПН часть витков включается или выключается переключателем) или отдельной промежуточной обмоткой автотрансформаторного типа.
3. Вспомогательные обмотки – предназначены для специальных целей, не связанных с основной передачей энергии. Примеры: обмотка для питания собственных нужд (небольшая обмотка на пониженном напряжении для питания встроенных вентиляторов, маслонасосов, автоматики самого трансформатора), обмотка для компенсации третьей гармоники (так называемая «укороченная обмотка» – обычно треугольная замкнутая обмотка, в которой циркулируют токи 3-й гармоники, улучшая форму напряжения на выходе трансформатора), или обмотка для подмагничивания сердечника постоянным током (в специальных трансформаторах с управляемым намагничиванием). Такие обмотки могут отсутствовать в обычных трансформаторах, но встречаются в специальных исполнениях.

Конструктивные элементы трансформатора

Наконец, рассмотрим конструктивные элементы трансформатора, помимо активной части (сталь и медь). Здесь трансформаторы малой и большой мощности отличаются заметно.

Сухие трансформаторы (малой и средней мощности, до ~1-2 МВА, обычно напряжением до 10 кВ) не содержат жидкого диэлектрика. Их обмотки либо пропитаны лаком, либо залиты эпоксидным компаундом, либо открыты (выполнены на каркасах), а охлаждение происходит за счёт естественной циркуляции окружающего воздуха. Сухие трансформаторы могут быть открытого исполнения (для чистых помещений, обмотки и сердечник доступны для осмотра и охлаждаются напрямую воздухом) или в защищённом кожухе (для пыльных/влажных помещений – трансформатор помещён в перфорированный или решётчатый металлический шкаф, препятствующий попаданию мусора, но пропускающий воздух). Основной плюс сухих трансформаторов – пожаробезопасность (нет горючего масла) и простота обслуживания, минус – меньшая мощность при тех же габаритах (воздух хуже охлаждает).

Для большинства силовых задач (электросети, подстанции) преобладают масляные трансформаторы. Их конструкция включает бак – стальной герметичный резервуар, заполненный трансформаторным маслом, в котором погружены сердечник и обмотки (так называемая активная часть трансформатора). Масло выполняет двойную роль: электроизоляция (оно заполняет все промежутки между обмотками, пропитывает изоляцию, повышая её электрическую прочность) и отвод тепла (конвекцией и теплопроводностью переносит тепло от обмоток и стали к стенкам бака). Масло значительно эффективнее воздуха отводит тепло, поэтому масляный трансформатор при той же массе меди и стали может передать большую мощность или иметь меньшие превышения температуры. Недостаток масла – огнеопасность (горючая жидкость) и возможность утечек. Для повышения пожарной безопасности применяются негорючие жидкости (например, кремнийорганические, эстеры) в специальных трансформаторах, но они дорогие; чаще просто устанавливают трансформатор на безопасном расстоянии и оборудуют маслоприёмниками.

Бак масляного трансформатора, как правило, имеет овальную или прямоугольную форму с рёбрами жесткости. Он рассчитан выдерживать некоторое избыточное давление изнутри (до ~0,5 атм), которое может возникать при нагреве масла или авариях. Для перемещения тяжелых трансформаторов бак часто снабжён колесиками или салазками.

С ростом мощности трансформатора увеличиваются выделяемые им тепловые потери, поэтому применяют разные способы охлаждения бака:

• Для малых трансформаторов (мощностью до ~20–30 кВА) достаточно гладких стенок бака, охлаждение происходит естественной конвекцией воздуха вокруг бака.
• На трансформаторах средней мощности (десятки – тысячи кВА) бак снабжают радиаторами или трубчатыми стенками. Один вариант – вваренные трубы диаметром ~50–60 мм вдоль стенок бака (старый тип – так называемый трубчатый бак): масло циркулирует через эти трубы и охлаждается, увеличивается поверхность теплоотдачи. Другой вариант – гофрированные стенки бака (складчатые тонкие стенки, играющие роль радиаторов) – такое решение ещё и компенсирует температурное расширение масла (гофры могут чуть раздвигаться), позволяя сделать трансформатор герметичным без расширителя.
• Для больших трансформаторов (до ~10 МВА и выше) на бак навешивают отдельные выносные радиаторы – вертикальные секции из системы труб или оребренных каналов, соединённые с баком сверху и снизу фланцами. Масло циркулирует через радиаторы (естественная конвекция: нагреваясь, поднимается через верхний патрубок в радиатор, охлаждается, опускается по нему и возвращается в бак снизу). Радиаторы значительно увеличивают площадь охлаждения; их количество зависит от потерь трансформатора.
• При ещё больших мощностях (сотни МВА) естественной циркуляции может быть недостаточно – применяют принудительное маслоохлаждение. На крупных трансформаторах устанавливают маслонасосы, гоняющие масло через радиаторы, и вентиляторы, обдувающие радиаторы воздухом (или даже водяные теплообменники). Такие системы обозначаются в маркировке, например, как М – естественная циркуляция масла, Д – принудительное воздушное (дутьевое) охлаждение радиаторов вентиляторами, Ц – принудительная циркуляция масла (насосами), МЦ – комбинация: масло гонится насосом, воздух естественно, ДЦ – и масло, и воздух гоняются насосами/вентиляторами и т.д. Например, режим ONAN/ONAF в международной маркировке (Oil Natural Air Natural / Oil Natural Air Forced) – соответствуют естественному и дутьевому охлаждению.

На крышке бака трансформатора располагаются вводы обмоток, расширитель, предохранительные устройства. Вводы – это изоляционные проходные изоляторы, через которые концы обмоток выводятся наружу без потери герметичности. Каждый ввод представляет собой фарфоровый (или композитный) изолятор, внутри которого проходит металлический стержень или труба – токопроводящий проводник. Внутри бака к этому стержню присоединён провод от обмотки, а снаружи – линия потребителя или шинник. Конструкция вводов зависит от класса напряжения: для высоких напряжений фарфоровый изолятор делают длинным, с ребристыми юбками (для увеличения пути утечки и предотвращения перекрытия по поверхности во влажности). На вводах до ~1 кВ юбок может не быть (гладкий изолятор). Кроме того, вводы для установки под открытым небом отличаются от вводов для закрытых помещений: у уличных вводов обязательно есть ребра (дождевики), тогда как для сухих помещений изолятор может быть гладким, поскольку нет осадков и ток утечки мал.

Маслорасширитель (расширительный бак) – цилиндрический или овальный резервуар, обычно установленный сверху на крышке и сообщающийся трубой с основным баком. Он служит для компенсации изменения объёма масла при температурных колебаниях. В холодном состоянии масло стекает в бак, в жарком – расширяется и заполняет расширитель. Правило – при всех режимах основной бак должен быть полностью заполнен маслом; воздушная подушка находится только в верхней части расширителя. Благодаря этому, масло в основном баке не контактирует с внешним воздухом (уменьшается его окисление и влажность). В горловине расширителя обычно устанавливается маслоуказатель (стеклянный индикатор уровня масла) и иногда дыхательное устройство – фильтр с силикагелем, пропускающий воздух внутрь/наружу расширителя при больших колебаниях объёма, но осушающий его, чтобы в масло не попадала влага.

Между баком и расширителем на магистрали ставят газовое реле (реле Бухгольца) – защитный прибор, реагирующий на выделение газов в масле при повреждении (например, при пробое или перегреве внутри трансформатора появляются газовые пузырьки, которые поднимаются в расширитель через реле). Газовое реле обычно имеет два уровня срабатывания: сигнализация при медленном накоплении газа (небольшая неисправность, например, локальный перегрев) и аварийное отключение при резком выбросе газа или падении уровня масла (например, при коротком замыкании внутри, сопровождающемся испарением масла). Это важный элемент защиты маслонаполненных трансформаторов.

На случай серьёзной аварии, сопровождающейся внезапным выделением большого количества газа и резким ростом давления, на крышке бака делается предохранительное устройство – так называемая взрывная (выбросная) труба. Это короткая труба, выходящая из крышки вверх и герметично закрытая сверху лёгкой мембраной (обычно стеклянным диском или пластиковой пластиной). При превышении давления определённого порога мембрана разрушается, и пары масла и газ выходят наружу, предотвращая разрыв самого бака. После срабатывания такого устройства трансформатор, конечно, требует ремонта (замены мембраны, долива масла), но это лучше, чем непредсказуемый разрыв корпуса.

На баке также имеются различные технологические патрубки и клапаны: клапан для залива масла, краны для слива отстоя, для отбора проб масла, термометрические карманы (куда вставляются термометры или датчики для измерения температуры масла и обмоток). Крупные трансформаторы оборудуются системами охлаждения – например, вентиляторами на радиаторах (их включение управляется датчиками температуры), насосами масла, а также могут иметь систему охлаждения воздуха внутри трансформаторного шкафа (для сухих трансформаторов). Все эти элементы не относятся к электромагнитной сути работы трансформатора, но обеспечивают его надёжную работу в реальных условиях.

Принцип действия трансформатора: основные формулы и объяснения схем

Принцип работы трансформатора основан на явлении взаимной электромагнитной индукции между обмотками, охваченными общим магнитопроводом. При подключении первичной обмотки к переменному напряжению U₁ в ней протекает переменный ток I₁, создающий в сердечнике переменный магнитный поток Φ(t). Этот переменный магнитный поток пронизывает витки вторичной обмотки и индуцирует в ней ЭДС E₂ согласно закону электромагнитной индукции.

Принцип действия трансформатора основан на явлении взаимной электромагнитной индукции между двумя (или более) обмотками, находящимися на общем магнитопроводе. Рассмотрим для простоты однофазный трансформатор с одной первичной и одной вторичной обмоткой (схема на рисунке).

При подаче на первичную обмотку переменного напряжения U₁ в ней протекает переменный ток I₁, порождающий переменный магнитный поток Φ(t) в сердечнике. Переменный магнитный поток, замыкающийся по магнитопроводу, пронизывает витки вторичной обмотки и, согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, индуцирует в ней электродвижущую силу (ЭДС) E₂. Аналогично, этот же переменный поток индуцирует ЭДС E₁ в витках первичной обмотки (самоиндукция). В установившемся режиме формы напряжений и потоков синусоидальны, и можно записать основное уравнение трансформатора для ЭДС:

E_1 = -N_1 \frac{d\Phi}{dt}, \qquad E_2 = -N_2 \frac{d\Phi}{dt}

где N₁ и N₂ – число витков первичной и вторичной обмоток соответственно. Отношение ЭДС пропорционально числам витков:

\frac{E_1}{E_2} = \frac{N_1}{N_2}.

В инженерной практике вводят коэффициент трансформации k как отношение первичного напряжения к вторичному при режиме холостого хода (когда вторичная цепь разомкнута и ток I₂ приблизительно равен 0):

k \;=\; \frac{U_1}{U_2} \approx \frac{E_1}{E_2} = \frac{N_1}{N_2}\,

Если k > 1, трансформатор понижающий (напряжение во вторичной обмотке ниже первичного), если k < 1 – повышающий.

В режиме холостого хода (вторичная обмотка разомкнута) напряжения равны ЭДС: U₁ ≈ E₁, U₂ ≈ E₂. Поэтому равенство справедливо для напряжений (если не учитывать небольшую просадку U₁ на внутреннем сопротивлении обмотки). Меняя соотношение числа витков N₁ и N₂, можно получить практически любое требуемое напряжение на выходе трансформатора.

Трансформатор не создаёт энергию, а только преобразует параметры – напряжение и ток. В установившемся режиме (пренебрегая потерями) мощность на первичной и вторичной стороне равны. Обозначим S₁ = U₁I₁ – полная мощность, подведённая к первичной обмотке, и S₂ = U₂I₂ – полная мощность на нагрузке. Тогда в идеальном трансформаторе:

S_1=S_2

а с учётом отношения витков N₁/N₂ можно показать, что:

I_2 = I_1 \frac{N_1}{N_2} = I_1 k

то есть, при понижении напряжения (если k>1), ток во вторичной обмотке увеличивается во столько же раз. И наоборот, повышающий трансформатор (малое k<1, или k_T по другому определению) даёт на вторичной стороне меньший ток при более высоком напряжении. Формально это вытекает из равенства мощностей:

U_1 I_1 \approx U_2 I_2, \quad \text{откуда} \quad \frac{I_2}{I_1} \approx \frac{U_1}{U_2} = k.

Трансформатор обеспечивает согласование параметров: при k раз меньшем вторичном напряжении, ток больше примерно в k раз (идеально). Благодаря этому можно передавать ту же мощность при разных уровнях напряжения, что имеет решающее значение для электроэнергетики (высокое напряжение – малые токи – малые потери в линиях; затем понижаем напряжение и получаем большие токи для питания приборов).

Трансформатор может работать только на переменном токе. Если подключить первичную обмотку к постоянному напряжению, в сердечнике установится постоянный магнитный поток, который не индуцирует ЭДС во вторичной обмотке (нет изменения потока – нет индукции). Более того, в самой первичной обмотке также пропадёт противодействующая ЭДС, и ток ограничится лишь активным сопротивлением обмотки r₁. Обычно r₁ очень мало (намоточный провод толстый), поэтому через обмотку пойдёт чрезвычайно большой ток, что приведёт к перегреву и выходу трансформатора из строя. Поэтому включение трансформатора в сеть постоянного тока недопустимо.

При нагрузке трансформатора на вторичной стороне течёт ток I₂, который своим магнитодвижущим действием создаёт поток, противодействующий первичному (по закону Ленца). В результате в первичной обмотке увеличивается ток I₁ по мере подключения нагрузки – так, чтобы поддерживать необходимый магнитный поток. В установившемся режиме трансформатор настраивается так, что

I_1 N_1 \approx I_2 N_2

то есть магнитодвижущие силы двух обмоток практически уравновешиваются (невязка идёт на намагничивание сердечника и покрытие потерь). Отсюда I₁/I₂ ≈ N₂/N₁, что согласуется с выводом о токах выше.

С учётом внутренних сопротивлений трансформатора (активное сопротивление обмоток r₁, r₂ и рассеянная индуктивность из-за утечки потока) реальные соотношения немного отличаются. Например, под нагрузкой U₂ чуть меньше E₂ (падение напряжения на r₂ и x₂), а U₁ чуть больше E₁ (ток I₁ создает падение на r₁ и x₁). Однако для общего понимания принципа действия это несущественно.

Ещё одно важное свойство трансформатора – он изменяет сопротивление нагрузки при взгляде со стороны первичной обмотки. Если на вторичной подключено некоторое сопротивление R_н (например, реостат), то первичная обмотка будет «видеть» эквивалентное сопротивление R = k² R_н (в пересчёте на первичную сторону). Например, если трансформатор понижающий 10:1 питает на вторичной лампочку 10 Ом, то со стороны первички эквивалент около 100 * 10 = 1000 Ом. Это свойство позволяет согласовывать импедансы в цепях.

Трансформатор – очень эффективное устройство для преобразования переменного напряжения и тока. В идеале он не вносит потерь мощности (кроме неизбежных небольших тепловых потерь), не изменяет частоту, обеспечивая при этом гальваническую развязку между цепями. Благодаря трансформаторам стала возможной система переменного тока с генерацией, передачей и распределением электроэнергии, гибко адаптированной к потребностям.