Холуянов Ф.И. - Трансформаторы однофазного и трехфазного тока

Автор книги—профессор Электротехнического института им. В. Ульянова-Ленина в Ленинграде. Книга содержит краткую теорию явлений в однофазных и трехфазных трансформаторах и описание их конструкций. Материал дается в объеме, прорабатываемом в электротехнических ВТУЗах. При некоторых сокращениях тот же материал может быть изучаем и в электротехникумах.

ПРЕДИСЛОВИЕ.

Трансформатором в электротехнике называется аппарат, преобразующий электрическую энергию переменного тока в электрическую же энергию переменного тока. В этом аппарате нет непрерывно вращающихся частей. Поэтому трансформатор не является машиной в обычном смысле этого слова; но так как в трансформаторе все же имеет место преобразование энергии и притом это преобразование, как и в обычных электрических машинах, происходит при посредстве магнитного потока, то он весьма близко к ним подходит по явлениям, в нем происходящим. На этом основании курс трансформаторов составляет неотъемлемую часть общего курса электрических машин.

Трансформатор является необходимейшим элементом электрической установки переменного тока. Он облегчает передачу энергии на далекие расстояния, он же облегчает ее распределение между крупными и самыми мелкими приемниками. Благодаря применению трансформатора, позволяющего получать переменный ток при любом напряжении, облегчается производство электрических машин переменного тока, которые не могут работать при слишком высоких напряжениях, а также электрической аппаратуры и приемников электрической энергии. Только благодаря трансформатору переменный ток получил широчайшее распространение, отодвинув постоянный ток, не имеющий своего трансформатора, на второе и относительно весьма скромное место.

Трансформаторы, как и электрические машины, характеризуются, в основном, мощностью и напряжением. Диапазон мощностей и напряжений современных трансформаторов весьма широк. Имеются трансформаторы мощностью 0,5 VA, но имеются трансформаторы мощностью и в 100 000 kVA в одной единице. Точно так же существуют трансформаторы с напряжением 2—3V, но существуют трансформаторы с напряжением 1 миллион вольт или 1000 kV. Последнее напряжение имеется у трансформаторов лабораторного типа. Наивысшие напряжения промышленных трансформаторов — ПО kV и 220 kV. Причины ограничения предельного напряжения промышленных трансформаторов кроются не в производстве трансформаторов, а в устройстве линий передачи и высоковольтной аппаратуры. Точно так же причины ограничения мощности трансформатора величиною 100000 kVA в одной единице лежат не в трансформаторе, а в условиях железнодорожного транспорта. Размеры мощного трансформатора (свыше 100 000 kVA) при высоком напряжении получаются настолько значительными, что трансформатор с его баком и выводами (изоляторами) уже не вмещается в железнодорожный габарит даже при специально для него построенной тележке.

Рост мощности центральных электрических станций, а также проблема единой высоковольтной сети выдвигает мощное трансформаторостроение и у нас, в СССР. В настоящее время электрозавод в Москве уже строит трансформаторы (однофазные) мощностью 20 000 kVA с напряжением 220/110 kV. Ведется подготовка к производству мощных трансформаторов высокого напряжения с применением собственных, неимпортных, изоляционных материалов. Настоящая книга имеет целью дать основные сведения об устройстве и работе трансформаторов однофазного и трехфазного тока.

Она является одним из звеньев серии руководств по электрическим машинам, которые предназначаются для проработки учащимися в электротехнических ВТУЗах и техникумах — очных и заочных. Инж. А. В. Трамбицкому, просмотревшему рукопись и сделавшему ряд указаний, приношу глубокую благодарность.

ГЛАВА ПЕРВАЯ.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВА ОДНОФАЗНЫХ И ТРЕХФАЗНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ.

§ 1. Работа однофазного трансформатора вхолостую.

Трансформаторами в электротехнике называют такие аппараты, в которых электрическая энергия переменного тока от одной не- подвижной катушки из проводника передается другой неподвижной же катушке из проводника, не связанной с первой электрически. Звеном, передающим энергию от одной катушки другой, является магнитный поток, сцепляющийся с обеими катушками и непрерывно меняющийся по величине и по направлению. На рис. 1а изображен простейший трансформатор, состоящий из двух катушек и, расположенных коаксиально одна над другой.

К катушке / подводится переменный ток от генератора переменного тока Г; эта катушка называется первичной катушкой или первичной обмоткой. С катушкою //, называемой вторичной катушкой или вторичной обмоткой, соединяется цепь электрической энергии.

Действие трансформатора заключается в следующем. При прохождении тока в первичной катушке / ею создается магнитное поле, силовые линии которого пронизывают не только создавшую их катушку, но частично и вторичную катушку //. Примерная картина распределения силовых линий, создаваемых первичною катушкою, изображена на рис. lb. Как видно из рисунка, все силовые линии замыкаются вокруг проводников катушки /, но часть их (на рис. lb силовые линии 1, 2. 3, 4) замыкаются также вокруг проводников катушки //. Таким образом катушка // является магнитно связанной с катушкою / при посредстве магнитных силовых линий. Степень магнитной связи катушек / и //, при коаксиальном расположении их, зависит от расстояния между ними: чем дальше катушки друг от друга, тем меньше магнитная связь между ними, ибо тем меньше силовых линий катушки / сцепляется с катушкою //. Так как через катушку / проходит, как мы предполагаем, переменный ток, т. е. ток, меняющийся во времени по какому-то закону, например по закону синуса, то и магнитное поле, им создаваемое, также будет меняться во времени по тому же закону. Например, когда ток в катушке / проходит через наибольшее значение, то и магнитный поток, им создаваемый, также проходит через наибольшее значение; когда ток в катушке / проходит через нуль, меняя свое направление, то и магнитный поток проходит через нуль, также меняя свое направление. В результате изменения тока в катушке / обе катушки I и II пронизываются магнитным потоком, непрерывно меняющим свою величину и свое направление. Согласно основному закону электромагнитной индукции при всяком изменении пронизывающего катушку магнитного потока в катушке индуктируется переменная электродвижущая сила. В нашем случае в катушке / индуктируется электродвижущая сила самоиндукции, а в катушке // индуктируется электродвижущая сила взаимоиндукции.

Если концы катушки // соединить с цепью приемников электрической энергии (см. рис. 1а), то в этой цепи появится ток; следовательно, приемники получат электрическую энергию. В то же время к катушке / от генератора направится энергия, почти равная энергии, отдаваемой в цепь катушкой //. Таким образом, электрическая энергия от одной катушки будет передаваться в цепь второй катушки, совершенно не связанной с первой катушкой гальванически (металлически). Средством передачи энергии в этом случае является только переменный магнитный поток. Изображенный на рис. 1а трансформатор весьма несовершенен, ибо между первичной катушкой / и вторичной катушкой // магнитная связь невелика.

Магнитная связь двух обмоток, вообще говоря, оценивается отношением магнитного потока, сцепляющегося с обеими обмотками, к потоку, создаваемому одной катушкой.

Из рис. lb видно, что только часть силовых линий катушки / замыкается вокруг катушки //. Другая часть силовых линий (на рис. lb— линии 6, 7, 8) замыкается только вокруг катушки /. Эти силовые линии в передаче электрической энергии от первой катушки ко второй совершенно не участвуют, они образуют так называемое поле рассеяния.