Принцип действия трансформатора. Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, установленное в цепях переменного тока, для преобразования электроэнергии с одним соотношением тока и напряжения в электроэнергию с другим соотношением этих величин (преобразовывать постоянный ток трансформатор не может). Его работа основана на принципе взаимной индукции. Простейший однофазный трансформатор (рис. 3.71, а) состоит из прямоугольного сердечника, собранного из листовой стали и двух расположенных на нем, не связанных между собой, обмоток с разным числом витков — первичной и вторичной.

Рис. 3.71. Принципиальная схема трансформатора (а) и направление эдс, напряжений и токов в трансформаторе (б)

Обмотка I подключена к источнику переменного тока, с обмотки II снимается требуемое переменное напряжение, к ней подсоединяют потребители.

После включения первичной обмотки трансформатора в сеть переменного тока в ее витках протекает переменный ток i₁ Он создает переменный магнитный поток Ф, который замыкается по сердечнику трансформатора. Этот поток пронизывает витки обеих обмоток и индуцирует в них переменные эдс е₁ и е₂. Магнитный поток трансформатора Ф определяется величиной питающего напряжения U₁ т.е. зависит от величины напряжения и частоты переменного тока источника, к которому подсоединен трансформатор. От величины магнитного потока и скорости его изменения зависит эдс, индуцированная в витках первичной и вторичной обмоток. Эдс e₁ и е₂ будут прямо пропорциональны числам витков w₁ и w₂ этих обмоток, т.е. е₁/е₂=w₁/w₂=к_т, где к_т — коэффициент трансформации. Если пренебречь падением напряжения в обмотках, можно считать, что отношение напряжения U₁ первичной обмотки к напряжению U₂ вторичной обмотки приблизительно равно отношению числа их витков: U₁/U₂≈w₁/w₂=к_т.

Подбирая нужное соотношение витков катушек, можно увеличивать или уменьшать напряжение. При этом надо помнить, что увеличения мощности в трансформаторе не происходит. Отношение токов в обмотках трансформатора обратно пропорционально отношению напряжений: I₁/I₂≈U₁/U₂≈e₁/e₂.

Режим, при котором первичная обмотка подсоединена к источнику тока, а вторичная разомкнута, называется холостым ходом. Через первичную обмотку протекает незначительный ток холостого хода.

Если вторичную обмотку замкнуть на внешнюю нагрузку R_н(рис. 3.71, б), то в цепи начнет протекать ток i₂. Поскольку e₂ вызвана тем же магнитным потоком, что и е₁, направления обеих эдс одинаковы. Эдс е, является источником тока во вторичной цепи i₂ и, естественно, совпадает с ним по направлению. Проходя по вторичной обмотке, ток i₂ создает магнитодвижущую силу i₂ · w₂ которая действует в магнитной цепи сердечника вместе с магнитодвижущей силой i₁ · w₁ первичной обмотки. Магнитный поток в сердечнике создается совместным действием магнитодвижущих сил обеих обмоток.

Вторичный ток i₂ направлен так, что препятствует изменению магнитного потока. Следовательно, он вызывает уменьшение потока, действуя встречно магнитодвижущей силе первичной обмотки. Это соответствует противоположному направлению токов i₁ и i₂ в обмотках трансформатора.

При увеличении тока i₂ произойдет уменьшение магнитного потока трансформатора, что, в свою очередь, приведет к уменьшению эдс в первичной обмотке и, как следствие, к увеличению тока i₁. Магнитодвижущая сила первичной обмотки и результирующий магнитный поток возрастают. Ток i₁ увеличивается до тех пор, пока не восстановится равновесие между внешним напряжением U₁ и эдс e₁.

Таким образом, увеличение тока i₂ вследствие возрастания нагрузки приводит к увеличению тока i₁. При уменьшении вторичного тока, первичный ток также снижается. В этом проявляется общий принцип саморегулирования электрических машин.

Трансформатор управления 1ТР.021. Этот трехфазный трансформатор (по схеме ТрУ) используют на прицепном и головном вагонах. Электрические процессы в нем протекают аналогично описанным. Трансформатор ТрУ является понижающим: на первичные обмотки, соединенные «звездой», подается переменное напряжение синхронного генератора 220 В стандартной частоты 50 Гц. Нагрузкой вторичных обмоток является выпрямительный мост Д32…Д37, от плюсовой и минусовой шин которого питаются цепи управления напряжением 110 В.

Трансформатор имеет дополнительную вторичную обмотку с выводом 75ДА, 75ВА, так называемую вольтдобавку, которая через диод Д38 подсоединена к аккумуляторной батарее. Дополнительная обмотка обеспечивает повышенное напряжение для нормального заряда батареи (в ней наводится напряжение около 50 В). Переставляя предохранитель Пр19 в один из четырех зажимов, можно менять число ампер-витков обмотки и регулировать зарядный ток в зависимости от окружающей температуры (рис. 3.72).

Рис. 3.72. Схема включения трансформатора управления ТрУ

Коэффициент трансформации выбран с таким расчетом, чтобы в цепи управления получать 110 В (учитывая потери). Трансформаторы ТрУ прикрепляют к основанию при помощи уголков. На трех стержнях трансформатора насажены катушки, имеющие выводы под контактные зажимы.

Трансформатор возбуждения 1.ТР.060. Первичные обмотки трансформатора возбуждения ТрВ запитываются напряжением синхронного генератора через контактор возбуждения КВ по проводам 81, 82, 83. К вторичным обмоткам через тиристорный преобразователь (управляемый выпрямительный мост) Тт1…Тт6 подсоединяются обмотки возбуждения тяговых двигателей в режиме электрического торможения с независимым возбуждением. Поскольку они входят в высоковольтную схему, а цепи генератора управления относятся к низковольтным цепям, трансформатор ТрВ обеспечивает гальваническую развязку цепей. Он понижает напряжение, которое подается на тиристорный мост Тт1…Тт6. Тиристорами управляет блок САУТ по команде контроллера машиниста (рис. 3.73).

Рис. 3.73. Схема включения трансформатора возбуждения ТрВ

Трансформатор ТрВ расположен в подвагонном ящике моторного вагона и при помощи угольников крепится к основанию. Как и у трансформатора ТрУ, на трех стержнях сердечника насажены катушки с выводами.

Дифференцирующий трансформатор 1ТР.060. Этот трансформатор (по схеме ТрД) вместе с реле ДР обеспечивает дифференциальную защиту силовой цепи тяговых двигателей. Во всех аварийных режимах (пробой изоляции, переброс на заземленные части и т.д.) он реагирует на разность скоростей изменения тока короткого замыкания в начале и конце силовой схемы. Его первичная обмотка состоит из двух катушек Н2-К2 и Н3-К3, которые включены встречно в начало и конец силовой цепи (рис. 3.74).

Рис. 3.74. Схема включения дифференцирующего трансформатора ТрД

Если аварийное нарастание тока протекает достаточно быстро (понятия «быстро» или «медленно», разумеется, условные), трансформатор срабатывает, и с его вторичной обмотки Н1-К1 подается сигнал на блок защиты. В результате срабатывают контактор защиты КЗ и быстродействующий выключатель БВ, разрывая цепь тяговых двигателей.

При неполных коротких замыканиях процесс нарастания аварийного тока затягивается, и трансформатор может не среагировать. В таких случаях сработает дифференциальное реле ДР, реагирующее на разность самих токов, а не на разность скоростей их изменения.

Компаундирующий трансформатор 1ТР.088. При включении асинхронных двигателей, например двигателей компрессоров, возникает значительный бросок пускового тока и, как следствие, кратковременное снижение напряжения в цепях управления (кратковременно мигают лампы главного освещения и др.). Этот провал напряжения позволяет компенсировать компаундирующий трансформатор (по схеме ТрК). За счет броска пускового тока в его обмотках Н1-К1 и Н2-К2 (рис. 3.75) создается дополнительное напряжение. Оно выпрямляется мостом Д61…Д64 и прикладывается к обмотке возбуждения генератора. Повышенный ток в обмотке возбуждения в момент включения компрессора кратковременно увеличивает напряжение генератора.

Рис. 3.75. Схема включения компаундирующего трансформатора ТрК

Катушки трансформатора — бескаркасные, покрыты эпоксидным клеем. Аппарат прикрепляют к основанию при помощи уголков.

Стабилизирующий трансформатор 1ТР.030. Стабилизирующий трансформатор (по схеме ТрС) применяют для гашения автоколебаний, возникающих при изменениях тока в независимой обмотке возбуждения Н1-Н2 двигателя преобразователя.

Первичная обмотка трансформатора w₁ (рис.3.76) введена в цепь напряжением 3000 В и по ней протекает ток якоря двигателя преобразователя. Со вторичной низковольтной обмотки w₂ подается сигнал на блок регулятора частоты БРЧ.

Рис. 3.76. Схема включения стабилизирующего трансформатора ТрС

Первичная обмотка — бескаркасная, залита эпоксидным компаундом. Вторичная обмотка намотана на каркасную катушку. Трансформатор прикрепляют уголками к основанию.