Трансформаторы.

Трансформатор - статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины одной и той же частоты.

По назначению трансформаторы подразделяют на силовые и специального назначения (автотрансформаторы, измеритель­ные, сварочные и др.).

Силовые трансформаторы по виду питающего напряжения могут быть однофазными и трехфаз­ными. По виду преобразования: повышающими и понижающими.

В основе работы трансформатора лежит явление взаимоиндук­ции, т. е. возможность передачи энергии с помощью электромаг­нитного поля от одной обмотки к другой.

Конструктивные схемы трансформаторов различны, но все они имеют:

• магнитопровод 1, в качестве которого используются ферромаг­нитные материалы (трансформаторное железо, электротехни­ческая листовая сталь или ферриты). Он служит для усиления магнитной связи между обмотками за счет уменьшения магнит­ного сопротивления;

• обмотки 2 (две или более) из изолированного провода, распола­гаемые на магнитопроводе и сцепленные общим магнитным по­током.

К одной из обмоток трансформатора подводится переменное напряжение U₁ от источника питания. Эта обмотка называется первичной, а вторая – вторичной. Мгновенные значения ЭДС первичной и вторичной обмоток, как следует из явления электромагнитной индукции, имеют выражения

e₁=−w₁ dФ/dt ; e₂=−w₂ dФ/dt,

а их действующие значения (при синусоидальном изменении) соответственно равны: E₁=4,44w₁fФ_m; E₂=4,44w₂fФ_m.

Разделив значения ЭДС первичной цепи на соответствующее значение ЭДС вторичной цепи, получим

e₁/e₂=E₁/E₂=w₁/w₂=k

Отношение количества витков первичной обмотки трансформатора к количеству витков его вторичной обмотки k называется коэффициентом трансформации.

Основные параметры трансформатора, приводимые в паспорт­ных данных или на щитке:

• полная (кажущаяся) мощность, В*А;

• линейные токи, А;

• линейные напряжения, В;

• частота, Гц.

В основу работы трансформатора положен принцип элек­тромагнитной индукции. Если к первичной обмотке транс­форматора с числом витков w₁ подводится переменное сину­соидальное напряжение u₁ = Um sin ωt, то по обмотке начина­ет течь ток i₁, который создает намагничивающую силу (н. с.) i₁w₁ Под действием н. с. в сердечнике возникает переменный магнитный поток Ф = Ф_msinωt, наводящий в первичной об­мотке ЭДС самоиндукции e₁=−w₁dФ/dt, которая стремится уравновесить приложенное напряжение u₁, а во вторичной обмотке с числом витков w₂ — ЭДС взаимоиндукции e₂=−w₂ dФ/dt. Именно эта ЭДС является причиной появления на нагрузке напряжения u₂ = е₂ –i₂R₂- где i₂ — ток во вторич­ной обмотке; R₂ — активное сопротивление вторичной об­мотки .

Сказанное ранее можно представить в виде следующей схемы:

Магнитный поток в сердечнике при работе трансформатора под нагрузкой определяется результирующей намагничивающих сил первичной и вторичной обмоток, равной i₁w₁ – i₂w₂, а на холостом ходу – только намагничивающей силой первичной обмотки i_ow₁, где i₀ – ток холостого хода трансформатора

Потери мощности и КПД трансформатора

При работе под нагрузкой трансформатор передает мощность от первичной обмотки к нагрузке не полностью. Часть мощности теряется. Это потери электрические, свя­занные с нагревом первичной (теряется мощность Р_э1) и вторичной (Р_э2) обмоток, и потерях магнитных (Р_м) на вихревые токи и гисте­резис (перемагничивание сердечника): где Р₂ — мощность нагрузки; P₁ — мощность в первичной обмотке.

Р₂ = P₁ – (Р_э1 + Р_э2 + Р_м)

Среди электрических машин трансформатор обладает наивыс­шим КПД (86...99%), поскольку у него отсутствуют механические потери, связанные с дополнительными преобразованиями электро­магнитной энергии в механическую.

Расчет и определение КПД трансформатора ведут косвенны­ми методами, связанными с определением суммарных потерь

В основу этих методов положены опыты холостого хода (XX) и короткого замыкания (КЗ), в процессе ко­торых могут быть определены магнитные Р_м и электрические Р_э1 и Р_э2 потери.

Опыт холостого хода проводится при номинальном напряже­нии на первичной обмотке и разомкнутой вторичной обмотке. Вся мощность представляет собой магнитные потери Р_м = Р_хх . Эти потери измеряются с помощью ваттметра, установленного в цепи первичной обмотки.

Опыт короткого замыкания проводится при номинальных токах в обмотках и пониженном напряжении на первичной обмотке.

Так как ток по обмоткам течет номинальный, то и электрические потери номинальные. Поскольку прикладываемое к первичной об­мотке напряжение мало, то и магнитный поток Ф мал, в связи с чем магнитными потерями можно пренебречь. Можно считать, что из­меренная ваттметром в опыте КЗ мощность пред­ставляет собой электрические потери (Р_кз = Р_э1 + Р_э2).

Полученные в результате опытов холостого хода и короткого замыкания показания ваттметров позволяют вычислить КПД трансформатора:

 =

Внешняя характеристика трансформатора

Внешняя характеристика трансформатора отражает зави­симость напряжения на нагрузке U₂ от тока нагрузки 1₂ при постоянном напряжении на первичной обмотке (U₁ = const) и неизменном характере нагрузки (cosφ = const).

Вид внешней характеристики существенно зависит от характе­ра нагрузки.

При чисто активной нагрузке (cosφ =1 — лампа накаливания, нагреватель) внешняя характеристика слегка падающая, что объясняется увеличением падения напряжения на активном сопротивлении обмоток с ростом тока нагрузки. В слу­чае индуктивной нагрузки (cosφ < 1 — дроссель, сварочный транс­форматор, электрический двигатель) напряжение при увеличении тока может падать довольно резко, так как индуктивная состав­ляющая тока размагничивает сердечник. При емкостной нагрузке (cosφ <1 — синхронная машина в режиме компенсатора, батарея конденсаторов) напряжение с увеличением тока может расти, так как емкостная составляющая тока подмагничивает сердечник.

Изменение вторичного напряжения принято выражать в про­центах от номинального напряжения:

где — напряжение на вторичной обмотке соответственно при холостом ходе и при номинальной нагрузке.

Разновидности трансформаторов

Трехфазные трансформаторы. Для понижения или повышения трехфазного напряжения могут быть использованы три однофазных трансформатора, однако в це­лях экономии материала применяют один трехстержневой транс­форматор с несимметричной магнитной цепью.

В трехфазных трансформаторах коэффициент трансформации линейных напряжений зависит от схемы соединения обмоток. Поэтому в трехфазных транс­форматорах говорят о коэффициенте трансформации фазных на­пряжений.

Автотрансформатор имеет лишь одну обмотку с отводом, т. е. его вторичная обмотка является частью первичной обмотки. Таким образом, коэффициент трансформации автотрансформа­тора всегда меньше 1, поэтому такой трансформа­тор всегда является понижающим. Широкое применение автотрансформаторы нашли в качестве регуляторов напряжения. Они позволяют осуществлять регулиро­вание плавно и дискретно.

Измерительные трансформаторы служат для преобразова­ния переменного тока и напряжения в целях удобства их из­мерения стандартными электроизмерительными приборами и повышения безопасности работы.

Трансформатор напряжения (TH) — это понижающий транс­форматор с коэффициентом трансформации 0,1; 0,01 и менее. В его вторичную цепь включают вольтметр, параллельные цепи ваттме­тров и счетчиков энергии. Сопротивление этих приборов близко к бесконечности. TH работает в режиме холостого хода.

Трансформатор тока (ТТ) — это повышающий трансформатор по напряжению с коэффициентом трансформации 10, 100 и более. Следовательно, по току ТТ является понижающим трансформато­ром. Его первичная обмотка имеет один—три витка и включается в цепь, где проводятся измерения, последовательно с нагрузкой. В цепь вторичной обмотки включаются приборы с малым сопро­тивлением (амперметр, токовая катушка ваттметра). ТТ работает в режиме короткого замыкания.