Принцип действия, основные технические данные и особенности однофазных трансформаторов

Рассмотрим простейший однофазный трансформатор (рисунок 4).

Рисунок 4 – Принципиальная схема однофазного трансформатора

Он состоит (рисунок 4) из двух обмоток 1,2 и магнитопровода 3, по которому замыкается основной рабочий магнитный поток Ф, сцепленный с первичной 1 и вторичной 2 обмотками.

Поток Ф обусловливается магнитодвижущимися силами (МДС) и , где и – токи в первичной и вторичной обмотках, а и - количество витков в них. МДС и также создают потоки рассеяния и , которые замыкаются, в основном, по воздуху и сцеплены со своими обмотками.

Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции. Функциональная связь параметров приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Функциональная связь параметров трансформатора

При включении первичной обмотки в цепь переменного тока с напряжением и частотой тока по ее виткам проходит ток , который создает МДС . Эта МДС обусловливает основной рабочий магнитный поток Ф и поток рассеяния , которые наводят в первичной обмотке ЭДС самоиндукции и ЭДС рассеяния . Замыкаясь по магнитопроводу магнитный поток наводит ЭДС во вторичной обмотке.

При подключении к трансформатору нагрузки по вторичной обмотке протекает ток , который создает МДС . Эта МДС обусловливает поток рассеяния , сцепленный с обмоткой 2 (рисунок 4), а также оказывает влияние на основной магнитный поток . Поток рассеяния наводит ЭДС рассеяния

.

Основные уравнения, раскрывающие функциональную связь параметров трансформатора, имеют вид:

; (1)

; (2)

, (3)

где: ; ;

- ток холостого хода.

Уравнение (1) показывает, что напряжение питания уравновешивается ЭДС самоиндукции и падением напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях первичной обмотки. Величина мала. Так, при она составляет всего (3-7)% от . При этом , т.е. основное сопротивление в обмотке индуктивное.

Величина тока зависит от величины тока нагрузки . В режиме холостого хода потребляемый ток составляет (5-10) % от .

Выражение (2) является уравнением напряжения во вторичной цепи. В режиме холостого хода , а в режиме КЗ , т.е. . В режиме нагрузки изменение зависит от вида нагрузки (рисунок 6).

Рисунок 6 - Внешняя характеристика трансформатора:

1 - индуктивная нагрузка; 2 - активная нагрузка; 3 - емкостная нагрузка

Из уравнения (3), получим уравнение токов (4):

. (4)

На основании уравнений (1, 2, 4) строится векторная диаграмма нагруженного трансформатора (рисунок 7), позволяющая глубже разобраться в функциональных связях его параметров.

Рисунок 7 - Векторные диаграммы трансформатора ():

а- , на диаграмме б -

Используя эти уравнения, рассмотрим влияние вторичной цепи на первичную при различных видах нагрузки.

При активно-индуктивной нагрузке () вектор составляющей вторичной МДС (рисунок 7а) направлен против основного потока , то есть вторичная цепь размагничивает первичную. Согласно уравнениям (3,4) увеличивается ток и компенсирует размагничивающее действие вторичной цепи. В динамике это происходит по следующей схеме:

При активно-емкостной нагрузке вектор составляющей МДС (рисунок 7б) направлен согласно с основным магнитным потоком, то есть вторичная цепь подмагничивает первичную. Согласно (3) уменьшается ток и компенсируется подмагничивающее действие вторичной цепи.

В динамике это происходит по следующей схеме:

Таким образом:

1) рабочий магнитный поток , а значит и , практически восстанавливается за счет изменения тока . Незначительное изменение при , объясняется тем, что при большом изменении величина изменяется относительно мало;

2) при активно-индуктивной нагрузке потребляемый ток больше, чем при активно-емкостной, при . Это видно также при сравнении векторных диаграмм (рисунок 7а и 7б).

Различают трансформаторы повышающие и понижающие напряжение. Значение пропорционально числу витков вторичной обмотки:

(5)

где K – коэффициент трансформации, который равен отношению числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки .

Если , то трансформатор повышающий и , если , то трансформатор понижающий и .

Основные технические данные трансформаторов – номинальная мощность, первичное и вторичное напряжение, отношение тока холостого хода к номинальному, КПД и масса.

Отношение характеризует качество магнитной цепи: чем меньше это отношение, тем меньше сопротивление магнитопровода и меньше потоки рассеяния.

Важным параметром, характеризующим трансформаторы, является КПД. Так как у трансформатора отсутствуют механические потери (нет подвижны частей), то их КПД высок и у мощных трансформаторов близок к 95-96%. Высокие КПД и надежность трансформаторов, малые трудозатраты на их обслуживание обусловливают их широкое применение.

Одним из важных требований к авиационным трансформаторам являются минимальные габариты и масса для заданной мощности.

Повышение частоты тока с 50 до 400 Гц, магнитной индукции и плотности тока в обмотках позволило уменьшить массу авиационных трансформаторов по сравнению с промышленными одинаковой мощности почти в 10 раз.

На габариты и массу однофазных трансформаторов также влияет их конструкция. Например, в стержневом трансформаторе - расположение на каждом стержне по половине витков первичной и вторичной обмоток дает выигрыш в объеме и массе меди катушек по сравнению с вариантом, когда катушка с первичной обмоткой на одном стержне, со вторичной обмоткой - на другом стержне.

Применение конструкции со стержневым магнитопроводом для трансформаторов средней и большой мощности в сравнении с броневым дает экономию в массе стали.

Основные виды и признаки неисправностей приведены в таблице1.

Таблица 1

Вид неисправности	Признаки неисправности
Разрыв первичной цепи из-за обрыва проводов катушки, проводов, подводящих напряжение от бортсети или выводов первичной обмотки, или из-за плохого контакта на клеммах.
Разрыв вторичной цепи по аналогичным причинам.
Закороченность части витков первичной обмотки.	Повышены значения и
Закороченность части витков вторичной обмотки.	Повышено значение и понижено

На практике возможны перегревы трансформаторов из-за повышения напряжения или снижения частоты тока питающего напряжения .