Трансформаторы

Трансформатором называют электротехническое устройство, служащее для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Устройство трансформатора показано на рис.6. Трансформатор состоит из ферромагнитного сердечника (а), который называется магнитопроводом, первичной (б) и вторичной (в) обмоток.

Рис.6

Работа трансформатора основана на следующих основных принципах:

1. Изменяющийся во времени электрический ток, проходящий через провод обмотки (катушки), создает изменяющийся во времени магнитный поток проходящий через обмотку;

2. Изменяющийся во времени магнитный поток, проходящий через эту же обмотку и другие обмотки, создает в них ЭДС.

Работа трансформатора на холостом ходу (нагрузка отключена от вторичной обмотки).

Если на первичную обмотку трансформатора подать переменное напряжение

, то, при допущении о пренебрежимо малых активном сопротивлении обмотки и потоке рассеяния, можно считать (с учетом вышеизложенных принципов), что все приложенное напряжение почти полностью уравновеситься ЭДС самоиндукции , т.е.:

, (9)

где – число витков первичной обмотки. Через первичную обмотку будет проходить незначительный ток, называемый током холостого хода и обеспечивающий изменение напряженности поля, необходимое для перемагничивания сердечника трансформатора, т.е. для изменения магнитного потока.

В соответствие с законом электромагнитной индукции во вторичной обмотке трансформатора с числом витков индуктируется ЭДС

. (10)

Действующие значения ЭДС первичной и вторичной обмоток равны:

и , (11)

где – амплитудное значение магнитного потока, а – частота питающего напряжения.

Взяв отношение левых и правых частей в уравнениях (11), определим коэффициент трансформации трансформатора:

. (12)

Работа трансформатора под нагрузкой.

При подключении нагрузки к вторичной обмотке в ней появляется ток, создающий магнитный поток в магнитопроводе, направленный противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате ЭДС, наводящаяся в первичной обмотке уменьшается, нарушается равенство (9) и возрастает ток первичной обмотки.

Уравнения идеального трансформатора

Идеальный трансформатор – трансформатор, у которого отсутствуют потери энергии на нагрев обмоток и сердечника трансформатора и отсутствуют магнитные потоки рассеяния обмоток. Все силовые линии магнитного поля проходят через все витки обмоток (замыкаются только по магнитопроводу). Такой трансформатор всю энергию, поступающую в первичную цепь, трансформирует в магнитное поле, и затем в энергию вторичной цепи. В этом случае мощность , поступающая в первичную цепь, равна мощности , отдаваемой вторичной цепью, т.е.:

. (13)

Преобразовав (13) с учетом (12) получим:

. (14)

Электрическая схема и схема замещения трансформатора.

Электрическая схема однофазного трансформатора приведена на рис.7. На ней и – ЭДС, индуктируемые в первичной и вторичной обмотках, и – индуктивные сопротивления, характеризующие действие потоков рассеяния (магнитных потоков проходящих через обмотки, но не по сердечнику, т.е. по воздуху), и – активные сопротивления первичной и вторичной обмоток, – сопротивление нагрузки.

Рис.7

Для исследования режимов работы трансформатора применяют схему замещения трансформатора (рис.8):

Рис.8

Если в схеме (рис.7) вместо ЭДС использовать ее приведенное к первичной цепи значение , определяемое: , то точки ac и bd на схеме (рис.7) можно соединить перемычками, и после введения ветви учитывающей намагничивание трансформатора из сопротивлений и , где учитывает потери в стали, а – индуктивность намагничивания, получим схему замещения трансформатора. Сопротивления и называют приведенными к первичной цепи, активным и индуктивным сопротивлениями вторичной обмотки трансформатора.

Определение параметров трансформатора. Внешняя характеристика трансформатора.

В процессе работы реального трансформатора происходят потери энергии в связи с нагревом обмоток трансформатора проходящими токами (потери в меди) и нагревом сердечника из-за вихревых токов (потери в стали). Для оценки этих потерь проводят опыты холостого хода и короткого замыкания.

Схема подключения измерительных приборов к трансформатору в опыте холостого хода приведена на рис.9.

Рис.9

Напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора измеряются вольтметрами, ток первичной обмотки – амперметром, а мощность, потребляемая от источника энергии – ваттметром. Поскольку внутренние сопротивления вольтметров считаются близкими к бесконечности, то током вторичной обмотки можно пренебречь. Через первичную обмотку проходит небольшой ток холостого хода (ток намагничивания). Поскольку ток холостого хода составляет 5 ÷ 10% от номинального тока первичной обмотки трансформатора, а ток вторичной обмотки равен нулю, то считается, что потерями в меди трансформатора можно пренебречь. Поэтому ваттметр, показывающий потребляемую мощность, показывает только потери в стали магнитопровода .

На вход схемы подают напряжение , равное номинальному . Определяют параметры схемы замещения трансформатора по выражениям:

, ,

Схема подключения измерительных приборов к трансформатору в опыте короткого замыкания приведена на рис.10.

Рис.10

В опыте короткого замыкания вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко, поскольку внутреннее сопротивление амперметра пренебрежимо мало. На вход схемы через регулирующее устройство (РУ) подают напряжение короткого замыкания, существенно меньшее номинального , при котором токи первичной и вторичной обмоток равны номинальным и . Поскольку напряжение короткого замыкания, существенно меньше номинального, то потерями на перемагничивание магнитопровода (потерями в стали магнитопровода) можно пренебречь. Поэтому ваттметр, показывающий потребляемую мощность, показывает только потери в меди (обмотках) .