Устройство и принцип работы однофазного двухобмоточного трансформатора

Назначение, области применения и классификация трансформаторов

Трансформаторы.

Трансформатором называется электромагнитное устройство, служащее для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения без изменения частоты.

Потребность трансформирования, т.е. повышения и понижения переменного напряжения вызвана необходимостью передачи электрической энергии на большие расстояния. Чем выше величина передаваемого напряжения, тем, при равной мощности генератора, меньше ток. Следовательно, для передачи энергии потребуются провода меньшего сечения, что приводит к экономии цветных металлов, к уменьшению веса и стоимости линий электропередач (ЛЭП). Кроме того, с уменьшением тока уменьшаются потери мощности в линиях передач ∆P=I²R_л. Схема передачи электроэнергии на большие расстояния приведена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема передачи электроэнергии переменного тока

По применению трансформаторы можно разделить на следующие типы:

1. Силовые трансформаторы, используемые в сетях передачи и распределения электроэнергии.

2. Автотрансформаторы, имеющие плавную регулировку выходного напряжения и используемые для его изменения (регулирования).

3. Измерительные трансформаторы, применяемые в качестве элементов измерительных устройств.

4. Трансформаторы специального назначения (печные, сварочные, пиковые, изолирующие и т.д.)

Применяемые в настоящее время изоляционные материалы позволяют увеличить напряжения в ЛЭП до 1250кВ.

Трансформатор состоит из ферромагнитного (стального) сердечника (ФМС) и двух обмоток: первичной с числом витков W₁, к которой подводится напряжение источника U₁, и вторичной – с числом витков W₂,на зажимах которой возникает напряжение U₂.Сердечник трансформатора собирается из отдельных листов электротехнической стали (толщиной 0,3-0,5 мм), изолированных друг от друга для уменьшения потерь на вихревые токи.

Электрическая схема трансформатора представлена на рис. 4.2

Рис. 4.2. Электрическая схема трансформатора.

В основу работы трансформатора положен принцип взаимоиндукции. При включении первичной обмотки W₁ на переменное напряжение U₁ в ней появится ток I₀.Этот ток, протекая по виткам W₁, вызовет появление магнитного потока первичной обмотки, который состоит из основного или, по-другому, рабочего потока Ф, замыкающегося по сердечнику и потока рассеяния Ф_δ1, замыкающегося по воздуху (рис. 4.3.). Электрическая энергия передается из первичной обмотки во вторичную с помощью рабочего потока.

Рис. 4.3. Электромагнитная схема трансформатора в режиме холостого хода.

Переменный синусоидальный рабочий магнитный поток Ф на основании закона электромагнитной индукции наводит в первичной обмотке ЭДС самоиндукции E₁, а во вторичной обмотке - ЭДС взаимоиндукции Е₂, которая создает на зажимах вторичной обмотки напряжение U_2.

Если ко вторичной обмотке трансформатора присоединить нагрузку Z_н(рис. 4.4.), то в ней появится ток I₂, который, протекая по виткам W₂, вызовет появление магнитного потока во вторичной обмотке. Этот поток состоит из потока Ф₂, замыкающегося по сердечнику и потока рассеяния Ф_δ2, замыкающегося по воздуху.

Рис. 4.4. Электромагнитная схема нагруженного трансформатора

Вторичный поток Ф₂ по правилу Ленца всегда направлен навстречу потоку первичной обмотки и стремится его уменьшить. Уменьшение потока Ф повлечет за собой уменьшение ЭДС Е₁. В результате увеличится разность между напряжением U₁ и ЭДС Е₁, что приведет увеличению токапеовичной обмоткиI₀ до тока I₁, что компенсирует поток Ф₂ (рис.4.4). Таким образом, суммарный рабочий магнитный поток Ф₁ - Ф₂останется неизменным и приблизительно равным первоначальному потоку Ф, сцепленному с обеими обмотками трансформатора.

Переменные магнитные потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток Ф_δ1 и Ф_δ2 сцеплены с одной из обмоток и наводят в них соответствующие ЭДС рассеяния Е_δ1 и Е_δ2.