Тема 6.1. Устройство и принцип действия трансформатора

Тема 6.1. Устройство и принцип действия трансформатора.

Вопросы:

1. Устройство трансформатора.

2. Принцип действия трансформатора.

3. Коэффициент трансформации.

Устройство трансформатора.

Трансформатор – статический электромагнитный аппарат, предназначенный для трансформации (изменения) напряжения.

1 – ярмо; 2 и 5 – стержни; 3 и 4 – обмотки.

Ярмо и стержни образуют магнитопровод.

Первичная обмотка – обмотка, которая присоединена к источнику.

Вторичная обмотка – обмотка, к которой присоединяют потребители.

Классификация.

1. По характеру трансформации: понижающие и повышающие.

2. По назначению: силовые и специальные.

3. По числу обмоток: двух- и многообмоточные (у двухобмоточных имеются первичная и вторичная обмотки; у многообмоточных – первичная и несколько вторичных).

4. По числу фаз: одно- и трёхфазные.

Принцип действия трансформатора.

w₁ – первичная обмотка; w₂ – вторичная обмотка; I₁, I₂ – действующие значения токов первичной и вторичной обмоток; U₁, U₂ – действующие значения напряжений на первичной и вторичной обмотках; Ф – основной магнитный поток, замыкающийся по магнитопроводу.

Принцип действия трансформатора основан на явлении взаимоиндукции: переменный ток первичной обмотки возбуждает переменный магнитны поток, большая часть которого Ф замыкается по магнитопроводу (основной поток). Небольшая часть потока, возбуждённого током первичной обмотки, замыкается по воздуху и называется потоком рассеяния. Поток Ф наводит в обмотка трансформатора ЭДС: в первичной обмотке ЭДС самоиндукции е₁ и во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции е₂. Если ко вторичной обмотке присоединить потребитель, то под действием ЭДС е₂ потечёт ток I₂.

В трансформаторе передача энергии от источника к потребителю происходит через магнитное поле, связывающее между собой первичную и вторичную обмотки. Таким образом, источник энергии и потребитель не имеют между собой гальванической связи, т.е. напряжение источника не приложено к потребителю.

Коэффициент трансформации.

В соответствие с законом электромагнитной индукции (формула 2.4):

е₁ = -w₁;.

При синусоидальном напряжении на первичной обмотке основной магнитный поток то же будет синусоидальным, т.е. Ф = Ф_msin ωt.

Тогда: = Е_1m, где Е_1m= w₁ωФ_m, отсюда действующее значение. Аналогично: = 4,44 w₂ f Ф_m.

Коэффициент трансформации (k) – отношение числа витков обмотки высшего напряжения к числу витков обмотки низшего напряжения.

Лекция 24

Вопросы:

1. Режим холостого хода.

2. Режим работы под нагрузкой.

3. Режим короткого замыкания.

4. Коэффициент полезного действия.

Трансформаторы могут работать в режимах холостого хода, рабочем и короткого замыкания.

1. Режим холостого хода.

В режиме холостого хода трансформатора (рис. 6.3) первичная обмотка включена в сеть под номинальное напряжение (выключатель В₁ замкнут), а вторичная обмотка разомкнута выключателем В₂ (I₂=0).

Уравнение равновесия ЭДС и напряжений в цепи первичной обмотки трансформатора при холостом ходе записывается в соответствии со вторым законом Кирхгофа и имеет следующий вид:

,

где I₀₁ – ток первичной обмотки при холостом ходе; z₁ – полное сопротивление первичной обмотки; I₀₁z₁ – падение напряжения на первичной обмотке.

Падение напряжения на первичной обмотке при холостом ходе не превышает 0,5% напряжения U₁, поэтому можно считать, что Е₁≈ U₁. Во вторичной обмотке ток не протекает, поэтому Е₂=U₂.

Измерив напряжения на обмотках можно определить коэффициент трансформации

K=.

При холостом ходе трансформатора полезная мощность (мощность, отдаваемая нагрузке), равна нулю. Вся потребляемая из сети мощность расходуется на потери в самом трансформаторе. Эти потери складываются из потерь на нагревание первичной обмотки и потерь в стали. Расчёты показывают, что потери на нагревание обмотки составляют не более 2% от мощности, потребляемой трансформатором при холостом ходе. Тогда не будет большой ошибкой считать, что мощность Р₁, измеренная ваттметром, тратится в основном на потери в стали. Потери в магнитопроводе (в стали) возникают от его перемагничивания и от вихревых токов. Но и те и другие зависят от основного магнитного потока.

Режим холостого хода используется для определения опытным путём потерь в стали трансформатора.

2. Режим работы под нагрузкой.

В этом режиме первичная обмотка подключена к источнику, а ко вторичной обмотке подключена нагрузка Z_н.

Под действием индуктированной во вторичной обмотке ЭДС Е₂ потечёт ток I₂, который возбудит магнитный поток. В соответствии с правилом Ленца этот поток будет препятствовать изменению магнитного потока, возбуждённого током первичной обмотки. Таким образом, магнитный поток, возбуждённый током первичной обмотки при холостом ходе, практически не изменится.

Уравнение равновесия ЭДС и напряжений трансформатора при работе под нагрузкой записываются в соответствии со вторым законом Кирхгофа и имеют следующий вид:

;,

где I₁z_I – падение напряжения в первичной обмотке; I₂z₂ – падение напряжения во вторичной обмотке.

Падение напряжения в обмотках трансформатора при номинальной нагрузке составляет 5-10% от номинального напряжения, поэтому можно считать, что

U₁≈E₁; U₂≈E₂.

Так же как и при холостом ходе

3. Режим короткого замыкания.

В этом режиме первичная обмотка подключена к сети, а вторичная обмотка замкнута накоротко. Причинами возникновения короткого замыкания могут быть неисправности у потребителя подключённого ко вторичной обмотке или повреждение изоляции этой обмотки. При коротком замыкании токи в первичной и вторичной обмотках достигают величин, превышающих номинальные токи в 10 – 20 и более раз. Такое чрезмерное увеличение тока представляет опасность для трансформатора. Вследствие этого всегда предусматривается защита, предназначенная отключать от сети его первичную обмотку по прошествии некоторого небольшого промежутка времени после возникновения короткого замыкания.

Для определения потерь в меди обмоток используют опыт короткого замыкания, при котором зажимы вторичной обмотки замыкают накоротко (обычно через амперметр), а к первичной обмотке подводят такое пониженное напряжение, чтобы токи в обмотках трансформатора были равны номинальным. Потери в стали при опыте короткого замыкания будут меньше, чем при холостом ходе в 400÷900 раз, поэтому ими можно пренебречь и считать, что мощность, потребляемая трансформатором при опыте короткого замыкания, тратится только на нагревание первичной и вторичной обмоток, т.е. является потерями в меди.

4. Коэффициент полезного действия.

Коэффициент полезного действия трансформатора определяется как отношение полезной мощности P₂ к потребляемой P₁, т.е.

.

У современных трансформаторов КПД достигает значения, равного 99%

Наибольшего значения КПД достигает при токе нагрузки I₂ = (0,75÷о,8) I_2н

Лекция 25.