Урок №6.1

Трансформатор – это устройство, служащее для повышения или понижения переменного напряжения без изменения его частоты и практически без потерь мощности. Трансформатор состоит из двух или более катушек, надетых на общий сердечник. Катушка, которая подключается к источнику переменного напряжения, называется первичной, а катушка, к которой присоединяется нагрузка (потребители электрической энергии), - вторичной (рис. 3.22). Сердечники трансформаторов изготавливаются из электротехнической стали и набираются из отдельных изолированных друг от друга пластин (для уменьшения потерь энергии вследствие возникновения в сердечнике вихревых токов) – рисунок 3.23.

Катушки трансформатора, как правило, содержат разное количество витков, причем большее напряжение оказывается приложено к катушке с большим числом витков. Если трансформатор используется для повышения напряжения, то обмотка с меньшим числом витков подключается к источнику напряжения, а к обмотке с большим числом витков присоединяется нагрузка. Для понижения напряжения все делается наоборот. При этом не следует забывать, что подавать на первичную обмотку можно напряжение не больше номинального (того, на которое она рассчитана).

Коэффициентом трансформации называют отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке. Он равен также отношению ЭДС в обмотках.

При отсутствии потерь в обмотках коэффициент трансформации равен отношению напряжений на зажимах обмоток: k=U₁/U₂.

Для понижающего трансформатора коэффициент трансформации больше 1, а для повышающего - меньше 1.

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. При протекании переменного тока через первичную катушку вокруг нее возникает перемененное магнитное поле и магнитный поток, который пронизывает также и вторую катушку. В результате во вторичной катушке появляется вихревое электрическое поле и на ее зажимах возникает ЭДС индукции.

Режим холостого хода. При разомкнутой вторичной обмотке трансформатор работает в режиме холостого хода. Ток холостого хода i₀, проходящий по первичной обмотке, имеет две составляющие: активную i_0a и реактивную i_0р. При этом

Í = Í_0a + Í_0р

Реактивная составляющая называется намагничивающим током, этот ток создает магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. Активная составляющая обеспечивает поступление в трансформатор электрической энергии, необходимой для компенсации потерь энергии в стали магнитопровода. Она невелика, поэтому ток холостого хода практически можно считать равным намагничивающему току: I₀≈ I_0р. При проектировании трансформаторов магнитное сопротивление магнитопровода стремятся сделать малым, чтобы ток холостого хода для мощных трансформаторов составлял 3—4%, а трансформаторов средней мощности — 8—10% номинального тока.

Э. д. с, индуцированные в первичной и вторичной обмотках, согласно закону электромагнитной индукции пропорциональны скорости изменения магнитного потока. Следовательно, они пропорциональны максимальному значению магнитного потока Фm и частоте его изменения. В каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется э. д. с, действующее значение которой E_В= 4,44 fФ_т , где 4,44 = 2√2 — постоянная.

Соответственно:

E₁ = 4,44 fω₁Ф_т; E₂ = 4,44 fω₂Ф_т

При холостом ходе э. д. с. Е₁ практически равна питающему напряжению U₁, так как падение напряжения в первичной обмотке, создаваемое небольшим током холостого хода, мало. Если изменяется напряжение U₁, то будут меняться э. д. с. Е₁, магнитный поток Ф_т и ток холостого хода I₀. Зависимость э. д. с. Е₁ от тока холостого хода называется характеристикой холостого хода (рис. 221, а). При малых напряжениях U₁ и э. д. с. Е₁ магнитный поток трансформатора мал, и для его создания требуется небольшой ток холостого хода. В этом случае магнитная система трансформатора не насыщена и ток I₀ возрастает пропорционально U₁ (так же как и ток возбуждения в генераторе постоянного тока). При дальнейшем увеличении напряжения U₁ магнитная цепь трансформатора насыщается и ток I₀ начинает расти быстрее, чем э. д. с. Е₁. Значительное увеличение напряжения U₁ свыше номинального недопустимо, так как при этом резко увеличивается ток холостого хода.

Короткое замыкание. В паспорте трансформатора указывают не изменение напряжения, которое различно для разных cosφ2, а результирующее падение напряжения в его обмотках при номинальном нагрузочном токе. Это падение напряжения называют напряжением короткого замыкания, и его можно определить опытным путем, если питать трансформатор с замкнутой накоротко вторичной обмоткой пониженным напряжением UK (опыт короткого замыкания). В этом случае напряжение UK будет равно такому напряжению U1, при котором по обмоткам замкнутого накоротко трансформатора протекают номинальные токи.

Напряжение короткого замыкания является весьма важным эксплуатационным показателем, его выражают в процентах от U_1НОМ:

u_k% = (U_k / U_1НОМ) 100

Для трансформаторов средней мощности u_k% = 5-7%, для мощных трансформаторов 6—12%.

Если короткое замыкание происходит в процессе эксплуатации трансформатора при номинальном напряжении, то в обеих обмотках возникают большие токи, превышающие номинальное значение в 10—20 раз, при этом повышается температура обмоток и на них действуют большие электромагнитные силы. Такое замыкание является аварийным и требует специальной защиты, которая должна отключить трансформатор в течение долей секунды. Установившийся ток короткого замыкания трансформатора в общем случае

I_k = I_ном (100 / u_k%)

где I_ном — номинальный ток первичной обмотки.

Для ограничения токов короткого замыкания мощные трансформаторы выполняют с повышенными значениями u_к%, т. е. с повышенным внутренним индуктивным сопротивлением обмоток.

Нагрузочный режим. При подключении нагрузки Z_H к вторичной обмотке трансформатора (рис. 222) он начинает отдавать нагрузке некоторую мощность. Соответственно увеличивается и мощность, получаемая первичной обмоткой из питающей сети. Следовательно, при увеличении тока i₂ во вторичной обмотке возрастает и ток i₁ в первичной обмотке.

Магнитный поток трансформатора определяется значением питающего напряжения U₁ и практически не зависит от нагрузки. Поэтому результирующая м. д. с, создаваемая при нагрузке то-

Рис. 221. Характеристики силовых и выпрямительных трансформаторов: а — холостого хода; б— внешние (φ2> 0 — активно-индуктивная нагрузка, (φ2<0— активно-емкостная)

Рис. 222. Схема магнитных потоков в трансформаторе при нагрузке

ками i₁, и i₂, должна оставаться такой же, как и при холостом ходе:

F₁ + F₂ = _F0

где

F₁=I₁ ω ₁ — м. д. с. первичной обмотки при нагрузке;
F₂=I₂ ω ₂—м. д. с. вторичной обмотки при нагрузке;
F₀=I₀ ω ₀—м. д. с. первичной обмотки при холостом ходе.

Уравнение (78) называется уравнением равновесия магнитодвижущих сил трансформатора. Если поделить обе его части на
ω 1, то получим: Í₁= Í₀ — Í₂ ω ₂/ ω ₁, откуда следует, что наличие тока I₂ во вторичной обмотке трансформатора вызывает автоматически увеличение тока I₁, в первичной обмотке. Обычно в трансформаторах большой и средней мощности ток I0 составляет несколько процентов от номинального значения тока I₀. Поэтому при нагрузках, близких к номинальной, можно считать, что Í₁≈ Í₂ ω ₂/ ω ₁

Токи i₁ и i₂, проходя по обмоткам трансформатора, создают в них падения напряжения — активные и реактивные (индуктивные). Активные падения напряжения возникают в результате прохождения токов i₁ и i₂ по активным сопротивлениям R₁ и R₂ обмоток. Реактивные падения напряжения обусловливаются действием потоков рассеяния Ф_?1 и Ф_?2, создаваемых токами i₁, и i₂. В отличие от основного потока Ф, который замыкается по сердечнику и сцеплен одновременно с обеими обмотками, потоки Ф_?1 и Ф_?2 сцеплены каждый только со своей собственной обмоткой и индуцируют в них э. д. с. самоиндукции е_L1 и е_L2. Эти э. д: с, как было показано в § 51, создают индуктивные сопротивления Х₁ и Х₂ обмоток, в которых при прохождении токов i₁ и i₂ возникают падения напряжения.

Для определения изменения вторичного напряжения трансформатора при нагрузке напряжения U2 обычно приводят к первичному, умножая его на коэффициент трансформации п. т. е. U’₂=U’₂n. Точно так же приводят к первичной обмотке ток I₂, умножая его на 1/n, т. е. I’₂ = I’₂/n. Величины U’₂ и I’₂называются приведенными вторичным напряжением и вторичным током.

Изменение вторичного напряжения можно определить по внешней характеристике трансформатора (см. рис. 221,б), которая представляет собой графическую зависимость приведенного вторичного напряжения U’₂ от приведенного вторичного тока I’₂. При холостом ходе приведенное вторичное напряжение U’₂ будет равно

Рис. 223. Внешняя характеристика сварочного трансформатора

первичному U₁, при нагрузке же из-за падений напряжений в сопротивлениях R₁, R₂, Х₁ и Х₂первичной и вторичной обмоток оно будет меньше U₁. В трансформаторах средней и большой мощности реактивное падение напряжения обычно в несколько раз превышает активное. Поэтому и активно-индуктивная нагрузка вызывает большее изменение напряжения, чем активная (изменение напряжения возрастает с уменьшением cos?₂ в цепи нагрузки). В трансформаторах малой мощности, наоборот, активное падение напряжения обычно больше реактивного и изменение напряжения уменьшается с увеличением cosφ₂.

Обычно изменение напряжения?U при работе трансформатора под нагрузкой определяют при номинальном значении первичного напряжения U_1НОМ и выражают в процентах:

Δu% = [(U_1НОМ - U₂n) / U_1НОМ ] 100

Величину?u % иногда называют относительной потерей напряжения в трансформаторе. В силовых и выпрямительных трансформаторах изменение напряжения при номинальном токе обычно составляет 2—6% (в зависимости от cos?2).