Трансформаторы Назначение и принцип действия Холостой ход трансформатора Нагрузка
Трансформаторы 
 
В теме  рассматриваются вопросы, входящие в шестой раздел рабочей программы. Для изучения данной темы следует использовать материал темы. Эти вопросы также разобраны. Обратите особое внимание на ключевые моменты этой темы, которыми являются: - назначение и принцип действия трансформатора: - холостой ход трансформатора; - нагрузка трансформатора: - схемы замещения; - режим короткого замыкания; - внешняя характеристика трансформатора; - КПД трансформатора. Назначение и принцип действия Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования электрической энергии переменного тока с одними параметрами в электрическую энергию с другими параметрами (напряжение, ток, форма и начальная фаза), при этом частота остается неизменной. 

  

 Чем выше напряжение, тем при той же передаваемой мощности будет меньше значении тока и тем меньше получается требуемое сечение проводов линии передач Поэтому на электрических станциях выгодно повышать напряжение до сотен тысяч вольт, а затем передавать энергию по проводам к месту потребления. где напряжение должно понижаться до обычно применяемых величин 220, 380 В и т. д. Повышение напряжения до линии передач и понижение его после линии передач осуществляется трансформаторами Устройство трансформатора схематично показано на  На замкнутом сердечнике, собранном из листовой электротехнической стали, помешены две обмотки с числом витков. Обмотка, к зажимам которой подводится электрическая энергия, называется первичной: обмотка, к зажимам которой подключается потребитель, называется вторичной. Протекающий по первичной обмотке переменный ток вызывает образование переменного магнитного потока. Этот поток сцеплен с обеими обмотками и вызывает в каждой из них переменную ЭДС. Поэтому вторичная обмотка может рассматриваться как источник переменного напряжения. Трансформатор. изображенный на. является двухобмоточным. Если на сердечнике несколько обмоток, то такой трансформатор называют многообмоточным. Величина ЭДС, индуктируемая в одном витке первичной и вторичной обмоток, находится на основании закона электромагнитной индукции Для изменяющего гармонического магнитного потока , где мгновенное и амплитудное значения потока. Отсюда имеем Обозначим амплитудное значение ЭДС в одном витке: тогда Таким образом, индуктированная ЭДС отстает по фазе от потока на. Найдем действующее значение ЭДС в одном витке, поделив максимальное значение на Если в первичной обмотке им витков, а во вторичной витков, то полная ЭДС каждой обмотки будет Отношение ЭДС первичной и вторичной обмоток или отношение их чисел витков называется коэффициентом трансформации: Для понижающих трансформаторов. Для повышающих Первичная активная мощность, потребляемая трансформатором из сети, равна Вторичная активная мощность, или мощность. отдаваемая потребителю, равна Если не учитывать потери в трансформаторе, то приближенно можно положить Как будет показано ниже, и напряжения первичной и вторичной обмоток мало отличаются от ЭДС обмоток. Тогда имеем При понижении напряжения вторичной обмотки в к раз вторичный ток будет больше первичного тока в к раз. Холостой ход трансформатора Холостым ходом трансформатора называют такой режим его работы, когда его первичная обмотка присоединена к сети переменного тока, а вторичная разомкнута. По первичной обмотке протекает ток холостого хода который создает магнитный поток, имеющий две составляющие. Первая составляющая представляет собой поток, замыкающийся по сердечнику и сцепленный как с первичной, так и со вторичной обмотками. Этот переменный поток индуктирует в обмотках ЭДС в соответствии с формулами и . Вторая составляющая потока проходит частично по воздуху. Она называется потоком рассеяния. Поток рассеяния сцеплен только с первичной обмоткой и вызывает в ней дополнительную ЭДС, которую обычно учитывают посредством ведения понятия индуктивного сопротивления рассеяния первичной обмотки Магнитное сопротивление для потока рассеяния в основном определяется сопротивлением пути потока по воздуху, поэтому поток рассеяния пропорционален току о и совпадает с ним по фазе. Векторную диаграмму начинают строить с откладывания вектора магнитного потока Затем откладывается отстающий на вектор ЭДС первичной обмотки . Вектор ЭДС во вторичной обмотке совпадает по направлению с вектором ей но величина его может быть как больше, так и меньше . Для удобства построения векторной диаграммы обычно откладывается так называемое приведенное значение вторичной ЭДС которое равно первичной ЭДС. Поэтому векторы сливаются в один. Ток холостого хода имеет две составляющих - реактивную намагничивающую и активную . Составляющая является намагничивающим током, который совпадает по фазе с потоком. Величина намагничивающего тока по закону магнитной цепи связана с амплитудой потока соотношением где магнитное сопротивление стального сердечника. Полный ток холостого хода /0=V7J77i. (12.9) Ток холостого хода силовых трансформаторов мал и обычно не превышает нескольких процентов от номинального значения первичного тока . Падение напряжения в первичной обмотке вследствие небольшого тока холостого хода невелико. Поэтому- с большой степенью точности можно записать На векторной диаграмме откладывается вектор , равный и противоположный вектору, Составляющая тока холостого тока определяется потерями в стальном сердечнике Так как напряжение сети обычно поддерживается неизменным, то. учитывая равенство , приходим к выводу, что амплитуда основного магнитного потока при холостом ходе есть тоже величина неизменная. Из выражения амплитуда потока Во вторичной цепи при холостом ходе ток не протекает. Поэтому7 напряжение на зажимах вторичной обмотки равно ее ЭДС. Следовательно, при холостом ходе отношение первичного и вторичного напряжений равно с достаточной точностью коэффициенту трансформации: Нагрузка трансформатора При нагрузке трансформатора вторичная цепь замкнута на нагрузочное сопротивление и по ней протекает ток. В этом случае можно выделить три потока: основной поток. сцепленный как с первичной так и со вторичной обмотками. поток рассеяния первичной обмотки и поток рассеяния вторичной обмотки Дополнительные ЭДС, индуктируемые в обмотках потоками рассеяния. учитывают при помощи индуктивных сопротивлений рассеяния первичной И вторичной обмоток ЭДС от потоков рассеяния уравновешиваются составляющими напряжения где комплексные сопротивления рассеяния обмоток; индуктивности рассеяния первичной и вторичной обмоток; и потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток Составляющие опережают токи Запишем уравнения по второму закону Кирхгофа в комплексной форме для первичной и вторичной цепи: где напряжение на нагрузочном сопротивлении; комплексное полное сопротивление первичной обмотки; комплексное полное сопротивление вторичной обмотки. Падения напряжений в обмотках составляют обычно не более нескольких процентов от напряжений . Поэтому с некоторым приближением можно считать, что и в нагруженном трансформаторе сохраняются приближенные равенства. Следовательно, при нагрузке трансформатора амплитуда основного магнитного потока приблизительно постоянна и равна амплитуде потока в режиме холостого хода. Постоянной должна быть и намагничивающая сила как при нагрузке, так и на холостом ходу. В режиме нагрузки результирующая намагничивающая сила равна сумме намагничивающих сил первичной и вторичной обмоток: Поделив все члены последнего равенства на получаем Введем понятие приведенного вторичного тока: Окончательно получим На холостом ходу , и, следовательно, . Если мы нагрузим трансформатор, то во вторичной обмотке появляется ток. Этот ток по закону Ленца препятствует причине, его вызвавшей. Поэтому так направлен, чтобы размагнитить сердечник, т. е. действие его противоположно действию тока Это вызывает увеличение тока.