3. Устройство и принцип действия трансформаторов

3. 1 Устройство трансформатора, классификация

Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, преобразующее первичную систему переменного тока и напряжения в одну или несколько систем переменного тока, отличающихся от первичной величинами тока и напряжения, числом фаз, формой кривых тока и напряжения.

П ростейший однофазный трансформатор имеет следующие основные части:

Рисунок 2. Устройство и принцип действия трансформатора

1. Замкнутый магнитопровод – шихтованная электротехническая сталь.

2. Первичная обмотка с числом витков w₁.

3. Вторичная обмотка с числом витков w₂.

4. Панель выводов обмоток трансформатора.

5. Корпус трансформатора (или бак) в котором расположены все элементы трансформатора, в том числе и охлаждающая жидкость.

Трансформаторы делят на несколько типов или видов по разным категориям:

По назначению: силовые – для передачи электроэнергии, измерительные, сварочные и другие (радиотрансформаторы различного использования).

По способу охлаждения: воздушного охлаждения, жидкостного охлаждения, масляного охлаждения, кварценаполненные.

По числу фаз: однофазные, трехфазные, многофазные.

По форме сердечника: стержневые, броневые, тороидальные и др.

По числу обмоток: двухобмоточные, трехобмоточные, с расщепленными обмотками, однообмоточные (автотрансформаторы).

3. 2 Принцип действия трансформатора

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Для усиления электромагнитной связи между обмотками они размещены на замкнутом магнитопроводе, причем на каждом стержне размещаются секции как первичной, так и вторичной обмоток.

Если к зажимам первичной обмотки w₁ подвести напряжение U₁ частоты ₁, то по ее виткам потечет переменный ток I₁₀, который создает в магнитопроводе переменный (пульсирующий) магнитный поток Ф. Его основная часть Ф₀ замыкается по всему магнитопроводу и сцеплена с витками как первичной обмотки w₁, так и с витками вторичной обмотки w₂.

В соответствии с законом электромагнитной индукции поток Ф₀ индуктирует в обмотках ЭДС, мгновенные значения которых равны

В соответствии с принципом электромагнитной инерции ЭДС E₁ стремится противодействовать той причине, которая ее вызвала, то есть приложенному напряжению U₁.

Это значит, что ЭДС Е₁ будет находиться практически в противофазе с напряжением U₁, ограничивая величину тока в первичной обмотке I₁₀. Следовательно, величина тока I₁₀ определяется разностью мгновенных значений приложенного напряжения U₁ и ЭДС Е₁. При этом предполагается, что вторичная обмотка w₂ разомкнута.

Меньшая часть магнитного потока Ф замыкается только вокруг витков первичной обмотки и называется потоком рассеяния первичной обмотки Ф_S1. Следовательно Ф=Ф₀+ Ф_S1. Поток Ф_S1 индуктирует в витках первичной обмотки свою ЭДС – ЭДС рассеяния Е_S1. Поскольку с витками вторичной обмотки поток Ф_S1 не сцеплен, то он не индуктирует в ней каких-либо ЭДС. ЭДС Е₁ и Е₂ отличаются друг от друга только за счет числа витков w₁ и w₂, следовательно, изменяя числа витков w₁ и w₂ можно изготовить трансформаторы в принципе на любое соотношение ЭДС Е₁ и Е₂. При этом частота ЭДС ₁ для ЭДС Е₂ не изменяется. Если к выводам вторичной обмотки подключить какое-то сопротивление нагрузки Z_нг, то есть замкнуть цепь вторичной обмотки (уменьшить сопротивление между выводами), то под действием ЭДС Е₂ по цепи вторичной обмотки потечет переменный ток I₂, а между выводами обмотки установится напряжение U₂, равное падению напряжения в сопротивлении Z_нг от тока I₂.

Ток I₂, протекая по виткам вторичной обмотки w₂, создает в магнитопроводе свой магнитный поток Ф₂, который направлен навстречу магнитному потоку Ф₀. Часть потока Ф₂ сцеплена только с витками вторичной обмотки, замыкается в основном по воздуху и может быть названа потоком рассеяния вторичной обмотки Ф_S2. Этому потоку соответствует ЭДС Е_S2 вторичной обмотки.

Большая часть потока Ф₂ замыкается по всему магнитопроводу, из-за чего результирующий магнитный поток в нем уменьшается. Это приведет к уменьшению ЭДС Е₁ и к увеличению разности мгновенных значений ЭДС Е₁ и напряжения U₁. Что в свою очередь вызовет увеличение тока первичной обмотки до некоторой величины I₁ и увеличению создаваемого им магнитного потока Ф₁. Благодаря этому, результирующий магнитный поток в магнитопроводе, сцепленный с обеими обмотками достигнет своего исходного значения Ф₀, а поток рассеяния Ф_S1 несколько возрастет.

Таким образом, при появлении (или увеличении) тока в цепи вторичной обмотки и увеличении отдаваемой в цепь потребителя электроэнергии автоматически возрастают ток и электроэнергия, поступающие в первичную обмотку из сети питания.

Поскольку между первичной и вторичной обмотками нет электрической связи, то это значит, что энергия передается из одной обмотки в другую только электромагнитным путем. Магнитопровод при этом обеспечивает лучшую взаимосвязь между обмотками, уменьшению тока I₁₀ и потоков рассеяния Ф_S1 и Ф_S2.

П ри нагрузке ток первичной обмотки можно представить в виде суммы:

где I_1доб – добавочный ток, обусловленный размагничивающим действием тока вторичной обмотки I₂.

Если разделить почленно формулы ЭДС для е₁ и е₂, то получим

Здесь называют коэффициентом трансформации трансформатора. Естественно, что трансформатор может работать как в понижающем (U₁>U₂), так и в повышающем (U₁<U₂) режимах. Мы будем рассматривать в основном понижающие трансформаторы, у которых к>1.