9.Устройство и принцип работы однофазного трансформатора.

Трансформаторами в электротехнике называют такие электротехнические устройства, в которых электрическая энергия переменного тока от одной неподвижной катушки из проводника передается другой неподвижной же катушке из проводника, не связанной с первой электрически. Звеном, передающим энергию от одной катушки другой, является магнитный поток, сцепляющийся с обеими катушками и непрерывно меняющийся по величине и по направлению. Однофазный трансформатор применяется в однофазной цепи переменного тока. Трансформатор состоит: из замкнутого сердечника, собранного из листовой трансформаторной стали, на котором располагаются две или несколько обмоток - изолированного провода. Обмотки, подключаемые к источнику тока, называется первичной, а обмотка, с которой снимается напряжение - вторичной. У трехобмоточного трансформатора имеются две вторичные обмотки, что дает возможность получить два различных напряжения. Сердечник делается из листов электротехнической стали толщиной 0,35 мм - 0,5 мм и служит магнитопроводом трансформатора. Для уменьшения вихревых токов, а следовательно, и потерь в стали листы сердечника изолируются лаком. Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Если в первичную обмотку с числом витков N1, подавать переменный ток I1 напряжением U1 от какого-либо источника, то под действием этого тока, намагничивающей силе I1N1, в магнитопроводе образуется переменный магнитный поток, который сцеплен с обеими обмотками и в них индуктирует ЭДС.

10.Режим холостого хода трансформатора. Режимом холостого хода трансформатора называют режим работы при питании одной из обмоток трансформатора от источника с переменным напряжением и при разомкнутых цепях других обмоток. Такой режим работы может быть у реального трансформатоpa, когда он подключен к сети, а нагрузка, питаемая от его вторичной обмотки, еще не включена. По первичной обмотке трансформатора проходит ток I₀, в то же время во вторичной обмотке тока нет, так как цепь ее разомкнута. Ток I₀, проходя по первичной обмотке, создает в магнитопроводе синусоидально изменяющийся лоток Ф₀, который из-за магнитных потерь отстает по фазе от тока на угол потерь δ. Очевидно, что переменный магнитный поток Ф₀ пересекает обе обмотки трансформатора. В каждой из них возникают эдс: в первичной обмотке — эдс самоиндукции Е₁, во вторичной обмотке — эдс взаимоиндукции Е₂. Действующие значения этих эдс зависят от числа витков в обмотках, магнитного потока Ф₀ и частоты его изменения f. Величины эдс определяют по формулам: Е₁ = 4,44fω₁Ф_{0 макс}10^-8В, Е₂ = 4,44fω₂Ф_{2 макс}10^-8В, где ω₁ и ω₂ — числа витков в обмотках; f — частота, Гц; Ф_0 макс — максимальное значение магнитного потока, Вб. Разделив Е₁ на Е₂, получим Е₁ / Е₂ = ω₁ / ω₂. Это соотношение характеризует одно из основных свойств трансформатора: эдс в обмотках трансформатора пропорциональны количеству витков. Отношение числа витков ω₁ / ω₂ = k называют коэффициентом трансформации.

11. Режим короткого замыкания трансформатора. Режимом короткого замыкания трансформатора называют режим, когда вторичная обмотка замыкается накоротко (z_н = 0), а к первичной подводят такое пониженное напряжение U_K, при котором токи в обмотках должны быть равными номинальным  ;  . Напряжение U_K составляет всего (5 -12)% от номинального первичного напряжения. 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. 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.

12. Схема замещения трансформатора. В электрических цепях обмотки трансформаторов связаны между собой магнитным полем. Это усложняет расчет цепи и анализ ее работы. Поэтому целесообразно заменить трансформатор его моделью, которая называется схемой замещения. Построение схемы замещения должно удовлетворять требованиям, предъявляемым к моделям, т. е. математическое описание режима схемы замещения должно совпадать с математическим описанием электрического состояния трансформатора. Трансформатор можно представить некоторой электрической схемой замещения. По этой схеме определяют токи   и  , мощность P₁, забираемую из сети, мощность потерь ΔР и т. п. Составление схемы замещения. Систему уравнений, описывающую электромагнитные процессы в транс­форматоре, можно свести к одному уравнению, если учесть, что Е₁=kЕ₂, и положить При этом параметры R_m и Х_т следует выбрать так, чтобы в режиме холостого хода, когда ЭДС Е₁ практически равна номинальному напряжению U_l, ток по модулю равнялся действующему значению тока холостого хода, а его мощность  — мощности, заби­раемой трансформатором из сети при холостом ходе.

13.Мощность потерь и КПД трансформатора. В отличие от электрических машин в трансформаторе нег вращающихся частей и, следовательно, механических потерь. В трансформаторе имеются только тепловые потери в проводах" обмоток и в стали магнитопровода. Мощность потерь в обмотках трансформатора зависит от токов I1 и I2 и активных сопротивлений обмо-ток r1 и r2 и равна Рo = I1²r1 + I2²r2. Она определяется путем короткого замыкания одной из обмоток и подачей на другую пониженного напряжения. При этом в обмотках устанавливаются номинальные токи I1н и I2н. Измеренная в цепи питания мощность расходуется на покрытие потерь в обмотках Рон и потерь в стали при коротком замыкании Рстк, которые вследствие малого значения индукции Bк очень малы и ими пренебрегают. Вся мощность при коротком замыкании равна Рк.н = Ро.н + Рст.н = Ро.н, а полные потери нагруженного трансформатора при номинальных токах и напряжении Р = Ро.н + Рст.х. Коэффициент полезного действия трансформатора - это отношение отдаваемой активной мощности или мощности на выходе Р2 к подведенной мощности на входе Р1 Р = Р2 100%/Р1 = Р2 100%/ Р2 + Рст + Ро, где Рст - потери в стали; Ро - потери в обмотках. КПД трансформатора зависит от его нагрузки.

5. Катушка индуктивности в цепи переменного тока. Катушка индуктивности — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Устройство обычно представляет собой винтовую, спиральную или винтоспиральную катушку из одножильного или многожильного изолированного провода, намотанного на цилиндрический, тороидальный или прямоугольный каркас из диэлектрика или плоскую спираль, волну или полоску печатного или другого проводника. Также бывают и бескаркасные катушки. Для увеличения индуктивности применяют сердечники из ферромагнитных материалов: электротехнической стали, пермаллоя, флюкстрола, карбонильного железа, ферритов. Также сердечники используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах. Катушка индуктивности в электрической цепи хорошо проводит постоянный ток и в то же время оказывает сопротивление переменному току, поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.

Катушка индуктивности обладает реактивным сопротивлением величина которого равна: , где L— индуктивность катушки,W— циклическая частота протекающего тока. Соответственно, чем больше частота тока, протекающего через катушку, тем больше её сопротивление.

При протекании тока катушка запасает энергию, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока .

Пусть в цепь переменного тока включена идеальная катушка с электрическим сопротивлением, равным нулю. При изменений силы тока по гармоническому закону i = I_mcos wt; в катушке возникает ЭДС самоиндукции

Так как электрическое сопротивление катушки равно нулю, то ЭДС самоиндукции в ней в любой момент времени равна по модулю и противоположна по знаку напряжению на концах катушки, созданному внешним генератором:

Из лекции: если катушку индуктивности подключит к источнику переменного напряжения по ней пойдет переменный ток. Вокруг проводника с переменным током создается переменное магнитное поле. По закону электромагнитной индукции Фарадея в катушке появляется ЭДС индукции,направление против основного тока.

Закон Фарадея: если замкнутый контур поместить в переменное магнитное поле, то в этом контуре создается ЭДС индукции направленное против причины ее создающей. Величина ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока.

E_i=-dФ/dt –закон Фарадея

Ф- магнитный поток [Вб]

i= I_msinwt; U_L=U_mcoswt;

LI_mw/√2=U_m/√2;

LI_m=U; X_L=Lw; I=U/X_L