Вопрос 20

Трансформатором называют статическое устройство, имеющее две (или более) индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

1. В работе трансформатора важную роль играет то положение, что при изменении нагрузки трансформатора в широком диапазоне магнитный поток может считаться практически неизменным. Напряжение на зажимах первичной обмотки U₁ и наводимая в ней э.д.с. E₁ связаны комплексным уравнением U₁=-E₁+I₁Z₁. Иначе говоря, напряжение U₁ уравновешивается электродвижущей силой E₁ и падением напряжения в первичной обмотке, которое очень невелико. Поэтому E₁ лишь незначительно отличается от U₁, составляя при нормальной нагрузке (0,95÷0,97) U₁. Увеличение тока (даже в два раза) может вызвать уменьшение э.д.с. E₁ всего до (0,93÷0,95) U₁. Таким образом, изменение э.д.с. E₁ настолько незначительно, что практически эта э.д.с. может считаться неизменной. Но э.д.с. E₁ пропорциональна амплитудному значению магнитного потока: E₁=4,44 fwФ_m. Отсюда и вытекает сформулированное выше положение о неизменности магнитного потока.

Основываясь на этом положении, можно объяснить, почему при изменении нагрузки трансформатора, а следовательно, и тока во вторичной обмотке I₂ одновременно изменяется и ток в первичной обмотке I₁. Магнитный поток Ф создается намагничивающей силой, которая выражается как сумма намагничивающих сил первичной и вторичной обмоток: F=I₁w₁+I₂w₂. Постоянству магнитного потока соответствует постоянство создающей его магнитной силы. Всякое изменение тока I₂ принуждает изменяться поток I₁ настолько, чтобы общая намагничивающая сила обмоток оставалась неизменной. Положение о неизменности магнитного потока относится не только к трансформаторам, но также и к машинам переменного тока - асинхронным и синхронным.

2. Для лучшего понимания и усвоения принципа работы нагруженного трансформатора целесообразно использовать так называемую условно-логическую схему, показанную на рис. Представленная схема читается следующим образом.

Рисунок 5.АВ

К цепи первичной обмотки трансформатора подается переменное напряжение u₁, и так как цепь замкнута (ЦЗ), по первичной обмотке протекает ток i₁; первичная обмотка имеет w₁ витков, поэтому она создает м.д.с. i₁w₁; м.д.с. является возбудителем магнитного потока Ф; магнитный поток переменный, поэтому в соответствии с законом электромагнитной индукции (ЭМИ) в обеих обмотках наводятся e₁ и e₂. Полученная э.д.с. e₂ является преобразованной величиной напряжения u₁. Если трансформатор работает под нагрузкой, то цепь вторичной обмотки замкнута (ЦЗ) и поэтому в ней протекает ток i₂ ( величина которого зависит от нагрузки Н). Эта обмотка имеет w₂ витков и в результате м.д.с. i₂w₂ действует на магнитный поток Ф. Это воздействие уменьшает Ф, но одновременно увеличивается ток i₁ (под влиянием нагрузки или в связи с увеличением нагрузки), в результате чего увеличивается i₁w₁.

Следует иметь в виду, что схема поясняет принцип работы, а не все дополнительные явления, сопутствующие принципу работы. Так, в данном случае опущен вопрос о возникновении э.д.с. рассеяния. При объяснении схемы следует подчеркнуть, что Ф, т.е. результирующий магнитный поток, является главным, основным. Наряду с этим в схеме хорошо показаны обратные связи.

3. При построении векторных диаграмм трансформатора следует иметь в виду, что лишь первый шаг является произвольным. Пусть, например, из произвольно выбранной точки в произвольном направлении проведен вектор тока I₁; остальные построения будут уже обусловлены, с одной стороны, заданными значениями угла φ₂ и напряжением U₂, с другой – уравнениями напряжений и токов для вторичной и первичной обмоток трансформатора.

В рассматриваемом случае после проведения вектора I₂ под заданным углом φ₂ к нему строится вектор U₂. Далее к вектору напряжения U₂ прибавляются I₂r₂ и jI’₂x₂ получается как результирующий вектор E’₂. В дальнейшем построении также нет никаких произвольных элементов. Под углом π/2 в сторону опережения проводится вектор магнитного потока Ф_m, а затем вектор тока холостого хода I₀. К вектору – E₁ прибавляются векторы I₁r₁ и jI₁x₁ и в результате строится вектор U₁.

4. При рассмотрении изменения вторичного напряжения следует обратить внимание на активную нагрузку. При такой нагрузке φ₂=0 и поэтому формула процентного изменения напряжения приводится к виду ∆U %=βu_к.а. Отсюда следует, что при нормальной нагрузке величиной ∆U можно пренебречь, так как u_к.а=1÷2 %.

5. В теории трансформаторов пользуются схемой замещения. Возможность представить трансформатор его схемой замещения вытекает из теории четырехполюсника, поскольку трансформатор может рассматриваться как четырехполюсник. Подобная же схема замещения используется и в теории асинхронных машин вследствие существования некоторой аналогии между процессами, происходящими в асинхронной машине и трансформаторе. Использование схемы замещения означает, что вместо реального объекта – электрической машины – рассматривается его схема. Соотношение в реальном объекте (электрической машине) и аналоге (схеме замещения) описываются уравнениями одинакового вида. В то же время схема замещения значительно проще и нагляднее, нежели сама электрическая машина.

6. В трехфазных трансформаторах алгебраическая сумма мгновенных значений синусоидальных магнитных потоков в сердечнике равна нулю, поэтому необходимость в «нейтральном» стержне отпадает и трехфазный трансформатор выполняется в виде трехстержневого.

7. Теория однофазного трансформатора полностью распространяется на автотрансформаторы и измерительные трансформаторы. Поэтому при изучении последних следует обратить внимание на область применения, их особенности и возникающие дополнительные погрешности (в измерительных трансформаторах)

Назначение трансформаторов.

Трансформаторы предназначены для:

1. Изменения напряжения вырабатывающих генераторов с 10-20 кВ до 35, 110, 220, 330, 500, 750 кВ с целью повышения КПД ЛЭП и уменьшения затрат на цветной металл.

2. Понижения напряжения на местах потребления электроэнергии до такого уровня, который является номинальным для электроприёмников: 220, 380 В и т.д.

3. Применения в установках электросварки, в радио- и телеустановках, в системах автоматического управления, связи и т.п.

Наибольшее распространение получили следующие типы трансформаторов:

1) силовые – для передачи и распределения электроэнергии;

2) автотрансформаторы – для преобразования напряжения в небольших пределах, для пуска двигателей переменного тока и т.п.;

3) измерительные трансформаторы – для включения в схемы измерительных приборов;

4) трансформаторы специального назначения – сварочные, печные, испытательные, импульсные, пиковые, высокочастотные, для преобразования частоты, для медицинских и радиотехнических целей.

Таким образом, область применения трансформаторов чрезвычайно широка, соответственно велико и число конструктивных форм трансформаторов. Но во всех случаях процесс преобразования энергии в трансформаторах и приемы изучения происходящих в них явлений по существу одни и те же. Поэтому в дальнейшем рабочие процессы рассматриваются в основном трансформаторам– в одно и трехфазном двухобмоточном силовом трансформаторе.