1. Трансформаторы. Основные понятия. Назначение, области применения трансформатора
Трансформатор — статическое электромагнитное устройство, имеющее две или больше индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других системпеременного тока.
Основные понятия. Состоит трансформатор из нескольких обмоток (двух или более), которые намотаны на общий ферромагнитный сердечник. Если трансформатор состоит только из одной обмотки, то он называется автотрансформатором. Современные трансформаторы тока бывают: стержневыми, броневыми или тороидальными. Все три типа трансформаторов имеют похожие характеристики, и надежность, но отличаются друг от друга способом изготовления.
В трансформаторах стержневого типа обмотка намотана на сердечник, а в трансформаторах стержневого типа обмотка включается в сердечник. В трансформаторе стержневого типа обмотки хорошо видны, а из сердечника видна только нижняя и верхняя часть. Сердечник броневого трансформатора скрывает в себе практически всю обмотку. Обмотки трансформатора стержневого типа расположены горизонтально, в то время как это расположение в броневом трансформаторе может быть как вертикальным, так и горизонтальным.
Независимо от типа трансформатора, в его состав входят такие три функциональные части: магнитная система трансформатора (магнитопровод), обмотки, а также система охлаждения.
Назначение трансформаторов. С помощью трансформаторов повышается или понижается напряжение, изменяется число фаз, в некоторых случаях преобразуется частота переменного тока.
Области применения трансформаторов.
1,В системах передачи и распределения электрической энергии.
2. В преобразовательных устройствах для обеспечения нужной схемы включения вентилей и согласования напряжений на входе и выходе преобразователя.
3. В различных электротехнологических установках для технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питания электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др.
2. Устройство и принцип действия трансформатора. Уравнения напряжений трансформатора
Устройство трансформатора
По типу конфигурации магнитопровода
По расположения обмоток относительно друг друга
По способу охлаждения
Принцип работы трансформатора
В трансформаторе принято выделять первичную и вторичную обмотку. К первичной обмотке напряжение подводится, а от вторичной отводится. Действие трансформатора основано на законе Фарадея (законе электромагнитной индукции): изменяющийся во времени магнитной поток через площадку, ограниченную контуром, создает электродвижущую силу. Справедливо также обратное утверждение: изменяющийся электрический ток индуцирует изменяющееся магнитное поле.
В трансформаторе есть две обмотки: первичная и вторичная. Первичная обмотка получает запитку от внешнего источника, а с вторичной обмотки напряжение снимается. Переменный ток первичной обмотки создает в магнитопроводе переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создает ток во вторичной обмотке.
Уравнения напряжений трансформатора
3. Холостой ход трансформатора. Работа трансформатора под нагрузкой
Холостым ходом трансформатора является такой предельный режим работы, когда его вторичная обмотка разомкнута и ток вторичной обмотки равен нулю (I2 = 0). Опыт холостого хода позволяет определить коэффициент трансформации, ток, потери и сопротивление холостого хода трансформатора.
При опыте холостого хода первичную обмотку однофазного трансформатора включают в сеть переменного тока на номинальное напряжение U1 (рис. 4).
Под действием приложенного напряжения по обмотке протекает ток I1=I0 равный току холостого хода. Для измерения тока холостого хода, приложенного к первичной обмотке напряжения и потребляемой мощности в цепь первичной обмотки трансформатора включены измерительные приборы (амперметр А, вольтметр V и ваттметр W). Вторичная обмотка трансформатора замкнута на вольтметр, сопротивление которого очень велико, так что ток вторичной обмотки практически равен нулю.
Ток холостого хода возбуждает в магнитопроводе трансформатора магнитный поток, который индуктирует э. д. с. Е1 и Е2 в первичной и во вторичной обмотках.
Во вторичной обмотке трансформатора нет тока и, следовательно, нет падения напряжения в сопротивлении этой обмотки, поэтому э. д. с. равна напряжению, т. е. Е2=1/2. Поэтому э. д. с. вторичной обмотки определяется показанием вольтметра, включенного в эту обмотку.
Ток холостого хода, протекающий в первичной обмотке, очень мал по сравнению с номинальным, так что падение напряжения в сопротивлении первичной обмотки очень мало по сравнению с приложенным напряжением. Поэтому приложенное напряжение практически уравновешивается э. д. с. первичной обмотки и численные значения напряжения V и э. д. с. Е приблизительно равны. Имея в виду равенства E2=U2 и E1~U1 коэффициент трансформации можно определить отношением э. д. с. или чисел витков обмоток. Таким образом, при холостом ходе трансформатора коэффициент трансформации определится отношением показателей вольтметров, включенных в первичной и вторичной обмотках.
Режим с нагрузкой.При подключении нагрузки к вторичной обмотке во вторичной цепи возникает ток, создающий магнитный поток в магнитопроводе, направленный противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате в первичной цепи нарушается равенство ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения.
4. Уравнения магнитодвижущих сил и токов. Параметры приведенной вторичной обмотки
В режиме нагр. Ток I1 и I2 созд. Магнитодвиж. Сил. I1->I1W1, I2->I2W2. I0->i0W1- в режиме х.х., I1W1+I2W2=I0W1- ур. Для магни.движ сил трансформ. I1+I2’=I0 (*) – уравне.токов. I2’=W2I2/W1 – ур. Ток 2 обмотки. I1=I0+(-I0’). I1=-I2’, I1=I2’
Параметры привед. Вторич. Обм.
При привед. трансф. необх. выполн. усл., чтобы энерг. парам. провод. обмотки не изм. и не повлияли на энерг. соотнош. в трансф.
E2’, U2’, I2’, R2’, X2’, Z2’
E2’=W1E2/W2=KE2=E1
U2’=Ku2, E2’(рас.)=KE2(рас.)
Исходя из усл. равен. полн. мощн. привед и реальн обмоток получ, что ток I2’=E2I2/E2’=I2/K.
Из усл равен потерь активн мощн привед реальн обмоток тран получ выраж для привед активн сопр
R2I2’=R2’I2’: R2’=((I2/I2’)^2)R2=K^2 R2; x2’=K^2X2; Z2’=K^2Z2