Лекції 14, 15

Тема 8 трансформатори. Основи електропостачання

8.1. Однофазний трансформатор

Побудова та принцип дії

Трансформатор – це пристрій, призначений для перетворення електроенергії змінного електричного струму однієї напруги в електроенергію змінного струму іншої напруги при збереженні частоти струму.

Найпростіший трансформатор має наступну конструкцію (рис.8.1):

• магнітопровід з електротехнічної сталі;

• дві обмотки з міді, які розміщуються на магнітопроводі (ізольовані від магнітопроводу та одна від одної).

Обмотка трансформатора, яка підключається до джерела електроенергії (тобто до мережі), називається первинною. Обмотка, до якої підключаються споживачі електроенергії або лінії електропередачі, які ведуть до споживачів, називається вторинною.

Частини магнітопроводу, на яких розміщуються обмотки, називаються стрижнями, а частини, що замикають стрижні, називаються ярмами. Магнітопроводи трансформаторів виконуються двох видів: стрижневі та броньові. У стрижневому однофазному трансформаторі первинна і вторинна обмотки розміщуються на двох стрижнях, зв'язаних ярмами. В однофазному броньовому трансформаторі первинна і вторинна обмотки розміщуються на одному стрижні, а магнітопровід охоплює обмотки з двох сторін (як би «бронюючи» їх).

Трансформатор, який має одну первинну та одну вторинну обмотки називається двохобмотковим, одну первинну та дві вторинні обмотки – трьохобмотковим, є також багатообмоткові трансформатори.

Крім активних частин (магнітопроводу та обмоток) конструкція трансформатора містить у собі ряд частин, призначених для ізоляції, охолодження, кріплення активних частин та інших цілей: корпус або бак із трансформаторним маслом, вводи, ізоляція обмоток і магнітопроводу та інше.

Принцип дії трансформатора наступний: до первинної обмотки підводиться змінна напруга u₁, в результаті чого в обмотці протікає змінний струм i₁. Цей струм створює змінний магнітний потік Ф, який замикається по магнітопроводу та пронизує витки первинної і вторинної обмоток. В результаті в цих обмотках наводяться змінні е.р.с. е₁ і е₂:

; , (8.1)

де w₁ – кількість витків первинної обмотки;

w₂ – кількість витків вторинної обмотки.

При підключенні навантаження у вторинній обмотці буде протікати змінний струм i₂ , а на її затисках встановлюється змінна напруга u₂.

З виразів (8.1) випливає, що в будь-який момент часу відношення е.р.с., які наводяться в обмотках, дорівнює відношенню кількостей витків цих обмоток:

, (8.2)

де k_т – коефіцієнт трансформації трансформатора.

Вираз (8.2) справедливий не тільки для миттєвих значень, але і для амплітудних та діючих значень. Тому коефіцієнт трансформації трансформатора можна визначити приблизно дослідним шляхом: підключити до затисків обмоток трансформатора вольтметри та розділити показання вольтметра в первинній обмотці на показання вольтметра у вторинній обмотці.

Приклад 8.1

Однофазний трансформатор, первинна обмотка якого включена в мережу, працює на холостому ході. Вольтметр, включений на затиски первинної обмотки, показав напругу 660 В, а вольтметр, включений на затиски вторинної обмотки, показав напругу 220 В. Кількість витків первинної обмотки дорівнює 330.

Визначити коефіцієнт трансформації трансформатора та кількість витків вторинної обмотки.

Рішення.

1. Визначаємо коефіцієнт трансформації трансформатора за (8.2):

.

2. Визначаємо кількість витків вторинної обмотки з (8.2):

.

Якщо на затисках первинної обмотки напруга більше, ніж напруга на затисках вторинної обмотки, то трансформатор є понижуючим, а якщо навпаки, то підвищуючим. У понижуючих трансформаторів w₁  w₂ і k_т  1, у підвищуючих трансформаторів w₁  w₂ і k_т  1.

Приклад 8.2

Підвищуючий однофазний трансформатор, первинна обмотка якого включена в мережу, працює на холостому ході. Вольтметр, включений на затиски первинної обмотки, показав напругу 220 В. Коефіцієнт трансформації трансформатора дорівнює 0,1. Кількість витків первинної обмотки дорівнює 330.

Визначити напругу на затисках вторинної обмотки трансформатора та кількість витків вторинної обмотки.

Рішення.

1. Визначаємо напругу на затисках вторинної обмотки трансформатора на підставі (8.2):

.

2. Визначаємо кількість витків вторинної обмотки з (8.2):

.

Режим роботи трансформатора, при якому його вторинна обмотка розімкнута, а на затиски первинної обмотки подана номінальна напруга, називається холостим ходом трансформатора. Струм, який протікає в первинній обмотці трансформатора в цьому режимі, називається струмом холостого ходу. Якщо до затисків вторинної обмотки підключити споживачів електроенергії, то трансформатор почне працювати в режимі навантаження.