Контрольні питання

1. Для чого служать вимірювальні прилади і на які класи вони діляться по ступеню точності?

2. Як побудовані магнітоелектричні прилади і де вони використовуються?

3. Яка будова електромагнітних приладів і де їх застосовують?

4. Розкажіть про конструкцію електродинамічних приладів і поясніть їх призначення.

IV. Трансформатори

4.1. Принцип дії трансформатора

Дія трансформатора заснована на явищі електромагнітної індукції. При підключенні трансформатора до джерела (рис. 4.1) у витках його первинної обмотки протікає змінний струм, утворюючи змінний магнітний потік Ф. Цей потік проходить по магнітопроводу трансформатора і, пронизуючи витки первинної і повторної обмоток, індукує в них змінні е.р.с. Е₁ і Е₂.

Я кщо до вторинної обмотки приєднаний який-небудь приймач електричної енергії, то під дією е.р.с. Е₂ по колу вторинної обмотки проходить електричний струм І₂. Величина е.р.с., що індукується в кожному витку первинної і вторинної обмоток трансформатора згідно закону електромагнітної індукції залежить від величини магнітного потоку, що пронизує виток, і швидкості його зміни. Магнітний потік кожного трансформатора є цілком певною величиною, що залежить від напруги і частоти зміни змінного струму в мережі або джерелі, до яких підключений трансформатор. Постійна також і швидкість зміни магнітного потоку; вона визначається частотою зміни змінного струму.

Рис. 4.1. Однофазний трансформатор

Отже, в кожному витку первинної і вторинної обмоток індукується однакова по величині е.р.с. в результаті цього відношення е.р.с. Е₁ і Е₂, індукованих в первинній і вторинній обмотках трансформатора, буде дорівнювати відношенню числа витків w₁ i w₂ цих обмоток, тобто

(4.1)

Якщо нехтувати величиною спаду напруги в обмотках трансформатора, то можна вважати, що відношення напруги U₁ первинної обмотки (див. рис. 4.1) до напруги U₂ вторинної обмотки приблизно дорівнює відношенню числа їх витків:

4.2. Режими роботи трансформатора і його характеристики

Холостий хід. При розімкнутій вторинній обмотці трансформатор працює в режимі холостого ходу. Струм холостого ходу І₀, що проходить по первинній обмотці, має дві складові: активну І_0а і реактивну І_0р.

При цьому

(4.2)

Реактивна складова називається намагнічуючим струмом, який створює магнітний потік в магнітопроводі трансформатора. Активна складова забезпечує надходження в трансформатор електричної енергії, необхідної для компенсації втрат енергії в сталі магнітопроводу. Вона невелика, тому струм холостого ходу практично можна вважати рівним намагнічуючому струму, тобто І₀І_0р.

Магнітний потік трансформатора при холостому ході залежить від намагнічуючої сили первинної обмотки, і магнітного опору магнітопроводу, який визначається в основному його поперечним перетином і магнітною проникністю стали.

Е.р.с., індуковані в первинній і повторній обмотках, пропорційні швидкості зміни магнітного потоку

і

де - швидкість зміни магнітного потоку.

Якщо потік Ф змінюється згідно з синусоїдальним законом Ф=Ф_msint, отримаємо

(4.3)

Отже, е.р.с. е₁ і е₂ відстають від потоку Ф на кут 90°. Діючі значення цих е.р.с.:

(4.4)

(4.5)

При холостому ході спад напруги в первинній обмотці малий, тому е.р.с. практично рівна напрузі u₁ і протилежна їй по фазі, тобто . Магнітний потік трансформатора можна визначити з формули (4.3):

(4.6)

а оскільки Е₁U₁, то

Таким чином, магнітний потік трансформатора визначається величиною прикладеної напруги U₁, частотою його зміни f i числом витків w₁ первинної обмотки.

Якщо змінюється напруга U₁, то будуть мінятися е.р.с. i, магнітний потік Ф_m, і струм холостого ходу.

Залежність е.р.с. Е₁ від струму холостого ходу І₀ називається характеристикою холостого ходу трансформатора (рис. 4.2, а). При малих напругах U₁ і е.р.с. Е₁ магнітний потік трансформатора малий і для його створення потрібний невеликий струм холостого ходу. У цьому випадку магнітна система трансформатора ненасичена і при збільшенні напруги U₁ струм І₁ прямо пропорційний е.р.с. Е₁. Отже, початкова частина характеристики графічно виражається прямою.

При подальшому збільшенні напруги U₁ магнітне коло трансформатора насичується і струм І₀ починає рости швидше, ніж е.р.с. Е₁. Значне збільшення напруги понад номінальну неприпустиме, оскільки різко збільшується струм холостого ходу.

Р ис. 4.2. Характеристики силових трансформаторів:

а - холостого ходу, б – зовнішні

Режим навантаження. Струми і₁ і i₂ проходячи по обмотках w₁ і w₂, створюють в них активні і реактивні спади напруги. Однак при номінальному навантаженні трансформатора вони складають не більш декількох відсотків від напруг U₁ і U₂. Тому з деяким наближенням можна вважати, що і при навантаженні трансформатора е.р.с. Е₁U₁ і потік Ф_m згідно формули (4.6) не залежить від навантаження. Отже, результуюча намагнічуюча сила, що створюється при навантаженні струмами i₁ і і₂, повинна залишатися такою ж, як і при холостому ході:

(4.7)

або

(4.8)

Рівняння (4.7) називається рівнянням рівноваги намагнічуючих сил трансформатора. Якщо поділити обидві його частини на w₁ то отримаємо

Вираз, що позначається , називають приведеним вторинним струмом. Тоді

(4.9)

З формули (4.9) випливає, що наявність струму у вторинній обмотці трансформатора спричиняє появу струму - в первинній обмотці, який направлений проти струму і створює намагнічуючу силу, що врівноважує дію намагнічуючої сили F₂. Струм додається до струму холостого ходу , збільшуючи при навантаженні струм в первинній обмотці трансформатора.

Як правило, в силових трансформаторах струм 1₀ становить декілька відсотків від номінального значення струму І₁ Тому в режимах, близьких до номінального навантаження, при наближених розрахунках можна вважати, що І₁І₂w₂/w₁.

Залежність вторинної напруги трансформатора від навантаження можна визначити, застосовуючи другий закон Кірхгофа для контурів первинної і вторинної обмоток трансформатора. При цьому можна написати слідуючі векторні рівняння:

(4.10)

(4.11)

Активні спади напруги і виникають внаслідок проходження струмів І₁ і І₂ по активних опорах r₁ і r₂ обмоток. Реактивні ж спади напруги і зумовлюються дією потоків розсіювання Ф_1 і Ф_2, що створюються струмами І₁ і І₂ (див. рис. 4.1). На відміну від основного потоку Ф, який замикається по осердю і зчеплений одночасно з обома обмотками, потоки Ф_1 і Ф_2 зчеплені кожний тільки зі своєю власною обмоткою і індукують в них е.р.с. самоіндукції Е_1 і Е_2. Дія цих е.р.с. враховують введенням реактивних (індуктивних) опорів х₁ і х₂ обмоток трансформатора.

При навантаженні трансформатора активні і реактивні спади напруги змінюють вторинну напруга U₂. Для визначення цієї зміни вторинну напругу, як правило, приводять до первинної, множачи її на коефіцієнт трансформації k₁₂, тобто . На холостому ходу приведена вторинна напруга буде рівна первинній U₁, при навантаженні ж через спад напруг U_а1, U_а2, U_р1, і U_р2, в обмотках буде менша U₁.

Зміна напруги U являє собою алгебраїчну різницю між значеннями приведеної вторинної напруги при холостому ході і при навантаженні U= - . Часто її визначають при номінальному значенні первинної напруги U_1ном= і виражають в відсотках від U_1ном

(4.12)

Вираз іноді називають відносною втратою напруги. Зміну напруги можна визначити за зовнішньою характеристикою трансформатора (рис. 4.2, б), яка являє собою графічну залежність приведенї вториннї напруги від приведеного вторинного струму .

В трансформаторах середньої і великої потужності реактивний спад напруги в декілька разів перевершує активний. Тому і реактивне навантаження спричиняє більшу зміну напруги, ніж активне (зміна напруги зростає із зменшенням соs, тобто із збільшенням кута зсуву фаз ₂ між струмом навантаження І₂ і напругою U₂).

У

Рис. 3.13. Котроль товщини індуктивним датчиком:

1,3 — ролики; 3 — стрілка; 4 — двоплечий важіль; 5 — якір; 6 — шарнірна опора; 7 — обмотка: 8 — вимірювальний прилад

трансформаторах малої потужності, навпаки, активний спад напруги більший, ніж реактивний, і зміна напруги меншає при збільшенні cos₂.

Коротке замикання. У паспорті трансформатора вказують не зміну напруги, яка різна для різних cos₂, а результуючий спад напруги в його обмотках при номінальному навантажувальному струмі (у відсотках від напруги U_1ном). Цей спад напруги u_к% називають напругою короткого замикання, його можна визначити дослідним шляхом, якщо живити трансформатор із замкненою накоротко вторинною обмоткою від джерела пониженї напруги. В цьому випадку напруга U_к буде дорівнювати такій напрузі U₁, при якій по обмотках замкнутого накоротко трансформатора протікатимуть номінальні струми.

Напруга короткого замикання є дуже важливим експлуатаційним показником; величина його для трансформаторів середньої потужності складає 5 – 7%; для потужних трансформаторів - 6 - 12%.

Залежність зміни струму І_1к в первинній обмотці від напруги U_1к при короткому замиканні називається характеристикою короткого замикання. Графічно вона являє собою пряму лінію. Відношення називається повним опором короткого замикання z_к (результуючим опором первинної і повторної обмоток трансформатора).

Струм короткого замикання трансформатора в загальному випадку рівний

, (4.13)

тут І_ном – номінальний струм; u_к – напруга короткого замикання, %.

Для обмеження струмів короткого замикання потужні трансформатори виконують з підвищеними значеннями u_к тобто з підвищеним внутрішнім опором обмоток.