1.1 Теоретичні відомості

Трансформатором називається статичний електромагнітний пристрій, що призначений для перетворення змінного струму (або напруги) і складається з двох (або більш) індуктивно зв'язаних обмоток. Обмотка, на яку подається напруга живлення, називається первинною, останні обмотки називаються вторинними. Основними параметрами трансформатора є номінальна частота живлячої напруги, номінальна напруга і струми обмоток і номінальна потужність.

Номінальна потужність двообмоточного трансформатора дорівнює номінальній потужності первинної обмотки. Для трансформатора що має декілька вторинних обмоток номінальна потужність визначається потужністю найпотужнішої обмотки (зазвичай теж первинною). Трансформатори, що призначені для живлення вентильних перетворювачів, можуть мати різні потужності первинної і вторинної обмоток. В цьому випадку користуються поняттям типової потужності, яка обчислюється як середнє арифметичне від потужностей первинної і вторинної (або вторинних) обмоток.

Рисунок 1.1 – Ілюстрація до пояснення роботи трансформатора

Трансформатор складається з феромагнітного осердя і двох розташованих на ньому обмоток. Одна з них, первинна з числом витків , підключається до джерела живлення з напругою . До іншої, вторинної з числом витків W₂, підключається споживач (рис. 1.1).

Під дією підведеної змінної напруги в первинній обмотці виникає струм і збуджується змінне магнітне поле. Велика частина силових ліній цього поля замикається по осердю, утворюючи робочий потік Ф. Цій потік зчіплюється з витками обох обмоток і наводить в них ЕРС індукції:

, В. (1.1)

Діючи значення ЕРС е₁ та е₂ дорівнюють:

, В. (1.2)

Окрім основного (робочого) потоку Ф в трансформаторі збуджуються змінні магнітні потоки розсіяння Ф_σ1 та Ф _σ2, силові лінії яких замикаються довкола витків обмоток через повітря. Ці потоки наводять в обмотках ЕРС е_σ1и е_σ2.

, В. (1.3)

Діючи значення ЕРС розсіяння дорівнюють:

, В. (1.4)

В процесі передачі енергії від мережі до споживача магнітні потоки Ф_σ1 та Ф _σ2 не приймають участі.

Рівняння електричного стану ланцюгів первинною і вторинною обмоток навантаженого трансформатора мають вигляд:

, В. (1.5)

При зміні навантаження трансформатора, що супроводжується зміною струму I₂, відбувається і зміна напруги на затискачах вторинної обмотки U₂. Залежність вторинної напруги U₂ від струму навантаження I₂ називається зовнішньою характеристикою трансформатора, тобто це залежність U₂ = f(I₂), вона знімається при U₁ = const и cosφ=const.

Робота трансформатора супроводжується втратами енергії. Розрізняють два види втрат: магнітні (потужність втрат в осерді); електричні (потужність втрат в обмотках). Таким чином, потужність втрат в трансформаторі:

, Вт. (1.6)

Потужність втрат в осерді ΔР_М пропорційна квадрату прикладеної напруги і не залежить від навантаження. Потужність втрат в обмотках пропорційна квадрату струму:

, Вт. (1.7)

де ΔР_э1 – потужність втрат в первинній обмотці; ΔР_э2 – потужність втрат у вторинній обмотці.

В більшості випадків, використовується Т-подібна схема заміщення або її спрощена модифікація Г-подібна схема заміщення трансформатора. Для визначення параметрів схеми заміщення використовуються дані, отримані в результаті проведення дослідів холостого ходу і короткого замикання.

Дослід холостого ходу проводиться при розімкненому ланцюзі вторинної обмотки (I₂ = 0) і підведенні до первинної обмотки номінальної напруги .

Виміри, зроблені при досліді холостого ходу, дозволяють визначити потужність втрат в осерді, параметри ланцюга намагнічення схеми заміщення, коефіцієнт трансформації.

Потужність, споживана трансформатором в режимі холостого ходу, витрачається на втрати в сталі осердя P₀=ΔР_М.

Параметри схеми заміщення визначаються по формулах:

, Ом. (1.8)

де – активні втрати в осерді у режимі холостого ходу, Вт;

– первинна номінальна напруга, В;

– струм холостого ходу при номінальній первинній напрузі, А.

Вимірявши напругу і на первинній і вторинній обмотках, визначається коефіцієнт трансформації:

, в.о. (1.9)

Дослід короткого замикання трансформатора проводиться при замиканні накоротко затискачів вторинної обмотки. До первинної обмотки підводиться при цьому знижена напруга такої величини, при якій струм обмотки дорівнює номінальному струму, тобто I₁= I_1ном.

Виміри, вироблені при досліді короткого замикання, дозволяють визначити потужність втрат в обмотках трансформатора і параметри короткого замикання схеми заміщення, тобто:

Вт, (1.10)

де ΔР_ЭН – номінальні електричні втрати, які дорівнюють потужності, споживаною трансформатором в режимі короткого замикання.

Параметри схеми заміщення визначаються відповідно по формулах:

, Ом, (1.11)

де – активні втрати в обмотках в режимі короткого замикання, Вт;

– струм первинної обмотки, відповідний номінальному, А;

– первинна напруга при номінальному первинному струмі, В.

Розділити на складові досить важко. Зазвичай приймають припущення про те, що схема заміщення симетрична, тоді параметри схеми заміщення для первинної і вторинної обмоток можна розрахувати по формулах:

, Ом. (1.12)

Коефіцієнт корисної дії трансформатора можна розрахувати, використовуючи дані дослідів холостого ходу і короткого замикання:

, в.о. (1.13)

де S_H – номінальна потужність трансформатора, ВА; β – коефіцієнт навантаження трансформатора, який дорівнює відношенню I₂ /I_2ном; φ₂ – кут зсуву фази струму по відношенню до фази напруги (залежить від характеру навантаження).

Використовуючи дані дослідів холостого ходу і короткого замикання, можна також розрахувати і побудувати зовнішню характеристику трансформатора. Вторинну напругу U₂ можна визначити, виходячи з формули:

В, (1.14)

де U₂₀ – напруга на затискачах вторинної обмотки, виміряна при досвіді холостого ходу, В;

Процентна зміна напруги на вторинній обмотці:

, % (1.15)

Активна і реактивна складові напруги короткого замикання в процентних значеннях:

, . (1.16)