1.4. Трансформаторы.

1.4.1 Назначение и принцип действия трансформатора.

Трансформатор – устройство, для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в другое той же частоты.

Принцип действия основан на законе эл.-магн. индукции, согласно которому возникает ЭДС взаимоиндукции между двумя индуктивно связанными контурами.

Повышение напряжения с помощью трансформатора снижает ток и, соответственно, потери энергии в линии при передаче ее от источника к приемнику:∆P=I²P.

Поэтому в месте производства електрической енергии (на эл.мтанции) напряжение повышают до 10⁴_...10⁵ В и выше, а в местах потребления снижают его до требуемых значений (рис. 1.79).

Рис. 1.79. Схема передачи электроэнергии на большое расстояние.

В обычных (не энергетически большой мощности) эл.схемах трансформаторы обозначают иначе:

а) б)

Рис. 1.80. Схематическое обозначение трансформаторов: а)с сердечником; б) без сердечника.

Трансформаторы без сердечника (воздушные) применяются на радиочастотах (f>50кГц). В остальных случаях используются трансформаторы с сердечником (Рис. 1.81.)

Рис. 1.81. Устройство и принцип действия трансформатора.

На замкнутом магнитопроводе, собранном из изолированных друг от друга пластин листовой стали (или навитом из стальной ленты), помещены гальванически разобщенные обмотки W₁ и W_2.

Обмотка W_1, к выводам которой подключается источник е, называется первичной, а обмотка W_2, к выводам которой подключается нагрузка, называется вторичной.

Протекающий по первичной обмотке переменный ток вызывает в стальном магнитопроводе переменный магнитный поток

Ф=Ф_msinωt,

который сцеплен с обеими обмотками и вызывает в каждой из них переменную ЭДС.

Значение ЭДС, индуктируемой в одном витке первичной и вторичной обмоток, определяется на основании закона электромагнитной индукции (закон Фарадея):

Следовательно, индуктируемая ЭДС отстает по фазе от магнитного потока на угол π/2.

Действующее ЄДС в одном витке:

Если а первичной обмотке W₁ витков, а во вторичной – W₂, то бействующее значение ЭДС в каждой обмотке:

E₁=4,44W₁fФ_m

E₂=4,44W₂fФ_m

Отношение ЭДС первичной и вторичной обмоток, или отношение их числа витков называется коэффициентом трансформации:

Для понижающего трансформатора E₁>E₂; W₁>W₂; k₁₂>1.

Для повышающего трансформатора E₁<E₂; W₁<W₂; k₁₂<1.

Первичная активная мощность, т.е. средняя мощность, потребляемая трансформатором из сети

P₁=U₁I₁cosφ₁

Вторичная активная мощность, т.е. мощность, отдаваемая потребителю,

P₂=U₂I₂cosφ_2.

Если не учитывать потери в трансформаторе, то Р₁≈P₂, φ₁≈φ₂, то

U₁I₁=U₂I₂;

Отсюда следует, что

,

т.е. при понижении напряжения в k₁₂ раз ток увеличивается в k₁₂ раз и наоборот.

1.4.2. Холостой ход трансформатора.

Холостым ходом называется режим работы трансформатора, когда его первичная обмотка подключена к внешнему источнику, а вторичная разомкнута (рис. 1.82).

Рис. (1.82.). Холостой ход трансформатора.

По первичной обмотке протекает ток холостого хода I₀, который создает магнитный поток , имеющий 2 составляющие:

1. Поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу и индуцирующий в обмотках ЭДС Е₁ и Е₂;

2. Поток рассеяния Ф_1р, замыкающийся по участку магниторовода и по воздуху. Этот поток сцеплен только с первичной обмоткой и учитывается посредством введения понятия индуктивного сопротивления рассеяния первичной обмотки при холостом ходе Х₀.

Ток холостого хода I₀ имеет две составляющие:

1. Активную I_0a, определяемую потерями в стальном магнитопроводе и на активном сопротивлении обмотки r₀;

2. Реактивную I_0p, являющуюся током намагничивания.

Полный ток холостого хода:

-для силовых трансформаторов мал и обычно не превышает нескольких процентов от номинального тока первичной обмотки;

-для маломощных (радиотехнических) трансформаторов ток I₀ может достигать (0,3…0,5)I_1ном.

Падение напряжения в первичной обмотке от тока I₀ невелико, поэтому E₁≈U₁.

Во вторичной обмотке ток не протекает, поэтому E₂=U₂.

Поэтому при х.х.:

Режим х.х. трансформатора при номинальном первичном напряжении используется для определения первичного и вторичного напряжений U₁ иU₂, коэффициента трансформации k₁₂, тока холостого хода I₀ и мощности, расходуемой на покрытие потерь в стальном магнитопроводе P₀.