ФГБОУ ВПО «Тюменская государственная сельскохозяйственная академия»

Механико-технологический институт

Кафедра энергообеспечения сельского хозяйства

Курс лекций

по дисциплине «Электрические машины и аппараты»

для студентов направления 110800 «Агроинженерия» профиля «Электрооборудование и электротехнологии АПК»

Тюмень-2011

1 Устройство и принцип действия трансформаторов

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, передающий энергию из одной цепи в другую посредством электромагнитной индукции. Он применяется для различных целей, но чаще всего служит для преобразования напряжения и тока.

В трансформаторах электрические цепи связаны общим магнитным потоком, но гальванически изолированы драг от друга

По назначению трансформаторы бывают: силовые, измерительные, специального назначения. Кроме того, трансформаторы различаются по числу фаз на однофазные и трехфазные; по способу охлаждения на сухие и жидкостные.

Наиболее распространены на практике трансформаторы напряжения. Схематически устройство трансформатора показано на рис. 1.1

Рис. 1.1- Схема устройства трансформатора

На замкнутом магнитопроводе из листовой электротехнической стали помещены две обмотки с числами витков и . Обмотка, которая подключается к сети переменного синусоидального тока с напряжением называется первичной. Обмотка, к которой подключается нагрузка называется вторичной.

При протекании по первичной обмотке переменного тока в магнитопроводе возникает переменный магнитный поток Ф, охватывающий обе обмотки. Он наводит в каждой из обмоток переменную ЭДС ( и ). Если цепь вторичной обмотки замкнута, то под действием ЭДС в ней будет протекать ток .

Кроме основного магнитного потока Ф, сцепляющегося с обеими обмотками, у каждой из обмоток возникает магнитный поток, сцепляющийся только с ней и в основном замыкающийся по воздуху – и . Эти потоки называются потоками рассеяния. Их величина существенно меньше, чем величина основного потока, т.к. магнитная проницаемость воздуха на несколько порядков меньше, чем ферромагнетика.

У трансформатора может быть несколько вторичных обмоток, но в дальнейшем мы будем рассматривать только двухобмоточные трансформаторы, т.е. имеющие первичную и одну вторичную обмотку.

Основной магнитный поток наводит в каждом витке обмотки ЭДС равную , т.е. индуктируемая ЭДС отстает от потока на  /2.

Амплитуда ЭДС в одном витке обмотки равна , а действующее значение –

.

Если обмотки трансформатора имеют и витков, то в них будут наводиться ЭДС равные и .

Отношение ЭДС обмоток или отношение их чисел витков называется коэффициентом трансформации – .

Трансформаторы, у которых ЭДС вторичной обмотки меньше ЭДС первичной называются понижающими, а те, у которых ЭДС вторичной обмотки больше, чем ЭДС первичной – повышающими. Соответственно у понижающих трансформаторов , а у повышающих .

В дальнейшем будет показано, что активные мощности и коэффициенты мощности первичной и вторичной обмоток приблизительно одинаковы поэтому для трансформатора справедливы отношения .

Холостой ход трансформатора

Режимом холостого хода называется работа трансформатора при разомкнутой цепи вторичной обмотки (рис. 1.2)

Рис. 1.2- Схема трансформатора в режиме холостого хода

В первичной обмотке протекает ток холостого хода , который создает магнитный поток в сердечнике трансформатора Ф и поток рассеяния , сцепляющийся с первичной обмоткой. Каждый из этих потоков наводит в первичной обмотке ЭДС и . Так как величина потока рассеяния пропорциональна току , то ЭДС потока рассеяния можно представить как . Тогда уравнение Кирхгофа для первичной цепи трансформатора с учетом падения напряжения на активном сопротивлении обмотки будет иметь вид – или в символической форме – , где - индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки.

Для вторичной цепи, ввиду отсутствия в ней тока, уравнение Кирхгофа имеет вид .

В екторная диаграмма, соответствующая этим уравнениям представлена на рис. 1.3. Ток холостого хода опережает создаваемый им магнитный поток Ф на величину угла магнитных потерь в сердечнике трансформатора. Эти потери возникают вследствие того, что поток Ф наводит в поперечном сечении магнитопровода вихревые токи, нагревающие материал сердечника. Кроме того, потери в сердечнике возникают также в результате перемагничивания. Если вектор тока разложить на реактивную составляющую, совпадающую с направлением потока , и активную, перпендикулярную потоку , то активная составляющая тока будет соответствовать суммарным потерям в магнитопроводе, связанным с вихревыми токами и перемагничиванием. Реактивная составляющая тока определяет величину магнитного потока в сердечнике трансформатора и называется намагничивающим током.

Рис. 1.3- Векторная диаграмма трансформатора в режиме холостого хода

Ток холостого хода трансформатора в несколько раз меньше тока, соответствующего работе его под нагрузкой. Поэтому падения напряжения на активном сопротивлении и индуктивном сопротивлении рассеяния очень мало и приближенные равенства или выполняются с высокой точностью. Следовательно, в режиме холостого хода отношение напряжений на первичной и вторичной обмотках соответствует коэффициенту трансформации .