Лекция 6

Электромагнитные устройства: трансформаторы

Трансформатор-это устройство для преобразования одного переменного напряжения в другое той же частоты. Он имеет не менее двух обмоток с общим магнитным потоком, которые электрически изолированы друг от друга. Магнитопровод изготовлен из электротехнической стали для усиления индуктивной связи и снижения потерь от вихревых токов (для частот менее 20 кГц).

П

ервичная обмотка вторичная обмотка

Рис. 1. ТРАНСФОРМАТОР. Схема устройства.

Обозначения на схемах.

На щитке трансформатора указываются:

Напряжение низшее (НН)и высшее(ВН).

Номинальная полная мощность (В А или кВ А).

Ток при номинальной полной мощности.

Частота, число фаз, схема соединений и способ охлаждения.

Если первичное напряжение Е₁ меньше вторичного -работа в режиме повышающего трансформатора (иначе – понижающего). Можно менять первичную и вторичную обмотки, но в рамках напряжений, указанных на щитке.

Рабочий процесс однофазного трансформатора такой же, как и у одной фазы трехфазного.

Принцип действия.

Ток в первичной обмотке возбуждает в магнитопроводе магнитный поток, который во вторичной обмотке индуцирует ЭДС взаимной индукции Е₂. При замыкании вторичной цепи на нагрузку в ней возникает ток I₂. Этот ток возбуждает в магнитопроводе встречный потоку от первичной катушки магнитный поток (первичная и вторичная обмотки включены встречно). В итоге суммарная МДС и суммарный магнитный поток в магнитопроводе оказываются пропорциональны I₁ N₁-I₂ N₂.

ЭДС первичной e₁=-N₁ dФ/dt и вторичной e₂=-N₂ dФ/dt индуцируются одним и тем же магнитным потоком Ф в магнитопроводе.

Уравнения идеализированного однофазного трансформатора..

У идеализированного трансформатора предполагается линейная зависимость индукции от напряженности магнитного поля B=μ_r μ_o H

Тогда по закону электромагнитной индукции в комплексной форме имеем:

Напряженность на средней линии магнитопровода:

Тогда

Где Z₂-комплексное сопротивление нагрузки.

В режиме холостого хода I₂=0

,где -ток холостого хода или намагничивающий ток.

Отношение напряжений между вторичной и первичной обмотками пропорционально отношению числа витков в обмотках:

U₂/U₁=N₂/N₁=n₂₁-коэффициент трансформации.

Векторная диаграмма трансформатора.

Режимы работы трансформатора.

1.Номинальный режим -при номинальных значениях тока и напряжения на первичной обмотке I₁=I_1ном, U₁=U_{1 ном}.

2.Рабочий режим U₁≈U_{1 ном}, I₁ <I_{1 ном}.

3.Режим холостого хода (I₂=0).

4. Режим короткого замыкания. U₂=0.

Режим холостого хода.

При разрыве внешней цепи на второй обмотке мы имеем индуктивость с магнитопроводом. При измерении вольтметром напряжения на первичной и вторичной обмотках поучаем коэффициент трансформации

n=U_2x/U_1x, на щитке трансформатора указывают, например, 6000/230 B. Мощность потерь при холостом ходе складывается из мощности потерь в магнитопроводе и мощности потерь в проводах первичной обмотки (R_b1 I²_1x). Ток холостого хода в первичной обмотке I_1x=0.03-0.1 I_1n.

Потери энергии на гистерезис и вихревые токи.

При изменении направления напряженности магнитного поля Н в ферромагнетике наблюдается гистерезис. Значение и знак индукции магнитного поля В зависит от величины и направления изменения Н.

Процесс намагничивания ферромагнитных материалов сопровождается изменением и линейных размеров и объёма (магнитострикция).

В переменном магнитном поле внутри проводников возникают вихревые токи Фуко. При этом в середине проводника эти токи

вычитаются из основного тока, а вблизи поверхности –складываются

С увеличением частоты тока f происходит вытеснение тока из середины проводника (скин - эффект). Для снижения потерь на вихревые токи

магнитопровод делают слоистым, перпендикулярным токам.

В основном преобладает мощность потерь в магнитопроводе (потери на гистерезис Р_г=к₁ f В_м² G (G-масса) и вихревые токи Р_в=к₂ f² В_м² G), поэтому по данным измерений n судят об изменении коэффициента трансформации (В_м- амплитуда индукции).