1. Основные теоретические положения
Трансформаторы - статические устройства, обеспечивающие преобразования параметров переменных напряжений и токов. Основное назначение трансформатора - передача электрической (управляющей) энергии из одной цепи в другую и обеспечение полной гальванической развязки первичной и вторичной цепей.
Трансформаторы позволяют: изменять уровни и фазу напряжений (токов); согласовывать сопротивления источника сигнала и нагрузки; изменить форму переменного напряжения.
Электромагнитная изоляция (зазор ПЛ 0,05мм) между соседними пластинами в сердечнике обеспечивается окисной пленкой, полученной при термообработке.
Магнитопровод броневого (ШЛ) трансформатора имеет разветвленную магнитную цепь, обладающую относительно большим значением тока рассеяния и лучшими условиями охлаждения. Такие трансформаторы менее чувствительны к внешним магнитным полям, в связи с тем, что ЭДС помехи, наводимые на обеих катушках, противоположны по знаку и взаимно компенсируются
Это достоинство реализуют в трансформаторах большой мощности. Магнитопровод стержневого трансформатора (ПЛ, ПЛВ, ОЛ) имеет неразветвленную магнитную цепь. Их недостаток - чувствительность к внешним полям и плохое охлаждение, но – малый вес и габариты. Пластинчатые магнитопроводы шихтуют встык или внахлест, обеспечивая малое сопротивление магнитопровода.
Основное преимущество тороидальных трансформаторов (ОЛ)
- малая чувствительность к внешним магнитным полям и малое значение тока рассеяния, получаемое при равномерной намотки обмоток по образующей тора.
2. Работа идеализированного трансформатора. Уравнения электрического состояния
Допустим, что магнитное поле рассеяния трансформатора (рис. 7.2) отсутствует, а активное сопротивление его обмоток минимально (R = 0).
В этих случаях напряжение U1 на обмотке w1 уравновешивается только ЭДС е1, индуктируемой рабочим магнитным потоком Ф сердечника.
Наведенная этим потоком ЭДС е2 в обмотке w2 трансформатора равна напряжению U2 на нагрузке. По 2-му закону Кирхгофа уравнение электрического состояния в цепях w1 и w2 имеет вид:
U1 = -e1, U2 = e2. (7.1)
Под действием U1 в обмотке w1 возникает ток i1 и появляется изменяющийся с частотой сети магнитный поток Ф (вб). Этот поток индуцирует ЭДС е1 и е2 в обмотках трансформатора.
е1 = - w1∙dФ/dt. е2 = - w2∙dФ/dt. (7.2)
Рис. 7.2 а. Рис. 7.2 б.
Где на рис. 7.2: R0 - нагрев сердечника; R1 и R2 - нагрев обмоток w1 и w2;
ФР – поток рассеяния; Ф0 – поток в сердечнике; Z0 – сопротивление полное.
При подключении к цепи w2 нагрузки, ток i2 в обмотке w2 создает собственный магнитный поток. Намагничивающие силы токов обмоток w1 и w2 определяют результирующий рабочий магнитный поток, сцепленный с витками обмоток w1 и w2. Потоки рассеяния ФРАС наводят в соответствующих обмотках переменные ЭДС рассеяния е1 и е2, которые можно заменить падением напряжения на индуктивном сопротивлении рассеяния
Е1 = -j x1 I1; Е2 = -j x2 I2. (7.3)
В трансформаторе необходимо учитывать активные сопротивления обмоток R1 и R2.
Тогда, Ур. электрического состояния обмоток трансформатора, примет вид:
U1 = - E1 + j x1 I1 +R1I1. U2 = E2 -j x1 I2 - R2I2. (7.4)
U2 = ZНI2 – напряжение на вторичной обмотке.
где E1= -jw1Ф; E2= -jw2Ф - ЭДС возбуждаемые рабочим потоком.
В соответствии с законом электромагнитной индукции поток ФОСН индуцирует ЭДС в обмотках w1 и w2:
- e1 = w1dФ/dt = Em1sin(ωt+π/2) (см. аналог - 7.2)
e2 = w2dФ/dt = Em2sin(ωt+π/2). (7.5)
Из выр. (7.5) видно, что Em1 опережает магнитный поток Ф на угол φ = π/2.
При работе трансформатора в режиме ХХ ток I1 является током I0 = IХХ.
Пренебрегая влиянием насыщения магнитопровода, несинусоидальный ток может быть заменен эквивалентным синусоидальным током:
i0 = I0msin (ω1t+α). (7.6)
Входящий в ур. угол α магнитных потерь (сдвиг по фазе между током I0 и магнитным потоком Ф трансформатора) обусловлен потерями мощности в магнитопроводе.
При sin-ном изменении магнитного потока и при отсутствии насыщения магнитной системы, действующие значения ЭДС, индуцированные в обмотках составят:
E1
=
(Фm1/√2)·ωw1
=
(Фm1/√2)·2πfw1Фm
=
4,44fw1Фm;
(7.7)
E2
=
(Фm2/√2)·ωw2
=
(Фm2/√2)·2πfw2Фm
=
4,44fw2Фm. (7.8)
С точностью 5 – 10% можно считать, что E1 ≈U1; E2 ≈U2; I1U1 ≈ I2U2. (7.9)
Отношение первичного к вторичному напряжению в режиме ХХ является коэффициентом трансформации: n = kТ = E1/E2 = U1/U2 = I2/I1 = w1/w2. (7.10)