8.1.2. Принцип действия электрического трансформатора
Принцип действия, саморегулирование трансформатора
Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.
При подаче от источника электрической энергии напряжения u1 (рис. 8.1)на
первичную обмотку электрического трансформатора в ней возникает ток i1, воз-
буждающий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф0, который, пронизывая витки w1 первичной обмотки, создает в ней напряжение uL1 в результате
явления самоиндукции.
Согласно закону электромагнитной индукции это напряжение определяется по формуле
uL1 = L dФ1 /dt .
Если Ф0 = Фm1 sin ωt, то LdФ/dt = Lw • Фm1 cos ωt = Lw Фm1 sin(ωt + 90°).
Следовательно
uL1 =UmL1sin(ωt + 90°), а это напряжение ≈ u1
Ток i1x также называют намагничивающим, так как он определяет значение результирующего магнитного потока Ф0, и величина этого потока, как покажем дальше, практически не изменяется в разных режимах.
Этот магнитный поток пронизывает витки второй катушки и по закону электромагнитной индукции наводит там ЭДС, которая создает ток во вторичном контуре. Как только образовался ток во вторичной цепи, то сразу сердечник размагнитится (по правилу Ленца), поэтому увеличится ток первичной цепи. Ток будет расти до тех пор, пока поток не примет прежнее значение. То есть, при каждом изменении тока во вторичной цепи автоматически адекватно изменяется ток в первичной цепи, при этом поток в сердечнике практически неизменен. В этом заключается принцип саморегулирования трансформатора.
Так как в первичной и вторичной обмотках, существуют сопротивления проводов и реактивные сопротивления от потоков рассеяния, то электрические уравнения первичной и вторичной обмоток можно представить через комплексы действующих значений (Uμ =UL1)
(8.1)
Заметим, что отношение первичной к вторичной ЭДС, раскрытые через уравнение трансформаторной ЭДС, дает величину называемую коэффициентом трансформации
Используя коэффициент трансформации, схему рис. 8.1 представляют в виде эквивалентной приведенной схемы (рис. 8.2)
Рис.
8.2
Здесь:
;
;
I2=(1/k)I2ʹ
;
В этом случае уравнения, описывающие схему
Сюда добавляется уравнение токов
Ỉ1 = Ỉμ – Ỉʹ2
и строится векторная диаграмма рис. 8.3
Рис.8.3
Диаграмма раскрывает основные соотношения трансформатора.
8.1.3.Мощность потерь в трансформаторе, к.П.Д.
Потери и КПД трансформатора
Отношение активной мощности Р2 на выходе трансформатора к активной мощности Р1 на входе
η= Р2/P1
называется коэффициентом полезного действия трансформатора. Коэффициент полезного действия трансформатора зависит от режима работы. При номинальных значениях напряжения U1 = U1Н и тока I1 = 11Н на первичной обмотке трансформатора и коэффициенте мощности приемника cosφ >0,8 коэффициент полезного действия очень высок и у мощных электрических трансформаторов превышает 99 %.
Введем понятие коэффициент загрузки β = I2 /I2Н. и учесть, что потери энергии в сердечнике(Рст) зависят от величины потока, а он практически постоянен то эти потери не зависят от тока. Потери в проводах пропорциональны квадрату тока. В номинальном режиме они равны ΔРпр.н ,тогда
Трансформаторы изготавливают таким образом, чтобы КПД был при β = 0,75- 0,8.