1.6. Трансформатори

 Прочитайте і опрацюйте:

Л6, с. 153…167; Л7, с. 61…94.

 Короткі теоретичні відомості та методичні вказівки:

1. Призначення та принцип роботи.

Необхідність передачі електричної енергії на велику відстань спричинила створення єдиних енергетичних систем. У лініях електро­передач втрачається від 10 до 15% електричної енергії, що виробляєть­ся. Щоб зменшити ці втрати, треба зменшити силу струму (втрати про­порційні квадрату сили струму), тобто підвищити напругу до сотень тисяч вольт. Підвищення напруги у процесі передачі електроенергії та зменшення її для використання здійснюється трансформаторами. У 1876 p. перший трансформатор побудував російський винахідник П.М.Яблочков.

Трансформатор - це електромагнітний апарат, що перетворює електричну енергію змінного струму з одними параметрами на електричну енергію з іншими параметрами. У трансформаторі перетворюються напруга, струм та початкова фаза. Незмінною залишається частота струму.

Найпростіший трансформатор має магнітопровід (осердя) і обмотки. За кількістю обмоток трансформатори бувають двообмоткові та багатообмоткові. На рис. 1.5.1. наведено будову двообмоткового трансформатора.

Обмотка із кіль­кістю витків w₁ називається первин­ною. До затискачів первинної об­мотки підводиться електрична енергія. На затискачі вторинної обмотки вмикається споживач Z_Н.

Первинна обмотка вмикається на синусоїдну напругу. Змінний струм у первинному колі індукує основний магнітний потік Ф, що замикається у магнітопроводі, та потік розсіяння Фр₁, що зами­кається у повітрі. Змінний магнітний потік Ф індукує ЕРС самоіндукції у первинній та вторинній обмотках. Якщо до вторинної обмотки увімк­нути навантаження, то почне протікати струм І₂ і виникне потік роз­сіяння вторинної обмотки Фр₂, що замикається у повітрі.

Основний магнітний потік індукує ЕРС у первинній та вторинній обмотках:

Ці ЕРС збігаються за фазою та відстають від потоку на π/2.

Якщо U₁> U₂ ,то трансформатор називається знижуючим, а при U₁ <U₂ - підвищуючим.

Важливою характеристикою трансформатора є коефіцієнт транс­формації, котрий у звичайному випадку визначається як відношення вищої напруги до нижчої в режимі холостого (неробочого) ходу.

Коефіцієнт трансформації для знижуючого трансформатора

(1.5.1.)

Із цього випливає, що трансформатор підвищує напругу і разом з тим знижує струм (та навпаки).

Первинне та вторинне кола трансформатора зв'язані тільки магнітним зв'язком, тобто кола електричне роз'єднані. Ця властивість трансформаторів використовується у роздільних трансформаторах, що мають К_Т =1.

2. Режими роботи трансформатора.

Неробочим ходом (режимам холостого ходу) називається режим, за якого вторинне коло трансформатора розімкнене (навантаження вимкнене), тобто Z_Н = ∞, І₂ =0.

Робота трансформатора у цьому режимі нагадує увімкнення котушки із сталевим осердям на синусоїдну напругу.

Струм первинного кола позначається Іо і називається стру­мом неробочого (холостого) ходу.

Потік розсіяння Фр₁ дуже мало зв'язаний із магнітним осердям, про­порційний струмові та збігається з ним за напрямком.

Струм неробочого (холостого) ходу дуже малий і не перевищує кількох відсотків від номінального первинного струму.

Режим навантаження здійснюється, коли на вторинну обмотку увімкнено навантаження Z_Н. У вторинному колі протікає струм І₂. У цьому разі маємо три потоки:

Ф — основний магнітний потік,

Фр₁ — потік розсіяння первинної обмотки,

Фр₂ — потік розсіяння вторинної обмотки.

Треба відрізняти режим короткого замикання від досліду короткого замикання. Дослід короткого замикання проводять при зниженій первинній напрузі. Режим короткого замикання — це аварійний режим роботи трансформатора. У режимі короткого замикання напруга первинної обмотки дорівнює номінальній, а опір навантаження дорівнює нулеві.

В аварійному режимі короткого замикання встановлюються великі струми короткого замикання в обмотках. Їх значення настільки великі, що призводять до виходу з ладу обмоток трансформатора.