Трансформаторы

Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования величины напряжения и обеспечения потребителей необходимым напряжением, а так же для гальвонической изоляции цепей нагрузки от генератора.

Принцип действия и устройство трансформатора

Явление взаимоиндукции является основой работы трансформатора.

Поток, образованный контуром (обмоткой) w₁ пересекает витки обмотки w₂ и называется основным потоком– Ф_0.

Часть магнитного потока замыкается помимо w₂ и называется потоком рассеивания – Ф_S.

Для уменьшения этого потока и для увеличения КПД применяют магнитопроводы (для усиления индуктивной связи).

Если первую обмотку w₁ подключить к сетевому напряжению U₁, то ток i₁ создает в магнитопроводе поток Ф₀. Он пересекает виток w₁ и w₂ и создает в них ЭДС е₁ и е₂. Если w₂ замк. на нагрузку Z_Н, то по вторичной обмотке тоже будет протекать ток i₂, направление которого совпадает с направлением ЭДС е₂. Т.к. МДС первичной и вторичной обмотки направлены встречно, то результирующая МДС и поток в магнитопроводе будет определяться их разностью

Режим холостого хода трансформатора

Вторичная обмотка разомкнута, ток i₂=0. Магнитный поток создается током i₀₁ = i_xx. Переменный магнитный поток Ф₀ = Ф_0М sint, сцепленный с витками обмотки w₁ и w₂, наводит в них ЭДС:

Отсюда:

где

С хема замещения трансформатора при холостом ходе (R_H = ).

Под действием напряжения U по первичной обмотке протекает ток, который намагничивает сердечник и покрывает потери в стали, т.е. пропорциональный площади петли гистерезиса и вихревым токам.

Рассмотрим природу вихревых токов.

Пусть имеется электромагнит и круговой виток. При увеличении тока I в катушке электромагнита (или при сближении кольца и электромагнита) увеличивается магнитный поток, пронизывающий кольцо, и в нем наводится ЭДС и ток i. По закону Ленца направление магнитного потока Ф₁, созданного током i, противоположно направлению потока Ф (правило Буравчика).

Если имеется стальной сердечник с обмоткой и переменный ток в ней, то в сердечнике тоже будет наводиться ЭДС и протекать ток i.

Е сли сечение сердечника велико, то токи тоже будут большие. Поэтому сердечник состоит из отдельных изолированных листов стали. И чем тоньше лист, тем меньше его сечение и больше сопротивление току из-за наведенной ЭДС. Сама же ЭДС зависит только от частоты и числа витков. Таким образом, вихревые токи возникают в результате изменения магнитного потока, пронизывающего металлический сердечник. Они, конечно же, нагревают металл и создают свои магнитные поля, которые противодействуют причине, их вызывающей.

В общем случае резистор R_M отображает активные потери в сердечнике трансформатора на вихревые токи и гистерезис. Суммарный ток холостого хода определяется как , где I_pxx = I_нам.

З начение потока

Опыт холостого хода (цепь вторичной обмотки разомкнута) определяет:

1. ток намагничивания (1-10%);

2. потери в стали;

3. коэффициент трансформации .

О пыт короткого замыкания производится при закороченной вторичной обмотке (w₂) и при малом U₁, когда токи I₁=I_1ном, I₂=I_2ном. U_1кз называют напряжением короткого замыкания U_к и оно равно (5-10%)U_ном. При этом мощность в цепи питания расходуется на покрытие потерь в обмотках P_M. Потери в стали очень малы.