3. Однофазный трансформатор

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте тока.

Трансформаторы используются для преобразования электрической энергии при передаче ее на расстояния, а также используются во вторичных источниках электропитания, в различных электронных схемах.

Принцип действия трансформатора

Трансформатор выполнен на базе замкнутого магнитопровода (сердечника), собранного из листов электротехнической стали. На магнитопроводе имеются обмотки. Трансформатор обычно имеет одну первичную и одну или несколько вторичных обмоток (рис. 1).

Под действием напряжения, приложенного к первичной обмотке, в ней протекает ток I₁, создающий основной магнитный поток Ф₀, замыкающийся по магнитопроводу. Кроме основного, возникает еще магнитный поток рассеяния Ф_S1, замыкающийся по воздуху.

Рис. 1.

Произведение I₁w₁ (w₁ , w₂ – число витков первичной и вторичной обмоток соответственно) является намагничивающей силой первичной обмотки, определяющей величину магнитного потока Ф₁.

Таким образом,

(1)

Магнитный поток рассеяния в режиме холостого хода составляет всего 0,25% от основного потока, поэтому им можно пренебречь и считать, что

(2)

Основной магнитный поток Ф₁ наводит ЭДС самоиндукции в первичной обмотке Е₁ и ЭДС взаимоиндукции Е₂ во вторичной обмотке:

(3) (4)

Напряжение, подводимое к первичной обмотке, уравновешивается ЭДС Е₁ и падением напряжения в этой обмотке.

(5)

где Z₁ – полное сопротивление первичной обмотки.

Коэффициент трансформации

(6)

Трансформатор может работать либо в режиме холостого хода, когда вторичная обмотка разомкнута, либо в нагруженном режиме, когда ко вторичной обмотке подключена нагрузка.

Холостой ход трансформатора

Холостым ходом трансформатора называется такой режим работы, при котором вторичная обмотка разомкнута (I₂=0).

Электрическая схема трансформатора в режиме холостого хода представлена на рис. 2.

Рис. 2.

В этом режиме

(7)

Напряжение на вторичной обмотке равно наводимой в этой обмотке ЭДС

(8)

так как без нагрузки падение напряжения во вторичной обмотке равно нулю.

В режиме холостого хода ток первичной обмотки мал и составляет 3–6% от номинального значения. Причем меньший процент относится к более мощным трансформаторам. Поэтому потери напряжения I₁Z₁ в самой обмотке трансформатора малы, и можно считать, что

(9)

следовательно, в режиме холостого хода коэффициент трансформации можно определить как

(10)

Рабочий режим трансформатора

Электрическая схема трансформатора с нагрузкой представлена на рис. 3. Так как вторичная обмотка замкнута на нагрузку, то под действием ЭДС вторичной обмотки протекает ток вторичной обмотки I₂, за счет которого возникает намагничивающая сила вторичной обмотки I₂w₂, создающая магнитный поток вторичной обмотки Ф₂.

Рис. 3.

Суммарный магнитный поток (без учета магнитных потоков рассеяния первичной и вторичной обмоток), замыкаемый по магнитопроводу,

(11)

Увеличение тока нагрузки I₂ ведет к увеличению магнитного потока вторичной обмотки. Этот поток по закону Ленца направлен противоположно магнитному потоку первичной обмотки, что приводит к уменьшению ЭДС Е₁, но т.к. величина приложенного к первичной обмотке напряжения U₁=const, то произойдет увеличение тока I₁ на столько, на сколько его стремится уменьшить ток I₂.

Таким образом, магнитный поток, замыкаемый на магнитопроводе, остается величиной неизменной, не зависящей от нагрузки во вторичной обмотке. Вторичная обмотка трансформатора работает в режиме генератора

(12)

где Z₂ – полное сопротивление вторичной обмотки трансформатора.

Зависимость напряжения вторичной обмотки трансформатора от ее тока называется нагрузочной характеристикой трансформатора (рис. 4). С увеличением тока нагрузки I₂ уменьшается напряжение U₂ .

Рис. 4.

Опыт короткого замыкания трансформатора

Рис. 5.

В опыте короткого замыкания (КЗ) вторичную обмотку замыкают накоротко (рис. 5), а к первичной обмотке подводят такое малое напряжение U_1кз, при котором ток во вторичной обмотке I₂ достигает номинального значения I_2н. Относительное значение этого напряжения, называемого напряжением короткого замыкания, составляет 2 – 8 % от номинального:

(13)

Это напряжение записывается в паспорт трансформатора как его параметр и используется для определения ряда эксплуатационных характеристик.

Так как при КЗ вторичной обмотки трансформатор не передает энергию приемнику, то активная мощность Р_кз, измеренная ваттметром, представляет собой мощность электрических потерь энергии в трансформаторе. Величина Р_кз является паспортным параметром трансформатора.

При коротком замыкании может быть определен коэффициент трансформации, как отношение токов:

,

(14)

Коэффициент полезного действия трансформатора

Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора определяется по формуле

(14)

где Р₂ – мощность на выходе вторичной обмотки; Р₁ – подводимая мощность.

(15)

где ΣΔР – суммарные потери мощности.

Суммарные потери мощности складываются:

1) из электрических или тепловых потерь из-за наличия активного сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора

2) из потерь в стали, обусловленных перемагничиванием магнитопровода.

Потери в стали приблизительно можно измерить в режиме холостого хода трансформатора, а потери в меди измеряются в режиме короткого замыкания трансформатора с помощью однофазного ваттметра, включенного в цепь первичной обмотки трансформатора.

КПД трансформатора в номинальном режиме обычно составляет от 80 до 95%.

Контрольные вопросы.

1. Что называется трансформатором и на чем основан принцип его действия?

2. Каково устройство однофазного трансформатора?

3. Какие физические процессы происходят в трансформаторе в режиме холостого хода?

4. Что называется коэффициентом трансформации?

5. Какие физические процессы происходят в трансформаторе под нагрузкой?

6. Каковы потери энергии в трансформаторе?