9. Трансформаторы

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенные для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких других систем переменного тока в одну или несколько других систем перемененного тока. Индуктивно связанные обмотки трансформатора подразделяются на первичные, подключаемые к источнику электрической энергии, и вторичные, к которым подключаются токоприёмники (нагрузка). Если напряжение на вторичной обмотке трансформатора большею, чем на первичной, трансформатор называется повышающим, если же меньше – понижающим. Часто обмотки высокого напряжения обозначают индексами ВН, а низкого напряжения – индексами НН.

Трансформаторы могут работать в трёх режимах: эксплуатационном (работа под нагрузкой) и двух экспериментальных – режимы ХХ и короткого замыкания КЗ.

В режиме ХХ вторичная обмотка трансформатора разомкнута (ток I₂=0), на первичную обмотку подаётся номинальное напряжение U₁=U_1н и напряжение на вторичной обмотке, равное индуктивной в ней ЭДС, также имеет номинальное значение E₂=E_2н. Ток, протекающий по первичной обмотке, называется током ХХ, т.е. I_хх. Величина тока ХХ много меньше номинального тока первичной обмотки, так как ток нагрузки и P₂ равны нулю. При I_хх<<I_н и I₂=0 потери в обмотках в режиме ХХ близки к нулю, а поэтому мощность, потребляемая трансформатором в режиме ХХ, практически равна потерям в стали (P₁=P_ст, I₂=0).

Величина потерь в стали зависит от качества стали и определяется двумя составляющими: потерями на гистерезис (P_г) и потерями на вихревые токи P_{в .} Первые определяются площадью петли перемагничивания материала магнитопровода, вторые зависят от тока, порождаемого переменным потоком в толще магнитопровода. Для снижения составляющей P_В магнитопровод собирается из тонких листов, изолированных друг от друга лаком или окалиной (окислами, образующимися при термической обработке). Величина P_в обратно пропорциональна квадрату толщины листа h. Для частоты f=50 Гц. распространены значения h= 0.35 и h=0.5 мм. На повышенных частотах значения h уменьшают до 0,1...0,05 мм.

В режиме КЗ обмотка закорачивается накоротко (напряжение на обмотке ω₂=0), на первичную обмотку подаётся пониженное напряжение U_1к<< U_ном, при котором тое в обмотке будет равен номинальному значению I_1к<<I1_ном. Из закона электромагнитной индукции при условии e₁ ≈ u₁ следует однозначная связь между величиной магнитного потока в сердечнике трансформатора и величиной напряжения первичной обмотки. Из закона Ома для магнитной цепи по аналогии с законом Джоуля–Ленца для электрической цепи получается, что потери в стали P_ст пропорциональны квадрату действующего значения магнитного потока Ф₀. При малой величине напряжения U_1к, а следовательно, и малой величине потока Ф₀ в режиме КЗ потери в стали трансформатора пренебрежимо малы. Поэтому потребляемая трансформатором в режиме КЗ мощность равна потерям в меди P_м, которые соответствуют номинальному значению тока I_1к=I1_ном и зависят от сопротивления проводок обмоток.

В режиме работы трансформатора под нагрузкой на первичную обмотку подаётся номинальное напряжение и по ней должен протекать номинальный ток, так как ток нагрузки равен номинальному U₁=U_1ном и I₂=I_2ном.

Экспериментальное исследование трансформатора в режиме ХХ называется опытом холостого хода. При проведение опыта ХХ измеряются напряжения на первичной обмотке U_1хх=U_1ном , ток I_хх<<I_ном и потребляемая мощность P_хх=P_ст, а также ЭДС вторичной обмотки, которая по определению равна номинальному напряжению E₂= E_2ном.

Измеренные функциональные переменные позволяют рассчитать:

а) активную и реактивную составляющие тока первичной обмотки трансформатора:

I_{хх а} = P_ст/U_1ном;

I_{хх p}= sqrt(I²_хх- I²_{хх а})

б) активную и реактивную составляющие сопротивления трансформатора в режиме ХХ:

Z_хх= U_1ном/I_хх;

R_хх= I²_хх;

X_хх= sqrt(Z²_хх-R²_хх);

в) коэффициент трансформации трансформатора, который является его параметром:

n= U_1ном/U₂;

г) коэффициент ХХ, который характеризует относительное значение намагничивающей составляющей номинального значения тока первичной обмотки:

К_х=(I_хх/I_1н)100%

Экспериментальные исследования трансформатора в режиме КЗ называются опытом КЗ. При проведение опыта КЗ измеряются ток в первичной обмотке трансформатора I_1к=I1_ном напряжение на обмотке U_1к и потребляемая мощность P_1к=P_м. Измеренные функциональные переменные позволяют рассчитать КЗ трансформатора:

Z_к= U_1к/I_1н;

R_к= I²_1н;

X_к= sqrt(Z²_к-R²_к);

активную и реактивную составляющие падения напряжения на КЗ трансформаторе, которые используются при расчётном определение значения одного из показателей качества трансформатора U_ка= R_к*I_ном и U_кр=X_к*I_1ном.