Вопрос 1. Устройство и принцип действия трансформатора.
Ответ 1. Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, но той же частоты.
Основными конструктивными элементами трансформатора являются магнитопровод и обмотки. Магнитопровод служит для усиления основного магнитного потока и обеспечения магнитной связи между обмотками.
В работе рассматривается двухобмоточный силовой трансформатор (рис.23).
Рис. 23 Рис. 24
К первичной обмотке W1 подводится электрическая энергия от источника. От вторичной обмотки W2 энергия отводится к приемнику (потребителю).
Под действием
переменного напряжения u1
(t) в первичной
обмотке возникает ток i1
(t) и в сердечнике
возбуждается изменяющийся магнитный
поток w1·ф(t).
Этот поток индуцирует эдс е1(t)
и е2(t) в обеих
обмотках трансформатора. ЭДС е1
уравновешивает основную
часть напряжения u1
, а е2 создает напряжение
u2 на выходных
клеммах трансформатора. При включении
нагрузки во вторичной обмотке в цепи
нагрузки возникает ток i2(t),
который создает собственный магнитный
поток, накладывающийся на магнитный
поток от первичной обмотки. В результате
создается общий магнитный поток
сердечника Ψ, сцепленный с витками обеих
обмоток трансформатора и определяющий
в них результирующие ЭДС е1 и
е2 с действующими значениями:
и
,
где
- амплитуда магнитного потока:
- частота переменного тока;
,
- число витков обмоток.
На щитке трансформатора указываются его номинальные напряжения - высшее (ВН) и низшее НН) . Так же указываются номинальная полная мощность S (ВА), токи (А) , число фаз, схема соединения, режим работы, и способ охлаждения.
Вопрос 2. Записать и объяснить формулы эдс и уравнения электрического и магнитного состояний трансформатора
Ответ 2-1 ЭДС определяется скоростью изменения магнитного потока сердечника и числом витков w1 , w2 обмоток трансформатора
В первичной обмотке под действием напряжения U1 возникает ток I1. Он создает магнитный поток катушки с сердечником. Поток переменный, он наводит в первичной обмотке ЭДС самоиндукции e1 = - w1dФ/dt, а во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции е2= - w2dФ/dt. Магнитный поток для обоих обмоток один и тот же.
В режиме холостого хода катушка - чистая индуктивность, поэтому если напряжение изменяется по закону u1(t) =U1m·sinωt , то ток отстает от напряжения на 90°:
i(t) =I1m Sin(ωt-90°), магнитный поток совпадает по фазе с током Ф(t) =Ф1m·sin(ωt-90°). Тогда ЭДС будут равны
е1 = - w1dФ/dt = -w1ω Ф1m·sin ωt= -E1m·sinωt
е2 = - w2dФ/dt = -w2ω Ф1m·sin ωt= -E2m·sinωt
Векторная диаграмма идеального (без потерь) трансформатора в режиме холостого хода представлена на рис.25:
Ответ 2-2. Уравнения электрического состояния реального трансформатора для первичной и вторичной цепей имеют вид:
;
,
где
и
– активные сопротивления обмоток;
и
– индуктивные сопротивления рассеяния
обмоток.
Ответ 2-3. Уравнения магнитного состояния трансформатора можно получить, исходя из анализа МДС в трансформаторе. ЭДС обеих обмоток возникают благодаря изменению одного и того же магнитного потока Ф с индукцией В. Индукция В и напряженность магнитного поля H связаны зависимостью B=μ·H. Пусть μ=const. Напряженность магнитного поля H по закону полного тока связана с суммарной МДС обеих обмоток соотношением :
Н·l = I1 ·w1+(-I2) ·w2,
где l - длина средней линии магнитопровода;
I1 ·w1 - МДС первичной обмотки;
-I2 ·w2 - МДС вторичной обмотки. Знак минус МДС вторичной обмотки отрицательный в силу закона ЭМИ (правило Ленца –ток возникающий в обмотке 2 всегда будет иметь направление, при котором магнитный поток, создаваемый током I2, будет препятствовать изменению основного потока)
ЭДС Е1=const·Ф= const·В·S= const·μ·H·S,
Е1 = const·μ ·( I1 ·w1-I2 ·w2) ·S/ l
В режиме холостого хода I2=0, соответственно, уравнение (5-3) будет иметь вид:
Е1=const·μ·I10·w1·S/ l
где I10 ток первичной обмотки трансформатора в режиме холостого хода.
Из уравнений и получим уравнение магнитного состояния трансформатора:
Определим ток I1:
I1= I10 - Iי2
где I10 – ток холостого хода или намагничивающий ток (ток создающий магнитный поток )
Iי2= - w2/w1·I2 - компенсирующий ток. Tок Iי2 компенсирует действие тока вторичной обмотки на основной магнитный поток.
Магнитный поток в сердечнике всегда постоянный.