ЭЛЕКТРО / Лекция 18

Трансформаторы.

Трансформатором называют электромагнитное устройство ,предназначенное для преобразования посредством магнитного поля электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте.

Условное графическое изображение трансформатора

Источник Приёмник

Электромагнитная схема трансформатора

Принципиальная схема трансформатора(воздушного)

Ė_ист.

L₁ L₂ Z_n

R₁ R₂

Трансформатор с ферро магнитным сердечником

На замкнутом магнитопроводе расположены две обмотки .К одной обмотке с числом витков W₁ проводится электроэнергия от источника питания. Эта обмотка называется первичной. К другой обмотке с числом витков W₂ подключается нагрузка . Это вторая обмотка.

Под действием подведённой переменной ЭДС источника в первичной обмотке возникает i₁ , который возбуждает изменяющийся магнитный поток Ф₁.Этот поток пронизывает витки первичной и вторичной обмоток индуцирует в них е₁ и е₂ .ЭДС е₁ создаёт основную часть напряжения на первичной обмотке U₁ ,другая составляющая U₁ это напряжение на активном сопротивлении первичной обмотке. ЭДС е₂ создаёт напряжение на вторичной обмотке трансформатора U₂ ,которое равно е₂ в режиме холостого хода(без нагрузки).При подключении к вторичной обмотке нагрузки появляется ток i₂,которыйобразует собственный магнитный поток Ф₂ , накладывающийся на потом первичной обмотки. В результате создаётся общий поток Ф сцепленный с витками обеих обмоток и определяющий в них ЭДС е₁ и е₂ .

Помимо основного потока в магнитопроводе ,токи обмоток создают в окружающей пространстве , которым часто пренебрегают. Можно так же пренебречь активными сопротивлениями обмоток. Такой трансформатор называется идеализированным.

При увеличении тока i₂ увеличивается МДС вторичной обмотки W_2* i₂(увеличивается Ф₂) и стремится ослабить результирующий поток Ф , что приводит к уменьшению ЭДС е₁ и нарушает электрическое равновесие :Ė_ист =İ₁R₁+Ė₁ , это приводит к росту тока i₁ в первичной обмотке. Электрическое равновесие восстанавливается когда МДС W_1* i₁ скомпенсирует рост МДС W_2* i₂ .

Вывод: изменение нагрузки трансформатора ,т.е. тока i₂ ,приводит к соответствующему изменению тока i₁ .

Применение трансформаторов.

1)Трансформаторы используются в качестве преобразователей напряжение одного значения в напряжение другого значения при неизменной мощности. Силовые трансформаторы.

2)Трансформаторы изолируют в электрическом отношении одну часть схемы от другой. При этом используют важнейшее свойство трансформаторов -возможность передачи энергии при отсутствии электрических связей между обмотками(Электроинструмент).(Источник питания в радиоэлектроники) .

3)Трансформаторы широко используются в измерительной технике для работы с высокими напряжениями и большими токами.(Измерительные трансформаторы напряжения и тока).

4)Трансформация сопротивлений или согласование генератора с нагрузкой.(Сварочный аппарат ,СВЧ техника).

Трансформация напряжений .

Уравнения электрического состояния обмоток идеализированного трансформатора имеют следующий вид:

u₁=-e₁ ; u₂=-e₂ где а

= а =

Отношение напряжения или ЭДС первичной обмотки к напряжению или ЭДС вторичной обмотки называют коэффициентом трансформации.

Трансформация токов.

Воспользуемся уравнением магнитного состояния Н*l= W_1* i₁ - W_2* i₂ ,где l-длина средней линии магнитопровода, Н*l-магнитное напряжение , W_* i-МДС.

Величины магнитного напряжения на несколько порядков меньше величины МДС обмоток, поэтому можно ещё более идеализировать трансформатор ,считать , Н*l≈0,тогда W_1* i₁ = W_2* i₂ =>МДС первичной и вторичной обмоток действуют встречно и уравновешивают друг друга.

Умножим это уравнение на

В идеальном трансформаторе энергия полностью передаётся из первичной обмотки во вторичную.

Векторная диаграмма трансформатора.

Ė_ист =İ₁(R₁+j*ω*l₁)- İ₂*j*M*ω

İ₂(R₁+j*ω*l₁)- İ₁*j*M*ω+ İ₂*=0 ; где İ₂*

За начальую фазу примем ток нагрузки İ₂

Потери в трансформаторе.

Периодические изменения магнитного поля в магнитопроводе сопровождаются магнитными потерями ,мощность которых зависят от частоты и амплитуды магнитной индукции в магнитопроводе, а также от материала последнего.

Магнитные потери имеёт 2 составляющие:

1. Потери на гистерезис

2. Потери на вихревые токи или токи Фунно

Для снижения потерь на гистерезис используют феррамагнитные материалы с малой площадью петли гистерезиса –магнитомягкие материалы.

Для снижения потерь на токи Фунно сердечник трансформатора изготавливают из тонких пластин , изолированных друг от друга или используют ферриты – материалы с высокой магнитной проницаемостью ,но являющаяся диэлектриком.

При неизменном напряжении на входе трансформатора U₁ магнитные потери не зависят от нагрузки.

В обмотках трансформатора возникают электрические потери на активных сопротивлениях проводников.

Активная мощность ,потребляемая трансформатором Р₁ превышает активную мощность ,отдаваемую в нагрузку Р₂ на величину

∆Р= Р_м+ Р_э1+ Р_э2 , где Р_м –мощность магнитных потерь.

Потери в трансформаторе вызывают тепловые потери ,направленные от внутренних частей к внешней поверхности.

Температура нагрева изоляции обмоток трансформаторы определяет номинальные токи первичной I_ном1 и вторичный I_ном2 обмоток.

I_ном1 и I_ном2 -это такие токи обмоток ,при которых трансформатор может работать не перегреваясь неограниченное время.

Напряжение на которое рассчитаны обмотки трансформатора называются номинальными: U_ном1 и U_ном2 .

Произведение номинального тока на номинальное напряжение даёт номинальную полную мощность : S_ном1 и S_ном2 .

Однако вовсе не обязательно ,чтобы мощность нагрузки трансформатора была равна номинальной . Она может быть как меньше ,так и больше её. В первом случае трансформатор будет меньше греться ,чтобы увеличить его срок службы ,а во втором случае начнётся перегрев и если трансформатор будет работать долго в этом режиме то сгорит. Однако кратковременная работа с перегрузкой последствий не вызовет.

Отношение полной мощности нагрузки к номинальной ,называется коэффициентом нагрузки трансформатора β= ; K_s= -коэффициент передачи полной мощности.

ŋ =- КПД.