6 Електричні трансформатори

6.1 Загальні відомості

Електричний трансформатор - електромагнітний пристрій, що перетворює напругу й струм одного рівня в напругу й струм іншого рівня при незмінній частоті й малій втраті потужності.

Генератори електричних станцій виробляють електричну енергію при напрузі 6, 10, 15 кВ, тому що на більш високих напругах складно забезпечити надійну ізоляцію обмоток.

У той же час у лініях електропередачі застосовують напруги до 110, 220, 400, 500 кВ і більше, щоб зменшити силу струму в лінії, а значить і перетин проводів, що дозволяє різко знизити потужність втрат і вартість ліній електропередач.

Таким чином, необхідні підвищувальні трансформатори, що збільшують напругу генераторів електричних станцій до напруги ліній електропередач.

У місцях же споживання електричної енергії, на виробництві, у побуті і т.д. необхідні знижувальні трансформатори, щоб мати напруги 380, 220, 127 В і менші.

Електричні трансформатори мають високий коефіцієнт корисної дії, що доходить до 99 % і високу надійність, тому що не містять частин, що рухаються.

Винайшов електричний трансформатор в 1876 році П.Н. Яблочков, який при розробці електричного освітлення зустрівся з необхідністю забезпечити автономну роботу декількох світильників з різною напругою від одного генератора.

В 1891 році М.О. Доливо-Добровольским була розроблена конструкція першого трифазного електричного трансформатора, після чого застосування електротрансформатора стало різко зростати.

Найпростіший однофазний електричний трансформатор (рис. 6.1) складається із двох обмоток, розміщених на феромагнітному магнітопроводі, що набраний з ізольованих один від одного листів електротехнічної сталі товщиною 0.3-0.5 мм, з метою зменшення втрат на вихрові струми (втрат у сталі) .

Обмотка, що підключається до джерела електричної енергії (генератора) або до лінії електропередач (електричної мережі) називається первинною (вхідною). Обмотка, до якої підключається приймач електричної енергії – вторинною (вихідною).

Рис. 6.1. Схема електричного кола із трансформатором

На щитку електричного трансформатора вказуються:

• висока і низька номінальні напруги і ;

• номінальна повна потужність =, ВА або кВA;

• частота f (Гц);

• струми в первинній і вторинній () обмотках при номінальній потужності;

• коефіцієнт трансформації К;

• число фаз;

• схема з'єднань обмоток (зірка або трикутник) у випадку трифазного електричного трансформатора;

• режим роботи (тривалий або короткочасний);

• спосіб охолодження (масляний, повітряний).

6.2 Принцип дії електричного трансформатора

Дія трансформатора заснована на явищі електромагнітної індукції (рис. 6.1).

При подачі від джерела електричної енергії напруги на первинну обмотку електричного трансформатора в ній виникає струм , збуджуючий у магнітопроводі змінний магнітний потік , який, пронизуючи витки первинної обмотки, створює в ній напругу у результаті явища самоіндукції.

Відповідно до закону електромагнітної індукції ця напруга визначається по формулі

, (6.1)

Якщо , то

.

Отже

, (6.2)

де = - амплітуда напруги самоіндукції в первинній обмотці електричного трансформатора.

Діюче значення напруги дорівнює

У вторинній обмотці в результаті явища взаємної індукції магнітний потік створює напруга , що діє значення, який дорівнює

. (6.4)

Якщо до кінців вторинної обмотки приєднаний приймач електричної енергії (рис. 6.1), то під дією напруги в вторинній обмотці потече струм , що у свою чергу збуджує магнітний потік , спрямований відповідно до закону Ленца протилежно магнітному потоку .

У результаті результуючий магнітний потік у магнітопроводі

(6.5)

зменшиться, що приведе до зменшення напруги .

Однак напруга не може бути менше певного значення, обумовленого у відповідності з II законом Кірхгофа

, (6.6)

де - напруги в первинній обмотці, що виникають у результаті наявності резистивного опору й магнітного потоку розсіювання в цій обмотці.

Таким чином, струм у первинній обмотці зростає до такого значення, при якому результуючий магнітний потік індукує необхідне значення , що відповідає рівнянню (6.6) і заданому навантаженню .

В усталеному режимі роботи електричного трансформатора має місце співвідношення

(6.7)

де - сила, що намагнічує, первинної обмотки;

– магніторушійна сила (МРС) вторинної обмотки;

- струм холостого ходу.

Струм також називають струмом намагнічування, тому що він визначає значення результуючого магнітного потоку .

У зв'язку з вищевикладеним очевидно, що результуючий (сумарний) магнітний потік у магнітопроводі електричного трансформатора в режимі навантаження дорівнює магнітному потоку первинної обмотки трансформатора в режимі холостого ходу.