3.2.Трансформатор напряжения

Трансформатор напряжения, рис 31.

Рис. 31

Устройство этого электрооборудования видно из рисунка.

Рассмотрим работу этого устройства только в том отношении, которое характерно для практики судового использования (не будем рассматривать подробно переходные процессы включения, емкость между проводниками обмоток, рассеяние и другие стороны работы). Нам важно уяснить, как и почему происходит взаимодействие первичной (слева) и вторичной стороны (справа) трансформатора, чтобы от простого перейти к более сложному представлению этого взаимодействия во вращающихся электрических механизмах. Кроме того уясним важные для практики условия, которые необходимо соблюдать при конструировании схем и монтаже на судне.

Во-первых, трансформаторный сердечник делается из качественной трансформаторной стали, сердечник не имеет зазоров. Поэтому ток холостого хода равен нулю.

Во-вторых, трансформаторы имеют условную «полярность», которую надо обязательно соблюдать. Начала обмоток обычно обозначают звездочкой или описывают в паспорте или описании. Несоблюдение «полярности» сейчас, когда практически каждая система автоматики содержит множество измерительных и преобразующих трансформаторов чревато тяжелыми аварийными последствиями. Обычно ориентация контуров магнитных потоков и токов имеет векторное изображение так, что из конца вектора направление контура видно против движения часовой стрелки. На рис. 31 контур магнитного потока направлен против движения часовой стрелки, то есть вектор магнитного потока направлен на нас. Контуры витков имеют направленность такую, что если пустить в положительном направлении (от звездочки) мысленно постоянный ток (ни в коем случае не реально), то этот ток создаст магнитный поток по направлению основного магнитного потока в сердечнике. Направление магнитного потока обычно определяют по известному правилу «буравчика». Обозначенные звездочками начала обмоток и присоединяемых приборов должны соединяться проводниками. На рис. 31 все эти условности выдержаны. На этом рисунке в кружочках на белом фоне поставлены плюсы и точки, относящиеся только к условно положительным направлениям в витках.

Рассмотрим работу трансформатора напряжения без нагрузки, то есть когда цепь вторичной обмотки отключена. К первичной обмотке приложено напряжение от источника ЭДС. Напряжение в первичной обмотке трансформатора уравновешивается ЭДС, то есть равно противоэдс.

, где, Для вторичной обмотки номинальное напряжение, увеличено на коэффициент трансформации напряжения (судя по рисунку, где на первичной стороне изображено 4 витка, на вторичной стороне 6 витков,K_U=1,5). Поэтому соотношения для вторичной обмотки будут те же. Действительно, если напряжение на первичной стороне увеличить в 2 раза (в относительных единицах u=2), то и на вторичной стороне оно увеличится в два раза (в относительных единицах u=2). Допустим, имеем трансформатор 100 В/ 150 В.

Увеличим напряжение в 2 раза – 200 В, u₁=2, но и на вторичной стороне оно станет 300 В, u₂=300/150=2. То есть с точки зрения моделирования в относительных единицах трансформатор исключается из модели. Это во многих случаях упрощает рассуждения (все, что изменяется пропорционально, то в относительных единицах равно). Итак, если параметры первичной стороны номинальные, то и параметры вторичной стороны будут также номинальные. Все, в том числе и магнитный поток будет равен единице. Реактивный ток будет равен нулю, поскольку зазора в магнитной системе нет.

Далее рассмотрим подключение некоего механизма на холостом ходе к вторичной обмотке. Механизм предполагает наличие статора и вращающегося ротора. Между статором и ротором, конечно, будет зазор, поэтому сразу же появится реактивный ток во вторичной обмотке. Казалось бы, этот ток создаст свой магнитный поток. Но изменение магнитного потока нарушит равенство напряжения и противоэдс, чего природа «не допустит». В первичной обмотке пойдет ток, полностью компенсирующий действие реактивного тока вторичной обмотки. Он будет также реактивный по отношению к напряжению на первичной стороне. С разницей лишь в том, что будет иметь противоположное действие. Если на вторичной стороне ток намагничивает электромеханизм, создавая магнитный поток, то на первичной стороне размагничивает источник ЭДС, требуя регулировки напряжения, чтобы электрический механизм первичной стороны остался источником в понимании, определенном ранее. То есть требуется некое «А» для поддержания свойств источника, например, регулятор напряжения. Наглядно это будет показано позже, когда займемся вращающимися электрическими механизмами.

Рис. 32

Пусть механизм вторичной стороны нагрузили тормозным механическим моментом:

Это соотношение механического тормозного и электромагнитного движительного момента. Во вторичной цепи появится активный ток. Казалось бы, он должен создать свой магнитный поток, который сложится с магнитным потоком трансформатора, но этого в силу закона равновесия ЭДС быть не может. Поэтому в первичной обмотке так же появится ток, полностью компенсирующий ток вторичной обмотки. Ток, умноженный на число витков, называют «магнитодвижущей силой (МДС)». Это «сила» только по названию. Она ничего общего с механической силой не имеет. То есть МДС первичной стороны равно МДС вторичной стороны, а сумма МДС в сердечнике будет равна нулю.

I₁*W₁=I₂*W₂ или I₁*W₁+(-I₂*W₂)=0.

М

ЭДС ген.

агнитодвижущие силы, не создающие основной магнитный поток, называют наведенными магнитодвижущими силами.Сумма наведенных магнитодвижущих сил всегда должна быть равна нулю, чтобы не изменить основной магнитный поток, обеспечивающий, равенство напряжения и противоэдс. Это положение будет справедливо не только в отношении трансформатора, но и всех электрических механизмов. Обратим внимание на следующее положение, которое объясняло единство противоположных воздействий «Токи потребителей создают обратное действие в генераторах». Закрепим это положение правилом рассмотрения контуров, рис. 33.

Рис. 33

Если проследить по направлению тока в контуре, то общей закономерностью будет следующие положения.

В левой части ток совпадает с направлением ЭДС (работа сторонних сил), значит, левая часть получает «работу» от внешнего источника работы, в правой части ток направлен против ЭДС, значит, правая часть отдает «работу» внешней среде. ЭДС левой части по отношению к направлению обхода контура равна напряжению правой части контура, а, следовательно, равна и противоположна ЭДС правой части контура. ЭДС левой части контура равна и противоположна собственному напряжению. ЭДС правой части контура равна и противоположно направлена напряжению правой части контура. Напряжение левой части контура отрицательно, а напряжение правой части контура положительно, и при этом они по абсолютной величине равны. Все это не противоречит основному положению физики о потенциальности электрических полей, если рассматривают контур в декартовых координатах «X», «Y» и рассматривают пути от точки «а» к точке «b», а также закону сохранения энергии (работы).