1.2.3.Трансформаторы.

Трансформаторы - это электрические аппараты, предназначенные для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины.

Т рансформатор имеет замкнутый магнитопровод из ферромагнитного материала, на котором расположены две или несколько обмоток. Принципиальная схема трансформатора представлена на рис.1.22. На рисунке: 1 и 2 первичная и вторичная обмотки трансформатора с числом витков w₁ и w₂; 3 – магнитопровод.

При подключении первичной обмотки к сети переменного тока напряжением U₁, по ней потечет ток I₁, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Этот поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней ЭДС Е₂.

Пусть к первичной обмотке с числом витков w₁ приложено переменное напряжение

u₁=U_m1sint.

Ему противодействует ЭДС самоиндукции

e₁=E_m1sint

В соответствии с законом электромагнитной индукции величина е₁ также равна:

П осле совместного решения двух предыдущих уравнений для действующего значения ЭДС первичной обмотки получаем

Данное выражение называют формулой трансформаторной ЭДС, которая устанавливает связь амплитуды магнитного потока Ф_m, частоты его изменения в магнитопроводе и числа витков обмотки с величиной индуцированной в ней ЭДС.

Т ак как первичная и вторичная обмотки трансформатора (рис. 1.22.) пронизываются одним и тем же потоком Ф, то по аналогии можем записать:

Отношение Е₁ к Е₂ называется коэффициентом трансформации

.

Это один из основных параметров трансформатора.

П отери энергии в трансформаторе. Другим важным параметром трансформатора является мощность Р₂, которую он способен передать потребителям, подключенным к его вторичной обмотке. Очевидно, что мощность Р₁, потребляемая из сети первичной обмоткой трансформатора, будет больше Р₂ на величину потерь в самом трансформаторе Р.

Р₁=Р₂+Р=Р₂+Р_ст+Р_м ,

где Р_ст - мощность потерь в стали (магнитопроводе) трансформатора;

Р_м - мощность потерь в меди (проводах обмоток).

В свою очередь потери в стали разделяют на два вида:

Р_ст=Р_г+Р_в ;

где Р_г - потери на гистерезис;

Р_в - потери на вихревые токи.

Потери на гистерезис пропорциональны площади (заштрихована) петли гистерезиса (см. рис. 1.23.) и частоте перемагничивания магнитопровода. На рис. 1.23: B_m – амплитуда магнитной индукции; H_m – амплитуда напряженности магнитного поля (B_m = ₀H_m); ₀ – магнитная проницаемость вакуума;  - относительная магнитная проницаемость; B_r - остаточная индукция.

Для снижения потерь на гистерезис магнитопроводы трансформаторов выполняют из магнитомягких материалов, имеющих узкую петлю гистерезиса и малые значения остаточной индукции В_r при максимальной величине относительной магнитной проницаемости _r (электротехнические стали, железоникелевые сплавы, ферриты и др.).

В ихревые токи появляются в электропроводящих материалах (металлах, сплавах, электролитах и т.п.), помещенных в изменяющееся магнитное поле. Они индуцируются в контурах, плоскости которых перпендикулярны силовым линиям магнитного поля (см. рис. 1.24,а.).

Величина наведенных вихревых токов, замыкающихся по периметру сечения магнитопровода, прямо пропорциональна величине наведенной в контуре ЭДС и обратно пропорциональна удельному электрическому сопротивлению материала магнитопровода.

Вихревые токи, во-первых, создают свое магнитное поле, ослабляющее основное поле; во-вторых, нагревая сердечник, бесполезно расходуют энергию, снижая КПД трансформатора.

Для уменьшения вихревых токов применяют:

• магнитопроводы из электротехнической стали и примесью кремния с увеличенным удельным электрическим сопротивлением;

• магнитопроводы выполняют шихтованными, т.е. из отдельных изолированных друг от друга листов стали толщиной 0,5 мм и менее (рис. 1.24,б.).

При сравнении рис. 1.24,а и 1.24,б видно, что при одинаковом сечении магнитопроводов и Ф=Ф₁+Ф₂+...+Ф_n длина пути, по которому замыкаются вихревые токи, растет пропорционально количеству отдельных пластин. Следовательно, чем из большего числа пластин набран магнитопровод (меньше толщина каждой пластины), тем меньше вихревые токи и потери, ими создаваемые.

Наконец, необходимо отметить, что возможны и другие причины дополнительных потерь в трансформаторе: нарушение изоляции пластин при сборке магнитопровода; недостаточно прочное крепление пластин, вызывающее их вибрацию при работе трансформатора с удвоенной частотой сети, механические удары, которые могут испытать пластины в процессе транспортировки и сборки, ухудшающие их магнитные свойства и т.п. Поэтому, прежде чем поставить трансформатор потребителю, необходимо определить реальные потери, т.е. пригодность его к эксплуатации. Их находят из опытов холостого хода (Х.Х.) и короткого замыкания (К.З.).