минимум / Трансформат

Трансформатор

В электрической сети напряжение составляет 380/320 В. Многие электротехнические устройства изготовлены для работы на иное напряжение, что не позволяет их подключать непосредственно в сеть. В этом случае подключение осуществляется через трансформатор, который преобразовывает переменное (синусоидальное) напряжение одной величины в переменное (синусоидальное) напряжение другой величины.

Устройство: первичные и вторичные обмотки (катушки), изготовленные из цветного металла (Cu, Al), которые располагаются на стальном сердечнике (магнитопроводе), собранном из отдельных тонких пластин (0,3 ÷ 0,5 мм).

Катушки имеют разные количества витков W.

Если W₂ > W₁ — трансформатор повышающий, тогда U₂ > U₁.

Если W₂ < W₁ — трансформатор понижающий, тогда U₂ < U₁.

К вторичной обмотке подключается приемник (нагрузка) R_н. Он потребляет от трансформатора ток I₂ и является нагрузкой на трансформатор.

Мощность потребляемая трансформатором из сети P₁ = U₁I₁, отдаваемая приемнику P₂ = U₂I₂.

Отношение P₂/P₁ определяет КПД трансформатора (η). КПД у трансформатора высокий , стремится к 1, а это значит, что P₂ ≈ P₁ [кВт]. Приравнивая правые части мощностей имеем U₂I₂ ≈ U₁I₁, отсюда

U₁/U₂ = K — коэффициент трансформации.

Следовательно, у понижающего трансформатора U₂ < U₁, а ток наоборот I₂ > I₁.

Название трансформатора происходит по изменению напряжения.

ОБОЗНАЧЕНИЕ НА СХЕМАХ:

Принцип работы:

Ф₁ (основной) он намагничивает сердечник →

U₁ → I₁ 

Ф_1σ (рассеяние)

Ф₂ (размагничивает сердечник)

Е₂ (во вторичной обмотке) → I₂ 

Ф_2σ

Е₁ (в первичной обмотке).

В результате, ()↓ → Е₁↓ → I₁↑ → Ф₁↑ и восстанавливает магнитный поток до прежнего уровня.

Вывод: если I₂↑ (нагрузка), то I₁ так же ↑ и наоборот.

Основные уравнения трансформатора:

Уравнения электрического равновесия:

;

.

Уравнение токов:

,

где  — ток вторичной обмотки, пересчитанный (приведенный) к первичной, .

Режимы работы трансформатора:

1. Режим холостого хода (хх)

Условия режима: U₁ = U_ном, R_н = ∞, I₂ = 0.

Опыт хх позволяет:

1. Определить коэффициент трансформации: .

2. Определить мощность потерь в сердечнике ∆Р_{магн. (их наз. магнитными)} (он греется от вихревых токов и циклического перемагничивания). Величина этих потерь определяется по ваттметру. Отметим, что ∆Р_магн. зависит только от величины U₁, следовательно, если U₁ = const, то ∆Р_магн. также не изменяется.

Сопутствующие формулы в хх:

, (полное сопротивление, Ом);

U₁I₁₀ = S₁₀, (полная мощность, ВА);

, (активное сопротивление, Ом);

.

2. Режим короткого замыкания (кз)

Условие: R_н = 0.

Различают кз лабораторное и аварийное.

Лабораторное кз:

С помощью регулируемого источника постепенно увеличивают напряжение U₁ с 0 до такого значения, чтобы ток при этом стал равным I_1ном. (предельно допустимый). Полученное при этом напряжение называют напряжением короткого замыкания U_к. Обычно U_к мало и составляет (5 ÷ 10%) U_ном.

Опыт позволяет определить потери мощности в катушках (обмотках) при номинальном токе (т. е. максимально допустимые). Величину этих потерь определяют по ваттметру.

Если по трансформатору будут протекать токи I < I_ном., то потери в обмотках: ∆Р_обм. = β²P_к, где β = I/I_ном. — коэффициент загрузки.

Откуда следует, что потери мощности в обмотках зависят от величины нагрузки и изменяются по параболической зависимости:

Загрузка трансформатора, при которой ∆Р_обм. = ∆Р_ст., является оптимальной, т. к. η при этой нагрузки максимальный (наиболее выгодный режим работы).

Сопутствующие формулы в режиме кз:

;

;

.

Аварийное кз возникает при закороченной вторичной обмотке и номинальном напряжении U₁. Аварийный ток кз можно найти из соотношения:

.

3. Рабочий режим (нагрузочный) трансформатора

Рассмотрим влияние нагрузки на работу трансформатора.

В этом режиме определяется внешняя характеристика трансформатора, показывающая, как меняется напряжение U₂ = f(I₂), где I₂ — загрузка трансформатора.

Напряжение снижается, что является, как правило, недостатком трансформатора.

Зависимость η = f(I₂) и cosφ = f(I₂):

7