4. Трансформаторы

Трансформатор – статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования напряжения в цепях переменного тока при неизменной частоте.

По числу фаз трансформаторы подразделяются на однофазные и трехфазные. Однофазные трансформаторы предназначены в основном для бытовых нужд — трансформаторы радиотелеаппаратуры, бытовых машин и т.д. Трехфазные трансформаторы — это силовые трансформаторы, используемые в системах энергоснабжения.

По числу обмоток трансформаторы делят на двухобмоточные и многообмоточные.

Трансформаторы могут быть понижающими (напряжение вторичной обмотки ниже напряжения первичной, сетевой обмотки), повышающие (напряжение вторичной обмотки выше напряжения первичной) и разделительными (напряжение вторичной обмотки равно напряжению первичной обмотки).

Последние применяются в радиотехнике для электрического разделения цепей.

Трансформаторы специального назначения могут быть однофазными и трехфазными – электросварочные, автотрансформаторы, измерительные трансформаторы и т.д.

4.1. Устройство однофазного трансформатора и принцип его действия

Трансформатор состоит из железного ферромагнитного сердечника (рис. 4.1) и обмоток из медного изолированного провода.

Сердечник набирают из отдельных листов электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака или окалины, это делается для уменьшения потерь на гистерезис и от вихревых токов.

Первичная обмотка трансформатора имеет W₁, витков и включается обычно в сеть. Вторичная обмотка с числом витков W₂ подключается к нагрузке.

При подаче напряжения U₁, на первичную обмотку трансформатора, по ней протекает ток I₁, который создает магнитный поток в сердечнике Ф = Ф_msinωt.

Рис. 4.1. Схема однофазного трансформатора: 1 – сердечник;

2 – первичная обмотка; 3 – вторичная обмотка

По закону электромагнитной индукции поток индуктирует в каждом витке, обмоток э.д.с.

.

Действующее значение э.д.с. в витке:

,

следовательно, э.д.с. первичной обмотки E₁ = 4,44fW₁Ф_m, а э.д.с. вторичной обмотки E₂ = 4,44f W₂Ф_m.

Различают следующие режимы работы трансформатора:

1. Режим холостого хода.

2. Рабочий режим (работа под нагрузкой).

3. Режим короткого замыкания.

4.2. Режим холостого хода

На первичную обмотку трансформатора (см. рис. 4.2.) подается номинальное напряжение U_1Н (согласно паспорту трансформатора), амперметр показывает ток холостого хода I₁₀, который должен быть в пределах (2,5÷10)%I_1Н. Ваттметр показывает мощность потерь в стали (в сердечнике трансформатора) ∆Р_ст, которые составляют (0,3÷1,4)% номинальной мощности трансформатора. Вольтметр во вторичной цепи показывает напряжение вторичной обмотки U₂₀ (оно должно быть несколько выше U_2Н).

Рис. 4.2. Схема испытания трансформатора в режиме холостого хода

Из опыта холостого хода определяется коэффициент трансформации трансформатора

.

При холостом ходе, пренебрегая падением напряжения на первичной обмотке трансформатора, E₁≈U₁.

Если U_l > U₂, то трансформатор называют понижающим, если U_l < U₂, то трансформатор называют повышающим, при U_l = U₂ – разделительным.

Векторная диаграмма холостого хода трансформатора (рис.4.3) строится следующим образом. Откладываем по горизонтальной оси вектор магнитного потока . Вектор тока холостого хода опережает вектор на угол магнитных потерьδ, который составляет (2-3)°, для наглядности на векторной

диаграмме угол δ изображен несколько большим. Вектор имеет две проекции: – активная составляющая и – реактивная составляющая тока холостого хода. Векторы и отстают от вектора магнитного потока на 90°. Направим вектор в противоположную сторону – получим вектор .

_{Рис. 4.3. Векторная диаграмма холостого хода трансформатора}

К вектору пристроим вектор – вектор падения напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки трансформатора, который параллелен вектору . Под прямым углом к векторупристраиваем вектор – вектор падения напряжения на индуктивном сопротивлении первичной обмотки трансформатора. Результирующий вектор – вектор падения напряжения на первичной обмотке.

Вектор приложенного напряжения .

Последнее уравнение называется уравнением электрического равновесия первичной обмотки.