Назначение, устройство и принцип действия трансформатора

С целью экономичной передачи электроэнергии на дальние расстояния и распределения ее между разнообразными потребителями появляется необходимость в ее трансформации. Последнее осуществляется с помощью повышающих и понижающих трансформаторов.

Трансформатор — статический электромагнитный аппарат, его действие основано на явлении взаимной индукции, он предназначен для преобразования электрической энергии переменного тока с параметрами U₁, I₁ в энергию переменного тока с параметрами U₂, I₂ той же частоты.

Принцип индуктивной связи двух обмоток впервые открыт Фарадеем в 1831 г. В период 1870—1880 гг. был создан однофазный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом, а в 1880—1890 г. была осуществлена разработка трансформатора с замкнутым магнитопроводом, который усиливал магнитную связь между обмотками и обеспечивал повышенные технико-экономические показатели трансформатора.

Трансформатор (рис. 8.1) состоит из ферромагнитного магнитопровода 1, собранного из отдельных листов электротехнической стали, на котором расположены две (w₁, w₂) обмотки, выполненные из медного или алюминиевого провода. Обмотку, подключенную к источнику питания, принято называть первичной, а обмотку, к которой подключаются приемники, - вторичной. Все величины, относящиеся к первичной и вторичной обмоткам, принято соответственно обозначать индексами 1 и 2.

Рис. 8.1. К пояснению устройства и принципа действия трансформатора

Если первичную обмотку трансформатора с числом витков w₁ включить в сеть переменного тока, то напряжение сети U₁ вызовет в ней ток I₁ и МДС I₁w₁ создаст переменный магнитный поток Ф. Переменный магнитный поток Ф создаст в обмотке w₁ ЭДС Е₁, а в обмотке w₂ ЭДС Е₂. Когда есть нагрузка, электрическая цепь вторичной обмотки оказывается замкнутой и ЭДС Е₂вызовет в ней ток I₂. Таким образом, электрическая энергия первичной цепи с параметрами U₁, I₁и частотой f будет преобразована в энергию переменного тока вторичной цепи с параметрамиU₂, I₂ и f.

Мгновенные значения ЭДС первичной и вторичной обмоток, как следует из явления электромагнитной индукции, имеют выражения

e₁ = - w₁ dФ/dt,   e₂ = - w₂ dФ/dt,

их действующие значения (при синусоидальном изменении) соответственно равны

E₁ = 4,44w₁fФ_m; (8.1)

Е₂ = 4,44w₂fФ_m. (8.2)

Разделив значения ЭДС первичной цепи на соответствующее значение ЭДС вторичной цепи, получим

e1	=	E1	=	w1	= n.
e2		E2		w2

(8.3)

Величина n называется коэффициентом трансформации трансформатора. Электрическая энергия из первичной цепи во вторичную в трансформаторе передается посредством переменного магнитного потока, поскольку гальваническая связь между первичной и вторичной обмотками трансформатора отсутствует. Отношение значений ЭДС Е₁ и Е₂ равно отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток.

Для выяснения соотношения между первичным и вто­ричным напряжениями необходимо высказать следующие со­ображения.

Вопервых, кроме основного магнитного потока Ф или просто магнитного потока трансформатора, как далее мы его будем называть, который полностью располагается в ферромагнитном сердечнике и пронизывает все витки первичной и вторичной обмоток, ток первичной обмотки создает магнитный поток рассеяния Ф_р1. Поток рассеяния Ф_р1 в отличие от основного охватывает витки только первичной обмотки и, как это видно на рис. 8.1, располагается главным образом в немагнитной среде (воздушном пространстве или трансформаторном масле, окружающем обмотку). Этот поток создает в первичной обмотке ЭДСЕ_р1. Во-вторых, первичная обмотка обладает определенным активным сопротивлением. Поэтому, как вытекает из уравнения электрического состояния первичной цепи

U₁ = - E₁ - E_p1 + I₁r₁, (8.4)

значения напряжения U₁ и ЭДС Е₁ не равны. ЭДС Е₁ меньше напряжения U₁ на значение падения напряжения, обусловленное ЭДС Е_р1 и активным сопротивлением обмотки.

Однако эта разность невелика, и если ею пренебречь, то можно допустить, что

U₁ ≈ - E₁, или | U₁ | ≈ | E₁|, или U₁ ≈ - E₁.

При работе трансформатора с нагрузкой в его вторичной обмотке действует ток I₂. Ток вторичной обмотки участвует в создании основного магнитного потока Ф, а также создает поток рассеяния Ф_р2, расположенный в немагнитной среде, как Ф_р1, и наводящий в этой обмотке ЭДСЕ_р2.

Напряжение U₂, как вытекает из уравнения электрического состояния вторичной цепи

U₂ = Е₂ + Е_р2 - I₂r₂, (8.5)

меньше ЭДС Е₂ на значение падения напряжения, обусловленное ЭДС Е_р2 и активным сопротивлением обмотки. Однако эта разность невелика, и если ею пренебречь, то можно считать, что

U₂ ≈ Е₂.

Рис  8.2 Условные обозначения однофазного трансформатора

Подставив в уравнение (8.3) вместо Е₁ и Е₂соответственно напряжения U₁ и U₂, получим

w1	≈	U1	= n,
w2		U2

откуда следует, что U₂ = U₁w₂/w₁ = U₁/n

Поэтому можно считать, что коэффициент трансформации трансформатора представляет собой отношение значений первичного напряжения к вторичному. Соотношение между первичным и вторичным токами можно определить из равенства первичной и вторичной мощностей. Действительно, если пренебречь потерями активной мощности в обмотках и реактивной мощностью, обусловленной главным магнитным потоком и потоками рассеяния трансформатора, то

U₁I₁ = U₂I₂,

откуда

U₁/U₂ = I₂/I₁ = n

и, следовательно,

I₂ = I₁n.

Однофазные трансформаторы на схемах электрических цепей изображаются так, как это указано на рис 8.2, а — в. Начало и конец первичной обмотки обозначаются большими буквами: начало А, конец X, вторичной обмотки — малыми буквами: начало а, конец х. Предполагается, что направление намотки от начала к концу относительно магнитопровода обеих обмоток одинаковое   или   по   часовой,   или   против   часовой   стрелки.