5.1. Однофазні трансформатори

Будова. На замкненому феромагнітному магнітопроводі з тонких листів електротехнічної сталі є обмотки вищої напруги ВН з більшим числом витків і нижчої напруги НН з меншим числом витків (рис. 5.1). Затискачі обмотки ВН позначають А,Х, обмотки НН – а, х.

Обмотку, що приєднана до джерела електричної енергії звуть первинною, її кількість витків позначають w₁, напругу U₁, струм I₁. Друга обмотка, до якої приєднують приймачі, вторинна, її кількість витків – w₂, напруга U₂, струм I_2. Якщо U₂ >U₁, трансформатор - підвищувальний. Коли U₂ >U₁, трансформатор – знижувальний.

Рис. 5.1. Будова та схема вмикання однофазного трансформатора.

Холостий хід. Якщо підключити первинну обмотку до змінної напруги U₁ при відсутності навантаження, тобто Z=та I₂ = 0, у трансформаторі будуть проходити такі процеси: напруга u₁ викликає в первинної обмотці струм і_1X; з’явиться магніторушильна сила w₁і_1X, яка утворює змінний магнітний потік Ф, він збуджує в первинній та вторинній обмотках ЕРС, значення яких визначають рівняннями:

Відношення напруги до напругипри холостому ході трансформатора, тобто

,

називають коефіцієнтом трансформації. Якщо знехтувати магнітними потоками розсіювання та падінням напруг на активних опорах обмоток трансформатора, коефіцієнт трансформації можна визначити так:

Струм при холостому ході дуже малий I_x = (0,01…0,1) I_ном тому дуже малі страти енергії на активному опорі первинній обмотці трансформатора. Потужність Р_x складає 1,5 від номінальної потужності трансформатора S_ном та визначає втрати енергії на нагрів сталі, тобто магнітопровода. Коефіцієнт потужності також малий

Режим навантаження

Якщо до трансформатора підключити навантаження, повний опір якого Z, у вторинній обмотці буде струм

;

з’явиться розмагнічуюча магніторушильна сила . Оскільки діюча напругата амплітуда магнітного потоку, для магніторушильних сил існує рівність:

Тобто при зростанні струму І₂ буде зростати також струм I_1. При вказаних раніше припущеннях справедливо рівняння для потужностей:

S = U₁I₁ = U₂I_2.

Характеристики трансформатора

Залежності U₂ (I₂) називають зовнішніми характеристиками (рис. 5.2 ). На цих характеристиках кути зсуву фаз <0,=0 та>0 відповідають ємнісному, активному та індуктивному навантаженню.

Рис. 5.2. Зовнішні характеристики трансформатора.

Відносну зміну напруги трансформаторів

точніше можна розрахувати так:

,

де  відповідно активна та реактивна складові напруги короткого замикання, що визначені у відсотках;

коефіцієнт навантаження.

Залежність cos від потужності Р₂. Струм І₁ залежить від струму І₂, але останній характеризується навантаженням . Таким чином, можна побудувати залежність( рис.7.3 ).

Рис. 5.3. Графік залежності cos від потужності Р₂.

З цієї залежності видно, що при малому навантаженні cosневеликий, тому недоцільно експлуатувати трансформатори при навантаженні значно меншому ніжS_ном.

Втрати енергії у трансформаторі визначають коефіцієнтом корисної дії ( рис. 5.4 ).

Рис. 5.4. Графік залежності ККД трансформатора від коефіцієнта навантаження.

Для великих трансформаторів Р₂ мало чим відрізняється від Р₁ , тому ККД знаходять так:

.

Тут – потужність холостого хода; – потужність короткого замикання;– змінні втрати в обмотках, що залежать від навантаження трансформатора.