5.1. 3. Нагрев и охлаждение трансформаторов

При работе трансформатора за счет токов в об­мотках, а также вследствие перемагничивания магнитопровода и вихревых токов выделяется теплота. Трансформаторы небольшой мощности (до 10 кВ-А), для которых достаточно воздушного охлаждения, на­зывают сухими.

В мощных трансформаторах применяют масляное охлаждение (рис.2). Магнитопровод 1 с обмотка­ми 2, 3 размещается в баке 4, заполненном минераль­ным (трансформаторным) маслом. Масло не только отводит теплоту за счет конвекции или принудительной циркуляции, но и является хорошим диэлектриком (изолятором). Масляные трансформаторы надежны в работе и имеют меньшие размеры и массу по сравнению с сухими трансформаторами той же мощности. При изменении температуры объем масла меняется. При повышении температуры излишек масла погло­щается расширителем 5, а при понижении темпера­туры масло из расширителя возвращается в основной бак.

5.1.4. Формула трансформаторной эдс

Рассмотрим катушку (рис. 3), к зажимам кото­рой подведено синусоидальное напряжение. Пренебре­жем сопротивлением катушки и потерями на гистере­зис и вихревые токи. Тогда приложенное к катушке напряжение u = U_м sint будет уравновешиваться только ЭДС самоиндукции е = Е_т sint.Это очевидно, так как полностью уравновешивать друг друга могут только равные и одинаково изме­няющиеся во времени величины.

Рис..3. Схема ка­тушки с ферромаг­нитным сердечни­ком в цепи пере­менного тока

В соответствии с законом электромагнитной индукции е = —w;

следовательно, е = Е_т sint = — w;.

Это дифференциальное уравнение позволяетнайти зависимость между ЭДС обмотки и магнитным потоком в магнитопроводе:

dФ = — sint dt

Проинтегрируем левую и правую части этого вы­ражения:

Ф = —= cost +A

Здесь постоянная интегрирования A = 0, так каксинусоидальная ЭДС не может создать постояннуюсоставляющую магнитного потока.

Таким образом, Ф = —cost = Ф_m cost, где Ф_m = —амплитудное значение переменного магнитного потока в магнитопроводе катушки.

Подставив в последнее равен­ство Е_т =Еи = 2лf, получим

Ф_m = или E=

Нетрудно подсчитать, что 2л / = 4,44, т. е. E = 4,44 f wФ_т

Это выражение, связывающее действующее значение ЭДС в об­мотке с амплитудой магнитного по­тока в магнитопроводе, принято на­зывать формулой трансфор­маторной ЭДС. Она играет важную роль в теории трансформатора и электрических машин переменного тока.

5.1.5. Принцип действия. Коэффициент трансформации

Работа трансформатора основана на явлении вза­имной индукции, которое является следствием закона электромагнитной индукции.

9Рассмотрим более подробно сущность процесса трансформации тока и напряжения.

При подключении первичной обмотки трансформа­тора к сети переменного тока напряжением U₁ по обмотке начнет проходить ток I₁ (Рис.4), который создаст в магнитопроводе переменный магнитный поток. Ф. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцируют в ней ЭДС Е₂ , которую можно использовать для питания нагрузки.

Рис.4. Принципиальная схема однофазного трансформатора.

Поскольку первичная и вторичная обмотки трансформатора пронизываются одним и тем же магнитным потоком Ф, выражения индуцируемых в обмотке ЭДС можно записать в виде

E₁ = 4,44 f w₁ Ф_т

E₂ = 4,44 f w₂ Ф_т где f — частота переменного тока; w₁, w₂ — число вит­ков обмоток.

Поделив одно равенство на другое, получим ==k.

Отношение числа витков обмоток называют коэффициентом трансформации k.

Таким образом, коэффициент трансформации по­казывает, как относятся действующие значения ЭДС вторичной и первичной обмоток.

На основании закона электромагнитной индукции можно написать:

е₁ = —w₁ ; е₂ = —w₂ ;

Поделив одно равенство на другое, получим = = k.

Следовательно, в любой момент времени отноше­ние мгновенных значений ЭДС вторичной и первичной обмоток равно коэффициенту трансформации. Этовозможно только при полном совпадении по фазе ЭДС е₁ и е₂.

Если цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута (режим холостого хода), то напряжение на зажимах обмотки равно ее ЭДС: U₂ = E₂, а напря­жение источника питания почти полностью уравнове­шивается ЭДС первичной обмотки U₁ ≈ E₁ . Следова­тельно, можно написать, что k = ≈ .

Т.о., коэффициент трансформации мо­жет быть определен на основании измерений напря­жения на входе и выходененагруженноготрансформатора.Номинальные параметрытрансформатора - мощность, напряжения, токи, частота указываются в его паспорте(отношение напряжений на обмотках ненагруженного трансформатора).Т. к.КПД трансформатора высок,номинальные мощности обеих обмоток считают условно равнымиS_1н = S_2н.

Учитывая высокий КПД трансформатора, можно полагать, что S₁ ≈S₂,

где S₁ = U₁I₁—мощность, по­требляемая из сети;S₂= U₂I₂ — мощность, отдаваемая в нагрузку.

Таким образом, U₁I₁ ≈ U₂ I₂, откуда ≈ = k.

Отношение токов первичной и вторичной обмоток приближенно равно коэффициенту трансформации, поэтому ток I₂ во столько раз увеличивается (умень­шается), во сколько раз уменьшается (увеличивается)U₂.