4. Принцип работы трансформатора

Функционирование трансформатора основано на связи цепей через магнитный поток. Схема трансформатора приведена на рис. 5 приложения. Обмотка, принимающая энергию от источника е1, называется первичной. Эта обмотка связывается общим магнитным потоком Ф с одной или несколькими обмотками, которые отдают энергию нагрузке и называются вторичными. R - сопротивление нагрузки /8/.

Рис.5. Схема функционирования.

Подводимое от генератора переменное напряжение создает переменный ток i1 в первичной обмотке. Первичный ток i1 создает в магнитопроводе переменный магнитный поток, изменяющийся по величине и направлению в соответствии с изменением первичного тока. Магнитный поток пронизывает одновременно витки первичной и вторичной обмоток. В результате чего, как в первичной, так и во вторичной обмотках индуктируются электродвижущие силы (эдс) е1, е2. В первичной обмотке эдс е1 направлена противофазно напряжению источника энергии, а под действием эдс, индуктированной во вторичной обмотке, в цепи потребителя образуется вторичный ток i2. Следовательно, электрическая энергия передается от первичной обмотки во вторичную, несмотря на то, что обе обмотки изолированы, то есть энергия передается электромагнитным путем.

5. Потери в трансформаторах

Потери энергии в трансформаторе подразделяются на потери в магнитопроводе (потери в стали, магнитные потери) и потери в обмотках (потери в меди, электрические потери) /6/.

Потери в магнитопроводе складываются из потерь на вихревые токи, возникающие в толще материала сердечника, потерь на магнитное сопротивление, потерь на гистерезис при циклическом перемагничивании стали, потерь на магнитный скин-эффект, потерь на магнитострикцию и потерь на магнитное поле рассеяния.

Потери на вихревые токи возрастают пропорционально массе магнитопровода, квадрату частоты сети и толщине пластины (ленты) и уменьшаются с увеличением удельного электрического сопротивления материала магнитопровода. Для уменьшения потерь магнитопроводы выполняют наборными из тонких пластин или лент с электроизоляционным покрытием, а также прессованными из порошкообразных ферромагнитных материалов. Чем меньше толщина пластин (лент), тем меньше потери на вихревые токи.

Магнитопроводы трансформатора обладают определенным магнитным сопротивлением, поэтому при переменном магнитном потоке возникают потери. Магнитное сопротивление растет с увеличением частоты сети и массы магнитопровода. Потери на магнитное сопротивление тем меньше, чем выше качество материала магнитопровода.

Все магнитные материалы делятся на магнитомягкие и магнитожесткие. Магнитомягкие материалы имеют узкую петлю гистерезиса, магнитожесткие - широкую, то есть гистерезис зависит от свойств материала. Потери на гистерезис тем меньше, чем выше магнитные свойства материала магнитопровода.

При действии переменного магнитного поля в материале сердечника наблюдается магнитный скин-эффект, который приводит к потерям из-за уменьшения эффективной магнитной проницаемости и существенно зависит от частоты. Чем меньше частота, при которой работает трансформатор, тем меньше магнитный скин-эффект.

Магнитострикция - это изменение геометрических размеров магнитопровода в магнитном поле. Потери на магнитострикцию можно уменьшить выбором соответствующего материала магнитопровода.

Магнитный поток должен замыкаться внутри магнитопровода, не рассеиваясь в окружающее пространство, которое представляет большое магнитное сопротивление. Однако в реальных трансформаторах не весь магнитный поток, возбуждаемый первичной обмоткой, пронизывает витки вторичной обмотки, что приводит к потерям и уменьшению выходного напряжения.

Потери энергии в магнитопроводе приводят к увеличению тока, протекающего по первичной обмотке, на значение, необходимое для компенсации потерь.

Магнитопроводы для трансформаторов согласования и импульсных

должны изготавливаться из материалов с высокой магнитной проницаемостью, а для питания - с высокой индукцией насыщения.

При протекании токов по обмоткам трансформаторов наблюдаются также потери в обмотках. Они складываются из потерь на омические сопротивления обмоток и потерь на электрический скин-эффект.

Потери в магнитопроводе и обмотках в трансформаторах приводят к выделению больших мощностей, которые вызывают перегрев и обуславливают нестабильность параметров, надежность и срок службы трансформатора.

Таким образом, помимо основного полезного эффекта в трансформаторе имеет место ряд дополнительных, паразитных эффектов и процессов, которые существенно сказываются на характеристиках трансформатора.

Лекция 16