Принцип действия, основные технические данные и особенности однофазных трансформаторов
Рассмотрим простейший однофазный трансформатор (рисунок 4).
Рисунок 4 – Принципиальная схема однофазного трансформатора
Он состоит (рисунок 4) из двух обмоток 1,2 и магнитопровода 3, по которому замыкается основной рабочий магнитный поток Ф, сцепленный с первичной 1 и вторичной 2 обмотками.
Поток
Ф
обусловливается магнитодвижущимися
силами (МДС)
и
,
где
и
– токи в первичной и вторичной обмотках,
а
и
- количество витков в них. МДС
и
также создают потоки рассеяния
и
,
которые замыкаются, в основном, по
воздуху и сцеплены со своими обмотками.
Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции. Функциональная связь параметров приведена на рисунке 5.
Рисунок 5 - Функциональная связь параметров трансформатора
При
включении первичной обмотки
в цепь переменного тока с напряжением
и частотой тока
по ее виткам
проходит ток
,
который создает МДС
.
Эта МДС обусловливает основной рабочий
магнитный поток Ф
и поток рассеяния
,
которые наводят в первичной обмотке
ЭДС самоиндукции
и ЭДС рассеяния
.
Замыкаясь по магнитопроводу магнитный
поток
наводит ЭДС
во вторичной обмотке.
При
подключении к трансформатору нагрузки
по вторичной обмотке протекает ток
,
который создает МДС
.
Эта МДС обусловливает поток рассеяния
,
сцепленный с обмоткой 2 (рисунок 4), а
также оказывает влияние на основной
магнитный поток
.
Поток рассеяния
наводит ЭДС рассеяния
.
Основные уравнения, раскрывающие функциональную связь параметров трансформатора, имеют вид:
;
(1)
;
(2)
,
(3)
где:
;
;
-
ток холостого хода.
Уравнение
(1) показывает, что напряжение питания
уравновешивается ЭДС самоиндукции
и падением напряжения на активном и
индуктивном сопротивлениях первичной
обмотки. Величина
мала. Так, при
она составляет всего (3-7)% от
.
При этом
,
т.е. основное сопротивление в обмотке
индуктивное.
Величина
тока
зависит от величины тока нагрузки
.
В режиме холостого хода потребляемый
ток
составляет (5-10) % от
.
Выражение
(2) является уравнением напряжения во
вторичной цепи. В режиме холостого хода
,
а в режиме КЗ
,
т.е.
.
В режиме нагрузки изменение
зависит от вида нагрузки (рисунок 6).
Рисунок 6 - Внешняя характеристика трансформатора:
1 - индуктивная нагрузка; 2 - активная нагрузка; 3 - емкостная нагрузка
Из уравнения (3), получим уравнение токов (4):
.
(4)
На основании уравнений (1, 2, 4) строится векторная диаграмма нагруженного трансформатора (рисунок 7), позволяющая глубже разобраться в функциональных связях его параметров.
Рисунок
7 - Векторные диаграммы трансформатора
(
):
а-
,
на диаграмме б -
Используя эти уравнения, рассмотрим влияние вторичной цепи на первичную при различных видах нагрузки.
При
активно-индуктивной нагрузке (
)
вектор составляющей вторичной МДС
(рисунок 7а) направлен против основного
потока
,
то есть вторичная цепь размагничивает
первичную. Согласно уравнениям (3,4)
увеличивается ток
и компенсирует размагничивающее действие
вторичной цепи. В динамике это происходит
по следующей схеме:
При
активно-емкостной нагрузке
вектор составляющей МДС
(рисунок 7б) направлен согласно с основным
магнитным потоком, то есть вторичная
цепь подмагничивает первичную. Согласно
(3) уменьшается ток
и компенсируется подмагничивающее
действие вторичной цепи.
В динамике это происходит по следующей схеме:
Таким образом:
1)
рабочий магнитный поток
,
а значит и
,
практически восстанавливается за счет
изменения тока
.
Незначительное изменение
при
,
объясняется тем, что при большом изменении
величина
изменяется относительно мало;
2)
при активно-индуктивной нагрузке
потребляемый ток
больше, чем при активно-емкостной, при
.
Это видно также при сравнении векторных
диаграмм (рисунок 7а и 7б).
Различают
трансформаторы повышающие и понижающие
напряжение. Значение
пропорционально числу витков вторичной
обмотки:
(5)
где K – коэффициент трансформации, который равен отношению числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки .
Если
,
то трансформатор повышающий и
,
если
,
то трансформатор понижающий и
.
Основные технические данные трансформаторов – номинальная мощность, первичное и вторичное напряжение, отношение тока холостого хода к номинальному, КПД и масса.
Отношение
характеризует качество магнитной цепи:
чем меньше это отношение, тем меньше
сопротивление магнитопровода и меньше
потоки рассеяния.
Важным параметром, характеризующим трансформаторы, является КПД. Так как у трансформатора отсутствуют механические потери (нет подвижны частей), то их КПД высок и у мощных трансформаторов близок к 95-96%. Высокие КПД и надежность трансформаторов, малые трудозатраты на их обслуживание обусловливают их широкое применение.
Одним из важных требований к авиационным трансформаторам являются минимальные габариты и масса для заданной мощности.
Повышение частоты тока с 50 до 400 Гц, магнитной индукции и плотности тока в обмотках позволило уменьшить массу авиационных трансформаторов по сравнению с промышленными одинаковой мощности почти в 10 раз.
На габариты и массу однофазных трансформаторов также влияет их конструкция. Например, в стержневом трансформаторе - расположение на каждом стержне по половине витков первичной и вторичной обмоток дает выигрыш в объеме и массе меди катушек по сравнению с вариантом, когда катушка с первичной обмоткой на одном стержне, со вторичной обмоткой - на другом стержне.
Применение конструкции со стержневым магнитопроводом для трансформаторов средней и большой мощности в сравнении с броневым дает экономию в массе стали.
Основные виды и признаки неисправностей приведены в таблице1.
Таблица 1
Вид неисправности |
Признаки неисправности |
Разрыв первичной цепи из-за обрыва проводов катушки, проводов, подводящих напряжение от бортсети или выводов первичной обмотки, или из-за плохого контакта на клеммах. |
|
Разрыв вторичной цепи по аналогичным причинам. |
|
Закороченность части витков первичной обмотки. |
Повышены
значения
и
|
Закороченность части витков вторичной обмотки. |
Повышено значение и понижено |
На
практике возможны перегревы трансформаторов
из-за повышения напряжения
или снижения частоты тока питающего
напряжения
.