Трансформаторы

Трансформатором называют статический электромагнитный аппарат, преобразующий энергию переменного тока с одними параметрами в энергию переменного тока с другими параметрами. К параметрам относят ток, напряжение, начальную фазу.

В классическом варианте силовой трансформатор состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и катушек с проводниками, расположенными на этом сердечнике. Трансформаторы могут иметь одну обмотку с отводом, две, три и более обмоток. Трансформаторы с одной обмоткой и отводами называют автотрансформаторами, и соотношения между токами и напряжениями в них несколько отличаются от аналогичных соотношений в двух- и многообмоточных трансформаторах, поэтому они рассматриваются отдельно.

По роду питающего напряжения трансформаторы делятся на однофазные и многофазные трансформаторы.

У двухобмоточного однофазного трансформатора обмотка, к которой подводится энергия, называется первичной, а обмотка, с которой снимается электрическая энергия, называется вторичной. Обмотка, на которую подается большее напряжение, называется обмоткой высокого напряжения, а обмотка, на зажимы которой подается меньшее напряжение, называется обмоткой низкого напряжения. Обычно такие понятия используют при описании силовых трансформаторов.

Трансформаторы, у которых выходное напряжение больше входного, называют повышающими трансформаторами. Трансфор­маторы, у которых выходное напряжение меньше входного напряжения, называют понижающими трансформаторами.

Для обеспечения нормального теплового режима работы, т. е. для лучшего охлаждения, и для повышения электрической прочности трансформаторы заливают специальным маслом. Такие трансформаторы называют масляными. Трансформаторы с воздушным охлаждением называют сухими.

Напряжения, токи и мощность, на которые рассчитан трансформатор и при которых он может нормально функционировать, называются номинальными. Номинальным режимом работы транс­форматора называется такой режим работы, для которого спроектирован трансформатор. Номинальные параметры трансформатора обычно указываются на корпусе или в паспорте трансформатора.

Номинальной мощностью трансформатора называется максимальная мощность вторичной обмотки, которую он может отдавать нагрузке, выраженная в вольтамперах (VA). Токи обмоток, которые соответствуют номинальной мощности при номинальном входном и выходном напряжениях, называют номинальными токами.

Различают:

1. мощные трансформаторы, предназначенные для передачи и распределения электрической энергии;

2. автотрансформаторы, которые позволяют плавно изменять выходное напряжение, если в этом имеется необходимость;

3. трансформаторы преобразователей переменного тока в постоянный ток;

4. испытательные трансформаторы, предназначенные для получения очень высокого или низкого напряжения и тока;

5. сварочные трансформаторы и трансформаторы для питания нагревательных печей;

6. измерительные трансформаторы;

7. радиотрансформаторы;

8. импульсные трансформаторы.

5.1. Принцип действия трансформаторов

Принцип действия трансформатора можно пояснить на примере однофазного двухобмоточного трансформатора, конструкция которого схематично изображена на рис. 5.1.

Рис. 5.1

Трансформатор имеет первичную и вторичную обмотки. Количество витков первичной обмотки  . Количество витков вторичной обмотки  .

Под действием напряжения , приложенного к зажимам первичной обмотки, в ней протекает переменный ток . Этот ток, проходя по обмотке, создает в магнитопроводе переменный магнитный поток, пропорциональный току . Изменение магнитного потока сердечника наводит электродвижущие силы в витках первичной и вторичной обмоток

, ,

где и  число витков первичной и вторичной обмоток.

Если магнитный поток изменяется по синусоидальному закону то

,

или ,

.

Действующие значения электродвижущих сил обмоток определяются из уравнений и , так как и .

Так как электродвижущие силы созданы одним и тем же магнитным потоком, то амплитуды электродвижущих сил пропорциональны количеству витков обмоток, а отношение действующих значений ЭДС равно отношению числа витков соответствующих обмоток .

Отношение ЭДС первичной обмотки к ЭДС вторичной обмотки или отношение количества витков первичной обмотки к количеству витков вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации . При анализе работы трансформатора иногда удобно использовать другой коэффициент трансформации, равный отношению ЭДС вторичной обмотки к ЭДС первичной обмотки

.

Роль электродвижущей силы первичной обмотки и роль электродвижущей силы вторичной обмотки различны.

Электродвижущая сила , наведенная в первичной обмотке, препятствует изменению тока этой обмотки. Эта ЭДС находится почти в противофазе с подведенным напряжением, поэтому ее иногда называют противоЭДС.

Электродвижущая сила вторичной обмотки создает ток вторичной обмотки и таким образом обеспечивает электрической энергией нагрузку трансформатора. Первичная и вторичная обмотки взаимодействуют между собой через магнитное поле.

Ток , протекая по виткам вторичной обмотки, создает намагничивающую силу, под действием которой создается составляющая основного магнитного потока. По закону Ленца направление этой составляющей противоположно основному магнитному потоку. Другими словами, вторичный ток создает условия для уменьшения магнитного потока, его создавшего. В этом случае ЭДС должна быть меньше, а ток первичной обмотки больше. Увеличение тока первичной обмотки компенсирует уменьшение магнитного потока за счет увеличения тока вторичной обмотки.

Намагничивающая сила первичной обмотки равна произведению мгновенного значения тока первичной обмотки на количество витков . Намагничивающая сила вторичной обмотки определяется произведением тока вторичной обмотки на её количество витков . Результирующая намагничивающая сила равна разности намагничивающих сил первичной и вторичной обмоток.

Основной магнитный поток силовых трансформаторов при изменении тока вторичной обмотки остается практически неизменным из-за размагничивающего действия вторичной обмотки или, другими словами, каждое изменение вторичного тока вызывает соответствующее изменение первичного тока. Максимальное значение магнитного потока можно считать практически неизменным, если напряжение, приложенное к зажимам первичной обмотки, остается постоянным.