5.2. Конструкция однофазных трансформаторов

Основными конструктивными элементами трансформаторов являются магнитопровод и обмотки. Примеры конструкций трансформаторов представлены на рис. 5.2. Однофазные трансформаторы изготавливаются относительно малой мощности.

Рис. 5.2

Все трансформаторы имеют магнитопровод 1, изготовленный из листов электротехнической стали, если речь идет о силовых трансформаторах, работающих в электрической сети промышленной частоты. Сердечники трансформаторов, работающих на повышенных и высоких частотах, изготавливаются из пермаллоя, феррита, альсифера и других магнитных материалов. Способ изготовления сердечников силовых трансформаторов различен. Сердечник трансформатора, изображенного на рис. 5.2, а, набран из листов электротехнической стали, полученных путем штамповки. Форма листов напоминает букву «Ш», поэтому пакеты листов называют «Ш-образным железом». Сердечники более мощных трансформаторов набирают из полос электротехнической стали, размеры которых определяются конструкцией трансформаторов.

С развитием технологии изготовления сердечников стали использовать «U»-образные элементы, изготовленные из ленточного железа со шлифованными торцами. Сердечник трансформатора броневого типа (см. рис. 5.2, б) изготовлен из четырех таких элементов, а сердечник двухкатушечного трансформатора (см. рис. 5.2, в) изготовлен из двух элементов. Лучшими эксплуатационными характеристиками обладает трансформатор с кольцевым сердечником, изготовленным из ленточного электротехнического железа путем намотки (см. рис. 5.2, г). Такой сердечник не имеет воздушного зазора, поэтому коэффициент использования железа достаточно высок.

Каркасы обмоток маломощных трансформаторов изготавливают из специальных изоляционных материалов.

Обмотки выполняются проводом круглого или прямоугольного сечения. Провода малого сечения имеют эмалевую изоляцию. Провода большого сечения в большинстве случаев обеспечиваются изоляцией из стеклоткани и других изоляционных материалов.

5.3. Потери электрической энергии в трансформаторе и коэффициент полезного действия трансформатора

В любом электромагнитном устройстве имеются потери электрической энергии. Количество и характер потерь энергии в устройстве определяют эффективность его работы. В случае трансформатора речь идет об эффективности преобразования электрической энергии. Проанализируем причины возникновения потерь энергии в трансформаторе.

В соответствии с принципом действия трансформатора его основными элементами являются магнитопровод и обмотки, поэтому обычно рассматривают потери в сердечнике и обмотках.

Вспомним природу появления магнитного потока сердечника. Ток первичной обмотки, проходя по виткам первичной обмотки, образует вместе с ней намагничивающую силу , равную произведению мгновенного значения тока на количество витков первичной обмотки. Так как ток вторичной обмотки равен нулю, никаких намагничивающих сил в магнитной цепи нет, поэтому напряженность магнитного поля в любой точке магнитопровода будет пропорциональна мгновенному значению тока . В зависимости от свойств магнитного материала каждому значению напряженности соответствует индукция магнитного поля в данной точке. Для электротехнической стали эта зависимость выражается петлей гистерезиса. Кривая намагничивания стали показывает, что каждому значению напряженности магнитного поля соответствует два значения индукции. Неоднозначность кривой намагничивания стали приводит к тому, что вектор магнитного потока и вектор тока не будут совпадать по фазе, так как магнитный поток сердечника пропорционален индукции магнитного поля. Поэтому ток холостого хода трансформатора опережает вектор магнитного потока на некоторый угол . Магнитный поток сердечника наводит в первичной обмотке ЭДС синусоидальной формы, вектор которой отстает от вектора магнитного потока на 90 . Падение напряжения на первичной обмотке равно ЭДС по величине и противоположно по направлению. Таким образом, намагничивающий ток первичной обмотки отстает от напряжения не на 90 , а на меньший угол. Если в дальнейших рассуждениях использовать математический аппарат электротехники, то можно определить активную мощность потерь в трансформаторе, работающем в режиме холостого хода. Активная мощность равна произведению тока на напряжение и на косинус угла сдвига фаз . Угол сдвига фаз . Так как , то и . Активная мощность не равняется нулю. Это доказывает наличие потерь энергии, связанных с перемагничиванием сердечника.

Рис. 5.3

Кроме такого рода потерь, в сердечнике имеют место потери, связанные с вихревыми токами. Последний вид потерь объясняется следующим явлением. Электротехническая сталь является проводящим материалом и имеет свободные заряды. Поскольку магнитный поток изменяется по синусоидальному закону, заряды будут перемещаться под действием этого потока в соответствии с законом Ленца по замкнутому пути, пытаясь воспрепятствовать изменению магнитного потока. Но любое упорядоченное движение зарядов является током, который, проходя по проводнику – сердечнику с конечной проводимостью, рассеивает энергию на его нагревание. Такие токи называют токами Фуко.

Появление вихревых токов можно объяснить достаточно просто (рис. 5.3). Рассмотрим сердечник из сплошного проводящего материала, по которому проходит магнитный поток, изменяющийся по синусному закону . Мысленно вы­режем из сердечника пластину в направлении, перпендикулярном маг­нитному потоку (см. рис. 5.3). Если далее удалить из полученной пластины среднюю часть, то получим короткозамкнутый виток из проводящего материала, сцепленный с магнитным потоком, изменяющимся по синусоидальному закону. Как и в любом проводнике, сцепленным с изменяющимся во времени магнитным потоком, в нем будет наведена электродвижущая сила, которая обеспечивает циркуляцию тока в короткозамкнутом проводнике. Произведение квадрата тока проводника на его сопротивление равно элементарной активной мощности потерь. Весь сердечник, таким образом, можно представить в форме совокупности большого количества короткозамкнутых витков. Если не принять специальных мер для уменьшения вихревых токов, то КПД трансформаторов резко снизится, ибо большое количество энергии будет потеряно в сердечнике.

Таким образом, потери энергии в сердечнике связаны с двумя явлениями: с потерями на перемагничивание сердечника и с потерями на вихревые токи. Считают, что потери на перемагничивание пропорциональны площади петли гистерезиса. Для уменьшения такого вида потерь необходимо создавать магнитные материалы с узкой петлей гистерезиса.

Уменьшения потерь на вихревые токи достигают путем увеличения удельного сопротивления магнитного материала и уменьшением магнитного потока элементарного сердечника. Последнее реализуется путем изготовления сердечников из изолированных друг от друга пластин электротехнической стали.

Третьей причиной возникновения потерь в трансформаторе является сопротивление проводов обмоток трансформатора. Мощность потерь в обмотке трансформатора пропорциональна квадрату тока обмотки, поэтому потери в обмотках называют переменными потерями.

Коэффициентом полезного действия трансформатора, как и других электрических машин, называют коэффициент, равный отношению активной выходной мощности, поставляемой трансформатором нагрузки, к активной мощности, потребляемой трансформатором из сети или .

Коэффициент полезного действия мощных трансформаторов очень велик, поэтому прямой метод его определения, заключающийся в измерении активной мощности на входе трансформато- ра и активной мощности на его выходе , неприемлем. Это объясняется прежде всего тем, что на величину коэффициента полезного действия оказывает большое влияние точность приборов измерения мощности. По этой причине для измерения КПД трансформатора используют косвенный метод.

Мощность, потребляемая из сети трансформатором, может рассматриваться в виде суммы мощностей нагрузки , мощности потерь в сердечнике и мощности потерь в обмотке на нагревание проводников , поэтому .

Мощность в формуле называется теоретической мощностью трансформатора. Она определяется из формулы

,

где  коэффициент нагрузки трансформатора;

 номинальная мощность трансформатора;

 коэффициент мощности нагрузки.

Теоретическая мощность не соответствует реальной мощности, поставляемой трансформатором. Номинальная полная вторичная мощность трансформатора равна произведению . Мощность, отдаваемая трансформатором , где  реальное выходное напряжение трансформатора. Можно сказать, что теоретическая мощность трансформатора отличается от реальной его мощности, так как напряжение отличается от напряжения .

Из предыдущих рассуждений следует, что для определения КПД трансформатора необходимо определить мощность потерь в сердечнике и мощность потерь в меди (проводе обмотки).

Предположим, что трансформатор работает при номинальном напряжении в режиме холостого хода. Ток холостого хода меньше номинального в десятки раз, поэтому потери в трансформаторе практически равны потерям в сердечнике, т. е.  мощность потерь трансформатора, работающего в режиме холостого хода. Мощность потерь в стали пропорциональна квадрату индукции или квадрату ЭДС

, но .

Изменение ЭДС зависит от падения напряжения в первичной обмотке трансформатора. Ранее же было показано, что при индуктивной нагрузке напряжение уменьшается с увеличением тока, а при емкостном характере оно может увеличиться. Тогда при индуктивной нагрузке потери в сердечнике будут меньше потерь в сердечнике трансформатора без нагрузки и при емкостной нагрузке потери могут быть больше. Потери в сердечнике изменяются в пределах от 1 до 4 %. Таким изменением можно пренебречь и предположить, что .

Мощность трансформатора в опыте короткого замыкания не отражает достаточно точно потерь в меди. При индуктивной нагрузке ток больше и потери в меди больше, при емкостной нагрузке потери в меди уменьшаются.

При известном коэффициенте мощности нагрузки можно предположить, что мощность потерь в меди пропорциональна квадрату коэффициента нагрузки и мощности короткого замыкания. Таким образом, величина коэффициента полезного действия определяется формулой

%.

Взяв производную от полученного выражения для КПД по коэффициенту нагрузки и приравняв ее нулю, получим:

.

Рис. 5.4

Коэффициент полезного действия имеет максимальное значение тогда, когда потери в меди равны потерям в стали или когда переменные потери равны постоянным потерям. Общий вид зависимости КПД трансформатора от тока нагрузки приведен на рис. 5.4.

У реальных силовых трансформаторов КПД достигает своего максимального значения при токах вторичной обмотки, равной .