3615 ТРАНСФОРМАТОР

1. Краткие теоретические сведения

1.1. Основные понятия

 

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока, имеющую другие характеристики.

В зависимости от назначения трансформаторы разделяются на силовые общего применения и специализированные. Силовые трансформаторы общего применения используются в системах передачи и распределения электроэнергии в качестве повышающих или понижающих.

К специализированным трансформаторам относятся: автотрансформаторы, измерительные и испытательные трансформаторы, трансформаторы для преобразования частоты и т. д.

Трансформаторы разделяются на однофазные и многофазные, из последних наибольшее применение имеют трехфазные трансформаторы.

Кроме того, трансформатор может быть двухобмоточным, если он имеет две обмотки, или многообмоточным, если он имеет более двух обмоток на каждую фазу.

В зависимости от способа охлаждения трансформаторы разделяются на масляные, погруженные в масло, и сухие, охлаждаемые воздухом.

 

1.2. Принцип действия трансформатора

 

Рассмотрим принцип действия трансформатора на примере однофазного двухобмоточного трансформатора, конструктивная схема которого представлена на рис.1. Трансформатор состоит из магнитопровода и двух расположенных на нем обмоток. Одна из обмоток подключается к источнику переменного тока на напряжение U1. Эта обмотка называется первичной. К другой обмотке (вторичной) подключают нагрузку Zн.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток , который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками и индуктирует в них э.д.с.


Рис. 1. Однофазный двухобмоточный трансформатор

 

При подключении нагрузки ZН к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием э.д.с. е2 в цепи этой обмотки создается ток  . При этом на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U2. В повышающих трансформаторах U2>U1, а в понижающих – U2<U1.

Поэтому, применяя обмотки с требуемым соотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое отношение напряжений.

Трансформаторы обладают свойством обратимости: один и тот же трансформатор может быть использован как повышающий или понижающий. Но обычно трансформатор имеет определенное назначение: является либо повышающим, либо понижающим.

Обмотки трансформатора могут располагаться концентрически одна внутри другой или в чередующемся порядке по высоте стержня магнитопровода. В последнем случае первичная и вторичная обмотки выполняются в виде дисковых катушек.

Трансформаторы  могут  иметь  несколько вторичных  обмоток (две, три и более).

В масляных трансформаторах магнитопровод с обмотками помещен в бак, наполненный трансформаторным маслом, которое, омывая обмотки и магнитопровод, отбирает от них тепло и через стенки бака и трубы радиатора отдает в окружающую среду. Кроме того, наличие масла обеспечивает более надежную работу высоковольтных трансформаторов, так как электрическая прочность масла намного выше, чем воздуха.

Основной магнитный поток Ф в магнитопроводе трансформатора сцеплен с витками обмоток W1 и  W2, благодаря чему в них наводится э.д.с, определяемая по формуле

 

Предположим, что магнитный поток Ф является синусоидальной функцией времени, т. е.

 

Ф=Фмаксsin wt,                                               (1)

 

где Фмакс – максимальное значение потока, w – частота. Тогда, подставляя выражение в формулу для э.д.с. и дифференцируя, получаем для э.д.с. в первичной обмотке

 

е1=-W1 Фмакс wcos wt,                                        (2)

 

или

Е1W1Фмаксsin.                               (3)

По аналогии можно получить

Е2W2Фмаксsin.                               (4)

 

Из полученных формул следует, что э.д.с. е1 и е2 отстают по фазе от потока Ф на угол p/2. Максимальное значение э.д.с. е1 равно

 

Е1макс=ωW1Фмакс .                                       (5)

 

Разделив величину Е1 макс на  и подставив w=2pf, получим формулу действующего значения э.д.с.

 

Е1==W1fФмакс =4.44W1fФмакс . (6)

 

Аналогично для вторичной э.д.с.

 

Е2=4.44W2fФмакс . (7)

 

Отношение э.д.с. обмотки высшего напряжения к э.д.с. обмотки низшего напряжения называется коэффициентом трансформации

К=.

Подставив вместо э.д.с. Е1 и Е2 их значения по формулам (6) и (7), получим

К==.                                                 (8)

Токи  и  в обмотках трансформатора, помимо основного потока Ф, создают магнитные потоки рассеяния Фр1 и Фр2 (рис.1).

Каждый из этих потоков сцеплен лишь с витками собственной обмотки и индуктирует в ней э.д.с. рассеяния: в первичной обмотке ер1, а во вторичной ер2. Действующие значения этих э.д.с. пропорциональны соответствующим токам в обмотках:

(9)

где Х1 и Х2 – индуктивные сопротивления рассеяния первичной и вторичной обмоток, Ом. Знаки минус в выражениях (9) свидетельствуют о реактивном характере э.д.с. рассеяния. Рассмотрим  действие  этих э.д.с. в обмотках  трансформатора.

В первичной обмотке э.д.с. Еp1 представляет собой э.д.с. самоиндукции, поэтому она направлена против первичного напряжения U1, т. е. находится с ним в противофазе. В связи с этим уравнение э.д.с. для первичной обмотки имеет вид

.                         (10)

Произведение İ1r1 представляет собой активное падение напряжения в первичной обмотке. Выражение (10) является уравнением равновесия э.д.с., согласно которому напряжение уравновешивается суммой противодействующих э.д.с.

Обычно напряжения İ1jx1, İ1r1 невелики, поэтому, с некоторым приближением, можно считать, что подведенное к трансформатору напряжение уравновешивается э.д.с. ,

().

Во вторичной обмотке ток İ2 замкнутой цепи зависит от величины э.д.с. , которая в значительной части идет на создание напряжения на выводах вторичной обмотки 2=Ỉ2Zн.

Оставшаяся часть э.д.с. Е2 идет на компенсацию э.д.с. рассеяния и активного падения напряжения во вторичной обмотке İ2r2. Таким образом, уравнение э.д.с. для вторичной цепи

.

Предположим, что трансформатор находится в режиме холостого хода Zн=¥, т. е. к зажимам его первичной обмотки подведено напряжение , а вторичная обмотка разомкнута (İ2=0).

Ток I0 в первичной обмотке при этих условиях называется током холостого хода. Намагничивающая сила (н.с.), созданная этим током, I0W1 наводит в магнитопроводе трансформатора основной магнитный поток.

Сумма намагничивающих сил первичной I1W1 и вторичной I2W2 обмоток равна постоянной величине намагничивающей силы холостого хода I0W1:

I0W1 = I1W1 +I2W2 . (11)