Электромагнитные процессы в трансформаторах

УСТРОЙСТВО, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, передающий энергию из одной цепи в другую посредством электромагнитной индукции. Он применяется для различных целей, но чаще всего служит для преобразования напряжения и тока.

Трансформаторы бывают: силовые, измерительные, специального назначения. Кроме того, трансформаторы различаются по числу фаз на однофазные и трехфазные; по способу охлаждения на сухие и жидкостные.

Устройство трансформатора.

Трансформатор состоит из двух или более обмоток, расположенных на общем сердечнике, который для улучшения магнитной связи между обмотками изготавливается из ферромагнитного материала.

Рис. Устройство однофазногодвухобмоточного трансформатора

Принцип действия трансформатора.

Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора состоит из двух обмоток (рис.), размещенных на замкнутом магнитопроводе, который выполнен из ферромагнитного материала. Первичную обмотку 1 подключают к источнику переменного тока – электрической сети с напряжением сети u1. К вторичной обмотке 2 присоединяют сопротивление нагрузки Zн.

Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а низкого напряжения – обмоткой низшего напряжения (НН). Начала и концы обмотки ВН обозначают буквами А и Х; обмотки НН – буквами а и х.

При подключении к сети в первичной обмотке возникает переменный ток i1, который создаёт переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС – е1 и е2 пропорциональные, согласно закону Максвелла, числам витков w1 и w2 соответствующей обмотки и скорости изменения потока dФ/dt. Подбирая соответствующим образом числа витков обмоток, при заданном напряжении U можно получить желаемое напряжение U2. Если необходимо повысить вторичное напряжение, то число витков w2 берут больше числа w1; такой трансформатор называют повышающим. Если требуется уменьшить напряжение U2, то число витков w2 берут меньшим w1; такой трансформатор называют понижающим.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику постоянного тока, то в его магнитопроводе образуется магнитный поток, постоянный во времени по величине и направлению. Поэтому в первичной и вторичной обмотках в установившемся режиме не индуцируются ЭДС, а, следовательно, не передаётся электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Такой режим опасен для трансформатора.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТРАНСФОРМАТОРАХ

При анализе электромагнитных процессов в катушке ссердечником мы выяснили, что при питании ее синусоидальным напряжениеммагнитный поток можно считать синусоидальным, несмотря на нелинейность зависимости B=f(H):

Ф=Ф_msin .

Этот поток сцеплен с двумя обмотками w₁ и w₂ и индуцирует в них ЭДС:

;

;

E₁=4,44w₁fФ_m;E₂=4,44w₂fФ_m..

Из последних двух выражений

. (1.23)

Величина называется коэффициентом трансформации трансформатора.

При номинальной нагрузке КПД трансформатора достигает 98%. Это дает возможность считать одинаковыми первичную и вторичную полные мощности трансформатора:

S₁=U₁I₁ S₂=U₂I₂.

Тогда

. (1.24)

Как и в цепи катушки с ферромагнитным сердечником, заменим несинусоидальный ток трансформатора эквивалентным синусоидальным и, учитывая индуктивности рассеивания первичной обмотки L_р1 и вторичной обмотки L_р2:

x_р1= L_р1; x_р2= L_р2 ,

а также

R₁ – активное сопротивление первичной обмотки;

R₂ – активное сопротивление вторичной обмотки;

Z_н – сопротивление нагрузки,

запишем уравнения для обеих цепей по 2-му закону Кирхгофа в комплексной форме

(1.25)