Принцип действия трансформатора

Основными элементами любого трансформатора являются стальной магнитопровод 1 и обмотки 2 и 3 (рис. 7.1а).

Магнитопровод служит для размещения на нем обмоток и усиления индуктивной связи между обмотками, магнитный поток, создаваемый

токами в обмотках трансформатора, будет замыкаться в основном по магнитопроводу, что позволяет увеличить магнитный поток и индуктивную связь обмоток.

В зависимости от количества N обмоток трансформаторы бывают двухобмоточными (N = 2), трехобмоточными (N = 3) и многообмоточными (N > 3).

Первичной обмоткой трансформатора называют обмотку, к которой подводят электрическую энергию, а вторичной — обмотку, к которой подключают прием-

ник электрической энергии. Величины, относящиеся к первичной или вторичной обмоткам, отмечают индексами 1 или 2 соответственно.

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Так, если к первичной обмотке подвести переменное напряжение u₁, то в ней появится переменный ток i₁. Ток i₁ создает переменную магнитодвижущую силу (МДС) i₁ω₁, которая, в свою очередь, создает переменный магнитный поток F, замыкающийся в основном по стальному магнитопроводу. Этот магнитный поток называют основным магнитным потоком. Основной магнитный поток сцепляется со всеми витками как первичной, так и вторичной обмоток трансформатора и, согласно закону электромагнитной индукции, индуцирует в них переменные ЭДС e₁ и e₂ соответственно. Если теперь к зажимам вторичной обмотки подключить приемник электроэнергии, то под действием ЭДС e₂ в приемнике возникнет переменный ток i₂.

Трансформатор может работать только при переменном напряжении, так как при постоянном напряжении, не будут индуцироваться ЭДС.

25. Уравнения электрического состояния и токов трансформатора

Основных уравнений трансформатора три: уравнение электрического состояния первичной обмотки, уравнение электрического состояния вторичной обмотки и уравнение токов.

Уравнение электрического состояния первичной обмотки:

,

где U₁– комплекс напряжения на первичной обмотке;

Е₁– комплекс ЭДС первичной обмотки;

I₁– комплекс тока первичной обмотки;

r₁– резистивное сопротивление первичной обмотки;

X₁– индуктивное сопротивление рассеивания первичной обмотки.

Уравнение электрического состояния вторичной обмотки:

,

где U₂– комплекс напряжения на вторичной обмотке;

Е₂– комплекс ЭДС вторичной обмотки;

I₂– комплекс тока вторичной обмотки;

r₂– резистивное сопротивление вторичной обмотки;

X₂– индуктивное сопротивление рассеивания вторичной обмотки.

Уравнение токов:

,

где I_x – ток холостого хода трансформатора.

Пренебрегая током холостого хода I_x, можно считать, что токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числу витков этих обмоток:

,

где I₁ и I₂ – действующие значения токов в первичной и вторичной обмотках.

26. Векторная диаграмма нагруженного трансформатора.

Рассмотрим частный случай при индуктивной нагрузке трансформатора с отношением витков W₁/ W₂, близким к единице. Построение начинают с вектора рабочего потока Ф. Этот поток индуктирует ЭДС и в обмотках. Под действием ЭДС во вторичной цепи возникает ток , отстающий от ЭДС на угол

Падение напряжения на сопротивлениях нагрузки и вторичной обмотки уравновешивается ЭДС .

Для построения вектора первичного тока используем уравнение магнитного состояния: Складывая векторы результирующей НС W₁ и НС вторичной обмотки - W₂, находим положение вектора и далее - вектора .

27.Опыт холостого хода трансформатора

В режиме холостого хода на первичную обмотку трансформатора подается напряжение, а вторичная остается разомкнутой.

Опыт холостого хода проводится в следующей последовательности: на первичную обмотку трансформатора подается напряжение, которое постепенно увеличивается от нуля до номинального значения. При этом снимаются зависимости тока в первичной обмотке трансформатора от напряжения U₁, мощности в первичной обмотке от U₁. cos ф считается по формуле:

cos ф₀ = P₀ / (U₁ • I₀

Из опыта холостого хода можно определить следующие параметры трансформатора:
r₀ = P₀ / I₀²
z₀ = U₁ / I₀
x₀ = √ (z₀² – r₀²)
k = U₁ / U₂

r₀ = r₁ + r_μ
x₀ = x₁ + x_μ

Мощность, подводимая к трансформатору в режиме холостого хода, расходуется только на перемагничивание сердечника, поэтому из опыта холостого хода определяют потери в магнитопроводе трансформатора.

Мощность, замеренная в первичной обмотке трансформатора в режиме холостого хода при номинальном напряжении, равна потерям в магнитопроводе в режиме нагрузки.

28. Опыт короткого замыкания трансформатора.

При коротком замыкании вторичная обмотка трансформатора замыкается через амперметр.

Постепенно увеличивая напряжение на первичной обмотке трансформатора, снимаем зависимости P_к и I_к от U₁. Напряжение на первичной обмотке можно увеличивать до тех пор, пока ток в первичной обмотке трансформатора не станет равен номинальному.

cos ф_к = P_к / (U₁I_к)

Ток в первичной обмотке трансформатора достигает номинального значения приблизительно при U=30%U_ном. Соответственно магнитопровод трансформатора будет ненасыщен и вся мощность, подводимая к вторичной обмотке трансформатора, будет расходоваться на покрытие потерь в обмотке.

Из опыта короткого замыкания определяются потери в обмотке трансформатора для режима работы под нагрузкой. Мощность, замеренная в первичной обмотке в режиме короткого замыкания и номинальном токе равна электрическим потерям в трансформаторе в режиме нагрузки.

из опыта короткого замыкания можно определить параметры:
r_к = P_к / I_к²
z_к = U₁ / I_к
x_к = √ (z_к² – r_к²)

Важной характеристикой является U_кз.

Напряжением короткого замыкания называется напряжение, при котором в режиме к.з. по первичной обмотке трансформатора протекает номинальный ток.

U_кз задается для всех трансформаторов в процентах относительно номинального. Его величина влияет на потери в трансформаторе и, соответственно, на наклон внешней характеристики трансформатора.

29 Внешней характеристикой трансформатора

называют зависимость изменения вторичного напряжения U₂ от тока нагрузки I₂ при постоянном коэффициенте мощности приемника cos φ = const и номинальном первичном напряжении U₁ = U_ном. Сопоставляя внешние характеристики, можно оценить величину погрешности различных моделей и определить, таким образом, область их использования.