Краткие теоретические сведения

Трансформатором называется статическое (т.е. без движущихся элементов) электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования величины одного переменного напряжения в напряжение другой величины той же частоты.

Преобразование величины напряжения осуществляется благодаря явлению электромагнитной индукции. Обмотка трансформатора, соединенная с источником переменного напряжения, называется первичной. Обмотка, к которой присоединяется приемник электроэнергии, называется вторичной.

Обмотки трансформатора не соединены между собой по постоянному току, поэтому напряжение на вторичной обмотке трансформатора появляется только при изменении величины напряжения в первичной обмотке. Это свойство трансформаторов позволяет использовать их для разделения постоянной и переменной составляющих напряжения. В частности, трансформаторы используют для изоляции части электрической цепи по постоянному току от высокого переменного напряжения электрической сети.

Обмотки трансформаторов обычно наматываются в пазах замкнутого сердечника (магнитопровода), набираемого из отдельных, изолированных друг от друга слоем лака, листов электротехнической стали. Относительная магнитная проницаемость электротехнической стали достигает 10000…20000. Обычно в пазах магнитопровода размещаются несколько катушек с обмотками. Принципиальная схема включения двухобмоточного трансформатора приведена на рис.5.1.

Рис.5.1.Принципиальная схема включения двухобмоточного трансформатора с измерительными приборами.

На рисунке изображен двухобмоточный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к источнику переменного напряжения U₁ Напряжение подводится к первичной обмотке трансформатора через два предохранителя и коммутатор К₁.При замыкании коммутатора К₁ напряжение U₁ подается на первичную обмотку трансформатора. При этом на вторичной обмотке трансформатора появляется напряжение U₂.

Во входной цепи трансформатора включены: вольтметр (V₁), амперметр (A₂) и ваттметр (W). Параллельно вторичной обмотке трансформатора включен вольтметр (V₂), измеряющий напряжение U₂ и амперметр, измеряющий ток I₂ , протекающий через сопротивление нагрузки ( Ζн) , а также коммутатор К₂,отключающий сопротивление нагрузки ( режим холостого хода ).

На щитках мощных трансформаторов обозначаются:

1.Номинальные высшее (U_1ном) и низшее (U_2ном)напряжения, на которые рассчитан трансформатор в [В].

2.Номинальная полная мощность S _ном в [В•А].

3.Токи,протекающие в обмотках, при номинальной полной мощности трансформатора в [A].

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Различают следующие режимы работы трансформаторов:

-Режим повышающего трансформатора, когда U₂ больше U₁.

-Режим понижающего трансформатора, когда U₂ меньше U₁.

-Режим номинальный при номинальных значениях напряжений и токов в первичной обмотке.

-Режим рабочий - при номинальном напряжении в первичной обмотке и токе I₁, определяемым нагрузкой трансформатора.

-Режим холостого хода, когда ток во вторичной обмотке равен нулю.

-Режим короткого замыкания, когда напряжение вторичной обмотки рано нулю.

Отношение Э.Д.С. первичной обмотки к Э.Д.С.. во вторичной обмотке называется коэффициентом трансформации

n₁₂=W₁/W₂ , (5.1)

где W₁ и W₂ – число витков первичной и вторичной обмоток.

Приближенно коэффициент трансформации определяется как отношение напряжения в первичной обмотке к напряжению вторичной обмотки при опыте холостого хода

n₁₂=U₁/U₂. (5.2)

Маломощные трансформаторы могут использоваться как повышающие и как понижающие, поэтому в паспорте трансформатора коэффициент трансформации обозначается как отношение высшего напряжения к низшему напряжению.

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Коэффициент полезного действия силовых электротехнических трансформаторов очень высок и обычно равен в номинальном режиме 0,98…..0,99. Потери энергии в трансформаторах складываются из потерь в сердечнике и потерь в обмотках. Потери в сердечнике в свою очередь складываются из потерь на вихревые токи и потерь, связанных с явлением гистерезиса - нелинейной и неоднозначной зависимостью магнитной индукции от напряженности магнитного поля. Для уменьшения потерь на вихревые токи 'сердечники трансформаторов набираются из тонких, изолированных слоем лака стальных листов.

ОПЫТЫ ХОЛОСТОГО ТОКА И КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Потери из-за гистерезиса зависят от качества (сорта) электротехнической стали, а также от частоты колебаний переменного напряжения и напряженности магнитного поля в сердечнике. Экспериментально потери в стали определяются из опыта холостого хода трансформатора, когда ток I₂ = 0, а ток I₁ имеет небольшую величину (единицы процентов от номинальной величины). При этом потери в нагрузке равны нулю, потери в проводах ничтожно малы и практически вся мощность, потребляемая трансформатором, расходуется на покрытие потерь в сердечнике трансформатора Р_1хх≈ Р_ст.

Потери в проводах обмоток трансформатора определяются из опыта короткого замыкания. Опытом короткого замыкания называют режим работы трансформатора, при котором сопротивление нагрузки во вторичной обмотке близко к нулевому, а ток в первичной обмотке устанавливается равным номинальному. Это достигается подведением к первичной обмотке трансформатора напряжения, равного 5–10 процента от номинального. При этом потерями в магнитопроводе можно пренебречь и считать, что мощность потребляемая трансформатором, приближенно равна мощности потерь в проводах первичной и вторичной обмоток Р_1к≈ Р_пр.

Опыт короткого замыкания используется также для контрольного определения коэффициента трансформации. В этом случае

I_1кW₁ » I_2к W₂,

и, следовательно, n₁₂=» W₁/W₂ » I_2к / I_1к .

Опыты холостого хода и короткого замыкания обязательно проводятся при заводских испытаниях трансформатора.