Теория работы. Трансформатором называется статическое (не имеющее подвижных частей) устройство, преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток другого

Трансформатором называется статическое (не имеющее подвижных частей) устройство, преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения без изменения частоты.

Впервые трансформа­торы были сконструированы и введены в практику русскими электротехниками П.Н. Яблочковым и И.Ф. Усагиным. Трансформаторы применяются в энергосистемах при передаче и распределении электрической энергии, где с целью экономии цветных металлов в линиях электропередач используются большие напряжения при небольших токах. Помимо этого трансформаторы используются в промышленных энергетических установках, в устройствах автоматики, телемеханики, радиотехнических устройствах и т.д.

Трансформатор состоит из магнитопровода (сер­дечника) и расположенных на нем двух и более обмоток (рис. 1). Обмотка, подключаемая к источнику электрической энергии, называется первичной; все прочие обмотки называются вторичными и подключаются к потребителю (нагрузке).

На табличке трансформатора указаны номинальные значения его параметров: мощность, первичное и вторичное напряжения, первичный и вторичный токи, напряжение короткого замыкания и частота, которые соответствуют номинальному температурному режиму при температуре окружающей среды + 40⁰ С.

Рис. 1

Магнитопроводы трансформаторов изготавливают из материалов с высокой магнитной проницаемостью m - электротехнической стали, сплавов типа пермаллой, магнитодиэлектриков и ферритов, а радиотехнические трансформаторы, работающие на высоких частотах, иногда выполняют без магнитопровода – их называют воздушными. При подключении первичной обмотки трансформатора, состоящей из w1 витков, к источнику переменного напря-

жения U₁, в ней протекает переменный ток I₁, создающий переменный магнитный поток Ф₁. Изменение этого потока вызывает во всех обмотках появление электродвижущей силы (ЭДС). В первичной обмотке это ЭДС самоиндукции, а в ос­тальных обмотках - ЭДС индукции.

Явление электромагнитной индукции описывается законом Фарадея. Согласно этому закону в проводнике, пронизываемом изменяющимся магнитным потоком Ф, наводится электродвижущая сила e_i, пропорциональная скорости изменения этого потока во времени:

, (1)

Явление возникновения ЭДС e_s в проводящем контуре при изменении тока I в нем называется самоиндукцией:

, (2)

где L - индуктивность контура. Знак «-» показывает, что ЭДС самоиндукции всегда направлена против причины, которая ее вызывает (т.е. против напряжения, приложенного к контуру) – это правило Ленца.

Каждый виток первичной и вторичной обмоток пересекается одним и тем же магнитным потоком Ф, поэтому величина ЭДС, возникающая в любой из обмоток, будет прямо пропорциональна количеству витков данной обмотки:

где w₁ и w₂ - количество витков в первичной и вторичной обмотках.

С учетом формул (3) и (4) получим:

, (5)

где к - коэффициент трансформации – число, показывающее, во сколько раз вторичная ЭДС больше или меньше первичной.

При работе трансформатора в режиме холостого хода (нагрузка во вторичной обмотке трансформатора не подключена) ток во вторичной обмотке отсутствует, ЭДС обмоток примерно равны соответствующим напряжениям и коэффициент трансформации равен

, (6)

где U_1хх и U_2хх – напряжение холостого хода в первичной и вторичной обмотке соответственно. Последнее выражение показывает, что практически определить коэффициент трансформации можно из опыта холостого хода; при этом напряжение на первичной обмотке должно быть равно номинальному (расчетному).

Режим работы трансформатора, при котором вторичная обмотка замкнута на какой-либо приемник электрической энергии (потребитель), называется режимом нагрузки. Зависимость величины вторичного напряжения U₂ от величины тока I ₂ во вторичной обмотке в режиме нагрузки называют внешней характеристи-

Рис. 2

кой трансформатора. Чаще всего внешнюю характеристику трансформатора U2 = f (I2) представляют графически, ее вид изображен на рис. 2. На рис. 2 U2ном и I2ном - номинальные (расчетные) значения вторичных напряжения и тока соответственно; U2хх – напряжение холостого хода; I2кз - ток короткого замыкания. Ток короткого замыкания в трансформаторе – это ток вторичной обмотки при закороченных ее зажимах (без нагрузки),

когда напряжение в первичной обмотке сниженодо0,03-0,15 U_1ном, чтобы ток в первичной обмотке был равен своему номинальному значению I_1ном.

Коэффициент полезного действия современных трансформаторов составляет 97-98 %; 2-3% мощности трансформатора идет на электрические и магнитные потери.

Электрические потери возникаютв обмотках трансформатора, которые нагреваются при протекании тока и выделяют тепло в соответствии с законом Джоуля-Ленца.

Магнитные потери связаны с перемагничиванием сердечника и возникновением в нем вихревых токов (токов Фуко). Потери на вихревые токи удается снизить за счет того, что магнитопровод выполняют из отдельных, изолированных друг от друга пластин (шихтованный магнитопровод). Потери на перемагничивание (гистерезисные потери) уменьшают при выполнении магнитопровода из ферромагнитных материалов с узкой петлей гистерезиса.

Для предохранения изоляции обмоток и сердечника трансформатора от недопустимого перегрева в результате электрических и магнитных потерь предусматривается охлаждение их окружающим воздухом или изоляционным маслом, которым заполняется кожух трансформатора.

Исследование трансформатора в режимах холостого хода и короткого замыкания позволяет определить потери мощности в трансформаторе: магнитные DР_м - в режиме холостого хода при номинальном первичном напряжении, электрические DР_э - в режиме короткого замыкания при номинальном первичном токе.

Коэффициент полезного действия h трансформатора представляет собой отношение активной мощности Р₂, полученной потребителем от вторичной обмотки, к активной мощности Р₁, потребленной первичной обмоткой от сети:

(6)

где DР_э и DР_м - электрические и магнитные потери соответственно.

КПД трансформатора является изменяющейся величиной и зависит от загруженности трансформатора и коэффициента мощности подключенных потребителей электроэнергии. Максимум КПД трансформатора соответствует режиму номинальной (расчетной) нагрузки.