Принцип действия трансформатора

Лекция № 6

Силовые трансформаторы

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток, и предназначенное для преобразования посредством элек­тромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Назначение и области применения трансформаторов

При помощи трансформаторов повышают или понижают напряжение, изменяют число фаз, и в некоторых случаях преобразуют частоту переменного тока. Трансформаторы широко используют для сле­дующих целей:

1) для передачи и распределения электрической энергии (силовые трансформаторы);

2) для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжений на выходе и входе преобразователя (преобразовательные трансформаторы);

3) для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питания электротермических устано­вок (электропечные трансформаторы) и др.

4) для питания различных цепей радиоаппаратуры и телевизионной аппаратуры, устройств связи, автоматики и теле­механики, электробытовых приборов; для разделения электрических цепей различных элементов указанных устройств; для согласования напряжений и пр.

5) для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов (реле и др.) в электрические цепи высокого напряжения или же в цепи, по которым проходят боль­шие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности (измерительные трансформаторы).

Трансформаторы, служащие для преобразования электрической энергии в сетях энергосистем и электропотребителей, называют силовыми трансформаторами. Для режима их работы характерны частота переменного тока 50 Гц и очень малые отклонения первич­ного и вторичного напряжений от номинальных значений. Силовые трансформаторы имеют мощность до 100 000 кВ·А и напряжение до 1150 кВ. Они могут быть одно- и трехфазными, двух- и трехобмоточными.

Трансформаторы, применяемые для этой цели, называют преобразовательными. Их мощность составляет сотни тысяч киловольт-ам­пер, напряжение до 110 кВ, работают они при частоте 50 Гц и более. Рассматриваемые трансформаторы выполняют одно-, трех- и много­фазными с регулированием выходного напряжения в широких пределах и без него.

Мощность их достигает десятков тысяч киловольт-ампер при напряжении до 10 кВ, рабо­тают они обычно при частоте 50 Гц.

Трансформаторы, применяемые для этой цели, называют измерительными. Они имеют сравнительно небольшую мощность, определяемую мощностью, потребляемой электроизмерительными приборами, реле и др. Могут выполняться на такие же высокие на­пряжения, как и силовые трансформаторы.

Принцип действия трансформатора

Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного транс­форматора состоит из двух обмоток (рис. 29), размещенных на замкнутом магнитопроводе, который выполнен из ферромагнитного материала. Применение ферромагнитного магнитопровода позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т. е. умень­шить магнитное сопротив­ление контура, по которому проходит магнитный поток машины. Первичная обмотка подключается к источнику переменного тока (электри­ческой сети) с напряжением U₁; к вторичной обмотке присоединяется сопротивле­ние нагрузки Z_Н.

Рис. 29. Электромагнитная система однофазного трансформатора:

1 – первичная обмотка, 2 – вторичная обмотка, 3 – магнитопровод

Обмотка более высокого напряжения называется об­моткой высшего напряжения (ВН), а более низкого нап­ряжения – обмоткой низшего напряжения (НН). Начала и концы обмотки ВН обозначаются большими буквами А и X, обмотки НН – малыми буквами а и х.

При подключении первичной обмотки к сети в этой обмотке возникает переменный ток, который создает переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуктирует в обеих обмотках переменные ЭДС е₁ и е₂ пропорциональные, согласно закону Максвелла, числам витков W₁ и W₂ соответствую­щих обмоток и скорости изменения потока dФ/dt. Таким образом, мгновенные значения ЭДС, индуктированных в каждой обмотке, будут

Следовательно, отношение мгновенных и действующих ЭДС в обмотках определяется выражением

Если пренебречь падениями напряжения в обмотках трансфор­матора, которые не превышают обычно 3–5% от номинальных зна­чений напряжений U₁ и U₂ и считать Е₁ » U₁ и Е₂ » U₂, то получим, что

Следовательно, подбирая соответствующим образом числа вит­ков обмоток, можно при заданном напряжении U₁ получить жела­емое напряжение U₂. Если необходимо повысить вторичное напря­жение, то число W₁ берут меньшим W₂, такой трансформатор называют повышающим. Если требуется уменьшить напряжение U₂, то число витков W₁ берут большим W₂; такой тран­сформатор называют понижающим.

Отношение ЭДС первичного напряжения к ЭДС вторичного напряжения (или отношение их чисел витков) называют коэффициентом трансформации

В системах передачи и распределения энергии в ряде случаев применяют трехобмоточные трансформаторы, а в устройствах радиоэлектроники и автоматики — многообмоточные трансформаторы. В этих трансформаторах на магнитопроводе размещают три или боль­шее число изолированных друг от друга обмоток, что дает воз­можность при питании одной из обмоток получать два или большее число различных напряжений (U₂, U₃, U₄ и т. д.) для энерго­снабжения двух или большего числа групп потребителей. В трех­обмоточных силовых трансформаторах различают обмотки высшего, низшего и среднего напряжений.

В трансформаторе преобразуются только напряжения и токи. Мощность же остается приблизительно постоянной (она несколько уменьшается из-за внутренних потерь энергии в трансформаторе). Следовательно, при увеличении вторичного напряжения трансфор­матора в k раз (по сравнению с первичным) ток во вторичной обмотке соответственно уменьшается в k раз

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику постоянного тока, то в его магнитопроводе также образуется магнитный поток, но он будет постоянным во времени по величине и направлению. Поэтому в первичной и вторичной обмотках в установившемся режиме не будет индуктироваться ЭДС, а следовательно, не будет передаваться электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Такой режим опасен для трансформатора, так как из-за отсутствия ЭДС E₁ в первичной обмотке ток I₁=U₁/R₁ резко возрастает.

Лекция № 7