Назначение и область применения трансформаторов. Устройство и принцип действия однофазного трансформатора

Трансформатор - статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно-связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока. Трансформаторы широко используются в промышленности и быту для различных целей:

1.Для передачи и распределения электрической энергии.

2.Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в и согласования напряжения на выходе и входе преобразователя. Трансформаторы, применяемые для этих целей, называются преобразовательными.

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

4.Для питания различных цепей радиоаппаратуры, электронной аппаратуры, устройств связи и автоматики, электробытовых приборов.

5.Для включения электроизмерительных приборов в электрические цепи высокого напряжения или же в цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопастности. Такие трансформаторы называются измерительными.

Устройсво: трансформатор состоит из магнитопровода, выполненного из ферромагнитного материала, на котором размещаются 2 обмотки (катушки).

Применение ферромагнитного магнитопровода позволяет уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток трансформатора. 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.

Если первая обмотка трансформатора включена в сеть синусоидального переменного тока с напряжением , то в обмотке возникает переменный ток . Этот ток создает переменный магнитный поток. Пусть магнитный поток изменяется по синусоидальному закону: .

Пронизывая витки перв. и втор. катушек, переменное магнитное поле наводит в них ЭДС.

Если подключается напряжение, то под действием ЭДС во второй обмотке возникает ток , создавая напряжение . Вторую лбмотку можно считать истинно электронной с ЭДС .

Коэф. трансформатора, определяется отношением ЭДС первичной и вторичной обмоток:

Если напряжение , то трансформатор называется понижающим. Это имеет место, если . В противном случа трансформатор называется повышающим .

24.Опыты холостого хода и короткого замыкания трансформатора.
Режимы работы трансформаторов:

1)режим холостого хода;

2)опыт короткого замыкания;

3)рабочий режим.

Режим холостого хода: трансформатор работает без нагрузки. При опыте холостого хода трансформатора, его вторичная обмотка разомкнута и тока в этой обмотке нет (I2 = 0), а первичная обмотка включена в сеть источника электрической энергии переменного тока. В таких условиях в первичной обмотке протекает ток холостого хода I0, который представляет собой малую величину по сравнению с номинальным током трансформатора. В трансформаторах больших мощностей ток холостого хода может достигать значений порядка 5 — 10% от номинального тока. В трансформаторах малых мощностей этот ток достигает значения 25 — 30% номинального тока. Опред. потери мощности в стали магнитопровода и коэффициент трансформации.

Коэффициент трансформации:

Опыт короткого замыкания: вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко. Первичная обмотка включается в сеть с таким пониженным напряжением, при котором токи в обмотках номинальные. Такое пониженное напряжение называется напряжением короткого замыкания. Это напряжение обычно составляет 5 — 10% от номинального значения. По данным опыта короткого замыкания определяется напряжение короткого замыкания, потери на нагревание обмоток трансформатора при номинальной нагрузке и активное, реактивное и полное сопротивления трансформатора при коротком замыкании, потери мощности в меди обмоток .

25.Потери энергии и КПД транформатора.
Потери энергии в трансформаторе складываются из:

- потерь на нагревание обмоток; Поэтому обмотки делаются из меди.

- потерь на нагревание сердечника; Поэтому сердечник делается наборным, все пластины изолированы.

- потери на перемагничивание сердечника; Сердечник выполняется из мягкой трансформаторной стали.

Коэффициентом полезного действия (к. п. д.) или отдачей трансформатора называется отношение полезной мощности трансформатора Р2 к мощности, потребляемой им из сети источника электрической энергии Р1 т. е.

Потребляемая мощность Р1 всегда больше полезной Р2, так как при работе трансформатора происходит потеря преобразуемой им энергии. Потери в трансформаторе складываются из потерь в стали магнитопровода Рст и потерь в обмотках Роб.
Таким образом, потребляемую трансформатором мощность можно определить следующим выражением:

Р1 = Р2 + Рст + Роб. (109)

Полезная мощность однофазного трансформатора

Р2 = U2I2 cos φ2, (110)

а трехфазного

Следовательно, к. п. д. для однофазного трансформатора

и для трехфазного трансформатора

Наибольший к. п. д. трансформатора будет при нагрузке, для которой потери в стали равны потерям в обмотках. У современных трансформаторов к. п. д. очень высок и достигает при полной нагрузке 95 — 99,5%.

26.Трехфазные трансформаторы. Для передачи энергии не применяют однофазный переменный ток. Для этих целей получил широкое распространение трехфазный ток. Поэтому большинство трансформаторов являются трехфазными.

Магнитопровод такого трансформатора состоит из трех стержней, замыкаемых сверху и снизу ярмами (рисунок 1). На каждый из стержней насаживают по одной первичной и вторичной обмотке. Первичные обмотки соединяют в звезду или треугольник, так же соединяют и вторичные обмотки. Стержень с обмотками представляет собой однофазный трансформатор. Поэтому все, что было сказано рапсе об однофазном трансформаторе, целиком относится и к отдельной фазе трехфазного.

Рисунок 1 - Схема трехфазного трехстержневого трансформатора

В каждом стержне трехфазного трансформатора возникает магнитный поток, созданный током первичной обмотки. Но каждая первичная обмотка принадлежит одной из фаз трехфазной системы. Поэтому протекающие по обмоткам токи, так же как и приложенные напряжения, являются трехфазными, следовательно, магнитные потоки тоже трехфазные.

27. Автотрансформаторы. В конструктивном отношении автотрансформатор подобен трансформатору. На стальном магнитопроводе помещаются две обмотки, выполненные из проводников различного поперечного сечения. Конец одной обмотки электрически соединяется с началом другой так, что две последовательно соединенные обмотки образуют общую обмотку высшего напряжения. Обмоткой низшего напряжения, являющейся частью обмотки высшего напряжения, служит одна из двух обмоток автотрансформатора. Таким образом, между обмотками высшего и низшего напряжения автотрансформатора имеется не только магнитная, но и электрическая связь.
Принципиальная схема понижающего автотрансформатора показана на рис. 108.

Отношение напряжения первичной и вторичной обмоток при холостом ходе называется коэффициентом трансформации автотрансформатора, т. е.

28. Измерительные трансформаторы тока и напряжения. Измерительные трансформаторы тока и напряжения применяются совместно с измерительными приборами для расширения их пределов измерения.

Измерительные трансформаторы напряжения.

Состоит из сердечника и двух обмоток – первичной и вторичной. Первичная обмотка содержит значительно больше витков, чем вторичная. На первичную обмотку подаётся измеряемое напряжение, включается параллельно, а к вторичной вольтметр, частотомеры, обмотки напряжения ваттметров, счетчиков и фазометров. U₁ >U₂. По показаниям приборов включённых во вторичные обмотки можно определить значения измеряемых величин. Выводы обмоток измерительных трансформаторов напряжения маркируют: первичной – А и Х, а вторичной – а и х. . Измерительный трансформатор напряжения представляет собой понижающий трансформатор с таким отношением витков w1/w2, чтобы при U1 = Uсети; U2 = 100 В.

Так как электрическое сопротивление этих приборов велико (порядка 1000 Ом), то трансформаторы напряжения работают в режиме, близком к холостому ходу. Такой режим связан с большими магнитными потерями, а это, в свою очередь, приводит к увеличению размеров магнитопровода и устройству специального масляного охлаждения.

Предохранители FV1 и FV2 защищают сеть высокого напряжения от повреждений первичной обмотки TV. Предохранители FV3 и FV4 (или автоматические выключатели) защищают TV от повреждений в нагрузке.

Измерительные трансформаторы тока.

Состоит из сердечника и двух обмоток: первичной и вторичной. I₁ > I_2. Первичную обмотку, которая содержит небольшое количество витков, включают последовательно с нагрузкой выполняют из провода большого поперечного сечения, в цепи которой необходимо измерить ток, а к вторичной обмотке, с большим числом витков, подключают амперметр, обмоток тока ваттметров, счетчиков и фазометров.

Вторичная обмотка выполняется всегда на ток I₂ = 5А. Рабочий режим трансформатора тока близок к короткому замыканию, поэтому размеры магнитопровода у него значительно меньше, чем у трансформатора напряжения.

По показаниям приборов включённых во вторичные обмотки, можно определить значения измеряемых величин: Выводы обмоток маркируют: первичная - Л₁ и Л₂ (линия), вторичная И₁ и И₂ (измерения).