Трансформатор. Устройство. Принцип работы. Уравнения электрического состояния обмоток. Уравнения МДС и токов

Трансформатор - статический электромагнитный аппарат, его действие основано на явлении взаимной индукции, он предназначен для преобразования электрической энергии переменного тока с параметрами U₁, I₁ в энергию переменного тока с параметрами U₂, I₂ той же частоты.

Трансформатор (рис, 8,1 из учебника) состоит из ферромагнитного магнитопровода 1, собранного из отдельных листов электротехнической стали, на котором расположены две (w₁ и w₂) обмотки, выполненные из медного или алюминиевого провода. Обмотку подключенную к источнику питания, принято называть первичной, a обмотку, к которой подключаются приемники, - вторичной. Вес величины, относящиеся к первичной и вторичной обмоткам, принято соответственно обозначать индексами 1 и 2.

Если первичную обмотку трансформатора с числом витков w₁ включить в сеть переменного тока, то напряжение сети U₁ вызовет в ней ток I₁ и МДС I₁w₁ создаст переменный магнитный поток Ф. Переменный магнитный поток Ф создаст в обмотке w₁ ЭДС Е₁, а в обмотке w₂ ЭДС Е₂. Когда есть нагрузка, электрическая цепь вторичной обмотки оказывается замкнутой и ЭДС Е₂ вызовет е ней ток I₂.Таким образом, электрическая энергия первичной цепи с параметрами U₁, I₁ и частотой f будет преобразована и энергию переменного тока вторичной цепи с параметрами U₂, I₂ и f.

Мгновенные значения ЭДС первичной и вторичной обмоток, как следует из явления электромагнитной индукции, имеют выражения

e₁=- w₁*dФ/dt, e₂=- w₂*dФ/dt, их действующие значения (при синусоидальном изменении) соответственно равны

Е₁=4,44 w₁fФ_m

Е₂=4,44 w₂fФ_m

Разделив значения ЭДС первичной цепи на соответствующее значение ЭДС вторичной цепи, получим

Величина n называется коэффициентом трансформации трансформатора.

Для выяснения соотношения между первичным и вторичным напряжениями необходимо высказать следующие соображения. Во-первых, кроме основного магнитного потока Ф или просто магнитного потока трансформатора, как далее мы его 6удем называть, который полностью располагается в ферромагнитном сердечнике и пронизывает все витки первичной и вторичной обмоток, ток первичной обмотки создаст магнитный поток рассеяния Ф_р1. Поток рассеяния Фр1 в отличие от основного охватывает витки только первичной обмотки и, как это видно на рис 8.1, располагается главным образом в немагнитной среде (воздушном пространстве или трансформаторном масле, окружающим обмотку). Этот поток создаст первичной обмотке ЭДС . Во-вторых первичная обмотка определенным активным сопротивлением. Поэтому, как вытекает из уравнении электрического состояния первичной цепи

значения напряжения U₁и ЭДС E₁не равны. ЭДС E₁меньше напряжения U₁на значения падения напряжения, обусловленное ЭДС E_p1 и активным сопротивлением.

При работе трансформатора с нагрузкой в его вторичной обмотке действует ток I₂. Ток вторичной обмотки участвует в создании основного магнитного потока Ф, а также создает поток рассеяния Ф_р2, расположенный в немагнитной среде, как Ф_р1, и наводящий в этой обмотке ЭДС E_р2.

Напряжение U₂, как вытекает из уравнения электрического состояния вторичной цепи

меньше ЭДС Е₂ на значение падения напряжения, обусловленное ЭДС E_p2и активным сопротивлением обмотки.

Холостой ход (разомкнута цепь вторичной обмотки). Ток х.х. равен

I_p- намагничивающий ток трансформатора

I_a-ток, обусловленный потерями электрической энергии в магнитопроводе. Он не велик, т.к. потери малы, то I₁₀≈ I_p

Основной магнитный поток обусловлен суммой МДС. Сумма МДС, она векторная, заменяется одной результирующей:

При холостом ходе I₂=0 и

и создаваемый этой МДС магнитный поток .

Если допустить, что МДС и магнитный поток не зависят от нагрузки и имеют те же значения, что и при холостом ходе, то уравнение МДС записывается так:

Уравнение относительно токов

где

приведенное значение тока вторичной обмотки.