Приложения. Трансформатор – это статическое (не содержащее движущихся частей ) устройство, основанное на явлении электромагнитной индукции и служащее для преобразования

ТРАНСФОРМАТОР КАК ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИНДУКТОР

Трансформатор – это статическое (не содержащее движущихся частей ) устройство, основанное на явлении электромагнитной индукции и служащее для преобразования действующих значений переменных напряжений и токов. В трансформаторе используются минимум две катушки индуктивности, связанных общим магнитным потоком, но гальванически отделенных друг от друга. Функционально в трансформаторе реализуются два преобразования энергии из одного вида в другой: энергия источника переменного тока, порождая ток в первичной обмотке (катушке), преобразуется в энергию возникающего при этом переменного магнитного поля. В свою очередь, переменное магнитное поле индуцирует ЭДС в витках вторичной обмотки.

За исключением информационных устройств, трансформатор призван передавать нагрузке определенную, зачастую значительную, мощность. Известно, что энергия магнитного поля пропорциональна произведению напряженности его на индукцию.

Поэтому для передачи трансформатором заданной мощности необходимо достигать максимально достижимых значений магнитной индукции. Технически это достигается размещением обмоток трансформатора на сердечнике из трансформаторной стали, современные сорта которой обеспечивают намагничивание до уровня 2…2,2 Тл.

В нулевом приближении свойства трансформатора можно описать следующим образом. Создаваемый в сердечнике первичной обмоткой магнитный поток Ф пронизывает поперечные сечения всех витков как первичной, так и вторичных обмоток. Это приводит к индуцированию ЭДС в каждом витке:

Поскольку все витки каждой обмотки соединены в катушку последовательно, можно записать

И отношение ЭДС вторичной обмотки к ЭДС первичной равно

По второму закону Кирхгофа ЭДС уравновешивает ЭДС источника. Следовательно, ЭДС изменена по сравнению с ЭДС источника в к раз, поэтому к называют коэффициентом трансформации.

Каждое преобразование одного вида энергии в другой сопровождается переходом части этой энергии в другие виды, который может быть истолкован как потери энергии.

Ток первичной обмотки производит циклическое перемагничивание сердечника. Известно, что явление магнитного гистерезиса объясняется переходом части магнитной энергии в теплоту. Дополнительный нагрев сердечника вызывается вихревыми токами, величина которых зависит от размеров и формы деталей сердечника. Наконец, распределенное по всей длине обмотки активное сопротивление провода также поглощает часть электрической энергии, переводя ее также в тепло. Вторичная обмотка также обладает активным сопротивлением.

Серьезным фактором является и то обстоятельство, что не весь создаваемый первичной обмоткой магнитный поток пронизывает площадь витков вторичной обмотки, так как часть линий магнитной индукции замыкается по воздуху. Поэтому в реальном трансформаторе, кроме передачи во вторичную цепь основной части электрической энергии (90...95 %) имеют место выделение тепловой энергии и в проводах обмоток, и в магнитопроводе (сердечнике).

Известно, что реальные ферромагнетики, используемые для изготовления сердечников, обладают существенно нелинейной кривой намагничивания (зависимостью В от Н). Поэтому синтез эквивалентной схемы трансформатора в виде набора элементов с фиксированными параметрами практически невозможен, а с учетом того, что главным образом трансформаторы применяются в силовых цепях с постоянной частотой надобность в такой схеме отпадает.

Поскольку двухобмоточный трансформатор может быть уподоблен четырехполюснику, представляет интерес рассмотреть крайние режимы его работы: режим холостого хода и режим короткого замыкания.

РЕЖИМ ХОЛОСТОГО ХОДА

В этом режиме ток от вторичной обмотки не отбирается, и энергия электрической сети, поступающая в первичную обмотку, отдается сети при смене полярности напряжения, за исключением той ее части, которая нагревает обмотку. В соответствии со вторым законом Кирхгофа внешнее напряжение сети уравновешивается в этом случае суммой ЭДС самоиндукции первичной обмотки и падением напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки. Учет потерь на вихревые токи в сердечнике в данном случае затруднителен, да и не нужен, так как роль магнитного поля в этом режиме сводится к существованию индуктивности первичной обмотки, практически запрещающей прохождение тока через обмотку. Ведь отбор энергии от сети равен работе на нагрев обмотки, а это всегда малая величина.

РЕЖИМ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Режим короткого замыкания для исследования трансформатора – это не аварийный режим, когда трансформатор превращается в костер и не подлежит восстановлению. Его основным условием является обеспечение номинального по величине тока первичной обмотки при сопротивлении нагрузки во вторичной обмотке равном нулю. Естественно, напряжение сети придется для этого опыта снизить процентов на 90. В этом опыте трансформатор ведет себя как подлинный преобразователь мощности сети через мощность переменного магнитного потока в мощность вторичной обмотки. При проведении этого опыта магнитные потоки первичной и вторичной обмоток себя взаимно компенсируют в значительной мере, поэтому потери на гистерезис сердечника значительно снижаются. Опыт короткого замыкания дает возможность опытным путем определить потери энергии на нагрев обмоток трансформатора, в то время как опыт холостого хода показывает качество магнитопровода, заодно обнаруживая короткие замыкания в обмотках, если известен номинальный режим исправного трансформатора.