Назначение, устройство и принцип действия трансформатора

С целью экономичной передачи электроэнергии на дальние расстояния и распределения ее между разнообразными потребителями появляется необходимость в ее трансформации. Последнее осуществляется с помощью повышающих и понижающих трансформаторов.

Трансформатор — статический электромагнитный аппарат, его действие основано на явлении взаимной индукции, он предназначен для преобразования электрической энергии переменного тока с параметрами U ₁, I ₁ в энергию переменного тока с параметрами U ₂, I ₂ той же частоты.

Принцип индуктивной связи двух обмоток впервые открыт Фарадеем в 1831 г. В период 1870—1880 гг. был создан однофазный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом, а в 1880—1890 г. была осуществлена разработка трансформатора с замкнутым магнитопроводом, который усиливал магнитную связь между обмотками и обеспечивал повышенные технико-экономические показатели трансформатора.

Трансформатор (рис. 8.1) состоит из ферромагнитного магнитопровода 1, собранного из отдельных листов электротехнической стали, на котором расположены две (w ₁, w ₂) обмотки, выполненные из медного или алюминиевого провода. Обмотку, подключенную к источнику питания, принято называть первичной, а обмотку, к которой подключаются приемники, - вторичной. Все величины, относящиеся к первичной и вторичной обмоткам, принято соответственно обозначать индексами 1 и 2.

Рис. 8.1. К пояснению устройства и принципа действия трансформатора

Если первичную обмотку трансформатора с числом витков w ₁ включить в сеть переменного тока, то напряжение сети U ₁ вызовет в ней ток I ₁ и МДС I ₁ w ₁ создаст переменный магнитный поток Ф. Переменный магнитный поток Ф создаст в обмотке w ₁ ЭДС Е ₁, а в обмотке w ₂ ЭДС Е ₂. Когда есть нагрузка, электрическая цепь вторичной обмотки оказывается замкнутой и ЭДС Е ₂вызовет в ней ток I ₂. Таким образом, электрическая энергия первичной цепи с параметрами U ₁, I ₁и частотой f будет преобразована в энергию переменного тока вторичной цепи с параметрами U ₂, I ₂ и f.

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

e ₁ = - w ₁ d Ф/ dt, e ₂ = - w ₂ d Ф/ dt,

их действующие значения (при синусоидальном изменении) соответственно равны

(8.1)

E ₁ = 4,44 w ₁ f Ф _m;

(8.2)

Е ₂ = 4,44 w ₂ f Ф _m.

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

(8.3)

e 1	=	E 1	=	w 1	= n.
e 2	E 2	w 2

Величина n называется коэффициентом трансформации трансформатора. Электрическая энергия из первичной цепи во вторичную в трансформаторе передается посредством переменного магнитного потока, поскольку гальваническая связь между первичной и вторичной обмотками трансформатора отсутствует. Отношение значений ЭДС Е ₁ и Е ₂ равно отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток.

Для выяснения соотношения между первичным и вто­ричным напряжениями необходимо высказать следующие со­ображения.

Вопервых, кроме основного магнитного потока Ф или просто магнитного потока трансформатора, как далее мы его будем называть, который полностью располагается в ферромагнитном сердечнике и пронизывает все витки первичной и вторичной обмоток, ток первичной обмотки создает магнитный поток рассеяния Ф_р1. Поток рассеяния Ф_р1 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, окружающем обмотку). Этот поток создает в первичной обмотке ЭДС Е _р1. Во-вторых, первичная обмотка обладает определенным активным сопротивлением. Поэтому, как вытекает из уравнения электрического состояния первичной цепи

(8.4)

U ₁ = - E ₁ - E _p1 + I ₁ r ₁,

значения напряжения U ₁ и ЭДС Е ₁ не равны. ЭДС Е ₁ меньше напряжения U ₁ на значение падения напряжения, обусловленное ЭДС Е _р1 и активным сопротивлением обмотки.

Однако эта разность невелика, и если ею пренебречь, то можно допустить, что

U ₁ ≈ - E ₁, или | U ₁ | ≈ | E ₁|, или U ₁ ≈ - E ₁.

При работе трансформатора с нагрузкой в его вторичной обмотке действует ток I ₂. 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 Е _р2.

Напряжение U ₂, как вытекает из уравнения электрического состояния вторичной цепи

(8.5)

U ₂ = Е ₂ + Е _р2 - I ₂ r ₂,

меньше ЭДС Е ₂ на значение падения напряжения, обусловленное ЭДС Е _р2 и активным сопротивлением обмотки. Однако эта разность невелика, и если ею пренебречь, то можно считать, что

U ₂ ≈ Е ₂.

Рис 8.2 Условные обозначения однофазного трансформатора

Подставив в уравнение (8.3) вместо Е ₁ и Е ₂соответственно напряжения U ₁ и U ₂, получим

w 1	≈	U 1	= n,
w 2	U 2

откуда следует, что U ₂ = U ₁ w ₂/ w ₁ = U ₁/ n

Поэтому можно считать, что коэффициент трансформации трансформатора представляет собой отношение значений первичного напряжения к вторичному. Соотношение между первичным и вторичным токами можно определить из равенства первичной и вторичной мощностей. Действительно, если пренебречь потерями активной мощности в обмотках и реактивной мощностью, обусловленной главным магнитным потоком и потоками рассеяния трансформатора, то

U ₁ I ₁ = U ₂ I ₂,

откуда

U ₁/ U ₂ = I ₂/ I ₁ = n

и, следовательно,

I ₂ = I ₁ n.

Однофазные трансформаторы на схемах электрических цепей изображаются так, как это указано на рис 8.2, а — в. Начало и конец первичной обмотки обозначаются большими буквами: начало А, конец X, вторичной обмотки — малыми буквами: начало а, конец х. Предполагается, что направление намотки от начала к концу относительно магнитопровода обеих обмоток одинаковое или по часовой, или против часовой стрелки.

Дата добавления: 2015-08-13