Первинна і вторинна обмотка трансформатора схема. Електричні машини

Додати сайт в закладки

У першому наближенні вплив вторинного струму i2 на первинну ланцюг трансформатора можна описати таким чином.

Струм i2, проходячи по вторинній обмотці, прагне створити в осерді трансформатора магнітний потік, який визначається намагничивающей силою (НС) i2w2. Відповідно до принципу Ленца, цей потік повинен мати напрямок, зворотне напрямку головного потоку. Інакше можна сказати, що вторинний струм прагне послабити індукуючий його магнітний потік. Однак таке зменшення головного магнітного потоку Ф т порушило б електричне рівновагу:

u 1 \u003d (-е 1) + i1r1,

так як e1 пропорційно магнітному потоку.

Створюється переважання первинного напруги U1, тому одночасно з появою вторинного струму збільшується первинний струм, притому настільки, щоб компенсувати розмагнічуюче дію вторинного струму і, таким чином, зберегти електричне рівновагу. Отже, всяка зміна вторинного струму повинно викликати відповідну зміну первинного струму, при цьому струм вторинної обмотки, завдяки відносно малому значенню складової i1r1, майже не впливає на амплітуду і характер змін у часі головного магнітного потоку трансформатора. Тому амплітуду цього потоку Ф т можна вважати практично постійною. Така сталість Фт характерно для режиму трансформатора, у якого підтримується незмінним напруга U1, прикладена до затискачів первинної обмотки.

Робота трансформатора заснована на явищі взаємоіндукції. Електрорушійна сила взаємоіндукції виникає в одній з двох котушок (рисунок 1), наприклад в котушці 2, коли в інший 1 протікає струм, що створює змінний магнітний потік Ф 0. При зміні магнітного потоку силові лінії магнітного поля, Що виникають навколо котушки 1, проникають в іншу котушку і перетинають її витки. В результаті цього в котушці 2 створюється електрорушійна сила (ЕРС), яка і є електрорушійної силою взаємоіндукції.

1 - котушка (обмотка) первинної ланцюга; 2 - котушка вторинної ланцюга; 3 - реостат для зміни струму в первинної ланцюга
Малюнок 1 - Магнітний зв'язок двох котушок, обтічних змінним струмом

Якщо кінці котушки 2 з'єднують з яким-небудь приймачем електричної енергії, то ЕРС взаємоіндукції створює в ньому струм, т. Е. Передає йому деяку енергію. Цю енергію котушка 2 отримує за допомогою магнітного поля, створеного струмом першої котушки, причому джерело струму негайно ж поповнює цю енергію. Так, на основі електромагнітної зв'язку відбувається перехід енергії джерела з однієї котушки в іншу.

Струм, що протікає в першій котушці і створює навколо неї магнітне поле, називають збудливим або первинним і позначають I1. Електричний ланцюг, складену з джерела струму, сполучних проводів і котушки 1, називають первинною. Змінне магнітне поле перетинає не тільки витки ω2 котушки 2, але і витки ω1 котушки 1. Тому і в первинній котушці виникає ЕРС самоіндукції E1.

Електрорушійну силу взаємоіндукції, що виникає в котушці 2, називають вторинною і позначають Е2; електричний ланцюг, З'єднану з цією котушкою, також називають вторинною. Струм, що протікає у вторинній ланцюга, називається вторинним і позначається I 2 (рисунок 2, а, б).

а - режим холостого ходу; б - режим навантаження; 1 - первинна обмотка; 2 - вторинна обмотка, 3 - рубильник; 4 - магнітопровід
Малюнок 2 - Первинна і вторинна обмотки на муздрамтеатрі

Магнітний потік, перетинаючи будь-який замкнутий контур (наприклад, виток обмотки), створює в ньому ЕРС і струм. За правилом Ленца цей струм (наприклад, вторинний струм I 2) спрямований так, що своїм магнітним дією перешкоджає причини, що викликала його.

Інтенсивність магнітного поля, т. Е. Магнітна індукція, пропорційна току, залежить від числа витків первинної обмотки і властивостей середовища (від магнітної проникності), в якій розташовані витки. Для феромагнітних речовин, наприклад для сталі, магнітна проникність у багато разів більше магнітної проникності повітря. Тому для посилення магнітного поля, створеного первинним струмом, групи послідовно з'єднаних витків, т. Е. Котушки обмотки, поміщають на магнітопровід, виготовлений з пластин спеціальної електротехнічної сталі. Комплект пластин з електротехнічної сталі, зібраний в такий геометричній формі, яка дозволяє локалізувати в ній основну частину магнітного поля, становить магнітну систему, або муздрамтеатр трансформатора. Стрижнем називають ту частину муздрамтеатру, на якій або навколо якої розташовуються котушки обмотки.

Завдяки високій магнітної проникності сталі муздрамтеатр підсилює магнітне поле струму, збільшує магнітний потік Ф 0 і ЕРС Е2 (рисунок 2, а). При холостому ході, коли струм протікає по обмотці, приєднаної до джерела живлення, а в іншій обмотці струму немає (навантаження не включена), потужність, споживана від мережі, витрачається тільки на створення потоку Ф 0, т. Е. На намагнічування магнітопровода і индуктирование напруги на розімкнутих затискачах обмотки 2. Потік Ф 0, який повністю зчеплений з усіма витками обмоток 1 і 2, називають головним або основним, а первинний струм I1 при холостому ході - струмом холостого ходу трансформатора. Струм холостого ходу позначають зазвичай I0.

Як відомо, магнітний потік індукує ЕРС, що створює струм не тільки в обмотці, а й в стали муздрамтеатру. Струм, створюваний ЕРС, протікає по замкнутому контуру (вихровий рух) в осерді в напрямку, перпендикулярному магнітному потоку (рисунок 3, а).

а - суцільному; б - шіхтованного; 1 - магнітопровід; 2 - вихрові струми; 3 - шари (пластини) муздрамтеатру
Малюнок 3 - Вихрові струми в муздрамтеатрі

Магнитопровод завжди можна уявити собі що складається з великого числа циліндричних шарів, що утворюють в перерізі подібні замкнуті контури. Сукупність струмів, що протікають по всім цим контурам, утворює вихрові струми муздрамтеатру; внаслідок електричного опору стали вони викликають в ній нагрів і втрати потужності, що надходить від джерела.

Якщо муздрамтеатр виконати з суцільної стали, то опір його буде невелика і вихрові струми можуть досягти великих значень. Для зменшення величини вихрових струмів (повністю усунути їх не вдається) муздрамтеатр збирають з окремих ізольованих листів стали.

Дійсно, для зменшення вихрових струмів слід зменшити виникає в муздрамтеатрі ЕРС і збільшити опір. При цьому, чим тонше лист, тим менше елементарна ЕРС, що створює струм, менше перетин, т. Е. більше опір, Менше величина струму (рисунок 3, б). Як видно з малюнка, що виникають в контурах вихрові струми 2 замикаються тільки в кожній окремій пластині, а не по всьому магнітопроводу.

Внаслідок невеликої величини ЕРС, а також збільшення опору контуру, перетин якого стало значно менше, ніж у суцільного муздрамтеатру, вихрові струми виявляються невеликими. Щоб зробити їх ще менше, в сталь, яка застосовується для виготовлення муздрамтеатру, додають кремній, який суттєво підвищує питомий опір, не погіршуючи в той же час її магнітних властивостей. Властивості стали залежать, крім того, від способу її виготовлення. Зокрема, велику роль відіграє спосіб прокатки стали. Гарячекатана сталь має значно більші питомі втрати, ніж холоднокатаная. З огляду на, що питомі втрати від вихрових струмів пропорційні квадрату товщини листа стали, зараз замість товщини 0,5 мм все ширше використовують сталь товщиною 0,33-0,35 мм і навіть 0,28 мм.

Однак вихрові струми - не єдина причина втрат у муздрамтеатрі. Іншою причиною є перемагнічінаніе стали внаслідок безперервної зміни величини і напрямки змінного струму. А так як зміна магнітного поля безпосередньо пов'язано зі зміною напрямку і величини струму, то сталь муздрамтеатру безперервно намагничивается і розмагнічується.

Відомо, що крива намагнічування, т. Е. Залежність магнітної індукції від величини і напрямку струму, утворює так звану петлю гистерезиса (рисунок 4). Безперервне перемагничивание супроводжується нагріванням стали, т. Е. Втратами енергії. Площа, охоплена петлею гистерезиса, пропорційна питомими втратами потужності, що витрачається на намагнічування. Ці втрати називають втратами від гистерезиса або втратами на перемагнічування. Для їх зменшення застосовують сталь з малим вмістом вуглецю та іншими присадками, що поліпшують її властивості.

Малюнок 4 - Петля гістерезису - залежність індукції В від зміни струму намагнічуванняI

Розглянуті нами втрати, що виникають в магнітній системі трансформатора при номінальній напрузі на первинній обмотці і номінальній частоті, Називають магнітними втратами.

глава III

ТРАНСФОРМАТОРИ

§ 3.1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

Пристрій трансформаторів. Трансформатором називається статичний електромагнітний перетворювач змінного струму.За допомогою трансформатора в системах змінного струму зручно змінювати напругу. Незважаючи на те, що трансформатор не має обертових частин, його робочий процес аналогічний процесам,

Рис. 3.1. Схема однофазного трансформатора: а - стрижневого; б - броньового: 1 - первинна обмотка; 2 - вторинна обмотка; 3 - стержень; 4 - ярмо

протікає в інших електричних машинах, так як він заснований на явищі електромагнітної індукції.

Обмотки трансформатора виконуються у вигляді многовіткових циліндричних котушок. Обмотку, приєднаної до мережі живлення, називають первинною, а обмотку, до якої приєднана навантаження, - вторинної. Для забезпечення кращої взаємоиндукції первинна і вторинна обмотки кожної фази розташовуються якомога ближче один до одного на загальному сердечнику (рис. 3.1), який являє собою пакет, зібраний з листів електротехнічної сталі.

Сердечники силових трансформаторів зазвичай набираються (шихти) з прямокутних аркушів електротехнічної сталі таким чином, щоб шари, набрані по-різному (рис. 3.2, аі

6 ), чергувалися через один (рис. 3.3, а). Листи сердечника стягуються ізольованими шпильками.

Розрізняють два види сердечників: стрижневий (рис. 3.1, а) і броньовий (рис. 3.1, б). Сердечник броньового типу має розгалужену магнітну систему, завдяки чому потік в стрижні 3, на якому розташована обмотка, більше, ніж потік в ярмі 4 . Сердеч-

Рис. 3.2. Розташування листів при зборі сердечника трансформатора «внахлестку»

Рис. 3.3. Збірка муздрамтеатру трансформатора: а) внахлестку; б) встик: 1 - пластини Ш-образного профілю; 2 - пластини прямокутного профілю; 3 - стрижневі шпильки

ники трансформаторів малих потужностей набираються Ш-образної, П-образної або тороидальной форми. Пакет сердечника може бути зібраний внахлестку (рис. 3.3, а) або встик (рис. 3.3, б). першому

Рис. 3.4. Стрічкові сердечники: а - броньовий; б - стрижневий; в - тороидальний; г - трифазний

способу слід віддати перевагу, так як в цьому випадку в магнітного ланцюга утворюються менші зазори.

В останнім часом набувають поширення сердечники, виготовлені з тонкої стрічки електротехнічної сталі (рис. 3.4). У більшості випадків стрічкові сердечники розрізаються на дві половини (рис. 3.5), що дозволяє надіти на них котушки. Після цього сердечники стягуються і закріплюються в стягнуті вигляді (рис. 3.6).

Обмотки трансформатора можуть розташовуватися концентрично одна всередині іншої або в порядку, що чергується по висоті стрижня муздрамтеатру, в останньому випадку первинна і вторинна обмотки виконуються у вигляді дискових котушок.

У трансформаторах малої потужності застосовується багатошарова обмотка, яка намотується безперервно вздовж всієї довжини стержня муздрамтеатру до отримання заданого числа витків. У деяких випадках обмотка виконується з окремих частин, намотаних на самостійні каркаси. Кожна така частина обмотки є закінченою конструктивну деталь, яка називається галети. Галети надягають на стрижень муздрамтеатру по всій його висоті і електрично з'єднуються між собою тим чи іншим чином. На рис. 3.7 показано пристрій однофазного галетного трансформатора з стрічковим осердям.

Трансформатори можуть мати кілька вторинних обмоток (дві, три і більше). На рис. 3.9, бпоказана схема з'єднаних в зірку обмоток трифазного трансформатора. обмотка A 1 B 1 C 1 первинна, А 2 В 2 С 2 -вторинна.

За способом охолодження трансформатори поділяються на масляні (обмотки яких занурені в масло) і сухі (охолоджувані повітрям).

Нашими заводами випускаються трансформатори потужністю, від часток вольт-ампера і напругою від одного вольта до сотень і

Рис. 3.5. Розрізаний стрічковий сердечник

Рис. 3.6. Загальний вигляд броньового трансформатора з стрічковим осердям

Рис. 3.7. Пристрій однофазного трансформатора потужністю 30 вт: 1 - каркас; 2 - первинна обмотка; 3 і 4 - вторинні обмотки; 5 - стягнутий хомутик

тисяч кіловольт-ампер і напругою в сотні кіловольт. Залежно від призначення до трансформаторів пред'являються різні вимоги.

Силові трансформатори електропередач виробляються для тривалої служби протягом багатьох десятків років. На шляху від ге-

нерірующей станції до споживача електрична енергія зазвичай піддається трьох- або навіть чотирикратної трансформації, тому к. п. д. трансформаторів для електропередачі повинен бути максимально високим.

Малопотужні трансформатори, застосовувані в схемах автоматики, можуть мати невеликий к. П. Д., Тому що втрачається в них

Рис. 3.8. Пристрій трифазного трансформатора потужністю 300 квана напругу 6 кв:

1 - термометр; 2 - введення обмотки високої напруги; 3 - введення обмотки низької напруги; 4 - пробка для заливки масла; 5 - маслоуказатель; 5 - пробка для заливки масла; 7 - розширювач; 8 - магнітопровід; 9 - обмотка низької напруги; 10 - обмотка високої напруги; 11 - пробка для спуску масла; 12 - бак для масла; 13 - радіаторні труби для охолодження масла

енергія щодо невелика. Ці трансформатори призначаються для значно меншого терміну служби, так як електронна апаратура, в схемах якої вони працюють, порівняно швидко зношується.

Трансформатори для радіоелектроніки повинні мати малі габарити і низьку вартість.

Принцип дії.при проходжень електричного струму по обмоткам трансформатора створюється магнітний потік. Потік, пов'язаний з кожною з обмоток, зручно розглядати що складається з двох складових: потоку взаємоіндукції і потоку розсіювання.

Рис. 3.9. Магнітний потік: а - однофазного трансформатора; б - трифазного трансформатора

Потік взаємоіндукції Ф (рис. 3.9, а) повністю зчеплений з усіма витками обмоток однієї фази. Всі інші потоки є потоками розсіювання. На рис. 3.9, аі бпоказані шляхи деяких потоків розсіювання Ф S обмоток. Крім цих шляхів, можуть бути й інші, всі вони частково проходять по повітрю.

Первинну обмотку трансформатора приєднують до мережі живлення змінного струму. При розімкнутої вторинної обмотці (холостий хід) струм первинної обмотки створює потік, значна частина якого, сцепленная з обома обмотками, є потоком взаємоіндукції Ф.

В результаті зміни в часі потоку взаємоіндукції в обмотках индуктируются е. д. з. Їх значення пропорційні потокозчеплення, які дорівнюють добутку потоку взаімоін-

продукції на число витків даної обмотки. Потокосцепление первинної обмотки визначається в основному напругою мережі живлення. Воно менше напруги мережі на величину падіння напруги в активному і індуктивному опорах первинної обмотки.

Якщо вторинна обмотка трансформатора замкнута накоротко або на активно-індуктивне навантаження, то струм вторинної обмотки прагне зменшити викликає його потік і розмагнічує сердечник, на якому намотана первинна обмотка. Внаслідок цього індуктивність первинної обмотки зменшується і струм її зростає.

При наявності струму у вторинній обмотці величина потоку Ф взаємоиндукції визначається спільною дією м. Д. С. первинної і вторинної обмоток. Намагнічує дію зрослого первинного струму компенсує розмагнічуюче вплив вторинного струму, і потік взаємоіндукції майже не змінюється. Тому майже такими ж, як і при холостому ході, залишаються е. д. з. первинної і вторинної обмоток. Їх значення можуть змінюватися лише за рахунок збільшення складових падіння напруги в активному і індуктивному опорах первинної обмотки.

ставлення k називається коефіцієнтом трансформації. Цей коефіцієнт показує у скільки разів е. д. з. первинної обмотки більше або менше е. д. з. вторинної. У деяких випадках коефіцієнт трансформації визначають як відношення е. д. з. обмотки високої напруги до е. д. з. обмотки нижчої напруги.

З огляду на (3.1) і (3.2), отримаємо для е. д. з. вторинної обмотки наступне рівність:

Струм i"2 називають наведеним струмом вторинної обмотки. Під наведеними струмом слід розуміти струм вторинної обмотки при k= 1.

З (3.5) випливає, що при навантаженні трансформатора струм первинної обмотки збільшується в порівнянні зі струмом холостого ходу i 0 на величину, зворотну наведеним току i "2вторинної обмотки.

При холостому ході вторинна обмотка трансформатора розімкнути, але в реальному трансформаторі в сталевому муздрамтеатрі завжди є деякі вторинні замкнуті контури струмів, які діють на первинну обмотку так само, як і замкнута вторинна обмотка. До вторинних контурах можна віднести контури вихрових струмів в листах стали, в стяжних болтах і т. Д. Ці контури проходять по поверхневим ділянкам стали, мають велике активний опір, тому створювані ними втрати значні, і в первинній обмотці вони в основному викликають активну складову струму холостого ходу i 0. Повна активна складова i r струму холостого ходу враховує також втрати в сталі на

перемагничивание. З урахуванням активної складової струм холостого ходу

де i μ - намагнічує струм, необхідний для створення потоку взаємоіндукції Ф.

Таким чином, з огляду на вираз (3.5), можна вважати, що струм первинної обмотки i 1 має дві складові, одна з яких ( i 0) створює потік взаємоіндукції і компенсує втрати в сталі при холостому ході, а інша (- i"2) компенсує розмагнічуюче дію струму вторинної обмотки.

Системи диференціальних рівнянь. За другим законом Кірхгофа для напруги первинної і вторинної обмоток фази трансформатора можна скласти наступні рівняння:

де і- миттєве значення напруги на затискачах обмоток; i - миттєве значення струмів обмоток;

r- активний опір обмоток;

L- індуктивність, відповідна повного потоку, зчепленням з обмоткою;

М- взаімоіндуктівность між обмотками, що визначається зчепленням потоку Ф з витками первинної та вторинної обмоток:

Індекс 1 відноситься до первинної обмотці, індекс 2 - до вторинної.

Якщо зчеплений з первинної обмоткою потік (рис. 3.9) розглядати, як що складається з двох частин (потоку взаємоіндукції Ф і потоку розсіювання Ф s), то повну індуктивність первинної про-

зчепленню вторинної обмотки з потоком взаємоіндукції Ф і L 2s- відповідну її зчепленню з потоком розсіювання, т. Е.

Тоді система рівнянь (3.7) набуде вигляду

В результаті взаємодії м. Д. С. первинної і вторинної обмоток створюється потік взаємоіндукції Ф. Його зчеплення з витками ω 1визначає е. д. з. первинної обмотки:

Зчеплення потоку Ф з витками ω 2визначає е. д. з. вторинної обмотки:

тому з виразу (3.8) маємо наступну систему рівнянь

Рівняння рівноваги м. Д. С. (3.4) і рівняння напруги первинної і вторинної обмоток складають систему рівнянь трансформатора.Користуючись будь-який з систем рівнянь (3.7), (3.8) або (3.9), можна аналізувати процеси, що відбуваються в трансформаторі. Система рівнянь (3.7) зазвичай застосовується в електротехніці і при аналізі перехідних процесів. Системи рівнянь (3.8) і (3.9) широко застосовуються в теорії електричних машин. Надалі будемо користуватися переважно системами типу (3.8) і (3.9).

Наведений трансформатор.Для полегшення аналізу процесів, що відбуваються в трансформаторі, спрощення векторної діаграми і можливості побудови схеми заміщення умовно приймають, що наведений струм вторинної обмотки i"2 є її дійсним струмом. З цією метою дійсну вторинну обмотку з числом витків ω 2 умовно замінюють фіктивної обмоткою,

з числом витків ω 1. Таку умовну обмотку називають наведеної вторинної обмоткою, а операцію заміни - приведенням вторинної обмотки до первинної.

Так як число витків наведеної вторинної обмотки дорівнює числу витків первинної, то індуковані потоком взаємоіндукції електрорушійні сили обох обмоток рівні, т. Е.

Необхідно, щоб наведена обмотка була еквівалентна дійсній вторинній обмотці. Тому втрати повинні зберегтися:

У наведеній обмотці повинні зберегтися ті ж співвідношення між активними і індуктивними падіннями напруг, які існують в дійсній обмотці. Звідси отримаємо вираз для індуктивного опору наведеної обмотки

Знаючи наведені значення струму, напруги та опору, завжди можна шляхом перерахунку визначити їх дійсні значення і, навпаки, знаючи дійсних значень, - визначити наведені.

Системи рівнянь наведеного трансформатора в сталому режимі.У разі синусоїдального зміни струмів і напруг трансформатора при розгляді сталих процесів можна перейти від системи диференціальних рівнянь до системи рівнянь в комплексному вигляді. Для формального отримання комплексних рівнянь досить в диференціальних рівняннях за-

Схеми заміщення. У теорії електричних машин широко використовуються схеми заміщення, при переході до яких дійсні трансформаторні зв'язку, т. е. електромагнітні, замінюються електричними.Схеми складаються таким чином, щоб їх струми і напруги описувалися тими ж рівняннями, що і в трансформаторі. Передана потужність, фазові співвідношення струмів і напруг в схемі заміщення такі ж, як і в трансформаторі.

Схеми заміщення зручні для аналітичного і досвідченого дослідження сталих і перехідних процесів. Вони легко можуть бути зібрані з окремих індуктивних і активних опорів. Напруги і струми всіх ділянок схем легко розрахувати або виміряти. У разі багатофазного трансформатора схеми заміщення складаються для однієї фази.

Системам рівнянь (3.8, а) і (3.9, а) відповідає схема заміщення, представлена \u200b\u200bна рис. 3.10, а.Кожному члену рівняння системи, що відбиває падіння напруги або е. д. з. обмотки, відповідає певна ділянка схеми, на якому має місце падіння напруги в даному опорі або діє прикладена напруга. Стрілки на схемі заміщення показують позитивний напрямок струмів первинної і вторинної обмоток.

Рис. 3.10. Схема заміщення трансформатора: а - без урахування активного опору в ланцюзі намагнічування; б - з урахуванням активного опору в ланцюзі намагнічування; в - без урахування кола намагнічування

1. Чому при збільшенні струму у вторинній обмотці трансформатора збільшується струм первинної обмотки? Як при цьому змінюються потік взаємоіндукції і індукована їм е. д. з? Чому трансформатор не може працювати від мережі постійного струму?

2. Чим визначається магнітний потік в сердечнику трансформатора? Якщо вважати незмінними інші величини, то як зміниться потік при збільшенні первинної напруги, перерізу магнітопроводу, числа витків первинної обмотки, числа витків вторинної обмотки, частоти мережі? Чому при зміні перерізу магнітопроводу потік не змінюється? Що при цьому змінюється?

3. У якому випадку виміряний струм вторинної обмотки буде дорівнює її наведеним току? Що таке наведений трансформатор? Чи впливає число витків вторинної обмотки на наведене значення її е. д. з?

4. Як в рівняннях трансформатора враховуються е. д. з, що наводяться потоками розсіяння? Як замикаються потоки розсіювання обмоток трансформатора?

4.1 Пристрій і принцип дії трансформатора

Трансформаторами називають пристрої, призначені для перетворення напруги або струму (рис.28). Цінність такого пристрою визначається надзвичайно широким діапазоном ситуацій, в яких воно використовується. Завдяки трансформаторів електрична енергія набуває таких форм, параметри і властивості, які найбільш затребувані і зручні для конкретних додатків. Слід, однак, пам'ятати, що трансформатори можуть працювати тільки в ланцюгах змінного струму і їх включення в ланцюзі постійного струму навіть невеликого напруги може вивести їх з ладу.

Найпростіший (по демонстрації принципу дії, але не по конструкції) трансформатор складається з трьох елементів або вузлів: 1) первинна обмотка; 2) муздрамтеатр; 3) вторинна обмотка (рис.29)

Електрично обидві обмотки трансформатора ізольовані як один від одного, так і від муздрамтеатру. Останній являє себой масивний феромагнітний сердечник, що створює між обмотками м а г н і т н у ю зв'язок. Електрична енергія, яка надходить в первинну обмотку, перетворюється нею в магнітну, яка по магнітопровода передається у вторинну обмотку з наступним перетворенням знову в електричну енергію, Але вже вторинної обмотки. Частина енергії в процесі перетворення втрачається в трансформаторі, викликаючи його нагрівання. Щодо частки переданої енергії до взятої від первинного джерела визначає ККД трансформатора і обчислюється за формулою, де W 1 - енергія, що надійшла на первинну обмотку; W 2 - енергія, що надійшла споживачеві з вторинної обмотки.

ККД сучасних трансформаторів досягає 99%, що свідчить про надзвичайну ефективності цих пристроїв в якості передавачів електроенергії.

Принцип дії трансформатора заснований на законі електромагнітної індукції (ЕМІ). Нагадаємо, що за фізичним змістом він являє собою явище породження змінним магнітним полем вихрового електричного поля. Математично, цей закон дається відомою формулою для ЕРС вихрового електричного поля:

де ΔФ - зміна магнітного потоку за час Δt. Отже, по модулю, ЕРС дорівнює швидкості зміни магнітного потоку. Це, в свою чергу, означає наявність зсуву фаз між Ф і е на 90 0 (цей факт справедливий для будь-якої величини і її швидкості). Знак мінус означає, що ЕРС про т с т а е т по фазі від магнітного потоку. Сама ЕРС, фізично, виникає на будь-якому витку охоплюватиме змінюється магнітне поле (на рис.30 - на 3-х витках), а її напрямок залежить від наростання або убування магнітного поля.

Розглянемо, як же працює трансформатор.

при подачі змінної напруги на первинну обмотку в ній виникає змінний струм. У свою чергу, змінний струм створює навколо себе змінне магнітне поле. Оскільки, технологічно, первинна обмотка являє собою котушку, то її магнітне поле сконцентровано всередині неї (за її межами магнітні поля разли-чних ділянок витків віднімаються). сла

бою магнітне поле первинної обмотки, потрапляючи в який проходить через неї муздрамтеатр багаторазово (в сотні і тисячі разів) посилюється його власним магнітним полем і замикається через його контур. В результаті по магнітопровода починає циркулювати значний змінний магнітний потік Ф. Відповідно до закону ЕМІ в будь-якому перетині муздрамтеатру виникає вихорову ЕРС. Ця ЕРС виникає всюди в навколишньому просторі і потрапляє як в первинну обмотку, у вторинну, так і в муздрамтеатр.

У первинній обмотці вона виявляється повністю протифазної мережевої напруги, оскільки, як уже говорилося в попередніх розділах, струм в обмотці відстає від напруги на 90 0, а ЕРС вихрового поля, в свою чергу відстає від струму (або що те ж саме - від магнітного потоку ) ще на 90 0. В результаті в первинній обмотці встечаются д в а електричних поля, спрямовані зустрічно один одному. Підсумком цього протистояння є мала величина вхідного струму (при холостому режимі) і велике індуктивне опір обмотки. Крім того, всі котушки і обмотки робляться, як правило, з міді, що володіє дуже малим провідникові. Звідси випливає важливий кількісний факт - падіння напруги ( u) На кожному витку відбувається тільки за рахунок вихровий ЕРС і, отже, воно чисельно дорівнює цій ЕРС:

Тут враховано, що напруга на первинній обмотці рівномірно розподілено на її витках, внаслідок рівномірності магнітного потоку уздовж муздрамтеатру.

У муздрамтеатрі ЕРС вихрового електричного поля створює по всьому його перетину вихрові струми ( струми Фуко), Які, якщо не вжити жодних заходів, сильно знижують ККД трансформатора і викликали значний розігрів і навіть перегрів муздрамтеатру. Для створення опору таким струмів, його збирають з тонких пластин, покритих ізоляційним лаком. Це дозволяє різко знизити теплове розсіювання електромагнітної енергії і підвищити ККД. Нарешті, у вторинній обмотці, вихровий електричне поле наводить в кожному витку свою ЕРС, яка, складаючись на всіх витках, виходить на її клеми у вигляді напруги, де N 2 - число її витків.

Оскільки саму ЕРС вихрового поля ми висловили через падіння напруги на первинній обмотці, то зробивши в останній формулі відповідну заміну, приходимо до про з зв про в зв про і ф о р м у л е трансформатора:

З неї випливає, що при зміні співвідношення між кількістю витків на вторинної та первинної обмотках, ми можемо змінювати співвідношення між їх напруженнями. А саме: якщо N 2< N 1 , то U 2 < U 1 - напряжение на вторичной обмотке оказывается пониженным; если N 2 > N 1, то U 2\u003e U 1 - то підвищеним. У першому випадку ми отримуємо понижуючий трансформатор, у другому - підвищує

Для визначення ступеня трансформації напруги вводиться к о е ф ф і ц і е н т т р а н с ф о р м а ц і й k:

Коефіціент трансформації, поряд зі значеннями напруг обмоток, номінальною потужністю і ККД є важливим технологічним параметром трансформатора.

4.2 Режими роботи трансформатора

Так як у розглянутій класичної конструкції трансформатора є дві обмотки, одна з яких замкнута на первинне джерело, а друга вільна, то можливі два режими його роботи: а) вторинна обмотка розімкнути - режим холостого ходу; б) вторинна обмотка замкнута на споживача - робочий режим. Ці режими мають суттєву різницю, так як в другому випадку в муздрамтеатрі виникає додаткове магнітне поле від вторинної обмотки, яке впливає на всі електричні параметри трансформатора. Тому ці режими роботи розглядаються окремо.

Тут необхідно зазначити наступне: оскільки на електричні процеси в трансформаторі впливають багато факторів, їх точний облік на причино-наслідковому рівні за допомогою якісного опису виявляється скрутним. Тому простіше зрозуміти процеси, що відбуваються в трансформаторі, через абстрактні поняття. Зокрема, - через векторні діаграми.

На схемі внизу (рис.31) дана векторна діаграма всіх параметрів тран-сформаторов в режимі холостого ходу. Як і будь-яка складна діаграма, для її побудови необхідні математичні рівняння, що зв'язують між собою всі зображені параметри. Для трансформатора в режимі холостого ходу вони виходять з законавторого закону Кірхгофа:

1) для первинної обмотки

2) для вторинної обмотки

Розглянемо хід побудови такої диаграм-ми для режиму холостого ходу - з одно-тимчасовим з'ясуванням фізичного сенсу всіх відображених на ній параметрів.

Порядок побудови наступний:

1) відкладаємо горизонтально вектора струму холостого ходу I 1Х і магнітного потоку Ф m в муздрамтеатрі - паралельно один одному. У вакуумі вони в с ь о г д а коливаються в одній фазі; в муздрамтеатрі, внаслідок явища гистерезиса (неузгодженості магнітного поля струму і заліза) можлива невелика расфазіровка, якої в даному випадку пренебрежем)

2) відкладаємо з відставанням на 90 градусів (вниз) два вектора ЕРС вихрового ел.поле ЕМІ - Е 1 і Е 2. Е 1 являє собою ЕРС в первинній обмотці, Е 2 - у вторинній. Очевидно, що внаслідок відмінності числа витків в обмотках, ці ЕРС не збігаються за величиною і відкладаються різними по довжині.

3) відкладаємо вектор - Е 1 в сторону, протилежну Е 1. Його необхідність випливає з рівняння для напруги первинної обмотки. Дійсно, із закону Ома випливає, що напрузі мережі протистоїть ЕРС ЕМІ Е 1 (звідси знак «мінус»), омічний опір первинної обмотки R 1 (створює падіння напруги I 1 XR 1) і індуктивний опір, х 1, тієї частини магнітного поля, яке замикається на себе минаючи муздрамтеатр (по повітрю).

4) відкладаємо від кінця вектора (- Е 1) вектор I 1 X R 1 - він повинен бути паралельний току, так як напруга на резисторі завжди збігається по фазі з струмом.

5) відкладаємо від кінця вектора I 1 X r 1 вектор I 1 X х 1 - він повинен бути перпендикулярний току, так як напруга на індуктивному опорі завжди випереджає по фазі струмі на 90 0

6) з'єднуємо початок вектора - Е 1 з кінцем вектора I 1 X X 1 - отриманий вектор буде представляти суму векторів , Тобто вектор U 1.

З побудованої діаграми видно, що в точному поданні, мережеве напруга перевищує протівоедс ЕМІ. Однак в реальних трансформаторах ця різниця становить не більше 2-5% через малість омічного і індуктивного опорів первинної обмотки. Напруга ж на розімкнутої вторинної обмотці в точності так само Е 2. Тому з достатнім ступенем точності можна написати:

Для побудови векторної діаграми в робочому режимі також необхідно скласти відповідні рівняння. Вони будуть відрізняються від рівнянь в холостому режимі видом рівняння для вторинної обмотки. Останнє також виходить з другого законаКірхгофа і має вигляд . Видно, що напруга на вторинній обмотці ( U 2) Зменшується, в порівнянні з напругою U 2 при холостому ході, на величину падіння напруги в її активному і індуктивному опорах.

Таким чином для побудови діаграми використовуються наступні рівняння:

Дані рівняння ускладнюють процес побудови діаграм і, щоб спростити його, пренебрежем внутрішніми опорами обмоток. Тоді рівняння приймуть зовсім простий вигляд:

З такого виду рівнянь відразу випливає, що ніяких висновків про поведінку струмів в первинної та вторинної обмотках зробити неможливо.

Насправді ці струми виявляються тісно пов'язаними з наступних причин. По-перше, з першого рівняння слід, що як і при холостому ході, ЕРС вихрового поля повинна бути дорівнює і протилежна по фазі мережевої напруги. Так як напруга мережі (первинного исто--чніка) є заданим і не залежить від режиму роботи трансформатора, то магнітний потік в магнітопроводі трансформатора в робочому режимі повинен дорівнювати магнітному потоку при холостому режимі. Тим часом, в робочому режимі, в муздрамтеатрі циркулюють уже не одне а д в а магнітних поля - робочий струм вторинної обмотки створює своє магнітне поле.

По-друге, згідно з правилом Ленца струм вторинної обмотки повинен «..іметь такий напрямок, що створене ним магнітне поле прагне компенсувати зміна зовнішнього магнітного поля». Іншими словами, магнітне поле вторинної обмотки повинне бути спрямоване зустрічно магнітному полю первинної обмотки. Це дозволяє записати загальне рівнян-ня для магнітних потоків в муздрамтеатрі - як векторів (!) - у вигляді:

а з урахуванням протівофазного характеру (в модульному вигляді) як:

Тут Ф 0 - магнітний потік в трансформаторі, який створюється первинною обмоткою при холостому режимі; Ф 1 - магнітний потік первинної обмотки в робочому режимі; Ф 2 - магнітний потік вторинної обмотки.

Сенс останнього рівняння можна пояснити наступним прикладом. Припустимо в режимі холостого ходу магнітний потік муздрамтеатру становив 20 умовних одиниць (Ф 0 \u003d 20). Тоді якщо робочий струм вторинної обмотки створить магнітний потік в 40 у.о. (Ф 2 \u003d 40), то магнітний потік первинної обмотки повинен збільшитися до Ф 1 \u003d Ф 0 + Ф 2 \u003d 40 + 20 \u003d 60 і зменшити загальний магнітний потік знову до 20. Це означає, що між струмами первинної і вторинної обмоток виникає магнітна зв'язок, причому така, що зростання струму у вторинно обмотці тягне зростання струму в первинній обмотці.

Математичний зв'язок між струмами можна встановити на основі фундаментального закону теорії магнетизму - закону повного струму. Згідно з цим законом «.. циркуляція напруженості магнітного поля уздовж замкнутого контуру дорівнює алгебраїчній сумі струмів, які перетинають даний контур. В адаптованому варіанті для магнітних кіл з магнитопроводами, його формулюють у вигляді у р а в н е н і я м а г н і т н о м ц е п і:

Тут R М - магнітний опір магнітопроводу трансформатора; N - число витків зі струмом, що охоплюють муздрамтеатр; I - сила струму в кожному витку; Ф - магнітний потік в магнітопроводі. З формули випливає, що:

або, підставляючи його в рівняння для магнітних потоків, отримаємо:

або скорочуючи на R М і ділячи все на N 1:

Останнє рівняння встановлює шуканий зв'язок між робочими струмами в первинної та вторинної обмотці і дозволяє побудувати векторну діаграму робочого режиму в спрощеному вигляді. Попередньо перепишемо його у вигляді:

і зауважимо попутно, що в силу малості струму холостого ходу, другим членом в правій частині рівняння можна знехтувати; тоді зв'язок між струмами в первинної та вторинної обмотками стане особливо виразною, тому що для модулів справедливо рівність, тобто ніж більше струм у вторинній обмотці, тим більше струм в первинної.

Діаграму будуємо в наступному порядку:

1) відкладаємо ток ( I 10) І магнітний потік ( Ф 0) Режиму холостого ходу;

2) відкладаємо вниз ЕРС первинної ( Е 1) І вторинної обмотки ( Е 2); їх величини оп-ределяются за величиною Ф 0, N 1, N 2; тому ЕРС первинної обмотки менше, ніж дру-річної, то k<1 и трансформатор повышаю-щий;

3) відкладаємо струм вторинної обмотки ( I 2) - в довільному напрямку (його направ-ня залежить від характеру навантаження);

4) відповідно до рівняння струмів в кінець вектора струму холостого ходу ( I 10) Відкладаємо вектор (- I 2 / k) І будуємо сум-Марн вектор I 1; вектор (- I 2 / k) Буде більше вектора струму I 2;

5) відкладаємо вектор U 1 \u003d - E 1 протилежно вектору E 1.

трансформатор - статичний електромагнітний апарат для перетворення змінного струму однієї напруги в змінний токдругого напруги, тієї ж частоти. Трансформатори застосовують в електричних ланцюгах при передачі і розподілі електричної енергії, а також в зварювальних, нагрівальних, випрямних електроустановках і багато іншого.

Трансформатори розрізняють по числу фаз, числу обмоток, способу охолодження. В основному використовуються силові трансформатори, призначені для підвищення або зниження напруги в електричних ланцюгах.

Пристрій і принцип роботи

Схема однофазного двохобмотувальні трансформатора представлена \u200b\u200bнижче.

На схемі зображено основні частини: феромагнітний сердечник, дві обмотки на осерді. Перша обмотка і все величини які до неї відносяться (i 1-ток, u 1-напруга, n 1-число витків, Ф 1 - магнітний потік) називають первинними, другу обмотку і відповідні величини - вторинними.

Первинну обмотку включають в мережу зі змінним напругою, її сила, що намагнічує i1n1 створює в муздрамтеатрі змінний магнітний потік Ф, який зчеплений з обома обмотками і в них індукує ЕРС e 1 \u003d -n 1 dФ / dt, e 2 \u003d -n 2 dФ / dt . При синусоидальном зміні магнітного потоку Ф \u003d Фm sinωt, ЕРС дорівнює e \u003d Em sin (ωt-π / 2). Для того щоб порахувати діюче значення ЕРС потрібно скористатися формулою E \u003d 4.44 f n Фm, де f- циклічна частота, n - кількість витків, Фm - амплітуда магнітного потоку. Причому якщо ви хочете порахувати величину ЕРС в будь-якої з обмоток, потрібно замість n підставити число витків в даній обмотці.

При будь-якій зміні магнітного потоку, зчепленого з будь-яким витком, в цьому витку индуктируется е. д. з., що дорівнює за величиною і зворотна по знаку зміни магнітного потоку в часі. Обмотки трансформатора мають зазвичай велике число витків. В кожному витку первинної і вторинної обмоток индуктируется однакова е. д. з., так як всі витки цих обмоток зчеплені з одним і тим же магнітним потоком. Таким чином, е. д. з. кожної обмотки дорівнює сумі е, д. з. всіх її витоків, т. е. Твору числа витків на е. д. з., индуктироваться в одному витку.

Якщо w1 - число витків первинної, а w2 - число витків вторинної обмотки трансформатора, то діючі значення е. д. з. цих обмоток рівні:

У цих формулах магнітний потік виражений в Максвелл (мкс).

При роботі трансформаторів падіння напруги в опорах їх обмоток зазвичай дуже малі, і можна вважати, що напруга первинної обмотки U1 одно її ЕРС Е1, а напруга вторинної обмотки U2, так само її ЕРС E2, т. Е.

З наведених вище формул можна зробити висновок про те, що ЕРС відстає від магнітного потоку на чверть періоду і відношення ЕРС в обмотках трансформатора дорівнює відношенню чисел витків E1 / E2 \u003d n1 / n2.

Якщо друга обмотка не перебуває під навантаженням, значить трансформатор знаходиться в режимі холостого ходу. В цьому випадку i 2 \u003d 0, а u 2 \u003d E 2, струм i 1 малий і мало падіння напруги в первинній обмотці, тому u 1 ≈E 1 і відношення ЕРС можна замінити відношенням напруг u 1 / u 2 \u003d n 1 / n 2 \u003d E 1 / E 2 \u003d k. З цього можна зробити висновок, що вторинна напруга може бути менше або більше первинного, в залежності від ставлення чисел витків обмоток. Ставлення первинної напруги до вторинного при холостому ході трансформатора називається коефіцієнтом трансформації k.

Як тільки вторинна обмотка підключається до навантаження, в ланцюзі виникає струм i2, тобто відбувається передача енергії від трансформатора, який отримує її з мережі, до навантаження. Передача енергії в самому трансформаторі відбувається завдяки магнітному потоку Ф.

Зазвичай потужність на виході і потужність на вході приблизно рівні, так як трансформатори є електричними машинами з досить високим ККД, але якщо потрібно зробити більш точний розрахунок, то ККД перебувати як відношення активної потужності на виході до активної потужності на вході η \u003d P 2 / P 1.

магнитопровод трансформатора являє собою закритий сердечник зібраний з листів електротехнічної сталі товщиною 0,5 або 0,35 мм. Перед складанням листи по обидва боки ізолюють лаком.

За типом конструкції розрізняють стрижневий (Г-подібний) і броньовий (Ш-подібний) магнітопроводи. Розглянемо їх структуру.

Стрижневою трансформатор складається з двох стрижнів, на яких знаходяться обмотки і ярма, яке з'єднує стрижні, власне, тому він і отримав свою назву. Трансформатори цього типу застосовуються значно частіше, ніж броньові трансформатори.

Бронєвой трансформатор являє собою ярмо всередині якого полягає стрижень з обмоткою. Ярмо як би захищає стрижень, тому трансформатор називається броньовим.

обмотка

Конструкція обмоток, їх ізоляція та способи кріплення на стрижнях залежать від потужності трансформатора. Для їх виготовлення застосовують мідні дроти круглого і прямокутного перерізу, ізольовані бавовняною пряжею або кабельним папером. Обмотки повинні бути міцними, еластичними, мати малі втрати енергії і бути простими і недорогими у виготовленні.

охолодження

В обмотці і осерді трансформатора спостерігаються втрати енергії, в результаті яких виділяється тепло. У зв'язку з цим трансформатору потрібне охолоджування. Деякі малопотужні трансформатори віддають своє тепло в навколишнє середовище, при цьому температура усталеного режиму не впливає на роботу трансформатора. Такі трансформатори називають "сухими", тобто з природним повітряним охолодженням. Але при середніх і великих потужностях, повітряне охолодження не справляється, замість нього застосовують рідинне, а точніше масляне. У таких трансформаторах обмотка і муздрамтеатр поміщені в бак з трансформаторним маслом, яке посилює електричну ізоляцію обмоток від муздрамтеатру і одночасно служить для їх охолодження. Масло приймає теплоту від обмоток і магнітопровода і віддає її стінок бака, з яких тепло розсіюється в навколишнє середовище. При цьому шари масла мають різницю в температурі циркулюють, що покращує теплообмін. Трансформаторів з потужністю до 20-30 кВА вистачає охолодження бака з гладкими стінками, але при великих потужностях встановлюються баки з гофрованими стінками. Також потрібно враховувати що при нагріванні масло має властивість збільшуватися в обсязі, тому в надпотужних трансформаторів встановлюють резервні баки і вихлопні труби (в разі якщо масло закипить, з'являться пари яким потрібен вихід). У трансформаторах меншої потужності обмежуються тим, що масло не заливають до самої кришки.