Устройство и принцип действия однофазного трансформатора

Слайд № 15

Трансформатор представляет собой замкнутый магнитопровод, на котором расположены две или несколько обмоток. Часть магнитопровода, на которой располагаются обмотки, называют стержнями. Части магнитопровода, замыкающие стержни, называют ярмом. Для уменьшения потерь на гистерезис магнитопровод изготовляют из магнитомягкого материала – трансформаторной стали, которая имеет узкую петлю гистерезиса. Чтобы уменьшить потери на вихревые токи, в материал магнитопровода вводят примесь кремния, повышающую его электрическое сопротивление. Сам магнитопровод собирают из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,35-0,5 мм, изолированных друг от друга теплостойким лаком (цапоновым, им еще красят лампочки в гирляндах) или специальной бумагой.

Следует отметить, что в маломощных трансформаторах, используемых в радиотехнических схемах при частотах свыше 20кГц, магнитопроводом является воздушная среда, так как в таких случаях велики вихревые токи, и магнитопровод практически не намагничивается.

На слайде № 15 слева внизу показаны основные условные графические обозначения однофазного и трехфазного трансформаторов.

Слайд № 16

Обмотка трансформатора, присоединенная к источнику питания (сеть электроснабжения, генератор), называется первичной. Соответственно первичными называются все величины, относящиеся к этой обмотке – число витков, напряжение, ток и т.д. все они обозначаются с индексом 1: w ₁, u ₁, i ₁. Обмотка, к которой подключается приемник (потребитель электроэнергии), и относящиеся к ней величины называются вторичными (индекс 2).

Идеальные трансформаторы не рассеивают мощность: мощность в первичной обмотке идеального трансформатора всегда равна мощности во вторичной обмотке. На практике трансформаторы рассеивают небольшой процент приложенной мощности в качестве потерь, вызванных

– током намагничивания сердечника;

– потерями гистерезиса и вихревых токов (потерями в стали).

Обычно потери составляют от 2% до 5% от величины первичного тока.

Принцип действия однофазного трансформатора

Слайд № 17

Работа трансформатора основана на явлении взаимной индукции, которое является следствием закона электромагнитной индукции.

Принцип действия трансформатора сводится к следующему: первичная и вторичная обмотки находятся на общем сердечнике и подвергаются действию одного и того же электромагнитного поля. Переменное напряжение u₁, приложенное к первичной обмотке w ₁, вызывает переменный первичный ток i ₁. В железном сердечнике трансформатора возникает переменный магнитный поток Ф ₀, который пронизывает витки первичной и вторичной обмоток w ₁ и w ₂, индуцирует в них э.д.с. е ₁ и е ₂. Под действием е ₂ во вторичной обмотке, замкнутой на нагрузку Z _н, появится ток i ₂, направление которого совпадает с направлением е ₂. Так как магнитодвижущие силы первичной w ₁ i ₁ и вторичной w ₂ i ₂ обмоток направлены встречно, то результирующая МДС и поток в магнитопроводе будет определяться разностью МДС:                       w ₁ i ₁ – w ₂ i ₂ = i ₁₀ w ₁.

В зависимости от значения сопротивления нагрузки различают три режима работы трансформатора:

1. Режим холостого хода – Z _н = ∞;

2. Режим нагрузки – 0 < Z _н <∞;

3. Режим короткого замыкания – Z _н = 0.

3. Схема замещения и уравнения состояния трансформатора

Слайд № 18

    На С лайде № 18 приведена электрическая схема однофазного трансформатора.

Здесь Е ₁ и Е ₂ – э.д.с., индуцируемые в первичной и вторичной обмотках потоком Ф ₀; Х ₁ и Х ₂ – индуктивные сопротивления, характеризующие действие потоков рассеяния; R ₁ и R ₂ – активные сопротивления первичной и вторичной обмоток, Z _н – сопротивление нагрузки.

Для исследования режимов работы трансформатора, расчета сетей магнитную связь между первичным и вторичным контурами заменяют электрической связью. Но непосредственное объединение этих цепей в общую электрическую цепь без магнитной связи невозможно. Это объясняется тем, что при разных напряжениях U ₁ ≠ U ₂ токи одной и той же величины в этих цепях энергетически не эквивалентны друг другу: току в 1 А первичной цепи соответствует мощность 1 х U ₁ ВА, а ток в 1 А вторичной цепи обеспечивает получение мощности 1 х U ₂ ВА. Поэтому требуется приведение первичной и вторичной цепей к одному уровню напряжения. Удобным оказывается приведение вторичной цепи трансформатора к первичной.

Таким образом, соединение перемычками ac и bd в схеме на слайде 18 возможно, если U_ab = U_cd. Этому требованию удовлетворяет условие , где  – приведенная э.д.с.

    Эквивалентность энергетических соотношений в трансформаторе и его схема замещения не будут нарушены, если полная мощность S, активная мощность Р и реактивная Q, а также мощность в нагрузке S_н останутся неизменными:

Подставляя эти равенства, имеем:

.

Эти параметры называются приведенными (к числу витков w₁).

Слайд № 19

Полная система уравнений электрического и магнитного состояния трансформатора с учетом приведения вторичной обмотки к первичной по числу витком и  имеет такой вид:

.

Эти уравнения описывают электромагнитные процессы в двухконтурной схеме, которая носит название эквивалентной схемы замещения трансформатора.

Слайд № 20

На Слайде № 20 вверху представлена Т-образная схема замещения трансформатора.

В тех случаях, когда  невелико по сравнению с U₁, полагают U₁  ≈ U, схема замещения упрощается (Слайд № 20 справа внизу). 

Такая схема называется Г-образной. Здесь ; .

Слайд № 21

В режимах работы трансформатора, близких к короткому замыканию, когда , из Г-образной схемы исключается ветвь R_м – Х_м (Слайд № 21).

Эквивалентные схемы замещения трансформатора используются для анализа и расчетов режимов его работы, поэтому их называют расчетными схемами замещения трансформатора.