Назначение и принцип действия

 

Трансформаторы - это электротехнические устройства, предназначенные для преобразования тока одного уровня напряжения в переменный ток другого уровня напряжения той же частоты. Т.е. трансформатор является преобразовательным устройством и делится по назначению: силовые, специальные, измерительные, радиотехнические.

К силовым относятся трансформаторы, предназначенные для питания потребителей (электроприборы, осветительные сети, электродвигатели).

К специальным трансформаторам относятся сварочные и выпрямительные трансформаторы.

Измерительные трансформаторы предназначены для подключения электроизмерительных приборов, а также для элементов релейной защиты и автоматики.

Радиотехнические трансформаторы - это маломощные трансформаторы, работающие на повышенной частоте.

Трансформаторы делятся на однофазные и трехфазные, по способу охлаждения делятся на сухие, масляные, с твердым наполнителем.

Как и всякие электротехнические устройства, трансформатор рассчитан на нормальную работу только при определенных значениях частоты, токов и напряжений, которые называются номинальными.

Конструкция трансформатора состоит из двух основных частей - магни­топровода и обмоток. Магнитопровод набирается из тонких листов электротех­нической стали, изолированных друг от друга. Часть магнитопровода, на кото­ром располагается обмотка называется стержнем, а часть, замыкающая стержни – ярмом. По своему устройству магнитопровод подразделяется на П-образный и Ш-образный.

Обмотка трансформатора наматывается медным изолированным прово­дом с дополнительной изоляцией между слоями. Обмотка трансформатора с большим числом витков называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а с меньшим - низшего (НН). Таким образом, у повышающего трансформатора об­моткой низкого напряжения будет первичная, а высокого вторичная и, наоборот, у понижающего.

Рассмотрим принцип работы трансформатора на примере однофазного трансформатора схематически представляющего собой магнитопровод с двумя обмотками w ₁ и w ₂ (рис.6.1, а). 

а.

                                

~

j X 10

R 0

~

jX ' 2

jX 1

R ' 2

R 1

R ' 2

~

                                            

 

 

					Рис. 8.1 Принципиальная схема трансформатора (а);  эквивалентная схема замещения трансформатора (б); изображение однофазного трансформатора напряжения на схемах (в)
	вба.

 

При подключении первичной обмотки к источнику синусои- дального напряже­ния  по обмотке течет ток

  i ₁ = I_max sin ( w t + y _u), создающий намагничивающую силу i ₁ w ₁, под действием которой возникает магнитный поток Ф = Ф _m sin(w t +y_ф ). По закону электромагнитной индукции во вторичной цепи ин­дуцируется электродвижущаяся сила (ЭДС)

.                           (8.1)

Подставим выражение для потока Ф и возьмем производную

.         (8.2)

Из формулы видно, что ЭДС отстает от магнитного потока на угол 90^о, а Е _{2 m} = w ₂Ф _m w. Действующее значение ЭДС равно Е ₂= Е _{2 m} /Ö2 = w ₂Ф _m 2p¦/Ö2, где ¦- частота сети.

Е ₂ = 4,44 w ₂Ф _m ¦.                                 (8.3)

Такая же эдс возникает и в первичной обмотке, так как магнитный поток про­низывает витки и первичной обмотки.

Е ₁ = 4,44 w ₁Ф _m ¦.                                 (8.4)

Отношение отношение э.д.с. первичной обмотки к э.д.с. вторичной обмотки  или числа их витков будет опре­делять коэффициент трансформации трансформатора напряжения – k _тн.

k _тн = w ₁/ w ₂ = Е ₁ / Е _2.                                               (8.5)

При > w ₂,   Е ₁ > Е ₂ и k _тн >1 трансформатор - понижающий,  при w ₁< w ₂ , Е ₁< Е ₂  и k _тн < 1 трансформа­тор - повышающий, при w ₁= w ₂ , Е ₁ = Е ₂ и   k _тн= 1   трансформа­тор - разделительный.

Графическое условное изображение трансформатора на электрической схеме приведено на рис.8.1, в.

Первичная активная мощность, потребляемая трансформатором из сети, равна

.

Вторичная активная мощность или мощность, отдаваемая потребителю, равна

.

Если не учитывать потери в трансформаторе, то приближенно можно положить

Как будет показано ниже,  и напряжения первичной и вторичной обмоток мало отличаются от ЭДС обмоток.

Тогда имеем

                                (8.6)

При понижении напряжения вторичной обмотки в k раз вторичный ток будет больше первичного тока в k раз.

В работе трансформатора можно выделить три режима: холостого хода, когда вторичная обмотка разомкнута; короткого замыкания, когда вторичная обмотка замкнута накоротко, и рабочий режим под нагрузкой.