Базовые принципы действия трансформатора

Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:

1. Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм)

2. Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)

На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе, сдвинутый по фазе, при синусоидальном токе, на 90° по отношению к току в первичной обмотке. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку.

В некоторых трансформаторах, работающих на высоких или сверхвысоких частотах, магнитопровод может отсутствовать.

Холостой ход трансформатора

Опыт холостого хода трансформатора

Холостым ходом трансформатора является такой предельный режим работы, когда его вторичная обмотка разомкнута и ток вто­ричной обмотки равен нулю (I₂ = 0). Опыт холостого хода позволяет определить коэффициент трансформации, ток, потери и сопротивление холостого хода трансформатора.

При опыте холостого хода первичную обмотку однофазного трансформатора включают в сеть переменного тока на номинальное напряжение U1.

Под действием приложенного напряжения по обмотке протекает ток I₁=I₀ равный току холостого хода. Практически ток холостого хода равен примерно 5—10% номинального, а в трансформаторах малой мощности (десятки вольт-ампер) достигает значений 30% и более номинального. Для измерения тока холостого хода, приложенного к первичной обмотке напряжения и потребляемой мощности в цепь первичной обмотки трансформатора включены измерительные приборы (амперметр А, вольтметр V и ваттметр W). Вторичная обмотка трансформатора замкнута на вольтметр, сопротивление которого очень велико, так что ток вторичной обмотки практически равен нулю.

Ток холостого хода возбуждает в магнитопроводе трансформатора магнитный поток, который индуктирует э. д. с. Е₁ и Е₂ в первичной и во вторичной обмотках.

Во вторичной обмотке трансформатора нет тока и, следовательно, нет падения напряжения в сопротивлении этой обмотки, поэтому э. д. с. равна

напряжению, т. е. Е₂=1/2. Поэтому э. д. с. вторичной обмотки определяется показанием вольтметра, включенного в эту обмотку.

Ток холостого хода, протекающий в первичной обмотке, очень мал по сравнению с номинальным, так что падение напряжения в сопротивлении первичной обмотки очень мало по сравнению с приложенным напряжением. Поэтому приложенное напряжение практически уравновешивается э. д. с. первичной обмотки и численные значения напряжения V и э. д. с. Е приблизительно равны. Следовательно, при опыте холостого хода э. д. с. первичной обмотки определится показанием вольтметра, включенного в ее цепь.

Для большей точности измерения при опыте холостого хода первичной обмоткой служит обмотка низшего напряжения, а вторичной — обмотка высшего напряжения. Это объясняется тем, что для обмотки НН номинальный ток будет больше, чем для обмотки ВН. Так как ток холостого хода небольшой и составляет несколько процентов номинального, то при использовании обмотки НН в качест­ве первичной ток холостого хода окажется больше и может быть измерен более точно, чем в случае использования обмотки ВН в ка­честве первичной.

Имея в виду равенства E₂=U₂ и E₁~U₁ коэффициент транс­формации можно определить отношением э. д. с. или чисел витков обмоток. Таким образом, при холостом ходе трансформатора коэффици­ент трансформации определится отношением показателей вольтмет­ров, включенных в первичной и вторичной обмотках.

Для трехфазного трансформатора различают фазный и линей­ный коэффициенты трансформации. Фазный коэффициент транс­формации определяет соотношение чисел витков обмоток ВН и НН и равен отношению фазных напряжений. Линейный коэффициент трансформации равен отношению линейных напряжений на стороне ВН и НН.

Если схемы соединения обмоток ВН и НН одинаковы (напри­мер, звезда — звезда или треугольник — треугольник), отношения фазных и линейных напряжений также одинаковы, т. е. фазный и линейный коэффициенты трансформации равны. Если же схемы соединения обмоток ВН и НН различны (звезда — треугольник или треугольник — звезда), фазный и линейный коэффициенты трансформации отличаются в 1,73 раз.

Если к первичной обмотке подвести напряжение U₁ по ней потечет ток, который обозначим I₀. Этот ток создает магнитный поток Ф. Магнитный поток Ф, возбуждаемый первичной обмоткой, индуктирует во вторичной обмотке э. д. с, величина которой равна Е₂. Тот же самый магнитный поток индуктирует в первичной обмотке э. д. с. E₁. Небольшой ток I₀, потребляемый первичной обмоткой трансформатора при холостом ходе, называется током холостого хода. Величина этого тока обычно составляет 3—10% от тока при номинальной нагрузке трансформатора.

Построим векторную диаграмму холостой работы однофазного трансформатора без потерь (идеального) (рис. 190). Намагничивающий ток I₀ создает магнитный поток Ф, который совпадает с током I₀ по фазе. Как уже указывалось, магнитный поток Ф индуктирует в первичной обмотке э. д. с. Е₁ а во вторичной обмотке — э. д. с. Е₂. Напомним, что всякая э. д. с, индуктируемая синусоидально изменяющимся магнитным потоком, отстает от потока по фазе на 90°. Поэтому векторы E₁ и E₂ мы откладываем под углом 90° от потока в сторону, обратную вращению векторов. Индуктированную в первичной обмотке з. д. с. Е₁ уравновешивает напряжение сети U₁.

Э. д. с. E₁ и напряжение U₁ равны и взаимно противоположны (падение напряжения в первичной обмотке при этом режиме очень мало и им можно пренебречь).

Из векторной диаграммы видно, что ток I0, потребляемый идеальным трансформатором при холостой работе, отстает от напряжения сети U₁ на 90°, т. е. является чисто реактивным.

У реального трансформатора из-за потерь в стали (на вихревые токи и гистерезис) возникает сдвиг по фазе между током холостого хода I0 и магнитным потоком Ф, причем ток будет опережать магнитный поток. Ток холостого хода I0 трансформатора имеет две составляющие (рис. 191): 1—активную Iа = I₀ соs φ₀, вызванную потерями в стали (эта составляющая очень мала, так как малы потери холостого хода),

2-реактивную Iр =I₀. sin φ₀, называемую током намагничивания, создающую магнитный поток Ф и совпадающую с ним по фазе. Так как активная составляющая I₀ cos φ₀ мала, то намагничивающий ток почти равен всему току холостого хода I₀. Поэтому I₀ является почти целиком реактивным. В режиме холостого хода ток во вторичной обмотке отсутствует и поэтому напряжение на зажимах вторичной обмотки равно э. д. с, индуктированной в этой обмотке:

U₂=E₂

Расчет