Конструкция и принцип действия однофазного трансформатора

Однофазный трансформатор, имеющий первичную обмотку, подсоединяемую к однофазной сети, и одну вторичную обмотку, является простейшим по конструкции. Кроме того, в трансформаторе имеется магнитопровод (сердечник), чтобы замкнуть и усилить магнитный поток. Магнитопровод выполняют из отдельных листов электротехнической стали для уменьшения потерь мощности на вихревые токи. Листы покрывают изолирующим лаком, высушивают, затем собирают в плотный пакет, составляющий магнитопровод (сердечник) трансформатора.

Обмотки трансформатора выполняются из медного (реже алюминиевого) изолированного провода, наматываемого на каркас из электроизоляционного материала, каркас с обмоткой надевается на сердечник.

Обмотка трансформатора, присоединяемая к источнику переменного напряжения, называется первичной, вторая обмотка, к которой подсоединяется нагрузка, называется вторичной. Все параметры трансформатора, относящиеся к первичной обмотке, обозначаются индексом 1, параметры, относящиеся ко вторичной обмотке, обозначают индексом 2.

Примечание: вторичных обмоток в однофазном трансформаторе может быть больше, чем одна, это количество зависит от требований потребителя; если в потребителе требуются напряжения, например, 5В, 9В, 12В, то трансформатор будет иметь три вторичные обмотки: на одной получают 5В, на второй – 9В, на третьей – 12В. Первичная обмотка в однофазном трансформаторе всегда одна.

Принцип действия трансформатора рассмотрим на упрощенной схеме, где изображены магнитопровод в виде прямоугольника с окном, две обмотки – первичная и вторичная, эквивалент нагрузки с активным сопротивлением RН и ключ S разомкнут (нагрузка отключена), трансформатор работает в режиме холостого хода, если ключ замкнут – это рабочий (номинальный) режим.

 

Рис. 1. Магнитопровод и обмотки трансформатора, изображенные упрощенно:

u1 – мгновенное напряжение на первичной обмотке, подаваемое от питающей сети;

e1, е2 – ЭДС индукции;

W1 – число витков первичной обмотки;

W2 – число витков вторичной обмотки;

i1 – мгновенный ток первичной обмотки;

i2 – мгновенный ток вторичной обмотки в номинальном режиме, когда ключ S замкнут;

если S разомкнут, ток i2=0 – режим холостого хода;

u2 – мгновенное напряжение на вторичной обмотке, рассматривается только при замкнутом ключе S, если ключ S разомкнут, на вторичной обмотке рассматривают (измеряют) ЭДС.

В принципиальных схемах принято условное обозначение однофазного трансформатора (рис 2).

 

Рис. 2. Условное графическое обозначение трансформатора в принципиальных схемах.

 

Обмотки обозначаются в виде трех сопряженных полуокружностей диаметром 2,5-3 мм, слева изображена первичная обмотка, справа – вторичная, вертикальная сплошная линия обозначает магнитопровод из электротехнической стали для низкочастотных трансформаторов; в высокочастотных трансформаторах (f >10000 Гц) сердечник выполняют из специального материала – феррита и его изображают в виде пунктирной линии.

Рассмотрим принцип действия трансформатора на примере его работы в режиме холостого хода, этот принцип действия справедлив и для других режимов трансформатора, а так же для трехфазных трансформаторов.

При подключении первичной обмотки к источнику переменного синусоидального напряжения u1 (мгновенное значение) в ней возникает ток i1. Намагничивающая сила этого тока возбуждает в сердечнике переменный магнитный поток, основная часть которого Ф=Фm·sinωt замыкается в сердечнике, а небольшая часть Фр (поток рассеяния) замыкается в воздухе. Магнитный поток, сцепленный с обеими обмотками трансформатора, индуктирует в них по закону электромагнитной индукции ЭДС, мгновенные значения которых будут:

,

где ω - круговая частота сети.

Для максимальных значений ЭДС при эти выражения примут вид: ; .

Разделив обе части равенств на и с учётом того, что, где ƒ -частота сети, переходим к действующим значениям ЭДС:

Разделив первое уравнение на второе, получаем:

Это отношение называется коэффициентом трансформации и обычно обозначается буквой К.

Если первичное действующее напряжение U трансформатора больше вторичного действующего U2, то он работает в режиме понижающего трансформатора, а если U1<U2 – то в режиме повышающего.

В трансформаторе, как и в любом электромагнитном устройстве, различают потери мощности в магнитопроводе, называемые часто потерями в стали Рст, и потери мощности в медных проводах обмоток, называемые потерями в меди Рм.

Потери в стали складываются из потерь на гистерезис, зависящие от качества стали, и потерь на вихревые токи, появляющиеся в самом магнитопроводе и нагревающие его. Для уменьшения потерь на вихревые токи сердечник выполняют набранным из отдельных листов электротехнической стали, изолированных друг от друга. Тем самым создается дополнительное сопротивление вихревым токам. Эти потери зависят от магнитного потока. Электрические же потери Рм, называемые потерями в меди, зависят от тока нагрузки I, пропорциональны квадрату тока при постоянном активном сопротивлении R обмотки: .

Потери в стали трансформатора определяются из опыта холостого хода (х.х.), а потери в медных обмотках (потери в меди) определяются из опыта короткого замыкания (к.з.)

При проведении опыта к.з. вторичная обмотка трансформатора замыкается накоротко (через амперметр), а к первичной обмотке подводится пониженное напряжение, такое, при котором в обеих обмотках устанавливаются номинальные действующие токи (I1Н, I 2Н).

Это пониженное напряжение называется напряжением короткого замыкания Uk, оно указывается в паспорте трансформатора в процентах от номинального напряжения и составляет величину порядка (5-10%)·UН. Из опыта к.з. определяются потери в меди PМ (потери в активном сопротивлении обмоток), так как потерями в стали при сильно пониженном напряжении и соответственно малом магнитном потоке сердечника можно пренебречь.

Можно определить полное сопротивление трансформатора

,

где Uk – напряжение на первичной обмотке в опыте короткого замыкания.

Активное сопротивление трансформатора

где PМ – показание ваттметра, включенного в первичную цепь в опыте к.з.

- индуктивное сопротивление трансформатора.

Потери в стали трансформатора Рст определяются из опыта холостого хода.

При этом вторичная обмотка трансформатора остается разомкнутой, а к первичной подводится номинальное напряжение. Номинальному напряжению на зажимах обмотки соответствует максимальный магнитный поток в сердечнике и, следовательно, максимальные потери в стали.

Так как ток во вторичной обмотке трансформатора I2 равен нулю, а ток в первичной обмотке (ток холостого хода) составляет 5-10% от номинального тока, потерями в меди трансформатора при опыте х.х. можно пренебречь.

Из опыта х.х. определяется коэффициент трансформации трансформатора

,

где U10, U20 – действующие значения напряжения на зажимах первичной и вторичной обмоток в режиме холостого хода.