Устройство и принцип работы однофазного трансформатора.

Рассмотрим устройство и принцип действия однофазного трансформатора (кроме автотрансформатора). Конструктивно трансформатор состоит из ферромагнитного магнитопровода, на котором в простейшем случае расположены две электрически не связанные между собой обмотки, выполненные из изолированного медного или алюминиевого провода (рис. 1). Обмотку, подключенную к источнику питания с U₁(U₁—питающее напряжение), принято называть первичной, а обмотку, с которой нагрузкой снимается напряжениеU₂, вторичной. Во многих случаях трансформатор имеет не одну, а две или несколько вторичных обмоток, к каждой из которых подключается свой потребитель электроэнергии. В трехфазных электрических сетях используются одно- и трехфазные трансформаторы.

Рис. 1

Сердечник трансформатора набирается из тонких листов электротехнической стали (0,5 мм или 0,35 мм), изолированных друг от друга пленкой окисла, бумагой или лаком с целью снижения потерь мощности на гистерезис и вихревые токи.

В паспорте трансформатора приводят его технические данные, необходимые для нормальной эксплуатации: тип, номинальную мощность S_ном, номинальные напряженияU_1ном,U_2номи токиI_1ном,I_2номпервичной и вторичной обмоток, напряжение короткого замыкания и частотуf_ном.

Рациональное, экономичное использование трансформаторов обеспечивается при их полной нагрузке и недопущении работы силовых и сварочных трансформаторов на холостом ходу.

Принцип действия однофазного трансформатора

Под действием подведенного переменного напряжения U₁в первичной обмотке трансформатора возникает переменный ток I₁, который, проходя по виткам обмотки трансформатора, возбуждает в сердечнике магнитопровода переменный магнитный потокФ₁. Этот поток индуцируете₁и е₂в обмотках трансформатора. ЭДСе₁уравновешивает основную часть U₁источника, ЭДСе₂ создает напряжениеU₂на выходных зажимах трансформатора. При замыкании вторичной цепи возникает токI₂, который образует собственный магнитный потокФ₂, накладывающийся на поток первичной обмотки. В результате создается общий магнитный потокФ =Ф_msin2pft (Ф_m— амплитудное значение магнитного потока трансформатора;f— частота переменного тока), сцепленный с витками обеих обмоток трансформатора. ПотокФназывается главным потоком или потоком взаимной индукции. При изменении этого потока в обмотках трансформатора индуцируются основные ЭДС -е₁и е₂.

На рис. 1 показаны условно-положительные направления всех физических величин, характеризующих электромагнитные процессы в трансформаторе. Положительное направление Фсвязано с токомi₁ правилом правоходного винта.

Помимо основного потока Фв магнитопроводе токи обмоток создают в окружающем пространстве магнитное поле рассеяния. Рассматривая принцип действия трансформатора, можно пренебречь полем рассеяния. Одновременно будем пренебрегать активными сопротивлениями обмоток. Трансформатор, для которого приняты эти условия, называют идеализированным.

Уравнения электрического состояния обмоток идеализированного трансформатора имеют вид:

u₁= – e₁; u₂ = - e₂;

e₁ = – w₁ dФ/dt = E_m1 sin(2pf t – p /2);

e₂ = – w₂ dФ/dt = E_m2 sin(2pf t – p/2),

где w₁ иw₂— число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора;E_m1 иE_m2— амплитудные значения ЭДС в первичной и во вторичной обмотках. Из полученных уравнений следует, что ЭДСЕ₁, так же как и ЭДСЕ₂ трансформатора, будет опережать магнитный поток на уголp/2.

При синусоидальном изменении магнитного потока магнитопровода действующие значения ЭДС, наводимых в первичной и вторичной обмотках трансформатора, определяются по формулам:

E₁ = 4,44 w₁ f Ф_m;

E₂ = 4,44 w₂ f Ф_m.

Вторичная обмотка трансформатора по отношению к потребителю электроэнергии является источником.

Отношение ЭДС первичной обмотки трансформатора к ЭДС вторичной его обмотки, равное отношению соответствующих чисел витков обмоток, называетсякоэффициентом трансформации:

E₁/E₂ = w₁/w₂ = n.

Если Е₁<Е₂, то трансформатор является повышающим; приЕ₁>Е₂он будет понижающим.

Реальное магнитное поле трансформатора несколько отличается от идеализированного. Часть магнитных линий сцеплена только с первичной или только с вторичной обмоткой. Эти линии определяют дополнительное потокосцепление обмоток Y_1РАСиY_2РАС, которое называют потокосцеплениями рассеяния. Изменение потокосцепленияY_1РАСиY_2РАСназывают ЭДС рассеяния.

e_1РАС = –dY_1РАС/dt; e_2РАС = –dY_2РАС/dt .

Как и во всякой индуктивной катушке, при синусоидально изменяющемся магнитном поле ЭДС рассеяния можно заменить падением напряжения на индуктивном сопротивлении рассеянии. Тогда для комплексных величин получим

; .

Магнитные линии поля рассеяния частично проходят вне магнитопровода, по немагнитной среде, и сопротивления рассеяния Х₁иХ₂можно считать постоянными.

При изучении эксплутационных свойств трансформатора следует принимать во внимание активные сопротивления обмоток трансформатора R₁ иR₂. С учетом этих свойств полные уравнения электрического состояния обмоток трансформатора имеют вид:

;

,

где -напряжение на вторичной обмотке, равное падению напряжения на сопротивлении приемникаZ_ПР.

При рассмотрении потерь мощности и коэффициента полезного действия трансформатора можно ограничиться лишь потерями активной мощности, т.е. мощности, которая выделяется в стальном магнитопроводе (магнитные потери или потери в стали) и в медных обмотках (электрические потери или потери в меди) виде теплоты, обусловливающей его нагрев. Потери в стали Р_Мобусловлены перемагничиванием материала сердечника (потери на гистерезис) и вихревыми токами и практически не зависят от тока. Электрические потериР_Эв меди зависят от активных сопротивлений обмотокR₁иR₂, нагрузки и токовI₁,I₂в первичной и во вторичной обмотках и в соответствии с законом Джоуля-Ленца определяются соотношением

Р_э = R₁ I₁² + R₂ I₂².

Суммарные потери в трансформаторе определяются по формуле

SP = P_м + P_э.

---

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 590; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!