Трансформаторы

Назначение, конструкция, принцип действия трансформатора

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, преобразующее электрическую энергию (ЭЭ) переменного тока с одним уровнем (действующим значением) напряжения в ЭЭ переменного тока с другим уровнем напряжения при неизменной частоте напряжения.

Внешний вид силового трансформатора представлен на рис. 10.1.

Рис. 10.1. Трехфазный трансформатор

Одновременно происходит преобразование величины тока в силу закона сохранения энергии:

(10.1)

где величины с индексом 1 относятся к источнику ЭЭ, на который включен трансформатор, а с индексом 2 — к потребителям, включенным на этот источник через трансформатор.

Основное назначение трансформаторов— согласование уровней номинальных (рабочих) напряжений (или токов) источников и потребителей. Номинальное действующее значение линейного напряжения источников (синхронных генераторов) изменяется от 230-400 В до 6300 В в зависимости от места их использования. Потребители имеют номинальные напряжения от 12, 36, 127, 220 В и выше. Они получают ЭЭ через трансформаторы, которые иногда называют силовыми. Мощность стандартных силовых трансформаторов составляет от сотен ватт до сотен киловатт.

Для согласования уровней рабочих напряжений (токов) электроизмерительных приборов с уровнем измеряемых ими напряжений (токов) применяются измерительные трансформаторы (напряжения и тока).

Отдельную группу составляют трансформаторы специального назначения: для статических преобразователей, сварочные автотрансформаторы и др. В состав радиотехнических систем, систем управления, устройств электроавтоматики входят импульсные, разделительные, согласующие, дифференцирующие и другие типы маломощных трансформаторов.

В зависимости от числа фаз цепей различают однофазные и трехфазные трансформаторы. Трансформаторы, используемые для уменьшения напряжений, называются понижающими, а для увеличения напряжения — повышающими. Принципиально любой трансформатор обратим: может являться либо повышающим, либо понижающим.

Варианты условного изображения трансформаторов в электрических схемах показаны на рис. 10.2.

Рис. 10.2. Условные обозначения схем однофазного (а, б) и трехфазного (в, г) трансформаторов

Трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного магнитопровода и обмоток. Магнитопровод выполняется из тонких изолированных друг от друга пластин из ферромагнитного материала, имеющего малую площадь петли гистерезиса. Этим достигается уменьшение потерь мощности в магнитопроводе на вихревые токи и на гистерезис. В магнитопроводе пластины располагаются вдоль силовых линий МП. В этом направлении магнитопровода стремятся предельно уменьшить воздушные зазоры для уменьшения магнитного сопротивления. Участки магнитопровода, на которых расположены обмотки, называются стержнями, а свободные от обмоток — ярмами. Обмотки, выполняемые из медного или алюминиевого провода с электрической изоляцией, могут располагаться чередующимися концентрическими слоями с целью уменьшения их потоков рассеяния. Обмотки друг от друга электрически изолированы (гальванически не связаны).

Простейший двухобмоточный однофазный трансформатор показан на рис. 10.3. Здесь даны варианты расположения обмоток на различных стержнях. Обмотка, подключенная к источнику переменного напряжения, называется первичной. Обмотка, к которой подключается потребитель, называется вторичной.

Рис. 10.3. Схемы расположения обмоток однофазного трансформатора при нераз- ветвленной (а) и разветвленной (б) магнитных цепях

Рис. 10.4. Схема идеального трансформатора с индуктивной нагрузкой

Рис. 10.5. Мгновенные начения напряжений, потока и токов идеального повышающего трансформатора

Принцип действия трансформатора удобно рассмотреть на модели (рис. 10.4) идеального трансформатора. Идеальный трансформатор должен обладать следующими свойствами: 1) отсутствие потерь энергии в обмотках (при протекании по ним токов) и магнитопроводе (при переменном магнитном потоке); 2) отсутствие потоков рассеяния у первичной и вторичной обмоток; 3) отсутствие насыщения магнитной цепи.

Пусть первичная обмотка идеального трансформатора и; включена на источник синусоидального напряжения и, = С/_и1 sinoo?, а вторичная vr₂ разомкнут, т.е. работает в режиме холостого хода (/, =0). При принятых допущениях обмотка и; является идеальным индуктивным элементом.

Напряжение и, (рис. 10.5,а) вызовет в обмотке и; ток XX /, _ = (рис. 10.5,6), который будет отставать по фазе от напряжения м, на угол п/2: i = I_w sin(ot)? — п/2). Ток i называется током намагничивания трансформатора. Ток i создает поток Ф(?), равный

и, следовательно, ЭДС самоиндукции е_т (рис. 10.4,г) где

ЭДС е₍₁₁ уравновешивает приложенное напряжение и,, и поэтому при U_пЛ = const и ю = const амплитуда Ф_т и фаза (- 0,5я) потока будут постоянны (рис. 10.4, в).

В обмотке и¹,, пронизываемой потоком ф(?), также будет индуцироваться ЭДС е_ю:

где

Напряжение и₁ на зажимах обмотки w, будет равно ЭДС е₀, (рис. 10.4,в). Отношение ЭДС е_т и е₀,, равное отношению чисел витков и- и vr₂, называется коэффициентом трансформации:

Если обмотку и¹, включить на нагрузку (на рис. 10.3 в качестве примера выбрана нагрузка в виде индуктивности L), то по ее контуру пойдет ток /₂ (см. рис. 10.4,г), отстающий по фазе от е₀₂ на к/2:

Ток /₂ создаёт МДС, которая совместно с МДС, создаваемой током i,, определяет поток трансформатора Ф(?):

По условию U_нЛ = Е_Пт1 = const поток не может измениться, несмотря на появление тока нагрузки Тогда при условии неизменности Ф(?)

или, если /, рассматривать как сумму, состоящую из двух составляющих / и величины А/,, обусловленной током /,,

Следовательно, ток нагрузки /, вызывает изменение тока первичной обмотки на величину (см. рис. 10.4,d)

Этот эффект изменения тока первичной обмотки /, при изменении тока вторичной /₂ называется иногда саморегулированием трансформаторов. В связи с тем, что напряжение источника м, синусоидально, а магнитная цепь линейна, все рассмотренные переменные величины (е₀₁,е₀₂,Ф,/,,/,) оказываются тоже синусоидальными и, следовательно, могут описываться соответствующими комплексными величинами, которые будут подчиняться полученным здесь зависимостям, выраженным в комплексной форме.

В комплексной форме уравнения м, = е₀₁ (10.8) и (10.9) приобретают вид

Если воспользоваться уравнением для режима XX (7, =0 )

и перейти к комплексным величинам, то

где = соL_m называется индуктивным сопротивлением контура намагничивания.