Тема: "Трансформаторы" Работа однофазного трансформатора вхолостую (стр. 1 )

тема: "Трансформаторы"

Работа однофазного трансформатора вхолостую

Трансформаторами в электротехнике называют такие аппараты, в которых электрическая энергия переменного тока от одной неподвижной катушки из проводника передаётся другой неподвижной катушки из проводника, не связанной с первой электрически. Звеном, передающим энергию от одной катушки к другой, является магнитный поток, сцепляющийся с обеими катушками и непрерывно меняющийся по величине и по направлению.

На рисунке №1а изображен простейший трансформатор, состоящий из двух катушек расположенных коаксиально одна над другой. К катушки подводится переменный ток от генератора переменного тока: эта катушка называется первичной катушкой (первичной обмоткой). От вторичной катушки соединяется цепь с приёмниками электрической энергии. Действие трансформатора заключается в прохождении тока в первичной обмотке создавая магнитное поле, силовые линии которого пронизывают не только создаваемую их катушку но и вторичную обмотку. Примерная картина распределения силовых линий, создаваемых первичною катушкою, изображённой на рисунке №1b. Как видно на рисунке, все силовые линии замыкаются вокруг проводников первой катушки, но часть из них (1,2,3,4) замыкаются также вокруг проводников второй катушки. Таким образом, вторая катушка является магнитно связной с первой катушкой при посредстве магнитных силовых линий. Степень магнитной связи первой и второй катушек, при коаксиальном расположений их, зависит от расстояния между ними: чем дальше катушки друг от друга, тем меньше магнитная связь между ними, ибо тем меньше силовые линии первой катушки сцепляется с второй катушкой. Так как через первую катушку проходит переменный ток, то есть ток, меняющийся во времени по какому-то закону, например по закону синуса, то и магнитное поле, им создаваемое, также будет меняться по тому же закону. В результате изменения тока в первой катушки обе катушки пронизываются магнитным потоком, непрерывно меняющим свою величину и своё направление. Согласно основному закону электромагнитной индукции при всяком изменении пронизывающего катушку магнитного потока в катушке индуктируется переменная электродвижущая сила. В нашем случае в первой катушке индуктируется электродвижущая сила самоиндукции, а во второй катушке индуктируется электродвижущая сила взаимоиндукции.

Если концы второй катушки соединить с цепью приёмников электрической энергии то в этой цепи появится ток, следовательно, приёмники получат электрическую энергию. В тоже время к первой катушке от генератора направится энергия, почти равная энергии, отдаваемой в цепь второй катушки. Таким образом, электрическая энергия от одной катушки будет передаваться в цепь второй катушки, совершенно не связанной с первой катушкой гальванически (металлически). Средством передачи энергии в этом случае является только переменный магнитный поток. Магнитная связь двух обмоток оценивается отношением магнитного потока, сцепляющегося с обеими обмотками, к потоку, создаваемому одной катушкой. Из рисунка №1b, что только часть силовых линий первой катушки замыкается только вокруг второй катушки. Другая часть силовых линий замыкается только вокруг первой катушки. Эти силовые линии в передачи электрической от первой катушки ко второй совершенно не участвуют, они образуют так называемое поле рассеяния.

Для того чтобы увеличить магнитную связь между первичной и вторичной обмотками и одновременно уменьшить магнитное сопротивление для прохождения магнитного потока, обмотки технических трансформаторов располагают на совершенно замкнутых железных сердечниках.

Первым примером выполнения трансформаторов может служить схематически изображенный на рисунке №2 однофазный трансформатор так называемого стержневого типа. У него первичные и вторичные расположены на железных стержнях соединённых с торцом железными накладками называемые ярмами. Таким образом два стержня и два ярма образуют замкнутое железное кольцо, в котором и проходит магнитный поток, сцепляющийся с первичной и вторичной обмотками, Это железное кольцо называемое сердечником трансформатора.

Вторым примером выполнения трансформаторов может служить схематически изображенный на рисунке №3 однофазный трансформатор так называемого броневого типа. У этого трансформатора первичные и вторичные обмотки, состоящие каждая из ряда плоских катушек, расположены на сердечнике, образуемом двумя стержнями двух железных колец, Кольца окружая обмотки, покрывают их почти целиком как бы бронёй, поэтому трансформатор и называется броневым. Магнитный поток, проходящий внутри обмоток разбивается на две равные части, замыкающиеся каждая в своём железном кольце. Применением замкнутых железных магнитных цепей у трансформаторов добиваются значительного снижения потока рассеяния. У таких трансформаторов потоки, сцепляющиеся с первичною и вторичною обмотками, почти равны друг другу.

Трёхфазные и измерительные трансформаторы.
Автотрансформаторы. КПД трансформатора
В линиях электропередачи используют в основном трёхфазные силовые трансформаторы. Магнитопровод трёхфазного трансформатора имеет три стержня, на каждом из которых размещаются две обмотки одной фазы.
Особенностью трёхфазного трансформатора является зависимость коэффициента трансформации линейных напряжений от способа соединения обмоток. Применяются главным образом три способа соединения обмоток трёхфазного трансформатора: соединение первичных и вторичных обмоток звездой (рис а); соединение первичных обмоток звездой, вторичных - треугольником (рис б); соединение первичных обмоток треугольником, вторичных обмоток звездой (рис в).

Способы соединения обмоток трёхфазного трансформатора.
Обозначим отношение чисел витков обмоток одной фазы буквой R, что соответствует коэффициенту трансформации однофазного трансформатора и может быть выражено через отношение фазных напряжений:
R=w2/w1=UФ2/UФ1
Обозначим коэффициент трансформации линейных напряжений буквой с:
При соединении обмоток по схеме звезда - звезда
с=UЛ2/UЛ1=UФ2/(UФ1)=R
При соединении обмоток по схеме звезда-треугольник
с= UЛ2/UЛ1= UФ2/(UФ1)=R/
При соединении обмоток по схеме треугольник - звезда
с=UЛ2/UЛ1=UФ2/UФ1=R

Таким образом, при одном и том же числе витков обмоток трансформатора можно в увеличить или уменьшить его коэффициент трансформации, выбирая соответствующую схему соединения обмоток.
Принципиальная схема автотрансформатора изображена на рисунке.
У автотрансформатора часть витков первичной обмотки используется в качестве вторичной обмотки, поэтому помимо магнитной связи имеется электрическая связь между первичной и вторичной цепями. В соответствии с этим энергия из первичной цепи во вторичную передаётся как с помощью магнитного потока, замыкающегося по магнитопроводу, так и непосредственно по проводам.

Поскольку формула трансформаторной ЭДС применима к обмоткам автотрансформатора так же, как и к обмоткам трансформатора, коэффициент трансформации автотрансформатора выражается известными отношениями

R=w2/w1=E2/
E1=U2/
U1=
I1/
I2.
Вследствие электрического соединения обмоток через часть витков, принадлежащую одновременно первичной и вторичной цепям, проходят токи I1 и
I2, которые направлены встречно и при небольшом коэффициенте трансформации мало отличаются друг от друга по значению. Поэтому их разность оказывается небольшой и обмотку w2 можно выполнить из тонкого провода.
Автотрансформаторы применяют для пуска мощных двигателей переменного тока, регулирования напряжения в осветительных сетях, а также в других случаях, когда необходимо регулировать напряжение в небольших пределах.

Измерительные трансформаторы напряжения и тока используют для включения измерительных приборов, аппаратуры автоматического регулирования и защиты в высоковольтные цепи.

Измерительные трансформаторы напряжения служат для включения вольтметров и обмоток напряжения измерительных приборов (рис а). Поскольку обмотки имеют большое сопротивление и потребляют маленькую мощность, можно считать, что они работают в режиме холостого хода.

Измерительные трансформаторы тока используют для включения амперметров и токовых катушек измерительных приборов (рис б). Эти катушки имеют очень маленькое сопротивление, поэтому трансформаторы тока практически работают в режиме короткого замыкания.



Результирующий магнитный поток в магнитопроводе трансформатора равен разности магнитных потоков, создаваемых первичной и вторичной обмотками.

КПД трансформатора, как и всякой другой машины, определяется отношением полезной мощности ко всей подведённой. Полезной мощностью для трансформатора является мощность, снимаемая с вторичной обмотки, , а подведённой - мощность , идущая из сети в первичную обмотку. Так как в трансформаторе равен 0,96-099, то непосредственное определение его по формуле не даёт точных результатов из-за того, что ошибка в измерении соизмерима с погрешностью прибора.

Электрические потери в трансформаторе складываются из потерь в меди , вызванных нагреванием проводников обмоток трансформатора, и потерь в стали , вызванных гистерезисом и вихревыми потоками в сердечнике.

В таком случае КПД трансформатора может быть выражен упрощённой формулой

Потери мощности в меди определяются как сумма потерь в первичной и вторичной обмотках: .

Потери мощности в стали определяются величиной и частотой изменения магнитного потока и от нагрузки не зависят.

При работе трансформатора в рабочем режиме. Напряжение на вторичной обмотке считают равным номинальному напряжению , потери в стали постоянными . На практике при работе трансформатора ток во вторичной обмотке не всегда равен номинальному току . Поэтому вводится коэффициент нагрузки и КПД трансформатора определяется по следующей формуле: .

Исследовав функцию на максимум, убеждаемся, что максимальный КПД трансформатора получается при равенстве потерь в меди и в стали, т. е. если ,то

.

Так как обычно , то максимальный КПД трансформатора получается при коэффициенте нагрузки 0,6…0,7, значит,