Общие сведения. С помощью трансформаторов повышается или понижается напряжение, изменяется число фаз, в некоторых случаях преобразуется частота переменного тока

С помощью трансформаторов повышается или понижается напряжение, изменяется число фаз, в некоторых случаях преобразуется частота переменного тока. Возможность передачи электрических сигналов от одной обмотки к другой посредством взаимоиндукции была открыта М. Фарадеем в 1831 г.: при изменении тока в одной из обмоток, намотанной на стальной магнитопровод, в другой обмотке индуцировались ЭДС. Однако первый практически работающий трансформатор создал известный изобретатель П. Н. Яблочков в содружестве с И. Ф. Усагиным в 1876 г.

Трансформатор – электомагнитное устройство, представляющее собой магнитопровод с нанесенными на него двумя или более обмотками, предназначенное для преобразования с помощью элетромагнитной индукции переменного тока одного напряжения в переменный ток другого (или других) напряжений. Обмотка трансформатора, к которой подводиться энергия преобразуемого переменного тока, называется первичной, а обмотка, от которой отводится энергия преобразованного переменного тока – вторичной. Эти обмотки называют основными. Существуют трансформаторы, у которых помимо первичной и вторичной обмоток, существует вспомогательные обмотки не связанные непосредственно с приемом или отдачей энергии преобразованного переменного тока.

Различают основные обмотки трансформатора высшего(ВН), низшего(НН) и среднего (СН) напряжений. Обмотка ВН имеет наибольшее номинальное напряжение по сравнению с другими основными обмотками трансформатора. Обмотка НН - наименьшее номинальное напряжение, а обмотка СН - номинальное напряжение, являющееся промежуточным между ВН и НН. Трансформатор, у которого первичной обмоткой является обмотка НН - называют повышающим. В конце линии передач, где начинается распределение энергии, устанавливают трансформаторы, снижающие напряжение линии до напряжений, необходимых потребителю. Первичной в таких трансформаторах служит обмотка ВН, а трансформаторы называются понижающими.

Различают однофазные (для цепей однофазного тока) и трехфазные (для трехфазных цепей) трансформаторы. Рабочий процесс однофазного трансформатора практически такой же, как и одной фазы трехфазного трансформатора. Рассмотрим работу однофазного двухобмоточного трансформатора (рисунок 1).

Рисунок 1- Принципиальная конструкция однофазного трансформатора

Предположим, что цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута и при действии источника напряжения ε = U₁ ток в первичной обмотке равен i₁. Намагничивающая (магнитодвижущая) сила i₁ ω₁ возбуждает в магнитопроводе магнитный поток Ф, который пронизывает витки и первичной и вторичной обмоток. Таким образом вторичная обмотка оказывается магнитно связанной с первичной при посредстве магнитных силовых линий. Так как ток i₁ - переменный, т. е. ток, меняющийся во времени по закону синуса, то и магнитное поле, им создаваемое, также будет меняться во времени по тому же закону. Например, когда ток в первичной обмотке проходит через наибольшее значение, то и магнитный поток, им создаваемый, также проходит через наибольшее значение; когда ток i₁ проходит через нуль, меняя свое направление, то и магнитный поток проходит через нуль, также меняя свое направление. В результате изменения тока обе обмотки пронизываются магнитным потоком, непрерывно меняющим свою величину и свое направление. Этот магнитный поток индуцирует в первичной обмотке ЭДС самоиндукции ε_L1 , а во вторичной обмотке - ЭДС взаимной индукции ε_M2 .

Часть магнитных линий охватывает отдельные витки, замыкается по воздуху и частично по магнитопроводу. Эти силовые линии в передаче электрической энергии от первичной обмотки ко второй совершенно не участвуют, они образуют так называемое поле рассеяния. Эта часть магнитного поля характеризуется потокосцеплением рассеяния первичной ψ_S1 и вторичной ψ_S2 обмоток, которые пропорциональны соответственно токам i₁ и i₂.

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.

На рисунке 2 схематически изображен однофазный трансформатор стержневого типа. У него первичные и вторичные катушки c₁ и с₂ расположены на железных стержнях а — а, соединенных с торцов железными же накладками b — b, называемыми ярмами. Таким образом два стержня а, а и два ярма b, b образуют замкнутое железное кольцо, в котором и проходит магнитный поток, сцепляющийся с первичной и вторичной обмотками. Это железное кольцо называется сердечником трансформатора.

Рисунок 2- Однофазный трансформатор стержневого типа

На рисунке 3 схематически показан однофазный трансформатор броневого типа. У этого трансформатора первичные и вторичные обмотки с, состоящие каждая из ряда плоских катушек, расположены на сердечнике образуемом двумя стержнями двух железных колец а и b. Кольца а и b, окружая обмотки, покрывают их почти целиком как бы бронею, поэтому описываемый трансформатор и называется броневым. Магнитный поток, проходящий внутри обмоток с, разбивается на две равные части, замыкающиеся каждое в своем железном кольце.

Рисунок3- Однофазный трансформатор броневого типа

Применением железных замкнутых магнитных цепей у трансформаторов добиваются значительного снижения потока рассеяния. У таких трансформаторов потоки, сцепляющиеся с первичной и вторичной обмотками, почти равны друг другу. На основании общего закона индукции мгновенные значения электродвижущих сил обмоток равны

; . (1)

Из (1) получаем следующее отношение:

,

т. е. индуктируемые в первичной и вторичной обмотках мгновенные значения электродвижущих сил относятся друг к другу так же, как числа витков катушек. Последнее заключение справедливо не только по отношению к мгновенным значениям электродвижущих сил, но и к их максимальным и действующим значениям.

Электродвижущая сила, индуктируемая в первичной, катушке, будучи электродвижущей силой самоиндукции, почти целиком уравновешивает приложенное к той же катушке напряжение. Если через E₁ и U₁ обозначить действующие значения электродвижущей силы первичной катушки и приложенного к ней напряжения, то Е₁ = U₁.

Электродвижущая сила, индуктируемая во вторичной катушке, равна в рассматриваемом случае напряжению на концах этой катушки. Если, аналогично предыдущему, через E₂ и U₂ обозначить действующие значения электродвижущей силы вторичной катушки и напряжения на ее концах, то Е₂ = U₂.

Следовательно, приложив к одной обмотке трансформатора некоторое напряжение, можно на концах другой обмотки получить любое напряжение, стоит только взять подходящее отношение между числами витков. В этом и заключается основное свойство трансформатора.

Отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки называется коэффициентом трансформации трансформатора k_Т

. (2)

После замыкания цепи вторичной обмотки под действием ЭДС взаимной индукции ε_M2 в приемнике с сопротивлением нагрузки R₂ возникнет ток i₂. С появлением тока во вторичной обмотке появится магнитодвижущая сила этой обмотки. Суммарная намагничивающая сила двух обмоток i₁ ω₁ и i₂ ω₂ создает основной магнитный поток Ф – магнитные линии замыкаются по магнитопроводу. Согласно правилу Ленца магнитодвижущая сила вторичной обмотки действует против магнитодвижущей силы первичной обмотки. В результате, в первичной обмотке нарушается компенсация ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке, до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения. В этом режиме отношение токов первичной и вторичной обмотки равно обратному отношению числа витков обмоток

,

отношение напряжений в первом приближении также остаётся прежним. В результате, мощность, потребляемая от источника в цепи первичной обмотки практически полностью передаётся во вторичную.

Со стороны вторичной обмотки, содержащей ω₂ витков, т. е. для приемника с сопротивлением нагрузки R₂, трансформатор является источником энергии, а со стороны первичной обмотки, содержащей ω₁ витков, - приемником энергии от источника питания. Преобразование электрической энергии в трансформаторе сопровождается потерями энергии на нагрев сердечника и обмоток.

Различают следующие режимы работы трансформатора, имеющего номинальную полную мощность S_1НОМ = U_1НОМ I_1НОМ:

1) рабочий режим, при котором напряжение первичной обмотки близко к номинальному или равно ему, а ток I₁ меньше номинального значения I_1НОМ или равен ему и определяется нагрузкой трансформатора, т.е. током I₂ ;

2) режим холостого хода, т.е. режим ненагруженного трансформатора, при котором цепь вторичной обмотки разомкнута (I₂ = 0) или подключена к приемнику с очень большим сопротивлением нагрузки, например, к вольтметру;

3) режим короткого замыкания, при котором вторичная обмотка коротко замкнута (U₂ = 0) или подключена к приемнику с очень малым сопротивлением нагрузки, например, к амперметру.

Опыт холостого хода дает возможность определить коэффициент трансформации, ток холостого хода I₁₀, потери активной мощности P_С в стали. Потери активной мощности P_С в стали идут на перемагничивание магнитопровода, на компенсацию размагничивающего действия вихревых токов. Т.к. при номинальном напряжении на первичной обмотке магнитный поток практически постоянен, то независимо от того, нагружен трансформатор или нет, величина P_С для него является постоянной. Т.е. энергия, потребляемая из сети, расходуется только на потери в стали, поэтому мощность этих потерь можно измерить в режиме холостого хода.

Опыт короткого замыкания позволяет определить потери в обмотках трансформатора - потери в меди P_М, которые обусловлены активными сопротивлениями обмоток. Если вторичную обмотку замкнуть накоротко, а на первичную подать пониженное напряжение, при котором токи в обмотках не превышают номинальных значений, то энергия, потребляемая из сети, расходуется в основном на тепловые потери в проводах обмоток трансформатора. В этом опыте к первичной обмотке подводится пониженное напряжение, поэтому магнитный поток очень мал и потери в стали также малы.

Коэффициент полезного действия трансформатора (к.п.д.) – это отношение отдаваемой активной мощности к потребляемой:

,

где P₁ – мощность, потребляемая из сети;

P₂ – мощность, отдаваемая нагрузке.

Для практического определения к.п.д. при номинальной нагрузке необходимо измерить мощности в первичной и вторичной обмотках. При включении во вторичную обмотку активной нагрузки , т.к. cosφ = 1 (поток рассеяния невелик). Тогда P₂ можно определить по показаниям амперметра и вольтметра, включённых во вторичную цепь. Такой метод называется методом непосредственных измерений. Он прост, но имеет два существенных недостатка: малую точность и неэкономичность. К.п.д. промышленных трансформаторов очень высок - до 99%, поэтому P₁ и P₂ мало отличаются по величине. В этом случае незначительные ошибки в показаниях приборов приведут к большим ошибкам в значении к.п.д. Неэкономичность связана с большим расходом энергии во время испытаний. Поэтому этот способ годится для трансформаторов малой мощности с небольшим к.п.д. На практике к.п.д. трансформатора определяется косвенным методом, т.е. путём раздельного определения потерь. При этом к.п.д. трансформатора может быть представлен в следующем виде:

где ΔР - потери активной мощности в трансформаторе, которые складываются из потерь в стали P_С и из потерь в меди P_М.

С ростом отдаваемой мощности η увеличивается, т.к. в энергетическом балансе уменьшается удельное значение потерь в стали, имеющих приблизительно постоянное значение. К.п.д. будет максимальным при такой нагрузке, при которой потери в меди трансформатора будут равны потерям в стали.