Принцип действия и устройство трансформатора

Трансформаторы

(базовый курс)

Учебное пособие

Специальность 15.02.07

«Автоматизация технологических процессов и производств»

(для всех форм обучения)

Составитель: кандидат технических наук, доцент Хлыбов Александр Борисович

 

 

Рекомендовано предметной цикловой комиссией электротехнических дисциплин

Протокол № от 2017г.

Оглавление

Принцип действия и устройство трансформатора
Рабочий режим трансформатора
Опыт холостого хода и короткого замыкания
Внешняя характеристика и КПД трансформатора
Трехфазные трансформаторы
Автотрансформаторы
Пример расчета трансформатора

Принцип действия и устройство трансформатора

Трансформатором называется статический (без движущихся частей) электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.

 

Трансформаторы используют в системах передачи и распределения электроэнергии, а также для получения различных уровней напряжения на производстве и в быту. Их применение обеспечивает экономичную передачу электроэнергии к потребителям, пере­ча ведется при повышенном напряжении, что позволяет умень­шить сечение проводов линий электропередачи (ЛЭП) и потери мощности в них.

30 ноября 1876 г. — дата получения патента русским ученым- изобретателем П. Н. Яблочковым, считается датой рождения первого трансформатора. Это был трансформатор с разомкнутым сер­дечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки. Первые трансформаторы с замкнутыми сердечника­ми были созданы в Англии в 1884 г. братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон.

По назначению трансформаторы делятся на силовые и специ­ального назначения (измерительные, сварочные, согласующие и др.). Силовые трансформаторы бывают одно- и трехфазные, по­вышающие и понижающие. Условные графические обозначения трансформаторов даны на рис. 1.

Рис.2. Схематическое устройство трансформатора: 1 – первичная обмотка; 2 – вторичная обмотка

Рис.1. Условные графические обозначения трансформаторов: а – двухобмоточного; б - трехобмоточного

 

 

Трансформатор состоит из стального замкнутого магнитопро­вода и двух или нескольких индуктивно связанных между собой обмоток.

Магнитопровод необходим для усиления электромагнитной свя­зи между обмотками. Схематическое устройство двухобмоточного трансформатора представлено на рис. 2.

Внешний вид однофазного трансформатора представлен на рис. 3.

Обмотка, включенная в сеть источника электрической энергии, называется первичной; обмотка, от которой электрическая энер­гия подается к приемнику, — вторичной. Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопровод трансформатора собирают из ли­стов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Листы изолируют друг от друга лаком, тонкое бумагой или слоем окалины, получу, мой за счет специальной металлургу, ческой обработки их поверхностей. Листы обычно собирают «внахлест», т. е. с перекрытием зазоров. Это позволяет обеспечить высокую магнитную проводимость магнитопровода и ограничить пути для прохождения вихревых токов.

Обмотки трансформаторов обычно выполняют в виде цилиндрических катушек из медных или алюминиевых изолированных друг от друга прово­дов круглого

или прямоугольного сечения. Обмотка, соединенная с сетью более высокого напряжения, называется обмоткой выс­шего напряжения (ВН), а

другая — обмоткой низшего напряже­ния (НН).

Действие трансформатора основано на явлении

электромагнитной индукции.

Принцип действия трансформатора рассмотрим на примере

од­нофазного двухобмоточного трансформатора (см. рис. 2). В

транс­форматоре имеются две индуктивно связанные обмотки:

первич­ная с числом витков w ₁ и вторичная с числом витков w₂.

При под­ключении первичной обмотки к источнику переменного

напряже­ния U, по ней будет протекать ток I, который возбудит в

сердечни­ке трансформатора переменный магнитный поток Ф. Этот

Рис.3. Внешний вид однофазного трансформатора

поток, пронизывая витки обмоток трансформатора, будет

индуцировать в них ЭДС E₁ и Е₂, величина которых

зависит от числа витков об­моток (w ₁ и w ₂), амплитуды

магнитного потока и частоты его изме­нения. Если вторичную обмотку замкнуть на какой-либо приемник электрической энергии Z, то по этой обмотке и через приемник Z будет протекать ток I₂.

Электрическая энергия, трансформируясь, передается из пер­вичной цепи во вторичную цепь.

Действующие значения ЭДС, индуцируемые в первичной и вто­ричной обмотках трансформатора, определяются следующими вы­ражениями:

 

Е₁ 4,44 w₁ f Ф;

Е₂ 4,44 w₂ f Ф,

где w₁, w₂ – число витков в первичной и вторичной обмоток соответственно; f – частота тока; Ф – амплитуда магнитного потока в сердечнике.

Потоки рассеяния и падения напряжения в сопротивлениях обмоток трансформатора достаточно малы, поэтому приближенно можно считать, что напряжения на зажимах первичной U₁ и вто­ричной U₂ обмоток равны ЭДС этих обмоток, т. е. U₁ Е₁ и U₂ Е₂.

При холостом ходе трансформатора (отсутствии нагрузки на вы­ходе) оба напряжения практически не отличаются по величине от соответствующих ЭДС. Отношение напряжений на зажимах первичной и вторичной обмоток трансформатора при холостом ходе называется коэффициентом трансформации и обозначает­ся буквой к:

 

 

Таким образом, если в трансформаторе первичная и вторичная обмотки имеют различное число витков, то при включении первич­ной обмотки в сеть переменного тока с напряжением U₁ на зажи­мах вторичной обмотки возникает напряжение U₂,не равное на­пряжению U ₁. Если число витков вторичной обмотки меньше числа витков первичной, то в той же мере напряжение на зажимах вто­ричной обмотки меньше напряжения первичной обмотки и транс­форматор является понижающим. Если же число витков вторич­ной обмотки больше числа витков первичной, то и напряжение вто­ричной обмотки больше напряжения первичной и трансформатор окажется повышающим.

Пример 1. Определить ЭДС первичной обмотки Е₁ трансформатора, включенного в электрическую сеть промышленной частоты 50 Гц. Ампли­туда магнитного потока в сердечнике трансформатора Ф = 0,01 Вб, а число витков первичной обмотки равно 100.

Решение

Электродвижущая сила составит:

 

Е₁ = 4,44 w₁ f Ф = 4,44 · 100 · 50 · 0,01 = 222 В.

Запомните

· Действие трансформатора основано на явлении электромагнит­ной индукции.

· Электрическая энергия, трансформируясь, передается из пер­вичной сети трансформатора во вторичную сеть.