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 |
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.