Тема 8
Трансформаторы. основы электроснабжения
Однофазный трансформатор
Устройство и принцип действия
Трансформатор – это устройство, предназначенное для преобразования
электроэнергии переменного электрического тока одного напряжения в электроэнергию переменного тока другого напряжения при сохранении частоты тока.
Простейший трансформатор имеет следующую конструкцию (рис.8.1):
– магнитопровод из электротехнической стали;
– две обмотки из меди, которые располагаются на магнитопроводе
(изолированные от магнитопровода и друг от друга).
 |
Обмотка трансформатора, которая подключается к источнику электроэнергии (то есть к сети), называется первичной. Обмотка, к которой подключаются потребители электроэнергии или линии электропередачи, ведущие к потребителям, называется вторичной.
Части магнитопровода, на которых располагаются обмотки, называются стержнями, а части, которые замыкают стержни, называются ярмами. Магнитопроводы трансформаторов выполняются двух видов: стержневые и броневые. В стержневом однофазном трансформаторе первичная и вторичная обмотки располагаются на двух стержнях, связанных ярмами. В однофазном броневом трансформаторе
первичная и вторичная обмотки располагаются на одном стержне, а магнитопровод охватывает обмотки с двух сторон (как бы «бронируя» их).
Трансформатор, который имеет одну первичную и одну вторичную обмотки называется двухобмоточным, одну первичную и две вторичные обмотки – трёхобмоточным, имеются также многообмоточные трансформаторы.
Помимо активных частей (магнитопровода и обмоток) конструкция трансформатора включает в себя ряд частей, предназначенных для изоляции, охлаждения, крепления активных частей и других целей: корпус или бак с трансформаторным маслом, вводы, изоляция обмоток и магнитопровода и другое.
Принцип действия трансформатора следующий: к первичной обмотке
подводится переменное напряжение u 1, в результате чего в обмотке протекает
переменный ток i 1. Этот ток создаёт переменный магнитный поток Ф, который
замыкается по магнитопроводу и пронизывает витки первичной и вторичной
обмоток. В результате в этих обмотках индуктируются переменные э.д.с. е 1 и е 2:
; 
, (8.1)
где w 1 – число витков первичной обмотки;
w 2 – число витков вторичной обмотки.
При подключении нагрузки во вторичной обмотке будет протекать переменный ток i 2, а на её зажимах устанавливается переменное напряжение u 2.
Из выражений (8.1) следует, что в любой момент времени отношение э.д.с., индуктируемых в обмотках, равно отношению чисел витков этих обмоток:
, (8.2)
где k т – коэффициент трансформации трансформатора.
Равенство (8.2) справедливо не только для мгновенных значений, но и для
амплитудных и действующих значений. Поэтому коэффициент трансформации трансформатора можно определить приближённо опытным путём: подключить к зажимам обмоток трансформатора вольтметры и разделить показание вольтметра в первичной обмотке на показание вольтметра во вторичной обмотке.
Пример 8.1
Однофазный трансформатор, первичная обмотка которого включена в сеть,
работает на холостом ходу. Вольтметр, включённый к зажимам первичной обмотки,
показал напряжение 660 В, а вольтметр, включённый к зажимам вторичной обмотки,
показал напряжение 220 В. Число витков первичной обмотки равно 330.
Определить коэффициент трансформации трансформатора и число витков
вторичной обмотки.
Решение.
1. Определяем коэффициент трансформации трансформатора по (8.2):
.
2. Определяем число витков вторичной обмотки из (8.2):
.
Если на зажимах первичной обмотки напряжение больше, чем напряжение на зажимах вторичной обмотки, то трансформатор является понижающим, а если
наоборот, то повышающим. У понижающих трансформаторов w 1 > w 2 и k т > 1,
у повышающих трансформаторов w 1 < w 2 и k т < 1.
Пример 8.2
Повышающий однофазный трансформатор, первичная обмотка которого включена в сеть, работает на холостом ходу. Вольтметр, включённый на зажимы первичной обмотки, показал напряжение 220 В. Коэффициент трансформации трансформатора равен 0,1. Число витков первичной обмотки равно 330.
Определить напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора. Определить число витков вторичной обмотки.
Решение.
1. Определяем напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора
на основании (8.2):
.
2. Определяем число витков вторичной обмотки из (8.2):
.
Режим работы трансформатора, при котором его вторичная обмотка
разомкнута, а на зажимы первичной обмотки подано номинальное напряжение,
называется холостым ходом трансформатора. Ток, протекающий в первичной
обмотке трансформатора в этом режиме, называется током холостого хода.
Если к зажимам вторичной обмотки подключить потребителей электроэнергии, то трансформатор начнёт работать в режиме нагрузки.
Вопросы для самоконтроля
1. Для чего предназначен трансформатор?
2. В чём суть явления электромагнитной индукции?
3. Сформулируйте и математически запишите закон электромагнитной индукции.
4. Составьте и опишите конструктивную схему однофазного трансформатора.
5. Опишите принцип действия однофазного трансформатора.
6. Что такое коэффициент трансформации однофазного трансформатора?
7. Как определить коэффициент трансформации
однофазного трансформатора опытным путём?
8. Какой однофазный трансформатор называют понижающим?
9. Какой однофазный трансформатор называют повышающим?
10. Перечислите режимы работы однофазного трансформатора.