Режимом называется состояние трансформатора когда вторичная обмотка разомкнута

Схема опыта короткого замыкания изображена на рисунке 3 для однофазного, а на рисунке 4 — для трехфазного двухобмоточных трансформаторов.

Рисунок 3 — Схема опыта короткого замыкания однофазного двухобмоточного трансформатора

Рисунок 4 — Схема опыта короткого замыкания трехфазного двухобмоточного трансформатора

Режим короткого замыкания является рабочим режимом для трансформаторов тока и сварочных трансформаторов, в тоже время являясь аварийным для других трансформаторов. Также он используется для определения напряжения \(u_к\), мощности \(ΔP_кз\) короткого замыкания и других параметров трансформатора [2, c. 294][3, с. 209] (смотри «Опыт короткого замыкания трансформатора»).

Электрический трансформатор

Основное оборудование электрических станций и подстанций

Трансформатор

Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты.

Трансформатор осуществляет преобразование переменного напряжения и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения — электроэнергетике, электронике и радиотехнике.

Конструктивно трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток (катушек), охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкого материала.

Базовые принципы действия трансформатора

Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:

• Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм)
• Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)

На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток намагничивания создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку.

В некоторых трансформаторах, работающих на высоких или сверхвысоких частотах, магнитопровод может отсутствовать.

Форма напряжения во вторичной обмотке связана с формой напряжения в первичной обмотке довольно сложным образом. Благодаря этой сложности удалось создать целый ряд специальных трансформаторов, которые могут выполнять роль усилителей тока, умножителей частоты, генераторов сигналов и т.д.

Исключение — силовой трансформатор. В случае классического трансформатора переменного тока, предложенного П.Яблочковым, он преобразует синусоиду входного напряжения в такое же синусоидальное напряжение на выходе вторичной обмотки.

В случае силового трансформатора, работающего в схеме Преобразователя Мотовилова, он преобразует постоянный силовой ток первичной обмотки в постоянный силовой ток вторичной обмотки при прямоугольном переменном напряжении на обеих обмотках. Последнее выпрямляется в постоянное напряжение так, что на входе и выходе схемы Мотовилова действуют постоянные токи при постоянном напряжении.

Основные части конструкции трансформатора

Основными частями конструкции трансформатора являются:

• магнитопровод
• обмотки
• каркас для обмоток
• изоляция
• система охлаждения
• прочие элементы (для монтажа, доступа к выводам обмоток, защиты трансформатора и т.п.)

В практичной конструкции трансформатора производитель выбирает между тремя различными базовыми концепциями:

• Стержневой
• Броневой
• Тороидальный

Любая из этих концепций не влияет на эксплуатационные характеристики или эксплуатационную надежность трансформатора, но имеются существенные различия в процессе их изготовления. Каждый производитель выбирает концепцию, которую он считает наиболее удобной с точки зрения изготовления, и стремится к применению этой концепции на всём объёме производства.

В то время как обмотки стержневого типа заключают в себе сердечник, сердечник броневого типа заключает в себе обмотки. Если смотреть на активный компонент (т.e. сердечник с обмотками) стержневого типа, обмотки хорошо видны, но они скрывают за собой стержни магнитной системы сердечника. Видно только верхнее и нижнее ярмо сердечника. В конструкции броневого типа сердечник скрывает в себе основную часть обмоток.

Ещё одно отличие состоит в том, что ось обмоток стержневого типа, как правило, имеет вертикальное положение, в то время как в броневой конструкции она может быть горизонтальной или вертикальной.

Режимы работы трансформатора

Режим холостого хода

Данный режим характеризуется разомкнутой вторичной цепью трансформатора, вследствие чего ток в ней не течёт. По первичной обмотке протекает ток холостого хода, главной составляющей которого является реактивный ток намагничивания. С помощью опыта холостого хода можно определить КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике (т.н. «потери в стали»).

Режим нагрузки

Этот режим характеризуется работой трансформатора с подключенными источником в первичной и нагрузкой во вторичной цепи трансформатора. В вторичной обмотке протекает ток нагрузки, а в первичной — ток, который можно представить как сумму тока нагрузки (пересчитанного из соотношения числа витков обмоток и вторичного тока) и ток холостого хода. Данный режим является основным рабочим для трансформатора.

Режим короткого замыкания

Этот режим получается в результате замыкания вторичной цепи накоротко. Это разновидность режима нагрузки, при котором сопротивление вторичной обмотки является единственной нагрузкой. С помощью опыта короткого замыкания можно определить потери на нагрев обмоток в цепи трансформатора («потери в меди»). Это явление учитывается в схеме замещения реального трансформатора при помощи активного сопротивления.

Режим холостого хода

При равенстве вторичного тока нулю (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток, протекающий через первичную обмотку, равен переменному току намагничивания, нагрузочные токи отсутствуют. Для трансформатора с сердечником из магнитомягкого материала (ферромагнитного материала, трансформаторной стали) ток холостого хода характеризует величину потерь в сердечнике (на вихревые токи и на гистерезис) и реактивную мощность перемагничивания магнитопровода. Мощность потерь можно вычислить, умножив активную составляющую тока холостого хода на напряжение, подаваемое на трансформатор.

Для трансформатора без ферромагнитного сердечника потери на перемагничивание отсутствуют, а ток холостого хода определяется сопротивлением индуктивности первичной обмотки, которое пропорционально частоте переменного тока и величине индуктивности.

Напряжение на вторичной обмотке в первом приближении определяется законом Фарадея.

Режим короткого замыкания

В режиме короткого замыкания, на первичную обмотку трансформатора подаётся переменное напряжение небольшой величины, выводы вторичной обмотки соединяют накоротко. Величину напряжения на входе устанавливают такую, чтобы ток короткого замыкания равнялся номинальному (расчётному) току трансформатора. В таких условиях величина напряжения короткого замыкания характеризует потери в обмотках трансформатора, потери на омическом сопротивлении. Мощность потерь можно вычислить, умножив напряжение короткого замыкания на ток короткого замыкания.

Данный режим широко используется в измерительных трансформаторах тока.

Режим нагрузки

При подключении нагрузки к вторичной обмотке во вторичной цепи возникает ток нагрузки, создающий магнитный поток в магнитопроводе, направленный противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате в первичной цепи нарушается равенство 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.

Мгновенный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора определяется интегралом по времени от мгновенного значения ЭДС в первичной обмотке и в случае синусоидального напряжения сдвинут по фазе на 90° по отношению к ЭДС. Наведённая во вторичных обмотках ЭДС пропорциональна первой производной от магнитного потока и для любой формы тока совпадает по фазе и форме с ЭДС в первичной обмотке.

Виды трансформаторов

Силовой трансформатор

Силовой трансформатор переменного тока — трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии. Слово «силовой» отражает работу данного вида трансформаторов с большими мощностями. Необходимость применения силовых трансформаторов обусловлена различной величиной рабочих напряжений ЛЭП (35-750 кВ), городских электросетей (как правило 6,10 кВ), напряжения, подаваемого конечным потребителям (0,4 кВ, они же 380/220 В) и напряжения, требуемого для работы электромашин и электроприборов (самые различные от единиц вольт до сотен киловольт).

Силовой трансформатор постоянного тока используется для непосредственного преобразования напряжения в цепях постоянного тока. Термин «силовой» показывает отличие таких трансформаторов от измерительных устройств класса «Трансформатор постоянного тока».

Автотрансформатор

Автотрансформатор — вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения. Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию — это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно.

Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью. Применение автотрансформаторов экономически оправдано вместо обычных трансформаторов для соединения эффективно заземленных сетей с напряжением 110 кВ и выше при коэффициентах трансформации не более 3-4. Существенным достоинством является меньший расход стали для сердечника, меди для обмоток, меньший вес и габариты, и в итоге — меньшая стоимость.

Трансформатор тока

Трансформатор тока — трансформатор, питающийся от источника тока. Типичное применение — для снижения первичного тока до величины, используемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации, кроме того, трансформатор тока осуществляет гальваническую развязку (отличие от шунтовых схем измерения тока). Номинальное значение тока вторичной обмотки 1А, 5А. Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, равен току первичной обмотки, деленному на коэффициент трансформации. ВНИМАНИЕ! Вторичная обмотка токового трансформатора должна быть надёжно замкнута на низкоомную нагрузку измерительного прибора или накоротко. При случайном или умышленном разрыве цепи возникает скачок напряжения, опасный для изоляции, окружающих электроприборов и жизни техперсонала! Поэтому по правилам технической эксплуатации необходимо неиспользуемые вторичные обмотки закорачивать, а все вторичные обмотки трансформаторов тока подлежат заземлению.

Трансформатор напряжения

Трансформатор напряжения — трансформатор, питающийся от источника напряжения. Типичное применение — преобразование высокого напряжения в низкое в цепях, в измерительных цепях и цепях РЗиА. Применение трансформатора напряжения позволяет изолировать логические цепи защиты и цепи измерения от цепи высокого напряжения.

Импульсный трансформатор

Импульсный трансформатор — это трансформатор, предназначенный для преобразования импульсных сигналов с длительностью импульса до десятков микросекунд с минимальным искажением формы импульса. Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса (максимально крутой фронт и срез, относительно постоянная амплитуда). Он служит для трансформации кратковременных видеоимпульсов напряжения, обычно периодически повторяющихся с высокой скважностью. В большинстве случаев основное требование, предъявляемое к ИТ заключается в неискажённой передаче формы трансформируемых импульсов напряжения; при воздействии на вход ИТ напряжения той или иной формы на выходе желательно получить импульс напряжения той же самой формы, но, быть может, иной амплитуды или другой полярности.

Разделительный трансформатор

Разделительный трансформатор — трансформатор, первичная обмотка которого электрически не связана со вторичными обмотками. Силовые разделительные трансформаторы предназначены для повышения безопасности электросетей, при случайных одновременных прикасаниях к земле и токоведущим частям или нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения изоляции. Сигнальные разделительные трансформаторы обеспечивают гальваническую развязку электрических цепей.

Согласующий трансформатор

Согласующий трансформатор — трансформатор, применяемый для согласования сопротивления различных частей (каскадов) электронных схем при минимальном искажении формы сигнала. Одновременно согласующий трансформатор обеспечивает создание гальванической развязки между участками схем.

Пик-трансформатор

Пик-трансформатор — трансформатор, преобразующий напряжение синусоидальной формы в импульсное напряжение с изменяющейся через каждые полпериода полярностью.

Сдвоенный дроссель

Сдвоенный дроссель (встречный индуктивный фильтр) — конструктивно является трансформатором с двумя одинаковыми обмотками. Благодаря взаимной индукции катушек он при тех же размерах более эффективен, чем обычный дроссель. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике.

Трансфлюксор

Трансфлюксор — разновидность трансформатора, используемая для хранения информации. Основное отличие от обычного трансформатора — это большая величина остаточной намагниченности магнитопровода. Иными словами трансфлюксоры могут выполнять роль элементов памяти. Помимо этого трансфлюксоры часто снабжались дополнительными обмотками, обеспечивающими начальное намагничивание и задающими режимы их работы. Эта особенность позволяла (в сочетании с другими элементами) строить на трансфлюксорах схемы управляемых генераторов, элементов сравнения и искусственных нейронов.

История создания трансформаторов

Для создания трансформаторов необходимо было изучение свойств материалов: неметаллических, металлических и магнитных, создания их теории.

Столетов Александр Григорьевич (профессор Московского университета) сделал первые шаги в этом направлении — обнаружил петлю гистерезиса и доменную структуру ферромагнетика (1880-е).

Братья Гопкинсоны разработали теорию электромагнитных цепей.

В 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции, лежащее в основе действия электрического трансформатора, при проведении им основополагающих исследований в области электричества.

Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своём приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного тока.

В 1848 году французский механик Г.Румкорф изобрёл индукционную катушку особой конструкции. Она явилась прообразом трансформатора.

30 ноября 1876 года, дата получения патента Яблочковым Павлом Николаевичем, считается датой рождения первого трансформатора переменного тока. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки.

Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон. В 1885г. венгерские инженеры фирмы «Ганц и К°» Отто Блати, Карой Циперновский и Микша Дери изобрели трансформатор с замкнутым магнитопроводом, который сыграл важную роль в дальнейшем развитии конструкций трансформаторов.

Большую роль для повышения надежности трансформаторов сыграло введение масляного охлаждения (конец 1880-х годов, Д.Свинберн). Свинберн помещал трансформаторы в керамические сосуды, наполненные маслом, что значительно повышало надежность изоляции обмоток.

С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току. Русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский в 1889г. предложил трёхфазную систему переменного тока с тремя проводами (трехфазная система переменного тока с шестью проводами изобретена Николой Тесла), построил первый трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутой обмоткой типа «беличья клетка» и трехфазной обмоткой на роторе (трехфазный асинхронный двигатель изобретен Николой Тесла), первый трёхфазный трансформатор с тремя стержнями магнитопровода, расположенными в одной плоскости. На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891г. Доливо-Добровольский демонстрировал опытную высоковольтную электропередачу трёхфазного тока протяжённостью 175 км. Трёхфазный генератор имел мощность 230 кВт при напряжении 95 В.

1928 год можно считать началом производства силовых трансформаторов в СССР, когда начал работать Московский трансформаторный завод (впоследствии — Московский электрозавод).

В начале 1900-х годов английский исследователь-металлург Роберт Хедфилд провёл серию экспериментов для установления влияния добавок на свойства железа. Лишь через несколько лет ему удалось поставить заказчикам первую тонну трансформаторной стали с добавками кремния.

Следующий крупный скачок в технологии производства сердечников был сделан в начале 30-х годов XX в, когда американский металлург Норман П. Гросс установил, что при комбинированном воздействии прокатки и нагревания у кремнистой стали появляются незаурядные магнитные свойства в направлении прокатки: магнитное насыщение увеличивалось на 50%, потери на гистерезис сокращались в 4 раза, а магнитная проницаемость возрастала в 5 раз.

Трансформаторы

Трансформатором называется статическое устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобра­зования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Обычно приемники электроэнергии расположены на некотором расстоянии от электростанций. Иногда эти расстояния измеряются сотнями и тысячами километров. Генераторы электростанций выра­батывают электроэнергию напряжением не выше 10—20 кВ. Энергия большой мощности при небольшом значении напряже­ния может быть передана только при большом значении тока. Для этого требуются провода больших сечений, иначе потери мощности ( R₀— сопротивление 1 км линии передачи, Ом/км; L — длина линии, км) будут большими. Чем больше мощность и длина линии передачи, тем больше потери мощности. При некоторых зна­чениях S и L передача электроэнергии становится экономически не­выгодной.

Если ту же самую мощность передавать при более высоком напря­жении, то I = S/( U) уменьшится. Такое изменение напряжения при практически неизменной передаваемой мощности осуществляется с помощью трансформатора. Трансформаторы могут повышать напря­жение генераторов электростанций до 35, 110, 220, 330, 500, 750 кВ.

На местах потребления электроэнергии напряжение должно быть понижено до такого уровня, которое является номинальным для элект­роприемников (220, 380 В и т. д.). Для этой цели также используют трансформаторы.

Первые идеи создания трансформатора принадлежали талантли­вому русскому изобретателю П. Н. Яблочкову (1878). Быстрое раз­витие трансформаторостроения началось тогда, когда М. О. Доливо-Добровольским была разработана трехфазная система тока (1889— 1890). Им же была предложена конструкция трехфазного трансфор­матора.

Трансформаторы применяются в установках электросварки, в ра­дио- и телеустановках, в системах автоматического управления, связи и др. В этих случаях трансформаторы преобразуют напряжение од­ного уровня в напряжение другого уровня, которое требуется для пи­тания данного элемента установки и отличается от напряжения ис­точника питания.

Область применения трансформаторов очень широка, чем и объ­ясняются их конструктивное разнообразие и большой диапазон мощ­ностей (от долей вольт-ампер до сотен мегавольт-ампер).

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Трансформатор состоит из стального магнитопровода, на который намотаны обмотки. Обмоток может быть две (двухобмоточный трансформатор), три (трехобмоточный) и т. д. К одной из об­моток подводят напряжение U₁ от источника питания. Эта обмотка называется первичной и имеет w₁ витков. Другая обмотка, имеющая w₂ витков, называется вторичной. Начала обмоток обозначают А и а, концы — X и х.

Под действием переменного напряжения u₁ по виткам первичной обмотки протекает переменный ток i, создающий переменную магнитодвижущую силу i₁, которая, в свою очередь, создает переменный ос­новной магнитный поток Ф, замыкающийся по стальному магнитопроводу.

Электромагнитная схема трансформатора (а) и его услов­ное изображение на электрических схемах (б, в)

Применение магнитопровода с большой магнитной проводи­мостью способствует увеличению магнитного потока и усилению элект­ромагнитной связи между обмотками. Замыкаясь, магнитный поток Ф оказывается сцепленным как с первичной, так и со вторичной обмот­ками.

При синусоидальном первичном напряжении магнитный поток также будет синусоидальным: Ф = Ф_м sint. Магнитный поток ин­дуцирует в первичной обмотке э. д. с. самоиндукции, пропорциональ­ную числу витков обмотки и скорости изменения магнитного потока:

где Е_1m = W₁Ф_m — амплитуда первичной э. д. с.;

W₁ — число витков;

 — угловая частота изменения  = 2.

Как видно из формулы, э. д. с. первичной обмотки отстает по фазе от магнитного потока на угол /2.

Синусоидальный магнитный поток, сцепленный со вторичной об­моткой, индуцирует в ней э. д. с. .взаимоиндукции

где Е_2m=W₂ Ф_m –амплитуда вторичной э.д.с.

Сравнивая (2) с (1), видим, что вторичная э. д. с. совпадает по фазе первичной э. д. с ., т. е. также отстает по фазе от магнитного потока на угол /2. Этого и следовало ожидать, так как обе э. д. с. индуцируются одним и тем же магнитным потоком. Действующие значения первичной и вторичной э. д. с.

Так как частота э. д. с. одинакова и индуцируются они одним и тем же магнитным потоком, то первичная э. д. с. отличается от вто­ричной только в том случае, если число витков w₁ и w₂ обмоток не­одинаково. Чем больше число витков обмотки, тем большая э. д. с. в ней индуцируется.

Отношение первичной э. д. с. к вторичной называется коэффици­ентом трансформации трансформатора

и равно отношению числа витков обмоток. Коэффициент трансформа­ции может быть как больше, так и меньше единицы.

Если необходимо повысить напряжение источника питания, то число витков вторичной обмотки делают больше числа витков пер­вичной обмотки. Такой трансформатор называется повышаю­щим. Если это напряжение надо понизить, то W₂  W₁. В этом случае трансформатор будет понижающим. Если требуется несколько раз­личных значений вторичного напряжения, то на тот же магнитопровод наматывают несколько вторичных обмоток с различным числом вит­ков.

Таким образом, при подключении первичной обмотки трансформатора к ис­точнику переменного тока на зажимах вторичной обмотки индуцируется пере­менная э. д. с. E₂ и вторичная обмотка становится источником питания, к ко­торой можно присоединить какой-либо электроприемник.

УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРОВ

По типу или конфигурации магнитопровода трансформаторы подразделяют на стержневые и броневые. В стержневых трансформаторах обмотки, насаженные на стержень магнитопровода, охватывают его. В броневых трансфор­маторах магнитопровод частично охватывает обмотки и как бы «бронирует» их.

По способу охлаждения – сухие и масляные.

РЕЖИМ ХОЛОСТОГО ХОДА ТРАНСФОРМАТОРА

Опыт холостого хода

Для проведения опыта холостого хода со­бирают электрическую цепь, схема которой изображена на рис.

Подводимое к первичной обмотке напряжение U₁ изменяют от 0 до 1.1U_1ном (U_{1 ном} — номинальное первичное напряжение). Вторичная обмотка трансформатора разомкнута, к ее зажимам присоединен вольт­метр для измерения напряжения U₂₀. Потери мощности при холостом ходе – потери в стали – потери на перемагничивание стали и потери при нагреве магнитопровода от токов (Р₀ или Р_хх).

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТРАНСФОРМАТОРЕ ПОД НАГРУЗКОЙ

При разомкнутой вторичной обмотке по первичной обмотке проте­кает ток Iо, и так как он очень мал, то падением напряжения в пер­вичной обмотке можно пренебречь. Для первичной обмотки будет справедливо уравнение:

Электромагнитная (а) и электрическая (б) схемы трансформатора под нагрузкой

На зажимах вторичной обмотки индуцируется э. д. с.. Рассмотрим электромагнитные процессы в трансформаторе под нагрузкой при характерных условиях работы, когда .

Если к зажимам а—х вторичной обмотки трансформатора присоединить нагрузку с сопротивлением Z_н, то под действием э. д. с. по вторичной обмотке потечет ток _. Этот ток соз­дает магнитодвижущую силу вторичной обмотки, под действием которой в магнитопроводе возникает магнитный поток . Суммарный магнитный поток отличается от существовавшего до сих пор потока и по значению, и по фазе. Вследствие этого э. д. с. первичной обмотки, индуцируемая суммарным потоком, также изменяется и по значению, и по фазе. Условие +=0 нарушается. Теперь +=0. Под действием в замкнутом контуре первичной об­мотки потечет компенсационный ток , который создаст магнито­движущую силу , равную по значению и направленную противо­положно м. д. с. . Таким образом, м. д. с. компенсирует м. д. с. и восстанавливает прежнее значение магнитного потока в магнитопроводе.

Чем больше _, тем больше и ток первичной обмотки =+, а также потребляемая ею мощность S₁=U₁I_1. Так осуществляется передача электрической мощности от первичной обмотки ко вторичной, не связанной сней электрически. Передачу мощности осуществляет магнитный поток Ф.

УРАВНЕНИЯ МАГНИТОДВИЖУЩИХ СИЛ И ТОКОВ

Уравнение для м.д с.

разделив все члены уравнения на W₁, получим

где = / W₁ =– ток вторичной обмотки , приведенный к вторичной, или приведенный вторичный ток.

Уравнение для первичного тока

которое является уравнением токов.

СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Схемой замещения трансформатора называется электрическая схема, эквивалентная действительной, в которой все контуры электрически связаны друг с другом. Магнитный поток рассеяния индуцирует в первичной обмотке э.д.с. рассеяния , значение которой определяется

Так как э. д. с. самоиндукции можно представить как падение напряжения с обратным э. д. с. знаком, то для э. д. с. рассеяния получим

где Х₁— индуктивное сопротивление первичной обмотки, обусловленное потоком рассеяния, Х₁=2L₁,

L₁— индуктивность первичной обмотки.

Магнитный поток рассеяния индуцирует во вторичной обмотке э.д.с. рассеяния

схема замещения обмоток трансформатора.

где Х’₂ — приведенное индуктивное сопротивление вторичной об­мотки, обусловленное потоком рассеяния; Х₂=2L₂

В режиме холостого хода, когда вторичная обмотка разомкнута и =0, по элементам R_1, X₁, R_. и Х_ протекает ток холостого хода . Сопротивление цепи практически равно сопротивлению

Поэтому считают, что при холостом ходе = — Потери мощности I₀ 2 R_ в элементе R_ равны мощности холостого хода, т. е. потерям мощности в магнитопроводе трансформатора.

Схемы замещения трансформатора:

а — Т-образная с ветвью намагничивания; б, — упрощенная.

В режиме нагрузки, когда имеет конечное значение, для точки С по первому закону Кирхгофа можно написать уравнение токов . Как видно из рис. а, при изменении сопротивления нагрузки изменяется ток , что приводит к такому же изменению тока , как и в самом трансформаторе.—

По ветви намагничивания протекает небольшой ток _. Сопротив­лением ветви намагничивания, включенной параллельно с ветвью нагрузки можно пренебречь, так как оно много больше сопротивления нагрузочной ветви. В результате получим схему за­мещения, в которой

Сложив активные и индуктивные сопротивления последовательно включенных элементов схемы, получим упрощенную схему замещения трансформатора, в которой активное сопротивление

R_к = R₁ + R’₂, а индуктивное Х_к = Х₁ + Х’₂.

УРАВНЕНИЯ Э.Д.С. ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРА

Для схемы замещения первичной обмотки трансформатора по второму закону Кирхгофа можно написать уравнение= —++, откуда напряжение первичной обмотки.

Из этого уравнения следует, что подводимое к первичной обмотке напряжение уравновешивается основной э. д. с. , а также актив­ным и индуктивным падениями напряжения на этой обмотке. Уравнение может быть записано в виде

где Z₁ = R₁ + jX₁ — полное сопротивление первичной обмотки, мо­дуль которого Z₁= .

Для схемы замещения вторичной обмотки трансформатора по второму закону Кирхгофа можно написать уравнение

откуда напряжение вторичной обмотки

Из уравнения видно, что напряжение на зажимах вто­ричной обмотки трансформатора отличается от э. д. с. на значение активного и индуктивного падений напряжения на вторичной обмотке.

Уравнение может быть записано в виде

где Z’₂ = R’₂ + jX’₂ — полное сопротивление вторичной обмотки, модуль которого =.

ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА ПРИВЕДЕННОГО ТРАНСФОРМАТОРА

На векторной диаграмме трансформатора изображают векторы маг­нитного потока, э. д. с., токов и напряжений . За начальный вектор удобнее принять вектор магнитного потока , так как он яв­ляется общим для обеих обмоток. Под некоторым углом в сторону опережения по фазе проводят вектор тока холостого хода . Затем под углом /2 в сторону отставания проводят векторы э. д. с. и , равные по значению.

Дальнейшее построение векторной диаграммы определяется ха­рактером нагрузки, т. е. соотношением между активным, индуктивным и емкостным сопротивлениями нагрузки. При активно-индуктивном характере нагрузки вектор вторичного тока , который одновремен­но является током нагрузки, проводят под углом ₂ вектору э. д. с. , причем

где R‘ _н и X‘_н — приведенные активное и индуктивное сопротивления нагрузки.

Векторная диаграмма трансформатора под нагруз­кой: (R-L)

Если уравнения э. д. с. обмоток трансформатора пре­образовать в одно уравнение, то, учитывая, что =, получим

Пренебрегая током холостого хода и принимая , уравнение можно записать в виде:

Вектор­ная диаграмма уп­рощенной схемы замещения транс­форматора.

КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА

Режимом короткого замыкания трансформатора называется такой режим, когда выводы вторичной обмотки замкнуты токопроводом с сопротивлением, равным нулю (Z_н = 0). Короткое замыкание транс­форматора в условиях эксплуатации создает аварийный режим, так как вторичный ток, а следовательно, и первичный увеличиваются в несколько десятков раз по сравнению с номинальным. Поэтому в це­пях с трансформаторами предусматривают защиту, которая при ко­ротком замыкании автоматически отключает трансформатор.

В лабораторных условиях можно провести испытательное корот­кое замыкание трансформатора, при котором накоротко замыкают зажимы вторичной обмотки, а к первичной подводят такое напряже­ние U_кз при котором ток в первичной обмотке не превышает номи­нального значения (I_к  I _1ном). При этом выраженное в процентах напряжение U_к при котором I_к = I_{1ном ,} обозначают u_к и назы­вают напряжением короткого замыкания трансформатора. Это ха­рактеристика трансформатора, указываемая в паспорте. Таким об­разом (%),

Опыт проводят для определения параметров трансформатора

1) Определение напряжения короткого замыкания

2) потери короткого замыкания — электрические потери ,потери мощности на нагрев обмоток.

3) полное сопротивление трансформатора

4) активное сопротивление обмоток

5) индуктивное сопротивление

ВНЕШНЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТРАНСФОРМАТОРА

Внешней характеристикой трансформатора называется зависимость вторичного напряжения от тока нагрузки при постоянных значениях первичного напряжения и коэффициента мощности нагрузки:

1 — cos ₂ = 1 активная нагрузка.

2 – cos ₂ = 0,8 активно – индуктивная.

3 – cos ₂ = 0,8 активно — емкостная

ПОТЕРИ МОЩНОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Отдаваемая трансформатором, потребляемая нагрузкой:

Р₀  В 2  U 2 ₁ (1% от Рн )

 — коэффициент загрузки трансформатора.

Изменение кпд трансформатора в зависимости от нагрузки

ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Изменение во времени симметричной системы фазных магнитных потоков в сердечниках трансформатора

Схемы и группы соединения обмоток трехфазного трансформатора.

При использовании трехфазных трансформаторов в сложных сис­темах с большим числом трансформаций и при наличии параллельных ветвей с трансформаторами всегда необходимо знать сдвиг фаз между первичным и вторичным линейными напряжениями. Этот сдвиг ха­рактеризуется группой соединения обмоток. Группа соединения в об­щем случае зависит от схем соединения, направления намотки и вы­бора начала и конца обмоток.

Группа соединения обмоток трехфазного трансформатора определяется цифрой часового циферблата, на которую «указывает» вектор линейной вто­ричной э. д. с. при условии, что вектор линейной первичной э. д. с. «направлен на нуль часов»

330 0 /30 0 =11 группа

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Схемы включения измерительных трансформаторов: а – трансформатор тока; б – трансформатор напряжения.

В электроустановках переменного тока большой мощности и напряжением выше 1000 В непосредственное включение электроизме­рительных приборов невозмож­но, так как номинальные зна­чения напряжения и тока при­боров не соответствуют номи­нальным значениям напряже­ния и тока электроустановок. Для расширения пределов из­мерения приборов и для изо­ляции их от высокого напряже­ния применяют измерительные трансформаторы: трансформа­торы тока и трансформаторы напряжения.

Трансформатор тока используют для расширения пределов изме­рения амперметров и последовательных обмоток ваттметров, счетчи­ков энергии и фазометров. Его первичную обмотку включают последо­вательно в ту цепь, ток в которой надо измерить. Она обычно состоит из одного или нескольких витков.

Трансформаторы, напряжения применяют в сетях высокого напря­жения для измерения напряжения и частоты. К вторичной обмотке подключают вольтметры, частотомеры и параллельные обмотки ватт­метров, счетчиков и фазометров, т. е. обмотки, имеющие большое со­противление. Поэтому для трансформаторов напряжения нормальным режимом является режим холостого хода.

Вторичная обмотка измерительных трансформаторов заземляется по требованию правил ТБ.

СВАРОЧНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

В конструктивном отношении имеет­ся большое разнообразие сварочных трансформаторов. В значитель­ной степени это определяется видом сварки (дуговая, стыковая, шовная, точечная).

Вольт-амперная характеристика электрической дуги (1) и внешняя характеристика сварочного трансформатора (2)

ВАХ трансформатора должна иметь точку пересечения с ВАХ дуги, чтобы ее горение было устойчивым. Зажигание дуги в точке А₁ при U = 60 – 70 В, а устойчивое горение дуги в точке А₂ при U = 12 – 30 В при большом токе. Для получения крутопадающей ВАХ последовательно со вторичной обмоткой включают катушку индуктивности с большим индуктивным сопротивлением (реактор).

При изменении воздушного зазора d меняется индуктивное сопротивление реактора и самого трансформатора и соответственно наклон внешней характеристики.