Принцип действия и виды трансформаторов

опубликовано: .

     СОДЕРЖАНИЕ:

  1. Принцип действия.
  2. Электрические соотношения в идеальном трансформаторе.
  3. Виды трансформаторов.
  4. Силовые трансформаторы.

Принцип действия

Трансформатор представляет собой статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Принцип действия трансформатора
Рисунок 1. Принцип действия трансформатора
Г – генератор переменного тока; Zнг – сопротивление нагрузки

В простейшем случае (рисунок 1) трансформатор имеет одну первичную обмотку 1, к которой подводится электрическая энергия, и одну вторичную обмотку 2, от которой энергия отводится к потребителю (нагрузке). Передача энергии из одной обмотки в другую производится путем электромагнитной индукции. Для усиления электромагнитной связи между обмотками последние обычно располагаются на замкнутом ферромагнитном  магнитопроводе 3. При частоте f < 50 Гц магнитопровод изготавливается из листов электротехнической стали толщиной 0,35 – 0,50 мм. При более высоких частотах применяется более тонкая листовая сталь. При частоте порядка 100 кГц и выше потери на гистерезис и вихревые токи в подобном магнитопроводе становятся чрезвычайно большими, и в этом случае применяются трансформаторы без ферромагнитного магнитопровода (так называемые воздушные трансформаторы). Высокочастотные трансформаторы весьма малой мощности для радиотехнических, счетно-решающих и других устройств изготавливаются также с магнитопроводами из ферритов, которые представляют собой особый вид магнтодиэлектриков с малыми магнитными потерями.

При подключении первичной обмотки трансформатора (рисунок 1) к сети с синусоидальным напряжением U1 в обмотке возникает ток I1, который создает синусоидально изменяющийся магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуктирует электродвижущую силу (э. д. с.) как в первичной, так и во вторичной обмотке. При подключении к вторичной обмотке нагрузки в этой обмотке возникает вторичный ток I2 и на ее зажимах устанавливается некоторое напряжение U2. Результирующий магнитный поток магнитопровода Фс создается током обеих обмоток.

Видео 1. Устройство и принцип действия трансформатора

Электрические соотношения в идеальном трансформаторе

Назовем идеальным такой трансформатор, в котором: 1) отсутствуют потери энергии (сопротивления обмоток и потери в стали магнитопровода равны нулю); 2)  магнитная проницаемость стали магнитопровода µс = ∞ и в листах стали магнитопровода нет разъемов и стыков; 3) все линии магнитной индукции проходят целиком по магнитопроводу и каждая линия сцепляется со всеми витками первичной (w1) и вторичной (w2) обмоток. Отметим, что при соблюдении последнего условия электромагнитная связь между первичной и вторичной цепями является полной и коэффициент электромагнитной связи обмоток трансформатора

(1)

равен единице. Здесь L11 и L22 – собственные индуктивности, а Mвзаимная индуктивность обмоток.
Э. д. с. первичной и вторичной обмоток такого трансформатора при синусоидальных переменных потоках соответственно равны:

(2)

где Фс – амплитуда магнитного потока трансформатора.

Действующие значения этих э. д. с.

(3)

Так как в идеальном трансформаторе падения напряжения отсутствуют, то

U1 = E1 ; U2 = E2 . (4)

На основании выражений (3) и (4)

U1 / U2 = E1 / E2 = w1 / w2 (5)

или

U1 / U2 = k; U2 = U1 / k , (6)

где

k = w1 / w2 (7)

называется коэффициентом трансформации трансформатора.

Поскольку в идеальном трансформаторе потери активной и реактивной энергии отсутствуют, то

U1 × I1 = U2 × I2 ,

откуда

I2 / I1 = U1 / U2 = w1 / w2 (8)

или

I2 / I1 = k ; I2 = k × I1 (9)

Таким образом, в идеальном трансформаторе первичное и вторичное напряжение прямо пропорциональны, а первичный и вторичный токи обратно пропорциональны числам витков соответствующих обмоток. В реальном трансформаторе полученные соотношения несколько нарушаются, однако в трансформаторах с ферромагнитными магнитопроводами эти отклонения при нагрузках, близких к номинальным, относительно малы.

Виды трансформаторов

Трансформатор с одной первичной и с одной вторичной обмоткой называется двухобмоточным. Во многих случаях применяются трансформаторы с несколькими первичными или вторичными обмотками. Такие трансформаторы называются многообмоточными. В последующих статьях в первую очередь рассматриваются двухобмоточные трансформаторы.

Чаще всего применяются однофазные и трехфазные трансформаторы. Трансформаторы с другим числом фаз используются в специальных устройствах.

В зависимости от назначения трансформаторы имеют некоторые особенности в конструкции и режимах работы.

Трансформаторы, служащие для преобразования энергии переменного тока в электрических сетях энергетических систем (на электростанциях и подстанциях, промышленных предприятиях, в городских сетях, в сельском хозяйстве и так далее), называются силовыми. Частота тока силовых трансформаторов в России равна 50 Гц, а в США и в некоторых других странах 60 Гц. Силовые трансформаторы представляют собой наиболее распространенный и наиболее важный класс трансформаторов. Кроме этого, имеется целый ряд трансформаторов специального назначения: выпрямительные, сварочные, измерительные и другие.

Силовые трансформаторы

Бывают масляные и сухие. В масляных трансформаторах магнитопровод с обмотками помещают в бак с трансформаторным маслом, которое выполняет одновременно роль электрической изоляции и охлаждающего агента. Однако трансформаторное масло является горючим, в связи с чем при аварии таких трансформаторов существует определенная опасность возникновения пожара. Поэтому в общественных и жилых зданиях, а также в ряде других случаев применяются сухие трансформаторы, охлаждение которых осуществляется воздухом. В паспортных табличках силового трансформатора указываются следующие данные: 1) номинальная полная мощность Sн, кВ×А; 2) номинальные линейные напряжения обмоток Uл.н, кВ; 3) номинальные линейные токи Iл.н, А; 4) номинальная частота f, Гц; 5) число фаз m; 6) схема и группа соединения обмоток (смотрите статью "Схемы и группы соединений обмоток трансформаторов"); 7) напряжение короткого замыкания uк (смотрите статью "Опытное определение параметров схемы замещения трансформатора"); 8) режим работы (длительный, кратковременный); 9) способ охлаждения обмоток (смотрите статью "Элементы конструкции и способы охлаждения масляных трансформаторов").

Основные вопросы теории являются общими для всех видов трансформаторов. Однако в последующих статьях вопросы конструкции, теории и эксплуатации трансформаторов рассматриваются прежде всего применительно к силовым трансформаторам. Об особенностях других трансформаторов говорится вкратце отдельно.

Видео 2. Самый мощный автотрансформатор СВЭЛ на Урале

Посмотрели видео? Возникло чувство гордости за нашу страну?

Источник: Вольдек А. И., "Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений" – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

5 1 1 1 1 1 Рейтинг 5.00 (1 Голос)