Устройство и принцип работы

Схема однофазного двухобмоточного трансформатора представлена ниже.

На схеме изображены основные части: ферромагнитный сердечник, две обмотки на сердечнике. Первая обмотка и все величины которые к ней относятся (i₁-ток, u₁-напряжение, n₁-число витков, Ф₁ – магнитный поток) называют первичными, вторую обмотку и соответствующие величины - вторичными.

Первичную обмотку включают в сеть с переменным напряжением, её намагничивающая сила i1n1 создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф, который сцеплен с обеими обмотками и в них индуцирует ЭДС e₁= -n₁dФ/dt, e₂= -n₂dФ/dt. При синусоидальном изменении магнитного потока Ф = Фm sinω t, ЭДС равно e = Em sin (ω t-π /2). Для того чтобы посчитать действующее значение ЭДС нужно воспользоваться формулой E=4.44 f n Фm, где f- циклическая частота, n – количество витков, Фm – амплитуда магнитного потока. Причем если вы хотите посчитать величину ЭДС в какой либо из обмоток, нужно вместо n подставить число витков в данной обмотке.

Из приведенных выше формул можно сделать вывод о том, что ЭДС отстает от магнитного потока на четверть периода и отношение ЭДС в обмотках трансформатора равно отношению чисел витков E1/E2=n1/n2.

Если вторая обмотка не находится под нагрузкой, значит трансформатор находится в режиме холостого хода. В этом случае i₂ = 0, а u₂=E₂, ток i₁ мал и мало падение напряжения в первичной обмотке, поэтому u₁≈ E₁ и отношение ЭДС можно заменить отношением напряжений u₁/u₂ = n₁/n₂ = E₁/E₂ = k. Из этого можно сделать вывод, что вторичное напряжение может быть меньше или больше первичного, в зависимости от отношения чисел витков обмоток. Отношение первичного напряжения ко вторичному при холостом ходе трансформатора называется коэффициентом трансформации k.

Как только вторичная обмотка подключается к нагрузке, в цепи возникает ток i2, то есть совершается передача энергии от трансформатора, который получает ее из сети, к нагрузке. Передача энергии в самом трансформаторе происходит благодаря магнитному потоку Ф.

Обычно мощность на выходе и мощность на входе приблизительно равны, так как трансформаторы являются электрическими машинами с довольно высоким КПД, но если требуется произвести более точный расчет, то КПД находиться как отношение активной мощности на выходе к активной мощности на входе η = P₂/P₁.

Магнитопровод трансформатора представляет собой закрытый сердечник собранный из листов электротехнической стали толщиной 0, 5 или 0, 35мм. Перед сборкой листы с обеих сторон изолируют лаком.

По типу конструкции различают стержневой (Г-образный) и броневой (Ш-образный) магнитопроводы. Рассмотрим их структуру.

Стержневой трансформатор состоит из двух стержней, на которых находятся обмотки и ярма, которое соединяет стержни, собственно, поэтому он и получил свое название. Трансформаторы этого типа применяются значительно чаще, чем броневые трансформаторы.

Броневой трансформатор представляет собой ярмо внутри которого заключается стержень с обмоткой. Ярмо как бы защищает стержень, поэтому трансформатор называется броневым.

Обмотка

Конструкция обмоток, их изоляция и способы крепления на стержнях зависят от мощности трансформатора. Для их изготовления применяют медные провода круглого и прямоугольного сечения, изолированные хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой. Обмотки должны быть прочными, эластичными, иметь малые потери энергии и быть простыми и недорогими в изготовлении.

Охлаждение

В обмотке и сердечнике трансформатора наблюдаются потери энергии, в результате которых выделяется тепло. В связи с этим трансформатору требуется охлаждение. Некоторые маломощные трансформаторы отдают свое тепло в окружающую среду, при этом температура установившегося режима не влияет на работу трансформатора. Такие трансформаторы называют “сухими”, т.е. с естественным воздушным охлаждением. Но при средних и больших мощностях, воздушное охлаждение не справляется, вместо него применяют жидкостное, а точнее масляное. В таких трансформаторах обмотка и магнитопровод помещены в бак с трансформаторным маслом, которое усиливает электрическую изоляцию обмоток от магнитопровода и одновременно служит для их охлаждения. Масло принимает теплоту от обмоток и магнитопровода и отдает ее стенкам бака, с которых тепло рассеивается в окружающую среду. При этом слои масла имеющие разницу в температуре циркулируют, что улучшает теплообмен. Трансформаторам с мощностью до 20-30 кВА хватает охлаждения бака с гладкими стенками, но при больших мощностях устанавливаются баки с гофрированными стенками. Также нужно учитывать что при нагреве масло имеет свойство увеличиваться в объеме, поэтому в высокомощных трансформаторах устанавливают резервные баки и выхлопные трубы (в случае если масло закипит, появятся пары которым нужен выход). В трансформаторах меньшей мощности ограничиваются тем, что масло не заливают до самой крышки.

Опыт короткого замыкания однофазного трансформатора

В опыте короткого замыкания однофазного трансформатора вторичная обмотка закорачивается накоротко, то есть Z_н=0, а напряжение вторичной обмотки U₂=0. При этом напряжение первичной обмотки подводится пониженным, для того чтобы, не повредитьтрансформатор.

Схема опыта короткого замыкания

В опыте короткого замыкания определяют следующие параметры:

1 – Номинальное напряжение короткого замыкания U_k. Это напряжение первичной обмотки, при котором значения токов короткого замыкания в обмотках равны номинальным. Выражается в процентном соотношении от номинального напряжения U_1н.

2 – Параметры схемы замещения. Так как ветви намагничивания при опыте короткого замыкания нет, то ток в первичной обмотке, равен току во вторичной.

Следовательно, полное сопротивление короткого замыкания можно определить как

3 – Сопротивления вторичной обмотки

4 – Полное падение напряжения короткого замыкания U_k в обмотках и его активную и реактивную составляющую в %

5 – Потери короткого замыкания P_k. Так как, в опыте короткого замыкания на первичную обмотку подается пониженное напряжение, то магнитный поток имеет малую величину и им можно пренебречь. Следовательно, мощность потребляемая трансформатором расходуется на электрические потери в обмотках.

Опыт холостого хода однофазного трансформатора

Для определения параметров схемы замещения однофазного трансформатора используют опыт холостого хода.

Холостым ходом трансформатора называют режим работы, когда нагрузка на вторичной обмотке отсутствует, то есть Z_н= ∞. При этом полезная мощность трансформатора равна нулю, так как ток во вторичной обмотке отсутствует. Мощность на входе трансформатора расходуется на тепловые потери в первичной обмотке I₀²r₁ и на магнитные потери в сердечнике P_m. Так как величина тепловых потерь в первичной обмотке мала, то ей часто пренебрегают. Поэтому магнитные потери называют потерями холостого хода.

Схема проведения опыта холостого хода для однофазного трансформатора. На схеме вольтметр V₁ измеряет напряжение, подведенное к первичной обмотке, вольтметр V₂ показывает напряжение на вторичной обмотке, амперметр A₁измеряет ток холостого хода I₀, ваттметр W измеряет мощность холостого хода P₀.

В опыте холостого хода определяют следующие параметры:

1 – Ток холостого хода I₀. С помощью амперметра A₁ определяют токхолостого хода и выражают его в процентном соотношении от номинального тока.

2 – Коэффициент трансформации k. С помощью вольтметра V₁ в первичной обмотке устанавливают номинальное напряжение U_1н, а с помощью вольтметра V₂, определяют напряжение U₂₀, которое равно номинальному U_2н.

3 – Потери в первичной обмотке P₀. Потери в первичной обмотке складываются из электрических и магнитных потерь.

4- Коэффициент мощности cosφ.

5 – Параметры намагничивающей ветви схемы замещения r_m x_m.

6 – Угол магнитных потерь δ

Таким образом, с помощью опыта холостого хода определяется большая часть параметров необходимых для расчета и построения векторной диаграммы или схемы замещения трансформатора. Остальные параметры определяются в опыте короткого замыкания.

Схема замещения трансформатора

Одним из средств изучения работытрансформатора является эквивалентная схема замещения, в которой магнитная связь между обмотками трансформатора замещена электрической связью, а параметры вторичной обмотки приведены к числу витков первичной.

Так как в приведенном трансформаторе k=1, то и –E₁=E₂. В результате точки a₁и a₂, b₁ и b₂ имеют одинаковый потенциал, поэтому на схеме их можно соединить, получив тем самым Т-образную схему замещения трансформатора.

Параметры r₁, x₁ – активное и индуктивное сопротивления первичной обмотки, соответственно.

r₂, x₂ – приведенные значения активного и индуктивного сопротивлений вторичной обмотки, соответственно.

Z_н – полное сопротивление нагрузки.

Магнитный поток не зависит от нагрузки, поэтому его представляют как индуктивное сопротивление xm, активное сопротивление rm, которое обусловлено магнитными потерями и протекающий через них ток холостого хода I₀. Эти параметры определяются в опыте холостого хода трансформатора.

Изменяя Z_н на схеме замещения, можно получить любой режим работы трансформатора. Например, при разомкнутой вторичной обмотке Z_н= ∞, что соответствует режиму холостого хода трансформатора, а при Z_н= 0 – режимукороткого замыкания. При любых других значениях Z_н – режим работы под нагрузкой. Режимы работы необходимы для определения параметров схемы замещения.

При практических расчетах, током холостого хода пренебрегают, тогда схема сводится к упрощенной.

Где r_экв=r₁+r₂’, x_экв=x₁+x₂’

Схема замещения трансформатора

Одним из средств изучения работытрансформатора является эквивалентная схема замещения, в которой магнитная связь между обмотками трансформатора замещена электрической связью, а параметры вторичной обмотки приведены к числу витков первичной.

Так как в приведенном трансформаторе k=1, то и –E₁=E₂. В результате точки a₁и a₂, b₁ и b₂ имеют одинаковый потенциал, поэтому на схеме их можно соединить, получив тем самым Т-образную схему замещения трансформатора.

Параметры r₁, x₁ – активное и индуктивное сопротивления первичной обмотки, соответственно.

r₂, x₂ – приведенные значения активного и индуктивного сопротивлений вторичной обмотки, соответственно.

Z_н – полное сопротивление нагрузки.

Магнитный поток не зависит от нагрузки, поэтому его представляют как индуктивное сопротивление xm, активное сопротивление rm, которое обусловлено магнитными потерями и протекающий через них ток холостого хода I₀. Эти параметры определяются в опыте холостого хода трансформатора.

Изменяя Z_н на схеме замещения, можно получить любой режим работы трансформатора. Например, при разомкнутой вторичной обмотке Z_н= ∞, что соответствует режиму холостого хода трансформатора, а при Z_н= 0 – режимукороткого замыкания. При любых других значениях Z_н – режим работы под нагрузкой. Режимы работы необходимы для определения параметров схемы замещения.

При практических расчетах, током холостого хода пренебрегают, тогда схема сводится к упрощенной.

Где r_экв=r₁+r₂’, x_экв=x₁+x₂’