Краткая теория. Первые однофазные трансформаторы были построены в 1875-77 годах инженером П.Н

Первые однофазные трансформаторы были построены в 1875-77 годах инженером П.Н. Яблочковым и были использованы для устройства электрического освещения. В 1882 году на промышленной выставке в Москве демонстрировались трансформаторы конструкции другого русского изобретателя И.Ф. Усагина. Первые трёхфазные трансформаторы были построены русским учёным М.О. Доливо-Добровольским в 1889 году, который вывел уравнение трансформаторной э.д.с. и дал метод испытания трансформаторной стали.

Трансформатор в простейшем случае имеет две обмотки - первичную и вторичную, размещённые на общем сердечнике – магнитопроводе, собираемом из листовой электротехнической стали, изолированной лаком и бумагой.

Если одну из обмоток трансформатора – первичную с числом витков W₁ запитать переменным током, то в сердечнике возникнет переменный магнитный поток Ф, возбуждающий:

в первичной обмотке э.д.с. e₁= - W₁ ;

во вторичной обмотке э.д.с. e₂= - W₂ .

Действующие значения этих э.д.с. равны

Е₁ = 4, 44 f W₁ Ф_m, Е₂ = 4, 44 f W₂ Ф_m, где

W₂ – число витков вторичной обмотки, f – частота сети.

Если во вторичную цепь включена нагрузка, то по ней протекает ток I₂ . Магнитный поток в сердечнике трансформатора, работающего под нагрузкой, обусловлен совместным действием намагничивающих сил обеих обмоток. Однако, амплитудное значение этого потока почти не зависит от величины токов в обмотках трансформатора. Оно пропорционально величине напряжения U₁, подведённого к трансформатору.

Отношение k = = называется коэффициентом трансформации трансформатора. Если величины W₁ и W₂ неизвестны, то коэффициент трансформации определяется по результатам опыта холостого хода.

Холостым ходом трансформатора называется такой режим его работы, когда к первичной обмотке подведено напряжение, а вторичная обмотка разомкнута. Ток, протекающий в этом случае в первичной обмотке, называют током холостого хода и обозначают I₀.

Так как во вторичной обмотке тока нет, поэтому э.д.с. равна напряжению на зажимах U₂₀ при холостом ходе, т.е. Е₂ = U₂₀, а э.д.с. Е₁ ничтожно мало отличается от напряжения U₁, и коэффициент трансформации определится как соотношение k = . (8.1)

Работа трансформатора сопровождается потерей некоторой части потребляемой мощности и выделением тепла внутри трансформатора.

Потери мощности трансформатора подразделяются на две группы:

· потери в стали,

· потери в меди.

Мощность холостого хода трансформатора расходуется на потери в стали сердечника трансформатора и потери в меди первичной обмотки вследствие прохождения по ней тока холостого хода,

т.е. Р₀ =∆ Р_ст + I₀² R₁ ;

где ∆ Р_ст – магнитные потери в стали трансформатора,

R₁ – активное сопротивление первичной обмотки.

Откуда ∆ Р_ст = Р₀ - I₀² R₁. (8.2)

Потери в стали ∆ Р_ст , обусловленные гистерезисом и вихревыми токами, пропорциональны квадрату магнитного потока сердечника и поэтому не зависят от нагрузки трансформатора, а только от подводимого напряжения U₁. При одном и том же напряжении эти потери будут одинаковы как при холостом ходе, так и при полной нагрузке трансформатора. Потери холостого хода составляют около 2% номинальной мощности трансформатора.

Потери в меди ∆ Р_М, наоборот, зависят не от магнитного потока, а от квадрата тока в обмотках, т. е. ∆ Р_М= ,

где R₁ и R₂ -активные сопротивления обмоток трансформатора.

Опыт короткого замыкания трансформатора проводят для определения потерь в меди, для определения активного и реактивного сопротивлений обмоток трансформатора, для определения напряжения короткого замыкания.

В опыте короткого замыкания одну из обмоток трансформатора замыкают накоротко и постепенно повышают напряжение на зажимах второй обмотки до тех пор, пока ток в ней достигнет номинального значения. Полученное напряжение U_1K называютнапряжением короткого замыкания и выражают в процентах по отношению к номинальному первичному напряжению, т.е. U_K= 100%. (8.3)

У большинства силовых трансформаторов напряжение короткого замыкания составляет 5.5 %. Поэтому магнитный поток в сердечнике трансформатора, а, следовательно, и потери в стали при опыте короткого замыкания получаются незначительными.

Мощность P_K, потребляемую трансформатором при опыте короткого

замыкания, измеренную ваттметром, можно считать равной потерям в меди при номинальных токах в обмотках.

Поскольку потери в меди пропорциональны квадрату тока в обмотках, то зная величину P_K, можно рассчитать эти потери для любой нагрузки трансформатора ∆ P_M = β ²P_K,

где β = -коэффициент загрузки трансформатора, равный отношению тока нагрузки I₂ к номинальному току вторичной обмотки.

Полные потери мощности в трансформаторе будут равны

∆ P =∆ Р_ст+∆ P_M.

Метод определения потерь по опытам холостого хода и короткого замыкания удобен тем, что посредством его можно определить к.п.д. крупных трансформаторов при отсутствии источника энергии достаточно большой мощности и соответствующей нагрузки как отношение мощности Р₂ к получаемой Р₁

η = = = , (8.4)

где S=U_НI_Н -номинальная мощность в вольт-амперах,

cos φ ₂ -коэффициент мощности, зависящий от характера нагрузки.

Для ламп накаливания принимают cos φ ₂ =1.

Омическое сопротивление обмоток трансформатора замеряют по методу амперметра и вольтметра. Величина тока при измерениях не должна превышать 20% номинального тока обмотки. Сопротивление обмоток измеряется при трёх различных значениях тока и определяется как среднее арифметическое значение трёх измеренных сопротивлений. Омическое сопротивление обмоток трансформатора измеряется постоянным током по схеме, изображенной на рис. 8.1. Замерив показания амперметра и вольтметра, определяют омическое сопротивление по закону Ома

r = . (8.5)

Активное сопротивление обмоток можно приближенно определить по формуле R ≈ rK_Ф (8.6)

где К_Ф -коэффициент активного сопротивления, учитывающий увеличение сопротивления при переменном токе К_Ф=1, 05 - 1, 2.