лекция 3 Трансформаторы. Трансформаторыназначение, виды и характеристики
 Скачать 1.14 Mb.
|
 План лекций по теме: «Трансформаторы-назначение, виды и характеристики»Введение Общее устройство и принцип работы трансформаторов Общие характеристики трансформаторов Виды трансформаторов   Введение Трансформатор — это статическое устройство, имеющее две или более обмотки, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного напряжения и тока в одну или несколько других систем переменного напряжения и тока, имеющих обычно другие значения при той же частоте, с целью передачи мощности. (Источник: ГОСТ 30830-2002)  Рис.1 Общий вид трансформатора Значение трансформаторов как в электроэнергетике в целом, так и в повседневной жизни каждого человека трудно переоценить, они применяются повсеместно: на подстанциях, в городах и поселках, стоят силовые трансформаторы, понижающие высокое напряжение в тысячи и даже десятки тысяч Вольт до привычных нам 380/220 Вольт, на предприятиях стоят сварочные трансформаторы которые совершенно незаменимы на производстве, трансформаторы так же применяются и у нас дома в бытовой технике: в СВЧ-печах, блоках питания компьютеров и даже зарядных устройствах для телефонов. На этой лекции мы разберемся в том как устроены и как работают трансформаторы, какие бывают виды трансформаторов, а так же приведем их общие характеристики. Общее устройство и принцип работы трансформаторов В общем виде трансформатор представляет собой две обмотки расположенных на общем магнитопроводе. Обмотки выполняются из медного или алюминиевого провода в эмалевой изоляции, а магнитопровод изготовлен из тонких изолированных лаком пластин электротехнической стали, для уменьшения потерь электроэнергии на вихревые токи (так называемые токи Фуко). Та обмотка, которая подключается к источнику питания, называется первичной обмоткой, а обмотка к которой подключается нагрузка — соответственно вторичной. Если со вторичной обмотки (W2) трансформатора снимается напряжение (U2) ниже, чем напряжение (U1) которое подаётся на первичную обмотку (W1), то такой трансформатор считается понижающим, а если выше — повышающим.  Рис.2 Схема общего устройства трансформатораМеталлическая часть на которой располагается электрическая обмотка (катушка), т.е. которая находится в ее центре, называется сердечником, в трансформаторах этот сердечник имеет замкнутое исполнение и является общим для всех обмоток трансформатора, такой сердечник называется магнитопроводом. Как уже было сказано выше принцип работы трансформаторов основан на законе электромагнитной индукции, для понимания того как это работает представим самый простой трансформатор, аналогичный тому который представлен на рисунке 2, т.е. у нас есть магнитопровод на котором располагаются 2 обмотки, представим, что первая обмотка состоит всего из одного витка, а вторая — из двух. Теперь подадим напряжение 1 Вольт на первую обмотку, ее единственный виток условно создаст магнитный поток величиной в 1 Вб (Справочно: Вебер (Вб) — единица измерения магнитного потока) в магнитопроводе, так как магнитопровод имеет замкнутое исполнение магнитный поток будет протекать в нем по кругу при этом пересекая 2 витка второй обмотки, при этом в каждом из этих витков за счет электромагнитной индукции наводит (индуктирует) электродвижущую силу (ЭДС) в 1 Вольт, ЭДС этих двух витков складывается и на выходе со второй обмотки мы получаем 2 Вольта. Таким образом, подав на первичную обмотку 1 Вольт на вторичной обмотке мы получили 2 Вольта, т.е. в данном случае трансформатор будет называться повышающим, т.к. он повышает поданное на него напряжение. Но этот трансформатор может работать и в обратную сторону, т.е. если на вторую обмотку (с двумя витками) подать 2 Вольта, то с первой обмотки по тому же принципу мы получим 1 Вольт, в этом случае трансформатор будет называться понижающим. Общие характеристики трансформаторов К основным техническим характеристиками трансформаторов можно отнести: номинальную мощность; номинальное напряжение обмоток; номинальный ток обмоток; коэффициент трансформации; коэффициент полезного действия; число обмоток; рабочую частоту; количество фаз. Мощность является одним из главных параметров трансформаторов. В паспортных (заводских) данных трансформатора указывается его полная мощность (обозначается буквой S), она зависит от типа используемого магнитопровода, количества и диаметра витков в обмотках, то есть от массогабаритных показателей электромагнитного аппарата. Измеряется мощность в единицах В∙А (Вольт-Ампер). На практике для трансформаторов больших мощностей, как правило используются кратные Вольт-Амперам величины Киловольт-ампер (кВА) и Мегавольт-ампер (МВА). Фактически каждый трансформатор имеет 2 значения мощности: входную (S1) — мощность, которую трансформатор потребляет из питающей его сети и выходную (S2) — мощность, которую трансформатор отдает подключенной к нему нагрузке, при этом выходная мощность всегда меньше входной за счет электрических потерь в самом трансформаторе (потери на нагрев обмоток, потери на вихревые токи и т.д.) величина этих потерь определяется другим основным параметром — коэффициентом полезного действия, сокращенно — КПД (обозначается буквой η), данный параметр указывается в процентах. Например если КПД указано 92% — это значит, что выходная мощность трансформатора будет меньше входной на 8%, т.е. 8% -это потери в трансформаторе. Формулы расчета мощности: Входная мощность: S1=U1х I1 ,ВА; Выходная мощность: S2=U2х I2 ,ВА; где: I1,I2 — соответственно, токи в первичной и вторичной обмотках трансформатора в Амперах; U1,U2 — соответственно, напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора в Вольтах. Следует помнить, что полная мощность состоит из активной (P) и реактивной (Q) мощностей:  Активная мощность определяется по формуле: P=U х I х cosφ ,Ватт (Вт) Реактивная мощность определяется по формуле: Q=U х I х sinφ ,вольт-ампер реактивный (Вар) Коэффициент мощности: cosφ=P/S; Коэффициент реактивной мощности:sinφ=Q/S Формулы расчета КПД (η) трансформатора: Как уже было указано выше КПД определяет величину потерь в трансформаторе или иными словами эффективность работы трансформатора и определяется оно отношением выходной мощности (P2) к входной (P1): η=P2/P1 В результате данного расчета значение КПД определяется в относительных единицах (в виде десятичной дроби), например — 0,92, чтобы получить значение КПД в процентах рассчитанную величину необходимо умножить на 100% (0,92*100%=92%). Чем ближе КПД к 100% тем лучше, т.е. идеальный трансформатор — это трансформатор в котором P2=P1, однако в реальности из-за потерь в трансформаторе выходная мощность всегда ниже входной. Это хорошо видно из так называемой энергетической диаграммы трансформатора (рис.3):   P1 — активная мощность, потребляемая трансформатором от источника; P2 — активная (полезная) мощность, отдаваемая трансформатором приемнику; ∆Pэл — электрические потери в обмотках трансформатора; ∆Рм — магнитные потери в магнитопроводе трансформатора; ∆Рдоп — дополнительные потери в остальных элементах конструкции. В режиме холостого хода (работы без подключенной к трансформатору нагрузки) КПД трансформатора η = 0. Мощность холостого хода P0, потребляемая трансформатором в этом режиме, расходуется на компенсацию магнитных потерь. С увеличением нагрузки в достаточно небольшом диапазоне (приблизительно β = 0,2) КПД достигает больших значений. В остальной части рабочего диапазона КПД трансформатора держится на высоком уровне. В режимах, близких к номинальному, КПД трансформатора η ном = 0,9 — 0,98. Зависимость КПД от нагрузки представлена на следующем графике (рис.4):  Первичное номинальное напряжение U1н — это напряжение, которое требуется подать на первичную катушку трансформатора, чтобы в режиме холостого хода получить номинальное вторичное напряжение U2н. Вторичное номинальное напряжение U2н — это значение, которое устанавливается на выводах вторичной обмотки при подаче на первичную обмотку номинального первичного напряжения U1н, в режиме холостого хода. Номинальный первичный ток I1н — это максимальный ток, протекающий в первичной обмотке, т.е. потребляемый трансформатором из сети, на который рассчитан данный трансформатор и при котором возможна его длительная работа. Номинальный вторичный ток I2н — это максимальный ток нагрузки, протекающий во вторичной обмотке, на который рассчитан данный трансформатор и при котором возможна его длительная работа. Коэффициент трансформации (kт) — это отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке k=W1/W2. Так же kт определяется как отношение напряжений на зажимах обмоток: kт=U1н/U2н. Для понижающего трансформатора коэффициент трансформации больше 1, а для повышающего — меньше 1. Примечание: для трансформаторов тока kт определяется как отношение номинальных значений первичного и вторичного токов kт=I1н/I2н Число обмоток у однофазных трансформаторов чаще две, но может быть и больше. На первичную обмотку подают одно значение напряжения, а с вторичной обмотки снимают другое значение. Когда требуются различные напряжения для питания нескольких приборов, то в этом случае вторичных обмоток может быть несколько. Также есть трансформаторы с общей точкой на вторичной обмотке для двуполярного питания. Рабочая частота трансформаторов может быть различной. Но при одинаковых напряжениях первичной обмотки, трансформатор, разработанный для частоты 50 Гц, может использоваться при частоте сети 60 Гц, но не наоборот. При частоте меньше номинальной увеличивается индукция в магнитопроводе, что может повлечь его насыщение и как следствие резкое увеличение тока холостого хода и изменение его формы. При частоте больше номинальной повышается величина паразитных токов в магнитопроводе, повышается нагрев магнитопровода и обмоток, приводящий к ускоренному старению и разрушению изоляции. Габариты трансформатора напрямую зависят от частоты тока в цепи, в которой он будет установлен. Конечно, трансформатор должен быть рассчитан на эту частоту. Зависимость эта обратная, т.е. с увеличением частоты габариты трансформатора значительно уменьшаются. Именно поэтому, импульсные блоки питания (с импульсными высокочастотными трансформаторами) намного компактнее. В зависимости от назначения трансформаторы изготавливают однофазными и трехфазными. Однофазный трансформатор представляет собой устройство для трансформирования электрической энергии в однофазной цепи. В основном имеет две обмотки, первичную и вторичную, но вторичных обмоток может быть и несколько. Трехфазный трансформатор представляет собой устройство для трансформирования электрической энергии в трёхфазной цепи. Конструктивно состоит из трёх стержней магнитопровода, соединённых верхним и нижним ярмом. На каждый стержень надеты обмотки W1 и W2 высшего (U1) и низшего (U2) напряжений каждой фазы (рис.5).  Виды трансформаторов Все трансформаторы можно разделить на следующие виды: силовые; автотрансформаторы; измерительные; разделительные; согласующие; импульсные; пик-трансформаторы; сварочные. Силовые трансформаторы являются наиболее распространенным типом промышленных трансформаторов. Они применяются для повышения или понижения напряжения. Являются неотъемлемой частью сети электроснабжения предприятий, населенных пунктов и т.д.  Автотрансформатором называется такой трансформатор, у которого имеется только одна обмотка с числом витков W1. Часть этой обмотки с числом витков W2 принадлежит одновременно первичной и вторичной цепям:  Данный тип трансформаторов применяется в приборах автоматического регулирования напряжения. Эти устройства используются, например, в образовательных учреждениях для проведения лабораторных работ, их можно встретить в электролабораториях различных предприятий для проведения тестовых работ. Внешний вид автотрансформаторов:  Измерительные трансформаторы подразделяются на трансформаторы напряжения и трансформаторы тока. Они обеспечивают гальваническую развязку между цепями высокого и низкого напряжений. Как видно из названия, основное применение — снижение первичного напряжения или тока до величины, используемой в измерительных цепях, например для подключение амперметров, вольтметров, счетчиков электрической энергии. Также они могут применяться в различных цепях защиты, управления и сигнализации. От других типов трансформаторов отличаются повышенной точностью и стабильностью коэффициента трансформации. Пример измерительных трансформаторов:  → Подробнее об измерительных трансформаторах читайте здесь. Разделительные трансформаторы, данные устройства мало чем отличается от обычных понижающих или повышающих трансформаторов. Единственное различие заключено в том, что на общем магнитопроводе размещаются абсолютно идентичные обмотки. То есть у них полностью совпадают такие параметры как сечение провода, количество витков, изоляция. Поэтому коэффициент трансформации у них равен единице. Задачей этих устройств является обеспечение гальванической развязки, т.е. исключение непосредственной электрической связи между электрической сетью и подключаемому к ней, через данный трансформатор, оборудованию. Применяются в тех областях где предъявляются повышенные требования к электробезопасности, например подключение медицинского оборудования.  Согласующие трансформаторы применяются для согласования сопротивления различных частей каскадов электронных схем, а также для подключения нагрузки, не соответствующей по сопротивлению допустимым значениям источника сигнала, что позволяют передать максимум мощности в такую нагрузку. При этом само непосредственное изменение показателей силы тока и напряжения не имеет значения. Они применяются в усилителях низкой частоты в качестве входных, межкаскадных и выходных трансформаторов. В качестве входных, согласующие трансформаоры применяются в звуковоспроизводящей аппаратуре для подключения микрофонов и звукоснимателей различных типов. Трансформаторы этого типа используются для согласования сигнала при подключении антенн к приёмным и передающим устройствам.  Импульсные трансформаторы — это устройства с ферромагнитным сердечником, которые используются для изменения импульсов тока или напряжения. Преобразуют получаемый сигнал в прямоугольный импульс. Применяются для предотвращения высокочастотных помех. Импульсные трансформаторы наиболее часто используются в электронно-вычислительных устройствах, системах радиолокации, импульсной радиосвязи, в качестве измерительных устройств в счетчиках электроэнергии  Пик-трансформаторы — преобразуют напряжение синусоидальной формы в импульсные пики с сохранением их полярности и частоты колебаний. Незаменимы там, где для запуска исполнительного устройства требуется единичный импульс с установленной амплитудой напряжения. Это, например, управляющие электронные схемы, собранные на тиристорах. Так же применяются в качестве генераторов импульсов, главным образом в высоковольтных исследовательских установках, в технике связи и радиолокации. Наибольшее применение пиковые трансформаторы получили в автоматизации технологических процессов.  Сварочные трансформаторы — являются основными источникам питания для ручной дуговой сварки на переменном токе. Они служат для понижения напряжения сети с 220В или 380В до безопасного и вместе с тем повышения величины тока для увеличения температуры электрической дуги.  § 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНСФОРМАТОРАХ Трансформатор был изобретен П. Н. Яблочковым, впервые применившим его в 70-х годах прошлого века в установках промышленного типа. Ранее было указано, что трансформатор представляет собой электромагнитный аппарат, основанный на явлении взаимоиндукции и предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, но той же частоты. Простейший трансформатор имеет стальной сердечник и две обмотки, изолированные как от сердечника, так и друг от друга (рис. 1).  Рис. 1. Схема устройства трансформатора: 1 - сердечник,2 - первичная обмотка, 3 - вторичная обмотка Обмотка трансформатора, которая подключается к источнику напряжения, называется первичной обмоткой, а та обмотка, к которой подключаются потребители (лампы накаливания, электродвигатели, нагревательные приборы и т. д.) или линии передачи, ведущие к потребителям, называется вторичной обмоткой. Переменный ток, проходя по первичной обмотке, создает переменный магнитный поток Φ, который сцепляется с витками вторичной обмотки и наводит в них э.д.с. е2. Так как магнитный поток переменный, то индуктированная э.д.с. во вторичной обмотке трансформатора также переменная и частота ее равна частоте тока в первичной обмотке. Переменный магнитный поток, проходящий по сердечнику трансформатора, пересекает не только вторичную обмотку, но и первичную обмотку трансформатора. Поэтому в первичной обмотке также будет индуктироваться э.д.с. е1. По закону электромагнитной индукции,  где w1 и w2 - числа витков первичной и вторичной обмоток. В любой момент времени отношение э.д.с. индуктируемых в обмотках, равно отношению чисел витков этих обмоток:  Это отношение мгновенных значений э.д.с. справедливо также для амплитудных и действующих значений:  Отношение э.д.с. обмотки высшего напряжения к э.д.с. обмотки низшего напряжения называется коэффициентом трансформации и обозначается буквой k:  Далее (см. § 2) будет показано, что при разомкнутой вторичной обмотке (холостой ход трансформатора) можно принять, что э.д.с. обмоток равны напряжениям на их зажимах, т. е.  Из этой формулы видно, что во сколько раз число витков в первичной обмотке больше (или меньше) числа витков вторичной обмотки, во столько же раз напряжение первичной обмотки больше (или меньше) напряжения вторичной обмотки. Вольтметры V1 и V2, включенные к зажимам первичной и вторичной обмоток (рис. 1), покажут нам напряжения U1 и U2 этих обмоток. Номинальные напряжения обмоток высшего и низшего напряжений, указанные на заводском щитке трансформатора относятся к режиму холостого хода. Номинальные токи обмоток равны частным от деления номинальной мощности трансформатора на соответствующие номинальные напряжения. Пример 1. Имеется трансформатор, первичная обмотка которого включена в сеть 6600 В, а на зажимах вторичной обмотки напряжение равно 230 В. Определить коэффициент трансформации:  Коэффициент трансформации можно определить и опытным путем. Для этого нужно включить вольтметры к зажимам первичной и вторичной обмоток трансформатора и разомкнуть цепь вторичной обмотки, обеспечив тем самым холостую работу трансформатора. После этого показание вольтметра первичной обмотки следует разделить на показание вольтметра вторичной обмотки. Вторичное напряжение трансформатора в общем случае не равно первичному напряжению. Если вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется понижающим, если больше - то повышающим. Значительная разница между напряжениями первичной и вторичной обмоток трансформаторов затрудняет построение векторных диаграмм и производство расчетов. Поэтому при изучении трансформаторов вторичная обмотка приводится к числу витков первичной обмотки. Приведение заключается в том, что число витков w2вторичной обмотки предполагают равным числу витков w1 первичной обмотки. При этом э.д.с., ток и сопротивление вторичной обмотки соответственно изменяются. Приведение величин вторичной обмотки к числу витков первичной не должно изменять мощности и углов сдвига фаз в трансформаторе. Приведенные величины вторичной обмотки обозначаются буквами со штрихом сверху, например  , ,  и т. д. Чтобы получить , нужно изменить Е2 пропорционально коэффициенту трансформации  . Следовательно, Приведенный вторичный ток определяется из условия, что после приведения полная мощность вторичной обмотки должна остаться неизменной:E'2I'2 = E2I2, откуда Рассмотрев общие вопросы, касающиеся трансформатора, приступим к изучению режимов их работы. § 2 ХОЛОСТОЙ ХОД ТРАНСФОРМАТОРА Режим, при котором вторичная обмотка трансформатора разомкнута, а на зажимы первичной обмотки подано переменное напряжение, называется холостым ходом трансформатора. Если к первичной обмотке подвести напряжение U1, по ней потечет ток, который обозначим I0. Этот ток создает магнитный поток Φ. Магнитный поток Φ, возбуждаемый первичной обмоткой, индуктирует во вторичной обмотке э.д.с., величина которой равна Е2. Тот же самый магнитный поток индуктирует в первичной обмотке э.д.с. Е1. Небольшой ток I0, потребляемый первичной обмоткой трансформатора при холостом ходе, называется током холостого хода. Величина этого тока обычно составляет 3-10% от тока при номинальной нагрузке трансформатора. Построим векторную диаграмму холостой работы однофазного трансформатора без потерь (идеального) (рис. 2). Намагничивающий ток I0 создает магнитный поток Φ, который совпадает с током I0 по фазе. Как уже указывалось, магнитный поток Φ индуктирует в первичной обмотке э.д.с. Е1, а во вторичной обмотке - э.д.с. Е2. Напомним, что всякая э.д.с., индуктируемая синусоидально изменяющимся магнитным потоком, отстает от потока по фазе на 90°. Поэтому векторы E1 и E2 мы откладываем под углом 90° от потока в сторону, обратную вращению векторов. Индуктированную в первичной обмотке э.д.с. Е1 уравновешивает напряжение сети U1.  Рис. 2. Векторная диаграмма холостого хода идеального трансформатора Э.д.с. E1 и напряжение U1 равны и взаимно противоположны (падение напряжения в первичной обмотке при этом режиме очень мало и им можно пренебречь). Из векторной диаграммы видно, что ток I0, потребляемый идеальным трансформатором при холостой работе, отстает от напряжения сети U1 на 90°, т. е. является чисто реактивным. У реального трансформатора из-за потерь в стали (на вихревые токи и гистерезис) возникает сдвиг по фазе между током холостого хода I0 и магнитным потоком Φ, причем ток будет опережать магнитный поток. Ток холостого хода I0 трансформатора имеет две составляющие (рис. 3): 1 - активную Ia = I0 ⋅ cos φ0, вызванную потерями в стали (эта составляющая очень мала, так как малы потери холостого хода), 2 - реактивную Ip = I0 ⋅ sin φ0, называемую током намагничивания, создающую магнитный поток Φ и совпадающую с ним по фазе. Так как активная составляющая I0 ⋅ cos φ0 мала, то намагничивающий ток почти равен всему току холостого хода I0. Поэтому I0 является почти целиком реактивным. В режиме холостого хода ток во вторичной обмотке отсутствует и поэтому напряжение на зажимах вторичной обмотки равно э.д.с., индуктированной в этой обмотке:  Рис. 3. Диаграмма тока холостого хода § 3. НАГРУЗОЧНЫЙ РЕЖИМ ТРАНСФОРМАТОРА Нагрузочным режимом трансформатора называется режим, при котором вторичная обмотка замкнута на какое-либо сопротивление (рис. 4). При этом во вторичной обмотке будет проходить ток I0, который создает свой магнитный поток Φ2. Таким образом, при нагрузке трансформатора в нем будут действовать намагничивающие силы (сокращенно н. с.) двух обмоток, а в сердечнике его будет проходить магнитный поток, (полученный действием н. с. обеих обмоток.  Рис. 4. Нагрузочный режим трансформатора Согласно правилу Ленца магнитный поток вторичной обмотки стремится уменьшить поток первичной обмотки. Однако результирующий магнитный поток должен остаться постоянным (точнее, почти постоянным). Объясняется это тем, что индуктированная им э.д.с. Е1 при неизменном напряжении сети U1 должна остаться почти неизменной и почти равной напряжению U1, поскольку э.д.с. Е1 все время уравновешивается приложенным напряжением U1, а падение напряжения в обмотке невелико. Построим векторную диаграмму для режима идеального трансформатора в случае, когда к зажимам его вторичной обмотки подключено активное сопротивление Zнагр = rнагр. Магнитный поток трансформатора Φ и намагничивающий ток I0 совпадают по фазе (рис. 5). Электродвижущие силы Е1 и E21 отстают по фазе на 90° от магнитного потока Φ. Так как нагрузка активная и трансформатор не имеет потерь, то ток I21 совпадает по фазе с э.д.с. E21. При нагрузке трансформатора геометрическая сумма намагничивающих сил первичной и вторичной обмоток будет почти равна намагничивающей силе первичной обмотки при холостом ходе: I¯1w1 + I¯2w2 ≈ I¯0w1.  Рис. 5. Векторная диаграмма идеального трансформатора при активной нагрузке Это вытекает из постоянства результирующего магнитного потока Φ при различных режимах работы трансформатора, если к нему подведено заданное напряжение U1. Намагничивающая сила вторичной обмотки согласно правилу Ленца будет стремиться уменьшить поток первичной обмотки. Поэтому по виткам первичной обмотки должен проходить такой ток I1, который возбуждал бы по-прежнему магнитный поток Φ и, кроме того, компенсировал размагничивающее действие вторичной обмотки. Иначе говоря, намагничивающая сила первичной обмотки I¯1w1 должна слагаться из намагничивающей силы I¯0w1, создающей поток Φ, и намагничивающей силы - I¯2w2 компенсирующей намагничивающую силу вторичной обмотки I¯2w2: I¯1w1 = I¯0w1 - I¯2w2. Сократив на w1 обе части уравнения, получим I¯1 = I¯0 - I¯2 w2/w1 = I¯0 + (- I'2), т.е. первичный ток (I¯1) равен геометрической сумме двух составляющих: одна из них (I¯0) обеспечивает создание основного потока Φ в магнитопроводе, а другая (- I12) компенсирует размагничивающее действие вторичного тока. Таким образом, любое изменение нагрузочного тока во вторичной цепи трансформатора сопровождается соответствующим изменением тока, потребляемого трансформатором из сети. До сих пор мы исходили из предположения, что магнитный поток Φ трансформатора целиком замыкается через сердечник. В действительности дело обстоит несколько иначе. Большая часть магнитных потоков, создаваемых первичной и вторичной обмотками трансформатора, замыкается через сердечник, другая - меньшая часть - в виде потоков рассеяния Фp1 и Фр2 замыкается вокруг отдельных витков через воздух (рис. 194). Здесь первичная и вторичная обмотки для наглядности расположены на различных стержнях. В действительности же для уменьшения потоков рассеяния Фр1 и Фр2 обмотки помещают на обоих стержнях.  Рис. 194. Магнитные потоки трансформатора Потоки рассеяния индуктируют в своих обмотках э.д.с., абсолютные величины которых могут быть определены по формулам: E¯p1 = 2πfLp1I1; E¯p2 = 2πfLp2I2, где Lp1 и Lр2 - индуктивности рассеяния обмоток. Обозначая x1 = 2πfLp1, x2 = 2πfLp2, получим; Е¯р1 = - I¯1x1; Е¯р2 = - I¯2x2, где x1 и x2 - индуктивные сопротивления обмоток. Рассматривая идеальный трансформатор, мы не учитывали падения напряжения в его обмотках, полагая U1 = E1(по абсолютной величине) и U2 = E2. В действительности, падение напряжения в каждой из обмоток составляет около 3% (для силовых трансформаторов, устанавливаемых на промышленных предприятиях), т. е. если бы коэффициент трансформации был равен единице (w1 = w2), то U2 отличалось бы от U1 примерно на 5-6%. Таким образом, напряжение U1, приложенное к зажимам первичной обмотки, должно уравновесить: э.д.с. E1, индуктированную магнитным потоком трансформатора; э.д.с. Eр1, индуктированную потоком рассеяния Φр1; падение напряжения I1r1 в активном сопротивлении r. Следовательно, вектор первичного напряжения U¯1должен быть равен геометрической сумме - Е¯1, - E¯р1 и I¯1r1. Таким образом, уравнение э.д.с. и напряжений первичной обмотки будет U¯1 = (- Е¯1) + (- Е¯p1) + I¯1r1 = - Е¯1 + I¯1¯x¯1 + I¯1¯r¯1. Напряжение U12 на зажимах вторичной обмотки трансформатора во время нагрузочного режима работы отличается от э.д.с. E12 на величину падения напряжения во вторичной обмотке: U¯12 = E¯12 - I¯'2z'2. Ток I12, проходя по виткам вторичной обмотки, вызывает активное падение напряжения I12r12, обусловленное наличием активного сопротивления r, и индуктивное падение напряжения I12x12 в индуктивном сопротивлении x12, вызванное потоком рассеяния вторичной обмотки. Таким образом,  Следовательно, для получения вектора вторичного напряжения U12 необходимо из вектора вторичной э.д.с. E12вычесть векторы падений напряжений: активного - I¯12r¯12 и индуктивного - I¯12x¯12. Построим векторную диаграмму нагруженного трансформатора в случае активно-индуктивной нагрузки (наиболее часто встречающийся случай). Построение диаграммы начнем с вектора основного магнитного потока Φ (рис. 195). Вектор тока I0 опережает по фазе поток Φ.  Рис. 195. Векторная диаграмма трансформатора под нагрузкой Магнитный поток Φ, проходя по сердечнику, индуктирует в первичной обмотке э.д.с. Е1 и во вторичной обмотке э.д.с. E12, которые отстают от потока на 90°. Так как нагрузку трансформатора мы выбрали активно-индуктивной, то ток вторичной обмотки I12 отстает от э.д.с. Е12 на угол Ψ2. Вычитая из вектора E12 векторы активного и индуктивного падений напряжения во вторичной обмотке, получим вектор вторичного напряжения U12. Для получения вектора тока в первичной обмотке воспользуемся уравнением I¯1 = I¯0 + (- I¯12). Откладывая вектор I12 в обратном направлении, получим вектор - I12 и, складывая его с вектором I0, получим вектор I1. Для получения напряжения U1 первичной обмотки трансформатора применим уравнение, которое мы получили выше, а именно: U¯1 = -E¯1 + I¯1r1 + I¯1х1. Отложив вектор - E1 и складывая его с вектором активного и индуктивного падений напряжений в первичной обмотке, получим вектор U1. Из векторной диаграммы видно, что увеличение нагрузки трансформатора приводит к увеличению тока I12, а это вызывает в свою очередь увеличение тока I1, потребляемого трансформатором из сети. |