Трансформаторы

 

Трансформатор предназначен для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Увеличение напряжения осуществляется с помощью повышающих трансформаторов, а уменьшение − с помощью уменьшающих.

 

 

§ 7.1. Устройство однофазного трансформатора.

 

Схема однофазного трансформатора.

 

Рис.7-1. Схема однофазного трансформатора.

 

Трансформатор представляет собой замкнутый магнитный провод, на котором расположено две или несколько обмоток. Для уменьшения потерь на гистерезис магнитопровод изготавливают из магнитомягкого материала – трансформаторной стали, имеющий узкую петлю намагничивания. Для уменьшения потерь на вихревые токи в материал магнитопровода вводят примесь кремния (4-5%), а сам магнитопровод собирают из отдельных листов толщиной 0,35-0,5 мм, изолированных друг от друга теплостойким лаком или специальной бумагой.

Магнитопровод предназначен для создания внутри аппарата магнитного потока Ф.

Обмотки трансформатора изготавливаются из медного провода и располагают на одном и том же или на разных стержнях рядом или одну под другой. Обмотка трансформатора, к которой подводится напряжения имеющей сети, называется первичной, а обмотку, к которой подсоединяется нагрузка, называется вторичной.

 

§ 7.2. Принцип действия однофазного трансформатора.

 

Работа трансформатора основана на явлении взаимной индукции. При подключении первичной обмотки в сеть переменного тока напряжением U₁ по обмотке начнет проходить ток I₁, который создаст в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Этот поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней ЭДС (Е₂), которую можно использовать для питания нагрузки. Так как, первичная и вторичная обмотки пронизываются одним и тем же магнитным потоком, то индуктируемые в них ЭДС определяются по формулам:

,

,

где ω₁, ω₂ – количество витков.

 

§ 7.3. Режимы работы трансформатора.

1. Режим (опыт) холостого хода.

Вторичная обмотка разомкнута, а к первичной подводится номинальное напряжение. Под действием этого напряжения в обмотке протекает небольшой по величине ток, который называют током холостого хода. Из этого режима определяют коэффициент трансформации, который, пренебрегая падением напряжения в обмотке, определяется по формуле:

.

Из режима холостого хода также определяется мощность потерь стали (Р_ст).

2. Трансформатор под нагрузкой.

К первичной обмотке подключают нагрузку, под действием чего в ней устанавливается ток, величина и напряжение которого по закону Ленца поддерживает неизменный магнитный поток трансформатора. Из этого режима определяют процентное изменение напряжения на зажимах вторичной обмотки во всем диапазоне изменения нагрузки (от 0 до номинального).

,

где U₂ – напряжение на зажимах вторичной обмотки в режиме холостого хода; U_2ном – номинальное напряжение трансформатора. Из этого режима также строят внешнюю характеристику трансформатора.

Рис.7-2.

 

3. Режим (опыт) короткого замыкания.

Вторичная обмотка заворачивается. Затем в первичную обмотку подводят малое по величине напряжение, под действием которого в первичной и вторичной обмотках устанавливаются номинальные токи. Напряжение, при котором выполняется данный опыт, называется напряжением короткого замыкания. Мощность, определяемая в этом опыте, называют мощность идущую на покрытие потерь в меди – тепловые потери (Р_о.ном).

.

Суммарные потери мощности в трансформаторе с учетом первого и третьего опыта определяют по формуле

,

где К_н – коэффициент нагрузки

,

где Р₂ – мощность, отдаваемая в нагрузку; cosφ₂ – коэффициент мощности нагрузки; S_ном – полная номинальная мощность трансформатора

.

Суммарные потери мощности в трансформаторе можно определить по формуле:

,

где Р₁ – мощность потребляемая из сети.

КПД трансформатора

или .

 

§ 7.4. Трехфазные трансформаторы.

 

Рис.7-3. Трехфазный трансформатор.

 

В линиях электропередачи используются в основном трехфазные силовые трансформаторы.

Для подключения трансформатора к линиям электропередачи на крышке бака имеются вводы, представляющие собой фарфоровые изоляторы, внутри которых проходят медные стержни. Вводы высшего напряжения обозначают буквами А, В, С, вводы низшего напряжения – буквами a, b, c. Ввод нулевого провода располагают слева от ввода а и обозначают 0.

Принцип работы и электромагнитные процессы в трехфазном трансформаторе аналогичны рассмотренным выше. Особенностью трехфазного трансформатора является зависимость коэффициента трансформации линейных напряжений от способа соединения обмоток.

Применяются главным образом три способа соединения обмоток трехфазного трансформатора:

1. соединение первичных и вторичных обмоток звездой;

2. соединение первичных обмоток звездой, вторичных – треугольником;

3. соединение первичных обмоток треугольником, вторичных – звездой.

 

§ 7.5. Трансформаторы для дуговой электросварки (сварочный трансформатор).

 

Обычные трансформаторы в качестве питания дуговой электрической сварки совершенно не пригодны потому, что перед зажиганием электрической дуги и замы­ замы­кании электропроводов накоротко возникает недопустимо большой ток (в 15—20 раз больше номинального).

 

 

Рис.7-4. Внешняя характеристика сварочного трансформатора.

В трансформаторах для сварки электрической дугой вторичное напряжение меняется от U_2X = 70 В при холос­том ходе до U_2r = 0 при коротком замыкании, когда элек­трод касается свариваемой детали. Ток I_2К в последнем слу­чае не должен превышать рабочий ток 1₂ более чем на 20—40%. Внешняя характерис­тика такого трансформатора должна иметь вид, показан­ный на рис.7-4. Тогда даже при больших колебаниях напряжения, обусловленных непостоянством сопротивления электрической дуги, ток I₂ будет почти неизменным, что необходимо для доброка­чественной сварки. Для полу­чения такого большого паде­ния напряжения во вторичной цепи сварочные трансформа­торы конструируются с обмотками, имеющими большие магнитные потоки рассеяния Ф_р, или комплектуются с от­дельным реактором, или снабжаются дополнительной об­моткой на общем магнитопроводе.

При первой форме исполнения (рис.7-5, а) первичная обмотка 1 рассчитана на стандартные напряжения U₁ = 220 или 380 В. Вторичная обмотка 2, соединенная последова­тельно с отдельной реактивной катушкой 3, имеет при хо­лостом ходе напряжение U_2х = 70 В и при номинальном вторичном токе I_2Н напряжение U₂≈30 В. Сварочный ток между электродом 5 и изделием 4 регулируется изменением воздушного зазора 6 катушки 3 путем перемещения по­движной части сердечника 7.

Рис.7-5. Трансформатор для дуговой сварки.

 

Вторая форма исполнения (рис.7-5, б) — однокорпусное. Здесь реактивная катушка 3 и вторичная обмотка 2, расположенные на общем магнитопроводе, связаны маг­нитно. Подвижная часть магнитопровода 7 для изменения воздушного зазора в обоих исполнениях может переме­щаться специальной рукояткой. Коэффициент полезного действия сварочных трансформаторов составляет 83—90%, a cos ф = 0,52 ÷ 0,62.

 

Контрольные вопросы:

1. Что называется трансформатором?

2. Опишите устройство однофазного трансформатора?

3. Каковы принципиальные основы работы трансформатора?

4. Какие режимы работы трансформатора вы знаете?

5. Какие существуют отличия трехфазных трансформаторов?

6. Опишите принцип работы сварочного трансформатора.

ГЛАВА 8