ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Глава   восьмая
ТРАНСФОРМАТОРЫ

8.1.  НАЗНАЧЕНИЕ, УСТРОЙСТВО  И  ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

С целью экономичной передачи электроэнергии на дальние расстояния и распределения ее между разнообразными потребителями появляется необходимость в ее трансформации. Последнее осуществляется с помощью повышающих и понижающих трансформаторов.

Трансформатор — статический электромагнитный аппарат, его действие основано на явлении взаимной индукции, он предназначен для преобразования электрической энергии переменного тока с параметрами U1, I1 в энергию переменного тока с параметрами U2, I2 той же частоты.

Принцип индуктивной связи двух обмоток впервые открыт Фарадеем в 1831 г. В период 1870—1880 гг. был создан однофазный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом, а в 1880—1890 г. была осуществлена разработка трансформатора с замкнутым магнитопроводом, который усиливал магнитную связь между обмотками и обеспечивал повышенные технико-экономические показатели трансформатора.

Трансформатор (рис. 8.1) состоит из ферромагнитного магнитопровода 1, собранного из отдельных листов электротехнической стали, на котором расположены две (w1, w2) обмотки, выполненные из медного или алюминиевого провода. Обмотку, подключенную к источнику питания, принято называть первичной, а обмотку, к которой подключаются приемники, - вторичной. Все величины, относящиеся к первичной и вторичной обмоткам, принято соответственно обозначать индексами 1 и 2.

Рис. 8.1. К пояснению устройства и принципа действия трансформатора

Если первичную обмотку трансформатора с числом витков w1 включить в сеть переменного тока, то напряжение сети U1 вызовет в ней ток I1 и МДС I1w1 создаст переменный магнитный поток Ф. Переменный магнитный поток Ф создаст в обмотке w1 ЭДС Е1, а в обмотке w2 ЭДС Е2. Когда есть нагрузка, электрическая цепь вторичной обмотки оказывается замкнутой и ЭДС Е2 вызовет в ней ток I2. Таким образом, электрическая энергия первичной цепи с параметрами U1, I1 и частотой f будет преобразована в энергию переменного тока вторичной цепи с параметрами U2, I2 и f.

Мгновенные значения ЭДС первичной и вторичной обмоток, как следует из явления электромагнитной индукции, имеют выражения

e1 = - w1 dФ/dt,   e2 = - w2 dФ/dt,

их действующие значения (при синусоидальном изменении) соответственно равны

Разделив значения ЭДС первичной цепи на соответствующее значение ЭДС вторичной цепи, получим

Величина n называется коэффициентом трансформации трансформатора. Электрическая энергия из первичной цепи во вторичную в трансформаторе передается посредством переменного магнитного потока, поскольку гальваническая связь между первичной и вторичной обмотками трансформатора отсутствует. Отношение значений ЭДС Е1 и Е2 равно отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток.

Для выяснения соотношения между первичным и вто­ричным напряжениями необходимо высказать следующие со­ображения.

Вопервых, кроме основного магнитного потока Ф или просто магнитного потока трансформатора, как далее мы его будем называть, который полностью располагается в ферромагнитном сердечнике и пронизывает все витки первичной и вторичной обмоток, ток первичной обмотки создает магнитный поток рассеяния Фр1. Поток рассеяния Фр1 в отличие от основного охватывает витки только первичной обмотки и, как это видно на рис. 8.1, располагается главным образом в немагнитной среде (воздушном пространстве или трансформаторном масле, окружающем обмотку). Этот поток создает в первичной обмотке ЭДС Ер1. Во-вторых, первичная обмотка обладает определенным активным сопротивлением. Поэтому, как вытекает из уравнения электрического состояния первичной цепи

значения напряжения U1 и ЭДС Е1 не равны. ЭДС Е1 меньше напряжения U1 на значение падения напряжения, обусловленное ЭДС Ер1 и активным сопротивлением обмотки.

Однако эта разность невелика, и если ею пренебречь, то можно допустить, что

U1 ≈ - E1, или | U1 | ≈ | E1|, или U1 ≈ - E1.

При работе трансформатора с нагрузкой в его вторичной обмотке действует ток I2. Ток вторичной обмотки участвует в создании основного магнитного потока Ф, а также создает поток рассеяния Фр2, расположенный в немагнитной среде, как Фр1, и наводящий в этой обмотке ЭДС Ер2.

Напряжение U2, как вытекает из уравнения электрического состояния вторичной цепи

меньше ЭДС Е2 на значение падения напряжения, обусловленное ЭДС Ер2 и активным сопротивлением обмотки. Однако эта разность невелика, и если ею пренебречь, то можно считать, что

U2 ≈ Е2.

Рис  8.2 Условные обозначения однофазного трансформатора

Подставив в уравнение (8.3) вместо Е1 и Е2 соответственно напряжения U1 и U2, получим

w1	≈	U1	= n,
w2		U2

откуда следует, что U2 = U1w2/w1 = U1/n

Поэтому можно считать, что коэффициент трансформации трансформатора представляет собой отношение значений первичного напряжения к вторичному. Соотношение между первичным и вторичным токами можно определить из равенства первичной и вторичной мощностей. Действительно, если пренебречь потерями активной мощности в обмотках и реактивной мощностью, обусловленной главным магнитным потоком и потоками рассеяния трансформатора, то

U1I1 = U2I2,

откуда

U1/U2 = I2/I1 = n

и, следовательно,

I2 = I1n.

Однофазные трансформаторы на схемах электрических цепей изображаются так, как это указано на рис 8.2, а — в. Начало и конец первичной обмотки обозначаются большими буквами: начало А, конец X, вторичной обмотки — малыми буквами: начало а, конец х. Предполагается, что направление намотки от начала к концу относительно магнитопровода обеих обмоток одинаковое   или   по   часовой,   или   против   часовой   стрелки.