Содержание
Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.
Трансформаторы широко используют для следующих целей.
Для передачи и распределения электрической энергии. Обычно на электростанциях генераторы переменного тока вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6—24 кВ.
Для питания различных цепей радио- и телевизионной аппаратуры; устройств связи, автоматики в телемеханики, электробытовых приборов; для разделения электрических цепей различных элементов этих устройств; для согласования напряжений
Для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов, например реле, в электрические цепи высокого напряжения или в цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности. Трансформаторы, применяемые для этой цели, называют измерительными. Они имеют сравнительно небольшую мощность, определяемую мощностью, потребляемой электроизмерительными приборами, реле и др.
Принцип действия трансформатора
Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора состоит из двух обмоток (рис. 2.1), размещенных на замкнутом магнитопроводе, который выполнен из ферромагнитного материала. Применение ферромагнитного магнитопровода позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т. е. уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток машины. Первичную обмотку 1 подключают к источнику переменного тока — электрической сети с напряжением u1. Ко вторичной обмотке 2 присоединяют сопротивление нагрузки ZH.
Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а низкого напряжения — обмоткой низшего напряжения (НН). Начала и концы обмотки ВН обозначают буквами А и X; обмотки НН — буквами а и х.
При подключении к сети в первичной обмотке возникает переменный ток i1 , который создает переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС — е1 и е2, пропорциональные, согласно закону Максвелла, числам витков w1 и w2 соответствующей обмотки и скорости изменения потока dФ/dt.
Рис. 2.1. Электромагнитная система однофазного трансформатора : 1,2 — первичная и вторичная обмотки; 3 — магнитопровод
Таким образом, мгновенные значения ЭДС, индуцированные в каждой обмотке,
Следовательно, отношение мгновенных и действующих ЭДС в обмотках определяется выражением
Если пренебречь падениями напряжения в обмотках трансформатора, которые обычно не превышают 3 — 5% от номинальных значений напряжений U1 и U2, и считать E1≈U l и Е2≈U2, то получим
Следовательно, подбирая соответствующим образом числа витков обмоток, при заданном напряжении U1 можно получить желаемое напряжение U2. Если необходимо повысить вторичное напряжение, то число витков w2 берут больше числа w1; такой трансформатор называют повышающим. Если требуется уменьшить напряжение U2, то число витков w2 берут меньшим w1; такой трансформатор называют понижающим,
Отношение ЭДС ЕВН обмотки высшего напряжения к ЭДС ЕНН обмотки низшего напряжения (или отношение их чисел витков) называют коэффициентом трансформации
Коэффициент k всегда больше единицы.
В системах передачи и распределения энергии в ряде случаев применяют трехобмоточные трансформаторы, а в устройствах радиоэлектроники и автоматики — многообмоточные трансформаторы. В таких трансформаторах на магнитопроводе размещают три или большее число изолированных друг от друга обмоток, что дает возможность при питании одной из обмоток получать два или большее число различных напряжений (U2, U3, U4 и т.д.) для электроснабжения двух или большего числа групп потребителей. В трехобмоточных силовых трансформаторах различают обмотки высшего, низшего и среднего (СН) напряжений.
В трансформаторе преобразуются только напряжения и токи. Мощность же остается приблизительно постоянной (она несколько уменьшается из-за внутренних потерь энергии в трансформаторе). Следовательно,
При увеличении вторичного напряжения трансформатора в k раз по сравнению с первичным, ток i2 во вторичной обмотке соответственно уменьшается в k раз.
Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику постоянного тока, то в его магнито-проводе образуется магнитный поток, постоянный во времени по величине и направлению. Поэтому в первичной и вторичной обмотках в установившемся режиме не индуцируются ЭДС, а следовательно, не передается электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Такой режим опасен для трансформатора, так как из-за отсутствия ЭДС E1 первичной обмотке ток I1 =U1R1 весьма большой.
Важным свойством трансформатора, используемым в устройствах автоматики и радиоэлектроники, является способность его преобразовывать нагрузочное сопротивление. Если к источнику переменного тока подключить сопротивление R через трансформатор с коэффициентом трансформации к, то для цепи источника
где Р1— мощность, потребляемая трансформатором от источника переменного тока, Вт; Р2 = I2 2 R≈ P1 — мощность, потребляемая сопротивлением R от трансформатора.
Таким образом, трансформатор изменяет значение сопротивления R в k 2 раз. Это свойство широко используют при разработке различных электрических схем для согласования сопротивлений нагрузки с внутренним сопротивлением источников электрической энергии.
Может быть, кто-то думает, что трансформатор – это что-то среднее между трансформером и терминатором. Данная статья призвана разрушить подобные представления.
Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.
Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного электрического тока одного напряжения и определенной частоты в электрический ток другого напряжения и той же частоты.
Работа любого трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции, открытой Фарадеем.
Назначение трансформаторов
Разные виды трансформаторов используются практически во всех схемах питания электрических приборов и при передаче электроэнергии на большие расстояния.
Электростанции вырабатывают ток относительно небольшого напряжения – 220, 380, 660В. Трансформаторы, повышая напряжение до значений порядка тысяч киловольт, позволяют существенно снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, а заодно и уменьшить площадь сечения проводов ЛЭП.
Непосредственно перед тем как попасть к потребителю (например, в обычную домашнюю розетку), ток проходит через понижающий трансформатор. Именно так мы получаем привычные нам 220 Вольт.
Самый распространенный вид трансформаторов – силовые трансформаторы. Они предназначены для преобразования напряжения в электрических цепях. Помимо силовых трансформаторов в различных электронных приборах применяются:
- импульсные трансформаторы;
- силовые трансформаторы;
- трансформаторы тока.
Принцип работы трансформатора
Трансформаторы бывают однофазные и многофазные, с одной, двумя или большим количеством обмоток. Рассмотрим схему и принцип работы трансформатора на примере простейшего однофазного трансформатора.
Кстати, в других статьях можно почитать, что такое фаза и ноль в электричестве.
Из чего состоит трансформатор? Во простейшем случае из одного металлического сердечника и двух обмоток. Обмотки электрически не связаны одна с другой и представляют собой изолированные провода.
Одна обмотка (ее называют первичной) подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, называемая вторичной, подключается к конечному потребителю тока.
Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, в витках его первичной обмотки течет переменный ток величиной I1. При этом образуется магнитный поток Ф, который пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС.
Бывает, что вторичная обмотка не находится под нагрузкой. Такой режимы работы трансформатора называется режимом холостого хода. Соответственно, если вторичная обмотка подключена к какому-либо потребителю, по ней течет ток I2, возникающий под действием ЭДС.
Величина ЭДС, возникающей в обмотках, напрямую зависит от числа витков каждой обмотки. Отношение ЭДС, индуцированных в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению количества витков соответствующих обмоток.
Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки.
Идеальный трансформатор
Идеальный трансформатор – трансформатор, в котором отсутствуют потери энергии. В таком трансформаторе энергия тока в первичной обмотке полностью преобразуется сначала в энергию магнитного поля, а далее – в энергию вторичной обмотки.
Конечно, такого трансформатора не существует в природе. Тем не менее, в случае, когда теплопотерями можно пренебречь, в расчетах удобно пользоваться формулой для идеального трансформатора, согласно которой мощности тока в первичной и вторичной обмотках равны.
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Потери энергии в трансформаторе
Коэффициент полезного действия трансформаторов достаточно высок. Тем не менее, в обмотке и сердечнике происходят потери энергии, приводящие к тому, что температура при работе трансформатора повышается. Для трансформаторов небольшой мощности это не представляет проблемы, и все тепло уходит в окружающую среду – используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.
В более мощных трансформаторах воздушного охлаждения оказывается недостаточно, и применяется охлаждение маслом. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В трансформаторах высоких мощностей дополнительно применяются выхлопные трубы – если масло закипает, образовавшимся газам нужен выход.
Конечно, трансформаторы не так просты, как может показаться на первый взгляд — ведь мы рассмотрели принцип действия трансформатора кратко. Контрольная по электротехнике с задачами на расчет трансформатора внезапно может стать настоящей проблемой. Специальный студенческий сервис всегда готов оказать помощь в решении любых проблем с учебой! Обращайтесь в Zaochnik и учитесь легко!
Тема 6.1. Устройство и принцип действия трансформатора.
1. Устройство трансформатора.
2. Принцип действия трансформатора.
3. Коэффициент трансформации.
Трансформатор – статический электромагнитный аппарат, предназначенный для трансформации (изменения) напряжения.
1 – ярмо; 2 и 5 – стержни; 3 и 4 – обмотки.
Ярмо и стержни образуют магнитопровод.
Первичная обмотка – обмотка, которая присоединена к источнику.
Вторичная обмотка – обмотка, к которой присоединяют потребители.
1. По характеру трансформации: понижающие и повышающие.
2. По назначению: силовые и специальные.
3. По числу обмоток: двух- и многообмоточные ( у двухобмоточных имеются первичная и вторичная обмотки; у многообмоточных – первичная и несколько вторичных).
4. По числу фаз: одно- и трёхфазные.
Принцип действия трансформатора.
w1 – первичная обмотка; w2 – вторичная обмотка; I1, I2 – действующие значения токов первичной и вторичной обмоток; U1, U2 – действующие значения напряжений на первичной и вторичной обмотках; Ф – основной магнитный поток, замыкающийся по магнитопроводу.
Принцип действия трансформатора основан на явлении взаимоиндукции: переменный ток первичной обмотки возбуждает переменный магнитны поток, большая часть которого Ф замыкается по магнитопроводу (основной поток). Небольшая часть потока, возбуждённого током первичной обмотки, замыкается по воздуху и называется потоком рассеяния. Поток Ф наводит в обмотка трансформатора ЭДС: в первичной обмотке ЭДС самоиндукции е1 и во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции е2. Если ко вторичной обмотке присоединить потребитель, то под действием ЭДС е2 потечёт ток I2.
В трансформаторе передача энергии от источника к потребителю происходит через магнитное поле, связывающее между собой первичную и вторичную обмотки. Таким образом, источник энергии и потребитель не имеют между собой гальванической связи, т.е. напряжение источника не приложено к потребителю.
В соответствие с законом электромагнитной индукции (формула 2.4):
При синусоидальном напряжении на первичной обмотке основной магнитный поток то же будет синусоидальным, т.е. Ф = Фmsin ωt.
Коэффициент трансформации (k) – отношение числа витков обмотки высшего напряжения к числу витков обмотки низшего напряжения.
Лекция 24
1. Режим холостого хода.
2. Режим работы под нагрузкой.
3. Режим короткого замыкания.
4. Коэффициент полезного действия.
Трансформаторы могут работать в режимах холостого хода, рабочем и короткого замыкания.
1. Режим холостого хода.
В режиме холостого хода трансформатора (рис. 6.3) первичная обмотка включена в сеть под номинальное напряжение (выключатель В1 замкнут), а вторичная обмотка разомкнута выключателем В2 (I2=0).
Уравнение равновесия ЭДС и напряжений в цепи первичной обмотки трансформатора при холостом ходе записывается в соответствии со вторым законом Кирхгофа и имеет следующий вид:
где I01 – ток первичной обмотки при холостом ходе; z1 – полное сопротивление первичной обмотки; I01z1 – падение напряжения на первичной обмотке.
Падение напряжения на первичной обмотке при холостом ходе не превышает 0,5% напряжения U1, поэтому можно считать, что Е1≈ U1. Во вторичной обмотке ток не протекает, поэтому Е2=U2.
Измерив напряжения на обмотках можно определить коэффициент трансформации
При холостом ходе трансформатора полезная мощность (мощность, отдаваемая нагрузке), равна нулю. Вся потребляемая из сети мощность расходуется на потери в самом трансформаторе. Эти потери складываются из потерь на нагревание первичной обмотки и потерь в стали. Расчёты показывают, что потери на нагревание обмотки составляют не более 2% от мощности, потребляемой трансформатором при холостом ходе. Тогда не будет большой ошибкой считать, что мощность Р1, измеренная ваттметром, тратится в основном на потери в стали. Потери в магнитопроводе (в стали) возникают от его перемагничивания и от вихревых токов. Но и те и другие зависят от основного магнитного потока.
Режим холостого хода используется для определения опытным путём потерь в стали трансформатора.
2. Режим работы под нагрузкой.
В этом режиме первичная обмотка подключена к источнику, а ко вторичной обмотке подключена нагрузка Zн.
Под действием индуктированной во вторичной обмотке ЭДС Е2 потечёт ток I2, который возбудит магнитный поток. В соответствии с правилом Ленца этот поток будет препятствовать изменению магнитного потока, возбуждённого током первичной обмотки. Таким образом, магнитный поток, возбуждённый током первичной обмотки при холостом ходе, практически не изменится.
Уравнение равновесия ЭДС и напряжений трансформатора при работе под нагрузкой записываются в соответствии со вторым законом Кирхгофа и имеют следующий вид:
где I1zI – падение напряжения в первичной обмотке; I2z2 – падение напряжения во вторичной обмотке.
Падение напряжения в обмотках трансформатора при номинальной нагрузке составляет 5-10% от номинального напряжения, поэтому можно считать, что
Так же как и при холостом ходе
3. Режим короткого замыкания.
В этом режиме первичная обмотка подключена к сети, а вторичная обмотка замкнута накоротко. Причинами возникновения короткого замыкания могут быть неисправности у потребителя подключённого ко вторичной обмотке или повреждение изоляции этой обмотки. При коротком замыкании токи в первичной и вторичной обмотках достигают величин, превышающих номинальные токи в 10 – 20 и более раз. Такое чрезмерное увеличение тока представляет опасность для трансформатора. Вследствие этого всегда предусматривается защита, предназначенная отключать от сети его первичную обмотку по прошествии некоторого небольшого промежутка времени после возникновения короткого замыкания.
Для определения потерь в меди обмоток используют опыт короткого замыкания, при котором зажимы вторичной обмотки замыкают накоротко (обычно через амперметр), а к первичной обмотке подводят такое пониженное напряжение, чтобы токи в обмотках трансформатора были равны номинальным. Потери в стали при опыте короткого замыкания будут меньше, чем при холостом ходе в 400÷900 раз, поэтому ими можно пренебречь и считать, что мощность, потребляемая трансформатором при опыте короткого замыкания, тратится только на нагревание первичной и вторичной обмоток, т.е. является потерями в меди.
4. Коэффициент полезного действия.
Коэффициент полезного действия трансформатора определяется как отношение полезной мощности P2 к потребляемой P1, т.е.
У современных трансформаторов КПД достигает значения, равного 99%
Наибольшего значения КПД достигает при токе нагрузки I2 = (0,75÷о,8) I2н
Лекция 25.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Лучшие изречения: Для студентов недели бывают четные, нечетные и зачетные. 9496 — 
| 7460 — 
или читать все.
91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.
Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно
