8.2. Устройство и принцип действия однофазного трансформатора

Трансформатор выполнен на базе замкнутого магнитопровода, собранного из листов электротехнической стали. На магнитопроводе имеются обмотки. Трансформатор обычно имеет одну первичную и одну или несколько вторичных обмоток. Схема однофазного трансформатора с одной вторичной обмоткой представлена на рис. 8.1.

К первичной обмотке подводится питающее напряжение U₁. С вторичной обмотки снимается напряжение U₂, которое подводится к потребителю электрической энергии.

Основными рабочими характеристиками трансформатора являются:

• номинальное первичное напряжение U₁;

• номинальное вторичное напряжение U₂;

• номинальный первичный ток I₁;

• номинальный вторичный ток I₂;

• номинальный коэффициент трансформации n;

• номинальная полная мощность S_Н;

• коэффициент мощности cosφ;

• коэффициент полезного действия η.

Под действием напряжения, приложенного к первичной обмотке, в ней протекает ток I₁, произведение I₁w₁ является МДС первичной обмотки F₁, а произведение I₂w₂ – МДС вторичной обмотки F₂. Результирующая МДС F определяет величину основного магнитного потока Ф₀, замыкающегося по магнитопроводу:

F = F₁ – F₂ = I₁w₁ – I₂w₂, (8.2)

где w₁ – количество витков первичной обмотки трансформатора; w₂ – количество витков вторичной обмотки трансформатора.

, (8.3)

где l – длина магнитной линии магнитопровода трансформатора; S – площадь сечения магнитопровода трансформатора.

Основной магнитный поток Ф₀ наводит ЭДС самоиндукции в первичной обмотке Е₁ и ЭДС взаимоиндукции Е₂ во вторичной обмотке:

Е₁ = 4,44f₁w₁Ф₀; (8.4)

Е₂ = 4,44f₁w₂Ф₀. (8.5)

Коэффициент трансформации трансформатора:

. (8.6)

Для определения характеристик трансформатора проводят опыты холостого хода и короткого замыкания.

8.3. Работа трансформатора в режиме холостого хода

В режиме холостого хода (рис. 8.2) к первичной обмотке трансформатора «AX» подводится напряжение, равное номинальному его значению U_1Н. Вторичная обмотка трансформатора «ax» при этом разомкнута и ток в ней равен нулю (I₂=0), в то время как в первичной обмотке трансформатора будет ток холостого хода I₁₀, значение которого обычно невелико и составляет порядка 3-10 % от номинального тока первичной обмотки I_1H. С увеличением номинальной мощности трансформатора относительное значение тока холостого хода снижается.

Воспользовавшись вторым законом Кирхгофа для первичной и вторичной цепей трансформатора в режиме холостого хода, можно получить уравнения электрического равновесия:

; (8.7)

, (8.8)

где:

. (8.9)

Пренебрегая влиянием падения напряжения на первичной обмотке трансформатора I₁₀∙Z₁ ввиду его небольшого значения по сравнению с E₁, коэффициент трансформации приближенно можно определить по показаниям приборов при опыте холостого хода как отношение первичного напряжения U_1Н ко вторичному напряжению U₂₀:

. (8.10)

Активная мощность, потребляемая трансформатором в режиме холостого хода P₀, затрачивается на потери мощности в магнитопроводе P_м и электрические потери мощности в первичной обмотке Р_Э1:

P₀=P_м + Р_Э1. (8.11)

Так как активное сопротивление первичной обмотки R₁, как и ток холостого хода I₀ трансформатора, обычно незначительно, то электрические потери в этой обмотке оказываются очень небольшими и ими можно пренебречь. В результате этого можно принять, что мощность, потребляемая трансформатором в опыте холостого хода и измеряемая ваттметром, расходуется на потери в магнитопроводе, обусловленные гистерезисом и вихревыми токами т. е. Р₀ = Р_м.