Однофазный трансформатор. Назначение, принцип действия, устройство. Коэффициент трансформации.
Область применения трансформаторов:
1. В системах передачи и распределения энергии.
2. Мощные трансформаторы (1000 и более кВА), предназначенные для использования в преобразовательных устройствах, электротехнологических установках (сварных, для питания электротермических установок и т.д.).
3. Основной интерес для нас представляют трансформаторы, используемые в установках связи, автоматики и в электроприводах, электробытовых приборах, для питания цепей систем управления, разделения и согласования электрических цепей.
Принцип действия и устройство однофазного трансформатора:
Трансформатор представляет собой статическое электромагнитное устройство для преобразования переменного тока одного напряжения, в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте.
Работа электрических машин базируется на явлении электромагнитной индукции.
Сущность этого явления, открытого Фарадеем в 1831 г. заключается в том, что в проводнике, пересекающем магнитное поле, наводится электродвижущая сила (ЭДС).
При этом если проводник замкнут на некоторое сопротивление, то в этой замкнутой цепи появляется электрический ток.
В проводнике, пересекающемся в плоскости, перпендикулярной направлению магнитных силовых линий наводится ЭДС (рис.1)
E=B*lпр*пр (1)
Где е – мгновенное значение ЭДС, В;
b – магнитная индукция, Т;
lпр – длина активной части проводника. (т.е. той, которая находится в магнитном поле), м
пр – скорость движения проводника, относительно поля, м/с
Рис.1 . К явлению электромагнитной индукции Рис.2 Правило правой руки.
Направление ЭДС в проводнике определяется правилом правой руки: Если в ладонь правой руки расположить по направлению к северному полюсу N, а отставленный большой палец по направлению движения проводника, то вытянутые четыре пальца укажут направление наведенных ЭДС. (рис.2)
Применяя это правило к проводнику, изображенному на рис.1, найдем что ЭДС направлена от нас за плоскость чертежа. Такое направление ЭДС и соответственно тока условились изображать в сечении проводника знаком «+», а направление их к нам «». Если магнитное поле движется , а проводник остается неподвижным, то для определения направления ЭДС можно также использовать правило правой руки, но необходимо действительное движение поля заменить обратным.
Во многих случаях пользуются формулировкой закона электромагнитной индукции, данной Максвеллом: Величина ЭДС, наводимой в контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф, пронизывающую контур, т.е.
(2)
Знак «-» в формуле 2 показывает, что ток контура, обусловленный наведенной ЭДС стремится противодействовать изменению потока, пронизывающую контур. Если поток, пронизывающий контур, будет уменьшаться, то направление тока в контуре будет таково, что созданный током поток стремится увеличить число пронизывающих магнитных линий, т.е. компенсировать уменьшение потока, пронизывающего контур.
При увеличении потока, пронизывающего контур, картина будет обратной.
Независимо от формулировки закона электромагнитной индукции, он требует, чтобы электромагнитный механизм содержал, во-первых, часть создающую электромагнитное поле, и, во-вторых, часть, представляющую собой в общем случае совокупность проводников, пересекающих линии магнитного поля. Физически безразлично, как именно создается магнитное поле. Но в электрических машинах оно чаще всего создается электромагнитным путем с помощью стального сердечника, с намотанной на него катушкой, по которой течет электрический ток. Это позволяет создать поля большой интенсивности, регулировать их и таким образом воздействовать на рабочие характеристики. Большое распространение для создания магнитного поля в микромашинах получили постоянные магниты, что имеет определенные преимущества перед электромагнитным способом создания магнитного поля.
Точно также из соображений технической целесообразности проводники обычно делаются из меди и иногда из алюминия, так как эти металлы обладают хорошей электропроводностью.
Наведение ЭДС осуществляется разными путями. Так, например, в машинах постоянного тока поле неподвижно, а проводники вращаются, в синхронных машинах, наоборот, поле вращается, а проводники неподвижны; в асинхронных машинах вращаются и поле и проводники ротора, причем их вращение возможно в одну и ту же сторону, либо в разные.
В трансформаторах поле и витки катушки неподвижны в пространстве; ЭДС в витках получается за счет изменения величины магнитного потока, сцепляющегося с витком.
С точки зрения электромагнитной индукции безразлично как именно осуществляется пересечение магнитных линий проводниками: перемещением проводников относительно поля или изменением магнитного потока в контуре.
Если в магнитном поле с индукцией В поместить проводник длинной Lпр, по которому течет ток I, то между проводником с током и полем возникает электромагнитная сила, Н, равная
(3)
Где f – мгновенное значение силы, Н;
l – активная длина проводника, м;
i – мгновенное значение силы тока в проводнике, А;
B- магнитная индукция, Т.
Направление действия электромагнитной силы определяется правилом левой руки, а именно: ладонь левой руки располагается в магнитном поле так, чтобы линии поля были направлены в ладонь, а 4 пальца руки, вытянутые в плоскости ладони, располагаются в направлении тока, тогда большой палец, отогнутый в плоскости ладони, покажет направление электромагнитной силы.
Электромагнитные силы создают в электродвигателе вращающий момент. В генераторе электромагнитные силы проявляются при нагрузке машины как противодействие вращающему моменту первичного двигателя.
Устройство трансформатора:
Простейший однофазный трансформатор представляет собой замкнутый магнитопровод (сердечник) с расположенными на нем 2-мя обмотками. Одну из них, имеющую число витков W1 , подключают к источнику электрической энергии с переменным напряжением. Она называется первичной обмоткой трансформатора. Другая обмотка, имеющая число витков W2 называется вторичной.
Назначение первичной обмотки – получать электрическую энергию от генератора и передавать ее во вторичную обмотку. Назначение вторичной обмотки – преобразовывать (трансформировать (повышать или понижать)) напряжение первичной обмотки и при заданном номинальном напряжении питать потребителей электрической энергии, полученной от первичной обмотки.
Электрическая схема однофазного трансформатора в простейшем случае состоит из двух обмоток, размещенных на замкнутом магнитопроводе, выполненном из ферромагнитного материала. Применение ферромагнитного материала позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т.е. уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток машины (рис.3)
Рис.3. Электромагнитная схема однофазного рис.4. Электрическая схема
Трансформатора однофазного трансформатора.
1-2 – первичная и вторичная обмотки
3 - магнитопровод
Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой более высшего напряжения (ВН), а низкого напряжения – обмоткой низшего напряжения.
Начало и конец обмотки АХ для ВН и АХ для НН.
При подключении
к сети в первичной обмотке возникает
переменный ток I1, который создает
магнитный поток Ф, замыкающийся по
магнитопроводу. Поток Ф индуцируют в
обеих обмотках переменные ЭДС – Е1 и
Е2, пропорциональное, согласно закону
электромагнитной индукции, числам
витков W1 и W2 соответствующей обмотке и
скорости изменения потока
.
Т.о. мгновенная ЭДС, индуцирующая в
каждой обмотке:
Отношение мгновенных действующий ЭДС определяется выражением
(4)
Если пренебречь падениями напряжения в обмотках трансформатора, которая обычно не превышает 3…5% относительного значения напряжений U1 и U2 и считать Е1 U1 и Е2 U2 , то получим
(5)
Следовательно, подбирая соответствующим образом число витков обмоток при заданном напряжении U1 можно получить желаемое напряжение U2 .
Если необходимо повысить вторичное напряжение, то число витков W2 берут большим W1. Такой трансформатор называется повышающим. Если требуется уменьшить напряжение U2 ,то число витков W1 берут большим W2 , такой трансформатор называется понижающим.
Отношение ЭДС Евн обмотки высшего напряжения к ЭДС обмотки низшего напряжения Енн (или отношение числа витков) называется коэффициентом трансформации.
(6)
В трансформаторе преобразуются не только напряжения трансформатора в К раз, но и токи, мощность остается приблизительно постоянной (она несколько уменьшается из-за внутренних потерь энергии в трансформаторе), следовательно,
(7)
При увеличении вторичного напряжения в К раз по сравнению с первичным, ток I2 во вторичной обмотке соответственно уменьшается в К раз.