2. Трансформаторы

Трансформатор представляет собой статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения без изменения частоты.

Однофазные трансформаторы небольшой мощности применяют в качестве сварочных, измерительных, испытательных, специального назначения и для бытовых нужд. Мощные однофазные силовые трансформаторы служат для трансформации электрической энергии трехфазного тока и для питания специальных промышленных установок.

Основные части трансформатора: сердечник (магнитопровод) из листовой электротехнической стали и две обмотка – первичная и вторичная, связанные индуктивно при помощи магнитного потока.

Электрические цепи первичной и вторичной обмоток в трансформаторе электрически разделены. Обмотка трансформатора, подключаемая к сети, называется первичной, обмотка, к которой подключен приемник (нагрузка) – вторичной. Все величины, относящиеся к этим обмоткам (токи, напряжения, ЭДС и т.п.), соответственно обозначают индексом 1 (I₁, U₁, E₁) и 2 (I₂, U₂, E₂) и называются первичными и вторичными (рис. 1.1).

Рис. 1.1

Под действием переменного напряжения u₁(t) в первичной обмотке протекает переменный ток i₁(t), который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф(t). Замыкаясь по магнитопроводу, этот поток пронизывает обмотки трансформатора и наводит в них ЭДС :

в первичной обмотке (1.1)

и во вторичной обмотке (1.2)

Если магнитный поток трансформатора является синусоидальной функцией времени

(1.3)

то после подстановки его в уравнения (1.1) и (1.2) и дифференцирования можно получить выражения для действующих значений ЭДС первичной и вторичной обмоток

(1.4)

где f – частота питающей сети;

w₁, w₂ – числа витков соответствующих обмоток трансформатора.

1. Опыт холостого хода трансформатора

В опыте холостого хода (ХХ) первичная обмотка трансформатора присоединяется к источнику переменного тока напряжением U_1н, а вторичная цепь трансформатора размыкается, т.е. I₂ = 0. Под действием приложенного напряжения U₁ в первичной цепи протекает ток I₁₀ , называемый током холостого хода.

Уравнения электрического состояния для первичной и вторичной цепей трансформатора на основании второго закона Кирхгофа в комплексной форме записи будут иметь вид

(1.5)

(1.6)

где R₁ – активное сопротивление первичной обмотки;

Х₁ – индуктивное сопротивление первичной обмотки.

Ток холостого хода равен

(1.7)

где - активная составляющая тока холостого хода;

- реактивная составляющая тока холостого хода, называемая намагничивающим током.

Векторная диаграмма трансформатора в режиме ХХ подобна векторной диаграмме катушки со стальным сердечником (рисунок 1.2).

Рис. 1.2

Ток I₁₀ очень мал и обычно не превышает нескольких процентов от номинального первичного тока. Поэтому с большой степенью точности уравнение (1.5) можно записать

(1.8)

Обычно , поэтому ₀ близок к 90.

При холостом ходе отношение первичного ко вторичному напряжению равно с большой точностью коэффициенту трансформации

(1.9)

Мощность Р₀, потребляемая трансформатором в режиме ХХ, равна магнитным потерям (потери в стали), т.е. Р₀  Р_ст.