Принцип действия трансформатора:

Рассмотрим двухобмоточный однофазный трансформатор, электромагнитная схема которого представлена на рис. 2.13. Если первичную обмотку подключить к источнику переменного напряжения , то по ней будет протекать ток , который создает в сердечнике переменный магнитный поток

. Этот поток, пересекая витки обмоток трансформатора, наводит в них ЭДС самоиндукции и ЭДС взаимоиндукции : и .

Рис. 2.13

Действующие значения ЭДС зависят от частоты сети , амплитуды магнитного потока и количества витков в первичной и во вторичной обмотках: , . ЭДС первичной обмотки уравновешивает напряжение , а ЭДС вторичной обмотки создает напряжение на выводах вторичной обмотки . Если ко вторичной обмотке подключить нагрузку, то по ней потечет ток , который создает в сердечнике свой размагничивающий поток, направленный противоположно потоку первичной обмотки. При этом результирующий магнитный поток равный не должен измениться, поскольку амплитуда магнитного потока определяется неизменным значением приложенного к первичной обмотке напряжения: . Поэтому ток первичной обмотки и следовательно поток увеличиваются, компенсируя размагничивающее действие тока вторичной обмотки.

Коэффициент трансформации: .

Напряжения и токи в формуле номинальные.

Режимы работы однофазного трансформатора

1. Режим холостого хода.

Холостой ход трансформатора - режим, при котором первичная обмотка подключена на номинальное напряжение сети , а вторичная обмотка разомкнута, либо к ней подключено устройство с большим внутренним сопротивлением (например, вольтметр). На рис. 2.14, а показана схема для проведения режима холостого хода. В первичной обмотке при этом протекает небольшой ток холостого хода , который составляет примерно от номинального тока , где . Для трехфазного трансформатора .

Мощность , потребляемая трансформатором из сети в режиме холостого хода равна магнитным потерям в сердечнике . То есть, эта мощность тратится на нагрев магнитопровода, поскольку по нему протекает рабочий магнитный поток, пропорциональный подведенному напряжению ( ). При неизменных напряжении и частоте : .

а б

Рис. 2. 14

Ток во вторичной обмотке равен нулю , ток в первичной обмотке настолько мал, что потерями в ней, т.е. ее нагревом можно пренебречь.

При номинальном напряжении, подводимом к первичной обмотке , напряжение холостого хода вторичной обмотки будет также равно номинальному . Поэтому из опыта холостого хода можно определить коэффициент трансформации: .

На рис. 2.15 приведены характеристики холостого хода и . Зависимость при малых значениях носит прямолинейный характер вследствие постоянства магнитной проводимости сердечника, затем наблюдается значительное увеличение тока, так как магнитная проводимость уменьшается. Зависимость имеет параболический характер, так как .

На рис 2. 14, б показана схема замещения трансформатора в режиме холостого хода без учета активного сопротивления и потока рассеяния первичной обмотки, по которой можно определить сопротивления магнитной цепи:

для однофазного трансформатора:

для трехфазного трансформатора:

Рис. 2.15

Итак, опыт холостого хода позволяет:

1. Определить магнитные потери в сердечнике трансформатора.

2. Определить коэффициент трансформации.

3. Определить параметры магнитной цепи: .

2. Режим короткого замыкания.

Различают аварийный и опытный режим короткого замыкания.

Опытный режим короткого замыкания – режим, при котором вторичную обмотку замыкают накоротко или на устройство с малым внутренним сопротивлением (например, амперметр), а к первичной подводят такое малое напряжение , при котором токи в обмотках будут номинальными (рис. 2.16, а).

Напряжение короткого замыкания:

Мощность потерь , потребляемая трансформатором из сети в режиме короткого замыкания равна электрическим потерям в обмотках при номинальных токах . Мощность электрических потерь непостоянна и зависит от нагрузки, т.е. , где - коэффициент нагрузки. Мощность в режиме короткого замыкания тратится на нагрев обмоток, поскольку рабочие токи в обмотках вызывают их нагрев. Нагревом сердечника, вследствие его малого магнитного потока, можно пренебречь.

На рис. 2.16, б приведена схема замещения трансформатора в режиме короткого замыкания.

Сопротивления короткого замыкания:

для однофазного трансформатора:

; ; ;

при этом: , .

для трехфазного трансформатора:

; ; .

а б

Рис. 2.16

Коэффициент мощности в режиме короткого замыкания - .

Опыт короткого замыкания позволяет:

1. Провести испытания трансформатора, не подключая к нему нагрузки.

2. Определить электрические потери в обмотках трансформатора.

3. Определить активные и индуктивные сопротивления обмоток.

4. По напряжению короткого замыкания можно определить аварийный ток короткого замыкания и изменение вторичного напряжения: , .

3. Режим нагрузки трансформатора.

При подключении нагрузки к вторичной обмотке трансформатора, в ней появится ток . При номинальной нагрузке ток , а ток в первичной обмотке возрастет от до номинального , компенсируя размагничивающее действие тока .

Трансформатор обладает свойством саморегулирования, т.е. изменение нагрузки трансформатора (тока ), приводит к соответствующему изменению тока .

Вследствие падения напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора, напряжение на зажимах вторичной обмотки изменится. Характеристика, показывающая зависимость напряжения на зажимах источника от тока нагрузки, для трансформатора , называется внешней характеристикой. На рис. 2.17 приведены внешние характеристики идеализированного (1) и реального трансформатора при активно-индуктивной (2) и активно-емкостной нагрузке (3). Изменение вторичного напряжения: .

У силовых трансформаторов при номинальном токе : . Поскольку чаще нагрузка является активно-индуктивной, то трансформаторы проектируют так, чтобы напряжение холостого хода было на 5% больше номинального напряжения его приемников.

Рис. 2.17

Потери в трансформаторе при его работе под нагрузкой называются электромагнитными потерями, которые равны: .

Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора определяют по активной мощности (рис. 2.19):

_,

где - мощность, отдаваемая трансформатором в нагрузку;

- мощность, потребляемая трансформатором из сети;

- коэффициент мощности нагрузки.

КПД трансформатора максимален при , т.е. когда переменные электрические потери равны постоянным магнитным потерям . Примерно . При номинальной загрузке трансформатора КПД снижается, однако это не так важно, поскольку обычно трансформаторы работают в недогруженном режиме с запасом по мощности и при максимальном КПД.

Рис. 2.19