Трансформатор
Трансформатор представляет собой замкнутый магнитопровод, на котором расположены две или несколько обмоток (на рис.8 приведен однофазный трансформатор с двумя обмотками).
Трансформатор предназначен для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения.
Работа трансформатора основана на явлении взаимной индукции, которое является следствием закона электромагнитной индукции.
При подключении
первичной обмотки трансформатора к
сети переменного тока напряжением
по обмотке начнет проходить ток
,
который создаст в магнитопроводе
переменный магнитный поток
(рис.8). Этот поток
порождает в первичной обмотке ЭДС
самоиндукции
,
которая будет уравновешивать напряжение
.
Магнитный поток,
пронизывая также витки вторичной
обмотки, индуцирует в ней ЭДС
,
которую можно использовать для питания
нагрузки
.
К зажимам первичной
обмотки обычно подводится гармоническое
напряжение
,
тогда магнитный поток и ЭДС
и
также меняются по гармоническим законам:
,
,
,
причем можно показать, что справедлива
следующая формула связи между действующими
значениями
ЭДС
и
(о действующих значениях мы поговорим
в разделе, посвященном гармоническому
режиму работы цепи) и амплитудным
значением магнитного потока
:
, (4)
, (5)
где
и
- числа витков обмоток.
Примечание1.
Действующие значение
какой-либо электрической величины
,
меняющейся по гармоническому закону:
,
связано с амплитудным значением этой
величины
так:
.
Если поделить одно равенство на другое, получим:
,
(6)
где величина
– отношение чисел витков обмоток
трансформатора, называется коэффициентом
трансформации.
Из формулы (6) видно, что если число витков первичной катушки (обмотки) превышает число витков вторичной, то и действующее значение ЭДС больше действующего значения ЭДС в раз.
При этом условии
-
- трансформатор называют понижающим.
Если же
,
то и
,
и тогда трансформатор называют повышающим.
Что же можно
сказать об отношении мгновенных значений
ЭДС
?
Будет ли оно оставаться постоянным и
равным
?
Поскольку обе ЭДС порождаются одним и тем же магнитным потоком, то обе они будут меняться гармонически и с равными фазами, совпадающими с фазой магнитного потока. (Для обоснования этого вспомните математическое выражение закона электромагнитной индукции).
Так как мощности
на входе и выходе трансформатора равны
,
,
то, учитывая большой КПД трансформатора,
можем записать:
. (7)
В линиях электропередачи в основном используются трехфазные силовые трансформаторы. Магнитопровод трехфазного трансформатора имеет три стержня, на каждом из которых размещены по две обмотки одной фазы (рис. 9).
Для подключения
трансформатора к линиям электропередачи
на крышке бака имеются вводы, представляющие
собой фарфоровые изоляторы, внутри
которых проходят медные стержни. Вводы
высшего
напряжения
обозначают заглавными буквами
,
а низшего – строчными -
.
Ввод нулевого провода обозначают
.
Относительно каких напряжений – фазных или линейных – определяют коэффициент трансформации трехфазного трансформатора и как влияет на способ соединения обмоток источника и приемника?
Оказывается, что этот коэффициент обычно определяют относительно линейных напряжений, и он зависит от способа соединения обмоток. Эти способы таковы: 1) соединение первичных и вторичных обмоток звездой (рис.10а), 2) соединение первичных обмоток звездой, вторичных – треугольником; 3) соединение первичных обмоток треугольником, вторичных – звездой.
Пусть
- коэффициент трансформации соответствующего
однофазного трансформатора, т.е. отношение
числа обмоток одной фазы:
.
Если через
обозначить коэффициент трансформации
линейных напряжений, то для указанных
трех случаев получим:
соединение по схеме звезда – звезда:
; (8)
соединение по схеме звезда – треугольник:
; (9)
соединение по схеме треугольник – звезда:
. (10)
Примечание Связи между линейными и фазными напряжениями для цепей типов “треугольник” и “звезда”, которые приведены на рис. 10 и используются в (8)-(10), пока примите без обоснования.
Какой вывод следует из (8)-(10)?
Мы видим, выбирая ту или иную схему соединения первичной и вторичной обмоток трехфазного трансформатора, можно существенно изменять коэффициент трансформации, причем минимальный и максимальный коэффициенты трансформации отличаются в три раза. Очевидно, возможность такой регулировки коэффициента трансформации является преимуществом трехфазного трансформатора перед однофазным.
Область применения трансформаторов весьма многочисленна: их применяют в линиях электропередачи, в технике связи, в автоматике, измерительной технике и других областях.
В соответствии с назначением различают: силовые трансформаторы – для питания электрических двигателей и осветительных сетей; специальные трансформаторы – для питания сварочных аппаратов, электропечей и других приборов особого назначения; измерительные, служащие для подключения измерительных приборов.
Расчетные мощности трансформаторов различны – от долей вольт-ампер до десятков тысяч киловольт-ампер; рабочие частоты – от единиц герц до сотен килогерц.
Одно из преимуществ
трансформатора – он не имеет движущихся
частей и скользящих контактных соединений,
благодаря чему его КПД (
)
– отношение мощности на выходе
(мощности, потребляемой нагрузкой
)
к мощности на входе -
- достигает 99%.
Пример. По схеме трансформатора, приведенной на рис.11, определить, повышающий он или понижающий. Определить также КПД трансформатора и амплитудные значения тока и напряжения потребителя.
1
)
Без всякого расчета можно сказать, что
трансформатор повышающий, так как число
витков вторичной катушки больше числа
витков первичной катушки.
2)
искомое КПД,
где
,
.
.
В силу Примечания для амплитудных значений выходных токов и напряжений получим:
,
.