Короткі теоретичні відомості. Трансформатор — важливіший елемент сучасних енергетичних систем, один з найбільш розповсюджених електротехнічних апаратів

Трансформатор — важливіший елемент сучасних енергетичних систем, один з найбільш розповсюджених електротехнічних апаратів. Він призначений для перетворення електричної енергії однієї напруги в електричну енергію іншої при незмінній частоті. Робота трансформатора заснована на використанні явища електромагнітної індукції.

Основні частини трансформатора — замкнуте феромагнітне осердя та обмотки. Принципово осердя відрізняється від котушки наявністю ще однієї обмотки. Осердя виготовляється з окремих ізольованих листів трансформаторної сталі, товщина яких при частоті 50 Гц складає 0,35 або 0,5 мм.

Сталеве осердя зменшує магнітний опір для основного магнітного потоку та збільшує магнітний зв’язок між обмотками, що створює сприятливі умови для передачі електричної енергії з первинної обмотки на вторинну. Тому осердя трансформатора називають також магнітопроводом.

В залежності від конструкції магнітопроводу трансформатори можна поділити на стрижневі, броневі та спеціальні. Зразки цих конструкцій представлені на лабораторних стендах.

Обмотки трансформатора виготовляються з ізольованого мідного (алюмінієвого) проводу. Для трансформаторів малої потужності обмотки виконуються концентричними.

Обмотка, що з’єднана з джерелом електричної енергії, називається первинною. Обмотка, до якої приєднується навантаження, називається вторинною.

На рисунку 13.1 зображено схему однофазного двообмоткового трансформатора. Підведена до первинної обмотки від мережі змінна напруга U ₁ створює в ній струм і ₁.

Під дією магнітного потоку, що зв’язує обидві обмотки, названого основним або робочим потоком, в них виникають змінні ЕРС

(13.1)

i 1

u 1

Ф 0

w 1

w 2

ФS 1

ФS 2

i 2

u 2

zн

Рисунок 13.1 - Схема однофазного двообмоткового трансформатора

Якщо до вторинної обмотки під’єднати навантаження, то під дією ЕРС е ₂₀ в ній буде протікати струм і ₂. Таким чином відбувається передача електричної енергії змінного струму з первинного ланцюга до вторинного.

Відношення ЕРС, яке дорівнює відношенню кількості витків обмоток, називається коефіцієнтом трансформації

(13.2)

Струми і ₁ та і ₂ створюють первинну та вторинну МРС та спільна дія яких дорівнює МРС х.х. та пов’язана рівнянням рівноваги МРС

(13.3)

Електромагнітні процеси в трансформаторі описуються рівняннями Кірхгофа для первинного та вторинного кола

(13.4)

де r ₁, r ₂ — активні опори обмоток; L_{S 1}, L_{S 2} — індуктивності розсіяння обмоток.

Для зручності розрахунку та порівняння величин, які характеризують процеси в первинному та вторинному колах, обмотки трансформатора часто приводять до однієї кількості витків, отримуючи приведений трансформатор. Замінивши істинні величини приведеними, можна записати рівняння електричного стану приведеного трансформатора (13.5). Цим рівнянням відповідає еквівалентна схема заміщення трансформатора, зображена на рисунку 13.2.

(13.5)

І 1 х

xS 1

g 0

r 1

b 0

U 1

I 1

Рисунок 13.2 - Еквівалентна схема заміщення трансформатора

Параметри схеми заміщення знаходять з двох дослідів — х.х. та короткого замикання по формулам (13.6) – (13.10).

(13.6)

Коефіцієнт трансформації трансформатора можна визначити із співвідношень

(13.7)

Досліди х.х. та короткого замикання трансформатора дозволяють визначити його ККД при номінальному навантаженні

(13.8)

та в проміжних значеннях

(13.9)

де — втрати потужності х.х., які дорівнюють втратам в сталі, Вт;

— втрати потужності короткого замикання, які дорівнюють втратам в міді, Вт; — коефіцієнт навантаження, — номінальна потужність трансформатора.

Зміна струму навантаження трансформатора призводить до зміни вторинної напруги U ₂ в порівнянні з напругою х.х. U _{2 х} . Ця зміна характеризується у відсотках:

(13.10)

Розрахунки ілюструють будовою векторної діаграми, на якій наочно можна бачити струми і напруги на вході та виході трансформатора.

Рисунок 13.3

Будову векторної діаграми трансформатора за дослідними даними необхідно починати з вектора первинної напруги який відкладають вертикально, після чого під кутом φ ₁ відкласти вектор первинного струму розрахувати спади напруг на опорах первинної обмотки та відкласти їх відповідно від кінця вектора за допомогою засічок побудувати рівняння рівноваги струмів, що дозволяє визначити напрямок струму х.х. і струму за відомомим напрямком струму та куту φ ₂ відкласти вектор напруги а розрахувавши спади напруг на активному та реактивному опорах вторинної обмотки, прибудувати їх до кінця вектора і отримати в сумі ЕРС Точність експерименту та правильність побудови перевіряється тим, що отримані при побудові та повинні бути рівними. Приклад векторної діаграми навантаженого трансформатора показаний на рисунку 13.3.