Анализ и расчет магнитных цепей. Трансформаторы.

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции, поэтому для лучшего понимания этого принципа необходимо предварительно рассмотреть электромагнитные процессы в катушке с замкнутым стальным сердечником, включенной в цепь синусоидального тока. При этом следует выяснить причину наведения ЭДС и природу потерь мощности в стальном сердечнике. Особое внимание следует обратить на формулу действующего значения ЭДС, которую индуцирует в катушке синусоидальный магнитный поток и которая используется при расчете всех электромагнитных устройств. Эту формулу необходимо не только помнить, но и уметь выводить. При изучении рабочего процесса трансформатора весьма важно уяснить связь между намагничивающими силами первичной и вторичной обмоток и зависимость тока первичной обмотки от нагрузки трансформатора, т.е. от вторичного тока. Следует обратить внимание на вопросы, имеющие особое значение сточки зрения практического применения трансформаторов: внешнюю характеристику, КПД. При изучении материала этой темы рекомендуется рассмотреть задачи, представленные к конце раздела.

Трансформатор. Назначение. Области применения.

Номинальные величины

Трансформатор статический электромагнитный аппарат, который посредством магнитного поля преобразует переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

При передаче электрической энергии потери мощности ∆P на нагрев проводов пропорциональны квадрату тока:

∆P= (4.1)

где R сопротивление проводов линии электропередачи.

При этом передаваемая полная мощность равна:

S=UI . (4.2)

Следовательно, одну и ту же мощность можно передать при различных соотношениях напряжения и тока в линии. С учетом (4.1) можно сделать вывод, что с точки зрения снижения потерь в линии электропередачи, целесообразно электрическую энергию передавать при максимально возможном напряжении на линии и минимальном токе. Поэтому в месте производства электроэнергии переменное напряжение, поступающее с генератора (U_г<30 кВ) с помощью трансформатора повышают до 220-750 кВ, а в месте потребления энергии снова с помощью трансформатора снижают до требуемого потребителю напряжения 380/220 В.

Трансформаторы содержат большинство электротехнических устройств: источники питания различной мощности, компьютеры, осциллографы, теле-, радиопередатчики и приемники, блоки управления различными станками и промышленными установками и т.д.

Выпускаются повышающие и понижающие трансформаторы мощностью от милливатт до сотен мегаватт. Кроме силовых, различают измерительные, согласующие, разделительные трансформаторы. Они бывают низкочастотными и высокочастотными – рассчитанными на преобразование переменного напряжения частотой до десятков мегагерц; однофазными и многофазными; с обычными (медными или алюминиевыми) и сверхпроводящими обмотками, залитыми жидким азотом.

Рис. 4.1. Электромагнитная схема трансформатора

Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, который набирается из отдельных листов электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака. Делается это для уменьшения вихревых токов. На сердечнике располагаются две катушки, их называют обмотками, которые изолированы от сердечника и не имеют электрической связи друг с другом. Обмотка, которая подключается к источнику энергии, называется первичной. Обмотка, к которой подключается приемник энергии, называется вторичной. Начало и конец обмотки высшего напряжения обозначаются соответственно начальными и конечными буквами латинского алфавита ”А” и ”Х”. Начало и конец обмотки низшего напряжения обозначаются теми же малыми буквами латинского алфавита ”а” и ”х”. При подключении первичной обмотки, имеющей w₁ витков, к источнику синусоидального напряжения - u₁, в цепи первичной обмотки течет ток - i₁. Намагничивающая сила этого тока i₁w₁ создает переменный магнитный поток Ф, основная часть которого Ф_осн. (на рис. 4.1 он обозначен пунктирной линией) замыкается по сердечнику, пронизывая обе обмотки. Незначительная часть потока Ф замыкается в воздухе, пронизывая только витки первичной обмотки, он называется потоком первичного рассеяния Ф_р1.. Основной поток пронизывает обе обмотки и индуцирует в них электродвижущие силы:

e₁=-w_{1 ,} (4.3)

e₂=-w_{2 .} (4.4)

Поток рассеяния в первичной обмотке индуцирует ЭДС первичного рассеяния e_р1, которую в инженерных расчетах из-за ее малости можно не учитывать.

Если вторичная обмотка замкнута, то под действием ЭДС ”е₂” в цепи вторичной обмотки потечет ток.

Отношение электродвижущих сил определяется отношением чисел витков первичной и вторичной обмоток и для данного трансформатора есть постоянная величина, которая называется коэффициентом трансформации:

k₁₂ = = . (4.5)

Величина коэффициента трансформации может быть найдена экспериментально или вычислена по паспортным данным.

В паспорт трансформатора заносятся величины, характеризующие усло-

вия работы, на которые рассчитан трансформатор, называемые номинальными.

Номинальной полезной мощностью трансформатора называется полная мощность на зажимах вторичной обмотки -

Она приблизительно равна полной мощности потребляемой первичной обмоткой - , т.е.:

= . (4.6)

Номинальным напряжением обмотки U_1н, U_2н называется напряжение на ее зажимах при холостом ходе трансформатора.

Номинальным током называется ток, связанный с номинальной мощностью и номинальным напряжением соотношением:

I_н= . (4.7)