Трансформатором называется статическое (т.е. без движущихся элементов) электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования величины одного переменного напряжения в напряжение другой величины той же частоты.
Преобразование величины напряжения осуществляется благодаря явлению электромагнитной индукции. Обмотка трансформатора, соединенная с источником переменного напряжения, называется первичной. Обмотка, к которой присоединяется приемник электроэнергии, называется вторичной.
Обмотки трансформатора не соединены между собой по постоянному току, поэтому напряжение на вторичной обмотке трансформатора появляется только при изменении величины напряжения в первичной обмотке. Это свойство трансформаторов позволяет использовать их для разделения постоянной и переменной составляющих напряжения. В частности, трансформаторы используют для изоляции части электрической цепи по постоянному току от высокого переменного напряжения электрической сети.
Обмотки трансформаторов обычно наматываются в пазах замкнутого сердечника (магнитопровода), набираемого из отдельных, изолированных друг от друга слоем лака, листов электротехнической стали. Относительная магнитная проницаемость электротехнической стали достигает 10000…20000. Обычно в пазах магнитопровода размещаются несколько катушек с обмотками. Принципиальная схема включения двухобмоточного трансформатора приведена на рис.5.1.
Рис.5.1.Принципиальная схема включения двухобмоточного трансформатора с измерительными приборами.
На рисунке изображен двухобмоточный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к источнику переменного напряжения U1 Напряжение подводится к первичной обмотке трансформатора через два предохранителя и коммутатор К1.При замыкании коммутатора К1 напряжение U1 подается на первичную обмотку трансформатора. При этом на вторичной обмотке трансформатора появляется напряжение U2.
Во входной цепи трансформатора включены: вольтметр (V1), амперметр (A2) и ваттметр (W). Параллельно вторичной обмотке трансформатора включен вольтметр (V2), измеряющий напряжение U2 и амперметр, измеряющий ток I2 , протекающий через сопротивление нагрузки (Ζн), а также коммутатор К2,отключающий сопротивление нагрузки (режим холостого хода).
На щитках мощных трансформаторов обозначаются:
1.Номинальные высшее (U1ном) и низшее (U2ном)напряжения, на которые рассчитан трансформатор в [В].
2.Номинальная полная мощность S ном в [В•А].
3.Токи,протекающие в обмотках, при номинальной полной мощности трансформатора в [A].
РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Различают следующие режимы работы трансформаторов:
-Режим повышающего трансформатора, когда U2 больше U1.
-Режим понижающего трансформатора, когда U2 меньше U1.
-Режим номинальный при номинальных значениях напряжений и токов в первичной обмотке.
-Режим рабочий - при номинальном напряжении в первичной обмотке и токе I1, определяемым нагрузкой трансформатора.
-Режим холостого хода, когда ток во вторичной обмотке равен нулю.
-Режим короткого замыкания, когда напряжение вторичной обмотки рано нулю.
Отношение Э.Д.С. первичной обмотки к Э.Д.С.. во вторичной обмотке называется коэффициентом трансформации
n12=W1/W2 , (5.1)
где W1 и W2 – число витков первичной и вторичной обмоток.
Приближенно коэффициент трансформации определяется как отношение напряжения в первичной обмотке к напряжению вторичной обмотки при опыте холостого хода
n12=U1/U2. (5.2)
Маломощные трансформаторы могут использоваться как повышающие и как понижающие, поэтому в паспорте трансформатора коэффициент трансформации обозначается как отношение высшего напряжения к низшему напряжению.
КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА
Коэффициент полезного действия силовых электротехнических трансформаторов очень высок и обычно равен в номинальном режиме 0,98…..0,99. Потери энергии в трансформаторах складываются из потерь в сердечнике и потерь в обмотках. Потери в сердечнике в свою очередь складываются из потерь на вихревые токи и потерь, связанных с явлением гистерезиса - нелинейной и неоднозначной зависимостью магнитной индукции от напряженности магнитного поля. Для уменьшения потерь на вихревые токи 'сердечники трансформаторов набираются из тонких, изолированных слоем лака стальных листов.
ОПЫТЫ ХОЛОСТОГО ТОКА И КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
Потери из-за гистерезиса зависят от качества (сорта) электротехнической стали, а также от частоты колебаний переменного напряжения и напряженности магнитного поля в сердечнике. Экспериментально потери в стали определяются из опыта холостого хода трансформатора, когда ток I2 = 0, а ток I1 имеет небольшую величину (единицы процентов от номинальной величины). При этом потери в нагрузке равны нулю, потери в проводах ничтожно малы и практически вся мощность, потребляемая трансформатором, расходуется на покрытие потерь в сердечнике трансформатора Р1хх≈ Рст.
Потери в проводах обмоток трансформатора определяются из опыта короткого замыкания. Опытом короткого замыкания называют режим работы трансформатора, при котором сопротивление нагрузки во вторичной обмотке близко к нулевому, а ток в первичной обмотке устанавливается равным номинальному. Это достигается подведением к первичной обмотке трансформатора напряжения, равного 5–10 процента от номинального. При этом потерями в магнитопроводе можно пренебречь и считать, что мощность потребляемая трансформатором, приближенно равна мощности потерь в проводах первичной и вторичной обмоток Р1к≈ Рпр.
Опыт короткого замыкания используется также для контрольного определения коэффициента трансформации. В этом случае
I1кW1 » I2к W2,
и, следовательно, n12=» W1/W2 » I2к / I1к.
Опыты холостого хода и короткого замыкания обязательно проводятся при заводских испытаниях трансформатора.
