- •Глава 4. Индуктивно связанные электрические цепи
- •4.1. Индуктивно связанные элементы цепи
- •4.2. Последовательное соединение двух индуктивно связанных катушек
- •4.3. Параллельное соединение двух индуктивно связанных катушек
- •4.4. Методы расчёта разветвлённых цепей при наличии взаимной индуктивности
- •4.5. Трансформатор без стального сердечника (воздушный трансформатор)
4.5. Трансформатор без стального сердечника (воздушный трансформатор)
В электротехнике широкое применение имеет трансформатор – аппарат, предназначенный для преобразования переменного напряжения. В простейшем случае он не имеет ферромагнитного сердечника и представляет собой две катушки с индуктивной связью (рис. 4.11). Такие трансформаторы применяются при
высоких частотах, а в некоторых специальных измерительных устройствах и при низких частотах синусоидального тока.
О бмотка трансформатора с параметрами , , к которой подключается источник питания, называется
первичной; обмотка с
параметрами , , к которой
присоединяется приёмник энергии (нагрузка) с параметрами , , называется вторичной. Напряжения между
Рис. 4.11 зажимами обмоток и токи в
этих обмотках называются
соответственно первичными u1, i1 и вторичными u2, i2 напряжениями и токами трансформатора. Цепи, в состав которых входят первичные и вторичные обмотки трансформатора называются соответственно первичными и вторичными цепями трансформатора. Составим уравнения для мгновенных значений токов и напряжений по второму закону Кирхгофа для первичной и вторичной цепей трансформатора (при указанных на рис. 4.11 одноименных зажимах и направлениях токов магнитные потоки самоиндукции и взаимной индукции имеют одинаковые направления и суммируются):
; (4.31)
; (4.32)
где вторичное напряжение трансформатора (напряжение на приёмнике).
Перейдём от уравнений в классической форме трансформатора (4.31), (4.32) к уравнениям в комплексной форме:
, (4.33)
, (4.34)
где , индуктивные сопротивления первичной и вторичной обмоток; сопротивление взаимной индукции обмоток;
; .
Взаимная индуктивность M, входящая в уравнения (4.31) (4.34), определяется из режима холостого хода трансформатора (при ). Для холостого хода вторичное напряжение из уравнения (4.34)
,
откуда . (4.35)
Обозначим через и .
Решая уравнения (4.33) и (4.34) относительно тока , получаем:
, (4.36)
где ; (4.37)
, (4.38)
сопротивления и называют вносимыми активным и реактивным сопротивлениями (они вносятся магнитным полем из вторичной цепи трансформатора в первичную цепь).
И з структуры выражения (4.36) следует, что со стороны первичной цепи воздушного трансформатора вся схема может рассматриваться как двухполюсник с сопротивлениями и . Таким образом, наличие вторичной цепи эквивалентно изменению активного и реактивного сопротивлений двухполюсника на и . Вносимое активное сопротивление всегда больше нуля. В нём поглощается энергия, которая передаётся из первичной цепи во вторичную посредством
Рис. 4.12
магнитного поля. Вносимое реактивное сопротивление имеет знак, противоположный знаку Х22.
На основании уравнений (4.33) и (4.34) построим векторную диаграмму воздушного трансформатора для индуктивного характера нагрузки (рис. 4.11).
За исходный вектор принимаем , который направляем по оси вещественных величин (рис. 4.12). Затем строим треугольник активного , индуктивного и полного напряжений нагрузки. Из конца вектора откладываем векторы активного и индуктивного напряжений вторичной обмотки трансформатора. В соответствии с уравнением (4.34) сумма всех комплексных напряжений вторичной цепи равна нулю. Поэтому вектор напряжения взаимной индукции вторичной обмотки будет направлен в начало координат, т. е. образуется замкнутый многоугольник напряжений вторичной цепи. Далее, из начала координат под углом 90 к вектору (вектор при согласном включении катушек опережает вектор тока на угол 90) проводим вектор . Вектор активного напряжения первичной обмотки совпадает с вектором , а индуктивного напряжения опережает на 90. Вектор напряжения взаимной индукции первичной обмотки опережает вектор вторичного тока на угол 90. В соответствии с уравнением (4.33) вектор входного напряжения первичной цепи равен сумме трёх векторов составляющих напряжений.
Схема воздушного трансформатора (рис. 4.11), т. е. схема с индуктивной связью катушек может быть заменена эквивалентной схемой (рис. 4.13) без индуктивной связи.
I2
Рис. 4.13
Эквивалентные индуктивности схемы (рис. 4.13):
; ; . (4.39)
Для этой схемы, учитывая, что , имеем следующие уравнения для двух контуров по второму закону Кирхгофа.
Для левого контура:
;
или после сокращения, получим:
.
Для правого контура:
;
раскроем скобку и заменим :
;
после сокращения, получим:
.
Полученные уравнения для схемы (рис. 4.13) совпадают с уравнениями (4.33) и (4.34), следовательно, эта схема эквивалентна воздушному трансформатору.
Воздушный трансформатор называется идеальным, если при любых условиях отношение первичного и вторичного комплексных напряжений и отношение вторичного и первичного комплексных токов равны друг другу и равны постоянному комплексному числу :
. (4.40)
Это комплексное число называется коэффициентом трансформации идеального трансформатора. Чтобы выполнить соотношения (4.40) необходимо выполнение следующих условий:
1 ) Активные сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора должны быть равны нулю;
2) Коэффициент магнитной связи между обмотками должен быть равен единице ( ).
Пример 4.1. Рассчитать воздушный трансформатор (рис.4.14) при частоте Гц,
Рис. 4.14 если заданы параметры катушек
и нагрузки, а также ток
вторичной цепи: Ом; Гн; Ом;
Гн; М = 0,178 Гн; Ом; мкФ;
А.
Определить:
1) Коэффициент магнитной связи катушек;
2) Напряжение и ток первичной цепи, напряжение вторичной цепи;
3) Вносимые активное и реактивное сопротивления;
4) Активные мощности первичной и вторичной обмоток и нагрузки . Активную и реактивную мощности источника энергии.
Построить по результатам расчёта векторную диаграмму воздушного трансформатора.
Р е ш е н и е. Угловая частота переменного тока
с-1.
Реактивные сопротивления обмоток и нагрузки:
Ом;
Ом;
Ом;
Ом.
Коэффициент магнитной связи катушек:
.
Напряжение вторичной цепи:
, В.
Из уравнения (4.34) определяем ток первичной цепи:
;
, А.
Таким образом, ток первичной цепи А, а его начальная фаза .
Напряжение первичной цепи определяем из уравнения (4.33):
, В.
Следовательно, напряжение первичной цепи воздушного трансформатора В, а его начальная фаза .
Вносимое активное сопротивление определяем по формуле (4.37):
Ом;
Ом,
здесь взято со знаком «минус», так как оно является емкостным сопротивлением.
Ом.
Вносимое реактивное сопротивление определяем по формуле (4.38):
Ом.
Для проверки определим первичный ток по формуле (4.36):
, А.
Сравнивая полученное выражение комплекса тока с ранее вычисленным значением, видим, что модуль и аргумент комплекса практически совпали.
Потери активной мощности в первичной обмотке
Вт;
Потери активной мощности во вторичной обмотке
Вт;
Активная мощность нагрузки
Вт.
Комплексная мощность источника энергии
;
таким образом, активная мощность источника энергии Р = 14,79 Вт, а реактивная Q = 6,48 вар.
Баланс активных мощностей для воздушного трансформатора:
Вт.
Наличие баланса активных мощностей подтверждает правильность решения задачи.
Для построения векторной диаграммы воздушного трансформатора вычислим составляющие напряжений вторичной и первичной цепей в комплексной форме.
В; , В;
В;
, В;
, В;
, В;
, В;
, В.
Вектор тока направляем по оси вещественных величин (рис. 4.15). Активное напряжение нагрузки совпадает с , а емкостное напряжение нагрузки отстаёт от на угол 90.
Вектор вторичного напряжения трансформатора соединяет начало вектора и конец вектора . Из конца вектора проводим параллельно вектор активного напряжения вторичной обмотки ; индуктивное напряжение опережает на 90. Многоугольник напряжений вторичной цепи замыкает вектор напряжения взаимной индукции этой цепи . Под углом 90 к вектору в сторону отставания от него проводим вектор
Рис. 4.15
тока первичной цепи . Активное напряжение первичной обмотки совпадает по фазе с , а индуктивное напряжение опережает на 90. Напряжение взаимной индукции первичной цепи опережает вектор на 90. Вектор напряжения первичной цепи опережает ток на угол .