1.2.3.Трансформаторы.
Трансформаторы - это электрические аппараты, предназначенные для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины.
Т рансформатор имеет замкнутый магнитопровод из ферромагнитного материала, на котором расположены две или несколько обмоток. Принципиальная схема трансформатора представлена на рис.1.22. На рисунке: 1 и 2 первичная и вторичная обмотки трансформатора с числом витков w1 и w2; 3 – магнитопровод.
При подключении первичной обмотки к сети переменного тока напряжением U1, по ней потечет ток I1, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Этот поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней ЭДС Е2.
Пусть к первичной обмотке с числом витков w1 приложено переменное напряжение
u1=Um1sint.
Ему противодействует ЭДС самоиндукции
e1=Em1sint
В соответствии с законом электромагнитной индукции величина е1 также равна:
П осле совместного решения двух предыдущих уравнений для действующего значения ЭДС первичной обмотки получаем
Данное выражение называют формулой трансформаторной ЭДС, которая устанавливает связь амплитуды магнитного потока Фm, частоты его изменения в магнитопроводе и числа витков обмотки с величиной индуцированной в ней ЭДС.
Т ак как первичная и вторичная обмотки трансформатора (рис. 1.22.) пронизываются одним и тем же потоком Ф, то по аналогии можем записать:
Отношение Е1 к Е2 называется коэффициентом трансформации
.
Это один из основных параметров трансформатора.
П отери энергии в трансформаторе. Другим важным параметром трансформатора является мощность Р2, которую он способен передать потребителям, подключенным к его вторичной обмотке. Очевидно, что мощность Р1, потребляемая из сети первичной обмоткой трансформатора, будет больше Р2 на величину потерь в самом трансформаторе Р.
Р1=Р2+Р=Р2+Рст+Рм ,
где Рст - мощность потерь в стали (магнитопроводе) трансформатора;
Рм - мощность потерь в меди (проводах обмоток).
В свою очередь потери в стали разделяют на два вида:
Рст=Рг+Рв ;
где Рг - потери на гистерезис;
Рв - потери на вихревые токи.
Потери на гистерезис пропорциональны площади (заштрихована) петли гистерезиса (см. рис. 1.23.) и частоте перемагничивания магнитопровода. На рис. 1.23: Bm – амплитуда магнитной индукции; Hm – амплитуда напряженности магнитного поля (Bm = 0Hm); 0 – магнитная проницаемость вакуума; - относительная магнитная проницаемость; Br - остаточная индукция.
Для снижения потерь на гистерезис магнитопроводы трансформаторов выполняют из магнитомягких материалов, имеющих узкую петлю гистерезиса и малые значения остаточной индукции Вr при максимальной величине относительной магнитной проницаемости r (электротехнические стали, железоникелевые сплавы, ферриты и др.).
В ихревые токи появляются в электропроводящих материалах (металлах, сплавах, электролитах и т.п.), помещенных в изменяющееся магнитное поле. Они индуцируются в контурах, плоскости которых перпендикулярны силовым линиям магнитного поля (см. рис. 1.24,а.).
Величина наведенных вихревых токов, замыкающихся по периметру сечения магнитопровода, прямо пропорциональна величине наведенной в контуре ЭДС и обратно пропорциональна удельному электрическому сопротивлению материала магнитопровода.
Вихревые токи, во-первых, создают свое магнитное поле, ослабляющее основное поле; во-вторых, нагревая сердечник, бесполезно расходуют энергию, снижая КПД трансформатора.
Для уменьшения вихревых токов применяют:
-
магнитопроводы из электротехнической стали и примесью кремния с увеличенным удельным электрическим сопротивлением;
-
магнитопроводы выполняют шихтованными, т.е. из отдельных изолированных друг от друга листов стали толщиной 0,5 мм и менее (рис. 1.24,б.).
При сравнении рис. 1.24,а и 1.24,б видно, что при одинаковом сечении магнитопроводов и Ф=Ф1+Ф2+...+Фn длина пути, по которому замыкаются вихревые токи, растет пропорционально количеству отдельных пластин. Следовательно, чем из большего числа пластин набран магнитопровод (меньше толщина каждой пластины), тем меньше вихревые токи и потери, ими создаваемые.
Наконец, необходимо отметить, что возможны и другие причины дополнительных потерь в трансформаторе: нарушение изоляции пластин при сборке магнитопровода; недостаточно прочное крепление пластин, вызывающее их вибрацию при работе трансформатора с удвоенной частотой сети, механические удары, которые могут испытать пластины в процессе транспортировки и сборки, ухудшающие их магнитные свойства и т.п. Поэтому, прежде чем поставить трансформатор потребителю, необходимо определить реальные потери, т.е. пригодность его к эксплуатации. Их находят из опытов холостого хода (Х.Х.) и короткого замыкания (К.З.).