Однофазный трансформатор

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Устройство и принцип работы однофазного трансформатора

Основные части трансформаторов - обмотки, осуществляющие электромагнитное преобразование энергии, и магнитопровод (магнитная система), выполненный из ферромагнитного материала и предназначенный для локализации магнитного потока и усиления электромагнитной связи обмоток. Магнитопровод трансформаторов малой мощности изготавливают из листовой или ленточной электротехнической стали толщиной 0,1 - 0,35 мм.

В зависимости от конфигурации магнитопровода различают трансформаторы стержневого, броневого и кольцевого типов.

Рис. 1 Типы магнитопроводов трансформаторов: 1, 4 - броневые; 2, 5 - стержневые; 3, 6 - кольцевые

Магнитопроводы вида 1, 2 или 3 получают методом штамповки. Магнитопроводы вида 4, 5 или 6 получают путём навивки стальной ленты на шаблон, причём магнитопроводы типа 4 и 5 затем разрезаются пополам.

Обмотка трансформатора - это совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются ЭДС витков.

Обмотки трансформаторов стержневого и броневого типов представляют собой катушки, намотанные из изолированного провода, в большинстве случаев медного, на изолирующий каркас или гильзу. Отдельные слои проводов изолируют друг от друга тонкой межслойной изоляцией из специальной бумаги или ткани, пропитанной лаками; между обмотками прокладывают более толстую межобмоточную изоляцию. Обмотки трансформатора, к которым электрическая энергия подводится, называют первичными, обмотки, от которых электрическая энергия отводится, - вторичными.

Если на стержне в пределах катушки первичные и вторичные обмотки располагаются концентрично одна поверх другой, их называют концентрическими (рис.6.2). При этом у стержневого трансформатора в катушках расположено по половине витков каждой из обмоток. Возможно раздельное расположение первичных и вторичных обмоток на каждом из стержней, но магнитная связь обмоток в этом случае ухудшается.

Рис. 2 Устройство трансформаторов с концентрическими обмотками: 1 -первичная обмотка; 2-магнитопровод; 3, 4 и 5 - вторичные обмотки; 6 - изоляционная гильза

Если обмотки чередуются в осевом направлении стержня в виде отдельных катушек, имеющих форму дисков, их называют чередующимися (рис.6.3, б и рис.6.3, б). В кольцевых трансформаторах обмотки наматывают непосредственно на изолированный магнитопровод одна поверх другой по всей длине магнитопровода, при этом на внутренней стороне кольца слоев получается больше, чем на внешней.

трансформатор однофазный магнитопровод

Рис. 3 Обмотки трансформатора (а-концентрические; б-чередующиеся)

Повышение электрической прочности трансформаторов и их устойчивости к механическим и атмосферным воздействиям достигается путем пропитки обмоток изоляционными лаками или компаундами или заливкой трансформаторов в эпоксидную смолу. Стержневые трансформаторы имеют наилучшие условия охлаждения ввиду большой поверхности охлаждения обмоток. Броневые трансформаторы благодаря меньшему числу катушек имеют меньшие размеры и более просты в изготовлении. Кольцевые трансформаторы отличаются малыми потоками рассеяния и низким сопротивлением сердечника благодаря отсутствию воздушных зазоров на пути потока, но более сложны в изготовлении ввиду невозможности предварительной намотки обмоток вне магнитопровода.

Рис. 4 Принцип действия трансформатора

Принцип действия рассмотрим на примере идеального трансформатора - трансформатор, у которого отсутствуют потери энергии на нагрев обмоток и потоки рассеяния обмоток.

В идеальном трансформаторе все силовые линии проходят через все витки обеих обмоток, и поскольку изменяющееся магнитное поле порождает одну и ту же ЭДС в каждом витке, суммарная ЭДС, индуцируемая в обмотке, пропорциональна полному числу её витков.

Такой трансформатор всю поступающую энергию из первичной цепи трансформирует в магнитное поле и, затем, в энергию вторичной цепи. В этом случае поступающая энергия равна преобразованной энергии:

P1 = I1·U1= P2 = I2·U2,

Где P1 - мгновенное значение поступающей на трансформатор мощности, поступающей из первичной цепи,

P2 - мгновенное значение преобразованной трансформатором мощности, поступающей во вторичную цепь.

Соединив это уравнение с отношением напряжений на концах обмоток, получим уравнение идеального трансформатора:

U2/U1 = N2/N1 = I1/I2

Таким образом получаем, что при увеличении напряжения на концах вторичной обмотки U2, уменьшается ток вторичной цепи I2.

Соотношение напряжений на входе и выходе трансформатора определяется в основном соотношением ЭДС взаимоиндукции в первичной и вторичной обмотках, которое называется теоретическим коэффициентом трансформации:

Kт = U1/U2 = N1/N2

Как видно, соотношение напряжений на обмотках трансформатора определяется соотношением чисел витков.

Для преобразования сопротивления одной цепи к сопротивлению другой, нужно умножить величину на квадрат отношения. Например, сопротивление Z2 подключено к концам вторичной обмотки, его приведённое значение к первичной цепи будет:

Zґ1 = Z2·(N1/N2)2 .

Данное правило справедливо также и для вторичной цепи:

Zґ2 = Z1·(N2/N1)2 .

На схемах трансформатор обозначается следующим образом:

Рис. 5 Обозначение трансформатора на схеме

Центральная толстая линия соответствует сердечнику, 1 - первичная обмотка (обычно слева), 2,3 - вторичные обмотки. Число полуокружностей в каком-то грубом приближении символизирует число витков обмотки (больше витков - больше полуокружностей, но без строгой пропорциональности).

При обозначении трансформатора с несколькими первичными и/или вторичными обмотками точками указывают начало катушки.

Процесс передачи мощности с первичной на вторичную обмотку трансформатора сопровождается потерями части активной мощности. Мощность, называемая электрическими потерями, выделяется на активном сопротивлении обмоток при протекании по ним тока:

ДPэ=I12·R1+I22·R2

где R1 и R2 - активные сопротивления обмоток.

Значение электрических потерь зависит от токов в обмотках, т.е. от режима нагрузки, поэтому электрические потери называют переменными потерями трансформатора.

Мощность ДPм, называемая магнитными потерями, выделяется в магнитопроводе при прохождении по ней переменного магнитного потока. Она обусловлена наличием вихревых токов, наводимых переменным потоком, и явлением гистерезиса.

Значение ДPм зависит от свойств материала магнитопровода, индукции в магнитопроводе и частоты его перемагничивания. Поток, а следовательно, и индукция не зависят от нагрузки, поэтому потери ДPм называют постоянными потерями трансформатора. Так как потери на вихревые токи и гистерезис пропорциональны примерно квадрату индукции, то

ДPм ~ U12.

Выделение части потребляемой трансформатором мощности в виде электрических и магнитных потерь приводит к нагреву трансформатора.

Наряду с трансформаторами, имеющими фиксированный коэффициент трансформации, выпускается ряд типов трансформаторов с регулируемым вторичным напряжением. В основном регулирование осуществляется изменением соотношения между числами витков первичной и вторичной обмоток. При ступенчатом регулировании обмотка, обычно вторичная, имеет ряд ответвлений с различным числом витков. Выводы ответвлений подведены к переключателю (рис.6.6). С отводов вторичной обмотки трансформатора Тр1 переключателем П1 подаётся требуемое напряжение сварки (в пределах 10-36 В). Включается трансформатор в сеть 127 в или 220 в перестановкой вилки питания в соответствующие гнёзда.

Рис. 6 Схема сварочного трансформатора со ступенчатым переключателем обмоток

Для плавного регулирования трансформатор может быть выполнен со скользящим контактом - щетками (рис.6.7), перемещающимися по неизолированной контактной дорожке на поверхности проводников вторичной обмотки и подключающими к выходу различное число витков.

6.2 Режимы работы однофазного трансформатора

Рис. 7 Режимы работы трансформатора

Режим холостого хода

В этом режиме вторичная обмотка разомкнута. Переключатель находится в положении 1. Ток потребляемый первичной цепью минимален и называется током холостого хода. Магнитное поле вокруг первичной обмотки называется магнитным полем холостого хода. Этот режим безвреден для трансформатора.

Режим нагрузки

Включим переключатель в положение 2, при этом трансформатор из режима холостого хода переходит в режим нагрузки. По вторичной обмотке протекает ток I2, магнитный поток которого согласно закону Ленца направлен против магнитного поля первичной обмотки Ц. В результате этого магнитный поток Ц в первый момент уменьшается, что вызывает уменьшение э. д. с. самоиндукции Е1 в первичной обмотке трансформатора. Поскольку приложенное напряжение U1 (сети, генератора) при этом остается неизменным, то электрическое равновесие между напряжением и э. д. с. самоиндукции нарушается и происходит увеличение тока в первичной обмотке. Увеличение тока приводит к увеличению магнитного потока, что в свою очередь вызывает увеличение э. д. с. самоиндукции. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не восстановится электрическое равновесие между приложенным напряжением и э. д. с. самоиндукции. Но при этом ток первичной обмотки будет больше, чем при холостом ходе, т. е. суммарный магнитный поток первичной и вторичной обмоток трансформатора в режиме нагрузки равен магнитному потоку первичной обмотки в режиме холостого хода.

В режиме нагрузки, т. е. при появлении вторичного тока, первичный ток возрастает, во вторичной обмотке создается падение напряжения и вторичное напряжение уменьшается. При уменьшении нагрузки, т. е. при уменьшении вторичного тока, размагничивающее действие вторичной обмотки уменьшается, магнитный поток в сердечнике в первый момент возрастает и соответственно возрастает э. д. с. самоиндукции Е1. Электрическое равновесие между U1 и Е1 нарушается, ток в первичной обмотке уменьшается, При этом происходит уменьшение магнитного потока и э. д. с. самоиндукции. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не восстановится временно нарушенное электрическое равновесие между U1 и Е1, но при меньшем токе I1.

Итак, уменьшение тока I2 приводит к уменьшению тока I1, падение напряжения во вторичной обмотке трансформатора уменьшается и вторичное напряжение возрастает.

Режим короткого замыкания

Включим переключатель в положение 4. Сопротивление вторичной цепи практически будет равным нулю. Ток вторичной цепи будет максимальным, магнитное поле вторичной обмотки будет максимальным. Магнитное поле первичной обмотки уменьшится и станет минимальным, следовательно и индуктивное сопротивление первичной обмотки станет минимальным.Ток потребляемый первичной цепью возрастет до максимума. Такой режим называется режимом короткого замыкания. Этот режим опасен для трансформатора и всей цепи. Для защиты от КЗ устанавливают предохранители в первичной или во вторичной цепи.

Мощность, развиваемая в первичной цепи равна произведению U1·I1 во вторичной цепи U2·I2. Трансформатор выигрыша в мощности не дает, так как всякое увеличение напряжения с помощью трансформатора сопровождается соответствующим уменьшением тока, т. е. во сколько раз трансформатор увеличит напряжение, во столько раз он уменьшит величину тока во вторичной цепи. В понижающем трансформаторе во сколько раз трансформатор уменьшит напряжение, во столько раз увеличит величину тока во вторичной цепи.

Размещено на Allbest.ru