Уравнение электрического и магнитного состояния реального трансформатора

Трансформатор с ферромагнитным сердечником

НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ . При изучении индуктивно-связанных цепей нами был рассмотрен воздушный трансформатор, отличающийся малым значением коэффициента связи между обмотками

в силу того, что доля потоков рассеяния Ф s в общих потоках, создаваемых токами первичной и вторичной обмоток и была велика по сравнению с потоками взаимоиндукции. Значение взаимной индуктивности

было мало, в силу малого значения магнитной проводимости воздуха, по которому замыкался рабочий поток трансформатора (или поток взаимной индукции).

Для улучшении магнитной связи между первичной и вторичной обмотками трансформатора последние размещают на сердечнике из ферромагнитного материала, как схематично показано на рис.2.1.

Как и ранее к первичной обмотке с числом витков подводится синусоидальное напряжение u 1 сети, от другой обмотки (вторичной) с числом витков w 2 энергия отводится к нагрузке. Периодические переменные токи обмоток и создают в сердечнике магнитное поле, изменение которого сопровождается циклическим перемагничиванием материала сердечника. Особенности такого трансформатора обуславливаются высокой магнитной проницаемостью материала сердечника, нелинейной зависимостью между напряженностью магнитного поля и индукцией в сердечнике и потерями энергии на перемагничивание сердечника.

РАБОТА ТРАНСФОРМАТОРА В РЕЖИМЕ ХОЛОСТОГО ХОДА . Под холостым ходом понимается режим работы трансформатора при разомкнутой вторичной обмотке, когда ток (схема рис.2-2).

В этом случае в первичной цепи трансформатора протекает ток холостого хода и уравнение электрического состояния трансформатора относительно мгновенных значений токов и напряжений имеют вид

где и –ЭДС, наводимые в первичной и вторичной обмотках потоком , замыкающимся по сердечнику, причем

— напряжение, уравнивающее ЭДС рассеяния первичной обмотки.

Поскольку m m и, следовательно , то и .

Ток, который течет в первичной обмотке , как и ток рассмотренной выше катушки с ферромагнитным сердечником, несинусоидален при синусоидальном напряжении на первичной обмотке и, следовательно, при синусоидальном потоке и может быть заменен эквивалентным синусоидальным током, содержащим активную и реактивную составляющие, т.е.

При этом уравнения электрического состояния трансформатора относительно эквивалентных синусоид можно записать в комплексной форме

При работе трансформатора в режиме холостого хода энергия, подводимая к трансформатору от сети расходуется на перемагничивание сердечника и на нагрев первичной обмотки, т.е.

Однако потери в меди силовых трансформаторов в режиме холостого хода

малы, в силу того, что мал ток холостого хода правильно спроектированного трансформатора. Обычно (5 ё 8)% от , где — номинальный ток первичной обмотки (или ток в первичной обмотке при номинальной нагрузке трансформатора). Поэтому приближенно считают, что при ХХ имеют место лишь потери в стали, т.е. .

Примечание: Здесь следует заметить, что поток и ЭДС , наводимые в витках идеализированных катушек (с ферромагнитным сердечником и без него) одинаковы при одинаковом числе витков и однозначно определяются приложенным напряжением, т. е.

как было показано выше. Намагничивающие же силы и, следовательно, намагничивающие токи, требуемые для создания этих потоков, различны и тем меньше, чем меньше магнитное сопротивление пути, по которому замыкается магнитный поток. По закону Ома для магнитных цепей и, следовательно . Таким образом, ток холостого хода трансформатора с ферромагнитным сердечником (магнитная проницаемость которого m 1000 и выше) во много раз меньше тока холостого хода воздушного трансформатора ( m ) при одинаковом напряжении и числе витков .

Векторная диаграмма трансформатора в режиме ХХ, приведенная на рис. 2.3, практически не отличается от векторной диаграммы катушки с ферромагнитным сердечником, рассмотренной ранее.

В этом режиме ток отстает от напряжения на угол j =(84-85) ° , т.к. угол потерь d @ 5-6 ° . Cos j = (0.2-0.3)

Обычно при выполнении магнитопровода из электротехнической стали толщиной 0,35-0,5 мм и частоте сети f=50Гц I . Поэтому активная составляющая тока ХХ оказывает малое влияние на форму тока ХХ. Эта форма определяется в основном реактивной составляющей тока холостого хода.

РАБОТА ТРАНСФОРМАТОРА ПОД НАГРУЗКОЙ. При подключении сопротивления нагрузки к зажимам вторичной обмотки в ней появляется ток и уравнения электрического состояния трансформатора можно записать в виде

Эти уравнения, записанные в комплексной форме относительно эквивалентных синусоид, ничем не отличаются от соответствующих уравнений воздушного трансформатора.

Анализируя работу трансформатора под нагрузкой, важно уяснить взаимосвязь тока в цепи нагрузки с током, потребляемым трансформатором от сети, поскольку изменение мощности, отдаваемой трансформатором в нагрузку должно сопровождаться изменением мощности, потребляемой трансформатором от сети. Эта взаимосвязь устанавливается через уравнение магнитного состояния трансформатора.

При изучении воздушного трансформатора нами было установлено, что , т.е. основной или рабочий поток трансформатора равен алгебраической сумме потоков взаимоиндукции первичной и вторичной обмоток и или

где — магнитная проводимость участка, по которому замыкаются потоки взаимоиндукции.

(В соответствие с принципом Ленца поток направлен встречно потоку .)

Следовательно, в режиме ХХ ,

а под нагрузкой

Если пренебречь напряжениями и по сравнению с ЭДС , т.е. считать, что и , то поток в сердечнике будет однозначно определяться приложенным напряжением, как было показано выше. Следовательно, поток в сердечнике при одинаковом напряжении будет одинаковым как в режиме ХХ, так и под нагрузкой, т.е.

Физически взаимосвязь токов и объясняется следующим образом: в режиме ХХ ток холостого хода создает поток в сердечнике , обуславливающий ЭДС

Ток , протекающий через нагрузку, создает поток , стремящийся ослабить поток Ф. Но уменьшение потока Ф приводит к уменьшению ЭДС , и, следовательно, к нарушению равенства . Следовательно, ток начинает возрастать и будет расти до тех пор, пока поток не достигнет прежнего значения .

Из равенства или , поскольку потоки синусоидальны, следует, что

Последнее уравнение представляет собой закон равновесия намагничивающих сил трансформатора или уравнения магнитного состояния трансформатора. Поскольку , последнее уравнение можно записать в виде

где — приведенный ток вторичной обмотки.

Согласно последнему уравнению, ток, потребляемый трансформатором от сети имеет 2 составляющие: составляющая создает рабочий поток в сердечнике и компенсирует потери в стали, составляющая (нагрузочная составляющая) компенсирует размагничивающее действие на сердечник тока вторичной обмотки и обеспечивает поступление в трансформатор от сети мощности, отдаваемой в нагрузку.

Векторная диаграмма трансформатора, работающего на нагрузку приведена, на рис. 2.4.

Порядок построения диаграммы :

СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА. В силу того, что уравнения электрического состояния трансформатора с ферромагнитным сердечником для эквивалентных синусоид аналогичны уравнениям воздушного трансформатора, то и схемы замещения этих трансформаторов во многом аналогичны. Особенность схемы замещения трансформатора с ферромагнитным сердечником состоит в наличии ветви с активной проводимостью , учитывающей потери в стали реального трансформатора (схема рис. 2.5).

Участок схемы замещения между точками “а” и “б”, аналогичный схеме замещения идеализированной катушки с ферромагнитным сердечником может быть заменен последовательной цепью из сопротивления и (рис. 2.6) , называемой ветвью холостого хода. Через него проходит ток холостого хода .

Параметры элементов схемы можно определить экспериментально на основании опытов холостого хода и короткого замыкания.

Опыт ХХ проводиться для определения коэффициента трансформации К, потерь в стали и параметров ветви ХХ и . Опыт ХХ проводится по схеме, приведенной на рис. 2.7 при номинальном напряжении на первичной обмотке , установленном с помощью ругулятора напряжения РН.

При этом измеряется напряжение на вторичной обмотке , ток первичной обмотки и мощность (активная), потребляемая первичной цепью трансформатора .

Как уже ранее отмечалось, в режиме ХХ , , .

По данным опыта определяют

— активное сопротивление ветви ХХ,

— фазовый сдвиг между напряжением и током в режиме ХХ,

— полное сопротивление ветви ХХ,

— реактивное сопротивление ветви ХХ.

Опыт короткого замыкания проводиться для определения активных сопротивлений и и индуктивностей рассеяния и первичной и вторичной обмоток трансформатора. Опыт проводиться по схеме, приведенной на рис. 2-8 при закороченной вторичной обмотке.

С помощью регулятора напряжения РН напряжение на первичной обмотке трансформатора постепенно увеличивается до значения, , при котором ток в первичной обмотке достигнет номинального тока . Это напряжение носит название напряжения короткого замыкания трансформатора. При этом измеряется мощность, потребляемая трансформатором .

Обычно , поэтому поток в сердечнике, определяемый напряжением мал. Следовательно, в режиме КЗ можно пренебречь потерями в стали трансформатора, исключить ветвь ХХ из схемы замещения и представить эту схему в виде рис. 2.9, где

На основании данных измерений определяют

— процентное напряжение КЗ,

— фазовый сдвиг между напряжением и током в режиме КЗ,

— активная составляющая напряжения КЗ

— реактивная составляющая напряжения КЗ.

Поскольку поток в сердечнике трансформатора и потери в стали в режиме КЗ малы, считается, что вся мощность расходуется в меди первичной и вторичной обмоток. Тогда

Полное сопротивление короткого замыкания

реактивное сопротивление КЗ

Поскольку , то и .

В паспорте или каталожных данных на трансформатор часто указывается величины U к %, U ка % и U кр % . Зная их, можно рассчитать параметры и схемы замещения следующим образом:

ВНЕШНЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТРАНСФОРМАТОРА. При изменении нагрузки трансформатора, его вторичное напряжение не остается неизменным, как это следует из уравнения Кирхгоффа для вторичной цепи

С ростом тока увеличивается падение напряжения на сопротивлении . Зависимость напряжения на вторичной обмотке трансформатора от тока нагрузки при постоянном напряжении на первичной обмотке называется внешней характеристикой трансформатора. Изменение вторичного напряжения при переходе от режима ХХ к режиму работы под нагрузкой, выраженное в процентах, определяется выражением

Величина зависит как от величины нагрузки, так и от ее характера, определяемого величиной и знаком угла (фазового сдвига между напряжением и током в нагрузке). определяется по формуле

где — коэффициент нагрузки трансформатора,

и соответственно активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания .

На рис. 2.10 приведены внешние характеристики трансформатора для различных по характеру нагрузок. При чисто активной нагрузке (Cos j ) и активно- индуктивной нагрузке (Cos j , j ) внешние характеристики имеют падающий характер.

При активно-емкостной нагрузке (Cos j , j ), рост тока нагрузки может сопровождаться увеличением напряжения на выходе: в силу того, что члены с Sin j в формуле (*) приобретают знак ( — ).

Коэффициент полезного действия трансформатора. Преобразование электрической энергии в трансформаторе сопровождается потерями энергии на нагрев сердечника и обмоток. Уравнение баланса мощностей трансформатора имеет вид

где j — активная мощность, потребляемая от сети,

j — мощность, отдаваемая в нагрузку,

— потери в меди первичной обмотки,

— потери в стали трансформатора,

— потери в меди вторичной обмотки.

Процесс преобразования энергии в трансформаторе иллюстрирует энергетическая диаграмма, приведенная на рис. 2.11.

носит названия коэффициента полезного действия трансформатора.

Если обозначить сумму

и назвать ее потерями в меди трансформатора, то КПД трансформатора можно выразить так

Потери в стали определяются величиной и частотой изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора, а так как поток почти не зависит от нагрузки, то потери в стали остаются почти постоянными и равными потерям в режиме ХХ .

Поскольку потери в меди обмотки пропорциональны квадрату действующего значения тока, через нее протекающего, последние могут быть определены из упрощенной схемы замещения трансформатора (рис 2-) в режиме КЗ.

— потери в меди при номинальном токе первичной обмотки,

— потери в меди при токе, отличном от номинального,

Активную мощность в нагрузке трансформатора можно вычислить по формуле

где =S н — полная мощность в нагрузке трансформатора в номинальном режиме.

Теперь выражение, определяющее КПД трансформатора можно записать в виде

Эта формула рекомендована ГОСТом для определения КПД трансформатора.

Анализ полученного выражения показывает, что КПД неоднозначно зависит от коэффициента нагрузки b и является функцией характера нагрузки ( ), что иллюстрируется кривыми, приведенными на рис. 2-12.

При b =0, h =0. С ростом отдаваемой мощности h увеличивается, т.к. в энергетическом балансе уменьшается удельное значение потерь в стали, имеющих приблизительно постоянное значение. При некотором значении КПД достигает максимума, после чего начинает уменьшаться с ростом тока нагрузки. Причиной этого является увеличение потерь в меди, возрастающих пропорционально квадрату тока (или ), в то время как полезная мощность растет пропорционально b . Значение можно получить из условия

Следовательно КПД имеет максимум при такой нагрузке, при которой потери в меди трансформатора равны потерям в стали. Для трансформаторов большей мощности =0,5 — 0,7, при этом =0,995. Трансформаторы малой мощности рассчитывается как, чтобы =1, тогда =0,7 – 0,9. При уменьшении величины КПД уменьшается, т.к. возрастают токи и , при которых трансформатор имеет заданную мощность .

Трансформаторы

Содержание:

Основные понятия. Назначение, области применения трансформатора

Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения. Такое преобразование необходимо во всех отраслях промышленности. В частности, в энергетике применение трансформаторов обеспечивает основное преимущество электрической энергии — возможность передачи се на большие расстояния с минимальными потерями. При передаче электроэнергии в линии электропередачи возникают потери энергии. Эти потери определяются током , в линии передачи и сопротивлением се проводов

Мощность, передаваемая в линии передачи, определяется током и напряжением в ЛЭП: При относительно низком напряжении , ток в линии может быть весьма большим. Большой ток в проводах линии электропередачи в соответствии с (6.1) обусловливает значительные потери. Для уменьшения этих потерь при той же передаваемой мощности необходимо уменьшить ток в линии электропередачи. Для этого напряжение в ЛЭП должно быть повышено. Эта задача решается с помощью трансформатора. Поэтому силовые трансформаторы являются необходимым элементом промышленных электрических сетей. В начале линии передачи со стороны генератора устанавливается повышающий трансформатор, который увеличивает напряжение в десятки раз, а в конце ЛЭП со стороны потребителей устанавливается понижающий трансформатор, который уменьшает напряжение до номинального напряжения потребителя.

В электротехнологии используются сварочные и печные трансформатор

Печные трансформаторы обеспечивают напряжение, необходимое для питания электродуговых и индукционных печей; сварочный трансформатор создаст напряжение, необходимое для горения электрической дуги в процессе электрической сварки.

Кроме того, трансформаторы разных типов широко применяются в различных областях электротехники, электроники, электротехнологии, в устройствах измерения и контроля, автоматического управления и др.

Трансформаторы разных типов имеет разные особенности конструкции и обладают разными характеристиками. Однако в основе работы всех трансформаторов лежит один принцип — индукционное действие магнитного поля (явление электромагнитной индукции).

Возможно вам будут полезны данные страницы:

Устройство, принцип действия трансформатора

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции. Это явление предполагает наличие переменного магнитного поля. Для создания магнитного поля служит магнитная цепь. Поэтому основой устройства трансформатора является магнитная цепь, которая представляет из себя магнитопровод с электрическими обмотками.

Электромагнитная схема простейшего идеального трансформатора показана на рис.6.1. В таком трансформаторе магнитопроводом может быть прямоугольный ферромагнитный сердечник, на котором размещены две электрические обмотки. Каждая из обмоток имеет определенное количество витков охватывающих стержни магнитопровода.

Рис. 6.1. Электромагнитная схема идеального трансформатора Обмотка с числом витков называется первичной обмоткой и подключается к зажимам A-N источника электроэнергии переменного напряжения

Обмотка с числом витков называется вторичной. К зажимам вторичной обмотки подключается приемник электроэнергии с сопротивлением Под действием переменного напряжения источника в первичной обмотке возникает первичный ток Этот ток, замыкаясь по виткам первичной обмотки, создаст переменную магнитодвижущую силу (МДС) в магнитной цепи трансформатора. Под действием МДС возникает переменное магнитное поле. При этом магнитный поток , замыкаясь по ферромагнитному сердечнику, пронизывает все витки обеих обмоток. Согласно закону электромагнитной индукции переменный магнитный поток пронизывая витки обмоток, индуктирует в каждом из них ЭДС индукции е. Положительное направление ЭДС одного витка соотносится с направлением магнитного потока как обозначено на рис.6.1 . При этом се величина определяется скоростью изменения магнитного потока:

Тогда в первичной обмотке с числом витков w, создастся ЭДС индукции

пропорциональная числу витков

а во вторичной обмотке с числом витков создастся ЭДС , пропорциональная числу витков :

Вторичная ЭДС определяет напряжение на зажимах вторичной обмотки к которой подключен приемник, и ток приемника (вторичный ток) . Таким образом, приемник потребляет от трансформатора электрическую энергию. Соотношение по величине между первичным и вторичным напряжениями называется коэффициентом трансформации:

Для того, чтобы определить это соотношение запишем уравнения по 11 закону Кирхгофа для электрических контуров первичной и вторичной цепей, обозначенных на рис.6.1 пунктиром.

Уравнения (6.7), (6.8) называют уравнениями электрического состояния идеального трансформатора. Исходя из этих уравнений и с учетом (6.4), (6.5), коэффициент трансформации

т.е. коэффициент трансформации определяется соотношением числа витков первичной и вторичной обмоток. Если число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной , вторичное напряжение меньше первичного у коэффициент трансформации , и такой трансформатор называют понижающим трансформатором.

Если число витков вторичной обмотки больше, чем в первичной , вторичное напряжение больше первичного , коэффициент трансформации , и такой трансформатор называют повышающим трансформатором. Трансформатор с одинаковым числом витков в обеих обмотках обладает коэффициентом трансформации . Такой трансформатор называют разделительным.

Таким образом, трансформатор посредством магнитной связи двух обмоток в магнитной цепи преобразует электрическую энергию источника с напряжением в электрическую энергию, отдаваемую приемнику с напряжением

При этом вторичное напряжение

Например, трансформатор, имеющий номинальное первичное напряжение = 220В, число витков первичной обмотки = 1300 витков и число витков вторичной обмотки = 213 витков, обладает коэффициентом трансформации = 1300 / 213 = 6,1 (понижающий трансформатор) и создаст вторичное напряжение = 220/ 6,1 = 36В.

Для обозначения трансформатора в электрических схемах используют его условное графическое обозначение, показанное на рис.6.2 .

Рис.6.2. Условное графическое обозначение трансформатора в схемах электрических цепей (а — развернутое, б — упрощенное)

Уравнения состояния трансформатора

Для математического описания режимов работы трансформатора используют уравнения электрического и магнитного состояния. Уравнения электрического состояния записываются по 11 закону Кирхгофа для электрических контуров первичной и вторичной цепей трансформатора. Например, для идеального трансформатора они имеют вид (6.7), (6.8):

Уравнение магнитного состояния составляется при анализе магнитной цепи трансформатора.

При этом следует подчеркнуть, что электрические цепи первичной и вторичной обмоток не соединены между собой. Они объединены общим магнитопроводом, образующим магнитную цепь.

Связь между первичной и вторичной цепями описывается уравнением магнитного состояния, составленным по закону полного тока (см. раздел «Магнитные цепи»).

В рассматриваемой электромагнитной схеме идеального трансформатора в качестве контура магнитного поля следует принять среднюю линию магнитопровода, по которому замыкается магнитный поток . В качестве проводников, пронизывающих этот контур, следует принять все витки первичной и вторичной обмоток с соответствующими направлениями токов в них. С учетом взаимного направления магнитного потока и токов в обмотках уравнение по закону полного тока имеет вид:

где — напряженность магнитного поля в магнитопроводе;

— длина средней линии магнитопровода (контур магнитной цепи).

Длина средней линии магнитопровода определяется его конструкцией. Напряженность магнитного поля где — сечение магнитопровода. Из теории магнитных цепей (см. раздел «Магнитные цепи») известно, что в магнитной цепи с переменной МДС величина магнитного потока определяется величиной напряжения источника приложенного к обмотке:

При достаточной мощности источника можно считать величину напряжения неизменной. При этом величина магнитного потока и напряженность магнитного поля в магнитопроводе также неизменны с изменением режима работы трансформатора. Поэтому в уравнении (6.11) левая часть не меняется с изменением режима работы.

Правая часть уравнения (6.11) зависит от режима работы. В частности, при отключенном приемнике возникает режим холостого хода, когда ток приемника (вторичный ток трансформатора) равен нулю ( = 0). Первичный ток в этом режиме называют током холостого хода . При этом в уравнении по закону полного тока (6.11) второе слагаемое в правой части равно нулю, а первое слагаемое определяется током холостого хода:

Из равенств (6.11) и (6.14) следует:

Преобразуя это уравнение, можно записать:

или

Полученное уравнение называют уравнением магнитного состояния трансформатора. Оно описывает соотношение между токами первичной и вторичной цепей трансформатора, объединенных магнитной цепью. С увеличением мощности приемника вторичный ток возрастает, при этом первичный ток также возрастает. Таким образом. Система уравнений электрического и магнитного состояния для идеального трансформатора имеет вид: Уравнения состояния трансформатора позволяют анализировать режимы его работы и его характеристики.

Особенности реального трансформатора

Для анализа реального трансформатора следует учитывать дополнительные особенности его работы, существенно влияющие на его характеристики.

Первая особенность состоит в следующем.

Как было показано ранее, обмотки трансформатора при совместном действии создают рабочий магнитный поток . Этот поток замыкается по магнитопроводу и обеспечивает магнитную связь первичной и вторичной цепей трансформатора.

В реальном трансформаторе помимо основного магнитного потока возникают дополнительные магнитные потоки. В частности, первичная обмотка создает дополнительный магнитный поток. Магнитный поток проходит через магнитопровод внутри обмотки и закрывается через воздуховод снаружи (рис. 6.3). Этот поток, в отличие от основного потока, не прилипает к вторичным обмоткам и не обеспечивает их магнитную связь. Его называют потоком рассеяния первичной обмотки . Вторичная обмотка также создаст поток рассеяния вторичной обмотки . Потоки рассеяния не обеспечивают магнитную связь первичной и вторичной обмоток, но индуцируют ЭДС самоиндукции каждый в своей обмотке, которые оказывают влияние на работу трансформатора и требуют их учета. Для учета этих явлений в электромагнитную схему трансформатора вводят индуктивные элементы с соответствующими индуктивными сопротивлениями рассеяния первичной и вторичной обмоток (рис.6.3). Рис.6.3. Электромагнитная схема реального трансформатора Вторая особенность реального трансформатора состоит в следующем. Обмотки трансформатора выполнены из реального электрического проводника, который имеет определенные диаметр и длину. Как известно, такие проводники имеют электрическое сопротивление, которое пропорционально длине проводника и обратно пропорционально поперечному сечению. Значительное количество обмоток может быть использовано для обмотки трансформатора. Кроме того, проводники, из которых они изготовлены, могут быть тонкими и очень длинными, и их электрическое сопротивление важно по сравнению с другими параметрами трансформатора. Это электрическое сопротивление обуславливает дополнительное напряжение, определяемое законом Ома, и требует его учета при анализе работы трансформатора. Для учета этой особенности в электромагнитную схему вводят резисторы с сопротивлениями первичной и вторичной обмоток

Таким образом, окончательно электромагнитная схема реального трансформатора с учетом его особенностей имеет вид, показанный на рис.6.3 .

Для учета указанных особенностей в уравнениях состояния трансформатора составим уравнения по II закону Кирхгофа для контуров первичной и вторичной обмоток в электромагнитной схеме на рис.6.3 .

Для первичного контура: Для вторичного контура: В этих уравнениях слагаемые определяют падение напряжения па собственных активном и индуктивном сопротивлениях обмоток, которые отражают особенности реального трансформатора.

С учетом соотношений по закону Ома на элементах выражения (6.21). (6.22) принимают вид: Уравнения (6.23), (6.24) описывают процессы в электрических цепях трансформатора.

Как следует из уравнений (6.23), (6.24), напряжение источника уравновешивается противоЭДС самоиндукции и падением напряжения на собственном активном и индуктивном сопротивлениях первичной обмотки . Напряжение вторичной обмотки определяется величиной ЭДС индукции вторичной обмотки за вычетом падения напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях вторичной обмотки .

Таким образом уравнения электрического и магнитного состояния, описывающие процессы в электрических и магнитной цепи реального трансформатора имеют вид (6.17), (6.23), (6.24):

Внешняя характеристика трансформатора

Как показано выше (6.10), номинальное вторичное напряжение трансформатора определяется номинальным первичным напряжением и коэффициентом трансформации. Однако это напряжение меняется с изменением режима работы трансформатора в определенных пределах. Режим работы трансформатора определяется величиной его нагрузки. Таким образом, вторичное напряжение трансформатора зависит от величины его нагрузки.

Нагрузку трансформатора создаст приемник электрической энергии, подключенный к зажимам его вторичной обмотки. Т.е. под величиной нагрузки следует понимать мощность этого приемника, которая определяется его напряжением и током : где — коэффициент мощности приемника.

При определенных допущениях можно пренебречь изменением напряжения . При этом можно считать, что мощность приемника пропорциональна току .

Тогда под величиной нагрузки можно понимать величину тока приемника (вторичный ток трансформатора).

Таким образом, изменение вторичного напряжения трансформатора при изменении режима его работы формально выражается зависимостью вторичного напряжения от вторичного тока

Эта зависимость называется внешней характеристикой трансформатора.

Аналитическое выражение внешней характеристики трансформатора определяется уравнением электрического состояния для вторичной цепи (6.26):

Из этого выражения следует, что с увеличением вторичного тока (увеличением нагрузки трансформатора) вторичное напряжение уменьшается. Это изменение вторичного напряжения определяется падением напряжения па собственном активном и индуктивном сопротивлениях обмотки . Графически эта зависимость показана на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Зависимость вторичного напряжения трансформатора от нагрузки

Режимы работы трансформатора

На рис. 6.4 показана зависимость вторичного напряжения трансформатора от величины нагрузки, охватывающая вес возможные режимы его работы.

Точка 1 этой кривой соответствует режиму при . Такой режим называется холостой ход трансформатора. Он возникает, когда приемник электроэнергии отключен от вторичной обмотки (На рис.6.5 выключатель в разомкнутом положении). Рис. 6.5 Холостой ход трансформатора В этом режиме трансформатор не создает электрическую энергию, которая передавалась бы приемнику. При этом электрическая энергия, потребляемая трансформатором от источника, невелика и расходуется на покрытие потерь холостого хода трансформатора. Ток. потребляемый первичной обмоткой от источника в этом режиме, называют ток холостого хода трансформатора . Его величина составляет от 2 до 5 % по отношению к номинальному первичному току. Как следует из уравнения внешней характеристики трансформатора (6.29), вторичное напряжение в режиме холостого хода, когда , оказывается максимальным и определяется только величиной вторичной ЭДС. Это значение принимают в качестве номинального вторичного напряжения трансформатора: Точка 3 кривой на рис.6.4 соответствует режиму, когда напряжение между зажимами вторичной обмотки Такой режим возникает, когда зажимы вторичной обмотки замкнуты между собой (рис.6.6). Рис.6.6. Короткое замыкание трансформатора

Этот режим называется короткое замыкание трансформатора.

При коротком замыкании можно принять сопротивление приемника

При этом вторичный ток ограничивается только небольшим собственным активным и индуктивным сопротивлениями вторичной обмотки. Поэтому вторичный ток короткого замыкания оказывается очень большим, во много раз превышающим номинальный ток. Такой большой ток обусловливает значительный перегрев обмотки и выход из строя трансформатора.

Ток первичной обмотки в этом режиме называется током короткого замыкания трансформатора. В соответствии с уравнением магнитного состояния трансформатора (6.27) ток короткого замыкания трансформатора также значительно превышает номинальный ток и приводит к перегреву трансформатора. Короткое замыкание — аварийный режим, возникающий вследствие неисправностей в электрической цепи приемника электроэнергии. Номинальный режим работы трансформатора ограничивается допустимым нагревом сто обмоток при номинальных токах. На рис. 6.4 номинальному режиму работы соответствует точка 2. При этом вторичный ток Рабочий диапазон режимов работы трансформатора определяется участком 1-2 на рис.6.4.

На рис.6.7. показана внешняя характеристика силового трансформатора общепромышленного назначения в его рабочем диапазоне.

Рис.6.7. Внешняя характеристика трансформатора Часто при анализе характеристик трансформатора для характеристики величины нагрузки используется относительный параметр, который называют коэффициентом нагрузки Его определяют как отношение вторичного тока в рассматриваемом режиме работы к его номинальному значению:

В режиме холостой ход, когда вторичный ток , коэффициент нагрузки = 0. В номинальном режиме работы = 1 . Таким образом, изменение режима работы трансформатора от холостого хода до номинального режима соответствует изменению коэффициента нагрузки от 0 до 1. Поэтому в некоторых случаях внешнюю характеристику определяют, как зависимость вторичного напряжения от коэффициента нагрузки трансформатора На рис.6.7 значения коэффициента нагрузки обозначены на дополнительной оси .

Как видно на рис.6.7, при изменении режима работы в диапазоне от холостого хода до номинального режима напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора уменьшается на . Изменение напряжения в номинальном режиме работы составляет от 4 до 10 % в зависимости от типа и мощности трансформатора.

Специальные трансформаторы могут иметь внешнюю характеристику другого вида. Например, сварочный и печной трансформаторы, предназначенные для питания электротехнологического оборудования, рассчитаны на работу в режимах, близких к короткому замыканию. Их внешняя характеристика может иметь вид, показанный на рис. 6.8.

Здесь номинальный ток близок к току короткого замыкания. При этом в конструкции предусматривается возможность изменения режима работы изменением внешней характеристики.

Потери энергии, КПД трансформатора

Как следует и определения трансформатора, он является устройством, преобразующим электрическую энергию. При таком преобразовании неизбежно возникают потери энергии, т.е. преобразование части энергии в тепло, которое нагревает устройство и рассеивается в окружающем пространстве. Величина этих потерь определяет коэффициент полезного действия трансформатора.

Потери энергии в трансформаторе складываются из двух основных составляющих, соответственно двум основным составляющим его конструкции: электрические потери в электрических обмотках трансформатора и магнитные потери в магнитопроводе.

На рис.6.9 показана энергетическая диаграмма трансформатора.

Рис.6.9. Энергетическая диаграмма трансформатора Здесь — активная мощность, потребляемая трансформатором от источника; — активная мощность, отдаваемая трансформатором приемнику; — электрические потери в обмотках трансформатора; — магнитные потери в магнитопроводе трансформатора; — дополнительные потери в остальных элементах конструкции, которые составляют до 10% всех потерь.

Электрические потери Как было отмочено выше, обмотки трансформатора, выполненные от реального проводника, обладают сопротивлениями . Известно, что при замыкании электрического тока по проводнику в нем создаются потери энергии. Эти потери определяются величиной тока в проводнике и его сопротивлением. В частности в первичной обмотке трансформатора с сопротивлением и током создаются потери: Во вторичной обмотке трансформатора с сопротивлением и током создаются потери:

Эти две составляющие (6.32) и (6.33) определяют электрические потери трансформатора:

В соответствии с (6.27) соотношение первичного и вторичного токов трансформатора:

Поскольку ток холостого хода составляет до 5% от номинального первичного тока, в этом соотношении им можно пренебречь. Тогда

С учетом этого соотношения выражение для электрических потерь (6.34) преобразуется к виду:

Выражая вторичный ток через коэффициент нагрузки (6.31), получаем:

Как видно из (6.37), (6.38), электрические потери зависят от величины нагрузки трансформатора, поэтому часто их называют переменной составляющей потерь. Электрические потери в режиме холостой ход равны нулю. В номинальном режиме работы:

Тогда в общем случае для любого режима работы трансформатора электрические потери

Номинальные электрические потери могут быть определены исходя из паспортных данных, либо опытным путем по результатам испытаний трансформатора.

Магнитные потери обусловлены переменным магнитным потоком в магнитной цепи трансформатора.

Известно (см. раздел «Магнитные цепи»), что ферромагнитном сердечнике при переменном магнитном потоке возникают потери па перемагничивание сердечника (потери па гистерезис) . Величина этих потерь определяется свойствами ферромагнитного материала сердечника. В частности, площадь петли гистерезиса определяет потери за один цикл перемагничивания единицы объема ферромагнитного материала. Ширина петли гистерезиса зависит от величины переменного магнитного потока Ф

Следовательно потери на гистерезис зависят от величины магнитного потока и его частоты

Частота изменения магнитного потока определяется источником электроэнергии. Как правило, в силовых трансформаторах частота стандартная . С изменением режима работы частота не меняется.

Величина магнитного потока определяется величиной напряжения источника приложенного к обмотке (см. раздел «Магнитные цепи»):

При неизменном напряжении источника величина магнитного потока тоже не меняется с изменением режима работы трансформатора.

Таким образом, при неизменной величине магнитного потока и частоте потери па гистерезис остаются неизменными при изменении режима работы трансформатора (изменении нагрузки).

Другая составляющая магнитных потерь обусловлена существованием в ферромагнитном сердечнике вихревых токов. При этом, как показано в разделе «Магнитные цепи», возникают потери от вихревых токов в магнитопроводе Эти потери определяют вторую составляющую магнитных потерь в трансформаторе. Величина этих потерь также зависит от величины магнитного потока Ф и его частоты Поскольку частота и величина магнитного потока не меняются с изменением режима работы, то и потери от вихревых токов остаются неизменными при изменении режима работы трансформатора (изменении нагрузки).

Таким образом, магнитные потери в трансформаторе складываются из двух составляющих — потерь на гистерезис и потерь от вихревых токов

Обе составляющие не зависят от режима работы трансформатора. Поэтому их называют постоянными потерями. Т.е. в номинальном режиме работы их величина такая же. как и в режиме холостого хода и, следовательно определяются мощностью холостого хода трансформатора:

Мощность холостого хода и, следовательно, магнитные потери могут быть определены исходя из паспортных данных, либо опытным путем по результатам испытаний трансформатора.

Для уменьшения магнитных потерь сердечник магнитопровода изготавливают из специальной электротехнической стали с низкими удельными потерями на гистерезис. При этом конструктивно он состоит из тонких листов, электрически изолированных друг от друга для исключения потерь от вихревых токов.

Кроме основных составляющих потерь в трансформаторе существуют дополнительные потери, возникающие в других элементах конструкции. Они обусловлены в основном потоками рассеяния в стальных элементах конструкции. Дополнительные потери составляют до 10% суммарных потерь и анализе характеристик ими можно пренебречь. Коэффициент полезного действия трансформатора определяется соотношением потерь и полезной мощности:

Полезная мощность трансформатора определяется напряжением и током приемника:

Пренебрегая изменением вторичного напряжения, можно принять . С учетом коэффициента нагрузки выражение (6.47) запишется в виде:

С учетом (6.40) и (6.48) выражение для принимает вид:

График зависимости КПД силового трансформатора от нагрузки показан на рис. 6.10.

Рис. 6.10. Зависимость КПД от нагрузки

В режиме холостого хода КПД трансформатора . Мощность холостого хода , потребляемая трансформатором в этом режиме, расходуется на компенсацию магнитных потерь. С увеличением нагрузки в достаточно небольшом диапазоне (приблизительно = 0,2) КПД достигает больших значений. В остальной части рабочего диапазона КПД трансформатора держится на высоком уровне. В режимах, близких к номинальному. КПД трансформатора

Паспортные данные трансформатора

Паспортные данные трансформатора определяют его поминальный режим работы, позволяют рассчитывать характеристики, анализировать режимы его работы.

В табл. 1 приведен перечень параметров трансформатора, составляющих его паспортные данные.

Номинальная мощность трансформатора — электрическая полная мощность, определяемая произведением величии поминального первичного напряжения и номинального первичного тока, или произведением номинального вторичного напряжения и номинального вторичного тока: Табл. 1

Номинальное первичное напряжение — напряжение источника, к которому

Номинальное вторичное напряжение — напряжение на зажимая вторичной обмотки в режиме холостой код при номинальном первичном напряжении.

Соотношение поминальных первичного и вторичного напряжений определяет коэффициент трансформации:

Мощность холостого хода — активная мощность, потребляемая трансформатором от источника в режиме холостой ход.

Ток холостого хода — первичный ток трансформатора в режиме холостого хода, выраженный в процентах по отношению к номинальному первичному току.

Напряжение короткого замыкания — напряжение па первичной обмотке трансформатора в опыте короткого замыкания (см. далее), выраженное в процентах по отношению к номинальному первичному напряжению.

Мощность короткого замыкания активная мощность, потребляемая трансформатором в опыте короткого замыкания (см. далее).

Паспортные данные трансформатора определяются при его проектировании и разработке, уточняются про контрольных испытаниях и указываются в техническом паспорте трансформатора. Для типовых трансформаторов серийного производства паспортные данные указываются в каталогах оборудования.

Экспериментальное определение паспортных данных трансформатора

Кроме того, паспортные данные могут быть определены экспериментальна по результатам опыта холостого хода и опыта короткого замыкания трансформатора. Опыт холостого хода трансформатора

Холостой ход трансформатора — это режим работы, при котором первичная обмотка подключена к источнику электроэнергии с номинальным напряжением — а приемник отключен от трансформатора (зажимы вторичной обмотки разомкнуты).

Схема цепи для проведения опыта холостого хода показана на рис. 6.11.

Здесь Т испытуемый трансформатор. Для выполнения измерений в электрическую цепь первичной обмотки включают измерительные приборы: вольтметр к зажимам источника для измерения первичного напряжения, амперметр для измерения тока холостого хода, ваттметр для измерения мощности холостого хода. К вторичной обмотке подсоединяют вольтметр для измерения вторичного номинального напряжения.

Вольтметр контролирует напряжение источника, которое устанавливают равным номинальному напряжения) .

При этом вольтметр показывает вторичное напряжение холостого хода, которое принято за номинальное (см. (6.30))

Амперметр показывает ток холостого хода который определяет паспортное значение :

где номинальный первичный ток трансформатора, определяемый, исходя иэ (6.50):

Ваттметр показывает мощность холостого хода трансформатора , которая соответствует песпортиому значению. В соответствия о (6.45) мощность холостого хода определяет магнитные потери в трансформаторе:

Опыт короткого замыкания трансформатора

Режим короткого замыкания возникает, когда зажимы вторичной обмотки трансформатора замкнуты между собой (см. рис.6.6).

Короткое замыкание — аварийный режим, возникающий вследствие неисправностей в электрической цепи приемника электроэнергии при номинальном напряжении на зажимах первичной обмотки. Токи трансформатора в этом режиме ограничиваются лишь небольшим собственным сопротивлением (активным и индуктивным) обмоток и значительно превышают номинальные значения. Это приводит к перегреву трансформатора и его разрушению.

Такой режим в работе трансформатора недопустим!

Чтобы не допускать аварийного режима опыт короткого замыкания проводится при пониженном напряжении на зажимах первичной обмотки. Для этого трансформатор подключается к источнику электроэнергии через регулятор напряжения. который позволяет менять напряжение, уменьшая его до необходимой величины.

Схема цепи для проведения опыта короткого замыкания показана на рис. 6.12. Рис. 6.12. Схема цени в опыте короткого замыкания Здесь Т испытуемый трансформатор. — регулятор напряжения. Зажимы вторичной обмотки замкнуты между собой.

Для выполнения измерений в электрическую цепь первичной обмотки включают измерительные приборы: вольтметр к зажимам регулятора для измерения первичного напряжения, амперметр для измерения тока, ваттметр для измерения мощности короткого замыкания.

Регулируя напряжение из первичной обмотки трансформатора, устанавливают такую его величину, про которой первичный ток равен поминальному:

Величину тока контролируют амперметром, включенным в цепь первичной обмотки. При этом нагрев трансформатора соответствует номинальному режиму и аварии не происходит.

При этом вольтметр показывает первичное напряжение, которое в этом опыте называют напряжением короткого замыкания трансформатора . Оно определяет паспортное значение :

Величина напряжения короткого замыкания силового трансформатора значительно меньше номинального значения и составляет от 4 до 10 % в зависимости от типа и мощности трансформатора.

Ваттметр, включенный в цепь первичной обмотки, показывает активную мощность потребляемую трансформатором в опыте короткого замыкания. Очевидно, эта мощность определяется потерями трансформатора в это опыте.

Потерн трансформатора, как было показано ранее, складываются из двух составляющих: электрические потери и магнитные потери

Магнитные потери определяются величиной напряжения па первичной обмотке. Поскольку напряжение короткого замыкания невелико по сравнению с номинальным значением, то, очевидно, магнитные потери в этом опыте незначительны и ими можно пренебречь.

Электрические потери в соответствии с (6.37) определяются величиной тока:

В опыте короткого замыкания устанавливается номинальный ток трансформатора. Поэтому электрические потери в этом опыте равны поминальным электрическим потерям:

Таким образом, мощность короткого эамыкэния определяет номинальные электрические потери :

Таким образом, опыты холостого хода я короткого замыкания поздоляюг экспернментально определить паспортные данные трансформатора.

Построение характеристик трансформатора по паспортным данным

Паспортные данные трансформатора позволяют отроить его характеристики, аоааиздроеать режимы его работы.

В частности, зависимость КПД от нагрузки трансформатора в соответствия с (6.49):

С учетом (6.54). (6.59):

Выражение (6.61) позволяет по паспортным данным трансформатора рассчитать зависимость его КПД от величины нагрузки при заданном коэффициенте мощности приемника

Также по паспортным данным может быть рассчитана внешняя характеристика трансформатора Для этого может использоваться следующее аналитическое выражение, полученное при анализе уравнений электрического состояния трансформатора:

Примечение: выражение (б. 62) приводится в качестве справочноо материала.

Параметры, содержащиеся в выражений (6.62), могут быть определены по результатам опыта короткого замыкания иля паспортным данным:

— коэффициент мощности приемника определяется характером приемника.

Особенности конструкции трансформаторов

Сердечник (магнитопровод, трансформатора изготавливают из листовой электротехнической стали, имеющей малые потери на перемагничивание и на вихревые токи. Отдельные листы стали изолируют слоем лака, после чего стягивают болтами. Такое устройство применяется для уменьшения вихревых токов, индуктируемых в стали переменным потоками и обуславливающих магнитные потери.

По форме мапштопровода различают два типа трансформатора: броневые и стержневые. На рис. 6.13а изображен броневой трансформатор, или трансформатор с Ш-образным сердечником, а на рис. 6.136 — стержневой трансформатор с П-образным сердечником. Рис. 6.13. Форма магнитопровода трансформатора.

а — Броневой трансформатор, б — Стержневой трансформатор

Обмотки трансформатора могут располагаться на разных стержнях магнитопровода (рис. 6.136), либо на одном стержне (рос. 6.13а). В последнем случае обмотка низкого напряжения располагается ближе к сердечнику, а обмотка высокого напряжения располагается поверх обмотки низкого напряжения. В силовых трансформаторах большой мощности его электромагнитное ядро (магнитопровод с обмотками) помещают в масляный бак, заполненный специальным трансформаторным маслом (рис.6.14). Трансформаторное масло служит для отвода тепла, возникающего в результате потерь энергии в трансформатора. Для интенсивного охлаждения бак может быть снабжен радиаторами, охладителями и т.п. Выводы обмоток крепятся к крышке бака посредством изоляторов.

Как видно по внешней характеристике (рис. 6.7), напряжение на выходе трансформатора меняется с изменением нагрузки. Для поддержания вторичного напряжения на необходимом уровне в обмотке трансформатора могут быть предусмотрены регулировочные витки с переключателем Q (рис. 6.15). Переключение числа витков позволяет регулировать напряжение трансформатора, поддерживая его на необходимом уровне. Рио. 6.15 . Трансформатор с регулированием напряжения

Специальные типы трансформаторов

В электротехнических установках используются некоторые специальные типы трвиеформаторол: автотрансформаторы, многообмоточные трансформаторы, трехфззиыс трансформаторы.

Автотрансформатором называется такой трансформатор, у которого имеется только одна обмотка с числом витков . Часть этой обмотки с числом витков принадлежит одновременно первичной и вторичной цепям. Схема такого автотрансформатора изображена на рис. 6.16. Рис. 6.16. Автотрансформатор

Напряжение источника приложено ко всем воткем обмотки

Вторичное напряжение определяется частью обмотки с числом витков . При этом коэффициент трансформации:

Автотрансформаторы выгодно использовать в тех случаях, когда коэффициент трансформации близок к единице. Многообмоточные трансформаторы имеют одну первичную обмотку и насколько вторичных обмоток с разными числами витков (рис.6.17). Рис.6.17. Многообмоточный трансформатор Все обмотки располагаются на одном магнитопроводе. Разные вторичные обмотки обеспечивают разный коэффициент трансформации и создают разное по величине напряжение.

Такие трансформаторы используются в радиотехнических схемах для получения нескольких напряжений. В трехфэзной сети переменного токэ изменение напряжений осуществляется с помощью трехфазното силового трансформатора с общим для трех фаз сердечником (рис.6.18). Рис.6.18. Устройство трехфазного трансформатора

В трехфазном трансформаторе с общим магнитопроводом магнитный поток любой на фаз может замыкаться через стержни, на которых расположены обмотки двух других фаз. Потребление стали трехфазного трансформатора значительно ниже, чем потребление стали трех однофазных трансформаторов. Это делает его простым, дешевым и эффективным. Первичные и вторичные обмотки трех фаз соединяют между собой способами «звезда” или «треугольник». Например, на рис. 6.19 показано условное обозначение трехфазного трансформатора с группой соединения обмоток «звезда 7 звезда с нейтралью» . Общий вид трехфазного маслянного трансформатора показан на рис. 6.14.

Рис. 6.19. Условное обозначение трехфазного трансформатора

На странице -> решение задач по электротехнике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам теоретических основ электротехники (ТОЭ).

Услуги:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Устройство и принцип работы трансформатора

Для преобразования электрического напряжения одной величины в электрическое напряжение другой величины, то есть для преобразования электрической мощности, применяют электрические трансформаторы.

Трансформатор может преобразовывать лишь переменный ток в переменный ток, поэтому для получения постоянного тока, переменный ток с трансформатора при необходимости выпрямляют. Для этой цели служат выпрямители.

Так или иначе, любой трансформатор (будь то трансформатор напряжения, трансформатор тока или импульсный трансформатор) работает благодаря явлению электромагнитной индукции, которое проявляет себя во всей красе именно при переменном или импульсном токе.

В простейшем виде однофазный трансформатор состоит всего из трех основных частей: ферромагнитного сердечника (магнитопровода), а также первичной и вторичной обмоток. В принципе обмоток у трансформатора может быть и больше двух, но минимум их две. В некоторых случаях функцию вторичной обмотки может нести на себе часть витков первичной обмотки (см. виды трансформаторов), но подобные решения встречаются достаточно редко по сравнению с обычными.

Главная часть трансформатора — ферромагнитный сердечник. Когда трансформатор работает, то именно внутри ферромагнитного сердечника присутствует изменяющееся магнитное поле. Источником изменяющегося магнитного поля в трансформаторе служит переменный ток первичной обмотки.

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора

Известно, что любой электрический ток сопровождается магнитным полем, соответственно переменный ток сопровождается переменным (изменяющимся по величине и направлению) магнитным полем.

Таким образом, подав в первичную обмотку трансформатора переменный ток, получим изменяющееся магнитное поле тока первичной обмотки. А чтобы магнитное поле было сконцентрировано главным образом внутри сердечника трансформатора, данный сердечник изготавливают из материала с высокой магнитной проницаемостью, в тысячи раз большей чем у воздуха, чтобы основная часть магнитного потока первичной обмотки замкнулась бы именно внутри сердечника, а не по воздуху.

Таким образом переменное магнитное поле первичной обмотки сконцентрировано в объеме сердечника трансформатора, который изготавливают из трансформаторной стали, феррита или другого подходящего материала, в зависимости от рабочей частоты и назначения конкретного трансформатора.

Вторичная обмотка трансформатора находится на общем сердечнике с его первичной обмоткой. Поэтому переменное магнитное поле первичной обмотки пронизывает также и витки вторичной обмотки.

А явление электромагнитной индукции как раз и заключается в том, что изменяющееся во времени магнитное поле наводит в пространстве вокруг себя изменяющееся электрическое поле. И поскольку в данном пространстве вокруг изменяющегося магнитного поля находится провод вторичной обмотки, то индуцированное переменное электрическое поле действует на носители заряда внутри этого провода.

Данное действие электрическим полем вызывает в каждом витке вторичной обмотки ЭДС. В результате между выводами вторичной обмотки появляется переменное электрическое напряжение. Когда вторичная обмотка включенного в сеть трансформатора не нагружена, трансформатор работает в режиме холостого хода.

Работа трансформатора под нагрузкой

Если же ко вторичной обмотке работающего трансформатора подключена некая нагрузка, то во всей вторичной цепи трансформатора возникает ток через нагрузку.

Данный ток порождает свое собственное магнитное поле, которое, по закону Ленца, имеет такое направление, что противодействует «причине, его вызывающей». То есть магнитное поле тока вторичной обмотки в каждый момент времени стремится уменьшить увеличивающееся магнитное поле первичной обмотки или же стремится поддержать магнитное поле первичной обмотки когда оно уменьшается, оно всегда направлено навстречу магнитному полю первичной обмотки.

Таким образом, когда вторичная обмотка трансформатора нагружена, в его первичной обмотке возникает противо-ЭДС, заставляющая первичную обмотку трансформатора потреблять из питающей сети больше тока.

Соотношение витков первичной N1 и вторичной N2 обмоток трансформатора определяет соотношение между его входным U1 и выходным U2 напряжениями и входным I1 и выходным I2 токами, при работе трансформатора под нагрузкой. Данное соотношение называется коэффициентом трансформации трансформатора:

Коэффициент трансформации больше единицы если трансформатор понижающий, и меньше единицы — если трансформатор повышающий.

Трансформатор напряжения является разновидностью понижающего трансформатора, предназначенной для гальванической развязки цепей высокого напряжения от цепей низкого напряжения.

Обычно, когда речь идет о высоком напряжении, имеют ввиду 6 и более киловольт (на первичной обмотке трансформатора напряжения), а под низким напряжением понимают величины порядка 100 вольт (на вторичной обмотке).

Такой трансформатор применяется, как правило, для измерительных целей. Он понижает, например, высокое напряжение линии электропередач до удобного для измерения низковольтного напряжения, при этом может также гальванически изолировать цепи измерения, защиты, управления, — от высоковольтной цепи. Трансформатор данного типа обычно работает в режиме холостого хода.

Трансформатором напряжения можно назвать в принципе и любой силовой трансформатор, применяемый для преобразования электрической мощности.

У трансформатора тока первичная обмотка, состоящая обычно всего из одного витка, включается последовательно в цепь источника тока. Данным витком может выступать участок провода цепи, в которой необходимо измерить ток.

Провод просто продевается через окно сердечника трансформатора и становится этим самым единственным витком — витком первичной обмотки. Вторичная же его обмотка, имеющая много витков, подключается к измерительному прибору, отличающемуся малым внутренним сопротивлением.

Трансформаторы данного типа используются для измерения величин переменного тока в силовых цепях. Здесь ток и напряжение вторичной обмотки оказываются пропорциональны измеряемому току первичной обмотки (токовой цепи).

Трансформаторы тока широко применяются в устройствах релейной защиты электроэнергетических систем, поэтому обладают высокой точностью. Они делают измерения безопасными, так как гальванически надежно изолируют измерительную цепь от первичной цепи (обычно высоковольтной — десятки и сотни киловольт).

Данный трансформатор предназначен для преобразования тока (напряжения) импульсной формы. Короткие импульсы, обычно прямоугольные, подаваемые на его первичную обмотку, заставляют трансформатор работать практически в режиме переходных процессов.

Такие трансформаторы используются в импульсных преобразователях напряжения и других импульсных устройствах, а также в качестве дифференцирующих трансформаторов.

Применение импульсных трансформаторов позволяет снизить вес и стоимость устройств, в которых они применяются просто в силу повышенной частоты преобразования (десятки и сотни килогерц) по сравнению с сетевыми трансформаторами, работающих на частоте 50-60 Гц. Прямоугольные импульсы, у которых длительность фронта много меньше длительности самого импульса, нормально трансформируются с малыми искажениями.