Основы электротехники Методические указания Основы электроники Курсовая работа Лабораторные работы Основы теории цепей

Лабораторные работы по электротехнике

Электромагнитные устройства Трансформаторы

Назначение и принцип действия трансформатора

 Трансформатор представляет собой статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Трансформатор имеет не менее двух обмоток, у которых есть общий магнитопровод и которые электрически изолированы друг от друга.

 Обмотки размещаются на магнитопроводе, собранном из листов электротехнической стали (рис. 9.1). Магнитопровод отсутствует лишь в воздушных трансформаторах, которые применяются при частотах около 20 кГц и выше, когда магнитопровод почти не намагничивается из-за увеличения вихревых токов.

 Обмотка трансформатора, соединенная с источником питания, называется первичной, а обмотка, к которой подключается потребитель электроэнергии, называется вторичной. Параметры, относящиеся к первичной обмотке, обозначаются индексом 1, например, , , , относящиеся к вторичной обмотке – обозначают с индексом 2.

 Различают однофазные и трехфазные трансформаторы.

 На щитке трансформатора указывают его номинальное напряжение, полную мощность, токи, напряжение короткого замыкания, число фаз, частоту, схему соединения, режим работы и способ охлаждения.

В зависимости от напряжения различают обмотку высшего напряжения (ВН) и обмотку низшего напряжения (НН). По способу охлаждения трансформаторы делят на сухие и масляные. На рис. 9.2 показан трехфазный трансформатор масляный с трубчатым баком, где 1 – магнитопровод; 2 – обмотка НН; 3 – обмотка ВН; 4 – выводы обмотки ВН; 5 – выводы обмотки НН; 6 – трубчатый бак; 7 – кран для заполнения маслом; 8 – выхлопная труба для газов; 9 – газовые реле; 10 – расширитель масла; 11 – кран для спуска масла.

 Если первичное напряжение  больше вторичного , трансформатор называют понижающим, если  – повышающим.

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Под воздействием переменного тока первичная обмотка создает в магнитопроводе переменный магнитный поток

 (9.1)

Рис. 9.2

который пронизывает обмотки и индуктирует в них ЭДС

  (9.2)

где   – амплитудные значения ЭДС.

 Разделив максимальные значения ЭДС на , получим действующее значение ЭДС в обмотках

.  (9.3)

Из (9.2) и (9.3) следует, что ЭДС обмоток отстают по фазе от магнитного потока на 90°, и пропорциональны числу витков.

 Соотношение ЭДС обмоток называется коэффициентом трансформации

.  (9.4)

 Если , то вторичная ЭДС меньше первичной и трансформатор называется понижающим, при  – трансформатор повышающий.

 Применяют и другое определение для коэффициента трансформации: отношение номинального высшего напряжения трансформатора к номинальному низшему напряжению. В этом случае коэффициент трансформации всегда больше единицы: .

  Так как во вторичной обмотке индуктируется ЭДС, то при подключении нагрузки к ее выводам в контуре обмотка-нагрузка протекает ток и выделяется электрическая энергия. Таким образом, с помощью магнитной связи поток электрической энергии передается из первичной цепи во вторичную. В этом и состоит принцип работы трансформаторов.

  Заметим, что положительные направления напряжения на рис. 9.1 показаны стрелкой от точки с высшим потенциалом к точке с низшим потенциалом, первичная обмотка рассматривается как приемник, вторичная – как источник электрической энергии.

Основные соотношения в идеальном трансформаторе

 Идеальным трансформатором называют трансформатор, у которого активное сопротивление обмоток равно нулю, отсутствуют магнитные потоки рассеяния, потери мощности в магнитопроводе равны нулю. При таких допущениях схема трансформатора и векторная диаграмма показаны на рис. 9.3. В режиме холостого хода ток вторичной обмотки равен нулю: , а ток и МДС первичной обмотки равны  и .

 Уравнение электрического равновесия выражается равенствами

или   (9.5)

 В режиме нагрузки ток вторичной обмотки оказывает размагничивающее действие и геометрическая сумма МДС обмоток равна результирующей МДС (рис. 9.3 б)


или . (9.6)

 Соотношение (9.5) справедливо как для холостого тока, так и при нагрузке. Следовательно, при  магнитный поток  и результирующая МДС (9.6) также постоянна () независимо от нагрузки. Так как , то возрастающий ток нагрузки  автоматически приводит к увеличению тока в первичной цепи трансформатора за счет ЭДС самоиндукции первичной обмотки.

 Так как ток холостого хода мал и не превышает 5 % от номинального, то

Отсюда

.

Следовательно, в идеальном трансформаторе отношение токов обмоток обратно пропорционально их напряжениям. Это соотношение справедливо при нагрузках, близких к номинальным и неприменимо в режиме, близком к холостому ходу.

Векторная диаграмма трансформатора


В реальном трансформаторе в отличие от идеального учитываются активные сопротивления обмоток, магнитные потоки рассеяния обмоток и потери мощности в стали. На рис. 9.4 активные сопротивления  и  и индуктивные

Рис. 9.4

сопротивления  и  от потоков рассеяния выделены отдельно, а обмотки показаны идеальными без этих сопротивлений. Согласно второму закону Кирхгофа уравнения для первичных и вторичных цепей в комплексной форме имеют вид

 (9.7)

Этим уравнениям соответствует векторная диаграмма (рис. 9.5), построенная для активно-индуктивной нагрузки . Из анализа диаграммы при переменной нагрузке следует, что с увеличением вторичного тока увеличиваются ток первичной обмотки и коэффициент мощности.

Показание амперметра:

11.3. Прежде, чем написать закон изменения тока в цепи, можно построить векторную диаграмму, из которой можно определить, опережает или отстает ток по фазе от приложенного напряжения.

На векторной диаграмме должны быть представлены в векторной форме все токи и напряжения, реально существующие в цепи. Из рисунка 2.9 видно, что по всем элементам цепи протекает один и тот же ток. На всех сопротивлениях он вызывает падения напряжений, сумма которых равна сетевому напряжению (согласно второму закону Кирхгофа).

Как правило, векторная диаграмма отроится для действующих значений токов и напряжений. Ток рассчитан в п. 11.2.3. Определим величины падений напряжений на сопротивлениях:

Выбирают масштабы для тока и напряжения. Пусть, например, в 1 см. содержится 0,1 А, и в 1 см, - 2 В. Построение векторной диаграммы для цепи с последовательным соединением элементов удобнее начать с вектора тока. От произвольной точки плоскости в произвольном направлении откладывают вектор тока I (рисунок 2.10)

Напряжение на активном сопротивлении r1 совпадает по фазе с током, поэтому вектор Ur совпадает по направлению с вектором тока I.

Напряжение на катушке UL, опережает ток по фазе на 90° . Из конца вектора Url откладывают вектор Ul под углом 90°, причем, угол отсчитывают от вектора тока против часовой стрелки.

Напряжение на конденсаторе отстает от тока по фазе на угол девяносто градусов. Поэтому от конца вектора UL. откладывают вектор Uc под углом 90° по отношению к вектору тока, причем, угол отсчитывается по часовой стрелке.

Напряжение на сопротивлении r2 совпадает с током по фазе. Поэтому от конца вектора UL откладывают вектор UI, параллельно вектору тока. Направления векторов Ur2 и /должны совпадать.

Так как по второму закону Кирхгофа можно записать:

то, соединяя начало вектора Ur1 с концом вектора Ur2, получают вектор сетевого напряжения U. Из рисунка 2.10 видно, что вектор сетевого напряжения отстает по фазе от вектора тока, следовательно, полное сопротивление цепи носит активно-емкостный характер.


На главный раздел сайта: Выполнение курсовой по электротехнике