Принципът на работа на трансформатора се основава на явлението електромагнитна индукция (взаимна индукция). Взаимната индукция се състои в индуциране на ЕДС в индуктивна намотка, когато токът се промени в другата намотка.
Под въздействието на променлив ток в първичната намотка се създава променлив магнитен поток в магнитната верига
който прониква в първичната и вторичната намотки и индуцира ЕДС в тях
където са амплитудните стойности на ЕМП.
Ефективната стойност на ЕМП в намотките е
;
.
Съотношението на ЕДС на намотките се нарича коефициент на трансформация
Ако , тогава вторичната EMF е по-малка от първичната и трансформаторът се нарича понижаващ трансформатор с понижаващ трансформатор.
Въпрос 8. Векторна диаграма на идеален трансформатор на празен ход.
Тъй като разглеждаме идеален трансформатор, т.е. без разсейване и загуба на мощност, тогава токът x.x. е чисто магнетизираща - , т.е. той създава сила на намагнитване, която създава поток, където е магнитното съпротивление на сърцевината, състоящо се от съпротивлението на стоманата и съпротивлението на ставите на сърцевината. Както амплитудата, така и формата на кривата на тока зависят от степента на насищане на магнитната система. Ако потокът се промени синусоидално, тогава при ненаситена стомана кривата на тока на празен ход е почти също синусоидална. Но когато стоманата е наситена, кривата на тока е все по-различна от синусоидата (фиг. 2.7.) Кривата на тока x.x. могат да бъдат разложени на хармоници. Тъй като кривата е симетрична спрямо оста x, серията съдържа само хармоници от нечетен ред. Първи хармоничен ток и ( 01) е във фаза с основния поток. От висшите хармоници, третият хармоник на тока е най-силно изразен и ( 03) .
Фигура 2.7 X.X крива на тока
Ефективна стойност на тока на празен ход:
.
(2.22)
Тук аз 1 м , аз 3 м , аз 5 м- амплитуди на първия, третия и петия хармоник на тока на празен ход.
Тъй като токът на празен ход изостава от напрежението с 90 , активната мощност, консумирана от идеалния трансформатор от мрежата, също е нула, т.е. Идеалният трансформатор черпи чисто реактивна мощност и намагнетизиращ ток от мрежата.
Векторната диаграма на идеален трансформатор е показана на фиг. 2.8.
Ориз. 2.8. Векторна диаграма на идеален трансформатор
Въпрос 9 Векторна диаграма на празен ход на реален трансформатор.
В истински трансформатор има разсейване и загуби в стомана и мед. Тези загуби се покриват от захранването Р 0, влизащ в трансформатора от мрежата.
където аз 0a - ефективна стойност на активния компонент на тока на празен ход.
Следователно токът на празен ход на истински трансформатор има два изхода: намагнетизиране - създаване на основния поток Фи съвпадащи с него във фаза, и активни:
Векторната диаграма на реален трансформатор е показана на фиг. 2.9.
Следователно, обикновено този компонент има малък ефект върху стойността на тока на празен ход, но влияе повече върху формата на кривата на тока и неговата фаза. Кривата на тока на празен ход е ясно несинусоидална и се измества във времето спрямо кривата на потока с ъгъл, наречен магнитен ъгъл на забавяне.
Чрез замяна на действителната крива на тока на празен ход с еквивалентна синусоида, уравнението на напрежението може да бъде записано в сложна форма, където всички количества варират синусоидално:
Като се има предвид, че ЕМП на разсейване,
Ориз. 2.9. Векторна диаграма на истински трансформатор
Ориз. 2.11. Векторна диаграма на напрежението на трансформатора, режим без натоварване
ЛР 5. Изследване на режимите на работа на еднофазен трансформатор
Назовете основните конструктивни елементи на еднофазен трансформатор.
Еднофазен трансформатор се състои от магнитна верига (ядро) и две намотки, положени върху нея. Намотката, свързана към мрежата, се нарича първична, а намотката, към която е свързан приемникът на мощност, се нарича вторична. Магнитната верига е направена от феромагнитен материал и служи за усилване на магнитното поле и магнитният поток се затваря по него.
Характеристики на изпълнението на магнитната верига на трансформатора.
Магнитната верига на трансформатора е в магнитно поле с променлив ток и следователно, по време на работа, тя непрекъснато се премагнетизира и в нея се индуцират вихрови токове, които консумират енергия, която отива за нагряване на магнитната верига. За да се намалят загубите на енергия за обръщане на намагнитването, магнитната верига е направена от магнитно мек феромагнетик, който има ниска остатъчна индукция и лесно се ремагнетизира, а за намаляване на вихровите токове и следователно степента на нагряване на магнитната верига, магнитната верига се набира от отделни пластини от електрическа стомана, изолирани една спрямо друга.
3. Как се определят ЕДС на намотките на трансформатора, от какво зависят?
ЕМП на намотките на трансформатора се определя по формулите: E 1 \u003d 4,44 * Fm * f * N 1 и E 2 \u003d 4,44 * Fm * f * N 2
където fm- максималната стойност на магнитния поток,
е- AC честота,
N 1и N 2- съответно броят на завоите на първичната и вторичната намотка.
По този начин ЕМП на намотките на трансформатора зависи от магнитния поток, честотата на променливия ток и броя на завоите на намотките, а съотношението между ЕМП зависи от съотношението на броя на завоите на намотките.
4. Назовете видовете загуби на енергия в трансформатор, от какво зависят?
По време на работа на трансформатора в него възникват два вида загуби на енергия:
1. Магнитните загуби са загуби на енергия, които възникват в магнитната верига. Тези загуби са пропорционални на мрежовото напрежение. Енергията в този случай се изразходва за повторно намагнитване на магнитната верига и за създаване на вихрови токове и се преобразува в топлинна енергия, освободена в магнитната верига.
2. Електрическите загуби са загубите на енергия, които възникват в намотките на трансформатора. Тези загуби са причинени от токове, протичащи в намотките, и се определят: Re \u003d I 2 1 R 1 + I 2 2 R 2.
Че. електрическите загуби са пропорционални на квадратите на токовете, протичащи в намотките на трансформатора. В този случай енергията се изразходва за нагряване на намотките.
5. Как се определят магнитните загуби в трансформатор, от какво зависят?
За определяне на магнитните загуби в трансформатора се провежда експеримент XX, при който токът във вторичната намотка е нула, а в първичната намотка токът не надвишава 10% от аз ном. Защото при провеждане на този експеримент електрическият приемник се изключва, след което цялата мощност, измерена от ватметъра, включен във веригата на първичната намотка на трансформатора, е мощността на електрическите и магнитните загуби. Магнитните загуби са пропорционални на напрежението, приложено към първичната намотка. Защото по време на експеримент XX се захранва първичната намотка U ном , тогава магнитните загуби ще бъдат същите като в номиналния режим. Електрическите загуби зависят от токовете в намотките и тъй като токът във вторичната намотка е нула, а в първичната намотка токът не надвишава 10% от номиналния ток, а електрическите загуби са незначителни. По този начин, пренебрегвайки малките електрически загуби, ние вярваме, че цялата мощност, измерена по време на експеримента XX, е мощността на магнитните загуби.
6. Как се определят електрическите загуби в трансформатор, от какво зависят?
За определяне на електрическите загуби в трансформатора се извършва тест за късо съединение. За да направите това, е необходимо да намалите напрежението на вторичната намотка до нула, да затворите вторичните скоби един към друг и да увеличите напрежението, докато в намотките се установят номиналните токове. Напрежението, при което се задават номиналните токове в намотките, се нарича напрежение на късо съединение. По правило напрежението на късо съединение е незначително и не надвишава 10% от номиналното напрежение.
Ще бъдат определени електрически загуби в трансформатора по време на късо съединение :Re= I 2 1 ном R 1 + I 2 2 ном R 2.
Защото при провеждане на тест за късо съединение в намотките на трансформатора се задават номинални токове, тогава електрическите загуби в тях ще бъдат същите като в номиналния режим. Магнитните загуби са пропорционални на напрежението на първичната намотка и тъй като При експеримента с късо съединение към първичната намотка се прилага незначително напрежение, тогава магнитните загуби са незначителни. По този начин, пренебрегвайки малките магнитни загуби, можем да приемем, че цялата мощност, измерена при теста за късо съединение, е мощността на електрическите загуби.
През 1876г P.I. Яблочковпредложи използването на трансформатор за захранване на свещите. В бъдеще дизайнът на трансформаторите е разработен от друг руски изобретател, механик И.Ф. Усагин,който предложи да се използват трансформатори за захранване не само на свещи на Яблочков, но и на други потребители на електрическа енергия.
Трансформаторът е електрическо устройство, базирано на явлението взаимна индукция и предназначено да преобразува променлив ток от едно напрежение в променлив ток с различно напрежение, но със същата честота. Най-простият трансформатор има стоманена сърцевина и две намотки, изолирани както от сърцевината, така и една от друга.
Намотката на трансформатор, която е свързана към източник на напрежение, се нарича първична намотка,и намотката, към която са свързани консуматорите или преносните линии, водещи към консуматорите, се нарича вторична намотка.
Променлив ток, преминаващ през първичната намотка, създава променлив магнитен поток, който се преплита с завоите на вторичната намотка и индуцира ЕДС в тях.
Тъй като магнитният поток е променлив, индуцираната ЕДС във вторичната намотка на трансформатора също е променлива и честотата му е равна на честотата на тока в първичната намотка.
Променливият магнитен поток, преминаващ през сърцевината на трансформатора, пресича не само вторичната намотка, но и първичната намотка на трансформатора. Следователно в първичната намотка също ще се индуцира ЕМП.
Големината на ЕМП, индуцирана в намотките на трансформатора, зависи от честотата на променливия ток, броя на завоите на всяка намотка и големината на магнитния поток в сърцевината. При определена честота и постоянен магнитен поток стойността на EMF на всяка намотка зависи само от броя на завоите на тази намотка. Тази връзка между стойностите на EMF и броя на завоите на намотките на трансформатора може да се изрази с формулата: ?1 / ?2 = N1 / N2, къде? 1 и?
Разликата между EMF и напрежението е толкова малка, че връзката между напреженията и броя на завоите на двете намотки може да се изрази с формулата: U1 /U2==N1/N2. Разликата между EMF и напрежението в първичната намотка на трансформатора става особено малка, когато вторичната намотка е отворена и токът в нея е нула (на празен ход), а в първичната намотка тече само малък ток, наречен ток на празен ход. . В този случай напрежението на клемите на вторичната намотка е равно на индуцираната в нея ЕМП.
Числото, което показва колко пъти напрежението в първичната намотка е по-голямо (или по-малко) от напрежението във вторичната намотка, се нарича коефициент на трансформация и се обозначава с буквата к. k = U1 / U2? N1/N2.
Номиналното напрежение на намотките за високо и ниско напрежение, посочено на табелката на трансформатора, се отнася до режима на празен ход.
Трансформаторите, които служат за повишаване на напрежението, се наричат покачващи; техният коефициент на трансформация е по-малък от единица. Понижаващи трансформатори понижават напрежението; техният коефициент на трансформация е по-голям от единица.
Режимът, в който вторичната намотка на трансформатора е отворена и към клемите на първичната намотка се подава променливо напрежение, се нарича работа на празен ход или празен ход на трансформатора.
Да вземем намотка с феромагнитна сърцевина и да извадим омичното съпротивление на намотката като отделен елемент, както е показано на фигура 1.
Фигура 1. Индуктор с феромагнитна сърцевина
Когато в намотката се приложи променливо напрежение e c, съгласно закона за електромагнитната индукция, възниква ЕМП на самоиндукция e L.
(1) където ψ
- връзка на потока, У- броят на завоите в намотката, Фе основният магнитен поток. Пренебрегваме потока на разсейване. Напрежението, приложено към бобината, и индуцираната ЕМП са балансирани. Според втория закон на Кирхоф за входната верига можем да запишем:
e c + e L = i × Rобмен, (2)където Р obm - активно съпротивление на намотката.
Дотолкова доколкото e L >> i × Rобмен, тогава пренебрегваме спада на напрежението в омичното съпротивление e c ≈ −e L. Ако мрежовото напрежение е хармонично, e c = E m cosω т, тогава:
(3)
Нека намерим магнитния поток от тази формула. За да направите това, прехвърляме броя на завоите в намотката от лявата страна, а магнитния поток Ф вдясно:
(4)
Сега вземете неопределения интеграл от дясната и лявата страна:
(5)Тъй като считаме, че магнитната верига е линейна, тогава във веригата тече само хармоничен ток и няма постоянен магнит или постоянен компонент на магнитния поток, тогава константата на интегриране c = 0. Тогава фракцията пред синуса е амплитудата на магнитния поток
(6)откъдето изразяваме амплитудата на входната ЕМП
E m =Ф m × W & пъти ω (7)Ефективната му стойност е
(8) (9)Извиква се израз (9). основната формула на EMF на трансформатора, което е валидно само за хармонично напрежение. При нехармонично напрежение то се модифицира и се въвежда така нареченият коефициент на формата, равен на съотношението на ефективната стойност към средната:
(10)
Намерете коефициента на формата за хармоничен сигнал, докато средната стойност се намира в интервала от 0 до π/2
(11)
Тогава форм факторът е 
и основната формула на EMF на трансформатора приема окончателната форма:
Ако сигналът е последователност от правоъгълни импулси със същата продължителност (меандър), тогава амплитудата, ефективните и средните стойности за половината период са равни една на друга и нейните к f = 1. Можете да намерите форм фактор за други сигнали. Основната формула за EMF на трансформатора ще бъде валидна.
Нека построим векторна диаграма на намотка с феромагнитно ядро. При синусоидално напрежение на изводите на бобината неговият магнитен поток също е синусоидален и изостава от напрежението във фаза с ъгъл π / 2, както е показано на фигура 2.
Въпрос 7. ЕМП на намотките на трансформатора.
Принципът на работа на трансформатора се основава на явлението електромагнитна индукция (взаимна индукция). Взаимната индукция се състои в индуциране на ЕДС в индуктивна намотка, когато токът се промени в другата намотка.
Под въздействието на променлив ток в първичната намотка се създава променлив магнитен поток в магнитната верига
който прониква в първичната и вторичната намотки и индуцира ЕДС в тях
където са амплитудните стойности на ЕМП.
Ефективната стойност на ЕМП в намотките е
;
.
Съотношението на ЕДС на намотките се нарича коефициент на трансформация
Ако , тогава вторичната EMF е по-малка от първичната и трансформаторът се нарича понижаващ трансформатор с понижаващ трансформатор.
Въпрос 8. Векторна диаграма на идеален трансформатор на празен ход.
Тъй като разглеждаме идеален трансформатор, т.е. без разсейване и загуба на мощност, тогава токът x.x. е чисто магнетизираща - , т.е. той създава сила на намагнитване, която създава поток, където е магнитното съпротивление на сърцевината, състоящо се от съпротивлението на стоманата и съпротивлението на ставите на сърцевината. Както амплитудата, така и формата на кривата на тока зависят от степента на насищане на магнитната система. Ако потокът се промени синусоидално, тогава при ненаситена стомана кривата на тока на празен ход е почти също синусоидална. Но когато стоманата е наситена, кривата на тока е все по-различна от синусоидата (фиг. 2.7.) Кривата на тока x.x. могат да бъдат разложени на хармоници. Тъй като кривата е симетрична спрямо оста x, серията съдържа само хармоници от нечетен ред. Първи хармоничен ток и ( 01) е във фаза с основния поток. От висшите хармоници, третият хармоник на тока е най-силно изразен и ( 03) .
Фигура 2.7 X.X крива на тока
Ефективна стойност на тока на празен ход:
.
(2.22)
Тук аз 1 м , аз 3 м , аз 5 м- амплитуди на първия, третия и петия хармоник на тока на празен ход.
Тъй като токът на празен ход изостава от напрежението с 90 , активната мощност, консумирана от идеалния трансформатор от мрежата, също е нула, т.е. Идеалният трансформатор черпи чисто реактивна мощност и намагнетизиращ ток от мрежата.
Векторната диаграма на идеален трансформатор е показана на фиг. 2.8.
Ориз. 2.8. Векторна диаграма на идеален трансформатор
Въпрос 9 Векторна диаграма на празен ход на реален трансформатор.
В истински трансформатор има разсейване и загуби в стомана и мед. Тези загуби се покриват от захранването Р 0, влизащ в трансформатора от мрежата.
където аз 0a - ефективна стойност на активния компонент на тока на празен ход.
Следователно токът на празен ход на истински трансформатор има два изхода: намагнетизиране - създаване на основния поток Фи съвпадащи с него във фаза, и активни:
Векторната диаграма на реален трансформатор е показана на фиг. 2.9.
Следователно, обикновено този компонент има малък ефект върху стойността на тока на празен ход, но влияе повече върху формата на кривата на тока и неговата фаза. Кривата на тока на празен ход е ясно несинусоидална и се измества във времето спрямо кривата на потока с ъгъл, наречен магнитен ъгъл на забавяне.
Чрез замяна на действителната крива на тока на празен ход с еквивалентна синусоида, уравнението на напрежението може да бъде записано в сложна форма, където всички количества варират синусоидално:
Като се има предвид, че ЕМП на разсейване,
Ориз. 2.9. Векторна диаграма на истински трансформатор
Ориз. 2.11. Векторна диаграма на напрежението на трансформатора, режим без натоварване
