Краткие теоретические сведения. Изучая работу однофазного трансформатора, следует уяснить взаимодействие магнитных потоков в сердечнике

Изучая работу однофазного трансформатора, следует уяснить взаимодействие магнитных потоков в сердечнике, образование результирующего потока, а также влияние магнитных потоков рассеяния. Рассеивания (???)

Трансформатор имеет две обмотки: первичную и вторичную, размещенные на общем железном сердечнике. Первичная обмотка, витков, питается переменным током I₁, получаемым от источника питания.

Вторичная обмотка с числом витков соединяется с нагрузкой. При работе трансформатора в его сердечнике создается переменный магнитный поток Ф, который, пересекая витки обмоток трансформатора, возбуждает электродвижущие силы в первичной и вторичной обмотках:

, .

Действующее значение этих ЭДС равны:

, ,

где f – частота питающего напряжения, Гц;

Ф_m – амплитудное значение магнитного потока в сердечнике

трансформатора, Вб.

Электродвижущая сила Е₂ создает в цепи вторичной обмотки,

соединенной с нагрузкой, ток I₂. Магнитный поток в сердечнике трансформатора, работающего под нагрузкой, создается под действием намагничивающих сил обеих обмоток. Однако амплитудное значение

этого потока практически не зависит от величины токов в обмотках трансформатора и пропорционально величине напряжения U₁,

подведенного к трансформатору.

Отношение k называется коэффициентом трансформации

трансформатора.

Если величины w₁ и w₂ неизвестны, то коэффициент трансформации определяется по результатам опыта холостого хода. При холостом ходе напряжение U₂₀ на зажимах вторичной обмотки будет равно ЭДС Е₂, а ЭДС Е₁ ничтожно мало, поскольку отличается от напряжения первичной U₁, и тогда коэффициент трансформации будет определяться как отношение: .

Следует отметить, что при трансформаторе под нагрузкой напряжения в обмотках могут заметно отличаться от электродвижущих сил. Разница между ЭДС и напряжениями, обусловленная падением напряжения в

активных и индуктивных сопротивлениях обмоток, зависит не только от величины токов в обмотках, но и от коэффициента мощности нагрузки.

Стабильность вторичного напряжения трансформатора оценивают по величине процентного изменения Δ U₂ %:

, %

где U₂ – напряжение на вторичной обмотке трансформатора при нагрузке В.

Работа трансформатора сопровождается потерей некоторой части

потребляемой мощности и выделением энергии в виде тепла внутри

трансформатора. Потери мощности в трансформаторе подразделяются на две группы:

а) потери в стали;

б) потери в меди.

Потери в стали Δ P_ст, обусловленные гистерезисом и вихревыми

токами в сердечнике, пропорциональны квадрату магнитного потока и

зависят не от нагрузки трансформатора, а только от подведенного

напряжения U₁. При этом потери Δ P_ст будут одинаковыми как при

холостом ходе, так и при полной нагрузке трансформатора при одном и том же напряжении U₁.

Потери в меди Δ P_эл не зависят от магнитного потока, а зависят от квадрата тока в обмотках:

,

где R₁ и R₂ – активные сопротивления обмоток трансформатора, Ом.

Для определения потерь мощности в трансформаторе на практике применяется специальный метод, основанный на опытах холостого хода и короткого замыкания. В режиме холостого хода ток во вторичной обмотке отсутствует, а ток в первичной обмотке не превышает 5…10 % своего

номинального значения. Поэтому потери в меди у трансформатора при

холостом ходе будут ничтожно малы, и потребляемая мощность почти

целиком идет на покрытие потерь в стали:

.

Отсюда следует, что потери в стали можно определить по показаниям ваттметра, включенного в цепь первичной обмотки трансформатора, работающего в режиме холостого хода при номинальном первичном напряжении.

Для проведения опыта короткого замыкания вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко, подключая к ней амперметр (рис. 4.3.1).

 

Рис. 4.3.1

 

Напряжение, подводимое к первичной обмотке, постепенно повышают от нуля до величины U_1к, при котором в обмотках трансформатора усиливаются номинальные токи I_1н и I_2н. Напряжение U_1к называется напряжением короткого замыкания. Его выражают в процентах по отношению к номинальному первичному напряжению:

, %

Напряжение короткого замыкания невелико (у большинства силовых трансформаторов оно составляет 5, 5%). Поэтому магнитный поток в сердечнике трансформатора, а, следовательно, и потери в стали при опыте короткого замыкания получаются незначительными. Мощность Р_к, потребляемую трансформатором при опыте короткого замыкания и учитываемую ваттметром, можно считать равной потерям в меди, получающимся при номинальных токах в обмотках.

Так как потери в меди пропорциональны квадрату тока в обмотках, то, зная величину Р_к, можно рассчитать эти потери для любой нагрузки трансформатора:

,

где - степень (коэффициент) загрузки трансформатора .

Полные потери мощности в трансформаторе будут:

.

Метод определения потерь в трансформаторе по опытам холостого хода (рис. 4.3.2) и короткого замыкания (рис. 4.3.1) удобен тем, что им можно определить КПД крупных трансформаторов при отсутствии достаточно большой мощности источника энергии и соответствующей нагрузки.

 

Рис. 4.3.2