Сборка масляных трансформаторов — Режим нагрузки трансформатора
§ 4. РЕЖИМ НАГРУЗКИ ТРАНСФОРМАТОРА
Если включить вторичную обмотку трансформатора (см. рис. 2, б) на внешнюю цепь, замкнув рубильник 4, то трансформатор переходит из режима холостого хода в режим нагрузки.
Очевидно, что с момента включения рубильника в цепи вторичной обмотки появляется ток нагрузки /2. Этот ток, как и любой изменяющийся ток, создает свой переменный магнитный поток Ф2. Большая часть потока Ф2 замыкается по магнигопроводу трансформатора, а меньшая часть Фр2 — по воздуху вокруг витков вторичной обмотки; она составляет магнитный поток рассеяния.
Будучи индуктированным, ток вторичной обмотки по правилу Ленца противодействует причине, его вызвавшей, т. е. имеет направление, противоположное току /о, поэтому и его магнитный поток Ф2 направлен навстречу потоку Фо. Другими словами, лоток, созданный вторичным током, должен был бы ослаблять основной магнитный поток Фо.
Однако стоит только уменьшиться потоку Фо, как это вызывает уменьшение э. д. с. самоиндукции Е\ в первичной обмотке. Э.д.с. самоиндукции, как известно, направлена против приложенного напряжения Ui (рис. 4), и ее увеличение или уменьшение соответственно уменьшает или увеличивает первичный ток. Это легко подтверждается уравнением для напряжения первичной обмотки:
Из уравнения находим:
Следовательно, если допустить, что поток в сердечнике уменьшился, уменьшится и Еи а это значит, что первичный ток возрастет. Это увеличение первичного тока по сравнению с током холостого хода станет настолько большим, что созданный этим током дополнительный магнитный поток Ф1 полностью скомпенсирует поток Ф2 вторичной обмотки.
Таким образом, действуя почти прямо противоположно друг другу, потоки Ф1 и Ф2 компенсируются, а результирующий поток Фо индуктирует в первичной обмотке ЭДС £1, почти полностью уравновешивающую напряжение U\. При неизменном первичном напряжении Ui ЭДС Е\ также остается неизменной, следовательно, и магнитный поток Фо остается практически неизменным при любых нагрузках (токах Ii и /2) трансформатора.
Итак, мы убедились, что в трансформаторе при увеличении вторичного тока от нуля до h происходит автоматическое увеличение первичного тока от /о до 1\.
Подобные же процессы происходят и при уменьшении вторичного тока. Действительно, при уменьшении тока h поток Ф2 уменьшается; одновременно уменьшается и его противодействие потоку Фо, величина которого казалось бы должна при этом возрасти. Однако увеличение Фо вызывает увеличение ЭДС Еь т. е. уменьшение первичного тока. Ток 1\ уменьшается ровно настолько, чтобы создаваемый лм дополнительный поток Ф1
в точности соответствовал изменившемуся магнитному потоку Ф2.
Таким образом, можно сделать вывод, что в трансформаторе автоматически изменяется величина тока Л, поступающего в первичную обмотку от источника тока, в точном соответствии с изменением нагрузки, т. е. тока /2, который потребляется внешней цепью из вторичной обмотки. Вследствие автоматического изменения тока в первичной обмотке и происходит переход, энергии из одной обмотки в другую электромагнитным путем. При работе под нагрузкой вторичная обмотка трансформатора является источником тока. Как и для всякого источника,, для вторичной обмотки трансформатора справедливо уравнение 
где Е2 — ЭДС, возникающая во вторичной обмотке;
U2 — напряжение на зажимах вторичной обмотки;
hr2 —активное падение напряжения в обмотке 12х2 —индуктивное падение напряжения в обмотке (х2— индуктивное сопротивление обмотки). 
Рис. 5. Векторная диаграмма трансформатора, включенного на активную нагрузку
Построим векторную диаграмму трансформатора при его работе на активную нагрузку (см. рис. 2, б). Откладываем по горизонтальной оси (рис. 5) вектор магнитного потока Фо, строим вектор тока /о и векторы ЭДС Ei и Е2у отстающие от вектора Фо на четверть периода.
Напряжение U2 на зажимах вторичной обмотки при нагрузке меньше ЭДС Е2 на величину падений напряжения в самой обмотке. Поэтому напряжение U2 можно получить, если из ЭДС £2 геометрически вычесть активное (12г2) и индуктивное (12х2) падение напряжения, которое уравновешивает ЭДС £р2, наводимую потоком рассеяния.
Поскольку трансформатор работает на активную (например, осветительную) нагрузку, ток h совпадает по фазе с напряжением t/2.
Ток 12 создает поток рассеяния Фр2, замыкающийся по воздуху вокруг обмотки w2 и поэтому совпадающий с ним по направлению. Э.д.с. рассеяния Ер2 отстает от потока на четверть периода.
Для построения векторной диаграммы первичной обмотки необходимо вектор тока холостого хода /о сложить с вектором тока Л. Это тот ток, который своим дополнительным магнитным потоком Ф1 компенсирует поток Ф2 вторичной обмотки. По вектору суммарного тока Д строится векторная диаграмма первичной обмотки точно так же, как и по вектору тока холостого хода.
В нашем примере мы рассмотрели векторную диаграмму трансформатора для случая активной нагрузки. Аналогично можно построить диаграммы и для других нагрузок (индуктивной или смешанной).
Работа трансформатора под нагрузкой
В режиме нагрузки, в отличие от режима холостого хода, к вторичной обмотке трансформатора присоединяется потребитель электрической энергии. Таким образом, электрические цепи первичной и вторичной обмоток оказываются замкнутыми и в обоих обмотках протекают переменные токи. Переменные токи создают магнитодвижущие силы первичной и вторичной обмоток трансформатора. Амплитуды магнитодвижущих сил первичной и вторичной обмоток почти одинаковы. Амплитуда магнитодвижущей силы первичной обмотки всего на несколько процентов больше амплитуды магнитодвижущей силы вторичной обмотки.
Магнитодвижущая сила вторичной обмотки направлена таким образом, что почти полностью компенсирует магнитодвижущую силу первичной обмотки. Амплитуда суммарной магнитодвижущей силы, которая действует в магнитопроводе, составляет несколько процентов от магнитодвижущей силы одной из обмоток. Магнитный поток в магнитопроводе возбуждается под действием суммарной магнитодвижущей силы, поэтому амплитуда магнитного потока почти не зависит от токов в первичной и вторичной обмотках и приблизительно равняется амплитуде магнитного потока в режиме холостого хода.
Независимость амплитуды магнитного потока в магнитопроводе трансформатора от тока в нагрузке является важной характеристикой трансформатора и объясняет множество особенностей его работы.
Переменный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора, как и в режиме холостого хода, сцеплен со всеми витками первичной и вторичной обмоток, наводит в них электродвижущие силы.
Электродвижущая сила, наведенная переменным магнитным потоком в первичной обмотке, почти полностью компенсирует, как и в режиме холостого хода, приложенное к обмотке напряжение сети. Тем самым достигается ограничение амплитуды тока первичной обмотки до значений, не превышающих номинальные. Таким образом, первичная обмотка относительно электрической сети выступает как потребитель электрической энергии.
Переменный магнитный поток наводит также электродвижущую силу во вторичной обмотке. Амплитуда наведенной электродвижущей силы прямо пропорциональна количеству витков вторичной обмотки. Отношение амплитуды ЭДС первичной обмотки E1m к амплитуде ЭДС E2m вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации k = E 1m / E 2m. Коэффициент трансформации равняется отношению количества витков w1 первичной обмотки к количеству витков w2 вторичной обмотки:
Набирая необходимое количество витков, можно с помощью трансформатора питать потребителей с разным номинальным напряжением.
Во вторичной обмотке, замкнутой на потребителя вторичной энергии, под действием электродвижущей силы протекает переменный ток, амплитуда которого определяется сопротивлением потребителя, включенного во вторичную обмотку. Вторичная обмотка относительно потребителя является генератором электрической энергии.
Таким образом, трансформатор передает энергию от сети к потребителю с помощью магнитного поля.
Физика. 11 класс
§ 9. Преобразование переменного тока. Трансформатор
Для использования переменного тока на производстве и в быту необходимо уметь изменять его параметры в соответствии с запросами того или иного потребителя. Для этого созданы специальные устройства, позволяющие повышать или понижать напряжение в электрической цепи. Как они устроены? Почему категорически запрещено находиться в помещении, предназначенном для работы только такого устройства?
Генераторы переменного тока создают в расчете на определенные значения напряжения. Для практического использования электрической энергии во всевозможных устройствах и приборах необходимы различные значения напряжений. Для этого используются трансформаторы (от лат. transformo — преобразую).
Первую модель (прототип) трансформатора создал в 1831 г. Майкл Фарадей, намотав на железное кольцо две изолированные обмотки, которые использовал в своих экспериментах. В 1878 г. русский ученый Павел Николаевич Яблочков впервые использовал трансформатор для изменения напряжения питания изобретенных им источников света — «электрических свечей».
Трансформатор (рис. 65, а) — это электромагнитное устройство, преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения с сохранением его частоты.
Трансформатор, увеличивающий напряжение, называют повышающим, а уменьшающий — понижающим. Схематическое изображение и условное обозначение трансформатора на электрических схемах показаны, соответственно, на рисунке 65 б, в.
Самый простой трансформатор состоит из двух обмоток (катушек), надетых на общий замкнутый сердечник (см. рис. 65, а). Обмотка трансформатора, на которую подается переменное напряжение, называется первичной, а обмотка, с которой снимается преобразованное переменное напряжение, — вторичной. Число витков в первичной обмотке трансформатора обозначим N1, а во вторичной — N2.
Обмотки трансформатора могут быть расположены на сердечнике различным образом (рис. 66).
Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Магнитное поле, создаваемое переменным током в первичной обмотке (см. рис. 65, а), благодаря наличию замкнутого сердечника практически без потерь (без рассеяния) пронизывает витки вторичной обмотки. Для этого сердечник изготовляется из специального (ферромагнитного) материала, что позволяет создаваемое током в обмотках поле практически полностью локализовать внутри сердечника. В результате магнитный поток практически существует только внутри сердечника и одинаков во всех сечениях. Это позволяет считать мгновенные значения магнитных потоков во всех сечениях сердечника одинаковыми.
Пусть первичная обмотка трансформатора подключена к источнику тока с переменной ЭДС и на нее подается напряжение U1. Если пренебречь потерями магнитного потока в сердечнике, то согласно закону Фарадея ЭДС индукции, возникающая в каждом витке вторичной обмотке, будет такой же, как ЭДС индукции в каждом витке первичной обмотки. Следовательно, отношение ЭДС в первичной ℰ1 = и вторичной ℰ2 = обмотках равно отношению числа витков в них:
где e — значение ЭДС индукции в одном витке.
Вследствие малости электрических сопротивлений обмоток, напряжения на них можно считать:
| U1≈ℰ1, U2≈ℰ2 . | (2) |
Из соотношения (2) следует:
т. е. значение напряжения U2 на вторичной обмотке пропорционально значению напряжения U1 на первичной обмотке.
Как следует из выражения (3), в зависимости от отношения числа витков в обмотках напряжение U2 может быть как больше напряжения U1 (трансформатор повышающий), так и меньше его (трансформатор понижающий).
Тип трансформатора определяется коэффициентом трансформации, который равен отношению числа витков первичной катушки к числу витков вторичной:
Как следует из соотношения (4), при k > 1 напряжение на вторичной обмотке будет меньше напряжения на первичной ( U2U1) . Значит, в этом случае трансформатор будет понижающим. Соответственно, при k < 1 трансформатор будет повышающим.
Режимом холостого хода трансформатора называется режим с разомкнутой вторичной обмоткой. В этом случае напряжение на вторичной обмотке равно индуцируемой в ней ЭДС:
Рабочим ходом (режимом) трансформатора называется режим, при котором в цепь его вторичной обмотки включена некоторая нагрузка. Включение нагрузки во вторичную цепь трансформатора приводит к появлению в ней тока. Согласно правилу Ленца магнитный поток, создаваемый током во вторичной обмотке, стремится скомпенсировать изменение магнитного потока через витки вторичной обмотки, а значит, и через витки первичной обмотки. Это приводит к тому, что после включения нагрузки действующее значение силы тока в первичной обмотке увеличивается таким образом, чтобы суммарный магнитный поток через первичную обмотку достиг прежней величины.
Согласно закону сохранения энергии мощность тока, выделяемая в цепи вторичной обмотки трансформатора, поступает из цепи его первичной обмотки. Пренебрегая потерями энергии, связанными с нагреванием обмоток и работой на перемагничивание сердечника, которые в современных трансформаторах не превышают 2 %, можем записать, что мощности тока в цепях обеих обмоток трансформатора практически одинаковы:
Таким образом, повышая в несколько раз напряжение, во столько же раз мы уменьшаем силу тока.
Режимом короткого замыкания называется режим, при котором вторичная обмотка трансформатора замкнута без нагрузки. Данный режим опасен для трансформатора, поскольку в этом случае действующее значение тока во вторичной обмотке максимально и происходят электрическая и тепловая перегрузки системы.
При работе трансформатора всегда имеются энергетические потери, связанные с такими физическими процессами, как:
— нагревание обмоток трансформатора при прохождении электрического тока;
— работа по перемагничиванию сердечника;
— рассеяние магнитного потока.
Наиболее значительные энергетические потери при работе трансформатора обусловлены тепловым действием вихревых токов (токов Фуко), возникающих в сердечнике при изменении магнитного потока.
Для уменьшения тепловых потерь сердечники (магнитопроводы) трансформаторов изготовляют не из сплошного куска металла, а из тонких пластин специальной трансформаторной стали, разделенных тончайшими слоями диэлектрика (пластины покрывают лаком). Такая конструкция сердечника позволяет значительно увеличить его электрическое сопротивление, что приводит к уменьшению потерь на его нагревание.
Для предотвращения перегрева мощных трансформаторов используется масляное охлаждение (рис. 67).
Современные трансформаторы являются уникальными устройствами, так как имеют очень высокие КПД (до 98 — 99 %), т. е. работают практически без потерь.
Принцип работы
Теория о трансформаторах
Основные понятия
Статические электромагнитные устройства, используются для преобразования электрической энергии и её передачи из одних цепей в другие, называются трансформаторами. С помощью трансформаторов можно преобразовывать основные параметры электрической энергии в цепях переменного тока: напряжение, ток, частоту, число фаз и форму кривой. Передача энергии в трансформаторе возможна не только электромагнитным, но и комбинированным (электромагнитно-электрическим) путем. Такой тип трансформатора известен под названием автотрансформатора.
Трансформатор может быть использован также для передачи энергии электромагнитным путем без ее преобразования. Такой тип трансформатора, применяемый для изоляции одной электрической цепи от другой, называется изолирующим.
Дросселями называют статические электромагнитные устройства, используемые в электрических цепях в качестве индуктивных сопротивлений. Различают несколько разновидностей дросселей. Основным из них являются дроссели переменного тока, называемые также индуктивными катушками, сглаживающие дроссели электрических фильтров и дроссели насыщения.
Трансформаторы питания малой мощности обычно делятся:
1) по напряжению — на низковольтные и высоковольтные;
2) по частоте питания — на трансформаторы промышленной частоты (50Гц) и на трансформаторы повышенной частоты (400-50 000Гц);
3) по числу фаз
4) по коэффициенту трансформации — на повышающие и понижающие;
5) по числу обмоток — на двухобмоточные и на многообмотчные;
6) по конструкции магнитопровода — на стержневые, броневые и тороидальные;
Принцип действия трансформатора
Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из стального магнитопровода 2 и двух расположенных на нем обмоток 1 и 3. Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны. К одной из обмоток подается электрическая энергия от источника переменного тока. Эту обмотку называют первичной. К другой обмотке, называемой вторичной , подключают потребители.
При подключении трансформатора к источнику переменного тока (электрической сети) в витках его первичной обмотки протекает переменный ток i 1 , образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные Э.Д.С. е 1 и е 2 . Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием Э.Д.С. е 2 по ее цепи проходит ток i 2 .
Э.Д.С. [E, ( В )] , индуцированная в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока [B, ( Тл )] , пронизывающего виток [W] , частоты [f, ( Гц) ] и площади сечения магнит о провода [S, (мм 2) ] .
Отношение Э.Д.С. Е 2 обмотки высшего напряжения к Э.Д.С. E 1 обмотки низшего напряжения (или отношение чисел их витков) называется коэффициентом трансформации,
n = Е 1 / E 1\2 = W 1 / W 2
Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (в трансформаторах средней и большой мощности они не превышают обычно 2—5 % номинальных значений напряжений U 1 и U 2 ), то можно считать, что отношение напряжения U 1 первичной обмотки к напряжению U 2 вторичной обмотки приблизительно равно отношению чисел их витков , т. е.
U 1 /U 2 = W 1 / W 2
Таким образом, подбирая требуемое соотношение между числами витков первичной и вторичной обмоток, можно увеличивать или уменьшать напряжение на приемнике, подключенном к вторичной обмотке. Если необходимо на вторичной обмотке получить напряжение большее, чем подается на первичную, то применяют повышающие трансформаторы, у которых число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной.
Параметры трансформатора
Одним из наиболее важных параметров трансформатора является его мощность. Различают электромагнитную, полезную, расчётную и типовую мощности трансформатора.
Электромагнитной мощностью трансформатора называются мощность, передаваемая из первичной обмотки ко вторичную электромагнитным путём; она равна произведению действующей значению ЭДС этой обмотки на величину тока нагрузки, т. е.
Полезной или отдаваемой мощностью трансформатора называется произведение действующего напряжения на зажимах вторичной обмотки на величину её нагрузочного тока, т.е.
Расчётной мощностью трансформатора называется произведение действующего значения тока, протекающего по обмотке, на величину напряжения на её зажимах.
Виды трансформаторов
С иловой трансформатор переменного тока — статическое электромагнитное устройство, использующееся для преобразования электрической энергии и её передачи из одних цепей в другие. Слово «силовой» отражает работу данного вида трансформаторов с большими мощностями.
Автотрансформатор — вид трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь и электрическую. Как правило автотрансформатор обладает высоким КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию. Основным отличием от трансформатора является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью.
Трансформатор тока — называется трансформатор, в котором при нормальных условиях применения вторичный ток практически пропорционален первичному току и при правильном включении сдвинут относительно его на угол, близкий к нулю. Первичная обмотка трансформатора тока включена в цепь последовательно (в рассечку токопровода), а вторичная обмотка замыкается на некоторую нагрузку (измерительные приборы и реле), обеспечивая прохождение по ней тока, пропорционального току первичной обмотке.
Импульсный трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока, имеющего вид импульсов.
Согласующий трансформатор — трансформатор, применяемый для согласования сопротивления различных частей электронных схем при минимальном искажении формы сигнала, обеспечивая создание гальванической развязки между участками схем.
Обмотки
Основным элементом обмотки является виток — электрический проводник , или ряд параллельно соединённых таких проводников (многопроволочная жила), однократно обхватывающий часть магнитной системы трансформатора, электрический ток которого совместно с токами других таких проводников и других частей трансформатора создаёт магнитное поле трансформатора и в котором под действием этого магнитного поля наводится электродвижущая сила.
Обмотка — совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются ЭДС, наведённые в витках. В трёхфазном трансформаторе под обмоткой обычно подразумевают совокупность обмоток одного напряжения трёх фаз, соединяемых между собой.
Обмотки разделяют по:
Назначению
Основные — обмотки трансформатора, к которым подводится энергия преобразуемого или от которых отводится энергия преобразованного переменного тока.
Регулирующие — при невысоком токе обмотки и не слишком широком диапазоне регулирования, в обмотке могут быть предусмотрены отводы для регулирования коэффициента трансформации напряжения.
Вспомогательные — обмотки, предназначенные, например, для питания сети собственных нужд с мощностью существенно меньшей, чем номинальная мощность трансформатора, для компенсации третьей гармонической магнитного поля, подмагничивания магнитной системы постоянным током, и т. п.
Исполнению
Рядовая обмотка — витки обмотки располагаются в осевом направлении во всей длине обмотки. Последующие витки наматываются плотно друг к другу, не оставляя промежуточного пространства.
Винтовая обмотка — винтовая обмотка может представлять собой вариант многослойной обмотки с расстояниями между каждым витком или заходом обмотки.
Дисковая обмотка — дисковая обмотка состоит из ряда дисков, соединённых последовательно. В каждом диске витки наматываются в радиальном направлении в виде спирали по направлению внутрь и наружу на соседних дисках.
Фольговая обмотка — фольговые обмотки выполняются из широкого медного или алюминиевого листа толщиной от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров.
Ортоциклическая обмотка
Распределенная обмотка
Спиралевидная обмотка
Пирамидальная обмотка
Обмотка типа «универсаль»