Работа трансформатора под нагрузкой кратко

Обновлено: 07.07.2024

Работа трансформатора под нагрузкой. Рабочий режим — это работа трансформатора при подключенных потребителях или под нагрузкой (под нагрузкой понимается ток вторичной цепи — чем он больше, тем больше нагрузка). К трансформатору подключаются различного рода потребители: электрические двигатели, освещение и т. п.

Схема нагруженного трансформатора представлена на рис. 2.7.

Первичная обмотка подключается к источнику синусоидального напряжения . Ток в первичной обмотке или, точнее, МДС вызывает основной магнитный поток и магнитный поток рассеяния .

Изменяющийся магнитный поток пронизывает обмотки и согласно закону электромагнитной индукции (ЭМИ) в обмотках наводятся ЭДС и , выбранные положительные направления которых показаны на рис. 2.7. К вторичной обмотке подключен потребитель с сопротивлением (в комплексной форме), т.е. вторичная обмотка замкнута, и ток в ней вызывает МДС . Как видно из рис. 2.7, МДС направлена против МДС , т. е. поток вторичной обмотки направлен навстречу потоку первичной обмотки. Действительно, если предположить, что МДС создает поток , направленный так же, как и поток , то результирующий магнитный поток и ЭДС увеличатся. В результате мощность станет больше, чем мощность , подводимая из сети, что противоречит закону сохранения энергии. Таким образом, как бы ни была уложена вторичная обмотка, ее МДС всегда направлена противоположно МДС первичной обмотки. Этот же вывод следует из правила Ленца.

С изменением тока при неизменном изменяется ток , что следует из закона сохранения энергии. Например, при увеличении тока усиливается его размагничивающее действие, суммарный магнитный поток и, следовательно, ЭДС должны уменьшиться, но ток увеличивается так, чтобы получился поток первоначального значения.

Уравнение магнитодвижущих сил. Исходя из соображений, изложенных в п. 2.4.1, запишем МДС (для мгновенных значений)

где — мгновенное значение результирующей МДС обеих обмоток.

При неизменном действующем значении напряжений результирующий магнитный поток практически остается также неизменным в режимах от холостого хода до номинального, поэтому

или в комплексной форме

Уравнение токов.

Разделив обе части (2.5) на , получим:

Обозначив , запишем для токов

Из (2.6б) следует, что ток можно рассматривать состоящим из двух составляющих: одна определяет основной магнитный поток , а вторая компенсирует

размагничивающее действие тока вторичной обмотки.

Ток холостого хода составляет лишь несколько процентов тока . Если им можно пренебречь, то из (2.6а) следует, что токи обмоток и обратно пропорциональны числам витков, т. е или с индексами высшего и низшего напряжений

Из (2.7) следует, что в обмотке с большим числом витков ток меньше.

Уравнение электрического состояния. На рис. 2.7 показана схема трансформатора с включенным потребителем, сопротивление которого в комплексной форме . Будем, как и при холостом ходе, рассматривать первичную обмотку трансформатора как приемник, а вторичную обмотку как источник электрической энергии. При такой трактовке функций обмоток ЭДС направлена против положительного направления тока , а положительное направление тока вторичной обмотки совпадает по направлению с ЭДС .

Уравнение, составленное по второму закону Кирхгофа для первичной цепи:

где — падение напряжения на активном сопротивлении провода первичной обмотки; —падение напряжения на сопротивлении рассеяния первичной обмотки. В комплексной форме

Уравнение, составленное по второму закону Кирхгофа для вторичной цепи:

где — напряжение на выводах вторичной обмотки; — падение напряжения на активном сопротивлении проводов вторичной обмотки; — падение напряжения на сопротивлении рассеяния вторичной обмотки. В комплексной форме:

Приведение вторичной обмотки трансформатора к первичной. При расчете электрических цепей с трансформаторами задача расчета усложняется из-за магнитной связи между вторичной и первичной обмотками трансформатора. Эту задачу можно упростить, если для устранения магнитной связи между обмотками составить эквивалентную электрическую схему. Последнее возможно, если объединить обе обмотки трансформатора в одну, сделав равными ЭДС этих обмоток ( ). Равенство будет выполнено, если новое число витков вторичной обмотки сделать равным числу витков первичной обмотки , т.е. если . Очевидно, что при таком преобразовании изменятся все величины, характеризующие вторичную цепь , и их необходимо пересчитать на новое число витков. Пересчет величин вторичной цепи на новое число витков называется приведением вторичной цепи к числу витков первичной цепи, а трансформатор в этом случае называется приведенным.

Приведение вторичной обмотки к первичной упрощает расчет некоторых рабочих характеристик трансформатора и облегчает построение векторных диаграмм, так как в приведенном трансформаторе величины вторичной цепи имеют тот же порядок, что и величины первичной цепи.

Найдем приведенные значения величин для понижающего трансформатора, умножив (2.9) на :

или через коэффициент трансформации

Приведенными значениями напряжений, ЭДС, тока и сопротивлений являются

Запишем уравнение (2.9) с приведенными значениями:

Такое преобразование справедливо, так как МДС, относительные значения падений напряжения и мощность потерь в проводах остаются неизменными, т. е.

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.

Устройство трансформатора

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.

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

Коэффициент трансформации

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

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.

Трансформатор тока

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).

Импульсный трансформатор

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.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Может быть, кто-то думает, что трансформатор – это что-то среднее между трансформером и терминатором. Данная статья призвана разрушить подобные представления.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного электрического тока одного напряжения и определенной частоты в электрический ток другого напряжения и той же частоты.

Работа любого трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции, открытой Фарадеем.

Назначение трансформаторов

Разные виды трансформаторов используются практически во всех схемах питания электрических приборов и при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Электростанции вырабатывают ток относительно небольшого напряжения – 220, 380, 660В. Трансформаторы, повышая напряжение до значений порядка тысяч киловольт, позволяют существенно снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, а заодно и уменьшить площадь сечения проводов ЛЭП.

Непосредственно перед тем как попасть к потребителю (например, в обычную домашнюю розетку), ток проходит через понижающий трансформатор. Именно так мы получаем привычные нам 220 Вольт.

Самый распространенный вид трансформаторов – силовые трансформаторы. Они предназначены для преобразования напряжения в электрических цепях. Помимо силовых трансформаторов в различных электронных приборах применяются:

импульсные трансформаторы;
силовые трансформаторы;
трансформаторы тока.

Принцип работы трансформатора

Трансформаторы бывают однофазные и многофазные, с одной, двумя или большим количеством обмоток. Рассмотрим схему и принцип работы трансформатора на примере простейшего однофазного трансформатора.

Кстати, в других статьях можно почитать, что такое фаза и ноль в электричестве.

Из чего состоит трансформатор? Во простейшем случае из одного металлического сердечника и двух обмоток. Обмотки электрически не связаны одна с другой и представляют собой изолированные провода.

Одна обмотка (ее называют первичной) подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, называемая вторичной, подключается к конечному потребителю тока.

Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, в витках его первичной обмотки течет переменный ток величиной I1. При этом образуется магнитный поток Ф, который пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС.

Бывает, что вторичная обмотка не находится под нагрузкой. Такой режимы работы трансформатора называется режимом холостого хода. Соответственно, если вторичная обмотка подключена к какому-либо потребителю, по ней течет ток I2, возникающий под действием ЭДС.

Величина ЭДС, возникающей в обмотках, напрямую зависит от числа витков каждой обмотки. Отношение ЭДС, индуцированных в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению количества витков соответствующих обмоток.

Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор – трансформатор, в котором отсутствуют потери энергии. В таком трансформаторе энергия тока в первичной обмотке полностью преобразуется сначала в энергию магнитного поля, а далее – в энергию вторичной обмотки.

Конечно, такого трансформатора не существует в природе. Тем не менее, в случае, когда теплопотерями можно пренебречь, в расчетах удобно пользоваться формулой для идеального трансформатора, согласно которой мощности тока в первичной и вторичной обмотках равны.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Потери энергии в трансформаторе

Коэффициент полезного действия трансформаторов достаточно высок. Тем не менее, в обмотке и сердечнике происходят потери энергии, приводящие к тому, что температура при работе трансформатора повышается. Для трансформаторов небольшой мощности это не представляет проблемы, и все тепло уходит в окружающую среду – используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.

В более мощных трансформаторах воздушного охлаждения оказывается недостаточно, и применяется охлаждение маслом. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В трансформаторах высоких мощностей дополнительно применяются выхлопные трубы – если масло закипает, образовавшимся газам нужен выход.

Конечно, трансформаторы не так просты, как может показаться на первый взгляд - ведь мы рассмотрели принцип действия трансформатора кратко. Контрольная по электротехнике с задачами на расчет трансформатора внезапно может стать настоящей проблемой. Специальный студенческий сервис всегда готов оказать помощь в решении любых проблем с учебой! Обращайтесь в Zaochnik и учитесь легко!

При подключении нагрузки с сопротивлением Z_н к зажимам вторичной обмотки трансформатора появляется ток I₂ (рис. 1.10). Одновременно ток в первичной обмотке достигает значения I₁, а магнитный поток в магнитопроводе, созданный м.д.с. первичной обмотки, будет равен Ф₁.

Рис. 1.10. Схема однофазного трансформатора в режиме нагрузки

Ток I₂, протекая по вторичной обмотке, создает магнитное поле вторичной обмотки. Большая – основная – часть потока вторичной обмотки замыкается по магнитопроводу, сцепляясь как со вторичной, так и с первичной обмотками. Это основной поток вторичной обмотки Ф₂. Меньшая часть потока вторичной обмотки сцепляется только со вторичной обмоткой. Это поток рассеяния вторичной обмотки Ф_σ2. Он так же, как и поток рассеяния первичной обмотки, проходит большие участки пути по воздуху, поэтому пропорционален току I₂. Пропорциональна току I₂ и наводимая потоком Ф_σ2 э.д.с. рассеяния вторичной обмотки:

здесь х₂ – индуктивное сопротивление рассеяния вторичной обмотки.

Магнитный поток вторичной обмотки в соответствии с законом Ленца направлен навстречу потоку первичной обмотки , который вызвал э.д.с. Е₂ и ток I₂. То есть суммарный поток в магнитопроводе будет равен

Появление магнитного потока Ф₂ в первый момент времени вызовет существенное уменьшение суммарного потока Ф, которое в свою очередь приведет к уменьшению э.д.с. Е₁. В соответствии с выражением (1.14) это приведет к увеличению тока I₁:

Из-за увеличения тока I₁ магнитный поток Ф₁ увеличится и практически полностью компенсирует увеличение потока Ф за счет возникновения потока Ф₂. Время этого переходного процесса определяется электромагнитной постоянной трансформатора, которая в свою очередь определяется индуктивностями и активным сопротивлением первичной и вторичной обмоток.

Таким образом, магнитный поток трансформатора при нагрузке Ф примерно равен потоку холостого хода Ф₀. При изменении тока I₂ поток Ф практически не изменяется:

Представим ток первичной обмотки в виде суммы тока холостого хода и приращения идущего на поддержание магнитного потока сердечника неизменным:

Умножая обе части этого равенства на w₁, получим уравнение м.д.с:

Исходя из закона сохранения энергии, увеличение м.д.с. первичной обмотке . равно по величине и противоположно по направлению м.д.с. вторичной обмотки:

С учетом (1.26) уравнение (1.25) примет вид:

Поделив обе части (1.27) на w₁, получим уравнение трансформатора:

Второй член правой части уравнения (1.28) называют током вторичной обмотки, приведенным к числу витков первичной обмотки, обозначают как:

С учетом (1.29) уравнение токов примет вид:

Рис. 1.10. Схема однофазного трансформатора в режиме нагрузки

здесь х₂ – индуктивное сопротивление рассеяния вторичной обмотки.

Умножая обе части этого равенства на w₁, получим уравнение м.д.с:

С учетом (1.26) уравнение (1.25) примет вид:

Поделив обе части (1.27) на w₁, получим уравнение трансформатора:

Читайте также: