Лекція 7. Трансформатори

На рис. 7.3 наведена одна з можливих схем конструктивного виконання (конструктивна модель) трансформатора, а саме схема однофазного двох обмоткового трансформатора.

Робочий процес у трансформаторі пояснюється наведенням ЕРС в провіднику при зміні магнітного потоку у часі.

Рис. 7.3. Схема однофазного двохобмоткового трансформатора

 

Одна з обмоток трансформатора зазвичай зветься первинною, а друга – вторинною.

Вторинною обмоткою вважається та, до якої приєднане навантаження. Отже потужність передається із первинної обмотки у вторинну.

Зазначимо, що трансформатор може встановлюватися і в таких мережах, де напрямок потоку потужності час від часу змінюється. За таких умов наведене уявлення про обмотки, звичайно, втрачає зміст, а тому доцільніше обмотки трансформатора просто нумерувати.

При використанні трансформаторів в електромережах можуть реалізуватися гальванічні зв’язки між різними його обмотками. При цьому важливо знати залежність між полярністю ЕРС (магнітних потоків) та напрямком струмів в обмотках.

Домовимось напрямок струмів, наприклад, в двох індуктивнозв’язаних котушках вважати узгодженими (додатними), якщо напрямки магнітних потоків, що цими струмами утворюються, співпадають.

Напрямок струму та утвореного ним магнітного потоку узгоджуються відповідно до правила правоходового гвинта (правило штопора).

Відповідно до цього правила, напрямок магнітного потоку співпадає з напрямком поступового руху гвинта за умови, що він обертається згідно того як циркулює струм витками котушки. На рис. 7.4 наведені дві індуктивнозв’язані котушки на загальному осерді.

 

Рис. 7.4. Ілюстрація правила штопора (а) та варіанту узгодженого включення обмоток (б)

 

В залежності від напрямку намотки котушки вибрані такі напрямки струмів, при яких їх магнітні потоки співпадають. Отже рис. 7.4 ілюструє узгоджений напрямок струмів.

При узгодженому напрямку струмів в двох індуктивнозв’язаних котушках ті виводи котушок, відносно яких струми спрямовані однаково, звуться однойменними або однополярними. Такі виводи зазвичай на схемах помічають зірочками або зачерненими кругами, як це показано і на рис. 7.4.

Таким чином, однополярні виводи індуктивнозв’язаних котушок характерні тим, що при однаковому напрямку струмів відносно цих виводів, магнітні потоки (утворені цими струмами) співпадатимуть, а отже додаватимуться. Завдяки таким поміткам на практиці немає необхідності вказувати напрямок намотки котушок, а достатньо лише помітити їх однополярні виводи.

Схематичне зображення індуктивно зв’язаних котушок з позначеннями однополярних виводів та вибраних напрямків струмів наведене на рис. 7.5, причому рис. 7.5(а) відповідає узгодженому напрямку, а рис. 7.5(б) - зустрічному.

В процесі роботи однофазного двохобмоткового трансформатора в його магнітопроводі наводиться змінний магнітний потік. Основна частина цього потоку  (максимальне значення), зчіплюючись з обмотками трансформатора, наводить (індукує) в них змінні ЕРС.

 

Рис. 7.5. Схемне зображення узгодженої (а) та зустрічної (б) намотки індуктивнозв’язаних котушок

 

Діючі значення наведених в обмотках трансформатора ЕРС становлять:

- первинна ЕРС

;

- вторинна ЕРС

,

Де f₁ - частота змінного струму, який підводиться до первинної обмотки трансформатора;

w₁, w₂ - число витків в первинній і вторинній обмотках трансформатора відповідно;

Ф_max - максимальне значення основного магнітного потоку, що циркулює осердям трансформатора.

 

Максимальне значення основного магнітного потоку, що циркулює осердям трансформатора, визначається як:

,

де В_max - максимальне значення магнітної індукції в стрижні магнітопроводу,

Q_ст - площа поперечного перерізу стрижня трансформатора;

k_c - коефіцієнт заповнення магнітопроводу сталлю.

 

Коефіцієнтом k_c заповнення магнітопроводу сталлю враховується товщина ізоляційних прошарків між пластинами електротехнічної сталі, з якої цей магнітопровід виконаний.

При товщині листів 0,5 мм зазвичай приймається:

k_c = 0,95.

Розрізненість у значеннях ЕРС Е₁, Е₂ обумовлене неоднаковим числом витків в первинній і вторинній обмотках трансформатора.

Відношення ЕРС обмотки вищої напруги до ЕРС обмотки нижчої напруги, яке дорівнює відношенню кількості витків цих обмоток зветься коефіцієнтом трансформації.

Отже, коефіцієнт трансформації є постійною для даного трансформатора величиною, яка визначається як:

.

Трансформатори, що розглядаються в рамках даного навчального посібника, часто звуться силовими.

 

До основних електричних параметрів силових трансформаторів відносяться:

•  повна потужність первинної обмотки:

,

де U₁ - напруга на первинній обмотці (первинна напруга);

I₁ - струм у первинній обмотці (первинний струм);

 

•  повна потужність вторинної обмотки

,

де U₂ - напруга на вторинній обмотці (вторинна напруга);

I₂ - струм у вторинній обмотці (вторинний струм);

 

Зважаючи на те, що втрати в трансформаторі невеликі, за номінальну повну потужність трансформатора приймають величину:

.