Пучков Л.В. Прикладная электротехника - файл n6.htm

Пучков Л.В. Прикладная электротехника
скачать (118.7 kb.)
Доступные файлы (22):
n1.htm8kb.02.07.2007 11:02скачать
n2.htm21kb.02.07.2007 11:02скачать
n3.htm8kb.02.07.2007 11:02скачать
n4.htm24kb.02.07.2007 11:02скачать
n5.htm22kb.02.07.2007 11:02скачать
n6.htm50kb.02.07.2007 11:02скачать
n7.htm7kb.02.07.2007 11:02скачать
n8.htm11kb.02.07.2007 11:02скачать
n9.htm6kb.02.07.2007 11:02скачать
n10.htm18kb.02.07.2007 11:02скачать
n11.htm29kb.02.07.2007 11:02скачать
n12.htm41kb.02.07.2007 11:02скачать
n13.htm5kb.02.07.2007 11:02скачать
n14.htm9kb.02.07.2007 11:02скачать
n15.htm24kb.02.07.2007 11:02скачать
n16.htm10kb.02.07.2007 11:02скачать
n17.htm4kb.02.07.2007 11:02скачать
n18.htm10kb.02.07.2007 11:02скачать
n19.htm10kb.02.07.2007 11:02скачать
n20.htm29kb.02.07.2007 11:02скачать
n21.htm8kb.02.07.2007 11:02скачать
n22.htm19kb.02.07.2007 11:02скачать

n6.htm

 Раздел 13. Силовые трансформаторы и автотрансформаторы.



Мощность переменного тока почти никогда не используется полностью из-за сдвига фаз между током и напряжением, то есть из-за наличия реактивных составляющих у электрических величин, характеризующих переменный ток. На постоянном токе реактивных составляющих нет, ток всегда совпадает с напряжением по фазе и благодаря этому мощность используется полностью. Кажется, преимущество постоянного тока очевидно. Однако во всем мире централизованные системы энергоснабжения являются системами переменного тока. В чем тут дело?

Первую электростанцию общего пользования построил в 1882 году в Нью-Йорке американский изобретатель и бизнесмен Томас Альва Эдисон. Таким образом, электроэнергетике уже более 100 лет. Станция вырабатывала постоянный ток и питала осветительную нагрузку 550 КВт на площади 2.5 км2.

По мере строительства аналогичных электростанций в других городах и странах выяснилось, что удельная стоимость их снижается с ростом единичной мощности генераторов. Более мощные генераторы способны питать большую нагрузку, распределенную на большей площади. При тогдашней малоэтажной застройке и малой плотности нагрузок эта площадь возрастала очень быстро. Следовательно, возрастала длина магистральной и распределительной электросети, а значит, увеличивались потери электроэнергии, и уменьшалось напряжение у потребителей. Кроме того, любые изменения схемы при оперативных переключениях приводили к перераспределению токов и, как следствие, к изменению накала ламп. Дело дошло до того, что состоятельные абоненты стали заказывать лампы не на номинальное напряжение, а на фактическое, которое было в их домах наиболее длительное время. Остальные вынуждены были мириться с изменяющимся накалом ламп.

Возрастающая нагрузка может быть обеспечена за счет увеличения тока или напряжения, или обеих этих величин одновременно. Увеличение тока требует увеличения сечения проводников. Можно рассчитать, что для питания нагрузки в 100КВт на расстоянии 10км при напряжении 220В необходим постоянный ток 455А. Чтобы пропустить этот ток при допустимой потере мощности 10% необходим медный проводник сечением 7000мм2, то есть, например, медный брус 100х70мм. Ясно, что это очень дорого. Увеличение напряжения требует увеличения изоляции. В конце прошлого века пластмасс еще не было, и для изоляции использовались такие дорогие материалы, как слоновая кость, фарфор, хрусталь, шелк, дорогие породы дерева и т.д. Кроме того, высокое напряжение нельзя подавать в помещения с необученным персоналом по условиям безопасности.

Таким образом, если передавать электроэнергию на высоком напряжении, а потреблять на низком, то можно значительно уменьшить сечение проводов линий электропередачи и изоляцию у потребителей, но для этого нужно иметь возможность изменять (трансформировать) напряжение в последовательной технологической цепочке централизованного электроснабжения "генерирование - передача - распределение - потребление". Постоянный ток такой возможности не дает (трансформируется только с применением технических ухищрений). Следовательно, надо переходить на переменный ток. Этим и объясняется повсеместное распространение стационарных централизованных систем электроснабжения переменного тока, то есть современных энергетических систем.

Техническое устройство, позволяющее изменять (повышать и понижать) напряжение одного номинального значения на другое без изменения частоты называется трансформатором. Трансформатор - это статический (без движущихся рабочих частей) электромагнитный аппарат, работающий на основе закона электромагнитной индукции. Конструктивно он представляет собой две или более катушек индуктивности с общим замкнутым магнитным сердечником (магнитопроводом).

Указать конкретного изобретателя трансформатора затруднительно, так как его аналоги в виде индукционных катушек с прерывателем (катушки Якоби, катушки Румфорда) использовались в физических лабораториях задолго до промышленного использования электроэнергии. Используются они и сейчас, например, в системе зажигания бензиновых двигателей автомобилей (катушки зажигания). Практически современный вид трансформатору был придан в 1885 году инженерами Будапештского электромашиностроительного завода Блати, Дери и Цицерновским. Они же предложили термин "трансформатор".

Трансформатор, если так можно выразиться, достоин самого глубокого уважения - он обладает высочайшим КПД, допускает большие перегрузки, надежен и прост в изготовлении и эксплуатации. Если тщательно провести его ревизию при первом включении и не вредить ему бессознательно (неумелой эксплуатацией) или сознательно (например, воруя из него трансформаторное масло), то он безупречно проработает всю свою долгую жизнь, не доставляя особых хлопот эксплуатационному и ремонтному персоналу.

Механическим аналогом трансформатора является рычаг. Из школьного курса физики известно, что использование рычагов основано на так называемом "золотом правиле механики" - выигрываем в силе, проигрываем в расстоянии и наоборот. "Золотое правило механики" утверждает, что получить выигрыш в работе невозможно, можно только применить меньшую силу на большем расстоянии и наоборот. Если бы существовало "золотое правило техники переменных токов", то применительно к трансформаторам его можно было бы применить следующим образом: при неизменной мощности, проходящей через трансформатор, увеличивая в некоторой пропорции напряжение, в той же пропорции уменьшаем ток и наоборот. Получить выигрыш в мощности невозможно. Можно только получить меньший ток при большем напряжении и наоборот. И это уже хорошо.

Известно, что в механике различают рычаги трех родов; они являются механическими аналогами трех типов трансформаторов:


Рычаг первого рода получается, когда точки приложения активной Fa (работающей) и реактивной Fp (сопротивляющейся - груз, пружина) сил расположены по разные стороны шарнира. Рычаг первого рода является механическим аналогом обычного трансформатора типа изображенного выше на рисунке, независимо от того, используется трансформатор как повышающий или понижающий. Такой трансформатор называется трансформатором с разделенными обмотками или просто трансформатором.


Рычаг второго рода получается, когда точки приложения активной и реактивной сил располагаются по одну сторону опоры, причем ближе к опоре расположена точка приложения реактивной силы (пример - хлеборезка). Рычаг второго рода является механическим аналогом понижающего автотрансформатора.


Рычаг третьего рода отличается от рычага второго рода тем, что ближе к опоре расположена точка приложения активной силы (пример - троллейбусная штанга).

Рычаг третьего рода является механическим аналогом повышающего автотрансформатора.

Равенство работы активной и реактивной сил для всех типов рычагов выражаются соотношениями:

Fa * Ha = Fp * Hp Fa / Fp = Hp / Ha

Условие неизменности мощности (работы в единицу времени), проходящей через трансформаторы всех трех типов, выражаются соотношениями:

I1 * U1 = I2 * U2 U1 /U2 = I2 / I1

Аналогия формул для трансформаторов формулам для рычагов очевидна. Если же вспомнить, что напряжение - это "электрическая высота", а ток раньше называли силой тока, то аналогия становится не только очевидной, но и обоснованной.

Необходимо ясно понимать, что трансформаторы (как и рычаги) не являются источниками энергии - они не вырабатывают ее, а только преобразуют. Поэтому, на какую бы "электрическую высоту" не были бы "подняты" электрические заряды повышающим трансформатором, при своем "падении" они совершают только ту работу, которая обеспечена энергией генераторов.

Прежде чем переходить к физике работы трансформаторов, рассмотрим основные элементы их конструкции. При всем разнообразии конструкций трансформаторов, все они состоят из трех основных элементов - сердечников, обмоток и систем охлаждения.



Сердечник трансформатора представляет собой замкнутый магнитопровод. Его набирают из стальных пластин толщиной 0.35-0.5мм. Пластины изолируют одну от другой лаком или тонкой бумагой. Иногда достаточной изоляцией является пленка окиси, возникающая на поверхности пластин. Пластины, образующие сердечник, собирают в пакет и стягивают болтами. Сердечник однофазного трансформатора имеет два стержня с обмотками. Два ярма соединяют стержни (2) и которые замыкают магнитную цепь трансформатора.


Обмотки трансформаторов (см рисунок слева) бывают концентрическими и дисковыми. Концентрическая обмотка выполняется в виде цилиндрических катушек, расположенных на стержнях сердечника (рис. а). Ближе к стержню располагают обмотку низшего напряжения (НН). Ее охватывает обмотка высшего напряжения (ВН). Дисковая обмотка (рис. б) собирается из катушек низшего и высшего напряжения, имеющих форму плоских дисков, чередующихся по высоте стержней.


В зависимости от формы сердечника различают стержневые (рис. а) и броневые (рис. б) трансформаторы. В броневом трансформаторе обмотки расположены на среднем стержне, а магнитный поток делится на две части и замыкается по крайним стержням.


Когда трансформатор работает, нагреваются его обмотки (джоулевы потери или "потери в меди") и магнитопроводы (потери на перемагничивание - гистерезис - и на вихревые токи - токи Фуко, общее название - "потери в стали"). Температура обмоток и магнитопровода не должна превышать допустимого предела, зависящего от теплостойкости изоляции. Поэтому трансформаторы охлаждают воздухом или при помощи масла.

В трансформаторах с воздушным охлаждением тепло от обмоток отдается непосредственно охлаждающему воздуху. Такая схема применяется в маломощных трансформаторах (до 1000 КВА), и на трансформаторах, устанавливаемых в помещениях по условиям взрывопожароопасности.


 В трансформаторах с масляным охлаждением сердечник вместе с обмотками находится в баке, заполненным специальным минеральным маслом (трансформаторным). Масло не только способствует лучшему отводу тепла от обмоток и сердечника, но и улучшает изоляцию токоведущих частей между собой и от бака. Для улучшения охлаждения масла стенки бака делают ребристыми или приваривают трубы, которые способствуют естественной циркуляции масла. В мощных трансформаторах используется искусственная циркуляция масла, которая обеспечивается насосами. Охлаждение масла, в свою очередь, производится в специальных теплообменниках воздухом (устанавливаются специальные вентиляторы) либо водой. В качестве примера посмотрите на внешний вид достаточно широко применяющегося трансформатора с трубчатым баком.



Теперь продолжим разговор о физике работы трансформатора. Как Вы видели, конструктивно все обмотки трансформатора располагаются на общем магнитопроводе.

Рассмотрим двухобмоточный трансформатор. Одну из обмоток (катушку, имеющую W1 витков), подключают к внешнему источнику переменного напряжения и называют первичной обмоткой. Другую обмотку, имеющую W2 витков, называют вторичной обмоткой. К ней присоединяют приемник электрической энергии переменного тока (нагрузку). При подключении первичной обмотки к источнику переменного напряжения в ней возникает переменный ток I1, который создает в сердечнике переменный магнитный поток Ф (вспомните раздел "Магнетизм"). В соответствии со свойствами "втягивания" магнитных силовых линий в железо практически весь магнитный поток будет замыкаться через сердечник, и только относительно небольшая часть, которую мы учитывать не будем, будет замыкаться помимо магнитопровода (эту часть называют "потоком рассеяния"). Как было показано ранее (в разделе "Магнетизм"), магнитный поток определяется суммой токов отдельных витков I1W1. Но тот же магнитный поток проходит и через вторую катушку индуктивности (можно представить себе, что первой катушки нет, а этот поток наводится вторичной обмоткой I2W2). Либо, если Вам удобнее, вторая модель работы трансформатора - обе обмотки трансформатора пронизываются одним и тем же магнитным потоком, поэтому мгновенные ЭДС отдельных витков ев будут равны между собой, а общая ЭДС какой-либо обмотки, состоящая из W последовательно соединенных витков, будет определяться выражением

еобщ=Weв

Таким образом, ЭДС первичной обмотки будет равна

e1 = W1 eв

а ЭДС вторичной обмотки

e2 = W2 eв

Отсюда следует, что

е1 / e2 = W1 / W2 = U1 /U2 = I2 /I1 = const.

Это отношение называется коэффициентом трансформации и является важной характеристикой трансформатора. На практике удобней пользоваться отношением напряжений, поскольку токи определяются изменяющейся нагрузкой, а количества витков в обмотках не даются в паспортных данных трансформаторов. Любой трансформатор может использоваться и как повышающий, и как понижающий. Поэтому практический коэффициент трансформации рассчитывается не как отношение первичного напряжения ко вторичному, т.е. по направлению мощности через трансформатор, а как отношение высшего напряжения к низшему, независимо от того, какое из них является первичным, а какое - вторичным. Тем самым коэффициент трансформации всегда будет больше единицы, то есть

Кт = высшее напряжение / низшее напряжение > 1

 До сих пор все наши рассуждения касались трансформатора с разделенными обмотками или просто трансформатора. Для него напряжения на каждой обмотке пропорциональны количеству витков в обмотке (суммируются ЭДС каждого витка). Рассмотрим только обмотку высшего напряжения. На ней всегда можно отыскать две точки, между которыми будет такое же напряжение, как на обмотке низшего напряжения. Если, кроме того, одну из этих точек совместить с каким-либо концом обмотки высшего напряжения, то обмотку низкого напряжения трансформатора можно убрать - ее роль будет выполнять часть обмотки высокого напряжения. Мы получим трансформатор с электрически (иногда говорят - гальванически) связанными обмотками или автотрансформатор.

Автотрансформатор работает в точности как трансформатор и может использоваться и как повышающий, и как понижающий. Кроме того, здесь очевидна большая экономия дорогого медного провода. Почему же тогда не выпускать только автотрансформаторы?

Обратимся к рисунку. Работа трансформатора и автотрансформатора основана на принципе электромагнитной индукции. Далее это рассмотрим подробней, пока же достаточно вспомнить, что по правилу Ленца индуктирующий (возбуждающий) и индуцируемый (возбуждаемый, наведенный) токи всегда находятся в противофазе. В замкнутой первичной цепи автотрансформатора протекает первичный ток I1, а в замкнутой вторичной цепи - индуцируемый ток I2. Но вторичная обмотка W2 является частью первичной обмотки W1. Следовательно, в ней должна протекать разность токов

I2/=I2-I1

Так как действительный ток I2/, протекающий во вторичной обмотке W2 автотрансформатора, меньше вторичного тока I2, то эта обмотка может быть выполнена проводом уменьшенного сечения. Уменьшенного во сколько раз? Выяснить это достаточно просто. Очевидно, что первичный и вторичный токи соотносятся между собой в соответствии с коэффициентом трансформации:

I2/= I2 - I1= I2 - I2 W2/ W1= I2(1- W2/ W1).

Автотрансформаторы конструируются и производятся в расчете на этот уменьшенный ток I2/, что обеспечивает экономию железа и меди, а также снижение соответствующих потерь мощности.

Казалось бы, все хорошо. Однако из последнего уравнения видно, что ток I2/ пропорционален коэффициенту трансформации. Поэтому автотрансформаторы тем выгоднее, чем меньше коэффициент трансформации. Но в эксплуатации гораздо чаще требуются именно большие коэффициенты трансформации. Этим очень сильно ограничивается область применения автотрансформаторов. Кроме того, наличие электрической (гальванической) связи между обмотками высшего и низшего напряжений делают автотрансформаторы опасными с точки зрения техники безопасности. При некоторых видах повреждений, например, при витковом замыкании в первичной обмотке, возможна прямая подача высшего напряжения на сторону низшего. Тем не менее, автотрансформаторы в энергетике используются достаточно часто, и знать их особенности необходимо.

Итак, назначение трансформатора, принцип действия и основные конструктивные составляющие, будем надеяться, понятны. Теперь разберемся подробнее в электромагнитных принципах работы трансформатора, то есть в физическом смысле происходящих в нем электромагнитных процессов. Для этого необходимо усвоить, что такое противо-ЭДС. Тот, кто хорошо понял закон электромагнитной индукции, сразу же ответит: противо-ЭДС - это ЭДС самоиндукции. Ответ правильный, но не полный. Здесь есть одна условность, которую специалисту полезно знать. Заключается она в следующем.

Ранее второй закон Кирхгофа мы разбирали на примере цепи постоянного тока. Но этот закон остается справедливым и для замкнутых электрических цепей переменного тока. Физический смысл его заключается в следующем.

Как только на электрическую цепь подано напряжение (разность потенциалов), оно начинает "гнать" по проводникам электрические заряды. Скорость этих зарядов, как мы разбирали ранее, является электрическим током. Каждый знает, что с ростом скорости любого движения сопротивление среды этому движению возрастает, но в каждый момент времени сохраняется равновесие между силами, с которыми движущееся тело и среда действуют друг на друга. Это известный из школьной физики закон Ньютона - "действие равно противодействию". Что же сопротивляется протеканию электрического тока по проводнику? Казалось бы, электрическое сопротивление этого проводника - ведь оно потому и называется сопротивлением. Но сопротивление проводника не зависит от скорости электрических зарядов - электрического тока, это чисто конструктивная характеристика. Скажем, если сопротивление проводника равна 10 Ом, то оно при любом токе будет 10 Ом, то есть с ростом тока электрическое сопротивление проводника не возрастает. Как же здесь возникает постоянное равновесие между действием и противодействием? Каков "электрический механизм" этого равновесия?

При протекании тока по проводнику на его сопротивлении происходит падение напряжения в соответствии с законом Ома - D U = I*R. Это падение напряжения удобно считать ЭДС, приложенной навстречу приложенному напряжению, то есть противо-ЭДС. Таким образом, "электрический механизм" равновесия между действием и противодействием в электрических цепях состоит в возникновении противо-ЭДС, что и выражается вторым законом Кирхгофа. Как бы мы не изменяли схему электрической цепи и ее параметры, закон этот остается справедливым в любой момент времени.

Упомянутая выше условность как раз и состоит в том, что падение напряжения "удобно считать" противо-ЭДС. Возникает вопрос - а как на самом деле? Ответ может быть следующим.

Полное сопротивление проводника переменному току является геометрической суммой активного сопротивления и алгебраической суммы реактивных сопротивлений - индуктивного и емкостного, что мы разбирали ранее. На "организацию равновесия" между действием и противодействием необходимо затратить энергию. В реальных электрических цепях переменного тока энергию вырабатывают только генераторы. Индуктивность и емкость обладают способностью запасать энергию (вспомните - при заряде конденсатора, например, напряжение на нем растет, т.е. возникает противо-ЭДС), а активное сопротивление может только тратить ее. Следовательно, у индуктивности и емкости есть "внутренний источник" энергии для "организации равновесия" между действием и противодействием, а у активного сопротивления его нет. Поэтому, строго говоря, падение напряжения на активном сопротивлении не является противо-ЭДС. Экспериментально это можно подтвердить, включив трансформатор на постоянное напряжение той же величины. Он сгорит именно из-за отсутствия противо-ЭДС.

В первичных сетях энергосистем индуктивности настолько преобладают над емкостями и активными сопротивлениями, что в расчетах учитываются только индуктивные сопротивления и название "противо-ЭДС" употребляется применительно к ЭДС самоиндукции и взаимной индукции. Однако, если все же необходимо учесть падение напряжения на емкостном и активном сопротивлениях, то их считают ЭДС, направленными навстречу к приложенному к цепи внешнему сопротивлению, т. е. считают их противо-ЭДС.

Электромагнитные принципы работы трансформатора нетрудно понять на примере однофазного трансформатора при следующих упрощениях:

- первичная и вторичная обмотки расположены на разных стержнях магнитопровода; в реальных трансформаторах, как мы видели ранее, они расположены на одном стержне (рядом или одна поверх другой) для уменьшения потоков рассеяния, т.е. таких, которые замыкаются помимо магнитопровода;

- первичная электрическая цепь и вторичная обмотка обладают только реактивным сопротивлением - индуктивным.

Такой трансформатор изображен на рисунке слева. Как и любой электромагнитный аппарат, он может работать в различных режимах, из которых могут быть выделены два предельных (крайних) режима - холостой ход и короткое замыкание. На холостом ходе электрическая цепь первичной обмотки замкнута на источник напряжения, а цепь вторичной обмотки разомкнута, и, следовательно, ток в ней не протекает. Можно говорить, что на холостом ходе вторичная обмотка замкнута на бесконечно большое сопротивление. При коротком замыкании цепь первичной обмотки замкнута так же, а вторичная обмотка замкнута "накоротко", то есть на очень малое сопротивление и, следовательно, в ней протекает очень большой ток - ток короткого замыкания. Все нагрузочные режимы можно рассматривать как промежуточные между холостым ходом и коротким замыканием, причем, чем нагрузка больше, тем ближе нагрузочный режим к режиму короткого замыкания. Значит, максимальная эксплуатационная нагрузка трансформатора определяется допустимым приближением нагрузочного режима к режиму короткого замыкания.

Различают два режима короткого замыкания - эксплуатационный, т.е. аварийный в процессе эксплуатации, и испытательный. С испытательными режимами короткого замыкания сталкиваются только работники релейных служб. Поэтому здесь эти режимы рассматриваться не будут. Нам достаточно будет понять режимы холостого хода и номинальной нагрузки.

Режим холостого хода. При включении первичной обмотки W1 под номинальное напряжение U1 образуется замкнутая первичная электрическая цепь, по которой начинает протекать ток I0. В режиме холостого хода цепь вторичной обмотки W2 разомкнута, и ток через нее протекать не может. Ток холостого хода I0 часто называют намагничивающим током, так как, протекая по первичной обмотке W1, он создает магнитодвижущую силу (МДС - см. раздел "Электромагнетизм") I0W1. МДС вызывает магнитный поток в соответствии с разобранной ранее формулой:

Ф = I W µ S/ L

В эту формулу входят конструкционные параметры магнитопровода - магнитная проницаемость материала µ, поперечное сечение сердечника S и длина пути магнитных силовых линий L. Эти параметры подбираются так, чтобы, чтобы по магнитопроводу свободно, то есть без предельного насыщения, мог пройти магнитный поток, вызванный МДС I0W1, но не больше (или чуть больше). Дело в том, что этот магнитный поток для данного трансформатора является максимальным и сохраняется неизменным во всех режимах от холостого хода до номинальной нагрузки. При коротких замыканиях он уменьшается в 20 - 40 раз.

Очень важно понять и запомнить, что основной электромагнитный принцип работы трансформатора состоит в автоматическом поддержании на неизменном уровне магнитного потока, создаваемого МДС I0W1.

Этот магнитный поток распадается на две неравные части. Большая часть Ф0 называется основным или главным магнитным потоком, целиком замыкается по магнитопроводу и пронизывает обе обмотки W1 и W2 трансформатора. Меньшая часть Ф1 называется потоками рассеяния, частично замыкается помимо магнитопровода и пронизывает только первичную обмотку W1 трансформатора. Ввиду малости этих потоков ими можно пренебречь. Магнитные потоки рассеяния Ф2 от вторичной обмотки трансформатора на холостом ходу отсутствуют, так как в этом режиме ток в цепи вторичной обмотки W2 не протекает.

Важная особенность трансформатора с замкнутым сердечником заключается в том, что при отсутствии тока в цепи вторичной обмотки ток в его первичной обмотке I0 (ток холостого хода) очень мал. Величина тока холостого хода, как показывают измерения, в 15-20 раз меньше тока первичной обмотки трансформатора при его полной нагрузке. Небольшой ток холостого хода создает весьма незначительное падение напряжения I0r1 в сопротивлении r1 первичной обмотки: его величина не превышает 0.5% от величины приложенного напряжения U1. Возникает вопрос - чем же тогда уравновешена основная часть приложенного напряжения? Эта часть напряжения уравновешена ЭДС Е1 первичной обмотки, складывающейся из ЭДС каждого витка W1 (та самая противо-ЭДС, про которую мы говорили ранее...).

Поскольку активное сопротивление обмоток незначительно, с достаточным основанием можно считать, что сопротивление обмоток чисто индуктивные. В этом случае можно считать, что ток холостого хода I0 отстает на угол 900 от вызвавшего его первичного напряжения U1. Главный магнитный поток Ф0 совпадает по фазе с вызвавшим его током I0. Этот поток, пронизывая обе обмотки W1 и W2, наводит в них ЭДС самоиндукции Е1 и Е2 в соответствии с законом электромагнитной индукции Е = - dФ/dt. По правилу Ленца эти ЭДС находятся в противофазе с напряжением U1, которое, в конечном счете, является вызвавшей их причиной.

Строго говоря, только ЭДС Е1 можно называть ЭДС самоиндукции, так как она наводится на той же обмотке W1, в которой происходит изменение тока I0. ЭДС Е2 правильней будет называть ЭДС взаимной индукции, так как она наводится в обмотке W2 под действием изменения тока в обмотке W1. Но это несущественно. Важно другое. ЭДС Е1 и напряжение U1 действуют в одной и той же цепи - цепи первичной обмотки трансформатора. Поэтому они обязаны подчиняться второму закону Кирхгофа - то есть: их величины равны, и они находиться в противофазе. Так оно и есть. По этой причине ЭДС Е1 называется противо-ЭДС. Величина ЭДС Е2 связана с величиной ЭДС Е1 через коэффициент трансформации.

Режим нагрузки. При включении трансформатора под нагрузку образуется замкнутая электрическая цепь вторичной обмотки W2, в которой под действием ЭДС Е2 начинает протекать ток нагрузки I2. Его величина и угол между ним и ЭДС Е2 полностью определяется величиной и характером нагрузки. Так как любой трансформатор может использоваться для питания нагрузки различного характера (активной, реактивной и их комбинаций в различных соотношениях), то для него нельзя указать определенного численного значения коэффициента мощности. По этой же причине мощность трансформатора измеряется не в единицах активной мощности (кВт или МВт), а в единицах полной (кажущейся) мощности (кВА или МВА).

Протекая по вторичной обмотке W2 трансформатора, ток нагрузки I2 создает на ней падение напряжения I2x2 и I2r2 и ЭДС Е2 "подсядет" на величину этого падения, т.е. уменьшится, но не в алгебраическом, а в геометрическом (векторном) смысле. Сложив эти вектора по правилу треугольника, мы получим вектор напряжения U2 , приложенного к внешней нагрузке. Угол j2 между U2 и I2 есть фазовый угол нагрузки. Итак, мы получили во вторичной цепи следующую картину: к нагрузке приложено напряжение U2 , в ней протекает ток I2 и характер нагрузки определяет угол j2. Как же реагирует на все это первичная обмотка W1 трансформатора, магнитно-связанная с вторичной обмоткой W2?

Первичный ток (I1) и вторичный ток (I2) трансформатора связаны индуктивно (точнее, взаимоиндуктивно, через общий магнитопровод). По законам электромагнитной индукции магнитные поля индуктивно связанных токов стремятся нейтрализовать друг друга, то есть размагнитить. Поэтому ток нагрузки I2, протекая по вторичной цепи, создаст МДС I2W2, которая вызовет в магнитопроводе трансформатора магнитный поток, направленный навстречу главному магнитному потоку Ф0. Но в соответствии с основным электромагнитным принципом работы трансформатора этот поток автоматически поддерживается неизменным. Автоматизм выражается в том, что в цепи первичной обмотки W1 возникнет первичный ток нагрузки I1, находящийся в противофазе с вторичным током нагрузки I2 и связанный с ним по величине через коэффициент трансформации. Ток I1, протекая по обмотке W1, создаст МДС I1W1, которая вызовет магнитный поток для нейтрализации потока, вызванного МДС I2W2.

Первичный ток I1, геометрически складываясь с намагничивающим током I0, дает реальный первичный ток нагрузки I`. Таким образом, к первичной обмотке W1 приложено напряжение U1, в ней проткает ток I`, а фазовый угол j1 также будет определять характер нагрузки.

Понятно, что намагничивающий ток I0 - это ток той реактивной (индуктивной) мощности, которая необходима для конкретного трансформатора для того, чтобы был возможен сам процесс трансформации.

И еще одно. При передаче электрической энергии из первичной цепи во вторичную цепь неизбежно возникают потери. Часть энергии источника питания бесполезно расходуется на нагрев обмоток и сердечника. Потери электрической энергии характеризуют мощностью потерь D Р, которую в свою очередь удобно представить состоящей из двух слагаемых: мощности электрических потерь D Рэ (потери в меди) и мощности магнитных потерь D Рм (потери в стали). Мощностью электрических потерь характеризуют нагрев обмоток, обладающих сопротивлением r1 и r2 ; она пропорциональна квадрату тока. По закону Джоуля-Ленца можно записать, что D Рэ=I12 r1+I22 r2. Мощностью магнитных потерь D Рм характеризуют нагрев сердечника, вызванный вихревыми токами в нем, а также циклическим перемагничиванием сердечника. Вследствие потерь D Р мощность Р2 передачи энергии в нагрузку будет меньше мощности Р1 потребления энергии в первичной обмотке трансформатора. Отношение количества энергии, израсходованной в нагрузке, к количеству энергии, воспринятой трансформатором за тот же промежуток времени, называют коэффициентом полезного действия трансформатора. Его обычно выражают отношением активных мощностей Р1 и Р2: k= Р2/ Р1. КПД современных мощных трансформаторов превышает 99%.



© 1999 Л.В. Пучков, Редакция 2000 А.Н.Бугаев.

Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации