Рабочий процесс трансформатора

При холостом ходе трансформатора (нагрузки нет) вторичная обмотка его разомкнута и тока в этой обмотке нет. В первичной об­мотке при этом протекает ток холостого хода I₀, который много меньше тока этой обмотки при номинальной нагрузке трансформа­тора. Ток холостого хода возбуждает переменный магнитный поток, который замыкается по магнитопроводу и индуктирует в первично и вторичной обмотках э.д.с, зависящие от числа витков этих обмоток ω₁и ω_2, амплитуды магнитного потока Ф _т (вб) и частоты ег изменения f. Действующие значения э. д. с. первичной E₁и вторичной Е₂ обмоток:

Если, например, в магнитопроводе трансформатора, включенно­го в сеть переменного тока с частотой f=50 гц, возбужден магнит­ный поток с амплитудой Ф _т =0,001 вб, то при числах витков обмоток ω₁=572 и ω₂= 108 действующие значения э. д. с. обмоток равны:

и

Так как при холостом ходе во вторичной обмотке тока нет, то на­пряжение на зажимах этой обмотки равно э. д. с, т. е. U₂=E₂. В пер­вичной обмотке протекает небольшой ток холстого хода и напряже­ние этой обмотки незначительно отличается от э.д. с, т. е. U₁≈E₁. Отношение напряжений на зажимах первичной и вторичной обмо­ток трансформатора при холостом ходе (без нагрузки) называется коэффициентом трансформации и обозначается буквой К, т. е.

и

Таким образом, если в трансформаторе первичная и вторичная обмотки имеют различное число витков, то при включении первич­ной обмотки в сеть переменного тока с напряжением U₁ на зажи­мах вторичной обмотки возникает напряжение U₂, не равное напря­жению U₁.

Если, например, первичная обмотка трансформатора с числом витков ω₁ — 880 включена в сеть с напряжением U₁=220 в, то на­пряжение на зажимах вторичной обмотки ω₂=48 определится из следующего соотношения:

Если вторичную обмотку трансформатора замкнуть на какой-либо приемник электрической энергии (рис. 101), то во вторичной Цепи будет протекать ток I₂, а в первичной обмотке ток I₁, который может быть представлен геометрической суммой тока холостого хода и нагрузочного тока.

Первичная и вторичная обмотки трансформатора электрически не соединены. Однако надо иметь в виду, что за счет магнитной связи между этими обмотками изменение тока во вторичной об­мотке I₂ вызывает соответствующее изменение тока первичной обмотки I₁. Если увеличится ток во вторичной обмотке, то увеличится ток и в первичной обмотке. Наоборот, при уменьшении тока во вторичной обмотке, уменьшится ток и в первичной обмотке. Если разомкнуть вторичную обмотку, то ток в ней станет равным нулю, а в первичной обмотке уменьшится до малой величины (ток холо­стого хода I₀).

По первичной и вторичной обмот­кам при нагрузке протекают числен­но неравные токи. Если пренебречь потерями мощности в трансформаторе, то мощность, отдаваемая тран­сформатором приемнику энергии U₂I₂, равна мощности, потребляемой из сети источника энергии U₁I₁т. е.

откуда: и

Пренебрегая падением напряжения в сопротивлениях первич­ной обмотки трансформатора, можно допустить, как это было по­казано выше, при любой его нагрузке приближенное равенство аб­солютных величин приложенного напряжения U₁ и уравновешива­ющей это напряжение э. д. с.первичной обмотки, т. е.

На основании этого равенства можно сказать, что при неиз­менном по величине приложенном напряжении U₁ будет приблизи­тельно неизменной э. д. с. E₁, индуктируемая в первичной обмотке трансформатора при любой его нагрузке. А так как э.д.с, Е₁ зави­сит от магнитного потока Ф _т, то и магнитный поток в магнитопроводе трансформатора при любом изменении нагрузки будет приблизительно неизменным.

Таким образом, при неизменном приложенном напряжении ам­плитуда магнитного потока в сердечнике трансформатора практи­чески неизменна при любом изменении нагрузки.

Ток I₂, протекающий по вторичной обмотке при нагрузке транс­форматора, создает свой магнитный поток, который согласно за­кону Ленца направлен встречно магнитному потоку в сердечнике, стремясь его уменьшить. Чтобы результирующий магнитный поток в сердечнике остался неизменным, встречный магнитный поток вторичной обмотки должен быть уравновешен магнитным потоком первичной обмотки.

Следовательно, при увеличении тока вторичной обмотки I₂ возрастает размагничивающий магнитный поток этой обмотки и од­новременно увеличиваются как ток первичной обмотки I₁, так и магнитный поток, создаваемый этим током. Так как магнитный поток первичной обмотки уравновешивает размагничивающий по­ток вторичной обмотки, то результирующий магнитный поток в сердечнике оказывается неизменным.

В понижающем трансформаторе напряжение первичной обмот­ки U₁ больше напряжения вторичной обмотки U₂ в К раз, следо­вательно, и сила тока вторичной обмотки I₂ больше силы тока пер­вичной обмотки I₁ также в К раз. В повышающем трансформато­ре имеет место обратное соотношение между напряжениями его обмоток и между силами токов в них.

Если, например, включить на полную нагрузку трансформатор, напряжения первичной и вторичной обмоток которого равны U₁ = 220 в, U₂=24 в, то при номинальной силе тока первичной обмотки I₁=3 а сила тока во вторичной обмотке

Таким образом, в обмотке с более высоким напряжением сила тока меньше, чем в обмотке с более низким напряжением. Поэтому обмотка с более высоким напряжением имеет большее число витков и наматывается из провода с меньшим поперечным сечением, чем обмотка с более низким напряжением.

При работе трансформатора под нагрузкой в первичной и во вторичной его обмотках протекают токи, создающие потоки рас­сеяния, Ф_s1 и Ф_s2, Эти магнитные потоки сцеплены только с вит­ками той обмотки, током которой они создаются, и всегда много меньше основного магнитного потока Ф₀, замыкающегося по магнитопроводу трансформатора (по стали), так как потоки рассея­ния проходят в немагнитной среде. Потоки рассеяния индуктиру­ют в обмотках э. д. с. рассеяния, которые в небольшой степени из­меняют напряжение вторичной обмотки трансформатора при изме­нении его нагрузки.

Чтобы не устанавливать отдельный трансформатор на каждое рабочее напряжение, целесообразно на одном трансформаторе вы­полнить несколько вторичных обмоток с различным числом витков. Такие трансформаторы, называемые многообмоточными, широко применяют в радиоприемниках, телевизорах, усилителях и другой аппаратуре, требующей для питания несколько переменных напря­жений различной величины. Соотношения количества витков об­моток определяются их напряжениями, т. е.

и т. д.

Ток в первичной обмотке равен суммарному току всех вторич­ных обмоток:

Изменение тока в любой вторичной обмотке вызывает соответ­ствующее изменение тока первичной обмотки. При этом происходит некоторое изменение напряжения всех вторичных обмоток трансформатора, т. е. напряжение любой вторичной обмотки за­висит от тока как в этой обмотке, так и в любой другой вторичной обмотке трансформатора.

ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Трехфазные трансформаторы изготовляют главным образом стержневыми.

Схема построения магнитопровода трехфазного стержневого трансформатора показана на рис. 102, а. Три одинаковых одно­фазных трансформатора выполнены так, что их первичные и вто­ричные обмотки размещены на одном стержне сердечника, а другой стержень магнитопровода каждого трансформатора не имеет обмотки. Если эти три трансформатора расположились так, что­бы стержни, не имеющие обмоток, находились рядом, то эти три стержня можно объединить в один 0 (рис. 102, б). Через объеди­ненный стержень 0 будут замыкаться магнитные потоки трех одно­фазных трансформаторов, которые равны по величине и сдвинуты по фазе на одну треть периода. Так как сумма трех равных по амплитуде и сдвинутых по фазе на 1/3 периода магнитных пото­ков равна нулю в любой момент времени (Фа + Фb + Фс=0), то в объединенном стержне магнитного потока нет и надобность в этом стержне отпадает. Таким образом, для магнитопровода достаточно иметь три стержня, которые по конструктивным соображениям рас­полагаются в одной плоскости (рис. 102, в).

На каждом стержне трехфазного трансформатора размещаются обмотки высшего и низшего напряжения одной фазы. Стержни соединяются между со­бой ярмом сверху и снизу. Легко видеть, что длина магнитных ли­лий потока среднего стержня меньше, чем крайних стержней, так лак магнитный поток среднего стержня встречает на своем пути меньшее магнитное сопротивление, чем магнитные потоки крайних стержней. Поэтому в фазе, обмотка которой помещена на среднем стержне, протекает меньший намагничивающий ток, чем в фазах, обмотки которых помещены на крайних стержнях.

Конструктивно обмотки трехфазных трансформаторов выполняются так же, как и однофазных.

Начала фаз обмоток высшего напряжения обозначаются за­главными буквами А, В и С; концы фаз обмоток высшего напря­жения — X, Y и Z.

Если обмотка высшего напряжения имеет выведенную нулевую точку, то этот зажим обозначается заглавной буквой О.

Зажимы обмоток низшего напряжения обозначаются строчны­ми буквами: а, в, с — начала фаз и х, у, z— концы фаз; о — вывод нулевой точки.

Обмотки трехфазных трансформаторов могут быть соединены звездой и треугольником.

При соединении обмоток звездой концы (или начала) всех трех фаз соединяются между собой, образуя нейтральную или нулевую точку, а свободные зажимы начал (или концов) трех фаз подклю­чаются к трем проводам сети источника (или приемника) электри­ческой энергии переменного тока.

При соединении обмоток в треугольник начало первой фазы со­единяется с концом второй, начало второй, фазы — с концом треть­ей, начало третьей фазы — с концом первой. Точки соединения на­чала одной фазы с концом другой подключаются к проводам трех­фазной сети переменного тока.

Соединение обмоток трехфазных трансформаторов звездой обозначается Y, а треугольником — ∆. Если обмотки соединены звездой и имеют выведенную нулевую точку, то такое соединение обозначается

Группы трехфазных трансформаторов обозначаются знаками

где знак над чертой показывает схему соединения обмоток высше­го напряжения, знак под чертой — схему соединения обмоток низ­шего напряжения, цифра-угол между векторами линейных э д с
обмоток высшего и низшего напряжения, выраженный числом уг­ловых единиц по 30°.

Так, первое обозначение группы показывает, что обмотки выс­шего и низшего напряжения соединены в звезду, причем обмотки низшего напряжения имеют выведенную нулевую точку, и угол между векторами линейных э. д. с., обмоток высшего и низшего напряжения равен 12х30° = 360°, или 0°.

Группы трехфазных трансформаторов зависят от схем соедине­ния обмоток, обозначения зажимов фаз обмоток высшего и низшего напряжения и от направления намоток. Если направление на­моток витков обмоток высшего и низшего напряжения одинаково, то э. д. с, индуктируемые в фазах обмоток высшего и низшего напряжения, совпадают по фазе; если же обмотки имеют встречное направление намотки, то э. д. с. фаз высшего и низшего напряжения находятся в противофазе.

В СССР стандартными группами являются следующие:

В стандартных схемах обмотки высшего напряжения соедине­ны звездой, так как при такой схеме фазное напряжение в раз меньше линейного, благодаря чему упрощается изоляция обмоток. Обмотки низшего напряжения чаще соединяются треугольником, гак как при таком соединении трансформатор менее чувствителен к несимметрии нагрузки фаз.

Обмотки низшего напряжения соединяются также по схеме звезда с нулем, так как при такой схеме можно в четырехпроводной сети получить два различных напряжения — линейное и фаз­ное (например, 327 и 220 в, 220 и 380 в и т. д.).