Назначение, устройство и принцип работы однофазного трансформатора

Трансформатораминазываются статические электромагнитные аппараты, предназначенные для преобразования энергии переменного тока одного напряжения в энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте.

Трансформаторы применяются в системах электропередачи, в автоматике, измерительной технике.

Простейший силовой трансформатор состоит из (рис.1.2, а):

- замкнутого магнитопровода, выполненного из ферромагнитного материала (обычно листовая электротехническая сталь),

- и двух обмоток ω₁, ω₂, расположенных на стержнях магнитопровода.

Рис.1. Конструкция (а) и условное обозначение трансформатора (б)

Одна из обмоток, называемая первичной ω₁, присоединяется к источнику переменного тока с напряжением U₁.

К другой обмотке - вторичной ω₂, подключается нагрузка Z_H.

Особенность построения трансформатора

- первичная и вторичная обмотки трансформатора не имеют электрической связи друг с другом, и мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем;

-магнитопровод, на котором расположены эти обмотки, служит для усиления индуктивной связи между обмотками.

Принцип действие трансформатора (основан на явлении электромагнитной индукции): При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока по ней протекает переменный ток i₁, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками и индуцирует в них электродвижущие силы (ЭДС):

в первичной обмотке - ЭДС самоиндукции: e₁=-ω₁(dФ/dt), (1.1)

во вторичной обмотке - ЭДС взаимоиндукции:e₂=-ω₂(dФ/dt), (1.2)

где ω₁ и ω₂ – числа витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

При подключении нагрузки Z_H к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС e₂ в цепи этой обмотки создается ток i₂, а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U₂.

Логическая цепочка:

u₁ → i₁→Ф₁→е₁, е₂; е₂→ u₂→ i₂→Ф₂

u₁= - е₁; u₂= е₂; Ф₁, Ф₂→Ф

Особенности конструкции:

1) Магнитопровод представляет пакет, набранный из листов, электротехнической стали (толщиной 0,5 и менее), изолированных друг от друга теплостойким лаком. Назначение магнитпровода – усиление магнитной связи (магнитного поля) между обмотками.

Часть магнитопровода, вокруг которой расположены обмотки, называется сердечником (или стержнем), а часть, соединяющая сердечники – ярмом.

2) Обмотки трансформаторов изготавливают из медного или алюминиевого провода в виде катушек и располагают на одном и том же или на разных стержнях рядом или одну под другой. В последнем случае, обмотку более высокого напряжения располагают ближе к стержню, а поверх нее располагаются обмотки более низкого напряжения. Катушки обмоток должны быть надежно изолированы друг от друга. На сердечнике может быть расположено несколько вторичных обмоток с разным числом витков, что позволяет получать различные по величине вторичные напряжения.

Классификация трансформаторов:

1. По назначению

- силовые (предназначены для питания различных устройств);

- измерительные (предназначены для подключения к измерительным приборам - трансформаторы тока и напряжения),

- специальные (автотрансформаторы, импульсные, согласующие и т.д.).

2. По числу фаз:

- однофазные;

- трехфазные.

3. По частоте переменного тока

- на низкочастотные (до 10 000 Гц);

- высокочастотные (свыше 10 000 Гц).

4. По соотношению первичного и вторичного напряжения

- на повышающие U₂ > U₁;

- понижающие U₂ < U₁.

5. По числу обмоток

- на двухобмоточные;

- многообмоточные.

6. По способу охлаждения

-на сухие (с воздушным охлаждением);

- масляные (используются в трансформаторных подстанциях).

7. По виду магнитопровода

-на стержневые,

-броневые;

- кольцевые (тороидальные).

Броневые и кольцевые магнитопроводы используются только для однофазных трансформаторов. У броневого магнитопровода площадь сечения среднего стержня равна сумме сечения двух крайних.

Кольцевые магнитопроводы изготавливают не из листов, а из стальной ленты или цельного сплава (ферритовый сплав).

Рис. 2