Трансформаторы

Трансформаторы - это электрические аппараты, предназначенные для
преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины.

Трансформатор имеет замкнутый магнитопровод из ферромагнитного ма­териала, на котором расположены две или несколько обмоток, Принципиальная схема трансформатора представлена на рис. 2.23. На рисунке: 1 и 2 первичная и вторичная обмотки трансформатора с числом витков w₁ и w₂; 3 - магнитопровод.

Рис. 2.23. Принципиальная схема трансформатора

При подключении первичной обмотки к сети переменного тока напряжением U₁, по ней потечет ток I₁, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Этот поток, пронизывая витки вторичной обмотки, инду­цирует в ней ЭДС E₂.

Пусть к первичной обмотке с числом витков w₁ приложено переменное напряжение:

Ему противодействует ЭДС самоиндукции

Всоответствии с законом электромагнитной индукции величина e₁ также
равна:

После совместного решения двух предыдущих уравнений для действующего значения ЭДС первичной обмотки получаем

Данное выражение называют формулой грансформагорной ЭДС, которая устанавливает связь амплитуды магнитного потока Ф_m, частоты его изменения в магнитопроводе и числа витков обмотки с величиной индуцированной в ней ЭДС.

Так как первичная и вторичная обмотки трансформатора (рис. 2.23) про­низываются одним и тем же потоком Ф, то по аналогии можем записать:

Отношение Е₁ к Е₂ называется коэффициентом трансформации

Это один из основных параметров трансформатора.

Потери энергии в трансформаторе.

Рис. 2.24. Кривая перемагничивания ферромагнетика

Другим важным параметром трансформатора является мощность Р₂, которую он способен передать потреби­телям, подключенным к его вторичной обмотке. Очевидно, что мощность Р₁, потребляемая из сети первичной обмоткой трансформатора, будет больше Р₂ на величину потерь в самом трансформаторе ΔР.

где ΔР_ст - мощность потерь в стали (магнитопроводе) трансформатора;
ΔР_м - мощность потерь в меди (проводах обмоток).
В свою очередь потери в стали разделяют на два вида:

где ΔР_г - потери на гистерезис;

ΔР_в - потери на вихревые токи.

Потери на гистерезис пропорциональны площади (заштрихована) петли гистерезиса (см. рис. 2.24) и частоте перемагничивапия магнитонровола. На рис. 2.24: В_m - амплитуда магнитной индукции; Н_m - амплитуда напряженности магнитного поля (); - магнитная проницаемость вакуума; - от­носительная магнитная проницаемость; В_г - остаточная индукция.

Для снижения потерь на гистерезис магнитопроводы трансформаторов выполняют из магнитомягких материалов, имеющих узкую петлю гистерезиса и малые значения остаточной индукции В_г при максимальной величине относи­тельной магнитной проницаемости (электротехнические стали, железоникелевые сплавы, ферриты и др.).

Вихревые токи появляются в электропроводящих материалах (металлах, сплавах, электролитах и т.п.), помещенных в изменяющееся магнитное поле. Они индуцируются в контурах, плоскости которых перпендикулярны силовым линиям магнитного поля (см. рис. 2.25,а).

а) б)

Рис. 2.25. Вихревые токи в магнитопроводе трансформатора

Величина наведенных вихревых токов, замыкающихся по периметру сече­ния магнитопровода, прямо пропорциональна величине наведенной в контуре ЭДС и обратно пропорциональна удельному электрическому сопротивлению материала магнитопровода.

Вихревые токи, во-первых, создают свое магнитное поле, ослабляющее основное поле; во-вторых, нагревая сердечник, бесполезно расходуют энергию, снижая КПД трансформатора.

Для уменьшения вихревых токов применяют.

- магнитопроводы из электротехнической стали и примесью кремния с увеличенным удельным электрическим сопротивлением;

- магнитопроводы выполняют шихтованными, т.е. из отдельных изолированных друг от друга листов стали толщиной 0,5 мм и менее (рис. 2.25,б).