12. Устройство, принцип действия однофазного трансформатора. Уравнения электрического и магнитного состояния. Схема замещения трансформатора.

Однофазный 2х обмоточный трансформатор состоит из стального сердечника и 2х расположенных на нём обмоток из изолированного медного провода и электрически несвязанных между собой. Стальной сердечник – из листовой электротехнической стали, служит для усиления магнитной связи между обмотками.

Первичная обмотка соединена с источником эквивалентного тока и потребляет энергию от источника.

Вторичная обмотка – к которой присоединена нагрузка и которая отдаёт электрическую энергию.

Если W₁>W₂ и U₁>U₂ – понижающий трансформатор

Если W₁<W₂ и U₁<U₂ – повышающий трансформатор

Принцип действия основан на явлении э/м индукции.

K₁₂=E₁/E₂=W₁/W₂ – коэффициент трансформации (отношение действующих значений ЭДС первичной и вторичной обмоток, равное отношению чисел витков этих обмоток)

Внешняя характеристика:

U₂=U₂₀(1- ), где =

Пусть - напряжение к зажимам первичной обмотки, - ток холостого хода (которым создаётся магнитодвижущаяся сила, которая равна произведению тока и числа витков в первичной обмотке). МДС наводит в магпитопроводе основной магнитный поток , где - магнитное сопротивление магнитопровода.

Если вторичную обмотку замкнуть на нагрузку , то по ней потечёт ток . При этом ток в первичной обмотке увеличивается до значения . магнитный поток создаётся совместным действием МДС обеих обмоток.

если , то при изменении нагрузки от нуля (режим холостого хода) до номинальной (номинальный режим) .

Уравнение МДС: .Тогда: ; ; , где - ток нагрузки, приведённый к числу витков первичной обмотки.

У равнение токов трансформатора:

.

;

;

.

Уравнения электрического состояния в первичной и вторичной цепях:

Т -образная и Г-образная схемы замещения; упрощенная схема замещения трансформатора:

13. Опыты холостого хода и короткого замыкания трансформатора. Определение потерь и параметров схемы замещения.

Характеризуют работу силового трансформатора в предельных режимах нагрузки: при отсутствии нагрузки (I₂=0) и при номинальном токе вторичной обмотки(I₂= I_2H).

1. Опыт холостого хода (когда первичная обмотка включена на напряжение сети, а вторичная – разомкнута).

В первичной обмотке существует небольшой ток холостого хода I_1X и трансформатор потребляет из сети электроэнергию, мощность которой называют потерями холостого хода Р_Х. Трансформатор в режиме хх – индуктивная катушка с магнитопроводом, в котором возникают потери энергии.

Энергия, отбираемая трансформатором из сети при хх, теряется в магнитопроводе и в первичной обмотке. Но мощность потерь в обмотке, обладающей малым активным сопротивлением, при малом токе хх ничтожна. Поэтому мощность потерь хх Р_Х – магнитные потери в стали магнитопровода.

Т.к. напряжение питающей сети неизменно, то и мощность потерь хх Р_Х в трансформаторе постоянна, не зависит от тока приёмников.

2. Опыт короткого замыкания (при очень малом напряжении и номинальных токах обмоток) Схема опыта и схема замещения:

Вторичную обмотку замыкают накоротко и к первичной обмотке подводят такое малое напряжение U_1K, при котором токи в обмотках достигают номинальных значений I_1HOM=I_2HOM/n.

u_K%=U_1K*100/U_1HOM=2-8%

Т.к. при КЗ вторичной обмотки трансформатор не передаёт энергии приёмнику, то активная мощность P_KHOM, измеренная ваттметром, представляет собой мощность потерь энергии в трансформаторе. Т.к. приложенное к обмотке напряжение КЗ очень мало, очень мал и магнитный поток в магнитопроводе. Поэтому потери в магнитопроводе ничтожны.

Таким образом, потери P_KHOM в опыте КЗ – мощность электрических потерь энергии в проводах обмоток при номинальных токах.

Z_K=U_1K/I_1HOM – сопротивление КЗ (со стороны сети)

R_K=P_KHOM/I²_1HOM – активная составляющая Z_K

X_K= - реактивная составляющая Z_K

Преобразование э/э в трансформаторе сопровождается потерями на нагрев сердечника и обмоток. Уравнение баланса мощностей:

P₁=U₁I₁cos =P₂+p_Э1+p_C+p_Э2

P₁ – активная мощность первичной обмотки

P₂ - активная мощность, переданная со вторичной обмотки в нагрузку

p_Э1 – мощность потерь в первичной обмотке

p_C – мощность потерь в сердечнике на гистерезис и вихревые токи

p_Э2 – мощность потерь во вторичной обмотке

P_ЭМ=E₁I₁cos - э/м мощность (характеризует интенсивность передачи энергии из первичной обмотки во вторичную)

Уравнение теплового баланса:

p_C+p_Э=Nk_T , N-общая поверхность охлаждения, k_T-коэффициент теплоотдачи, -температура перегрева относительно окружающей среды.