Назначение, устройство и принцип действия
Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии переменного тока (напряжения, тока, частоты, числа фаз). Наибольшее распространение получили трансформаторы для преобразования величины напряжения переменного тока [1, 3, 4, 5, 15].
Двухобмоточный трехфазный трансформатор имеет две трёхфазные индуктивно связанные обмотки: обмотку высшего (ВН) и обмотку низшего (НН) напряжения. Для улучшения электромагнитной связи между обмотками и обеспечения эффективного преобразования электрической энергии обмотки располагают на стержнях замкнутого трёхстержневого магнитопровода, выполненного из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью.
Обмотка, потребляющая электрическую энергию из сети, называется первичной, обмотка, отдающая электрическую энергию потребителю, - вторичной. Если напряжение первичной обмотки больше напряжения вторичной обмотки, трансформатор называют понижающим, если первичное напряжение меньше вторичного – повышающим.
На рис. 6.1 изображена электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора, на которой для удобства изображения первичная и вторичная обмотки расположены на разных стержнях.
Рис. 6.1. Однофазный двухобмоточный трансформатор
При подключении первичной обмотки трансформатора с числом витков w1 в сеть переменного тока с синусоидальным напряжением u1 и частотой f1 по обмотке протекает ток i1, создающий магнитодвижущую силу (МДС) F1=i1w1 и магнитный поток Ф, замыкающийся в магнитопроводе. Поскольку магнитный поток изменяется во времени по гармоническому закону, изменяется потокосцепление с первичной и вторичной обмотками, в результате в них наводятся ЭДС, мгновенные значения которых определяются согласно закону электромагнитной индукции:
.
Если вторичную обмотку подключить к нагрузке, в ней возникает ток i2 и устанавливается напряжение u2. При протекании тока по вторичной обмотке создаётся МДС F2 = i2w2 , которая вместе с МДС F1 создаёт результирующую МДС:
.
Сумму токов обозначают iμ и называют намагничивающим током:
.
Намагничивающий ток создаёт результирующую МДС Fμ , а она - результирующий магнитный поток взаимной индукции Ф.
Действующие значения ЭДС в обмотках Е1 и Е2, индуктируемых результирующим магнитным потоком, определяются по формулам:
где Фm – амплитуда магнитного потока Ф взаимной индукции.
При работе трансформатора в нормальных режимах действующие значения напряжений U1 и U2 приблизительно равны ЭДС Е1 и Е2 соответственно:
U1 / U2 » Е1 / Е2 = w1 / w2 .
Следовательно, преобразование напряжений в трансформаторе происходит благодаря неравенству чисел витков обмоток. Отношение фазных напряжений обмоток ВН и НН называют коэффициентом трансформации фазных напряжений.
UВН / UНН = К.
Энергия из первичной обмотки передаётся во вторичную с помощью магнитного поля взаимной индукции с потоком Ф. Для обеспечения сильного поля и служит ферромагнитный магнитопровод.