трансформатор ЕЛЕКТРИЧНИЙ
Трансформатор ЕЛЕКТРИЧНИЙ, що не має рухомих частин електромагнітне пристрій, що служить для передачі за допомогою магнітного поля електричної енергії з одного ланцюга змінного струму в іншу без зміни частоти. Трансформатор може підвищувати його напруга (підвищувальний трансформатор), знижувати (наприклад, вимірювальний трансформатор) або передавати енергію при тій же напрузі, при якому він її отримав (розділовий трансформатор). Трансформатори мають високим ККД: від 97% при невеликих потужностях до понад 99% при великих. Вони мають досить міцну конструкцію і відносно низьку вартість на одиницю переданої потужності.
Трансформатор складається з магнітопровода, що представляє собою набір пластин, які зазвичай виготовляються з кременистої сталі (рис. 1). На муздрамтеатрі розташовуються дві обмотки - первинна P і вторинна S. Для простоти обмотки показані на різних стрижнях муздрамтеатру. Насправді при такому розташуванні обмоток змінний магнітний потік, створюваний первинної обмоткою в муздрамтеатрі, недостатньо ефективно використовується для наведення ЕРС у вторинній обмотці. Крім того, такий трансформатор погано піддавався б регулювання. На практиці первинні і вторинні обмотки мають у своєму розпорядженні близько один до одного (рис. 2).
На рис. 1 генератор змінного струму A подає струм I 0 напруги E 1 на первинну обмотку P. В даний момент струм в верхньому провіднику має позитивний напрямок і зростає, так що первинна обмотка створює в муздрамтеатрі магнітний потік F за годинниковою стрілкою. Цей потік, що пронизує обидві обмотки, називається потоком взаємоіндукції; його зміна індукує електрорушійну силу (ЕРС) як в первинній, так і у вторинній обмотці. ЕРС, індукована в первинній обмотці, спрямована проти струму харчування в ній і відповідає протидії ЕРС електродвигуна. ЕРС, індукована у вторинній обмотці, відповідає ЕРС електрогенератора і може бути подана на навантаження.
Величина індукованої в обмотці трансформатора ЕРС дається формулою E = 4,44 F m fN 10 -8 В, де F m - максимальне миттєве значення магнітного потоку F в Максвелла, f - частота в герцах і N - число витків. Оскільки потік F m є загальним для обох обмоток, індукована в кожній з них ЕРС пропорційна числу витків у відповідній обмотці:
E 2 / E 1 = N 2 / N 1.
У звичайному трансформаторі напруги на затискачах відрізняються від індукованих ЕРС лише на кілька відсотків, так що для більшості практичних цілей зазначені напруги фактично пропорційні відповідним числах витків, V 2 / V 1 = N 2 / N 1.
Струм I 0 за відсутності навантаження (струм холостого ходу) створює магнітний потік F і разом з прикладеною напругою є джерелом втрат у муздрамтеатрі на гістерезис і вихрові струми. У режимі холостого ходу втрати I 02 R в міді первинної обмотки незначні. Струм холостого ходу I 0составляет зазвичай від 1 до 2% номінального струму трансформатора, хоча в низькочастотних (25 Гц) трансформаторах він може досягати величини 5 або 6%.
Якщо на рис. 1 перемикач X вторинному ланцюзі замкнутий, в ній тече струм. Згідно з правилом Ленца, напрям струму у вторинній обмотці таке, що він протидіє потоку F. Коли цей потік зменшується, проти-ЕРС E 1первічной обмотки теж зменшується і струм в ній стає більше, забезпечуючи передачу потужності, яка знімається потім з вторинної обмотки. Проти-ЕРС E 1 відрізняється від прикладеної напруги V 1всего на 1-2%. Напруга V 1 постійно. Якщо E 1 постійна, то потік взаємоіндукції F також постійний, і, отже, постійна магнитодвижущая сила (число ампер-витків), що діє на муздрамтеатр. Таким чином, збільшення МДС вторинної обмотки при додатку навантаження має врівноважуватися протилежної величиною МДС первинної обмотки. Струм холостого ходу малий у порівнянні з струмами навантаження і зазвичай значно відрізняється від них по фазі. Нехтуючи їм, маємо
N 2 I 2 = N 1 I 1 і I 2 / I 1 = N 1 / N 2.
Таким чином, в трансформаторі струми практично обернено пропорційні кількості витків у відповідних обмотках.
Залежність напруги від навантаження.
На рис. 2 показаний поперечний розріз одного плеча трансформатора зі зв'язаними первинної і вторинної обмотками P і S, причому первинна охоплює вторинну. Практично завжди є деяка частина потоку F, створюваного первинним струмом, яка замикається на одній лише первинної обмотці P; це первинний потік розсіювання. Аналогічно існує вторинний потік розсіювання. Обидва ці потоку створюють реактивний опір розсіювання в відповідних колах, що в поєднанні з активним опором зменшує напругу на затискачах вторинної обмотки з включеним навантаженням. На рис. 3 величина V 1представляет напруга на затискачах первинної обмотки, а I 1 - струм в ній, запізнюється по відношенню до V 1 на q градусів. Напруга I 1 R 01 (знаходиться в фазі з I 1) і напруга I 1 X 01 (зрушене по відношенню до I 1 на 90 ° і випереджальне його) підсумовуються векторно з V 1, даючи E 1. У результаті маємо
Випереджаюче ток береться зі знаком мінус. Якщо коефіцієнт потужності дорівнює 1, то cos q = 1 і sin q = 0. При цьому відносна зміна напруги на первинній обмотці трансформатора при зміні навантаження від оптимальної до режиму холостого ходу визначається відношенням
Для вторинної обмотки маємо R 02 = R 01 (N 2 / N 1) 2 і X 02 = X 01 (N 2 / N 1) 2. Записуючи аналогічно попередньому рівняння для Е 2, отримаємо таке ж співвідношення. Втрати на активному і реактивному опорах трансформатора складають від одного до трьох відсотків від напруги на затискачах (на рис. 3 вони показані в збільшеному масштабі).
ККД перетворення трансформаторів настільки близький до одиниці, що при прямих вимірах на вході і виході точність виявляється недостатньою. Більш точний метод визначення ККД полягає у вимірюванні втрат Pc в муздрамтеатрі шляхом вимірювання потужності однієї з обмоток без навантаження, коли ця обмотка працює при номінальній напрузі. Тоді ККД (h) можна отримати з формули
Автотрансформатори.
Автотрансформатором називають трансформатор, в якому частина обмотки є спільною як для первинної, так і для вторинної ланцюга. При низькому коефіцієнті трансформації автотрансформатор забезпечує значну економію у вартості і збільшення ККД в порівнянні зі звичайним двообмоткових трансформатором.
На рис. 4, а показаний автотрансформатор з коефіцієнтом трансформації 2. Передбачається, що коефіцієнт потужності дорівнює 1, а втрати і струм холостого ходу незначні. Безперервна обмотка ac на муздрамтеатрі трансформатора може бути розподілена між кількома котушками на протилежних плечах муздрамтеатру. Щоб отримати коефіцієнт трансформації 2, робиться відведення b від середньої точки обмотки ac, а навантаження вторинної обмотки під'єднується між точками b і c. Для перетворення потужності обмотка ab є первинною, а bc - вторинної. Припустимо, що струм навантаження I становить 20 А при 50 В. Струм 10 А тече від a до b і звідси до навантаження dd ў. Потужність, створювана струмом 10 А при падінні напруги 50 В на ділянці ав, становить 500 Вт; ця потужність наводить магнітне поле в муздрамтеатрі, яке проявляється в індукованому струмі I 2 = 10 А при напрузі 50 В між c і b. Таким чином, з сумарною потужності 1000 Вт на навантаженні 500 Вт передаються від a до b по дротах без трансформації, а 500 Вт - в результаті трансформації. У звичайному двообмоткових трансформаторі потрібна була б не тільки обмотка ac, розрахована на 100 В і 10 А, але також вторинна обмотка, розрахована на 50 В і 20 А і містить таку саму кількість міді. Більш того, при одній обмотці потрібно менше заліза для муздрамтеатру (сердечника). Отже, в автотрансформаторі з коефіцієнтом трансформації 2 або 1/2 потрібно вдвічі менше, ніж в двообмоткових трансформаторі, матеріалу, та й втрати скорочуються приблизно наполовину.
На рис. 4, б показаний автотрансформатор з первинної обмоткою на 100 В і коефіцієнтом трансформації 4/3. Навантаження вторинної обмотки становить 20 А при 75 В, що відповідає потужності на виході 1500 Вт. Отже, первинний струм повинен мати величину 15 А. Відведення b зроблений в точці, що відповідає трьох чвертей числа витків від c до a. Струм 15 А тече від a до b і звідси до навантаження dd ў. Цей струм при падінні напруги 25 В на ab дає 15 ґ 25 = 375 Вт магнітному полю, яке індукує струм між c і b 5 А при 75 В, так що піддаються трансформації тільки 375 Вт, а решта одна тисяча сто двадцять п'ять Вт потужності передаються від 100 В- до 75 В-ланцюга по дротах. Таким чином, щоб здійснювати трансформацію всієї заданої потужності, для зазначеного трансформатора достатньо всього однієї четвертої від того значення потужності, яке повинен мати відповідний двохобмотувальні трансформатор.
Автотрансформатори зазвичай використовуються для регулювання вторинної напруги і трансформації з невеликими коефіцієнтами, такими, як 2 або 1/2. Вони використовуються також для пускачів двигунів, зрівняльних котушок і для багатьох інших цілей, що вимагають невеликих коефіцієнтів трансформації.
Вимірювальні трансформатори.
При високій напрузі важко проводити вимірювання, оскільки високовольтні прилади дороги і зазвичай громіздкі; їх точність піддається впливу статичної електрики, до того ж вони небезпечні. Коли струм перевищує 60 А, нелегко забезпечити високу точність амперметрів через великі проводів і значних помилок, обумовлених паразитних полем кінцевих висновків. Крім того, амперметри і котушки струму в високовольтних ланцюгах небезпечні для оператора. У вимірювальних трансформаторах струму і напруги використовуються котушки напруги на 100 В і котушки струму на 5 А. Вторинні обмотки повинні бути заземлені. Якщо шкали приладів не відкалібровані в коефіцієнтах трансформації, то показання треба множити на відповідний коефіцієнт трансформації.
