Тульский государственный педагогический университет им.Л.Н.Толстого Анисимов М.М. Физическая электроника |
||||||||
Предисловие глава 1 глава 2 глава 3 глава 4 глава 5 глава 6 Литература |
ГЛАВА 4. Трансформаторы.Трансформатор предназначен для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Трансформаторы делятся на повышающие (как правило, для передачи электроэнергии) и понижающие. Кроме того различают трансформаторы малой мощности (до 300 ВА) и большой мощности (более 300 ВА). 4.1 Принцип работы трансформатора![]() Трансформатор состоит из 2-х катушек, первичной и вторичной, расположенных на сердечнике, выполненном из тонких стальных пластин. В том случае, если первичное напряжение u1=U1msinwt в первичной катушке возникает ток I0. Пренебрегая активным сопротивлением катушки R0 (R0<<wL) и потерями на гистерезис и вихревые токи, получаем: ![]() Ток отстает по фазе от приложенного напряжения на угол 900 из-за наличия индуктивного сопротивления wL. Следует отметить, что наличие ферромагнитного сердечника обладающего нелинейными свойствами приводит к тому, что ток в трансформаторе оказывается несинусоидальным. Этот ток, при рассмотрении процессов, происходящих в трансформаторе, заменяют синусоидальным током, эквивалентным по действующему значению току несинусоидальному. Вследствие наличия тока возникает переменный магнитный поток Ф0 ,совпадающий по фазе с током I0. При появлении переменного магнитного потока Ф0=Ф0 sinwt в первичной и вторичной обмотках наводятся ЭДС e1 и e2: ![]() ![]() Переходя к действующим значениям с учетом того, что w=2pf получаем формулу трансформаторной ЭДС. Е1=4,44 fw1Фom; Е2=4,44 fw2Фom (4.1) В соответствие со вторым законом Кирхгофа u1= -e1=0 , u2 =e2, получаем Коэффициент трансформации k может быть определен в режиме холостого хода. 4.2 Холостой ход реального трансформатора (с потерями).В реальном трансформаторе существуют следующие потери: 1) в магнитопроводе (потери в "стали"), 2) в обмотках (потери в "меди"). ![]() Потери в "стали" определяются двумя видами потерь: 1. Гистерезисные потери (потери на перемагничивание стального сердечника выражающиеся в нагревании сердечника, (затрачиваемая энергия пропорциональна площади петли гистерезиса)). Для уменьшения потерь сердечники изготовляют из специальной трансформаторной стали с узкой петлей гистерезиса. 2. Токи Фуко вызываются в проводниках, находящихся в переменных магнитных полях и приводят к нагреву сердечника. Для их уменьшения сердечник собирают из тонких (0,5 мм) стальных пластин, покрытых изолирующим лаком, в состав которых введен кремний для повышения их электрического сопротивления. 3. Потери в "меди" определяются активным сопротивлением обмоток, которое тоже приводит к потерям на джоулево тепло Q=I2Rt. В режиме холостого хода потери в "меди" пренебрежимо малы, т.к. ток во вторичной обмотке отсутствует, а в первичной цепи очень мал (ток холостого хода.). 4.3 Построение векторной диаграммы для режима холостого хода трансформатораПод действием приложенного напряжения U 1 в первичной
цепи возникает ток и появляются две ЭДС, одна из которых
где
На основании векторного уравнения можно построить векторную диаграмму режима холостого хода трансформатора. 1. Откладываем вектор магнитного потока 2. Откладываем 3. Строим вектор реально протекающего тока ![]() 4. Откладываем вектор - 5. Откладываем вектор 6. Откладываем вектор падения напряжения 7. Откладываем вектор - 8. Строим вектор приложенного напряжения При этом следует отметить, что величины На практике холостой ход трансформатора используют для определения токов I0, Iс, Iм и для этой цели осуществляют опыт холостого хода. Его проводят при номинальном напряжении сети. В случае холостого хода вторичная обмотка разомкнута, ток нагрузки I2 равен нулю. В первичной обмотке ток I0 тоже очень мал, поэтому потерями в обмотках (потери в "меди"), в виде джоулево тепла, пренебрегают. Вся энергия, потребляемая трансформатором в режиме холостого хода, идет на потери в "стали" (Pс), что проявляется в виде нагрева сердечника. Pc =U1 Ic , где Ic - ток потерь в "стали", U1 - приложенное напряжение Амперметр в режиме холостого хода измеряет ток I0
(реально протекающий ток), ток Ic будет равен: где P - показание ваттметра включенного в первичную цепь, тогда : ![]() ![]() Важной характеристикой холостого хода является зависимость тока в первичной обмотке I1 от приложенного напряжения U1(рис. 4.5). Эта характеристика состоит из двух участков: при увеличении входного напряжения U1 ток холостого хода возрастает незначительно, а при достижении входного напряжения величины порядка 0,8Uном из-за насыщения сердечника ток резко возрастает. 4.4 Режим трансформатора под нагрузкой.При подключении нагрузки в цепи вторичной обмотки возникает ток, создающий
магнитный поток, который будет направлен против магнитного потока, создаваемого
первичной обмоткой, при этом результирующий магнитный поток (в магнитопроводе):
С ростом тока нагрузки возрастает ток вторичной обмотки, что приводит
к возрастанию тока первичной обмотки, что в свою очередь приводит к
возрастанию В этом случае ток вторичной обмотки трансформируется в первичную обмотку, где он оказывается в k раз (коэффициент трансформации) больше или меньше тока во вторичной обмотке I2 (приведенный ток вторичной обмотки I’2). 4.5 Построение векторной диаграммы трансформатора под нагрузкой.Построение этой диаграммы осуществляется без учета падений напряжений на активном сопротивлении вторичной обмотки и на индуктивном сопротивлении потока рассеяния вторичной обмотки, т.к. они невелики. 1. Откладываем вектор магнитного потока 2. Откладываем 3. Оцениваем величину и характер сопротивления нагрузки, включенного во вторичную обмотку. Сдвиг фаз между напряжением и током ( - в случае активной нагрузки - в случае реактивно-активной нагрузки сдвиг фаз определяется характером
реактивной составляющей нагрузки и для индуктивно-активной нагрузки
ток 4. Строим вектор тока ![]() 5. Откладываем вектор тока ![]() 6. Определяем ток В том случае, если ток холостого хода 4.6 Потери энергии и КПД.![]() Потери в "стали" определяются в опыте холостого хода (потери меди отсутствуют, т.к. они малы, потому что ток I1 очень мал, а I2 - равен 0). Потери в "меди" определяют в опыте короткого замыкания, при котором первичное напряжение таково, что токи в короткозамкнутой вторичной обмотке и в первичной обмотке будут равны номинальным. В этом случае входное напряжение оказывается очень малым (5%) Uном а, следовательно, результирующий магнитный поток тоже оказывается очень мал. Поэтому потерями в "стали" можно пренебречь. Активная мощность, потребляемая трансформатором, идет на выделение джоулева тепла в обмотках; Pc>мощность потерь в стали определяется ваттметром в режиме холостого хода; Pm - мощность потерь в "меди"; h к.п.д. трансформатора (рис.4.7). Потери в «стали» постоянны, т.к. постоянна величина магнитного потока в сердечнике, а потери в «меди» растут с ростом токовI1 и I2. |
раздел 4.1. раздел 4.2. раздел 4.3. раздел 4.4. раздел 4.5. раздел 4.6. |
||||||
ЦТТиДО
|