Электромагнитные устройства и электрические машины. Электрические трансформаторы. Информационные электрические машины. Информационные микромашины и синхронные микродвигатели

Раздел второй. Электромагнитные устройства  и электрические машины

   Лекция 1.   Электрические  трансформаторы

§1 Основные сведения о трансформаторах

П1  Принципиальное устройство трансформатора

Трансформатор - это  статический электромагнитный  преобразователь электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения.

Простейший трансформатор представляет собой совокупность двух изолированных  магнитно связанных обмоток. Как правило, магнитная   связь обмоток обеспечивается за счет расположения обмоток на общем ферромагнитном магнитопроводе.  (1) Рисунок 1. Одна из обмоток, включенная в цепь источника электрической энергии, носит название первичной обмотки. Вторая, от  которой энергия отводится к присоединенному приемнику, называется вторичной обмоткой.

Рис.1 Принципиальная схема работы трансформатора

Соответственно первичными или вторичными называются параметры режима, характеризующие работу этих обмоток. (2) Трансформатор с одной парой обмоток называется однофазным трансформатором. В трехфазных цепях широко применяются трехфазные трансформаторы, и первичная,  и вторичная обмотки которых состоят из трех одинаковых частей - фаз.

П2 Принцип действия трансформатора

Принцип действия трансформатора рассмотрим на примере простейшего трансформатора с числом витков первичной обмотки w₁ и вторичной w₂.

Для простоты картины  магнитное сопротивление магнитопровода  ,будем считать постоянным, а магнитное рассеяние ,и резистивное сопротивление  обмоток нулевыми. Трансформатор с такими свойствами   называется идеальным трансформатором.

Для него  собственные и взаимная индуктивности обмоток будут выражаться формулами :  при максимально возможном, равном единице, коэффициенте магнитной связи (3)

Будем считать что к первичной обмотке электрическая энергия поводится от источника  синусоидального напряжения с неизменным действующим значением U₁, а к вторичной обмотке присоединен линейный резистор с сопротивлением .  (Рисунок 1)  

Обозначив индуктивные сопротивления цепи    , и применив радиотехническую разметку выводов ,запишем уравнения по второму закону Кирхгофа для контуров первичной и вторичной обмоток.

Отсюда имеем                         (1) 

Анализируя формулу (1) можно убедиться, что ток первичной обмотки трансформатора зависит не только от параметров обмоток, но и от сопротивления нагрузки. Только в том случае , когда ко  вторичной  обмотке не подключен приемник и тока нет, эквивалентное сопротивление трансформатора равно сопротивлению х₁ первичной обмотки.( 4)  Так как ,  обычно, при работе трансформатора  под нагрузкой  r<<x₁ , то уменьшение  эквивалентного реактивного сопротивления трансформатора, по сравнению с реактивным сопротивлением его первичной обмотки, вызывает по мере уменьшения сопротивления нагрузки, возрастание первичного тока. В первичном токе появляется резистивная составляющая, увеличивающаяся по мере приближения  к х_1.  Ток I₁  протекая по первичной обмотке, создает намагничивающую силу F₁=w₁I₁ и соответствующую составляющую  магнитного потока в магнитопроводе трансформатора . Другая составляющая     результирующего магнитного потока    создается намагничивающей силой вторичной обмотки 

ЭДС, индуктируемые в обмотках  трансформатора переменным магнитным потоком , определяются совместным действием токов первичной и вторичной обмоток.

В идеальном трансформаторе напряжение первичной обмотки  U₁

полностью уравновешивает  ЭДС Е₁  от результирующего магнитного потока  Ф . Если  напряжение первичной обмотки неизменно , то  должна быть неизменной величина результирующего  магнитного потока. Следовательно, при изменении нагрузки трансформатора потоки  должны изменяться так, чтобы их результирующее действие (поток ) оставался неизменным. (5)

Если вторичная обмотка трансформатора разомкнута , то переменный   магнитный поток вызывается  магнитодвижущей силой F₀=I₀w₁,обусловленной током  холостого хода I_{0 .} В обмотках трансформатора  переменным магнитным потоком  индуцируются электродвижущие силы   и , пропорциональные числу витков . Первая из них уравновешивает напряжение источника U₁= -E₁ , а вторая вызывает напряжение U₂ =E₂ на зажимах вторичной обмотки. Отсюда следует, что и  напряжения на обмотках идеального  трансформатора пропорциональны числу витков обмоток.

  (6)   В тех случаях, когда напряжение вторичной обмотки больше напряжения первичной, трансформатор называют повышающим. В противоположном случае - понижающим. Отношение напряжения на обмотке высшего напряжения к напряжению на обмотке низшего называют  коэффициентом трансформации.

В предположении линейности магнитных характеристик магнитопровода, с учетом равенств следует, что    результирующая магнитодвижущая сила первичной и вторичной обмоток равна току холостого хода умноженному на число витков первичной обмотки. Это равенство носит название уравнения магнитодвижущих сил.

I₁w₁ +I₂w₂=I₀ w₁        

В номинальном режиме работы  трансформатора I₁>>I₀ отсюда   (7)