Трансформатор. Режим холостого хода. Режим короткого замыкания. Рабочие свойства трансформатора в нагрузочном режиме. Асинхронный двигатель

Основным преобразовательным устройством является трансформатор. Трансформатором называется электротехническое устройство служащее для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Трансформаторы делятся по назначению на силовые, специальные,  измерительные и радиотехнические. К силовым относятся трансформаторы, передающие потребителю электрическую энергию, к специальным – сварочные и выпрямительные, к измерительным – трансформаторы тока и напряжения, служащие для подключения электроизмерительных приборов, к радиотехническим -  маломощные трансформаторы и трансформаторы, работающие на повышенной частоте. Кроме этого они делятся по роду тока на однофазные и трехфазные и по способу охлаждения – на масляные, сухие и с твердым наполнителем.

Конструкция трансформатора состоит из двух основных частей - магнитопровода и обмоток. Магнитопровод набирается из тонких листов электротехнической стали изолированных друг от друга. Часть магнитопровода, на котором располагается обмотка называется стержнем, а часть, замыкающая стержни – ярмом.  По своему устройству магнитопровод подразделяется на

П-образный и Ш-образный.

Обмотка трансформатора наматывается медным изолированным проводом с дополнительной изоляцией между слоями. Обмотка трансформатора с большим числом витков называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а с меньшим - низшего (НН). Таким образом, у повышающего трансформатора обмоткой низкого напряжения будет первичная, а высокого вторичная и, наоборот, у понижающего.

Рассмотрим принцип работы трансформатора на примере однофазного трансформатора схематически представляющего собой магнитопровод с двумя обмотками W1 и W2.

При подключении первичной обмотки к источнику синусоидального напряжения       по обмотке течет ток  i₁ = I_maxsin(wt+y_u) , создающий намагничивающую силу  i₁w₁ , под действием которой возникает магнитный поток  Ф = Ф_msin(wt+y_ф). По закону электромагнитной индукции во вторичной цепи индуцируется электродвижущаяся сила (эдс)

Подставим выражение для потока Ф и возьмем производную

Или Из формулы видно, что эдс отстает от магнитного потока на угол 90^о, а Е_2m = W₂*Ф_m*w. Действующее значение эдс равно Е₂=Е_2m/Ö2 =

= W₂*Ф_m*2p¦/Ö2,  где ¦- частота сети.

Е₂ = 4,44 W₂*Ф_m*¦

Такая же эдс возникает и в первичной обмотке, так как магнитный поток пронизывает витки и первичной обмотки. Поэтому отношение Е₁ / Е₂ будет определять коэффициент трансформации   –  К_тр.

При К_тр  > 1   Е₁ > Е₂ трансформатор понижающий, К_тр < 1   Е₁<Е₂ , трансформатор повышающий и при К_тр = 1   Е₁=Е₂  - разделительный.

В работе трансформатора можно выделить три режима: холостого хода, когда вторичная обмотка разомкнута, короткого замыкания, когда вторичная обмотка замкнута накоротко и рабочий режим под нагрузкой.

Рассмотрим режим холостого хода.

На электрической схеме трансформатор изображается следующим образом

U_2хх=Е₂, тогда ток в первичной обмотке определится как  I_1o = U₁/Z_1o, где Z_1щ = R_1o + jX_1o.

Ток I_1o составляет от 3-х до 10% от номинального (рабочего) тока трансформатора –I_1н, при этом I₂ = 0.

Ввиду малости первичного тока потери мощности в первичной катушке составляют не более одного процента от номинальной мощности трансформатора и их можно принять равными  нулю так же, как и во вторичной.

Р_1о®0,       Р₂ =0

Таким образом, в режиме холостого хода потери мощности наблюдаются только в магнитопроводе и связаны они с перемагничиванием и вихревыми токами, определяемыми магнитным материалом.

Р₁₀ = Р_ст = Р_в + Р_г.

Если первичное напряжение постоянно, то постоянны и потери в стали, которые пропорциональны значению магнитной индукции В в степени угла магнитного запаздываания -a. Значение угла составляет  (5¸10)- электрических градусов.

В этом случае         К_тр =  W₁/W₂    =   Е₁/Е₂   »   U₁₀/U_20.

          Векторная диаграмма может быть построена на основании уравнения для первичной обмотки

U₁ = - E₁ + I₁₀ (R₁ + jX₁)

Так как  I₁₀*R₁ и  I₁₀*X₁<< E₁  то  параметры холостого хода или параметры магнитной системы можно определить из следующих выражений 

Режим короткого замыкания для трансформатораявляется аварийным,  так как при U₂ = 0  и  Z_н = 0 ток в первичной обмотке будет в 15-20 раз больше тока номинального рабочего режима. Поэтому опыт короткого замыкания производят только с целью определения параметров первичной и вторичной обмоток.

Опыт производят при условии, что I_2k =I_2н, тогда