Трансформаторы тока и напряженияНередко требуется от одного и того же источника переменного тока питать приборы, рассчитанные на разные напряжения. На­пример, при включении телевизора в сеть с напряжением 220 В на нитях накала ламп должно быть создано напряжение 6,3 В; между анодом и катодом — напряжение от 200 до 500 В, для работы электронно-лучевой трубки нужно напряжение 15000 В, а транзисторов — напряжение порядка 1 - 2 В. Повышение и понижение напряжения переменного тока осуществля­ется трансформаторами.

Устройство трансформатора.

Трансформатор был изобретен в 1878 г. П. Н. Яблочковым. Самый простой трансформатор пере­менного тока состоит из двух катушек, надетых на ферромаг­нитный сердечник. Сердечник трансформатора собран из листов специальной трансформаторной стали с малой коэрци­тивной силой. На сердечник надевается первичная обмотка с числом витков w1 и вторичная обмотка с числом витков w2 (или несколько вторичных обмоток).

Холостой ход.

Холостым ходом называется режим работы трансформатора с разомкнутой вторичной обмоткой, В этом случае в первичной обмотке трансформатора течет очень малый ток холостого хода; трансформатор потребляет небольшую мощность холостого хода Рх.х, которая практически совпадает с мощностью, расходуемой на перемагничивание сердечника (это потеря па гистерезис, называемые потерями в стали Pст): Рх.х Pст.

Оценим напряжения на зажимах первичной и вторичной обмоток. При подключении выводов первичной катушки к источнику переменного напряжения в ней возникает переменный ток. Если напряжение изменяется со временем по гармоническому закону с частотой w, то по гармоническому закону с этой же частотой происходят изменения силы тока i1 в катушке и магнит­ного потока Ф1, создаваемого этим током.

Вторичную катушку пронизывает тот же магнитный поток, ко­торый проходит через первичную катушку: Ф2 = Ф1. При изме­нениях магнитного потока в каждом ее витке возникает ЭДС индукции, изменяющаяся по гармоническому закону.

Активное сопротивление первичной обмотки мало по срав­нению с ее индуктивным сопротивлением, поэтому приложенное напряжение u1 в любой момент времени почти точно равно ЭДС самоиндукции, взятой с противоположным знаком.


Режим нагрузки.

При подключении нагрузки к концам вто­ричной обмотки во вторичной цепи возникает переменный ток. Колебания силы тока во вторичной цепи возбуждают в сердеч­нике переменный магнитный поток с амплитудой колебаний Ф2m. Магнитный поток, создаваемый током во вторичной катушке, уменьшает амплитуду колебаний полного магнитного потока в сердечнике, что приводит к уменьшению ЭДС самоиндукции в первичной катушке. Из-за этого в ней возрастает амплитуда колебаний силы тока до тех пор, пока не будет достигнуто равен­ство амплитуд приложенного напряжения и ЭДС самоиндукции.

Амплитуда колебаний силы тока в первичной катушке при нагрузке увеличивается. Действующее значение силы тока в пер­вичной обмотке нагруженного трансформатора больше силы тика холостого хода: I1> Iх.х.

По закону сохранения энергии имеем:

P2 = P1 - Pм - Pст. 

Здесь P2 = I2U2cos ? 2 — мощность, потребляемая во вторичной цепи: Р1 = I1U1cos ? — мощность, потребляемая из сети первичной обмоткой; Pм = I12r1 + I22r2 - «потеря в меди», т. е. мощность потерь, связанная с нагреванием обмоток, активное сопротивление которых равно r1 и r2; наконец. Рст — «потери в стали», т. е. Потери на перемагничивание сердечника. КПД трансформатора

При нагрузках, близких к номинальной, КПД трансформаторов весьма высок (порядок 90 - 95%); сдвиги фаз близки к нулю. Напряжения на зажимах мало отличаются от ЭДС, так как активные сопротивления обмоток сравнительно невелики. При этих условиях равенство (4), справедливое для ЭДС, окажется примерно справедливым для напряжений на зажимах обмотки.

Трансформаторы для преобразования переменных токов боль­ших мощностей обладают высоким КПД, (98 - 99,5%). Снижение КПД трансформатора обусловлено потерями энергии на нагрева­ние проводов его обмоток и стального сердечника. Сердечник нагревается в результате его перемагничивания и токами Фуко. Для уменьшения токов Фуко сердечник трансформатора обычно изготавливают из тонких стальных листов, изолированных друг от друга. Это приводит к значительному увеличению сопротив­ления сердечника и уменьшению потерь на его нагревание.

При нагрузке трансформатора во вторичной обмотке протекает переменный ток, действующее значение которого I2. Этот ток уменьшает магнитный поток в сердечнике и тем самым ЭДС само­индукции (иными словами — индуктивное сопротивление) в пер­вичной обмотке. В результате сила тока в первичной обмотке возрастает до значения I1>>Iх.х. При этом восстанавливается баланс магнитных потоков.


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+