1. Таким образом, увеличение тока I₂, с одной стороны, приводит к уменьшению результирующего потокаФ, а с другой (из-за возрастанияI₁ и уменьшенияЕ₂) – к его увеличению. Эти процессы происходят одновременно, поэтому практически результирующий магнитный поток в сердечнике трансформатора не изменится и будет таким же, каким он был в режиме холостого хода, т. е.

Иначе говоря, с увеличением I₂ вплоть до номинального значения ток I₁ будет возрастать настолько, чтобы магнитный поток о сердечнике остался неизменным.

2. Электрические станции обычно располагаются вблизи естественных источников энергии и вырабатывают электрическую энергию напряжением 6 - 20 кВ. Для снижения потерь мощности в линиях электропередачи и уменьшения сечения проводов при передаче электроэнергии на дальние расстояния необходимо, чтобы электроэнергия передавалась при больших напряжениях (110, 150, 220, 330, 500, 750, 1150 кВ). (Потери пропорциональны квадрату тока.) Поэтому на электростанциях устанавливают мощные трансформаторы, повышающие напряжение. Распределение электроэнергии между городами и населенными пунктами и т.д. чаще всего осуществляется по воздушным и кабельным линиям при напряжениях 220, 110, 35, 20, 10 и 6 кВ. Следовательно, во всех узлах распределительных сетей необходимо устанавливать трансформаторы, понижающие напряжение. Большинство приемников (потребителей) электроэнергии переменного тока работают при напряжениях 220, 380 и 660 В, поэтому в местах потребления электроэнергии также необходимо устанавливать понижающие трансформаторы. Таким образом, при передаче электроэнергии от электростанций к потребителям она подвергается в трансформаторах многократному преобразованию.

3. Опыт холостого хода

Мощность P₀, потребляемая трансформатором в режиме холостого хода, идет в основном на компенсацию потерь в стали (потери на гистерезис и вихревые токи). В режиме холостого хода ток первичной обмотки мал (I₀ = 2 – 10 % I_н) и можно, не сделав ошибки, пренебречь потерями в меди и считать, что все измеренные потери являются магнитными потерями.

Потери в стали пропорциональны квадрату индукции и частоте в степени 1,3. В режиме холостого хода частота остается постоянной, индукция же в магнитопроводе изменяется пропорционально подводимому напряжению, поэтому потери в стали практически пропорциональны квадрату подводимого напряжения, следовательно, характеристика представляет собой параболу.

Опыт короткого замыкания

Потери в трансформаторе в опыте короткого замыкания состоят из электрических потерь в обмотках и магнитных потерь в стальном сердечнике. Поскольку при коротком замыкании потери в стали малы и ими можно пренебречь, мощность, потребляемая трансформатором в режиме короткого замыкания, с достаточной точностью может быть принята равной сумме электрических потерь обмоток:

.

4.   Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику переменного напряжения u₁, то в ней возникнет ток i₁, который возбуждает в ферромагнитном магнитопроводе переменный магнитный поток Ф₁. Магнитный поток, замыкающийся по магнитопроводу, пересекает первичную и вторичную обмотки и индуцирует в них э. д. с. e₁ и e₂ соответственно.

При подключении к зажимам вторичной обмотки нагрузки с сопротивлением Z_H под воздействием э. д. с. e₂ через нее будет протекать переменный ток I₂ и энергия из цепи первичной обмотки будет передаваться в цепь вторичной обмотки за счет переменного магнитного потока Ф₁. Вторичный ток i₂ образует в сердечнике трансформатора свой собственный магнитный поток Ф₂, который накладывается на поток первичной обмотки. В результате в магнитопроводе создается общий магнитный поток Ф, который сцепляется с витками обеих обмоток. Этот поток называют основным или рабочим потоком трансформатора.

Наряду с основным магнитным потоком в трансформаторе существуют переменные магнитные потоки рассеяния Ф_σ1 и Ф_σ2, создаваемые токами его обмоток и замыкающиеся вокруг витков первичной и вторичной обмоток в основном через воздух. Значения этих потоков прямо пропорциональны токам обмоток.

Переменные э. д. с. е₁ и е₂ пропорциональны количеству витков w₁ и w₂ первичной и вторичной обмоток, а также скорости изменения потока dФ/dt (закон Максвелла):

          (11.1)

          (11.2)

Из (11.1) и (11.2) можно получить выражение для коэффициента трансформации трансформатора:

          (11.3)

          (11.4)

Следовательно, коэффициент трансформации равен отношению напряжений на обмотках при холостом ходе трансформатора.

В процессе работы трансформатора в первичной обмотке электрическая энергия, потребляемая им из сети, преобразуется в энергию магнитного поля, а во вторичной обмотке, наоборот, энергия магнитного поля преобразуется в электрическую, отдаваемую затем (в основном) потребителю (нагрузке).

5.Согласно стандарту напряжением короткого замыкания двухобмоточного трансформатора называется напряжение, которое надо подвести к одной из обмоток при замкнутой накоротко второй обмотке, чтобы в них установились номинальные токи.

Обычно значение напряжения короткого замыкания U_к выражается в процентах от номинального напряжения той обмотки, со стороны которой проводились измерения в опыте:

.

НАПРЯЖЕНИЕ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

характеристическая величина трансформатора, представляющая собой напряжение, к-рое нужно приложить к первичной обмотке, при условии, что вторичная обмотка замкнута накоротко и в ней протекает номинальный ток. Напряжение к. з. составляет 5 - 12% от номинального напряжения трансформатора. Мощность при этом режиме расходуется на покрытие потерь в обмотках трансформатора.

6. 6. В режиме холостого хода суммарный магнитный поток не должен изменяться. Поэтому при введении воздушного зазора в магнитопровод , чтобы суммарный магнитный поток оставался неизменным, должен увеличиваться ток. Потери будут также увеличиваться.

Вопрос №7 Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику постоянного тока, то в его магнитопроводе образуется магнитный поток, постоянный во времени по величине и направлению. Поэтому в первичной и вторичной обмотках в установившемся режиме не индуцируются ЭДС, а, следовательно, не передаётся электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Такой режим опасен для трансформатора, так как из-за отсутствия ЭДСE1 в первичной обмотке токI1 =U1 /R1 весьма большой.

Вопрос №8

Вопрос №9

,где – активная мощность, поступающая из сети питания (от источника); -активная мощность потребителей; – суммарная мощность потерь в трансформаторе; — мощность потерь в стали; — мощность потерь в проводах обмоток.Мощность потерь в стали магнитопровода из-за гистерезиса и вихревых токов зависит от амплитуды магнитного потока , а так как , то мощность потерь в стали не изменяется, т. е. не зависит от нагрузки при постоянном значении напряжения питания . Эти потери составляют 1—2 % номинальной мощности. Мощность потерь в проводах обмоток зависит от нагрузки, так как

Вопрос №10Сердечник 50Гц трансформатора нужен для сокращения габаритов этого устройства.Можно ли выполнить 50гц трансформатор без сердечника? Теоретически - да. Но!Габариты его бы были во много-много раз больше трансформаторов с сердечником.И все это за счет такого свойства материала сердечника, которое именуется магнитной проницаемостью. Магнитной проницаемостью среды µ, называется физическая величина, показывающая, во сколько раз индук¬ция магнитного поля в среде больше или меньше индукции маг¬нитного поля в вакууме.µ вакуума принята на 1.По магнитным свойствам, все остальные вещества в природе условно делятся на две категории: диамагнетики и парамагнетики.Диамагнетики как бы выталкивают магнитные силовые линии из своего обьема, и их µ < 1.Парамагнетики, наоборот, как бы впитывают в себя (концентрируют) магнитные силовые линии в своем обьеме, и их µ > 1.Из самых ярких представителей класса диамагнетиков можно привести графит и висмут – µ висмута=0,9998.Большинство парамагнетиков также имеют слабое отличие от 1. Например µ алюминия=1,000023 Однако среди парамагнетиков можно выделить целый класс веществ, µ которых превышает 1 в десятки и сотни тысяч раз.Такие вещества называются ферромагнетиками. Именно из них и изготовлен сердечник обыкновенного трансформатора. Именно такой сердечник способен "сгустить" линии магнитного поля настолько, чтобы уместить скажем 1000ВА трансформатор на 50Гц в обьеме грубо 15 на 15 на 15см. Для аналогичного по мощности трансформатора на частоту 50Гц без сердечника потребовались бы кубометры.

Вопрос №11

Построение векторной диаграммы удобнее начинать с вектора основного потока Ф. Отложим его по оси абсцисс. Вектор I10 опережает его на уголa. Далее строим векторы ЭДС Е1 и Е2‘, которые отстают от потока Ф на 90°. Для определения угла сдвига фаз междуE2‘ иI2‘ следует знать характер нагрузки. Предположим, она активно-индуктивная. ТогдаI2‘ отстает отE2′ на уголf2.Получилась так называемая заготовка векторной диаграммы трансформатора (рисунок). Для того чтобы достроить ее, необходимо воспользоваться тремя основными уравнениями приведенного трансформатора.Векторная диаграмма трансформатораВоспользуемся вторым основным уравнением и произведем сложение векторов:Для этого к концу вектораE2‘ пристроим вектор —jI2‘x2‘, а к его концу — вектор —I2‘r2‘. Результирующим векторомU2‘ будет вектор, соединяющий начало координат с концом последнего вектора. Теперь используем третье основное уравнение: из которого видно, что вектор токаI1 состоит из геометрической суммы векторовI10 и —I2‘. Произведем это суммирование и достроим векторную диаграмму трансформатора. Теперь вернемся к первому основному уравнению:Чтобы построить вектор — Е1 , нужно взять вектор +Е1 и направить его в противоположную сторону. Теперь можно складывать с ним и другие векторы: +jI1x1 иI1r1. Первый будет идти перпендикулярно току, а второй — параллельно ему. В результате получим суммарный векторu1.При построении векторной диаграммы принимается такая условность: по часовой стрелке отставание вектора тока от вектора напряжения. При индуктивной нагрузке ток отстает от напряжения на уголj1, поэтому вектор напряженияU1 повернут против часовой стрелки по отношению к вектору токаI;при емкостной нагрузке напряжениеU1 отстает от токаI1 на уголj3,поэтому вектор напряженияU1 повернут по часовой стрелки по отношению к вектору токаI.При активной нагрузке вектор напряженияU1 повернут против часовой стрелки по отношению к векторутокаIна небольшой уголj2 из- за малой величины индуктивности нагрузки.

13. Объясните, почему величина Uk много меньше номинального напряжения.

При опыте короткого замыкания вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко, а к первичной обмотке подводят пониженное напряжение, повышая его от нуля до некоторого значения UK , при котором токи короткого замыкания равны номинальным токам. Напряжение короткого замыкания Uk обычно выражается в процентах от номинального напряжения первичной обмотки U1ни составляет 2..8 % от U1н.

Короткое замыкание проводится при номинальных токах и чтобы токи были равны номинальным напряжение должно быть маленьким.

14. Какие процессы будут иметь место в трансформаторе предназначенном для работы в сети с частотой 400 Гц, если его включить в сеть с таким же напряжением, но с частотой 50 Гц?

Ф увеличится в 8 раз. Т.к. Ф² <-> B² <-> U² => I увеличился в 8 раз. Произойдет перегрев.

15. Как влияет величина индукции в магнитопроводе и наличие воздушных зазоров в магнитопроводе на величину намагничивающего тока?

B увеличивается => Н увеличивается => I увеличивается.

µ воздуха = 0,38 ; µ металлов около 10.

µ уменьшается => Н увеличивается => I увеличивается.

16. Почему в 3-х стержневом трансформаторе с плоской магнитной системой токи в фазах при холостом ходе несимметричны? Приведите необходимые пояснения.

Магнитопровод является несимметричным: магнитное сопротивление потоку средней фазы Фв меньше магнитного сопротивления потокам крайних фаз ФА и Фс. (рис. 17, а).

Так как к первичным обмоткам трехфазного трансформатора подводится симметричная система напряжений UА, Uв и Uс, то в магнитопроводе трансформатора возникают магнитные потоки ФА, Фв и Фс, образующие также симметричную систему (рис. 17, б) Однако вследствие магнитной несимметрии магнитопровода намагничивающие токи отдельных фазовых обмоток не равны: намагничивающие токи обмоток крайних фаз больше тока обмотки средней фазы). Таким образом, при симметричной системе трехфазного напряжения, подведенного к трансформатору, токи холостого хода образуют несимметричную систему.

17. Что такое внешние характеристики трансформатора? Как они снимаются. От чего зависит наклон внешних характеристик?

Внешняя характеристика трансформатора представляет собой зависимость вторичного напряжения от вторичного тока при постоянном напряжении и постоянном коэффициенте мощности нагрузки (U1 = const и cosϕ2 = const).

Из-за наличия в обмотках трансформатора активных (r₁, r₂) и индуктивных (х₁, х₂) сопротивлений напряжение на зажимах трансформатора при изменении величины нагрузки изменяется. Изменение вторичного напряжения, вызываемое наличием нагрузки, характеризуется процентным изменением вторичного напряжения, под которым понимается. гдеU_2O – вторичное напряжение трансформатора при холостом ходе; U₂ – вторичное напряжение трансформатора при номинальной нагрузке.

Рис. 6.3. Внешняя характеристика трансформатора

Вторичное напряжение U₂ при нагрузке отличается от напряжения холостого хода на величину изменения напряжения, которое зависит от величины нагрузки.

Внешняя характеристика может быть построена как по расчетным данным активного и индуктивного падений напряжения (расчетная внешняя характеристика), так и по опытным данным (внешняя характеристика конкретного трансформатора). Построение внешней характеристики показано на рис. 6.3. По оси ординат откладывается вторичное напряжение U₂, а по оси абсцисс — величина нагрузки α (в % или долях от номинальной мощности). Начальная точка внешней характеристики начинается от ординаты, равной U_2НОМ, а другой ее конец, против абсциссы α = 1 (т. е. при номинальной нагрузке), будет опущен против начала на величину ΔU — изменения напряжения.

Так как изменение напряжения пропорционально нагрузочному току I₂ (см. § 6.1), то внешняя характеристика практически представляет прямую линию. На рис. 6.3 построены две внешние характеристики — для cos φ₂=1 и cos φ₂= 0,8.

Положения характеристик зависят от мощности и характера нагрузки трансформатора и при малой мощности они могут поменяться местами (при активной и активно-индуктивной нагрузках)

Наклон внешней характеристики трансформатора при одинаковом характере нагрузки зависит от расстояния между первичной и вторичной обмотками.