Общие понятия о трансформаторах

Министрство образования Российской Федирации

Чувашский государствееный университет

им.Ульянова. 
 
 
 
 
 
 

Реферат

На тему «Общие понятия о трансформторах». 
 
 
 

                                                                                             Выполнла студентка гр. 56-07

                                                                       Степанова Елена

                                                                            Проверил Григорьев 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2007 г.

План  работы

1. Введение
2. Базовые принципы действия трансформатора
3. Закон Фарадея
4. Уравнения идеального трансформатора
5. Применение трансформаторов
6. Применение в электросетях
7. Применение в источниках питания
8. Другие применения трансформатора
9. Теория трансформаторов
10. Уравнения линейного трансформатора.
11. Потери в трансформаторах
12. Режимы работы трансформатора
13. КПД трансформатора
14. Эксплуатация. Срок службы

 

  

 

Введение

Трансформа́тор (от лат. transformo — преобразовывать) —  статическое (не имеющее подвижных  частей) электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции системы переменного тока одного напряжения в систему переменного  тока другого напряжения при неизменной частоте и без существенных потерь мощности. 

Трансформатор состоит из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных  обмоток, охватываемых общим магнитным  потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного  магнито-мягкого материала. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Базовые принципы действия трансформатора

Работа  трансформатора основана на двух базовых принципах:Изменяющийся во времени электрический ток создаёт магнитное поле (электромагнетизм)

Изменение магнитного потока, проходящего через  обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция) 

Протекающий в первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный  поток в магнитопроводе, изменения  которого в свою очередь, проходя  через вторичную обмотку, создают  в ней переменную ЭДС.

  

Закон Фарадея

ЭДС, создаваемая  во вторичной обмотке, может быть вычислена по закону Фарадея, который гласит, что: 

Где

U2 —  мгновенное значение напряжения  на концах вторичной обмотки,

N2 —  число витков во вторичной  обмотке,

Φ —  суммарный магнитный поток, через  один виток обмотки. Если витки обмотки  расположены перпендикулярно линиям магнитного поля, то поток будет  пропорционален магнитному полю B и  площади S через которую он проходит.

ЭДС, создаваемая  в первичной обмотке, соответственно:

Где

U1 —  мгновенное значение напряжения  на концах первичной обмотки,

N1 —  число витков в первичной обмотке.

Поделив уравнение U2 на U1, получим отношение[11]: 

Уравнения идеального трансформатора 

Если  вторичную обмотку подключить к  нагрузке, то электрическая энергия  будет передаваться из первичной  цепи во вторичную. В идеале трансформатор  всю поступающую энергию из первичной  цепи трансформирует в магнитное  поле и, затем, в энергию вторичной  цепи. В этом случае поступающая  энергия, равна преобразованной  энергии.

P1 —  мгновенное значение поступающей  на трансформатор мощности, поступающей  из первичной цепи,

P2 —  мгновенное значение преобразованной  трансформатором мощности, поступающей  во вторичную цепь. 

Соединив  это уравнение с отношение  напряжений на концах обмоток, получим  уравнение идеального трансформатора:

Таким образом получаем, что при увеличении напряжения наконцах вторичной обмотки U2, уменьшается ток вторичной  цепи I2.

Для преобразования сопротивления одной цепи к сопротивлению  другой, нужно умножить величину на квадрат отношения.[12] Например, сопротивление Z2 подключено к концам вторичной  обмотки, его приведённое значение к первичной цепи будет . Данное правило  справедливо также и для вторичной  цепи: .

Работа  трансформатора основана на явлении  электромагнитной индукции. На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке  переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе, сдвинутый по фазе, при синусоидальном токе, на 90° по отношению к напряжению в первичной обмотке. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том  числе и в первичной, ЭДС индукции пропорциональную первой производной  магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку. Когда вторичные обмотки  ни к чему не подключены (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток через первичную обмотку невелик, и определяется в основном её индуктивным сопротивлением. Напряжение индукции на вторичных обмотках в режиме холостого хода определяется отношением числа витков соответствующей обмотки w2 к числу витков первичной обмотки w1:

U2=U1w2/w1

При подключении  вторичной обмотки к нагрузке, по ней начинает течь ток. Этот ток  также создаёт магнитный поток  в магнитопроводе, причём он направлен  противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате, в первичной обмотке нарушается компенсация ЭДС индукции и ЭДС  источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной  обмотке, до тех пор, пока магнитный  поток не достигнет практически  прежнего значения. В этом режиме отношение  токов первичной и вторичной  обмотки равно обратному отношению  числа витков обмоток

I1=I2w2/w1,

отношение напряжений в первом приближении также остаётся прежним. В результате, мощность, потребляемая от источника в цепи первичной обмотки практически полностью передаётся во вторичную.

Схематично, выше сказанное можно изобразить следующим образом:

U1 →  I1 → I1w1 → Ф → ε2 → I2

Мгновенный  магнитный поток в магнитопроводе трансформатора определяется интегралом по времени от мгновенного значения ЭДС в первичной обмотке, и  в случае синусоидального напряжения сдвинут по фазе на 90° по отношению  к ЭДС. Наведенная во вторичных обмотках ЭДС пропорциональна первой производной  от магнитного потока, и для любой  формы тока совпадает по фазе и  форме с ЭДС в первичной  обмотке. 

Применение  трансформаторов

Наиболее  часто трансформаторы применяются  в электросетях и в источниках питания различных приборов. 

Применение  в электросетях

Поскольку потери на нагревание провода пропорциональны  квадрату тока через провод, при  передаче электроэнергии на большое  расстояние выгодно использовать очень  большие напряжения и небольшие  токи. Из соображений безопасности и для уменьшения массы изоляции в быту желательно использовать не столь большие напряжения. Поэтому  для наиболее выгодной транспортировки  электроэнергии в электросети многократно  применяют трансформаторы: сначала  для повышения напряжения генераторов  на электростанциях перед транспортировкой электроэнергии, а затем для понижения  напряжения линии электропередач до приемлемого для потребителей уровня.

Поскольку в электрической сети три фазы, для преобразования напряжения применяют  трёхфазные трансформаторы, или группу из трёх однофазных трансформаторов, соединённых  в схему звезды или треугольника. У трёхфазного трансформатора сердечник  для всех трёх фаз общий.

Несмотря  на высокий КПД трансформатора (свыше 99 %), в очень мощных трансформаторах  электросетей выделяется большая мощность в виде тепла (например, для типичной мощности блока электростанции 1 ГВт  на трансформаторе может выделяться мощность до нескольких мегаватт). Поэтому  трансформаторы электросетей используют специальную систему охлаждения: трансформатор помещается в баке, заполненном трансформаторным маслом или специальной негорючей жидкостью. Масло циркулирует под действием  конвекции или принудительно  между баком и мощным радиатором. Иногда масло охлаждают водой. «Сухие»  трансформаторы используют при относительно малой мощности (до 4000 кВт).

Компактный  трансформатор

Для питания  разных узлов электроприборов требуются  самые разнообразные напряжения. Например, в телевизоре используются напряжения от 5 вольт, для питания  микросхем и транзисторов, до 20 киловольт, для питания анода кинескопа. Все эти напряжения получаются с  помощью трансформаторов (напряжение 5 вольт с помощью сетевого трансформатора, напряжение 20 кВ с помощью строчного  трансформатора). В компьютере также  необходимы напряжения 5 и 12 вольт для  питания разных блоков. Все эти  напряжения преобразуются из напряжения электрической сети с помощью  трансформатора со многими вторичными обмотками.

Здесь стоит отметить, что сетевой трансформатор  был одной из самых тяжёлых  деталей многих приборов. Дело в  том, что размеры трансформатора определяются передаваемой им мощностью, причём оказывается, что размер трансформатора примерно пропорционален мощности в  степени 1/4 (см. обсуждение в следующих  разделах). Однако, также оказывается, что размер трансформатора можно  уменьшить, если увеличить частоту  переменного напряжения (желательно также придание ему импульсной формы). Поэтому в современных блоках питания переменное напряжение сети сперва выпрямляют, а затем преобразуют  в высокочастотные импульсы, которые  подаются на импульсный трансформатор, который преобразует их во все  нужные напряжения. Такая конструкция  заметно уменьшает массу блока  питания. 

Другие  применения трансформатора

Разделительные  трансформаторы (трансформаторная гальваническая развязка). Нейтральный провод электросети  может иметь контакт с «землёй», поэтому при одновременном касании  человеком фазового провода (а также  корпуса прибора с плохой изоляцией) и заземлённого предмета тело человека замыкает электрическую цепь, что  создаёт угрозу поражения электрическим  током. Если же прибор включён в сеть через трансформатор, касание прибора  одной рукой вполне безопасно, поскольку  вторичная цепь трансформатора никакого контакта с землёй не имеет.

Импульсные  трансформаторы (ИТ). Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса (максимально  крутой фронт и срез, относительно постоянная амплитуда). Он служит для  трансформации кратковременных  видеоимпульсов напряжения, обычно периодически повторяющихся с высокой скважностью. В большинстве случаев основное требование, предъявляемое к ИТ заключается  в неискажённой передаче формы трансформируемых импульсов напряжения; при воздействии  на вход ИТ напряжения той или иной формы на выходе желательно получить импульс напряжения той же самой  формы, но, быть может, иной амплитуды  или другой полярности.

Измерительные трансформаторы. Применяют для измерения  очень больших или очень маленьких  переменных напряжений и токов в  цепях РЗиА.

Измерительно-силовые  трансформаторы. Имеют широкое применение в схемах генераторов переменного  тока малой и средней мощности (до мегаватта), например, в дизель-генераторах. Такой трансформатор представляет собой измерительный трансформатор тока с первичной обмоткой, включённой последовательно с нагрузкой генератора. Со вторичной обмотки снимается переменное напряжение, которое после выпрямителя подаётся на обмотку подмагничивания ротора. (Если генератор — трёхфазный, обязательно применяется и трёхфазный трансформатор). Таким образом, достигается стабилизация выходного напряжения генератора — чем больше нагрузка, тем сильнее ток подмагничивания, и наоборот.