Чем отличается основной магнитный поток трансформатора от по токов рассеяния
Обновлено: 08.05.2024
Магнитный поток в трансформаторах
Сухие, тороидальные и масляные трансформаторы работают по принципу магнитной индукции, которая позволяет им преобразовывать ток одной величины в другую.
Принцип формирования магнитного потока
Магнитная индукция непосредственно связана с формированием магнитного потока на первичной обмотке трансформатора. Рассмотрим этот процесс подробнее.
После подключения первичной обмотки к источнику переменного тока, по ней начинает протекать электрический ток, который создает магнитное поле. Обмотка обычно представляет собой медную проволоку, с помощью которой обматывается магнитный сердечник. Образующиеся магнитные линии пронзают витки не только первичной, но и вторичной обмоток.
Часть из них замыкается в немагнитной среде, формируя рассеивающий поток на первичной обмотке. Рассеивающий поток пронизывает исключительно первичную обмотку, поэтому не используются для трансформации электроэнергии.
Когда вторичная обмотка подключается к приемнику питания, то по ней начинает протекать иной ток, формирующий собственное магнитное поле. Магнитный поток пронзает обе обмотки. Часть магнитных линий также замыкается в немагнитной среде, формируя рассеивающий поток вторичной обмотки, который сцеплен только с ее витками.
Потоки рассеяния
Потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток трансформатора ТМП и других разновидностей в сравнении с основным магнитным потоком значительно ниже, поскольку замыкаются через изоляцию и сталкиваются с высоким сопротивлением. Основной поток замыкается в стальном сердечнике и поэтому встречает на пути низкое сопротивление.
Величина рассеивающих потоков на обеих обмотках приблизительно равная. Оба потока сдвигаются по фазе на угол, равный 180°.
Почему при любой нагрузке трансформатора магнитный поток сердечника остается практически не изменым??
Ответьте пожалуйста конкретно на вопрос. Нужно для контрольной.
Лучший ответ
Да, это так! И вот почему:
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.
Остальные ответы
Это как? поправте, если ошибаюсь : магниыи поток зависит от проходяшего тока, а при повышении нагрузки растет ток -> растет поток.
постоянным остаётся не поток, а индукция (Тл) , поскольку при изменениии нагрузки в нормальных пределах напряжение на обмотках остаётся почти неизменным.
Читайте внимкательно лит-ру
Абсолютно верно. Магнитный поток не изменяется от нагрузки. Это кажется пародоксальным, но увы-это так. Если просто объяснять-всё ,что намагничивает первичная обмотка-размагничивает вторичная. Это видно и из формулы.
что за бред? Магнитная индукция в сердечнике зависит от тока, протекающего в его первичной обмотке
эй, гении, откуда же трансформатор может в режим насыщения сердечника войти? ОТ ТРЕХ ПРИЧИН- понижение рабочей частоты, недомотка первичной обмотки, перегрузка
если трансы не мотали никогда- нехер умничать
Принцип действия однофазного трансформатора. Сравнение величины основного магнитного потока и потоков рассеяния.
Основу любого трансформатора составляют магнитные и электрические цепи, т. е. сердечник (магнитопровод) и катушки. Неизбежными элементами его являются также конструктивные детали, служащие для крепления сердечника и установки трансформаторов в блоках аппаратуры,.и выводы катушек. В высоковольтных трансформаторах, в зависимости от способа выполнения изоляции, может появляться и дополнительный элемент—металлический бак (корпус). Особенности конструкций т. м. м. рассмотрим по их отдельным элементам.
Сердечники. Сердечники мощных трансформаторов набирают (шихтуют) из отдельных прямоугольных пластин трансформаторной стали.
Важным техническим показателем для сердечника является степень использования его полного сечения чисто активным магнитопроводящим материалом, т. е. коэффициент заполнения сердечника кс.
Наборные штампованные сердечники. Подобный сердечник шихтуется из пластин той или иной конфигурации, в зависимости от типа набираемого сердечника—броневого, стержневого, тороидального или трехфазного.
Виды штампованных пластин сердечников и их сборки: а, б— пластины с нормальным ярмом; в, г — пластины с уширенным ярмом; а — сборка вперекрышку; б — сборка в стык; в — разъем по ярму; г — разъем по стержню.
1 — Ш-образные пластины, 2 — замыкающие; 3 — отверстия под шпильки.
Конструкцию катушек определяют три основных фактора: способ укладки, размещения каждой обмотки трансформатора; взаиморасположение отдельных обмоток; способ выполнения изоляции. Определенную роль отри этом играет также и вид проводника обмоток.
Важным техническим показателем для катушки является степень использования ее активным материалом окна сердечника, т. е. коэффициент заполнения окна кок.
Проводники обмоток. В большинстве случаев в трансформаторах малой мощности применяют медные провода, поставляемые кабельной промышленностью с готовой витковой изоляцией провода. Провода, как правило, круглые. При больших сечениях могут применяться и провода прямоугольного сечения. В отдельных случаях, например для трансформаторов ультразвуковой частоты с большими токами или для накальных трансформаторов с особенно большими токами, приходится применять неизолированную медную ленту соответствующей толщины. Иногда применяется также тонкая медная фольга как для экранов между обмотками, так и для самих обмоток. Во всех этих случаях витковая изоляция (обычно волокнистые материалы) накладывается заблаговременно или в процессе намотки катушек. Марка провода или вид накладываемой изоляции выбирается в зависимости от условий работы трансформатора и предъявляемых к нему требований надежности Существуют два принципиально различных способа выполнения обмоток трансформаторов малой мощности Наиболее распространенный способ — это многослойная обмотка, непрерывно наматываемая до получения заданного числа витков и располагаемая вдоль всей длины стержня магнитопровода (или его части, отведенной для данной обмотки) Такие обмотки назовем цельными.
Разновидностью цельной обмотки является секционированная обмотка; обмотка при этом разбивается на ряд секций, каждая из которых занимает часть длины стержня, но все вместе они составляют единое конструктивное целое. Каждая секция выполняется обычным образом, между собой секции соединяются последовательно или параллельно.
Рис. 7. Виды обмоток т м. м по способу выполнения: а — цельная обычная обмотка; б — цельная секционированная обмотка; в — галетная обмотка.
1 — секция; 2 — галета.
Секционирование применяется обычно для высоковольтных обмоток. В этом случае секции друг от друга надежно изолируются.
По конструкции обмотки трансформатора – делятся на галетные, тороидальные и катушечные.
На принципиальных схемах сердечники с обмотками изображают следующим образом:
Принцип действия однофазного трансформатора. Сравнение величины основного магнитного потока и потоков рассеяния.
Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного или постоянного тока в одну или несколько других систем (напряжений) , без изменения частоты.
Трансформатор осуществляет преобразование напряжения переменного или постоянного тока и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения — электроэнергетике, электронике и радиотехнике.
Конструктивно трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток (катушек) , охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкого материала.
Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:
Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм)
Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)
На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток намагничивания создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. 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.
В некоторых трансформаторах, работающих на высоких или сверхвысоких частотах, магнитопровод может отсутствовать.
Сравнение величины основного магнитного потока и потоков рассеяния.
На схеме замещения участки магнитопровода и участки воздушных зазоров представляются сопротивлениями. Магнитодвижущая сила катушки – источником потока.
Произведение числа витков катушки на ток называется намагничивающей силой или магнитодвижущей силой (I – намагничивающий ток, w – число витков). Единицу измерения магнитодвижущей силы в системе СИ – Ампер.
Магнитный поток Ф, целиком замыкающийся по магнитной цепи называетсяосновным потоком. А магнитный поток, замыкающийся частично по участкам магнитной цепи, а частично – в окружающей среде называют потоком рассеяния. Под потоком рассеяния понимают сумму потоков, которые замыкаются, минуя рабочий зазор. Потоки, возникающие между любыми точками магнитопровода, между которыми существует разность магнитного потенциала, называются потоком рассеяния. Поток, проходящий через рабочий зазор, называется рабочим потоком. Поток, возникающий при больших зазорах у краев полюсов, называется потоком выпучивания.
Магнитный поток определяется, как произведение индукции B на поперечное сечениеS участка магнитной цепи:
ПОТОКИ РАССЕЯНИЯ ПРИ НАГРУЗКЕ ТРАНСФОРМАТОРА
Рис. 5.1. Магнитные потоки рассеяния при нагрузке трансформатора:
1 — общалось стержня и обмоток трансформатора; 2 — вторичная обмотка; 3 — магнитопровод; 4 — первичная обмотка; 5 - канал между обмотками.
Вследствие этого вокруг каждой из обмоток образуются потоки рассеяния, как это показано на рис. 5.1. Так как токи в первичной и вторичной обмотках согласно правилу Ленца направлены в противоположные стороны, то оба потока рассеяния, создаваемые намагничивающими силами обеих обмоток, складываются в общий поток рассеяния Фр, проходящий через промежуток между обмотками, называемый главным каналом рассеяния. Ввиду наличия потоков должно существовать некоторое реактивное падение напряжения, обозначаемое Up1 и Up2. На векторной диаграмме треугольника короткого замыкания векторы Up1 и Up2 падений напряжения повернуты на угол 90º в сторону опережения по отношению к векторам Ua1 и Ua2 активного падения напряжения, совпадающим с направлением векторов нагрузочных токов.
Для расчета реактивного падения напряжения, или иначе напряжения рассеяния, необходимо знать магнитное сопротивление потоку рассеяния данного трансформатора.
Так как расчет действительного потока рассеяния ввиду сложности его формы крайне затруднителен, то вместо него производится расчет более простого, фиктивного, потока рассеяния Фф, эквивалентного действительному. Направление магнитных линий фиктивного потока принято прямолинейным.
Форма фиктивного потока принята как наиболее простая цилиндрическая, с направлением магнитных линий, параллельным оси обмоток. Длина фиктивного потока согласно теоретическим исследованиям проф. Роговского при этом получается лишь на немного большей длины обмоток, так как основное магнитное сопротивление потоку рассеяния заключается в наиболее насыщенной его части, т. е. в главном канале. Вне обмоток поток рассеяния имеет относительно малую плотность и частично проходит по стальным частям трансформатора и поэтому встречает малое сопротивление.
Рис. 5.2. Фиктивный поток рассеяния, эквивалентный действительному, но имеющий более простую форму.
На рис. 5.2 изображен фиктивный поток рассеяния для концентрического расположения обмоток, когда последние имеют цилиндрическую форму и одинаковую длину.
Разность между длиной Но обмотки и длиной 1р фиктивного потока учитывается особым коэффициентом Кр Роговского,
а — радиальный размер главного канала, см;
а1 и а2— радиальные размеры обмоток, см;
Н0— осевой размер обмотки, см.
ВЫВОД РАСЧЕТНОЙ ФОРМУЛЫ НАПРЯЖЕНИЯ РАССЕЯНИЯ
Напряжение рассеяния определяется по основной формуле напряжения трансформатора
где Фр — общий поток рассеяния, проходящий вдоль обмоток и сцепленный с одним витком обмотки.
Индукция Вр в любой точке магнитного поля пропорциональна намагничивающей силе (ампер-виткам), охватывающей эту точку или, для трансформатора, цилиндрическую поверхность, проведенную через какую-либо магнитную линию потока рассеяния.
На рис. 5.3 изображены в разрезе обе обмотки и диаграмма распределения магнитной индукции, поясняющие вывод формулы напряжения рассеяния.
Как было сказано выше, первичная и вторичная намагничивающие силы равны между собой и направлены противоположно, т. е.
По краям зоны обмоток (точки О1 и О2) индукция равна нулю, так как нет ампер-витков, охватывающих силовые линии, находящиеся на крайних поверхностях обмоток. В толще катушек индукция будет увеличиваться по направлению от края катушки к главному каналу,
потому что поток создается теми ампер-витками, которые охватывают данную магнитную линию или с которыми сцеплена магнитная линия.
Наибольшая индукция потока рассеяния будет в главном канале и она будет одинаковой по всей ширине канала. Обычно предполагается, чтобы не усложнять хода рассуждений, что ампер-витки по сечению обмотки распределены с равномерной плотностью. Тогда распределение ампер-витков, а следовательно, и индукции Вр в радиальном направлении зоны обмоток может быть изображено диаграммой в виде трапеции, называемой трапецией Каппа, как это показано на рис. 5.2 и 5.3.
Рис. 5.3. Эскиз, поясняющий вывод формулы напряжения рассеяния
Для облегчения расчет производится раздельно по каждому из трех отдельных участков зоны обмоток с радиальными размерами а1, а и а2, для которых находится значение потокосцепления.
Dcp — средний диаметр главного канала рассеяния, см.
Любая магнитная линия участка а будет сцеплена со всеми витками либо первичной обмотки I, либо вторичной обмотки II.
Расчет потокосцепления на участке a1 производится путем интегрирования элементарных потокосцеплений на этом участке.
Выделим в обмотке I элементарную зону в виде силовой трубки (цилиндра) с толщиной стенки dx, на расстоянии х от точки O1, находящейся на крайней поверхности обмотки I, которая будет являться началом координат.
Магнитный поток этой трубки
где D1 — средний диаметр обмотки I, см.
Следовательно, общее потокосцепление на участке a1
Для удобства интегрирования полученный интеграл разбивается на два интеграла. В первый интеграл из членов, заключенных в скобки, войдут члены D1— a1, а во второй — 2х.
После вынесения постоянных величин за знак интеграла получим:
Отсюда потокосцепление на участке ах будет равно сумме полученных результатов, т. е.
Аналогичным образом определяется общее потокосцепление на участке а2 (приводится без вывода)
где D2— средний диаметр обмотки II, см.
Таким образом, общее потокосцепление всей зоны обмоток будет равно сумме потокосцеплений трех участков, т. е.
Раскрыв круглые скобки и заменив D1 и D2 соответственно через Dcp—а—а1 и Dcp+ a+ a2, будем иметь:
В тех же случаях, когда размеры a1 и a2значительно отличаются друг от друга, как, например, в высоковольтных трансформаторах, необходимо выражение в квадратных скобках вычислять точно, без указанного упрощения.
Для воздушной (т. е. немагнитной) среды справедлива следующая формула зависимости индукции от намагничивающей силы (ампер-витков) и длины магнитного пути:
После подстановки этого выражения формула потокосцепления примет вид
Это выражение следует подставить в формулу напряжения
рассеяния в % от номинального напряжения (умножив на 100), получим
При расчете трансформатора обычно бывает необходимо получить заданное значение напряжения рассеяния.
Рассмотрение полученной формулы показывает, что при необходимости изменения расчетного значения Uр наиболее целесообразно в первую очередь изменять размер а — ширину главного канала рассеяния. Если это почему-либо сделать нельзя (например, по изоляционным соображениям или если размер а надо слишком намного увеличивать), то следует либо изменять высоту обмотки Но, либо изменять число витков w, хотя это требует уже полного перерасчета трансформатора.
Зависимость основного магнитного потока от приложенного напряжения
От нагрузки - практически не зависит:
- Магнитный поток трансформатора при холостом ходе зависит от намагничивающей силы первичной обмотки и магнитного сопротивления сердечника, которое определяется его поперечным сечением и магнитной проницаемостью стали.
- Магнитный поток трансформатора под нагрузкой определяется величиной приложенного напряжения, частотой его изменения и числом витков первичной обмотки.
Изменение тока нагрузки влияет только в момент изменения нагрузки, а после перехода в установившийся режим магнитный поток трансформатора снова становится неизменным и примерно равным магнитному потоку трансформатора при холостом ходе.
Увеличение тока вторичной и первичной обмотки
Увеличение нагрузки во вторичной цепи означает, что растёт потребляемый ток при неизменном напряжении вторичной цепи. Сопротивление нагрузки уменьшаем, уменьшаем, уменьшаем.. . вплоть до К. З. Ток в нагрузке растёт, растёт, растёт и увеличивается одновременно ток самоиндукции в первичной цепи, что приводит к уменьшению индуктивного сопротивления первичной обмотки. Меньше сопротивление- больше ток при неизменном напряжении в первичной обмотки.
Практически это выглядит так: Трансформатор 220-12 вольт. По 12 вольтам я делаю К. З. , а вылетает предохранитель в цепи 220 вольт. Вот такое объяснение на пальцах.
4. формулы действующиx значений эдстр-ра. В каком случае эдс в первичной и вторичной равны.
5. Принцип работы в режиме холостого хода. Режимом холостого хода называется режим работы трансформатора при разомкнутой вторичной обмотке (рис. 2.5). При питании первичной обмотки от источника синусоидального напряжения U1 ток первичной обмотки i1x (МДС ) вызывает в магнитопроводе синусоидальный магнитный поток Ф, который, пронизывая обмотки с числами витков и , наводит в них согласно закону электромагнитной индукции ЭДС е1 и e2.
Действующие значения этих ЭДС т. е. ЭДС в обмотках пропорциональны числам витков.
Коэффициент трансформации. Коэффициентом трансформации называется отношение номинального высшего напряжения трансформатора к номинальному низшему напряжению:
(2.2) причем под номинальными напряжениями понимаются номинальные напряжения в режиме холостого хода. Так как в этом режиме (падение напряжения в обмотке мало, так как ток холостого хода I1x много меньше номинального), a E2=U2, то для понижающего трансформатора (U1>U2)
, а для повышающего ( ) , т. е. всегда и (2.3)
По формулам (2.1),(2.2),(2.3) можно рассчитать основные параметры трансформатора: коэффициент трансформации, действующие ЭДС, витки и магнитный поток.
Уравнение электрического состояния первичной обмотки. Будем рассматривать первичную обмотку трансформатора как приемник электрической энергии. При такой трактовке функции обмотки выберем положительное направление ЭДС против положительного направления тока i1Х, показанного на рис. 2.5. Изменение направления ЭДС на схеме равнозначно изменению фазы ЭДС на 180° или изменению знака в законе электромагнитной индукции, который в этом случае принимает вид: или для ЭДС самоиндукции , и ЭДС опережает по фазе магнитный поток на 90°.
Уравнение, записанное для контура первичной обмотки по второму закону Кирхгофа (рис. 2.5):
где — падение напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки; —падение напряжения на сопротивлении рассеяния первичной обмотки. То же уравнение в комплексной форме:
Векторная диаграмма трансформатора.
Векторная диаграмма работающего в режиме холостого хода трансформатора (рис. 2.6) построена на основании уравнения (1.4). С нулевой начальной фазой выбран магнитный поток, т.е. . Ток опережает по фазе магнитный поток на угол потерь .
Относительно вектора с опережением на угол 90° построены векторы ЭДС и ,так как в комплексной форме ЭДС и поток при выбранном направлении ЭДС связаны соотношением .
Вектор на основании уравнения (2.4) равен сумме векторов (последний совпадает по фазе с вектором ) и (опережает вектор тока на угол 90°).
Схема замещения трансформатора
Схема замещения трансформатора для режима холостого хода (а — последовательная, б — параллельная)
В эквивалентной схеме трансформатора, приведенной на рисунке :
r1 — активное сопротивление первичной обмотки
LS1 — индуктивность, характеризующая поток рассеяния первичной обмотки
r0 — сопротивление активных потерь в магнитопроводе
L0 — основная индуктивность первичной обмотки
Ia – ток активных потерь в сердечнике
| Активная составляющая тока холостого хода идет на покрытие потерь мощности . Реактивная составляющая тока холостого хода создает основной магнитный поток |
Режим короткого замыкания
Режимом короткого замыкания называют режим при замкнутой накоротко вторичной обмотке . Схема замещения трансформатора в этом режиме имеет вид, представленный на рис. 11. Для режима короткого замыкания справедливы следующие уравнения:
Векторная диаграмма (рис. 12) в этом режиме строится аналогично векторной диаграмме для режима холостого хода. Угол определяется параметрами вторичной обмотки:
.
Особенность этого режима состоит в том, что ЭДС значительно отличается от напряжения из-за больших токов короткого замыкания. Учитывая, что , током можно пренебречь. Тогда схема замещения может быть упрощена (рис. 13).
Из схемы замещения получаем
.
Если принять, что , то действующее значение ЭДС будет равно половине действующего значения напряжения :
.
Поэтому в режиме короткого замыкания магнитопровод трансформатора оказывается ненасыщенным.
Действующее значение тока короткого замыкания в соответствии с рис. 13
,
где - модуль комплексного сопротивления короткого замыкания трансформатора.
При ток короткого замыкания может превосходить номинальное значение в 10-50 раз. Поэтому в условиях эксплуатации режим короткого замыкания является аварийным. Однако этот режим часто проводится при пониженном напряжении для определения параметров трансформатора.
Напряжение , при котором ток короткого замыкания равен номинальному, называется напряжением короткого замыкания и обозначается
.
Отсюда следует, что напряжение короткого замыкания представляет собой падение напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора при номинальном токе и поэтому является важной характеристикой трансформатора.
Если совместить вещественную ось с вектором тока , то комплексное значение можно представить как , где , - активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания. Обычно модуль выражают в относительных единицах,
,
либо в процентах,
.
Величина оказывает существенное влияние на свойства трансформатора в рабочих и аварийных режимах. Поэтому является паспортной величиной наряду с номинальными данными.
Чем отличается основной магнитный поток трансформатора от по токов рассеяния
Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. Если токи имеют вид импульсов, то трансформатор называют импульсным.
Рис. 2.1. Трансформатор с магнитной системой
Схематически трансформатор показан на рис. 2.1. В технике обычно применяют трансформаторы, обмотки которых расположен на общей МС из трансформаторной стали. Цель, которую преследуют, применяя МС, состоит в уменьшении магнитного сопротивления пути, по которому замыкается основной магнитный поток трансформатора сцепляющийся с обеими его обмотками. Уменьшение этого сопротивления достигается вследствие высокой магнитной проницаемости трансформаторной стали и, в свою очередь, позволяет значительно уменьшить МДС, необходимую для установления заданного потока. Вместе с тем уменьшение магнитного сопротивления для основного потока трансформатора позволяет увеличить электромагнитную связь между обмотками и создать благоприятные условия для передачи энергии из первичной обмотки во вторичную. Для уменьшения потерь на вихревые токи МС трансформатора изготовляют из специальной трансформаторной стали и с повышением частоты уменьшают толщину листов. Сами листы каким-либо способом изолируют друг от друга.
Изучение трансформаторов с МС, обладающей переменной магнитной проницаемостью, затрудняется из-за невозможности пользоваться
принципом наложения и рассматривать потоки, сцепляющиеся с первичной и вторичной обмотками трансформатора, в виде сумм потоков самоиндукции и взаимной индукции. Поэтому при анализе работы трансформаторов с МС исходят непосредственно из результирующей картины магнитного поля. Пренебрегая деталями, эту картину можно представить в виде, показанном на рис. 2.1, где все магнитные линии, сцепляющиеся с ббмотками трансформатора, можно разделить на три магнитных потока
основной, или рабочий, поток трансформатора представляющий собой совокупность магнитных линий, замыкающихся по МС и сцепляющихся со всеми витками первичной и вторичной обмотки;
поток рассеяния первичной обмотки, представляющий собой совокупность магнитных линий, сцепляющихся только с первичной обмоткой и замыкающихся целиком или главным образом по воздуху;
поток рассеяния вторичной обмотки, определяемый аналогично потоку рассеяния первичной обмотки.
Магнитодвижущая сила, определяющая основной поток трансформатора, равна сумме МДС первичной и вторичной обмотки, т. е.
где — токи в обмотках.
При основной поток трансформатора равен нулю и остаются только потоки рассеяния. Так как линии потоков рассеяния замыкаются целиком или главным образом по воздуху, магнитная проницаемость которого постоянна, можно считать, что потокосцепления пропорциональны соответствующим токам, т. е.
где — постоянная индуктивность, учитывающая потокосцепление рассеяния и называемая поэтому индуктивностью рассеяния.
Тогда для потокосцепления первичной и вторичной обмотки получим
Обозначив напряжение на первичной и вторичной обмотке трансформатора их и а сопротивление его обмоток — получим следующие уравнения для первичной и вторичной цепи:
или, подставляя значения
Из первого уравнения следует, что напряжение, приложенное к первичной обмотке, уравновешивается падением напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки и ЭДС, индуцируемыми основным потоком и потоком рассеяния трансформатора. Из второго уравнения следует, что ЭДС, индуцируемая во вторичной обмотке основным потоком, уравновешивается падением напряжения на активном сопротивлении вторичной обмотки, падением напряжения на сопротивлении нагрузки и ЭДС, индуцируемой потоком рассеяния вторичной обмотки.
Когда отношение числа витков обмоток называемое коэффициентом трансформации, отличается от единицы, неудобно сравнивать величины, которыми характеризуются процессы, протекающие в первичной и вторичной цепи трансформатора, так как ЭДС первичной и вторичной обмотки
не равны друг другу.
Для удобства сравнения число витков в обмотках трансформатора приводят к общему числу витков. Операция приведения состоит в замене одной из обмоток трансформатора (безразлично — первичной или вторичной) эквивалентной обмоткой с числом витков, равным числу витков другой обмотки.
Рассмотрим. приведение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной. Все параметры приведенной обмотки и цепи, соединенной с нею, а также все величины, характеризующие процессы в Приведенной обмотке, будем отличать штрихом, и называть приведенными величинами. Естественно, что операция приведения должна быть выполнена так, чтобы режим работы первичной цепи не изменился. Для этого необходимо и достаточно, чтобы МДС вторичной обмотки после приведения не изменилась, т. е. должно быть соблюдено условие
так как при этом останется неизменным основной поток трансформатора посредством которого осуществляется связь и взаимодействие цепей трансформатора.
Индуцируемая потоком в приведенной вторичной обмотке ЭДС
и, следовательно, после приведения индуцируемые основным потоком в первичной и вторичной обмотке ЭДС будут равны между собой:
Важно отметить, что мощность во вторичной цепи в результате приведения не изменилась:
Для выяснения изменений, претерпеваемых параметрами вторичной обмотки при ее приведении, введем в уравнение для ЭДС вторичной обмотки трансформатора приведенные значения Тогда получим
откуда следует, что в результате приведения к числу витков первичной обмотки активное сопротивление вторичной и индуктивность, учитывающая ее поток рассеяния, уменьшаются в раз.
Аналогичным образом можно показать, что в результате приведения все сопротивления и индуктивности, подключенные к внешней части вторичной цепи, уменьшаются в раз, а все проводимости и емкости увеличиваются в раз.
Магнитодвижущую силу, определяющую основной поток после приведения можно записать в виде
где — намагничивающий ток трансформатора.
Если к первичной обмотке приложено постоянное напряжение, то основной поток трансформатора с МС при изменении нагрузки от значения холостого хода до номинального изменяется очень мало. Поэтому и МДС, определяющая основной поток, остается почти неизменной. При т. е. При холостом ходе трансформатора, намагничивающий ток равен току в первичной обмотке. На этом основании намагничивающий ток иногда называют током холостого хода и считают его неизменным при всех режимах нагрузки, для которых с достаточной точностью можно читать неизменным максимальное значение основного потока Это соображение относится к трансформаторам, в которых потоки рассеяния малы по сравнению с основным потоком, а следовательно, полностью применимо к ИТ.
Рис. 2.2. Схема замещения трансформатора с индуктивной связью между обмотками
Из уравнений трансформатора и условия неизменности основного потока трансформатора следует, что реальный трансформатор можно представить схемой замещения (рис. 2.2), состоящей из идеального трансформатора, в котором потери
мощности и потоки рассеяния равны нулю, двух линейных катушек индуктивности с сопротивлением и индуктивностью йодной нелинейной катушки с индуктивностью . В этой схеме сопротивлениями учитываются потери в обмотках, а индуктивностями — потоки рассеяния и потокосцепления между первичной и вторичной обмотками. Далее, производя операцию приведения, можно перейти к схеме замещения на рис. 2.3, элементы которой уже не имеют индуктивной связи между собой. На этой схеме основано изучение процессов в электрических цепях с трансформаторами.
Рис. 2.3. Схема замещения трансформатора без индуктивной связи между обмотками
Общую картину электромагнитных процессов в МС импульсного трансформатора определяют те же законы и явления, что и в МС любого другого трансформатора, а именно:
закон электромагнитной индукции, устанавливающий связь между напряжениями, приложенными к обмоткам трансформатора, и изменениями суммарного магнитного потока;
закон полного тока, устанавливающий связь между напряженностью магнитного поля в МС и намагничивающим током трансформатора;
явление гистерезиса, определяющее связь между изменениями индукции и напряженностью магнитного поля в МС;
явление вихревых токов, индуцируемых в листах МС изменяющимся во времени Магнитным потоком; явление насыщения стали МС.
Особенности ИТ определяются малой длительностью и относительно большой скважностью трансформированных импульсов. Малая длительность импульсов приводит к большой скорости протекания электромагнитных процессов в ИТ. Так например, если ИТ предназначен для работы с характерной длительностью импульса 1 мкс, то скорость протекания электромагнитных процессов в таком ИТ примерно на пять порядков выше, чем в силовом трансформаторе, работающем на промышленной частоте 50 Гц. Вследствие этого работа МС и обмоток ИТ характеризуется значительными вихревыми токами, поверхностным эффектом, эффектом близости, снижением эффективной магнитной проницаемости МС, дополнительными потерями энергии. Большая скважность импульсов приводит к асимметрии в протекании процессов намагничивания и размагничивания МС и, если не приняты специальные меры, к неполному использованию магнитных свойств МС.
Необходимостью трансформации весьма коротких импульсов с малыми искажениями фронта и вершины определяются и конструктивные
особенности ИТ: как правило, в обмотках ИТ число витков невелико единицы, десятки. В некоторых специальных конструкциях повышающих ИТ первичная обмотка имеет всего лишь один виток, а во вторичной обмотке число витков равно коэффициенту трансформации, т. е. всегда целое. Трансформаторы такой конструкции имеют минимальное возможное число витков в обмотках.
Следствие отмеченных конструктивных особенностей ИТ — малые значения сопротивления, индуктивности рассеяния и емкости обмоток. Более или менее характерно положение, когда суммарные потери мощности в обмотках составляют доли процента мощности нагрузки, а коэффициент рассеяния ИТ
По причине относительной малости сопротивления, индуктивности рассеяния и емкости обмоток при рассмотрении процессов в МС этими электромагнитными параметрами допустимо пренебречь и считать, что следствием чего является приближенное равенство индуктивности намагничивания индуктивности первичной обмотки
Чем отличается основной магнитный поток трансформатора от по токов рассеяния
Магнитный поток асинхронного двигателя состоит из двух основных потоков: потока создаваемого током статора, и потока создаваемого током ротора (рис. 5-11):
Оба потока частично замыкаются вокруг витков (через воздух), минуя сталь статора и ротора и создавая потоки рассеяния Последние наводят в этих обмотках ЭДС рассеяния и Рабочий поток Ф наводит в обмотках статора и ротора ЭДС соответственно и .
Запишем уравнение электрического равновесия для статорной цепи в векторной форме:
т. е. напряжение сети уравновешивается ЭДС самоиндукции и падением напряжения на сопротивлении обмотки.
Так как полное сопротивление обмотки
и уравнение электрического равновесия (5.11) можно переписать:
Поскольку падение напряжения на обмотке статора невелико, то можно считать, что Тогда магнитный поток Ф асинхронной машины, пропорциональный ЭДС самоиндукции можно считать практически постоянным и не зависящим от нагрузки
Этот поток Ф можно выразить через ток холостого хода двигателя
где — намагничивающая сила, — магнитное сопротивление цепи. Так как потоки имеют одинаковую скорость, то
т. е. ток статорной цепи равен геометрической сумме тока холостого хода и приведенного тока ротора, взятого с обратным знаком. Из-за большого магнитного сопротивления цепи с двумя воздушными зазорами ток холостого хода асинхронного двигателя значителен и является в основном реактивным током.
Скорость вращения магнитного поля статора (синхронная скорость) определяется, как известно, частотой тока сети и числом пар полюсов обмотки :
Для ротора, вращающегося относительно поля статора со скоростью имеем:
Отсюда следует, что частота тока в роторе отлична от частоты питающего тока и зависит от скольжения s. При пуске двигателя: Гц; на холостом ходу: при частота тока в роторе Гц. Сопротивление роторной
обмотки резко изменяется с изменением скорости вращения ротора:
Пропорциональной скольжению s оказывается и ЭДС в цепи ротора. Обозначив ЭДС в обмотке ротора в момент пуска можно записать:
Используя полученные выше соотношения, можно представить значение тока ротора:
т. е. ток в обмотке ротора зависит от скольжения.
Учитывая, что токи статора и ротора связаны между собой уравнением (5.16), можно сделать вывод: ток статора также зависит от скольжения и имеет максимальное значение в момент пуска. По этой причине у короткозамкнутых двигателей пусковой ток в 5—7 раз больше номинального, что затрудняет их включение в маломощные сети.
Реактивное сопротивление или импеданс трансформатора
Практически в каждом трансформаторе есть разнообразные магнитные потоки. Они не могут быть связанны с двумя катушками. Небольшая часть потока может быть связанна только с одной катушкой, но никак не с двумя. Эта часть магнитного потока называется потоком рассеивания. Именно из-за этого потока в трансформаторе может возникнуть реактивное сопротивление рассеяния.
Если рассеяние будет связанно с сопротивлением, тогда его можно будет назвать импедансом. Из-за него могут возникать определенные перепады, которые возникнут на обеих обмотках трансформатора. Если вам будет интересно, тогда вы можете прочесть про резервную релейную защиту.
Реактивное сопротивление трансформатора
На сегодняшний день первичная и вторичная обмотка трансформатора выполняются из меди. Медь считается достаточно хорошим проводником электрического тока. На практике практически нереально найти супер-проводник. Именно поэтому обмотки могут иметь определенное сопротивление. Это внутреннее сопротивление, которое будет возникать в первичной и вторичной обмотке можно называть сопротивлением трансформатора.
Импеданс трансформатора
Обе катушки, которые располагаются в трансформаторе называются реактивным сопротивлением рассеивания. Это сопротивление в совокупности можно назвать, как импеданс трансформатора. Теперь если R1 и R2, и X1 и X2 будут являться сопротивлением рассеяния в первичной и вторичной обмотке, тогда Z1 и Z2 можно считать импедансом трансформатора.
Импеданс трансформатор будет играть жизненно важную роль во время параллельной работы. При необходимости вы можете прочесть про сухие трансформаторы.
Магнитный поток рассеяния
В идеальном трансформаторе практически все магнитные потоки должны будут быть связанны не только с первичной, но и вторичной обмоткой. В действительности добиться этого результата будет просто нереально. Если максимальный поток будет связан с обеими обмотками, тогда вы все равно сможете встретить небольшое количество потока, который будет проходить не через одну, а через две обмотки.
Именно этот поток можно назвать потоком рассеяния, который будет проходить через часть межобмоточной изоляции. Перепады напряжения в обмотках можно считать импедансом трансформатора. Импеданс – это специальное сочетание сопротивления и реактивного сопротивления рассеяния трансформатора. Если вы желаете приложить напряжение в первичной обмотке, тогда может возникнуть компонент I1X1. Это будет происходить из-за сопротивления рассеяния. Если учесть падение напряжения, которое возникает из на падения напряжения в катушке, тогда уравнение напряжения будет выглядеть следующим образом:
Для вторичного реактивного сопротивления рассеяния можно использовать второе уравнение:
На рисунке выше вы сможете увидеть первичную и вторичную обмотку. Как видите, они не соприкасаются между собой. Такое расположение может привести к большому потоку рассеивания. Этот процесс может возникнуть из-за того, что между обмотками присутствует пространство. Если вы расположите первичную и вторичную обмотку концентрически, тогда эту проблему можно легко решить.
Если вы решите посмотреть видео, тогда вы сможете увидеть, что у трансформатора могут возникать определенные потери мощности. Надеемся, что эта статья помогла разобраться вам с реактивным сопротивлением трансформатора.
Читайте также: