Электротехника и электроника (стр. 12 из 19)
На шкале ваттметра указываются верхние пределы измерений тока и напряжения. Если, например на шкале ваттметра обозначено I 5 А и U100 В, это значит, что верхний предел измерения ваттметра P 500 Вт, то есть им можно измерять мощности до 500 Вт.Очевидно, что цена деления ваттметра равна
с,
nгде n – число делений шкалы.
7 Электрические трансформаторы
7.1 Общие сведения
Электрический трансформатор – электромагнитное устройство, преобразующее напряжение и ток одного уровня в напряжение и ток другого уровня при неизменной частоте и малой потере мощности.
Генераторы электрических станций вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6, 10, 15 кВ, так как на более высокие напряжения конструировать электрогенераторы сложно в связи с трудностью обеспечить хорошую изоляцию обмоток.
В то же время в линиях электропередачи применяют напряжения до 110, 220, 400, 500 кВ и более, чтобы уменьшить силу тока в линии, а значит и сечение проводов, что позволяет резко снизить мощность потерь и стоимость линий электропередач
Таким образом, необходимы повышающие трансформаторы, увеличивающие напряжение генераторов электрических станций до напряжения линий электропередач.
В местах же потребления электрической энергии, на производстве, в быту и так далее необходимы понижающие трансформаторы, чтобы иметь напряжения 380, 220, 127 В и менее.
Электрические трансформаторы имеют высокий коэффициент полезного действия, доходящий до 99 % и высокую надежность, так как не содержат движущихся частей.
Электрические трансформаторы – необходимые элементы и в устройствах малой мощности (радиоэлектронных устройствах, компьютерах и других).
Изобрел электрический трансформатор в 1876 году П.Н. Яблочков, который в своих работах по электрическому освещению встретился с необходимостью обеспечить автономную работу нескольких светильников с разным напряжением от одного генератора.
В 1891 году М.О. Доливо-Добровольским была разработана конструкция первого трехфазного электрического трансформатора, после чего применение электротрансформатора стало резко возрастать.
Простейший однофазный электрический трансформатор (рис 7.1) состоит из двух обмоток, размещенных на ферромагнитном магнитопроводе, который набран из изолированных друг от друга листов электротехнической стали толщиной 0.3...0.5 мм, с целью уменьшения потерь на вихревые токи (потерь в стали) Pс .
Обмотка, подключаемая к источнику электрической энергии (генератору) или к линии электропередач (электрической сети) называется первичной (входной). Обмотка, к которой подключается приемник электрической энергии – вторичной (выходной).
Рисунок 7.1 – Схема электрической цепи с трансформатором На щитке электрического трансформатора указываются:
- высшее и низшее номинальные напряжения;
-
номинальная полная мощность S U1 I1, ВА или кВА;- частота f (Гц);
- токи в первичной и вторичной ( I1н, I2н) обмотках при номинальной мощности;
- коэффициент трансформации К ;
- число фаз,;
- схема соединений обмоток (звездой или треугольником) в случае трехфазного электрического трансформатора; - режим работы (длительный или кратковременный); - способ охлаждения (масляный, воздушный).
7.2 Принцип действия электрического трансформатора
Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции (рис.7.1).
При подаче от источника электрической энергии напряжения u1 на первичную обмотку электрического трансформатора в ней возникает ток i1, возбуждающий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1, который, пронизывая витки w1 первичной обмотки, создает в ней напряжение uL1в результате явления самоиндукции.
Согласно закону электромагнитной индукции это напряжение определяется по формуле
uL1 w1 Ф1' , (7
.
1
)
где Ф1'dФ1 / dt - производная магнитного потока по времени. Если Ф1 Фm1 sin t , тоФ1' w Фm1 cos t w Фm1 sin( t 90 ).
Следовательно
uL1 UmL1 sin( t 90 ), (7
.
2
)
где UmL1 w Фm1 w2 fФm - амплитуда напряжения самоиндукции в первичной обмотке электрического трансформатора.Действующее значение напряжения uL1 равно
(
UL1 w Фm. 7.
3
)
Во вторичной обмотке в результате явления взаимной индукции магнитный поток Ф1 создает напряжение uM 2, действующее значение, которого равно
UМ2 4.44 f w2 Фm. (7
.
4
)
Если к концам вторичной обмотки присоединен приемник электрической энергии z2 (рис. 7.1), то под действием напряжения uM 2 во вторичной обмотке потечет ток i2 , который в свою очередь возбуждает магнитное поток Ф2, направленный согласно закону Ленца противоположно магнитному потоку Ф1.
В результате результирующий магнитный поток в
магнитопроводе
Ф0 Ф1 Ф2 (7
.
5
)
уменьшится, что приведет к уменьшению напряжения uL1.
Однако напряжение uL1 не может быть меньше определенного значения, определяемого в соответствии со II законом Кирхгофа
u1
ur1, (7
.
6
)
где uLS ,ur1 - напряжения в первичной обмотке, возникающие в результате наличия резистивного сопротивления и магнитного потока рассеяния в этой обмотке.
Таким образом, ток в первичной обмотке возрастает до такого значения, при котором результирующий магнитный поток Ф0 индуцирует необходимое значение uL1, соответствующее уравнению (7.6) и заданной нагрузке z2.
В установившемся режиме работы электрического трансформатора имеет место соотношение
i1w1 i2w2 i1xw1 (7
.
7
)
где i1w1 - намагничивающая сила первичной обмотки;
i2w2 - намагничивающая сила вторичной обмотки; i1x - ток холостого хода.
Ток i1x также называют намагничивающим, так как он определяет значение результирующего магнитного потока Ф0.
В связи с вышеизложенным следует, что результирующий (суммарный) магнитный поток в магнитопроводе электрического трансформатора в режиме нагрузки равен магнитному потоку первичной обмотки трансформатора в режиме холостого хода.
7.3 Работа электрического трансформатора в режиме холостого хода
Режим холостого хода – такой режим работы электрического трансформатора, при котором его вторичная цепь разомкнута, и ток в ней равен нулю (i20).Под действием приложенного напряжения u1 по первичной обмотке протекает токi1x , возбуждающий в магнитопроводе магнитное поле Ф0.
Большая часть магнитного потока замыкается в магнитопроводе. Однако небольшая часть этого потока замыкается вокруг витков только первичной обмотки, образуя поток рассеяния ФS , и не индуктирует напряжение взаимоиндукции uM 2 во вторичной обмотке. В первичной обмотке Ф0 индуктирует напряжение
uS1 2 fLS1I1x LS1 I1x, (7.
8
)
где LS1 - индуктивность рассеяния первичной обмотки электрического трансформатора;
xLS1 - индуктивное сопротивление рассеяния этой обмотки.
Кроме того, первичная обмотка обладает резистивным сопротивлением r1. На рисунке 7.2 представлена схема замещения электрического трансформатора с учетом резистивных сопротивлений r1 и r2 первичной и вторичной обмоток и их индуктивностей рассеяния LS1 и LS2 .