Почему ненагруженный трансформатор потребляет очень мало энергии

где А — некое эмпирическое число, его значение может быть от 40 до 60 (чаще всего при расчетах используется значение 50). Это число зависит от марки трансформаторной стали (Э41-Э43 — изотропная горячекатаная, Э310-Э330 — текстурованная холоднокатаная, Э340-Э360 -текстурованная холоднокатаная с уменьшенной проницаемостью и т.д.), формы сердечника (Ш, ШЛ, П, ПЛ, Ои т.д.), технологии производства и качества сборки сердечника. Справедливость этого утверждения можно легко продемонстрировать, если разобрать сердечник, собранный, к примеру, из Ш-образных пластин, а затем при сборке некоторую часть пластин «забыть». Ток «холостого хода» такого трансформатора при неизменном напряжении, поданном на первичную обмотку, заметно увеличится.

Для вторичной электродвижущей силы, т.е. электродвижущей силы, возбуждаемой во вторичной обмотке, состоящей из z2витков и пересекаемой тем же магнитным потоком Фд4, можно считать:

А т.к. E₂=V₂, и при этом формулы (1) и (За) отличаются только лишь количеством витков Z₁иZ₂ то принято считать, что коэффициент трансформации равен соотношению витков первичной и
вторичной обмоток: U = Z₁/ Z₂
Величина максимального ма’нитного потока при «холостом ходе» трансформатора равна: Фм = ( Е * 10 8 ) /( 4,44 * f * Z₁) [4]

где первичная электродвижущая сила Е, как видно, почти равна напряжению у зажиме в V. Если трансформатор нагрузить, т.е. к его вторичной обмотке подключить какое-нибудь сопротивление, то сила тока в первичной обмотке увеличится, также увеличится потеря напряжения в ней, отчего при постоянстве первичною напряжения у зажимов должна уменьшиться первичная электродвижущая сила Б и, как следствие, величина магнитного потока Фм.

Так как при нагрузке трансформатора вторичный ток производит упомянутое размагничивающее действие, то можно допустить, что при подключенной нагрузке в первичную цепь поступает ток такой силы, при котором приблизительно восстанавливается магнитный поток [1 ].

Когда трансформатор работает с нагрузкой, то полная мощность, потребляемая первичной обмоткой Р₁, расходуется на полезную мощность, отдаваемую во вторичную цепь Р₂, и на потери в самом трансформаторе, состоящие из потерь в сердечнике (железе) магнитопровода и в меди обмоток. Отсюда КПД: N=P₂/ P₁ [5]

Выше было отмечено, что максимальный магнитный пэток, пронизывающий обмотки трансформатора, почти не изменяется при изменении нагрузки, следовательно, потери в сердечнике трансформатора можно считать постоянными и одинаковыми как для «холостого хода», так и для работы трансформатора с нагрузкой. Неизменность магнитного потока в стали сердечника Фст имеет место при постоянстве магнитодвижущей силы (МДС) Fm и напряженности магнитного поля Hст.

Потери в меди обмоток

Что касается потерь в меди обеих обмоток, то они, очевидно, находятся в сильной зависимости от нагрузки. При этом сопротивление первичной обмотки равно сумме ее активного и индуктивного сопротивлений. В соответствии со вторым законом Кирхгофа напряжение, подведенное к первичной обмотке, равно сумме падения напряжения на амивном сопротивлении обмотки и двух ЭДС, обусловленных магнитными потоками, сцепленными с первичной обмоткой. При этом имеется в виду, что один магнитный поток замотается через сердечник трансформатора, а второй — через воздух. Так как эти магнитные потоки «ведут» себя по-разному, то в законе Кирхгофа они описываются по-разному. Сопротивление вторичной обмотки также состоит из активного и индуктивного сопротивлений. Активное сопротивление играет роль только при подключенной к вторичной обмотке нагрузке, а индуктивное сопротивление
X_D = w * L_D [6]
характеризуется индуктивностью рассеяния
L_D = w * Ф_D * I [7]
и, в свою очередь, обусловлено магнитным потоком ФD, замыкающимся, помимо магнитопровода, еще и по воздуху, минуя первичную обмотку [1].

Потери в сердечнике

Что касается потерь в магнитопроводе трансформатора, то на этом нужно остановиться подробно. Переменный магнитный поток в сердечнике, индуцируемый переменным напряжением в первичной обмотке, вызывает в магнитопроводе вихревые токи, зависящие от частоты, проводимости материала магнитопровода и его формы. Помимо потерь вихревые токи размагничивают магнитопровод, вытесняя магнитный поток к поверхности. Именно для снижения влияния вихревых токов (токов Фуко) магнитопровод собирают из отдельных электрически изолированных тонких пластин. При этом величина вихревых токов значительно уменьшается (до 1 % от их величины в монолитном сердечнике [1]). Удельные потери в сердечнике трансформатора имеют одну природу — нелинейность процесса намагничивания. Известно, что ферромагнитные тела состоят из областей самопроизвольного (спонтанного) намагничивания. Магнитное состояние каждой области характеризуется вектором намагниченности. Направление вектора намагниченности зависит от внутренних упругих напряжений и кристаллической структуры ферромагнитного тела.

Векторы намагниченности отдельных областей ферромагнитного тела, на которые не воздействует внешнее магнитное поле, равновероятно направлены в различные стороны. Поэтому во внешнем относительно этого тела пространстве намагниченность тела не проявляется. Если же его поместить во внешнее поле, то под его воздействием векторы намагниченности отдельных областей повернутся в соответствии с направлением поля. При этом индукция результирующего поля в теле может оказаться во много раз больше, чем магнитная индукция внешнего поля до помещения в него ферромагнитного тела [2]. При периодическом перемагничивании ферромагнетика в нем совершаются необратимые процессы, на которые расходуется энергия от намагничивающего источника. В общем случае потери в ферромагнитном сердечнике обусловлены гистерезисом, токами Фуко и магнитной вязкостью. Степень проявления различных видов потерь зависит от скорости перемагничивания ферромагнитного материала. Если сердечник из трансформаторной стали перемаг-ничивается во времени замедленно, то потери в сердечнике обусловлены практически только гистерезисом (потери от макроскопических вихревых токов и магнитной вязкости при этом стремятся к нулю).
Физически потери, обусловленные гистерезисом, вызваны инерционностью процессов роста зародышей пере-магничивания, инерционностью процессов смещения доменных границ и необратимыми процессами вращения векторов намагниченности. Удельные потери энергии от гистерезиса за 1 цикл перемагничивания равны площади петли гистерезиса. Уменьшение максимальной индукции, разумеется, уменьшает высоту петли, но даже при малых значениях индукции и при наличии подмагничивания, например, постоянным током, ширина петли частного цикла у низкосортных сталей остается значительной. Другими словами, уменьшение индукции в магнитопроводе с целью уменьшения площади петли гистерезиса имеет ограниченный смысл.

Теперь вспомним курс физики. Вокруг проводника, по которому протекает ток, создается магнитное поле. Причем направление (вектор) магнитного поля зависит от направления тока в проводнике и постулируется правилом правой руки: «Если ладонь правой руки расположить так, чтобы в нее входили силовые линии магнитного поля, а отогнутый большой палец направить по движению проводника, то четыре вытянутых пальца укажут направление индукционного тока» (рис.2). Если пойти дальше, зная, что электрические и магнитные силы имеют общую природу (уравнение Максвелла), то можно предположить, что если по одному проводнику течет ток, при этом вокруг него наводится магнитное поле, а рядом расположен другой проводник, то магнитное поле должно наводить в другом проводнике электрический ток. (Сразу нужно оговориться, что ток и магнитное поле должны изменяться во времени и в пространстве и совсем не обязательно по закону синусоиды и даже не обязательно от положительных до отрицательных значений.) Это явление известно как электромагнитная индукция.

С точки зрения передачи энергии вышеприведенная модель из двух проводников никуда не годится, но не стоит ее недооценивать, так как появление наводок в аудио-усилителях и радиоприемных трактах — это проявление признаков, описываемых данной моделью, и она может испортить немало нервов конструкторам-разработчикам.

Если пойти еще дальше и свить проводник в спираль, а еще лучше в многослойную спираль, то возникающие вектора магнитного поля у находящихся рядом проводников будут суммироваться. Суммарный индукционный ток будет равен произведению тока вокруг одного проводника на их количество. Здесь нужна еще одна оговорка. Все дело в том, что вышеприведенное утверждение будет справедливо лишь в том случае, если физическая форма и размеры позволяют сблизить свитые в спираль проводники на минимальное расстояние. Но по вполне понятным причинам это далеко не всегда возможно. Именно поэтому суммарный индукционный ток будет равен произведению тока вокруг одного проводника на их количество лишь приближенно, и именно поэтому провод, которым намотаны очень мощные трансформаторы, имеет чаще всего не круглое, а прямоугольное сечение. Это связано, в основном, с тем, что, как говорилось выше, силовое поле вокруг проводника (каждого отдельного витка) не в полной мере наводится в соседнем витке (сердечнике), а с некоторыми потерями, частично рассеиваясь «в воздухе» (рис.3).

Потери в катушке

Вернемся к нашей модели проводника свитого в многослойную спираль. Подобная конструкция называется катушкой. Она обладает значительной индуктивностью, которая зависит от протекающего в проводнике тока, диаметра и удельной проводимости проводника, количества витков и т.д. Конечно, обычный проводник, по которому протекает электрический ток, также обладает собственной индуктивностью, но при незначительной длине проводника ее величина настолько мала, что ею, как правило, пренебрегают.

Совсем другое дело, если длина проводников сотни и даже тысячи метров, и по ним протекают значительные токи и напряжения, как, например, в высоковольтных ЛЭП. Такие системы обладают значительными индуктивными и емкостными сопротивлениями, и при инженерных расчетах это обязательно учитывается. Раз уж речь зашла о ЛЭП и трансформации, то необходимо напомнить о требовании ПТЭ, что при работах на высоковольтных ЛЭП нужно отключать напряжение помимо основной еще и на параллельно идущей линии ЛЭП. Игнорирование данного требования ПТЭ стоило здоровья, а иногда и жизни не одному электрику.
Если вспомнить, что катушка — это проводник длиной в десятки или сотни, а иногда даже тысячи метров, свитый в многослойную спираль, то индуктивность, «растянутая» по всей его длине, концентрируется в физических размерах данной катушки. Если рядом (а лучше внутри или поверх) с вышеупомянутой катушкой расположить еще одну, то магнитные силовые линии, образованные за счет индуктивности, при подключении напряжения к первой будут наводить напряжение во второй. Конечно же, большая их часть будет рассеиваться в окружающем пространстве и теряться безвозвратно, так как окружающее пространство (воздух) обладает некоторым сопротивлением для магнитного поля, и данная модель, являясь, по сути, трансформатором, для передачи электрической энергии также не годится. Если катушки разместить на сердечнике (рис.1) из материала со значительной магнитной проницаемостью (ферромагнетиком), то такая модель уже будет полноценным трансформатором и вполне подойдет для передачи электрической энергии. Если обратиться к рис.1, то можно увидеть, что магнитные силовые линии в подобном трансформаторе замыкаются не только через магнитопровод, но и «по воздуху». Так и есть на самом деле.

В некоторых публикациях иногда можно встретить утверждение, что сердечник способен «притягивать», даже «концентрировать в себе» эти самые линии. С этим никак нельзя согласиться, так как в подобном случае достаточно было бы просто надеть катушки на замкнутый магнитопровод произвольной формы и сечения и не следовало изобретать броневых сердечников, сердечников марки УШ, О и т.д. Еще раз повторюсь, что векторы намагниченности отдельных областей ферромагнитного тела, на которые не воздействует внешнее магнитное поле, направлены в разные стороны. Поэтому во внешнем относительно этого тела пространстве намагниченность тела не проявляется, но если ферромагнетик поместить во внешнее поле (например, подключив первичную обмотку к сети 220 В / 50 Гц), то под его воздействием векторы намагниченности отдельных областей повернутся в соответствии с направлением поля. При этом индукция результирующего поля в теле станогится во много paj больше, чем магнитная индукция внешнего поля.

Магнитные силовые линии, наведенные вокруг катушки, по которой протекает ток, распределяются вокруг нее равномерно (рис.4). При увеличении тока в первичной обмотке напряженность магнитных силовых линий будет увеличиваться для всех одинаково: и для тех, которые замыкаются через магнитопровод, и для тех, которые замыкаются через воздух. Просто нужно помнить, что те линии, которые «идут по воздуху», из-за сопротивления окружающей среды затухают в ней, а те, чей путь пролегает по сердечнику, из-за его физико-механических свойств оказывать минимальное сопротивление магнитному полю способны из-за минимального затухания донести свою энергию до второй катушки. Однако уменьшение индукции в сердечнике все равно имеет место. И зависит оно не только от свойств материала, но и от наличия магнитного зазора, отверстий в сердечнике, качества сборки сердечника и т.д. (рис.1). Магнитный поток Ф через некоторую поверхность S — это поток вектора магнитной индукции через эту поверхность

Сечение магнитопровода

Площадь сечения S магнитопровода трансформатора зависит от многих факторов, в частности от технологических отверстий. Сначала остановимся на отверстиях. Увеличение сопротивления в магнитопроводе связано напрямую с таким эмпирическим понятием, как «домены». Выше уже упоминалось про области спонтанного намагничивания. Другими словами, эти области и есть «домены», как иногда пишут в литературе, «…области в ферромагнитном материале, в которых осуществляется упорядоченное перемагничивание материала под действием изменяющегося магнитного поля». Количество их велико, но не бесконечно и напрямую зависит от физико-механических свойств материала. Если вспомнить постоянный магнит, то его свойство «притягивать железо» напрямую зависит от этих самых «доменов», их стабильности и полярной ориентации в материале.

В ферромагнетике «домены» расположены хаотично и лишь под действием магнитного поля способны менять полярную направленность и ориентироваться вдоль магнитных силовых линий. Кстати, размеры, количество и скорость изменения ориентации «доменов» способны объяснить, почему одни материалы (например, ВЧ ферриты) хорошо работают в качестве магнитопроводов на высоких частотах и напрочь отказываются работать на низких, а другие (например, электротехническая сталь) наоборот. Количество «доменов» объясняет также и величину максимальной индукции и индукцию насыщения. Поэтому для получения хороших энергетических характеристик трансформатора следует избегать применения сердечников с отверстиями в магнитопроводе.

Теперь сделаем еще одно небольшое отступление. Раз уж речь зашла о понятии «насыщение магнитопровода», то для лучшего понимания термина образно продемонстрируем его на простом примере. Для этого вспомним классический пример из курса физики. Возьмем подковообразный магнит, лист бумаги и железные опилкк На стол кладут магнит, сверху на него — лист бумаги и на бумагу насыпают небольшую горсть опилок. При этом железные опилки выстраиваются в характерный узор, демонстрируя направление магнитных силовых линий (на рис.5 узор изображен для стержневого магнита). А теперь мысленно представим, что напряженность магнитного поля, создаваемого магнитом, не постоянна, а медленно увеличивается от нуля до максимума. При этом железные опилки, лежащие сначала хаотично, будут понемногу, вслед за увеличением поля, выстраиваться по линиям от полюса N к полюсу S. Сначала те, которые ближе к полюсам, затем те, которые дальше, и наконец наступит момент, когда все опилки выстроятся вдоль магнитных силовых линий, и дальнейшее увеличение напряженности магнитного поля ничего не изменит, ведь количество частичек железа (опилок-«доменов») хоть и велико, но не бесконечно. В этом случае можно будет говорить о насыщении применительно к магнитопроводу. А теперь идем дальше. Сопротивление магнитного зазора объясняется все тем же затуханием магнитного поля в воздухе и зависит напрямую от физических размеров этого зазора. В [1] магнитный поток в сердечнике сравнивается с электрическим током в проводнике, следовательно, магнитный зазор можно сравнить с нелинейным сопротивлением, а значит, зазор — это плохо? Все зависит от конкретных требований, предъявляемых к трансформатору. Если он будет применяться в качестве источника питания, например, УМЗЧ или в трансформаторной подстанции, то да.

С другой стороны, например, сварочные агрегаты изготавливались в виде трансформаторов с регулируемым магнитным зазором в сердечнике (рис.6). Здесь сварочный агрегат показан довольно условно. Первичная и вторичная обмотки разделены на равные части и размещены на левой и правой части магнитопровода. Таким способом решались сразу две проблемы. Изменяя величину магнитного зазора в сердечнике, регулировалась величина затухания магнитного потока, а следовательно, и напряжения во вторичной обмотке, а также величина тока в сварочной дуге. Помимо этого достигалась падающая нагрузочная характеристика сварочного агрегата, что благоприятно сказывается на его работе. Для источника питания, к примеру, УМЗЧ падающая нагрузочная характеристика крайне нежелательна, так как просадки напряжения питающего УМЗЧ при максимумах музыкального пик-фактора должны быть минимальны для более верного этого самого пик-фактора воспроизведения.

Если речь зашла о сварочных агрегатах, то нужно еще добавить некоторые моменты. Напряжение вторичной обмотки сварочного трансформатора на «холостом ходу» примерно 70…80 В, а при зажигании дуги — должно снижаться до 20…25 В. Этим достигается наиболее благоприятный режим для сварки. Одним из способов достижения указанного режима работы является получение падающей нагрузочной характеристики. Методов достижения подобного эффекта несколько. Самыми распространенными являются методы: создание магнитного зазора в маг-нитопроводе и разнесении в пространстве первичной и вторичной обмоток.

Метод разнесения в пространстве обмоток — это ухудшение потокосцепления между первичной и вторичной обмотками, а значит, уменьшение напряжения во вторичной обмотке под нагрузкой.

Таким образом, для максимального улучшения нагрузочных свойств трансформатора и обеспечение постоянного коэффициента трансформации необходимо, применительно к обмоткам, добиться максимального потокосцепления между ними. Сделать это можно, например, чередуя поочередно в рядах обмотки витки первичной и вторичной обмоток (рис.7). Однако, при кажущейся простоте, сделать это крайне затруднительно.

Во-первых, количество витков в первичной и вторичной обмотках очень сильно разнятся.

Во-вторых, нередко вторичных обмоток несколько.

В-третьих, разнятся диаметры проводов первичной и вторичной обмоток.

Но самая весомая причина — свойства изоляционного покрытия проводников должны быть крайне высоки, ведь при пробое изоляции находящихся впритык витков первичной и вторичной обмоток последствия будут печальные.

Поэтому существуют несколько иные методы получения максимального потокосцепления. Один из методов давно и с успехом применяется при намотке выходных и межкаскадных трансформаторов ламповых УМЗЧ. Заключается он в укладке обмоток чередующимися слоями с обязательной межслоевой изоляцией. Следующий способ заключается в том, что каркас обмотки делят на несколько секций щечками и каждую секцию заполняют витками первичной и вторичной обмотки, также чередуя их (рис.8). Еще один способ таков: разделительный трансформатор УМЗЧ мотают жгутом проводов, в который входят проводники, относящиеся к разным обмоткам. После окончания намотки проводники, каждый для своей обмотки, «вызванивают» и соединяют последовательно. Нужно учесть, что напряжение питания подобных УМЗЧ всего лишь ±15 В. Для обмоток же, которые в процессе эксплуатации будут находиться под высоким напряжением 1 ООО В и более, или даже просто подключаться к сети 220 В, такой способ намотки крайне нежелателен, а в некоторых случаях опасен.

Краткое описание, чем отличается работа нагруженного и ненагруженного трансформаторов

Трансформатор работает только благодаря току. Меняется поступающее напряжение, чтобы не допустить взрыва электроприборов. Есть четыре вида подобных устройств:

1. Силовой.
2. Разделительный.
3. Согласующий.
4. Измерительный.

Силовой зачастую применяется для подключения к энергетической цепи. В таком случае может иметься больше двух мотков. Прибор бывает, как для бытовой сети, так и промышленной.

Классификация

Семейство трансформаторов тока классифицируют по нескольким признакам.

1. По назначению:
   защитные;
2. линейки измерительных трансформаторов тока;
3. промежуточные (используются для выравнивания токов в системах дифференциальных защит);
4. лабораторные.
5. По способу монтажа:
   наружные (см. рис. 8), применяются в ОРУ;
6. внутренние (размещаются в ЗРУ);
7. встраиваемые;
8. накладные (часто совмещаются с проходными изоляторами);
9. переносные.

Основные режимы работы

Зависимо от силы сопротивления и нагрузки, у трансформаторов существует несколько режимов работы:

1. Холостой ход.
2. Короткое замыкание.

Обладая информацией о схеме замещения, можно исследовать нужные режимы работы трансформатора.

Холостой ход

Когда переменный ток проходит по первичному мотку, во внутреннем стержне возникает магнитный поток с переменами, накаляющий электродвижущую силу индукции каждой обмотки. Сердечник контролирует магнитное поле, из-за чего поток присутствует только в сердечнике и равномерен во всех сечениях.

Режим холостого хода или разомкнутая цепь второй обмотки уменьшает ток из-за сопротивления мотка. В таком состоянии потребляется небольшая мощность.

Под нагрузкой

Состояние короткого замыкания – это режим, во время которого провода вторичного мотка замкнуты токопроводом, а сопротивление равно нулю. В эксплуатационном состоянии короткое замыкание активирует аварийный режим, потому что при таких обстоятельствах вторичный и первичный токи увеличиваются в 10-20 раз.

Поэтому, цепи с трансформаторами защищены автоматическим отключением.

Работа трансформатора под нагрузкой

Рассмотрим электрическую схему однофазного трансформатора, к вторичной обмотке которого подключена нагрузка с сопротивлением Z

По вторичной обмотке трансформатора протекает ток нагрузки I

2. Он создает МДС
F
2 =
I
2
W
2, которая по закону Ленца стремится уменьшить основной поток трансформатора Ф. Кроме того,
I
2 создает поток рассеяния вторичной обмотки Фd2, индуцирующий реактивную ЭДС в этой цепи:

2 – индуктивное сопротивление рассеяния вторичной обмотки.

Таким образом, при работе трансформатора под нагрузкой основной магнитный поток является геометрической суммой МДС первичной и вторичной обмоток. Основной поток трансформатора при U

1 = const является постоянным, т.е. Ф = const. Действительно, если под действием МДС вторичной обмотки основной магнитный поток стал меньше, то уменьшится и ЭДС первичной обмотки, так как
Е
1 = 4.44 ¦
W
1Фm. Это приведет, в соответствии с уравнением равновесия напряжения и ЭДС первичной обмотки, к увеличению тока в первичной цепи до значения
I
1′, т.е. опять наступит равновесие:
U
1 =
Е
1 +
I
1′
Z
1. Магнитный поток будет восстановлен до прежней величины, так как увеличивается МДС первичной обмотки
F
1 =
I
1′
W
1, а мощность, отбираемая из сети первичной обмоткой, возрастет. Таким образом, любое изменение тока во вторичной цепи трансформатора сопровождается соответствующим изменением тока в первичной цепи. В итоге основной поток и ЭДС первичной обмотки остаются практически неизменными. В этом и состоит сущность саморегулирования трансформатора.

Постоянство магнитного потока позволяет записать уравнение МДС трансформатора:

МДС обеих обмоток векторно складываются, их сумма равна МДС первичной обмотки при работе на холостом ходу.

Уравнение МДС можно привести к более удобному виду:

Разделим обе части уравнения на количество витков первичной обмотки W

1 и введем обозначение:
I
′2 =
I
2 (
W
2/
W
1) – приведенный вторичный ток, т.е. вторичный ток трансформатора, соответствующий числу витков первичной обмотки. Тогда получим окончательное уравнение токов трансформатора:

Первичный ток трансформатора I

1 имеет две составляющие: одна из них,
IХХ
, затрачивается на создание основного потока в магнитопроводе, а другая,
I ¢
2, компенсирует размагничивающее действие вторичного тока.

На основании второго закона Кирхгофа можно записать уравнение равновесия напряжений и ЭДС для вторичной обмотки трансформатора:

Работу трансформатора в значительной степени характеризует его внешняя характеристика, т.е. зависимость напряжения U

2 от тока нагрузки
I
2 при постоянном напряжении на первичной обмотке
U
1, представленная на рис. 2.10.

2 близком к нулю,
U
2 ≈
Е
2. С ростом тока нагрузки напряжение
U
2 уменьшается из-за падения напряжения на сопротивлении вторичной обмотки.

Мощность электрической энергии Р

1, подводимая к первичной обмотке трансформатора, преобразуется в мощность
Р
2, снимаемую с его вторичной обмотки. Но часть мощности
Р
1 расходуется бесполезно. Она тратится на перемагничивание магнитопровода и на создание вихревых токов в нем (потери в стали D
Р
СТ), а также переходит в мощность тепловой энергии, т.е. на нагрев обмотки трансформатора при прохождении по ней тока (потери в меди D
Р
М).

Величина потерь в стали DР

СТ может быть определена при измерении потерь в режиме холостого хода, так как D
Р
СТ » D
Р
ХХ. Эти потери практически постоянные, если первичное напряжение не изменяется.

Величина потерь в меди DР

М может быть получена при проведении опыта короткого замыкания. При этом потери в стали трансформатора будут пренебрежимо малы, и вся энергия, отбираемая из сети, будет преобразовываться в тепловую энергию. Следовательно, почти вся потребляемая трансформатором мощность расходуется на потери в меди обмоток трансформатора D
Р
М » D
Р
КЗ. Поэтому выражение (2.3) может быть записано в следующем виде:

КПД современных трансформаторов при нагрузке равной 80–85% номинальной может достигать 0,95‒0,995. При других значениях нагрузки h будет иметь меньшую величину.

Работа трансформатора под нагрузкой аналитически может быть представлена системой уравнений соответственно напряжений для первичной и вторичной цепи и токов трансформатора:

По приведенным уравнениям можно было бы построить векторную диаграмму трансформатора, если бы все величины были одного порядка. На практике коэффициент трансформации КТР больше 1,5. Поэтому построение векторной диаграммы выполняют для эквивалентного трансформатора, у которого КТР = 1. Это позволит наглядно согласовать параметры первичной и вторичной обмоток реального трансформатора.

Преобразование реального трансформатора в эквивалентный должно осуществляться при условии сохранения неизменных энергетических соотношений на один виток обмотки. Обычно параметры вторичной обмотки приводят к числу витков первичной обмотки W

1. В результате получается эквивалентный трансформатор с коэффициентом трансформации КТР, равным единице.

Параметры вторичной обмотки такого трансформатора обозначаются штрихами, ( , , , и ). Приведенный ток во вторичной цепи определяется по формулам: или .

Другие параметры трансформатора можно получить из условия равенства энергетических соотношений, т.е.

Из равенства мощностей реального и эквивалентного трансформаторов получаем:

Таким образом, в конечном виде система уравнений приведенного трансформатора имеет следующий вид:

На основании этой системы уравнений можно построить векторную диаграмму трансформатора тока, представленную на рис. 2.11.

За основной вектор принимается вектор магнитного потока Фm

, который откладывается по оси абсцисс. Затем строят векторы ЭДС
Ē
1 и . Вектор вторичного тока строят под углом

к вектору вторичной ЭДС, где и – соответственно приведенные реактивное и активное сопротивления нагрузки трансформатора.

Далее по уравнению токов (2.10) векторно определяют ток затем по уравнению Кирхгофа для первичной цепи строят вектор первичного напряжения а по уравнению для вторичной цепи – вектор вторичного напряжения . В последнем случае производится операция вычитания векторов падения напряжения на активном и реактивном сопротивлениях вторичной обмотки из вектора ЭДС . В заключение показываются потоки рассеяния Фd

1 и Ф
d
2, а также реактивные ЭДС обмоток.
Ē d
1 и
Ē d
2.

Построенная диаграмма называется полной векторной диаграммой нагруженного трансформатора.

Метод проведения опыта

Утраты холостого хода вычисляются во время настройки режима. Для подготовки к операции отключается подача тока в обмотку. Они остаются разомкнутыми. Далее цепи снабжаются электроэнергией, но только на первом контуре. Приспособление должно работать под установленным напряжением.

Сквозь первичный контур сварочной или силовой установки проходит ток под названием ХХ. Величина равна 3-9% от заданных показателей. При этом на мотке второстепенного контура нет подачи электроэнергии. На исходном контуре производится поток вектора магнитной индукции, который обеспечивает ток, пересекающий оборот двух обмоток. Также появляется электродвижущая мощность самоиндукции на первичном, а взаимоиндукция – на вторичных контурах.

Конструкция и принцип действия

Внешний вид типичного трансформатора тока представлен на рисунке 1. Характерным признаком этих моделей является наличие у них диэлектрического корпуса. Формы корпусов могут быть разными – от прямоугольных до цилиндрических. В некоторых конструкциях отсутствуют проходные шины в центре корпуса. Вместо них проделано отверстие для обхвата провода, который выполняет функции первичной обмотки.

Рис. 1. Трансформатор тока

Материалы диэлектриков выбирают в зависимости от величины напряжений, для которых предназначено устройство и от условий его эксплуатации. Для обслуживания промышленных энергетических систем изготавливают мощные ТТ с керамическими корпусами цилиндрической формы (см. рис. 2).

Рис. 2. Промышленный керамический трансформатор тока

Особенностью трансформатора является обязательное наличие нагрузочного элемента (сопротивления) во вторичной обмотке (см. рис. 3). Резистор необходим для того, чтобы не допускать работы в режиме без вторичных нагрузок. Функционирование трансформатор тока с ненагруженными вторичными обмотками недопустимо из-за сильного нагревания (вплоть до разрушения) магнитопровода.

Рис. 3. Принципиальная схема трансформатора тока

В отличие от трансформаторов напряжения, ТТ оснащены только одним витком первичной обмотки (см. рис. 4). Этим витком часто является шина, проходящая сквозь кольцо сердечника с намотанными на него вторичными обмотками (см. рис. 5).

Рис. 4. Схематическое изображение ТТ

Рис. 5. Устройство ТТ

Иногда в роли первичной обмотки выступает проводник электрической цепи. Для этого конструкция сердечника позволяет применить шарнирное соединение частей трансформатора для обхвата провода (см. рис. 6).

Рис. 6. ТТ с разъемным корпусом

Сердечники трансформаторов выполняются способом шихтования кремнистой стали. В моделях высокого класса точности сердечники изготовляют из материалов на основе нанокристаллических сплавов.

Принцип действия.

Основная задача токовых трансформаторов понизить (повысить) значение тока до приемлемой величины. Принцип действия основан на свойствах трансформации переменного электрического тока. Возникающий переменный магнитный поток улавливается магнитопроводом, перпендикулярным направлению первичного тока. Этот поток создается переменным током первичной катушки и наводит ЭДС во вторичной обмотке. После подключения нагрузки начинает протекать электрический ток по вторичной цепи.

Зависимости между обмотками и токами выражены формулой: k = W2 / W1 = I1 / I2 .

Поскольку ток во вторичной катушке обратно пропорционален количеству витков в ней, то путем увеличения (уменьшения) коэффициента трансформации, зависящего от соотношения числа витков в обмотках, можно добиться нужного значения выходного тока.

На практике, чаще всего, эту величину устанавливают подбором количества витков во вторичной обмотке, делая первичную обмотку одновитковой.

Линейная зависимость выходного тока (при номинальной мощности) позволяет определять параметры величин в первичной цепи. Численно эта величина во вторичной катушке равна произведению реального значения тока на номинальный коэффициент трансформации.

В идеале I1 = kI2 = I2W2/W1. С учетом того, что W1 = 1 (один виток) I1 = I2W2 = kI2. Эти несложные вычисления можно заложить в программу электронного измерителя.

Рис. 7. Принцип действия трансформатора тока

На рисунке 7 не показан нагрузочный резистор. При измерениях необходимо учитывать и его влияние. Все допустимые погрешности в измерениях отображает класс точности ТТ.

Схемы подключения

Первичные катушки трансформаторов тока включаются в цепь последовательно. Вторичные катушки предназначены для подключения измерительных приборов или используются системами релейной защиты.

Во вторичную цепь включаются выводы измерительных приборов и устройства релейной защиты. С целью обеспечения безопасности, сердечник магнитопровода и один из зажимов вторичной катушки должны заземляться.

При подключении трехфазных счетчиков, в сетях с изолированной нейтралью обмотки трансформатора соединяются по схеме «Неполная звезда». При наличии нулевого провода применяется схема полной звезды.

Выводы трансформаторов маркируются. Для первичной обмотки применяются обозначения Л1 и Л2, а для вторичной – И1 и И2. При подключении измерительных приборов следует соблюдать полярность обмоток.

Схема «неполная звезда» применяется для двухфазного соединения.

В дифференциальных защитах, используемых в силовых трансформаторах, обмотки включаются треугольником.

Основные схемы подключения:

Основные схемы подключения

Почему ненагруженный трансформатор потребляет очень мало энергии

Тема: "Магнитное взаимодействие"

1. Каким образом можно обнаружить в пространстве наличие магнитного поля?

2. Молния ударила тв ящик со стальными ножами и вилками. После этого они оказались намагниченными. Как это объяснить?

3.Отклонится ли магнитная стрелка, если её разместить вблизи пучка движущися частиц: а)электронов; б)атомов; в) положительных ионов?

4. Магнитгая стрелка, помещенная возле провода, отклонилась при пропускании по нему тока. За счет какого вида энергии совершена работа, необходимая для поворота стрелки?

5. Как взаимодействуют два воздушных провода троллейбусной линии: ппритягиваются или отталкиваются?

6. Шнур настольной лампы, питаемой постоянным током, поднесли к магнитной стрелке. Окажет ли магнитное поле тока действие на стрелку?

7. Деформируется ли проволочная катушка, если по ней пропускается постоянный ток?

8. Почему сужается струя расплавленного металла при пропускании через неё тока?

9. Сложенный вдвое гибкий провод лежит на столе. Будут ли взаимодействовать части, если по нему пропустить сильный ток?

Тема: "Явление электромагнитной индукции"

1. Сквозь горизонтальное проводящее кольцо падают с одинаковой высоты алюминиевый брусок и магнит. Какой предмет упадет первым?

2. Почему для обнаружения индукционного тока замкнутый проводник лучше брать в виде катушки, а не в виде прямолинейного провода?

3. На вертикальном сердечнике электромагнита лежит монета. Что произойдет, если включить ток в катушке электромагнита?

4. Между двумя любыми точками некоторого контура разность потенциалов равна нулю, а ток в контуре существует. Когда это возможно?

5. Почему иногда недалеко от места удара молнии могут расплавиться предохранители в осветительной сети и повредиться чувствительные приборы?

1.Почему в жидкой или газообразной средах не возникают поперечные волны?

2. Почему в твердых телахмогут распространяться поперечные и продольные волны?

Тема: "Свободные электрические колебания в контуре"

1. Могут ли возникнуть свободные колебания в контуре, состящем из конденсатора и активного сопротивления?

2. Как изменится частота колебаний в контуре, если в катушку ввести железный сердечник?

1.Изменится ли соотношение между напряжениями на обмотках трансформатора, если железный сердечник заменить на медный?

2. Ток во вторичной обмотке зависит от сопротивления подключенных приборов. Меняется ли в связи с этим ток в первичной обмотке?

3. Почему трансформатор выходит из строя, если в нём замыкаются накоротко хотя бы два соседних витка?

4. Почему нагруженный трансформатор гудит?

5. Допустимо ли, сняв катушку школьного трансформатора с сердечника, подавать на неё переменное напряжение, указанное на катушке?

6. Изменяется ли мощность тока при преобразовании его в трансформаторе?

7. Почему ненагруженный трансформатор потребляет очень мало энергии?

8. Что может произойти, если случайно подключить трансформатор к источнику постоянного тока?

9. Что произойдет с катушкой трансформатора, если её распрямить, не отключая от сети?

10. Первичная катушка трансформатора присоединена к источнику тока, вторичная же разомкнута. Потребляется ли трансформатором электроэнергия?

Тема: "Электромагнитные волны"

1.Во время каких природных явленийобразуются и излучаются электромагнитные волны?

2. Почему зимой и ночью радиоприем лучше, чем летом и днём?

3. Какова причина помех радиоприему от проходящего трамвая?

4. Почему на экране телевизора при появлении летящего вблизи самолёта возникает двойное изображение?

5. Почему нельзя осуществлять радиосвязь между подводными лодками, находящимися на некоторой глубине в океане?

6. Почему радиоприемник в автомобиле работает хуже, когда машина проезжает под мостом или под этакадой?

7. Если включать или выключать свет в комнате, то в радиоприемнике слышны щелчки. Чем они вызваны?

Тема: "Закон отражения света"

1. Почему в темной комнате видны только те предметы, на которые в данный момент направлен луч фонарика?

2. Почему окна домов всегда кажутся темнее стен, даже если стены окрашены в темный цвет?

3. Отраженный от гладкой поверхности предмета пучок света всегда менее ярок, чем падающий. Почему?

4. Почему в свете фар автомобиля лужа на асфальте кажется водителю темным пятном?

5. Почему, находясь в комнате, трудно увидеть днем свое отражение в оконном стекле?

6. В утренние и предвечерние часы отражение Солнца в спокойной воде ослепительно яркое, а в полдень его можно рассмотреть, не жмурясь. Объясните это явление.

7. Является ли отражение света от киноэкрана диффузным или рассеяным?

8. На поверхности озера или моря против Луны видна сверкающая лунная дорожка. Как она образуется? Можно ли наблюдать лунную дорожку на идеально гладкой, спокойной поверхности воды? Почему дорожка всегда направлена на наблюдателя?

Тема: "Изображение в плоском зеркале"

1. На столе лежит зеркало. Как изменится изображение люстры в этом зеркале, если закрыть половину зеркала?

2. Какие печатные буквы алфавита не изменяются при отражении в плоском зеркале?

3. В каком случае поверхность рассеивает падающий на неё свет? Почему?

4. Как изменится расстояние между предметом и его изображением в плоском зеркале, если зеркало переместить в то место, где было изображение?

Тема: "Закон преломления света"

1. В каком случае угол преломления луча равен углу падения?

2. Почему изображение предмета в воде всегда менее ярко, чем сам предмет?

3. Почему ложка, поставленная в стакан с водой, кажется изогнутой?

4. Камушки, лежащие на дне водоёма, кажутся колеблющимися, если поверхность воды в водоёме не совсем спокойная. Почему?

5. Если посмотреть на окружающие тела через тёплый воздух, поднимающийся от костра, то они кажутся "дрожащими". Почему?

6. Собирающую оптическую линзу мальчик погрузил в воду. Изменилась ли при этом оптическая сила линзы?

7. Почему, находясь в лодке, трудно попасть копьем в рыбу, плавающую невдалеке?

8. Если читать книгу, держа ее очень близко или очень далеко от глаз, глаза быстро утомляются. Почему?

9. На линзу фотоаппарата села муха. Как это отразится на качестве снимка?

10. Пузырьки воздуха, расположенные на стеблях и листьях подводных растений кажутся серебристо-зеркальными. Почему?

11. Какой дефект зрения "появится" у рыбы, вынутой из воды — близоруклсть или дальнозоркость?

Тема: "Дисперсия света"

1. Как изменится частота зеленого излучения при переходе света из воздуха в воду?
2. Как изменится длина волны красного излучения при переходе света из воздуха в воду?
3. Как будет выглядеть белая надпись на красном фоне, если осветить её зеленым светом?
4. Какого цвета должно быть стёклышко, сквозь которое можно увидеть зеленую надпись на белой бумаге?
5. Наблюдатель рассматривает сквозь стеклянную призму черную черту на белой бумаге. Что он видит?
6. На листе написано слово "свет" зеленым карандашом. Глядя через какую прозрачную среду нельзя будет прочесть написанное?
7. Белый луч света падает на боковую грань призмы под нулевым углом. Получим ли на экране спектр?
8. Луч света, преломляясь, переходит из стекла в воздух. Как расположатся преломленные лучи различных цветов относительно перпендикуляра к границе сред в точке преломления луча?
9. При получении на экране спектра излучения электрической лампы ее накаливали постепенно с помощью реостата. Какие изменения при этом наблюдали на экране?
10. Имеются призмы из различных материалов, но с одинаковыми преломляющими углами. Чем будут отличаться спектры, получаемые с помощью этих призм?
11. Зеленые лучи переходят из воздуха в воду, при этом длина волны их становится меньше. Какого цвета эти лучи будет воспринимать человек, погрузившись в воду?
12. Изменится ли скорость света, длана волны, частота колебаний при переходе света из воздуха в стекло? Как?
13. С одинаковой ли скоростью проходят к границам атмосферы Земли и Солнца волны красной и фиолетовой части спектра? Одинакова ли их скорость в атмосфере и в любой иной среде?
14. Длина волны красного света в воде равна длине волны зеленого света в воздухе. Какой цвет увидит человек под водой, если вода освещена красным светом?

Тема: "Интерференция света"

1. Могут ли интерферировать световые волны, идущие от двух электрических лампочек?
2. Почему крылья стрекоз имеют радужную окраску?
3. Мыльный пузырь играет на солнце всеми цветами радуги. Почему?
4. Если две волны интерферируют друг с другом, то изменяет ли одна волна распространение другой?
5. Почему возникают радужные полосы в тонком слое керосина, плавающем на поверхности воды?
6. Цвета тонких пленок заметно отличаются от цветов радуги. Почему?
7. Лучи белого света падают нормально на тонкую плоскопараллельную прозрачную пластину. Как будет менятья окраска пластины, если увеличить угол падения?

Тема: "Дифракция света"

1.На поверхности лазерного диска видны цветные полосы. Как объяснить это явление?
2. Если, прищурив глаза, смотреть на нить накала лампочки, то она кажется окаймленной светлыми бликами. Почему?
3. При изготовлении искусственных перламутровых пуговиц на их поверхность наносят мельчайшую штриховку. Почему после такой обработки пуговица имеет радужную окраску?
4. При освещении тонкой пленки параллельными белыми лучами наблюдается радужная окраска пленки. Чем это объясняется?
5. Почему с помощью микроскопа нельзя увидеть атом?
6. Имеются две тонкие пленки из одинакового материала. При освещении их белым светом, лучи которого перпендикулярны к их поверхности, одна из них кажется красной, а другая — синей? Можно ли сказать, какая из этих пленок толще?
7. Имеются две пленки их одинакового прозрачного материала. При освещении их белым светом, лучи которого перпендикулярны к их поверхности, обе пленки в отраженном свете кажутся зелеными. Можно ли сказать, что их толщина одинакова?
8. Имеется тонкая пленка из прозрачного материала. При её освещении монохроматическим светом, лучи которого перпендикулярны её поверхности, на ней видны параллельные чередующиеся иемные и светлые полосы на равных расстояниях друг от друга.Что можно сказать о толщине такой пленки?
9. Если скозь ресницы смотреть на свет уличного фонаря, вокруг него появляется радужный свет. Чем это объяснить?
10. Почему меняется окраска крыльев насекомого, если его рассматривать под разными углами?

1.В каком случае давление больше: при падении его на зеркальную поверхность или черную?
2. Если комета видна на небе с вечера, то в какую сторону напрвлен её хвост?
3. Частичка в хвосте кометы приобрела ускорение под действием солнечного света. Поясните причину увеличения её кинетической энергии и сравните энергию падающих и отраженных фотонов.
4. Когда свет падает на поглощающую его поверхность, фотоны перестают существовать. Не противоречит ли это закону сохранения импульса?

АТОМ И АТОМНОЕ ЯДРО

Тема: "Квантовые постулаты Бора"

1. Электрон в атоме водорода перешел с четвертого энергетического уровня на второй. Как при этом изменилась энергия атома? Почему?
2. Как изменилась энергия атома водорода, если электрон в атоме перешел с первой орбиты на третью, а потом обратно?
3. Сколько квантов с различной энергией может испустить атом водорода, если электрон находится на третьей орбите?
4. Электрон в атоме водорода перешел с пятого энергетического уровня на второй. Как при этом изменилась энергия атома? Почему?
5. Чем отличается атом, находящийся в стационарном состоянии, от атома в возбужденном состоянии?
6. Одинаковая ли энергия необходима для того, чтобы оторвать от атома гелия: 1)первый электрон; 2)второй электрон?
7. В атоме водорода есть ограничение на минимальное расстояние электрона от ядра. Есть ли ограничение на максимальное расстояние между электроном и ядром?

Тема: "Деление ядер урана"

1. Произошел самопроизвольный распад ядра. Выделилась или поглотилась энергия во время этого распада? Ответ обоснуйте.
2. Почему в ядерных реакторах медленные нейтроны более эффективно поглощаются ядрами урана, чем быстрые?

Тема: "Элементарные частицы"

1. Что произойдет, когда электрон столкнется с протоном?
2. При встрече электрона с позитроном, имеющих массу покоя, они превращаются в два фотона, которые массой покоя не обладают. О чем говорит этот факт?
3. И атом водорода, и нейтрон могут распадаться на протон и электрон. Почему же атом водорода не считают элементарной чистицей, а нейтрон причисляют к ним?
4. Допустим, что значительный по массе комок земного вещества, отправленный в глубины космоса, встретился с куском антивещества. Чем должна закончиться такая встреча?
5. В процессе превращения в электромагнитное излучение пары электрон-позитрон никогда не возникает гамма-квант. Проявление какого именно из известных вам законом сохранения можно усмотреть в этом факте?
6. Есть некоторые основания предполагать существование антимиров — скоплений материи, в которых ядра состоят из антипротонов и антинейтронов, а их оболочки из позитронов. Можно проверить эту гипотезу методами спектроскопии?