Трёхфазные и измерительные трансформаторы.


Автотрансформаторы. КПД трансформатора
В линиях электропередачи используют в основном трёхфазные силовые трансформаторы. Магнитопровод трёхфазного трансформатора имеет три стержня, на каждом из которых размещаются две обмотки одной фазы.

Особенностью трёхфазного трансформатора является зависимость коэффициента трансформации линейных напряжений от способа соединения обмоток. Применяются главным образом три способа соединения обмоток трёхфазного трансформатора: соединение первичных и вторичных обмоток звездой (рис а); соединение первичных обмоток звездой, вторичных - треугольником (рис б); соединение первичных обмоток треугольником, вторичных обмоток звездой (рис в).

Способы соединения обмоток трёхфазного трансформатора.

Обозначим отношение чисел витков обмоток одной фазы буквой R,что соответствует коэффициенту трансформации однофазного трансформатора и может быть выражено через отношение фазных напряжений:

R=w_2/w₁=U_Ф2/U_Ф1

Обозначим коэффициент трансформации линейных напряжений буквой с:

При соединении обмоток по схеме звезда- звезда

с=U_Л2/U_Л1=U_Ф2/(U_Ф1)=R

При соединении обмоток по схеме звезда-треугольник

с= U_Л2/U_Л1= U_Ф2/(U_Ф1)=R/

При соединении обмоток по схеме треугольник- звезда

с=U_Л2/U_Л1=U_Ф2/U_Ф1=R

Таким образом, при одном и том же числе витков обмоток трансформатора можно в  увеличить или уменьшить его коэффициент трансформации, выбирая соответствующую схему соединения обмоток.

Принципиальная схема автотрансформатора изображена на рисунке.

У автотрансформатора часть витков первичной обмотки используется в качестве вторичной обмотки, поэтому помимо магнитной связи имеется электрическая связь между первичной и вторичной цепями. В соответствии с этим энергия из первичной цепи во вторичную передаётся как с помощью магнитного потока, замыкающегося по магнитопроводу, так и непосредственно по проводам.

Поскольку формула трансформаторной ЭДС применима к обмоткам автотрансформатора так же, как и к обмоткам трансформатора, коэффициент трансформации автотрансформатора выражается известными отношениями

R=w₂/w₁=E₂/
E₁=U₂/
U₁=
I₁/
I₂.

Вследствие электрического соединения обмоток через часть витков, принадлежащую одновременно первичной и вторичной цепям, проходят токи I₁ и       
I₂, которые направлены встречно и при небольшом коэффициенте трансформации мало отличаются друг от друга по значению. Поэтому их разность оказывается небольшой и обмотку w₂ можно выполнить из тонкого провода.

Автотрансформаторы применяют для пуска мощных двигателей переменного тока, регулирования напряжения в осветительных сетях, а также в других случаях, когда необходимо регулировать напряжение в небольших пределах.

Измерительные трансформаторы напряжения и тока используют для включения измерительных приборов, аппаратуры автоматического регулирования и защиты в высоковольтные цепи.

Измерительные трансформаторы напряжения служат для включения вольтметров и обмоток напряжения измерительных приборов (рис а). Поскольку обмотки имеют большое сопротивление и потребляют маленькую мощность, можно считать, что они работают в режиме холостого хода.

Измерительные трансформаторы тока используют для включения амперметров и токовых катушек измерительных приборов (рис б). Эти катушки имеют очень маленькое сопротивление, поэтому трансформаторы тока практически работают в режиме короткого замыкания.



Результирующий магнитный поток в магнитопроводе трансформатора равен разности магнитных потоков, создаваемых первичной и вторичной обмотками.

КПД трансформатора, как и всякой другой машины, определяется отношением полезной мощности ко всей подведённой. Полезной мощностью для трансформатора является мощность, снимаемая с вторичной обмотки, , а подведённой - мощность , идущая из сети в первичную обмотку. Так как в трансформаторе равен 0,96-099, то непосредственное определение его по формуле  не даёт точных результатов из-за того, что ошибка в измерении соизмерима с погрешностью прибора.

Электрические потери  в трансформаторе складываются из потерь в меди , вызванных нагреванием проводников обмоток трансформатора, и потерь в стали , вызванных гистерезисом и вихревыми потоками в сердечнике.

В таком случае КПД трансформатора может быть выражен упрощённой формулой

Потери мощности в меди определяются как сумма потерь в первичной и вторичной обмотках: .

Потери мощности в стали определяются величиной и частотой изменения магнитного потока и от нагрузки не зависят.

При работе трансформатора в рабочем режиме. Напряжение на вторичной обмотке считают равным номинальному напряжению , потери в стали постоянными . На практике при работе трансформатора ток во вторичной обмотке  не всегда равен номинальному току . Поэтому вводится коэффициент нагрузки  и КПД трансформатора определяется по следующей формуле: .

Исследовав функцию  на максимум, убеждаемся, что максимальный КПД трансформатора получается при равенстве потерь в меди и в стали, т.е. если ,то

.

Так как обычно , то максимальный КПД трансформатора получается при коэффициенте нагрузки 0,6…0,7, значит,