Načelo delovanja in naprava enofaznega transformatorja

Enofazni transformator brez obremenitve

Transformatorji v elektrotehniki se imenujejo takšne električne naprave, v katerih se električna energija izmeničnega toka iz ene fiksne tuljave žice prenese na drugo fiksno tuljavo žice, ki ni električno povezana s prvo.

Vez, ki prenaša energijo iz ene tuljave v drugo, je magnetni tok, ki se povezuje z obema tuljavama in se nenehno spreminja v velikosti in smeri.

riž. 1.

Na sl. 1a prikazuje najpreprostejši transformator, sestavljen iz dveh navitij / in / /, ki sta nameščena soosno drug nad drugim. Na tuljavo / dostavljeno izmenični tok iz alternatorja D. To navitje imenujemo primarno navitje ali primarno navitje. Z navitjem // imenovanim sekundarno navitje ali sekundarno navitje je vezje povezano prek sprejemnikov električne energije.

Načelo delovanja transformatorja

Delovanje transformatorja je naslednje. Ko tok teče v primarnem navitju / se ustvari magnetno polje, katerih silnice ne prodrejo le v navitje, ki jih je ustvarilo, ampak delno tudi v sekundarno navitje //. Približna slika porazdelitve linij sile, ki jih ustvari primarno navitje, je prikazana na sl. 1b.

Kot je razvidno iz slike, so vse črte sile sklenjene okoli vodnikov tuljave /, vendar nekatere od njih na sl. 1b so tudi električne žice 1, 2, 3, 4 sklenjene okoli žic tuljave //. Tako je tuljava // magnetno povezana s tuljavo / s pomočjo magnetnih silnic.

Stopnja magnetnega sklopa tuljav /in // je pri njuni soosni razporeditvi odvisna od medsebojne razdalje: bolj ko sta tuljavi drug od drugega, manj je magnetnega sklopa med njima, ker manj je silnic na tuljava /prilepiti se na tuljavo //.

Ker tuljava / prehaja skozi, kot predpostavljamo, enofazni izmenični tok, to je tok, ki se s časom spreminja po nekem zakonu, na primer po sinusnem zakonu, potem se bo magnetno polje, ki ga ustvari, sčasoma spreminjalo po istem zakonu.

Na primer, ko gre tok v tuljavi / skozi največjo vrednost, potem tudi magnetni tok, ki ga ustvari, prehaja skozi največjo vrednost; ko gre tok v tuljavi / skozi ničlo in spremeni svojo smer, potem gre tudi magnetni tok skozi ničlo in prav tako spremeni svojo smer.

Zaradi spreminjanja toka v tuljavi / obe tuljavi / in // prodre magnetni tok, ki nenehno spreminja svojo vrednost in smer. V skladu z osnovnim zakonom elektromagnetne indukcije se za vsako spremembo magnetnega toka, ki prodira skozi tuljavo, v tuljavi inducira izmenični tok elektromotorna sila… V našem primeru se v tuljavi / inducira elektromotorna sila samoindukcije, v tuljavi // pa elektromotorna sila medsebojne indukcije.

Če so konci tuljave // ​​povezani z vezjem sprejemnikov električne energije (glej sliko 1a), se bo v tem vezju pojavil tok; zato bodo sprejemniki prejemali električno energijo. Hkrati bo energija usmerjena v navitje /iz generatorja, skoraj enaka energiji, ki jo navitje daje vezju //. Na ta način se bo električna energija iz ene tuljave prenašala v tokokrog druge tuljave, ki je galvansko (kovinsko) popolnoma nepovezana s prvo tuljavo, v tem primeru pa je sredstvo prenosa energije le izmenični magnetni tok.

Prikazano na sl. 1a je transformator zelo nepopoln, ker je med primarnim navitjem /in sekundarnim navitjem // majhna magnetna sklopka.

Magnetna sklopitev dveh tuljav je na splošno ocenjena z razmerjem med magnetnim pretokom, povezanim z dvema tuljavama, in pretokom, ki ga ustvari ena tuljava.

sl. 1b je razvidno, da je samo del silnic tuljave /sklenjen okoli tuljave //. Drugi del električnih vodov (na sliki 1b - linije 6, 7, 8) je zaprt samo okoli tuljave /. Ti daljnovodi sploh ne sodelujejo pri prenosu električne energije iz prve tuljave v drugo, tvorijo tako imenovano razpršeno polje.

Da bi povečali magnetno sklopitev med primarnim in sekundarnim navitjem in hkrati zmanjšali magnetni upor za prehod magnetnega toka, so navitja tehničnih transformatorjev nameščena na popolnoma zaprtih železnih jedrih.

Prvi primer izvedbe transformatorjev je shematsko prikazan na sl. 2 enofazni transformator tako imenovanega tipa palice. Njegove primarne in sekundarne tuljave c1 in c2 se nahajajo na železnih palicah a — a, ki so na koncih povezane z železnimi ploščami b — b, imenovanimi jarmi. Na ta način dve palici a, a in dva jarma b, b tvorijo sklenjen železen obroč, v katerem prehaja magnetni tok, blokiran s primarnim in sekundarnim navitjem. Ta železni obroč se imenuje jedro transformatorja.

riž. 2.

Druga izvedba transformatorjev je shematično prikazana na sl. 3 enofazni transformator tako imenovanega oklepnega tipa. V tem transformatorju sta primarno in sekundarno navitje c, vsako sestavljeno iz vrste ravnih navitij, nameščena na jedro, ki ga tvorita dve palici dveh železnih obročev a in b. Obroča a in b, ki obdajata navitja, sta skoraj v celoti prekrita z oklepom, zato se opisani transformator imenuje oklepni. Magnetni tok, ki poteka znotraj tuljav c, je razdeljen na dva enaka dela, od katerih je vsak zaprt v svojem železnem obroču.

riž. 3

Uporaba zaprtih železnih magnetnih vezij v transformatorjih doseže znatno zmanjšanje toka uhajanja. V takih transformatorjih so tokovi, povezani s primarnim in sekundarnim navitjem, skoraj enaki drug drugemu. Če predpostavimo, da sta primarna in sekundarna navitja prežeta z enakim magnetnim tokom, lahko zapišemo izraze, ki temeljijo na skupnem induciranem udaru za trenutne vrednosti elektromotornih sil navitij:

V teh izrazih sta w1 in w2 število ovojev primarnega in sekundarnega navitja, dFt pa je velikost spremembe v prodornem navitju magnetnega pretoka na časovni element dt, zato obstaja stopnja spremembe magnetnega pretoka . Iz zadnjih izrazov lahko dobimo naslednjo zvezo:

tj. označene v primarnem in sekundarnem navitju / in // trenutne elektromotorne sile so med seboj povezane na enak način kot število ovojev tuljav. Zadnji sklep velja ne samo glede trenutnih vrednosti elektromotornih sil, temveč tudi glede njihovih največjih in efektivnih vrednosti.

Elektromotorna sila, inducirana v primarnem navitju, kot elektromotorna sila samoindukcije, skoraj popolnoma uravnoteži napetost, ki se uporablja za isto navitje ... Če z E1 in U1 navedete efektivne vrednosti elektromotorne sile primarnega navitja in nanj uporabljene napetosti, potem lahko zapišete:

Elektromotorna sila, inducirana v sekundarnem navitju, je v obravnavanem primeru enaka napetosti na koncih tega navitja.

Če, tako kot prejšnji, skozi E2 in U2 navedete efektivne vrednosti elektromotorne sile sekundarnega navitja in napetosti na njegovih koncih, potem lahko zapišete:

Zato lahko z uporabo določene napetosti na eno navitje transformatorja dobite poljubno napetost na koncih druge tuljave, le vzeti morate ustrezno razmerje med številom obratov teh tuljav. To je glavna lastnost transformatorja.

Razmerje med številom ovojev primarnega navitja in številom ovojev sekundarnega navitja se imenuje transformatorsko razmerje transformatorja... Koeficient transformacije bomo označili kT.

Zato lahko zapišemo:

Transformator, katerega transformacijsko razmerje je manjše od ena, se imenuje povečevalni transformator, ker je napetost sekundarnega navitja ali tako imenovana sekundarna napetost večja od napetosti primarnega navitja ali tako imenovane primarne napetosti. . Transformator s transformacijskim razmerjem, večjim od ena, se imenuje padajoči transformator, ker je njegova sekundarna napetost manjša od primarne.

Delovanje enofaznega transformatorja pod obremenitvijo

Med prostim tekom transformatorja ustvarja magnetni pretok tok primarnega navitja oziroma magnetomotorna sila primarnega navitja. Ker je magnetno vezje transformatorja izdelano iz železa in ima zato nizek magnetni upor, število ovojev primarnega navitja pa se na splošno domneva, da je veliko, je tok brez obremenitve transformatorja majhen, znaša 5- 10% normalnega.

Če zaprete sekundarno tuljavo na nekaj upora, se bo s pojavom toka v sekundarni tuljavi pojavila tudi magnetna sila te tuljave.

Po Lenzovem zakonu deluje magnetna sila sekundarne tuljave proti magnetni sili primarne tuljave.

Zdi se, da bi se moral magnetni tok v tem primeru zmanjšati, če pa na primarno navitje nanesemo konstantno napetost, se skoraj ne bo zmanjšal magnetni tok.

Pravzaprav je elektromotorna sila, inducirana v primarnem navitju, ko je transformator obremenjen, skoraj enaka uporabljeni napetosti. Ta elektromotorna sila je sorazmerna z magnetnim tokom.Torej, če je primarna napetost konstantna po velikosti, mora elektromotorna sila pod obremenitvijo ostati skoraj enaka, kot je bila med delovanjem transformatorja v prostem teku. Ta okoliščina vodi do skoraj popolne konstantnosti magnetnega pretoka pod katero koli obremenitvijo.

Tako se pri konstantni vrednosti primarne napetosti magnetni pretok transformatorja skoraj ne spreminja s spremembo obremenitve in se lahko predpostavi, da je enak magnetnemu pretoku v prostem teku.

Magnetni pretok transformatorja lahko ohrani svojo vrednost pod obremenitvijo le zato, ker se s pojavom toka v sekundarnem navitju poveča tudi tok v primarnem navitju, tako da razlika med magnetomotornimi silami ali amperskimi obrati primara in sekundara navitij ostaja skoraj enaka magnetomotorni sili ali amperobratom med prostim tekom ... Tako pojav razmagnetne magnetomotorne sile ali amperobratov v sekundarnem navitju spremlja samodejno povečanje magnetomotorne sile primarnega navitja.

Ker je, kot je navedeno zgoraj, za ustvarjanje magnetnega toka transformatorja potrebna majhna magnetna sila, lahko rečemo, da povečanje sekundarne magnetne sile spremlja povečanje primarne magnetne sile, ki je skoraj enaka po velikosti.

Zato lahko zapišemo:

Iz te enakosti dobimo drugo glavno karakteristiko transformatorja, in sicer razmerje:

kjer je kt transformacijski faktor.

Zato je razmerje med tokovi primarnega in sekundarnega navitja transformatorja enako ena, deljeno s transformacijskim razmerjem.

Torej, glavne značilnosti transformatorja imeti razmerje

in

Če pomnožimo leve strani razmerja eno z drugo in desne strani drugo z drugo, dobimo

in

Zadnja enakost daje tretjo karakteristiko transformatorja, ki jo lahko izrazimo z naslednjimi besedami: moč, ki jo oddaja sekundarno navitje transformatorja v volt-amperih, je skoraj enaka moči, ki jo dovaja primarno navitje tudi v volt-amperih. .

Če zanemarimo izgube energije v bakru navitij in v železu jedra transformatorja, potem lahko rečemo, da se vsa moč, dovedena v primarno navitje transformatorja iz vira energije, prenese v njegovo sekundarno navitje in oddajnik je magnetni tok.