Zasada działania i urządzenie transformatora jednofazowego

Jednofazowy transformator bez obciążenia

Transformatory w elektrotechnice nazywane są takimi urządzeniami elektrycznymi, w których energia elektryczna prądu przemiennego z jednej nieruchomej cewki drutu jest przenoszona na inną nieruchomą cewkę drutu, która nie jest elektrycznie połączona z pierwszą.

Łączem, które przenosi energię z jednej cewki do drugiej, jest strumień magnetyczny, który zazębia się z dwiema cewkami i stale zmienia wielkość i kierunek.

Ryż. 1.

na ryc. 1a przedstawia najprostszy transformator składający się z dwóch uzwojeń / i / / ułożonych współosiowo jedno nad drugim. Do cewki / dostarczone prąd przemienny z alternatora D. Uzwojenie to nazywane jest uzwojeniem pierwotnym lub uzwojeniem pierwotnym. Z uzwojeniem // zwanym uzwojeniem wtórnym lub uzwojeniem wtórnym, obwód jest połączony przez odbiorniki energii elektrycznej.

Zasada działania transformatora

Działanie transformatora jest następujące. Kiedy prąd płynie w uzwojeniu pierwotnym / jest tworzony pole magnetyczne, których linie sił przenikają nie tylko do uzwojenia które je stworzyło, ale także częściowo do uzwojenia wtórnego //. Przybliżony obraz rozkładu linii sił tworzonych przez uzwojenie pierwotne pokazano na rys. 1b.

Jak widać na rysunku, wszystkie linie sił są zamknięte wokół przewodów cewki /, ale niektóre z nich na ryc. 1b, przewody elektryczne 1, 2, 3, 4 są również zamknięte wokół drutów cewki //. W ten sposób cewka // jest sprzężona magnetycznie z cewką / za pomocą linii pola magnetycznego.

Stopień sprzężenia magnetycznego cewek /i //, przy ich współosiowym układzie, zależy od odległości między nimi: im dalej od siebie znajdują się cewki, tym mniejsze jest sprzężenie magnetyczne między nimi, ponieważ mniej linii sił działających na cewka /przyklej do cewki //.

Ponieważ cewka / przechodzi, jak zakładamy, jednofazowy prąd przemienny, to znaczy prąd, który zmienia się w czasie zgodnie z pewnym prawem, na przykład zgodnie z prawem sinusoidalnym, wówczas wytworzone przez niego pole magnetyczne również będzie się zmieniać w czasie zgodnie z tym samym prawem.

Na przykład, gdy prąd w cewce / przechodzi przez największą wartość, to generowany przez nią strumień magnetyczny również przechodzi przez największą wartość; gdy prąd w cewce / przechodzi przez zero, zmieniając swój kierunek, wówczas strumień magnetyczny również przechodzi przez zero, również zmieniając swój kierunek.

W wyniku zmiany prądu w cewce / obie cewki / i // przenikane są przez strumień magnetyczny, stale zmieniający jego wartość i kierunek. Zgodnie z podstawowym prawem indukcji elektromagnetycznej, przy każdej zmianie strumienia magnetycznego przechodzącego przez cewkę, w cewce indukowany jest prąd przemienny siła elektromotoryczna… W naszym przypadku siła elektromotoryczna samoindukcji jest indukowana w cewce /, a siła elektromotoryczna wzajemnej indukcji jest indukowana w cewce //.

Jeżeli końce cewki // zostaną podłączone do obwodu odbiorników energii elektrycznej (patrz ryc. 1a), to w tym obwodzie pojawi się prąd; w związku z tym odbiorniki otrzymają energię elektryczną. W tym samym czasie do uzwojenia /z prądnicy zostanie skierowana energia prawie równa energii podanej do obwodu przez uzwojenie //. W ten sposób energia elektryczna z jednej cewki zostanie przekazana do obwodu drugiej cewki, która jest całkowicie niezwiązana galwanicznie (metalowo) z pierwszą cewką.W tym przypadku środkiem przenoszenia energii jest jedynie zmienny strumień magnetyczny.

Pokazano na ryc. 1a, transformator jest bardzo niedoskonały, ponieważ występuje niewielkie sprzężenie magnetyczne między uzwojeniem pierwotnym /i uzwojeniem wtórnym //.

Sprzężenie magnetyczne dwóch cewek, ogólnie mówiąc, jest szacowane na podstawie stosunku strumienia magnetycznego sprzężonego z dwiema cewkami do strumienia wytwarzanego przez jedną cewkę.

Figa. 1b widać, że tylko część linii pola cewki / jest zamknięta wokół cewki //. Pozostała część linii elektroenergetycznych (na rys. 1b — linie 6, 7, 8) jest zamknięta tylko wokół cewki /. Te linie energetyczne w ogóle nie biorą udziału w przekazywaniu energii elektrycznej z pierwszej cewki do drugiej, tworzą tak zwane pole błądzące.

W celu zwiększenia sprzężenia magnetycznego pomiędzy uzwojeniem pierwotnym i wtórnym, a jednocześnie zmniejszenia oporu magnetycznego dla przepływu strumienia magnetycznego, uzwojenia transformatorów technicznych są umieszczane na całkowicie zamkniętych rdzeniach żelaznych.

Pierwszy przykład realizacji transformatorów pokazano schematycznie na ryc. 2 transformatory jednofazowe typu prętowego tzw. Jego cewki pierwotna i wtórna c1 i c2 są umieszczone na żelaznych prętach a — a, połączonych na końcach żelaznymi płytkami b — b, zwanymi jarzmami. W ten sposób dwa pręty a, a i dwa jarzma b, b tworzą zamknięty żelazny pierścień, w którym przepływa strumień magnetyczny zablokowany przez uzwojenie pierwotne i wtórne. Ten żelazny pierścień nazywa się rdzeniem transformatora.

Ryż. 2.

Drugi przykład wykonania transformatorów pokazano schematycznie na ryc. 3 transformator jednofazowy tzw. typu pancernego. W transformatorze tym uzwojenia pierwotne i wtórne c, z których każde składa się z rzędu płaskich uzwojeń, są umieszczone na rdzeniu utworzonym z dwóch prętów z dwóch żelaznych pierścieni a i b. Pierścienie a i b otaczające uzwojenia pokrywają je prawie w całości pancerzem, dlatego opisywany transformator nazywany jest zbrojonym. Strumień magnetyczny przechodzący przez cewki c jest podzielony na dwie równe części, z których każda jest zamknięta we własnym żelaznym pierścieniu.

Ryż. 3

Zastosowanie zamkniętych żelaznych obwodów magnetycznych w transformatorach pozwala na znaczne zmniejszenie prądu upływu. W takich transformatorach strumienie podłączone do uzwojenia pierwotnego i wtórnego są prawie sobie równe. Jeżeli przyjmiemy, że przez uzwojenia pierwotne i wtórne przepływa ten sam strumień magnetyczny, możemy zapisać wyrażenia oparte na całkowitym indukowanym wstrząsie dla chwilowych wartości sił elektromotorycznych uzwojeń:

W tych wyrażeniach w1 i w2 — liczba zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego, a dFt jest wielkością zmiany przenikającego uzwojenia strumienia magnetycznego na element czasu dt, a zatem istnieje szybkość zmiany strumienia magnetycznego . Z ostatnich wyrażeń można otrzymać następującą zależność:

tj. wskazane w uzwojeniach pierwotnym i wtórnym / i // chwilowe siły elektromotoryczne są ze sobą powiązane w taki sam sposób, jak liczba zwojów cewek. Ostatni wniosek jest ważny nie tylko w odniesieniu do chwilowych wartości sił elektromotorycznych, ale także w odniesieniu do ich największych i efektywnych wartości.

Siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu pierwotnym, jako siła elektromotoryczna samoindukcji, prawie całkowicie równoważy napięcie przyłożone do tego samego uzwojenia... Jeśli przez E1 i U1 wskażesz efektywne wartości siły elektromotorycznej uzwojenia pierwotnego i przyłożonego do niego napięcia, to można napisać:

Siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu wtórnym w rozpatrywanym przypadku jest równa napięciu na końcach tego uzwojenia.

Jeśli, podobnie jak poprzednio, poprzez E2 i U2 wskażesz skuteczne wartości siły elektromotorycznej uzwojenia wtórnego i napięcia na jego końcach, to możesz napisać:

Dlatego przykładając pewne napięcie do jednego uzwojenia transformatora, można uzyskać dowolne napięcie na końcach drugiej cewki, wystarczy wziąć odpowiedni stosunek liczby zwojów tych cewek. To jest główna właściwość transformatora.

Nazywa się stosunek liczby zwojów uzwojenia pierwotnego do liczby zwojów uzwojenia wtórnego przekładnia transformatora... Będziemy oznaczać współczynnik transformacji kT.

Dlatego można napisać:

Transformator, którego przekładnia jest mniejsza od jedności, nazywany jest transformatorem podwyższającym napięcie, ponieważ napięcie uzwojenia wtórnego, czyli tzw. napięcie wtórne, jest większe niż napięcie uzwojenia pierwotnego, czyli tzw. . Transformator o współczynniku transformacji większym niż jeden nazywany jest transformatorem obniżającym napięcie, ponieważ jego napięcie wtórne jest mniejsze niż napięcie pierwotne.

Praca transformatora jednofazowego pod obciążeniem

Podczas biegu jałowego transformatora strumień magnetyczny jest wytwarzany przez prąd uzwojenia pierwotnego lub raczej przez siłę magnetomotoryczną uzwojenia pierwotnego. Ponieważ obwód magnetyczny transformatora jest wykonany z żelaza i dlatego ma niski opór magnetyczny, a liczba zwojów uzwojenia pierwotnego jest ogólnie uważana za dużą, prąd jałowy transformatora jest mały, wynosi 5- 10% normy.

Jeśli zamkniesz cewkę wtórną do pewnego oporu, to wraz z pojawieniem się prądu w cewce wtórnej pojawi się również siła magnetomotoryczna tej cewki.

Zgodnie z prawem Lenza siła magnetomotoryczna cewki wtórnej działa przeciwnie do siły magnetomotorycznej cewki pierwotnej

Wydaje się, że strumień magnetyczny w tym przypadku powinien się zmniejszyć, ale jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie przyłożone stałe napięcie, wówczas prawie nie będzie spadku strumienia magnetycznego.

W rzeczywistości siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu pierwotnym, gdy transformator jest obciążony, jest prawie równa przyłożonemu napięciu. Ta siła elektromotoryczna jest proporcjonalna do strumienia magnetycznego.Dlatego, jeśli napięcie pierwotne jest stałe co do wielkości, to siła elektromotoryczna pod obciążeniem powinna pozostać prawie taka sama, jak podczas pracy transformatora bez obciążenia. Ta okoliczność prowadzi do prawie całkowitej stałości strumienia magnetycznego pod dowolnym obciążeniem.

Zatem przy stałej wartości napięcia pierwotnego strumień magnetyczny transformatora prawie nie zmienia się wraz ze zmianą obciążenia i można przyjąć, że jest równy strumieniowi magnetycznemu podczas pracy bez obciążenia.

Strumień magnetyczny transformatora może utrzymać swoją wartość pod obciążeniem tylko dlatego, że wraz z pojawieniem się prądu w uzwojeniu wtórnym wzrasta również prąd w uzwojeniu pierwotnym do tego stopnia, że ​​różnica między siłami magnetomotorycznymi lub amperowymi zwojami uzwojenia pierwotnego i wtórnego uzwojenia pozostają prawie równe sile magnetomotorycznej lub amperozwojom podczas pracy na biegu jałowym ... Zatem pojawieniu się rozmagnesowującej siły magnetomotorycznej lub amperozwojów w uzwojeniu wtórnym towarzyszy automatyczny wzrost siły magnetomotorycznej uzwojenia pierwotnego.

Ponieważ, jak wspomniano powyżej, do wytworzenia strumienia magnetycznego transformatora wymagana jest niewielka siła magnetomotoryczna, można powiedzieć, że wzrostowi wtórnej siły magnetomotorycznej towarzyszy wzrost pierwotnej siły magnetomotorycznej, która jest prawie taka sama pod względem wielkości.

Dlatego można napisać:

Z tej równości uzyskuje się drugą główną cechę transformatora, a mianowicie stosunek:

gdzie kt jest współczynnikiem transformacji.

Dlatego stosunek prądów uzwojenia pierwotnego i wtórnego transformatora jest równy jedności podzielonej przez współczynnik transformacji.

Więc, główne cechy transformatora być w związku

I

Jeśli pomnożymy lewe strony relacji przez siebie i prawe strony przez siebie, otrzymamy

I

Ostatnia równość daje trzecią charakterystykę transformatora, którą można wyrazić następująco: moc dostarczana przez uzwojenie wtórne transformatora w woltoamperach jest prawie równa mocy dostarczanej do uzwojenia pierwotnego również w woltoamperach .

Jeśli pominiemy straty energii w miedzi uzwojeń iw żelazie rdzenia transformatora, to możemy powiedzieć, że cała moc dostarczona do uzwojenia pierwotnego transformatora ze źródła jest przekazywana do jego uzwojenia wtórnego, a przekaźnikiem jest strumień magnetyczny.