Princíp činnosti a zariadenie jednofázového transformátora

Jednofázový transformátor naprázdno

Transformátory v elektrotechnike sa nazývajú také elektrické zariadenia, v ktorých sa elektrická energia striedavého prúdu z jednej pevnej cievky drôtu prenáša do inej pevnej cievky drôtu, ktorá nie je elektricky spojená s prvou.

Spojením, ktoré prenáša energiu z jednej cievky do druhej, je magnetický tok, ktorý je vzájomne prepojený s dvoma cievkami a neustále sa mení vo veľkosti a smere.

Ryža. 1.

Na obr. 1a znázorňuje najjednoduchší transformátor pozostávajúci z dvoch vinutí / a / / usporiadaných koaxiálne nad sebou. Do cievky / dodané striedavý prúd z alternátora D. Toto vinutie sa nazýva primárne vinutie alebo primárne vinutie. S vinutím // nazývaným sekundárne vinutie alebo sekundárne vinutie je obvod pripojený cez prijímače elektrickej energie.

Princíp činnosti transformátora

Činnosť transformátora je nasledovná. Keď prúd tečie v primárnom vinutí / vzniká magnetické pole, ktorých siločiary prenikajú nielen do vinutia, ktoré ich vytvorilo, ale čiastočne aj do sekundárneho vinutia //. Približný obraz rozloženia siločiar vytvorených primárnym vinutím je na obr. 1b.

Ako vidno z obrázku, všetky siločiary sú uzavreté okolo vodičov cievky /, ale niektoré z nich na obr. 1b sú elektrické vodiče 1, 2, 3, 4 tiež uzavreté okolo vodičov cievky //. Cievka // je teda magneticky spojená s cievkou / pomocou magnetických siločiar.

Stupeň magnetického spojenia cievok /a // s ich koaxiálnym usporiadaním závisí od vzdialenosti medzi nimi: čím ďalej sú cievky od seba, tým je medzi nimi menšia magnetická väzba, pretože čím je na siločiarach menej siločiar. cievka /prilepiť na cievku //.

Keďže cievka / prechádza, ako predpokladáme, jednofázový striedavý prúd, teda prúd, ktorý sa v čase mení podľa nejakého zákona, napríklad podľa sínusového zákona, potom sa podľa toho istého zákona bude v čase meniť aj ním vytvorené magnetické pole.

Napríklad, keď prúd v cievke / prechádza cez najväčšiu hodnotu, potom ním generovaný magnetický tok tiež prechádza cez najväčšiu hodnotu; keď prúd v cievke / prechádza nulou a mení svoj smer, potom magnetický tok tiež prechádza nulou a tiež mení svoj smer.

V dôsledku zmeny prúdu v cievke / preniká do oboch cievok / a // magnetický tok, ktorý neustále mení svoju hodnotu a smer. Podľa základného zákona elektromagnetickej indukcie sa pri každej zmene magnetického toku prenikajúceho do cievky indukuje v cievke striedavý prúd. elektromotorická sila… V našom prípade sa v cievke // indukuje elektromotorická sila samoindukcie a v cievke // elektromotorická sila vzájomnej indukcie.

Ak sú konce cievky // pripojené k obvodu prijímačov elektrickej energie (pozri obr. 1a), potom sa v tomto obvode objaví prúd; preto budú prijímače dostávať elektrickú energiu. Súčasne bude do vinutia smerovať energia /z generátora, takmer rovnaká ako energia, ktorú vinutie dáva obvodu //. Takto bude elektrická energia z jednej cievky prenášaná do obvodu druhej cievky, ktorá s prvou cievkou galvanicky (kovovo) úplne nesúvisí.V tomto prípade je prostriedkom prenosu energie iba striedavý magnetický tok.

Znázornené na obr. 1a, transformátor je veľmi nedokonalý, pretože medzi primárnym vinutím /a sekundárnym vinutím // je malá magnetická väzba.

Magnetická väzba dvoch cievok, všeobecne povedané, sa odhaduje pomerom magnetického toku pripojeného k dvom cievkam k toku vytvorenému jednou cievkou.

Obr. 1b je vidieť, že len časť siločiar cievky /je uzavretá okolo cievky //. Druhá časť elektrického vedenia (na obr. 1b — vedenia 6, 7, 8) je uzavretá len okolo cievky /. Tieto elektrické vedenia sa vôbec nepodieľajú na prenose elektrickej energie z prvej cievky do druhej, tvoria takzvané rozptylové pole.

Aby sa zvýšila magnetická väzba medzi primárnym a sekundárnym vinutím a zároveň sa znížil magnetický odpor pre prechod magnetického toku, sú vinutia technických transformátorov umiestnené na úplne uzavretých železných jadrách.

Prvý príklad realizácie transformátorov je schematicky znázornený na obr. 2 jednofázový transformátor tyčového typu tzv. Jeho primárne a sekundárne cievky c1 a c2 sú umiestnené na železných tyčiach a — a, spojených na koncoch železnými platňami b — b, nazývaných jarmá. Týmto spôsobom dve tyče a, a a dve jarmá b, b tvoria uzavretý železný prstenec, v ktorom prechádza magnetický tok blokovaný primárnym a sekundárnym vinutím. Tento železný krúžok sa nazýva jadro transformátora.

Ryža. 2.

Druhé uskutočnenie transformátorov je schematicky znázornené na obr. 3 jednofázový transformátor pancierového typu tzv. V tomto transformátore sú primárne a sekundárne vinutia c, z ktorých každé pozostáva z radu plochých vinutí, umiestnené na jadre tvorenom dvoma tyčami z dvoch železných krúžkov a a b. Krúžky a a b obklopujúce vinutia ich takmer úplne pokrývajú pancierovaním, preto sa opísaný transformátor nazýva pancierový. Magnetický tok prechádzajúci vnútri cievok c je rozdelený na dve rovnaké časti, z ktorých každá je uzavretá vo vlastnom železnom prstenci.

Ryža. 3

Použitím uzavretých železných magnetických obvodov v transformátoroch sa dosiahne výrazné zníženie zvodového prúdu. V takýchto transformátoroch sú toky pripojené k primárnemu a sekundárnemu vinutiu takmer rovnaké. Ak predpokladáme, že primárnym a sekundárnym vinutím preniká rovnaký magnetický tok, môžeme napísať výrazy založené na celkovom indukovanom ráze pre okamžité hodnoty elektromotorických síl vinutia:

V týchto výrazoch w1 a w2 — počet závitov primárneho a sekundárneho vinutia a dFt je veľkosť zmeny prenikajúceho vinutia magnetického toku za časový prvok dt, preto existuje rýchlosť zmeny magnetického toku . Z posledných výrazov možno získať nasledujúci vzťah:

t.j. uvedené v primárnom a sekundárnom vinutí / a // okamžité elektromotorické sily sú vo vzájomnom vzťahu rovnakým spôsobom ako počet závitov cievok. Posledný záver platí nielen s ohľadom na okamžité hodnoty elektromotorických síl, ale aj s ohľadom na ich najväčšie a efektívne hodnoty.

Elektromotorická sila indukovaná v primárnom vinutí, ako elektromotorická sila samoindukcie, takmer úplne vyrovnáva napätie aplikované na to isté vinutie... Ak pomocou E1 a U1 uvediete efektívne hodnoty elektromotorickej sily primárneho vinutia a napätia, ktoré je naň aplikované, potom môžete napísať:

Elektromotorická sila indukovaná v sekundárnom vinutí sa v uvažovanom prípade rovná napätiu na koncoch tohto vinutia.

Ak, rovnako ako predchádzajúci, prostredníctvom E2 a U2 uvádzate efektívne hodnoty elektromotorickej sily sekundárneho vinutia a napätia na jeho koncoch, môžete napísať:

Preto privedením nejakého napätia na jedno vinutie transformátora môžete získať akékoľvek napätie na koncoch druhej cievky, len musíte zobrať vhodný pomer medzi počtom závitov týchto cievok. Toto je hlavná vlastnosť transformátora.

Pomer počtu závitov primárneho vinutia k počtu závitov sekundárneho vinutia sa nazýva transformačný pomer transformátora... Budeme označovať transformačný koeficient kT.

Preto možno napísať:

Transformátor, ktorého transformačný pomer je menší ako jedna, sa nazýva stupňovitý transformátor, pretože napätie sekundárneho vinutia alebo takzvané sekundárne napätie je väčšie ako napätie primárneho vinutia alebo tzv. . Transformátor s transformačným pomerom väčším ako jedna sa nazýva zostupný transformátor, pretože jeho sekundárne napätie je menšie ako primárne.

Prevádzka jednofázového transformátora pri zaťažení

Pri voľnobehu transformátora vzniká magnetický tok prúdom primárneho vinutia alebo skôr magnetomotorickou silou primárneho vinutia. Keďže magnetický obvod transformátora je vyrobený zo železa, a preto má nízky magnetický odpor a počet závitov primárneho vinutia sa všeobecne považuje za veľký, prúd transformátora naprázdno je malý, je 5- 10 % normálu.

Ak zatvoríte sekundárnu cievku na určitý odpor, potom s výskytom prúdu v sekundárnej cievke sa objaví aj magnetomotorická sila tejto cievky.

Podľa Lenzovho zákona pôsobí magnetomotorická sila sekundárnej cievky proti magnetomotorickej sile primárnej cievky.

Zdá sa, že magnetický tok by sa v tomto prípade mal znížiť, ale ak sa na primárne vinutie aplikuje konštantné napätie, nedôjde k takmer žiadnemu poklesu magnetického toku.

V skutočnosti je elektromotorická sila indukovaná v primárnom vinutí, keď je transformátor zaťažený, takmer rovnaká ako použité napätie. Táto elektromotorická sila je úmerná magnetickému toku.Preto, ak má primárne napätie konštantnú veľkosť, potom by elektromotorická sila pri zaťažení mala zostať takmer rovnaká ako pri chode transformátora naprázdno. Táto okolnosť vedie k takmer úplnej stálosti magnetického toku pri akomkoľvek zaťažení.

Pri konštantnej hodnote primárneho napätia sa teda magnetický tok transformátora so zmenou zaťaženia takmer nemení a možno ho považovať za rovný magnetickému toku pri chode naprázdno.

Magnetický tok transformátora si pri zaťažení môže udržať svoju hodnotu len preto, že keď sa objaví prúd v sekundárnom vinutí, zväčší sa aj prúd v primárnom vinutí, a to natoľko, že rozdiel medzi magnetomotorickými silami alebo ampérovými závitmi primárneho a sekundárneho vinutia vinutia zostávajú takmer rovnaké ako magnetomotorická sila alebo ampérzávity počas voľnobehu... Vznik demagnetizačnej magnetomotorickej sily alebo ampérzávitov v sekundárnom vinutí je teda sprevádzaný automatickým zvýšením magnetomotorickej sily primárneho vinutia.

Keďže, ako už bolo spomenuté vyššie, na vytvorenie magnetického toku transformátora je potrebná malá magnetomotorická sila, možno povedať, že nárast sekundárnej magnetomotorickej sily je sprevádzaný nárastom primárnej magnetomotorickej sily, ktorej veľkosť je takmer rovnaká.

Preto možno napísať:

Z tejto rovnosti sa získa druhá hlavná charakteristika transformátora, a to pomer:

kde kt je transformačný faktor.

Preto sa pomer prúdov primárneho a sekundárneho vinutia transformátora rovná jednému vydelenému transformačným pomerom.

takže, hlavné charakteristiky transformátora mať vzťah

a

Ak vynásobíme ľavé strany vzťahu navzájom a pravé strany navzájom, dostaneme

a

Posledná rovnosť dáva tretiu charakteristiku transformátora, ktorú možno vyjadriť slovami takto: výkon dodávaný sekundárnym vinutím transformátora vo voltampéroch je takmer rovnaký ako výkon dodávaný do primárneho vinutia tiež vo voltampéroch .

Ak ignorujeme straty energie v medi vinutia a v železe jadra transformátora, potom môžeme povedať, že všetka energia dodávaná do primárneho vinutia transformátora zo zdroja energie sa prenáša na jeho sekundárne vinutie a vysielačom je magnetický tok.