Vienfazio transformatoriaus veikimo principas ir įtaisas

Vienfazis tuščiosios eigos transformatorius

Elektros inžinerijos transformatoriais vadinami tokie elektros prietaisai, kuriuose kintamoji elektros energija iš vienos fiksuotos vielos ritės perkeliama į kitą stacionarią laido ritę, kuri nėra elektra prijungta prie pirmosios.

Ryšys, perduodantis energiją iš vienos ritės į kitą, yra magnetinis srautas, kuris susijungia su dviem ritėmis ir nuolat kinta savo dydžiu ir kryptimi.

Ryžiai. 1.

Fig. 1a parodytas paprasčiausias transformatorius, susidedantis iš dviejų apvijų / ir / /, išdėstytų koaksialiai viena virš kitos. Į ritę / pristatoma kintamoji srovė nuo generatoriaus D. Ši apvija vadinama pirmine arba pirmine apvija. Su apvija // vadinama antrine apvija arba antrine apvija, grandinė prijungiama per elektros energijos imtuvus.

Transformatoriaus veikimo principas

Transformatoriaus veikimas yra toks. Kai srovė teka pirminėje apvijoje / ji sukuriama magnetinis laukas, kurių jėgos linijos prasiskverbia ne tik į jas sukūrusią apviją, bet ir iš dalies į antrinę apviją //. Apytikslis pirminės apvijos sukurtų jėgos linijų pasiskirstymo vaizdas parodytas fig. 1b.

Kaip matyti iš paveikslo, visos jėgos linijos yra uždarytos aplink ritės / laidininkus, tačiau kai kurios iš jų pav. 1b, elektros laidai 1, 2, 3, 4 taip pat yra uždaryti aplink ritės laidus //. Taigi ritė // yra magnetiškai sujungta su ritė / magnetinio lauko linijomis.

Ričių /ir // magnetinio sujungimo laipsnis su jų bendraašiu išdėstymu priklauso nuo atstumo tarp jų: ​​kuo toliau ritės yra viena nuo kitos, tuo mažesnė magnetinė jungtis tarp jų, nes tuo mažiau jėgų linijų. ritė /prilipti prie ritės //.

Kadangi ritė / praeina, kaip mes manome, vienfazė kintamoji srovė, tai yra srovė, kuri laikui bėgant kinta pagal kažkokį dėsnį, pavyzdžiui, pagal sinuso dėsnį, tai jos sukurtas magnetinis laukas laikui bėgant taip pat keisis pagal tą patį dėsnį.

Pavyzdžiui, kai srovė ritėje / eina per didžiausią vertę, tada jos generuojamas magnetinis srautas taip pat praeina per didžiausią vertę; kai srovė ritėje / eina per nulį, keisdama savo kryptį, tada magnetinis srautas taip pat praeina per nulį, taip pat keičia savo kryptį.

Keičiant srovę ritėje /, abi ritės / ir // prasiskverbia magnetiniu srautu, nuolat keičiant jo vertę ir kryptį. Pagal pagrindinį elektromagnetinės indukcijos dėsnį, kiekvieną kartą keičiant magnetinį srautą, prasiskverbiantį į ritę, ritėje indukuojama kintamoji srovė. elektrovaros jėga… Mūsų atveju saviindukcijos elektrovaros jėga indukuojama ritėje /, o abipusės indukcijos elektrovaros jėga – ritėje //.

Jei ritės // galai prijungti prie elektros energijos imtuvų grandinės (žr. 1a pav.), tai šioje grandinėje atsiras srovė; todėl imtuvai gaus elektros energiją. Tuo pačiu metu energija bus nukreipta į apviją /iš generatoriaus, beveik lygi energijai, kurią grandinei suteikia apvija //. Tokiu būdu elektros energija iš vienos ritės bus perduota į antrosios ritės grandinę, kuri visiškai nesusijusi su pirmąja rite galvaniškai (metalinė) Šiuo atveju energijos perdavimo priemonė yra tik kintamasis magnetinis srautas.

Pavaizduota fig. 1a, transformatorius yra labai netobulas, nes tarp pirminės apvijos / ir antrinės apvijos // yra mažai magnetinės jungties.

Dviejų ritinių magnetinis sujungimas, paprastai kalbant, apskaičiuojamas pagal magnetinio srauto, sujungto su dviem ritėmis, ir srauto, kurį sukuria viena ritė, santykį.

Fig. 1b, matyti, kad tik dalis ritės lauko linijų /uždaryta aplink ritę //. Kita elektros linijų dalis (1b pav. — 6, 7, 8 linijos) uždaroma tik aplink ritę /. Šios elektros linijos visiškai nedalyvauja perduodant elektros energiją iš pirmosios ritės į antrąją, jos sudaro vadinamąjį klajojantį lauką.

Siekiant padidinti magnetinę jungtį tarp pirminės ir antrinės apvijų ir tuo pačiu sumažinti magnetinę varžą magnetinio srauto praėjimui, techninių transformatorių apvijos dedamos ant visiškai uždarų geležinių šerdžių.

Pirmasis transformatorių įgyvendinimo pavyzdys schematiškai parodytas fig. 2 vadinamojo strypo tipo vienfazis transformatorius. Jo pirminė ir antrinė ritės c1 ir c2 yra ant geležinių strypų a — a, galuose sujungtų geležinėmis plokštėmis b — b, vadinamomis jungomis. Tokiu būdu du strypai a, a ir du jungai b, b sudaro uždarą geležinį žiedą, kuriame praeina pirmine ir antrine apvijomis užblokuotas magnetinis srautas. Šis geležinis žiedas vadinamas transformatoriaus šerdimi.

Ryžiai. 2.

Antrasis transformatorių variantas schematiškai parodytas fig. 3 vadinamojo šarvuoto tipo vienfazis transformatorius. Šiame transformatoriuje pirminės ir antrinės apvijos c, kurių kiekviena susideda iš plokščių apvijų eilės, yra dedamos ant šerdies, sudarytos iš dviejų strypų iš dviejų geležinių žiedų a ir b. Apvijas supantys žiedai a ir b jas beveik ištisai dengia šarvais, todėl aprašytas transformatorius vadinamas šarvuotu. Magnetinis srautas, einantis ritės c viduje, yra padalintas į dvi lygias dalis, kurių kiekviena yra uždaryta savo geležiniame žiede.

Ryžiai. 3

Naudojant uždaras geležines magnetines grandines transformatoriuose pasiekiamas reikšmingas nuotėkio srovės sumažėjimas. Tokiuose transformatoriuose prie pirminės ir antrinės apvijų prijungti srautai yra beveik lygūs vienas kitam. Jei darysime prielaidą, kad pirminę ir antrinę apvijas prasiskverbia tas pats magnetinis srautas, apvijų elektrovaros jėgų momentinėms vertėms galime parašyti išraiškas, pagrįstas visu sukeltu smūgiu:

Šiose išraiškose w1 ir w2 — pirminės ir antrinės apvijų apsisukimų skaičius, o dFt yra magnetinio srauto prasiskverbiančios apvijos pokyčio dydis per laiko elementą dt, todėl yra magnetinio srauto kitimo greitis. . Iš paskutinių išraiškų galima gauti tokį ryšį:

t.y. nurodytos pirminėje ir antrinėje apvijoje / ir // momentinės elektrovaros jėgos yra susijusios viena su kita taip pat kaip ir ritinių apsisukimų skaičius. Paskutinė išvada galioja ne tik atsižvelgiant į momentines elektrovaros jėgų vertes, bet ir į didžiausias bei efektyviausias jų vertes.

Pirminėje apvijoje indukuota elektrovaros jėga, kaip saviindukcijos elektrovaros jėga, beveik visiškai subalansuoja tai pačiai apvijai taikomą įtampą... Jei E1 ir U1 nurodote efektyvias elektrovaros jėgos reikšmes pirminės apvijos ir jai taikomos įtampos, galite parašyti:

Antrinėje apvijoje indukuojama elektrovaros jėga nagrinėjamu atveju yra lygi įtampai šios apvijos galuose.

Jei, kaip ir ankstesnis, per E2 ir U2 nurodote efektyviąsias antrinės apvijos elektrovaros jėgos vertes ir įtampą jos galuose, galite parašyti:

Todėl įjungus tam tikrą įtampą vienai transformatoriaus apvijai, kitos ritės galuose galima gauti bet kokią įtampą, tereikia paimti tinkamą santykį tarp šių ritių apsisukimų skaičiaus. Tai yra pagrindinė transformatoriaus savybė.

Vadinamas pirminės apvijos vijų skaičiaus ir antrinės apvijos apsisukimų skaičiaus santykis transformatoriaus transformacijos koeficientas... Pažymėsime transformacijos koeficientą kT.

Todėl galima rašyti:

Transformatorius, kurio transformacijos koeficientas yra mažesnis už vieną, vadinamas pakopiniu transformatoriumi, nes antrinės apvijos įtampa arba vadinamoji antrinė įtampa yra didesnė už pirminės apvijos įtampą, arba vadinamąją pirminę įtampą. . Transformatorius, kurio transformacijos koeficientas yra didesnis nei vienas, vadinamas žeminamuoju transformatoriumi, nes jo antrinė įtampa yra mažesnė nei pirminės.

Vienfazio transformatoriaus veikimas esant apkrovai

Transformatoriaus tuščiosios eigos metu magnetinį srautą sukuria pirminės apvijos srovė arba, tiksliau, pirminės apvijos magnetomotorinė jėga. Kadangi transformatoriaus magnetinė grandinė yra pagaminta iš geležies, todėl turi mažą magnetinę varžą, o pirminės apvijos apsisukimų skaičius paprastai laikomas dideliu, transformatoriaus tuščiosios eigos srovė yra maža, ji yra 5- 10% normalaus.

Jei uždarysite antrinę ritę iki tam tikro pasipriešinimo, tada, atsiradus srovei antrinėje ritėje, atsiras ir šios ritės magnetomotorinė jėga.

Pagal Lenco dėsnį antrinės ritės magnetomovartinė jėga veikia prieš pirminės ritės magnetovaros jėgą.

Atrodo, kad magnetinis srautas šiuo atveju turėtų sumažėti, tačiau jei pirminei apvijai bus taikoma pastovi įtampa, magnetinis srautas beveik nesumažės.

Tiesą sakant, elektrovaros jėga, sukelta pirminėje apvijoje, kai transformatorius yra apkrautas, yra beveik lygi taikomai įtampai. Ši elektrovaros jėga yra proporcinga magnetiniam srautui.Todėl, jei pirminė įtampa yra pastovaus dydžio, tada elektrovaros jėga veikiant apkrovai turėtų išlikti beveik tokia pati, kokia buvo veikiant transformatoriui be apkrovos. Ši aplinkybė lemia beveik visišką magnetinio srauto pastovumą esant bet kokiai apkrovai.

Taigi, esant pastoviai pirminei įtampai, transformatoriaus magnetinis srautas beveik nesikeičia keičiantis apkrovai ir gali būti laikomas lygiu magnetiniam srautui veikiant be apkrovos.

Transformatoriaus magnetinis srautas gali išlaikyti savo vertę veikiant apkrovai tik todėl, kad antrinėje apvijoje atsirandant srovei, didėja ir pirminės apvijos srovė tiek, kad skirtumas tarp pirminės ir antrinės magnetovaros jėgų arba amperų posūkių. apvijos lieka beveik lygios magnetovaros jėgai arba amperų posūkiams veikiant tuščiąja eiga... Taigi, antrinėje apvijoje atsiranda demagnetizuojančios magnetovaros jėgos arba amperų posūkiai, kartu automatiškai didėja pirminės apvijos magnetovaros jėga.

Kadangi, kaip minėta aukščiau, norint sukurti transformatoriaus magnetinį srautą, reikia nedidelės magnetovaros jėgos, galima teigti, kad antrinės magnetovaros jėgos padidėjimas kartu su pirminės magnetovaros jėgos padidėjimu, kuris yra beveik tokio paties dydžio.

Todėl galima rašyti:

Iš šios lygybės gaunama antra pagrindinė transformatoriaus charakteristika, būtent santykis:

kur kt yra transformacijos koeficientas.

Todėl transformatoriaus pirminės ir antrinės apvijų srovių santykis yra lygus vienam, padalytam iš transformacijos santykio.

Taigi, Pagrindinės transformatoriaus charakteristikos turėti santykių

ir

Jei kairiąsias santykių puses padauginsime viena iš kitos, o dešines – vieną iš kitos, gausime

ir

Paskutinė lygybė suteikia trečiąją transformatoriaus charakteristiką, kurią galima išreikšti tokiais žodžiais: transformatoriaus antrinės apvijos tiekiama galia voltais yra beveik lygi pirminės apvijos tiekiamai galiai, taip pat voltais amperais. .

Jei nepaisysime energijos nuostolių apvijų varyje ir transformatoriaus šerdies geležyje, tai galime teigti, kad visa transformatoriaus pirminei apvijai tiekiama galia iš maitinimo šaltinio perduodama į jo antrinę apviją, o siųstuvas yra magnetinis srautas.