Prinsippet for drift og enheten til en enfaset transformator

Enfase tomgangstransformator

Transformatorer i elektroteknikk kalles slike elektriske enheter der vekselstrøm elektrisk energi fra en fast ledningsspole overføres til en annen fast ledningsspole som ikke er elektrisk koblet til den første.

Linken som overfører energi fra den ene spolen til den andre er den magnetiske fluksen, som griper sammen med de to spolene og endrer seg hele tiden i størrelse og retning.

Ris. 1.

I fig. 1a viser den enkleste transformatoren bestående av to viklinger / og / / anordnet koaksialt over hverandre. Til spolen / levert vekselstrøm fra dynamo D. Denne viklingen kalles primærvikling eller primærvikling. Med en vikling // kalt en sekundærvikling eller sekundærvikling, er en krets koblet gjennom mottakere av elektrisk energi.

Prinsippet for drift av transformatoren

Handlingen til transformatoren er som følger. Når det flyter strøm i primærviklingen / dannes det magnetfelt, hvis kraftlinjer trenger ikke bare inn i viklingen som skapte dem, men også delvis inn i sekundærviklingen //. Et omtrentlig bilde av fordelingen av kraftlinjene skapt av primærviklingen er vist i fig. 1b.

Som det fremgår av figuren, er alle kraftlinjene lukket rundt lederne til spolen /, men noen av dem i fig. 1b er de elektriske ledningene 1, 2, 3, 4 også lukket rundt ledningene til spolen //. Dermed er spole // magnetisk koblet til spole / ved hjelp av magnetiske feltlinjer.

Graden av magnetisk kobling av spolene / og //, med deres koaksiale arrangement, avhenger av avstanden mellom dem: jo lenger spolene er fra hverandre, jo mindre magnetisk kobling mellom dem, fordi jo færre kraftlinjer på coil /feste til coilen //.

Siden spolen / går gjennom, som vi antar, enfaset vekselstrøm, det vil si en strøm som endres over tid i henhold til en eller annen lov, for eksempel i henhold til sinusloven, så vil magnetfeltet som skapes av den også endre seg over tid i henhold til samme lov.

For eksempel, når strømmen i spolen / går gjennom den største verdien, passerer den magnetiske fluksen som genereres av den også gjennom den største verdien; når strømmen i spolen / går gjennom null, endrer retning, så går den magnetiske fluksen også gjennom null, og endrer også retning.

Som et resultat av endring av strømmen i spolen /, blir både spoler / og // penetrert av en magnetisk fluks, som konstant endrer verdi og retning. I henhold til den grunnleggende loven om elektromagnetisk induksjon, for hver endring i den magnetiske fluksen som trenger inn i spolen, induseres en vekselstrøm i spolen elektromotorisk kraft… I vårt tilfelle induseres den elektromotoriske kraften til selvinduksjon i spolen /, og den elektromotoriske kraften til gjensidig induksjon induseres i spolen //.

Hvis endene av spolen // er koblet til en krets av mottakere av elektrisk energi (se fig. 1a), vil en strøm vises i denne kretsen; Derfor vil mottakerne motta elektrisk strøm. Samtidig vil energi ledes til viklingen /fra generatoren, nesten lik energien gitt til kretsen av viklingen //. På denne måten vil elektrisk energi fra den ene spolen overføres til kretsen til den andre spolen, som er galvanisk (metallisk) helt uten slekt med den første spolen.I dette tilfellet er energioverføringen kun en vekslende magnetisk fluks.

Vist i fig. 1a er transformatoren svært ufullkommen fordi det er liten magnetisk kobling mellom primærviklingen /og sekundærviklingen //.

Den magnetiske koblingen av to spoler, generelt sett, estimeres ved forholdet mellom den magnetiske fluksen koblet til de to spolene og fluksen skapt av en spole.

Fig. 1b, kan det sees at bare en del av feltlinjene til spolen /er lukket rundt spolen //. Den andre delen av kraftledningene (i fig. 1b — linjene 6, 7, 8) er kun lukket rundt spolen /. Disse kraftledningene er ikke i det hele tatt involvert i overføringen av elektrisk energi fra den første spolen til den andre, de danner det såkalte strøfeltet.

For å øke den magnetiske koblingen mellom primær- og sekundærviklingen og samtidig redusere den magnetiske motstanden for passering av den magnetiske fluksen, plasseres viklingene til tekniske transformatorer på helt lukkede jernkjerner.

Det første eksemplet på implementering av transformatorer er vist skjematisk i fig. 2 enfaset transformator av såkalt stavtype. Dens primære og sekundære spoler c1 og c2 er plassert på jernstenger a — a, forbundet i endene med jernplater b — b, kalt åk. På denne måten danner to stenger a, a og to åk b, b en lukket jernring, som passerer den magnetiske fluksen blokkert med primær- og sekundærviklingene. Denne jernringen kalles transformatorens kjerne.

Ris. 2.

Den andre utførelsesformen av transformatorer er vist skjematisk i fig. 3 enfaset transformator av såkalt pansret type. I denne transformatoren er primær- og sekundærviklingene c, som hver består av en rad flate viklinger, plassert på en kjerne dannet av to stenger av to jernringer a og b. Ringene a og b som omgir viklingene dekker dem nesten utelukkende med rustning, derfor kalles den beskrevne transformatoren pansret. Den magnetiske fluksen som passerer inne i spolene c er delt i to like deler, som hver er innelukket i sin egen jernring.

Ris. 3

Bruken av lukkede jernmagnetiske kretser i transformatorer oppnår en betydelig reduksjon i lekkasjestrøm. I slike transformatorer er fluksene koblet til primær- og sekundærviklingene nesten like med hverandre. Hvis vi antar at primær- og sekundærviklingene er penetrert av den samme magnetiske fluksen, kan vi skrive uttrykk basert på det totale induserte sjokket for de øyeblikkelige verdiene av de elektromotoriske kreftene til viklingene:

I disse uttrykkene, w1 og w2 — antall vindinger av primær- og sekundærviklingene, og dFt er størrelsen på endringen i den penetrerende viklingen til den magnetiske fluksen per tidselement dt, derfor er det en endringshastighet for den magnetiske fluksen . Fra de siste uttrykkene kan følgende relasjon fås:

dvs. angitt i primær- og sekundærviklingene / og // er de momentane elektromotoriske kreftene relatert til hverandre på samme måte som antall vindinger av spolene. Den siste konklusjonen er gyldig ikke bare med hensyn til de øyeblikkelige verdiene til elektromotoriske krefter, men også med hensyn til deres største og effektive verdier.

Den elektromotoriske kraften indusert i primærviklingen, som en elektromotorisk kraft av selvinduksjon, balanserer nesten fullstendig spenningen påført den samme viklingen ... Hvis du ved E1 og U1 angir de effektive verdiene for den elektromotoriske kraften av primærviklingen og spenningen påført den, så kan du skrive:

Den elektromotoriske kraften indusert i sekundærviklingen, i det aktuelle tilfellet, er lik spenningen over endene av denne viklingen.

Hvis du, som den forrige, gjennom E2 og U2 indikerer de effektive verdiene for den elektromotoriske kraften til sekundærviklingen og spenningen i endene, kan du skrive:

Derfor, ved å bruke litt spenning til en vikling av transformatoren, kan du få hvilken som helst spenning i endene av den andre spolen, du trenger bare å ta et passende forhold mellom antall omdreininger av disse spolene. Dette er hovedegenskapen til transformatoren.

Forholdet mellom antall omdreininger i primærviklingen og antall omdreininger i sekundærviklingen kalles transformasjonsforholdet til transformatoren... Vi vil betegne transformasjonskoeffisienten kT.

Derfor kan man skrive:

En transformator hvis transformasjonsforhold er mindre enn én kalles en step-up transformator, fordi spenningen til sekundærviklingen, eller den såkalte sekundærspenningen, er større enn spenningen til primærviklingen, eller den såkalte primærspenningen . En transformator med et transformasjonsforhold større enn én kalles en nedtrappingstransformator, siden sekundærspenningen er mindre enn primærspenningen.

Drift av en enfaset transformator under belastning

Under tomgang av transformatoren skapes den magnetiske fluksen av primærviklingsstrømmen eller snarere av den magnetomotoriske kraften til primærviklingen. Siden den magnetiske kretsen til transformatoren er laget av jern og derfor har lav magnetisk motstand, og antallet omdreininger i primærviklingen generelt antas å være stort, er tomgangsstrømmen til transformatoren liten, den er 5- 10 % av normalen.

Hvis du lukker sekundærspolen til en viss motstand, vil den magnetomotoriske kraften til denne spolen også vises med strømstyrken i sekundærspolen.

I henhold til Lenzs lov virker den magnetomotoriske kraften til sekundærspolen mot den magnetomotoriske kraften til primærspolen

Det ser ut til at den magnetiske fluksen i dette tilfellet bør avta, men hvis en konstant spenning påføres primærviklingen, vil det nesten ikke være noen reduksjon i magnetisk fluks.

Faktisk er den elektromotoriske kraften indusert i primærviklingen når transformatoren er belastet nesten lik den påførte spenningen. Denne elektromotoriske kraften er proporsjonal med den magnetiske fluksen.Derfor, hvis primærspenningen er konstant i størrelse, bør den elektromotoriske kraften under belastning forbli nesten den samme som den var under tomgangsdrift av transformatoren. Denne omstendigheten fører til nesten fullstendig konstanthet av den magnetiske fluksen under enhver belastning.

Således, ved en konstant verdi av primærspenningen, endres den magnetiske fluksen til transformatoren nesten ikke med endringen av belastning og kan antas lik den magnetiske fluksen under tomgangsdrift.

Den magnetiske fluksen til transformatoren kan bare opprettholde sin verdi under belastning fordi når en strøm vises i sekundærviklingen, øker også strømmen i primærviklingen, så mye at forskjellen mellom de magnetomotoriske kreftene eller ampere-svingene til primær- og sekundærviklingen viklinger forblir nesten lik den magnetomotoriske kraften eller ampere-svingene under tomgang ... Dermed blir utseendet til en avmagnetiserende magnetomotorisk kraft eller ampere-svinger i sekundærviklingen ledsaget av en automatisk økning i den magnetomotoriske kraften til primærviklingen.

Siden det, som nevnt ovenfor, kreves en liten magnetomotorisk kraft for å skape en transformatormagnetisk fluks, kan det sies at en økning i den sekundære magnetomotoriske kraften er ledsaget av en økning i den primære magnetomotoriske kraften, som er nesten den samme i størrelse.

Derfor kan man skrive:

Fra denne likheten oppnås den andre hovedkarakteristikken til transformatoren, nemlig forholdet:

hvor kt er transformasjonsfaktoren.

Derfor er forholdet mellom strømmene til transformatorens primære og sekundære viklinger lik en dividert med transformasjonsforholdet.

Så, hovedegenskapene til transformatoren ha et forhold

og

Hvis vi multipliserer venstresidene av forholdet med hverandre og høyresidene med hverandre, får vi

og

Den siste likheten gir transformatorens tredje karakteristikk, som kan uttrykkes med ord som dette: kraften levert av transformatorens sekundærvikling i volt-ampere er nesten lik kraften levert til primærviklingen også i volt-ampere .

Hvis vi ignorerer energitapene i kobberet til viklingene og i jernet i transformatorkjernen, kan vi si at all kraften som tilføres transformatorens primærvikling fra strømkilden overføres til dens sekundære vikling, og senderen er den magnetiske fluksen.