Principiul de funcționare și dispozitivul unui transformator monofazat

Transformator monofazat fără sarcină

Transformatoarele din inginerie electrică sunt numite astfel de dispozitive electrice în care energia electrică de curent alternativ de la o bobină fixă ​​de sârmă este transferată la o altă bobină fixă ​​de sârmă care nu este conectată electric la prima.

Legătura care transmite energie de la o bobină la alta este fluxul magnetic, care se interconectează cu cele două bobine și se schimbă constant în mărime și direcție.

Orez. 1.

În fig. 1a prezintă cel mai simplu transformator format din două înfăşurări / şi / / dispuse coaxial una deasupra celeilalte. La bobină / livrat curent alternativ de la alternatorul D. Această înfășurare se numește înfășurare primară sau înfășurare primară. Cu o înfășurare // numită înfășurare secundară sau înfășurare secundară, un circuit este conectat prin receptori de energie electrică.

Principiul de funcționare al transformatorului

Acțiunea transformatorului este următoarea. Când curge curent în înfășurarea primară / este creat camp magnetic, ale căror linii de forță pătrund nu numai în înfășurarea care le-a creat, ci și parțial în înfășurarea secundară //. O imagine aproximativă a distribuției liniilor de forță create de înfășurarea primară este prezentată în Fig. 1b.

După cum se poate observa din figură, toate liniile de forță sunt închise în jurul conductorilor bobinei /, dar unele dintre ele în fig. 1b, firele electrice 1, 2, 3, 4 sunt de asemenea închise în jurul firelor bobinei //. Astfel bobina // este cuplată magnetic la bobină / prin intermediul liniilor de câmp magnetic.

Gradul de cuplare magnetică a bobinelor /și //, cu aranjamentul lor coaxial, depinde de distanța dintre ele: cu cât bobinele sunt mai îndepărtate una de cealaltă, cu atât mai puțină cuplare magnetică între ele, deoarece liniile de forță pe cola / lipi de cola //.

Deoarece bobina / trece prin, așa cum presupunem, curent alternativ monofazat, adică un curent care se modifică în timp după o anumită lege, de exemplu, după legea sinusului, atunci câmpul magnetic creat de acesta se va modifica și el în timp după aceeași lege.

De exemplu, când curentul din bobină / trece prin cea mai mare valoare, atunci fluxul magnetic generat de aceasta trece și el prin cea mai mare valoare; când curentul din bobină / trece prin zero, schimbându-și direcția, atunci și fluxul magnetic trece prin zero, schimbându-și și direcția.

Ca urmare a schimbarii curentului din bobina /, ambele bobine / si // sunt patrunse de un flux magnetic, schimbandu-i constant valoarea si directia. Conform legii de bază a inducției electromagnetice, pentru fiecare modificare a fluxului magnetic care pătrunde în bobină, este indus un curent alternativ în bobină. forta electromotoare… În cazul nostru, forța electromotoare a autoinducției este indusă în bobina /, iar forța electromotoare a inducției reciproce este indusă în bobina //.

Dacă capetele bobinei // sunt conectate la un circuit de receptoare de energie electrică (vezi Fig. 1a), atunci în acest circuit va apărea un curent; prin urmare receptorii vor primi energie electrică. În același timp, energia va fi direcționată către înfășurarea /de la generator, aproape egală cu energia dată circuitului de înfășurare //. În acest fel, energia electrică dintr-o bobină va fi transmisă în circuitul celei de-a doua bobine, care nu are nicio legătură galvanică (metalic) cu prima bobină.În acest caz, mijlocul de transmitere a energiei este doar un flux magnetic alternativ.

Arată în fig. 1a, transformatorul este foarte imperfect deoarece există puțină cuplare magnetică între înfășurarea primară /și înfășurarea secundară //.

Cuplarea magnetică a două bobine, în general, este estimată prin raportul dintre fluxul magnetic cuplat la cele două bobine și fluxul creat de o bobină.

Smochin. 1b, se poate observa că numai o parte din liniile de câmp ale bobinei / este închisă în jurul bobinei //. Cealaltă parte a liniilor electrice (în Fig. 1b - liniile 6, 7, 8) este închisă numai în jurul bobinei /. Aceste linii electrice nu sunt deloc implicate în transferul de energie electrică de la prima bobină la a doua, ele formează așa-numitul câmp parazit.

Pentru a crește cuplarea magnetică între înfășurările primare și secundare și în același timp pentru a reduce rezistența magnetică pentru trecerea fluxului magnetic, înfășurările transformatoarelor tehnice sunt așezate pe miezuri de fier complet închise.

Primul exemplu de implementare a transformatoarelor este prezentat schematic în fig. 2 transformator monofazat de așa-numit tip tijă. Bobinele sale primare și secundare c1 și c2 sunt situate pe tije de fier a — a, legate la capete cu plăci de fier b — b, numite juguri. În acest fel, două tije a, a și două juguri b, b formează un inel de fier închis, în care trece fluxul magnetic blocat cu înfășurările primare și secundare. Acest inel de fier este numit miezul transformatorului.

Orez. 2.

A doua variantă de realizare a transformatoarelor este prezentată schematic în fig. 3 transformator monofazat de așa-numitul tip blindat. În acest transformator înfășurările primare și secundare c, fiecare constând dintr-un rând de înfășurări plate, sunt așezate pe un miez format din două bare din două inele de fier a și b. Inelele a și b care înconjoară înfășurările le acoperă aproape în întregime cu blindaj, prin urmare transformatorul descris se numește blindat. Fluxul magnetic care trece în interiorul bobinelor c este împărțit în două părți egale, fiecare fiind închisă în propriul său inel de fier.

Orez. 3

Utilizarea circuitelor magnetice închise de fier în transformatoare realizează o reducere semnificativă a curentului de scurgere. În astfel de transformatoare, fluxurile conectate la înfășurările primare și secundare sunt aproape egale între ele. Dacă presupunem că înfășurările primare și secundare sunt pătrunse de același flux magnetic, putem scrie expresii bazate pe șocul total indus pentru valorile instantanee ale forțelor electromotoare ale înfășurărilor:

În aceste expresii, w1 și w2 - numărul de spire ale înfășurărilor primare și secundare, iar dFt este mărimea modificării în înfășurarea penetrantă a fluxului magnetic pe elementul de timp dt, prin urmare există o rată de modificare a fluxului magnetic . Din ultimele expresii se poate obține următoarea relație:

adică indicate în înfășurările primare și secundare / și // forțele electromotoare de moment sunt raportate între ele în același mod ca și numărul de spire ale bobinelor. Ultima concluzie este valabilă nu numai în ceea ce privește valorile instantanee ale forțelor electromotoare, ci și în ceea ce privește valorile lor cele mai mari și efective.

Forța electromotoare indusă în înfășurarea primară, ca forță electromotoare de auto-inducție, echilibrează aproape complet tensiunea aplicată aceleiași înfășurări... Dacă prin E1 și U1 indicați valorile efective ale forței electromotoare. a înfășurării primare și a tensiunii aplicate acesteia, atunci puteți scrie:

Forța electromotoare indusă în înfășurarea secundară, în cazul în cauză, este egală cu tensiunea la capetele acestei înfășurări.

Dacă, ca și precedentul, prin E2 și U2 indicați valorile efective ale forței electromotoare a înfășurării secundare și tensiunea la capetele acesteia, atunci puteți scrie:

Prin urmare, prin aplicarea unei anumite înfășurări a transformatorului, puteți obține orice tensiune la capetele celeilalte bobine, trebuie doar să luați un raport adecvat între numărul de spire ale acestor bobine. Aceasta este proprietatea principală a transformatorului.

Raportul dintre numărul de spire ale înfășurării primare și numărul de spire ale înfășurării secundare se numește raportul de transformare al transformatorului... Vom nota coeficientul de transformare kT.

Prin urmare, se poate scrie:

Un transformator al cărui raport de transformare este mai mic de unu se numește transformator step-up, deoarece tensiunea înfășurării secundare, sau așa-numita tensiune secundară, este mai mare decât tensiunea înfășurării primare, sau așa-numita tensiune primară. . Un transformator cu un raport de transformare mai mare de unu se numește transformator descendente, deoarece tensiunea secundară este mai mică decât cea primară.

Funcționarea unui transformator monofazat sub sarcină

În timpul mersului în gol al transformatorului, fluxul magnetic este creat de curentul înfășurării primare sau mai degrabă de forța magnetomotoare a înfășurării primare. Deoarece circuitul magnetic al transformatorului este realizat din fier și, prin urmare, are o rezistență magnetică scăzută, iar numărul de spire al înfășurării primare este, în general, considerat mare, curentul fără sarcină al transformatorului este mic, este de 5- 10% din normal.

Dacă închideți bobina secundară la o anumită rezistență, atunci odată cu apariția curentului în bobina secundară, va apărea și forța magnetomotoare a acestei bobine.

Conform legii lui Lenz, forța magnetomotoare a bobinei secundare acționează împotriva forței magnetomotoare a bobinei primare

Se pare că fluxul magnetic în acest caz ar trebui să scadă, dar dacă se aplică o tensiune constantă înfășurării primare, atunci nu va exista aproape nicio scădere a fluxului magnetic.

De fapt, forța electromotoare indusă în înfășurarea primară atunci când transformatorul este încărcat este aproape egală cu tensiunea aplicată. Această forță electromotoare este proporțională cu fluxul magnetic.Prin urmare, dacă tensiunea primară este constantă ca mărime, atunci forța electromotoare sub sarcină ar trebui să rămână aproape aceeași ca și în timpul funcționării fără sarcină a transformatorului. Această circumstanță duce la o constantă aproape completă a fluxului magnetic sub orice sarcină.

Astfel, la o valoare constantă a tensiunii primare, fluxul magnetic al transformatorului se modifică cu greu odată cu schimbarea sarcinii și poate fi presupus egal cu fluxul magnetic în timpul funcționării fără sarcină.

Fluxul magnetic al transformatorului își poate menține valoarea sub sarcină doar pentru că pe măsură ce apare un curent în înfășurarea secundară, crește și curentul în înfășurarea primară, atât de mult încât diferența dintre forțele magnetomotoare sau spirele de amperi ale primarului și secundarului. înfășurările rămâne aproape egală cu forța magnetomotoare sau amperi-turnări în timpul mersului în gol... Astfel, apariția unei forțe magnetomotoare demagnetizante sau amperi-turări în înfășurarea secundară este însoțită de o creștere automată a forței magnetomotoare a înfășurării primare.

Deoarece, așa cum sa menționat mai sus, este necesară o forță magnetomotoare mică pentru a crea un flux magnetic al transformatorului, se poate spune că o creștere a forței magnetomotoare secundare este însoțită de o creștere a forței magnetomotoare primare, care este aproape aceeași ca mărime.

Prin urmare, se poate scrie:

Din această egalitate se obține a doua caracteristică principală a transformatorului și anume raportul:

unde kt este factorul de transformare.

Prin urmare, raportul dintre curenții înfășurărilor primare și secundare ale transformatorului este egal cu unul împărțit la raportul de transformare.

Asa de, principalele caracteristici ale transformatorului a avea o relatie

și

Dacă înmulțim părțile stângi ale relației una cu cealaltă și părțile drepte una cu alta, obținem

și

Ultima egalitate dă a treia caracteristică a transformatorului, care poate fi exprimată în cuvinte astfel: puterea furnizată de înfășurarea secundară a transformatorului în volți-amperi este aproape egală cu puterea furnizată înfășurării primare tot în volți-amperi. .

Dacă ignorăm pierderile de energie în cuprul înfășurărilor și în fierul miezului transformatorului, atunci putem spune că toată puterea furnizată înfășurării primare a transformatorului de la sursa de alimentare este transferată în înfășurarea sa secundară, iar transmițătorul este fluxul magnetic.