Princip rada i uređaj jednofaznog transformatora

Jednofazni transformator bez opterećenja

Transformatorima u elektrotehnici nazivaju se takvi električni uređaji u kojima se električna energija izmjenične struje iz jedne nepomične zavojnice žice prenosi na drugu nepomičnu zavojnicu žice koja nije električno povezana s prvom.

Veza koja prenosi energiju s jedne zavojnice na drugu je magnetski tok, koji se spaja s dvije zavojnice i stalno se mijenja u veličini i smjeru.

Riža. 1.

Na sl. Slika 1a prikazuje najjednostavniji transformator koji se sastoji od dva namota / i / / postavljena koaksijalno jedan iznad drugog. Na zavojnicu / isporučeno naizmjenična struja iz alternatora D. Ovaj namot se naziva primarni namot ili primarni namot. S namotom // koji se naziva sekundarni namot ili sekundarni namot, strujni krug je povezan preko prijemnika električne energije.

Princip rada transformatora

Djelovanje transformatora je sljedeće. Kada struja teče u primarnom namotu / stvara se magnetsko polje, čije linije sile prodiru ne samo u namot koji ih je stvorio, već djelomično i u sekundarni namot //. Približna slika raspodjele linija sile koju stvara primarni namot prikazana je na sl. 1b.

Kao što se sa slike vidi, sve su linije sile zatvorene oko vodiča zavojnice /, ali neke od njih na si. 1b, električne žice 1, 2, 3, 4 također su zatvorene oko žica zavojnice //. Tako je zavojnica // magnetski spojena sa zavojnicom / pomoću linija magnetskog polja.

Stupanj magnetske sprege zavojnica /i //, s njihovim koaksijalnim rasporedom, ovisi o njihovoj udaljenosti: što su zavojnice udaljenije jedna od druge, to je manja magnetska sprega između njih, jer što je manje linija sile na zavojnica /prilijepiti za zavojnicu //.

Budući da zavojnica / prolazi, kao što pretpostavljamo, jednofazna izmjenična struja, odnosno struja koja se tijekom vremena mijenja prema nekom zakonu, na primjer, prema zakonu sinusa, tada će se i magnetsko polje koje stvara ona također mijenjati tijekom vremena prema istom zakonu.

Na primjer, kada struja u zavojnici / prolazi kroz najveću vrijednost, tada i magnetski tok koji ona stvara također prolazi kroz najveću vrijednost; kada struja u zavojnici / prolazi kroz nulu, mijenjajući svoj smjer, tada i magnetski tok prolazi kroz nulu, također mijenjajući svoj smjer.

Kao rezultat promjene struje u zavojnici /, obje zavojnice / i // prožimaju magnetski tok, neprestano mijenjajući svoju vrijednost i smjer. Prema osnovnom zakonu elektromagnetske indukcije, za svaku promjenu magnetskog toka koji prodire kroz zavojnicu, u zavojnici se inducira izmjenična struja elektromotorna sila… U našem slučaju u zavojnici / se inducira elektromotorna sila samoindukcije, au zavojnici // elektromotorna sila međusobne indukcije.

Ako su krajevi zavojnice // spojeni na krug prijemnika električne energije (vidi sliku 1a), tada će se u tom krugu pojaviti struja; stoga će prijemnici primati električnu energiju. U isto vrijeme, energija će biti usmjerena na namot /iz generatora, gotovo jednaka energiji koju namot daje krugu //. Na taj način će se električna energija iz jedne zavojnice prenijeti u strujni krug druge zavojnice, koja je galvanski (metalno) potpuno nepovezana s prvom zavojnicom.U ovom slučaju sredstvo prijenosa energije je samo izmjenični magnetski tok.

Prikazano na sl. 1a, transformator je vrlo nesavršen jer postoji mala magnetska sprega između primarnog namota /i sekundarnog namota //.

Općenito govoreći, magnetska sprega dviju zavojnica procjenjuje se omjerom magnetskog toka spojenog na dvije zavojnice i toka koji stvara jedna zavojnica.

sl. 1b, vidi se da je samo dio linija polja zavojnice /zatvoren oko zavojnice //. Drugi dio energetskih vodova (na slici 1b — vodovi 6, 7, 8) zatvoren je samo oko zavojnice /. Ovi dalekovodi uopće nisu uključeni u prijenos električne energije s prve zavojnice na drugu, oni tvore takozvano zalutalo polje.

Kako bi se povećala magnetska sprega između primarnog i sekundarnog namota te ujedno smanjio magnetski otpor za prolazak magnetskog toka, namoti tehničkih transformatora postavljaju se na potpuno zatvorene željezne jezgre.

Prvi primjer izvedbe transformatora shematski je prikazan na sl. 2 jednofazni transformator tzv. štapnog tipa. Njegov primarni i sekundarni svitak c1 i c2 nalaze se na željeznim šipkama a — a, spojenim na krajevima sa željeznim pločama b — b, zvanim jarmovima. Na taj način dvije šipke a, a i dva jarma b, b tvore zatvoreni željezni prsten, kroz koji prolazi magnetski tok blokiran primarnim i sekundarnim namotom. Ovaj željezni prsten naziva se jezgrom transformatora.

Riža. 2.

Druga izvedba transformatora shematski je prikazana na sl. 3 jednofazni transformator tzv. oklopnog tipa. U ovom transformatoru primarni i sekundarni namot c, od kojih se svaki sastoji od niza ravnih namota, smješteni su na jezgru koju čine dvije šipke od dva željezna prstena a i b. Prstenovi a i b koji okružuju namote pokrivaju ih gotovo u potpunosti oklopom, stoga se opisani transformator naziva oklopnim. Magnetski tok koji prolazi unutar zavojnica c dijeli se na dva jednaka dijela, od kojih je svaki zatvoren u svom željeznom prstenu.

Riža. 3

Upotrebom zatvorenih željeznih magnetskih krugova u transformatorima postiže se značajno smanjenje struje curenja. U takvim transformatorima, tokovi spojeni na primarni i sekundarni namoti su gotovo jednaki jedni drugima. Ako pretpostavimo da su kroz primarni i sekundarni namoti prožeti isti magnetski tok, možemo napisati izraze koji se temelje na ukupnom induciranom udaru za trenutne vrijednosti elektromotornih sila namota:

U ovim izrazima, w1 i w2 — broj zavoja primarnog i sekundarnog namota, a dFt je veličina promjene u prodornom namotu magnetskog toka po vremenskom elementu dt, stoga postoji stopa promjene magnetskog toka . Iz posljednjih izraza može se dobiti sljedeća relacija:

tj. naznačeno u primarnom i sekundarnom namotu / i // trenutne elektromotorne sile međusobno su povezane na isti način kao i broj zavoja zavojnica. Posljednji zaključak vrijedi ne samo s obzirom na trenutne vrijednosti elektromotornih sila, već i s obzirom na njihove najveće i efektivne vrijednosti.

Elektromotorna sila inducirana u primarnom namotu, kao elektromotorna sila samoindukcije, gotovo u potpunosti uravnotežuje napon primijenjen na isti namot ... Ako s E1 i U1 označite efektivne vrijednosti elektromotorne sile primarnog namota i napona primijenjenog na njega, tada možete napisati:

Elektromotorna sila inducirana u sekundarnom namotu, u razmatranom slučaju, jednaka je naponu na krajevima ovog namota.

Ako, kao i prethodni, kroz E2 i U2 navedete efektivne vrijednosti elektromotorne sile sekundarnog namota i napona na njegovim krajevima, tada možete napisati:

Dakle, primjenom nekog napona na jedan namot transformatora, možete dobiti bilo koji napon na krajevima drugog svitka, samo trebate uzeti odgovarajući omjer između broja zavoja ovih zavojnica. To je glavno svojstvo transformatora.

Omjer broja zavoja primarnog namota prema broju zavoja sekundarnog namota naziva se omjer transformacije transformatora... Označit ćemo koeficijent transformacije kT.

Stoga se može napisati:

Transformator čiji je omjer transformacije manji od jedan naziva se podizni transformator, jer je napon sekundarnog namota, odnosno tzv. sekundarni napon, veći od napona primarnog namota, odnosno tzv. . Transformator s omjerom transformacije većim od jedan naziva se silazni transformator, jer je njegov sekundarni napon manji od primarnog.

Rad jednofaznog transformatora pod opterećenjem

Tijekom praznog hoda transformatora, magnetski tok stvara struja primarnog namota odnosno magnetomotorna sila primarnog namota. Budući da je magnetski krug transformatora izrađen od željeza i stoga ima mali magnetski otpor, a općenito se pretpostavlja da je broj zavoja primarnog namota velik, struja praznog hoda transformatora je mala, iznosi 5- 10% normale.

Ako zatvorite sekundarnu zavojnicu na neki otpor, tada će se s pojavom struje u sekundarnoj zavojnici pojaviti i magnetomotorna sila ove zavojnice.

Prema Lenzovom zakonu, magnetomotorna sila sekundarne zavojnice djeluje protiv magnetomotorne sile primarne zavojnice

Čini se da bi se magnetski tok u ovom slučaju trebao smanjiti, ali ako se na primarni namot primijeni konstantan napon, tada neće biti gotovo nikakvog smanjenja magnetskog toka.

Zapravo, elektromotorna sila inducirana u primarnom namotu kada je transformator opterećen gotovo je jednaka primijenjenom naponu. Ta elektromotorna sila proporcionalna je magnetskom toku.Stoga, ako je primarni napon konstantne veličine, tada bi elektromotorna sila pod opterećenjem trebala ostati gotovo ista kao što je bila tijekom rada transformatora bez opterećenja. Ova okolnost dovodi do gotovo potpune konstantnosti magnetskog toka pod bilo kojim opterećenjem.

Dakle, pri konstantnoj vrijednosti primarnog napona, magnetski tok transformatora gotovo se ne mijenja s promjenom opterećenja i može se pretpostaviti da je jednak magnetskom toku tijekom rada bez opterećenja.

Magnetski tok transformatora može zadržati svoju vrijednost pod opterećenjem samo zato što se s pojavom struje u sekundarnom namotu povećava i struja u primarnom namotu, toliko da razlika između magnetomotornih sila ili amperzavoja primara i sekundara raste. namota ostaje gotovo jednaka magnetomotornoj sili ili amper-zavojima tijekom praznog hoda ... Dakle, pojava demagnetizirajuće magnetomotorne sile ili amper-zavoja u sekundarnom namotu popraćena je automatskim povećanjem magnetomotorne sile primarnog namota.

Budući da je, kao što je gore navedeno, potrebna mala magnetomotorna sila za stvaranje magnetskog toka transformatora, može se reći da povećanje sekundarne magnetomotorne sile prati povećanje primarne magnetomotorne sile, koja je gotovo jednaka po veličini.

Stoga se može napisati:

Iz ove jednakosti dobiva se druga glavna karakteristika transformatora, naime omjer:

gdje je kt faktor transformacije.

Stoga je omjer struja primarnog i sekundarnog namota transformatora jednak jedan podijeljen s omjerom transformacije.

Tako, glavne karakteristike transformatora imati odnos

i

Ako pomnožimo lijeve strane odnosa jednu s drugom i desne strane jednu s drugom, dobivamo

i

Posljednja jednakost daje treću karakteristiku transformatora, koja se može izraziti riječima poput ovih: snaga isporučena sekundarnim namotom transformatora u volt-amperima gotovo je jednaka snazi ​​isporučenoj primarnom namotu također u volt-amperima .

Ako zanemarimo gubitke energije u bakru namota i u željezu jezgre transformatora, tada možemo reći da se sva snaga dovedena u primarni namot transformatora iz izvora napajanja prenosi na njegov sekundarni namot, a transmiter je magnetski tok.