Funktionsprincipen och enheten för en enfas transformator

Enfas tomgångstransformator

Transformatorer inom elektroteknik kallas sådana elektriska anordningar där elektrisk växelströmsenergi från en fast trådspole överförs till en annan fast trådspole som inte är elektriskt ansluten till den första.

Länken som överför energi från den ena spolen till den andra är det magnetiska flödet, som låser sig med de två spolarna och ständigt förändras i storlek och riktning.

Ris. 1.

I fig. 1a visar den enklaste transformatorn bestående av två lindningar / och / / anordnade koaxiellt ovanför varandra. Till spolen / levereras växelström från generator D. Denna lindning kallas primärlindning eller primärlindning. Med en lindning // som kallas en sekundärlindning eller sekundärlindning är en krets ansluten genom mottagare av elektrisk energi.

Principen för driften av transformatorn

Transformatorns verkan är som följer. När ström flyter i primärlindningen / skapas den magnetiskt fält, vars kraftlinjer inte bara tränger in i lindningen som skapade dem, utan också delvis in i sekundärlindningen //. En ungefärlig bild av fördelningen av kraftlinjerna som skapas av primärlindningen visas i fig. Ib.

Som framgår av figuren är alla kraftlinjer slutna runt spolens ledare /, men några av dem i fig. Ib är de elektriska ledningarna 1, 2, 3, 4 också slutna runt spolens trådar //. Således är spolen // magnetiskt kopplad till spolen / med hjälp av magnetfältslinjer.

Graden av magnetisk koppling av spolarna / och //, med deras koaxiala arrangemang, beror på avståndet mellan dem: ju längre spolarna är från varandra, desto mindre magnetisk koppling mellan dem, eftersom ju färre kraftlinjer på spole /stick till spolen //.

Eftersom spolen / passerar igenom, som vi antar, enfas växelström, det vill säga en ström som förändras över tiden enligt någon lag, till exempel enligt sinuslagen, då kommer även magnetfältet som skapas av den att förändras över tiden enligt samma lag.

Till exempel, när strömmen i spolen / passerar genom det största värdet, passerar det magnetiska flödet som genereras av det också genom det största värdet; när strömmen i spolen / passerar genom noll, ändrar dess riktning, då passerar det magnetiska flödet också genom noll, och ändrar också dess riktning.

Som ett resultat av att strömmen i spolen / ändras, penetreras både spolarna / och // av ett magnetiskt flöde, som ständigt ändrar dess värde och riktning. Enligt grundlagen för elektromagnetisk induktion, för varje förändring i det magnetiska flödet som penetrerar spolen, induceras en växelström i spolen elektromotorisk kraft… I vårt fall induceras den elektromotoriska kraften av självinduktion i spolen /, och den elektromotoriska kraften av ömsesidig induktion induceras i spolen //.

Om spolens ändar // är anslutna till en krets av mottagare av elektrisk energi (se fig. 1a), kommer en ström att uppstå i denna krets; därför kommer mottagarna att få elektrisk ström. Samtidigt kommer energi att riktas till lindningen /från generatorn, nästan lika med energin som ges till kretsen av lindningen //. På så sätt kommer elektrisk energi från den ena spolen att överföras till den andra spolens krets, som är helt orelaterade till den första spolen galvaniskt (metalliskt), I detta fall är medlet för energiöverföring endast ett alternerande magnetiskt flöde.

Visat i fig. 1a är transformatorn mycket ofullkomlig eftersom det finns liten magnetisk koppling mellan primärlindningen /och sekundärlindningen //.

Den magnetiska kopplingen av två spolar, generellt sett, uppskattas av förhållandet mellan det magnetiska flödet kopplat till de två spolarna och flödet som skapas av en spole.

Fikon. Ib, kan det ses att endast en del av spolens fältlinjer /är slutna runt spolen //. Den andra delen av kraftledningarna (i fig. 1b — linjerna 6, 7, 8) är stängd endast runt spolen /. Dessa kraftledningar är inte alls involverade i överföringen av elektrisk energi från den första spolen till den andra, de bildar det så kallade ströfältet.

För att öka den magnetiska kopplingen mellan primär- och sekundärlindningarna och samtidigt minska det magnetiska motståndet för passagen av det magnetiska flödet, placeras tekniska transformatorers lindningar på helt slutna järnkärnor.

Det första exemplet på implementeringen av transformatorer visas schematiskt i fig. 2 enfas transformator av så kallad stavtyp. Dess primära och sekundära spolar c1 och c2 är belägna på järnstänger a — a, förbundna i ändarna med järnplattor b — b, kallade ok. På detta sätt bildar två stavar a, a och två ok b, b en sluten järnring, i vilken passerar magnetflödet blockerat med primär- och sekundärlindningarna. Denna järnring kallas transformatorns kärna.

Ris. 2.

Den andra utföringsformen av transformatorer visas schematiskt i fig. 3 enfas transformator av så kallad pansartyp. I denna transformator är primär- och sekundärlindningarna c, som var och en består av en rad platta lindningar, placerade på en kärna som bildas av två stänger av två järnringar a och b. Ringarna a och b som omger lindningarna täcker dem nästan helt med pansar, därför kallas den beskrivna transformatorn pansar. Det magnetiska flödet som passerar inuti spolarna c är uppdelat i två lika delar, som var och en är innesluten i sin egen järnring.

Ris. 3

Användningen av slutna magnetiska kretsar av järn i transformatorer uppnår en betydande minskning av läckströmmen. I sådana transformatorer är flödena anslutna till primär- och sekundärlindningarna nästan lika med varandra. Om vi ​​antar att primär- och sekundärlindningarna penetreras av samma magnetiska flöde, kan vi skriva uttryck baserat på den totala inducerade chocken för de momentana värdena av lindningarnas elektromotoriska krafter:

I dessa uttryck, w1 och w2 — antalet varv av primär- och sekundärlindningarna, och dFt är storleken på förändringen i den penetrerande lindningen av det magnetiska flödet per tidselement dt, därför finns det en förändringshastighet för det magnetiska flödet . Från de sista uttrycken kan följande relation erhållas:

dvs. indikerade i primär- och sekundärlindningarna / och // är de momentana elektromotoriska krafterna relaterade till varandra på samma sätt som antalet varv på spolarna. Den sista slutsatsen är giltig inte bara med avseende på de momentana värdena för elektromotoriska krafter, utan också med avseende på deras största och effektiva värden.

Den elektromotoriska kraften som induceras i primärlindningen, som en elektromotorisk kraft av självinduktion, balanserar nästan fullständigt spänningen som appliceras på samma lindning ... Om du med E1 och U1 anger de effektiva värdena för den elektromotoriska kraften av primärlindningen och spänningen som appliceras på den, då kan du skriva:

Den elektromotoriska kraften som induceras i sekundärlindningen, i det aktuella fallet, är lika med spänningen över ändarna av denna lindning.

Om du, som den föregående, genom E2 och U2 anger de effektiva värdena för sekundärlindningens elektromotoriska kraft och spänningen vid dess ändar, kan du skriva:

Därför, genom att applicera lite spänning på en lindning av transformatorn, kan du få vilken spänning som helst i ändarna av den andra spolen, du behöver bara ta ett lämpligt förhållande mellan antalet varv av dessa spolar. Detta är vad transformatorns huvudsakliga egenskap är.

Förhållandet mellan antalet varv av primärlindningen och antalet varv av sekundärlindningen kallas transformatorns omvandlingsförhållande... Vi kommer att beteckna transformationskoefficienten kT.

Därför kan man skriva:

En transformator vars omvandlingsförhållande är mindre än ett kallas en step-up transformator, eftersom spänningen i sekundärlindningen, eller den så kallade sekundärspänningen, är större än spänningen på primärlindningen, eller den så kallade primärspänningen . En transformator med ett transformationsförhållande större än ett kallas en nedtrappningstransformator, eftersom dess sekundära spänning är mindre än den primära.

Drift av en enfas transformator under belastning

Under tomgång av transformatorn skapas det magnetiska flödet av primärlindningsströmmen eller snarare av primärlindningens magnetomotoriska kraft. Eftersom transformatorns magnetiska krets är gjord av järn och därför har ett lågt magnetiskt motstånd, och antalet varv på primärlindningen i allmänhet antas vara stort, är transformatorns tomgångsström liten, den är 5- 10 % av det normala.

Om du stänger sekundärspolen till ett visst motstånd, kommer den magnetomotoriska kraften hos denna spole också att visas med uppkomsten av ström i sekundärspolen.

Enligt Lenz lag verkar sekundärspolens magnetomotoriska kraft mot primärspolens magnetomotoriska kraft

Det verkar som att det magnetiska flödet i det här fallet bör minska, men om en konstant spänning appliceras på primärlindningen kommer det nästan inte att bli någon minskning av det magnetiska flödet.

Faktum är att den elektromotoriska kraft som induceras i primärlindningen när transformatorn är laddad är nästan lika med den pålagda spänningen. Denna elektromotoriska kraft är proportionell mot det magnetiska flödet.Därför, om den primära spänningen är konstant i storlek, bör den elektromotoriska kraften under belastning förbli nästan densamma som den var under tomgångsdrift av transformatorn. Denna omständighet leder till nästan fullständig konstanthet av det magnetiska flödet under vilken belastning som helst.

Sålunda, vid ett konstant värde på primärspänningen, förändras transformatorns magnetiska flöde knappast med förändringen av belastningen och kan antas vara lika med det magnetiska flödet under tomgångsdrift.

Transformatorns magnetiska flöde kan bibehålla sitt värde under belastning endast för att när en ström uppträder i sekundärlindningen, ökar också strömmen i primärlindningen, så mycket att skillnaden mellan de magnetomotoriska krafterna eller amperevarven för primär- och sekundärlindningen lindningar förblir nästan lika med den magnetomotoriska kraften eller amperevarv under tomgång ... Sålunda, uppkomsten av en avmagnetiserande magnetomotorisk kraft eller amperevarv i sekundärlindningen åtföljs av en automatisk ökning av den magnetomotoriska kraften hos primärlindningen.

Eftersom, som nämnts ovan, en liten magnetomotorisk kraft krävs för att skapa ett transformatormagnetiskt flöde, kan man säga att en ökning av den sekundära magnetomotoriska kraften åtföljs av en ökning av den primära magnetomotoriska kraften, som är nästan lika stor.

Därför kan man skriva:

Från denna likhet erhålls transformatorns andra huvudkaraktär, nämligen förhållandet:

där kt är omvandlingsfaktorn.

Därför är förhållandet mellan strömmarna i transformatorns primära och sekundära lindningar lika med en dividerad med transformationsförhållandet.

Så, transformatorns huvudegenskaper ha ett förhållande

och

Om vi ​​multiplicerar de vänstra sidorna av relationen med varandra och de högra sidorna med varandra får vi

och

Den sista likheten ger transformatorns tredje karakteristika, vilket kan uttryckas i ord som detta: effekten som levereras av transformatorns sekundärlindning i volt-ampere är nästan lika med den effekt som levereras till primärlindningen även i volt-ampere .

Om vi ​​ignorerar energiförlusterna i lindningarnas koppar och i järnet i transformatorkärnan, kan vi säga att all kraft som tillförs transformatorns primärlindning från strömkällan överförs till dess sekundärlindning, och sändaren är det magnetiska flödet.