Принцип рада и уређај једнофазног трансформатора

Једнофазни трансформатор без оптерећења

Трансформатори у електротехници називају се такви електрични уређаји код којих се електрична енергија наизменичне струје из једног фиксног намотаја жице преноси на други фиксни намотај жице који није електрично повезан са првим.

Веза која преноси енергију од једног калема до другог је магнетни флукс, који се спаја са два намотаја и стално се мења по величини и правцу.

Пиринач. 1.

На сл. 1а приказује најједноставнији трансформатор који се састоји од два намотаја / и / / распоређених коаксијално један изнад другог. На калем / испоручено наизменична струја од алтернатора Д. Овај намотај се назива примарни намотај или примарни намотај. Са намотајем // који се назива секундарни намотај или секундарни намотај, коло се повезује преко пријемника електричне енергије.

Принцип рада трансформатора

Акција трансформатора је следећа. Када струја тече у примарном намотају / ствара се магнетно поље, чије линије силе продиру не само у намотај који их је створио, већ и делимично у секундарни намотај //. Приближна слика расподеле линија силе које ствара примарни намотај приказана је на Сл. 1б.

Као што се види са слике, све линије силе су затворене око проводника калема /, али неке од њих на сл. 1б, електричне жице 1, 2, 3, 4 су такође затворене око жица завојнице //. Тако је калем // магнетно спојен са калемом / помоћу линија магнетног поља.

Степен магнетне спреге калемова /и //, са њиховим коаксијалним распоредом, зависи од удаљености између њих: што су калемови удаљенији један од другог, то је мање магнетне спреге између њих, јер је мање линија силе на калем /лепити се за калем //.

Пошто калем / пролази, као што претпостављамо, једнофазна наизменична струја, односно струја која се мења током времена по неком закону, на пример, по закону синуса, онда ће се и магнетно поље које њоме ствара ће се мењати током времена по истом закону.

На пример, када струја у калему / прође кроз највећу вредност, тада и магнетни флукс који генерише такође пролази кроз највећу вредност; када струја у калему / прође кроз нулу, мењајући свој смер, тада и магнетни флукс пролази кроз нулу, такође мењајући свој смер.

Као резултат промене струје у калему /, оба намотаја / и // продиру магнетним флуксом, стално мењајући његову вредност и правац. Према основном закону електромагнетне индукције, за сваку промену магнетног флукса који продире у калем, у калему се индукује наизменична струја електромоторна сила… У нашем случају, електромоторна сила самоиндукције се индукује у калему /, а електромоторна сила међусобне индукције индукује се у калему //.

Ако су крајеви намотаја // повезани у коло пријемника електричне енергије (види слику 1а), онда ће се у овом колу појавити струја; стога ће пријемници добијати електричну енергију. У исто време, енергија ће бити усмерена на намотај /од генератора, скоро једнака енергији коју намотај даје колу //. На тај начин ће се електрична енергија из једног намотаја пренети на коло другог намотаја који је потпуно неповезан са првим калемом галвански (метални).У овом случају средство за пренос енергије је само наизменични магнетни флукс.

Приказано на сл. 1а, трансформатор је веома несавршен јер постоји мала магнетна спрега између примарног намотаја /и секундарног намотаја //.

Магнетна спрега два намотаја, уопштено говорећи, процењује се односом магнетног флукса спојеног на два намотаја и флукса који ствара један калем.

Шипак. 1б, види се да је само део линија поља завојнице /затворен око завојнице //. Други део далековода (на сл. 1б — водови 6, 7, 8) затворен је само око завојнице /. Ови далеководи уопште нису укључени у пренос електричне енергије са првог намотаја у други, они формирају такозвано лутајуће поље.

Да би се повећала магнетна спрега између примарног и секундарног намотаја и истовремено смањио магнетни отпор за пролаз магнетног флукса, намотаји техничких трансформатора се постављају на потпуно затворена гвоздена језгра.

Први пример имплементације трансформатора је шематски приказан на сл. 2 монофазни трансформатор штапног типа тзв. Његов примарни и секундарни калем ц1 и ц2 налазе се на гвозденим шипкама а — а, спојеним на крајевима гвозденим плочама б — б, званим јармовима. На овај начин две шипке а, а и два јарма б, б формирају затворени гвоздени прстен, у који пролази магнетни флукс блокиран примарним и секундарним намотајима. Овај гвоздени прстен се зове језгро трансформатора.

Пиринач. 2.

Друга реализација трансформатора је шематски приказана на сл. 3 монофазни трансформатор оклопног типа тзв. У овом трансформатору примарни и секундарни намотаји ц, од којих се сваки састоји од низа равних намотаја, постављени су на језгро формирано од две шипке два гвоздена прстена а и б. Прстенови а и б који окружују намотаје покривају их скоро у потпуности оклопом, па се описани трансформатор назива оклопним. Магнетни флукс који пролази унутар калемова ц подељен је на два једнака дела, од којих је сваки затворен у свој гвоздени прстен.

Пиринач. 3

Применом затворених гвоздених магнетних кола у трансформаторима постиже се значајно смањење струје цурења. У таквим трансформаторима, флуксови повезани са примарним и секундарним намотајима су скоро једнаки једни другима. Ако претпоставимо да су примарни и секундарни намотаји пробијени истим магнетним флуксом, можемо написати изразе на основу укупног индукованог удара за тренутне вредности електромоторних сила намотаја:

У овим изразима, в1 и в2 — број завоја примарног и секундарног намотаја, а дФт је величина промене продорног намотаја магнетног флукса по елементу времена дт, стога постоји брзина промене магнетног флукса. . Из последњих израза може се добити следећа релација:

тј. назначене у примарном и секундарном намотају / и // тренутне електромоторне силе су међусобно повезане на исти начин као и број завоја калемова. Последњи закључак важи не само у односу на тренутне вредности електромоторних сила, већ и на њихове највеће и ефективне вредности.

Електромоторна сила индукована у примарном намотају, као електромоторна сила самоиндукције, скоро у потпуности балансира напон примењен на исти намотај... Ако са Е1 и У1 означите ефективне вредности електромоторне силе примарног намотаја и напона примењеног на њега, онда можете написати:

Електромоторна сила индукована у секундарном намотају, у случају који се разматра, једнака је напону на крајевима овог намотаја.

Ако, као и претходни, преко Е2 и У2 наведете ефективне вредности ​​​​Електромоторне силе секундарног намотаја и напона на његовим крајевима, онда можете написати:

Стога, применом неког напона на један намотај трансформатора, можете добити било који напон на крајевима другог намотаја, само треба да узмете одговарајући однос између броја обртаја ових намотаја. То је оно што је главно својство трансформатора.

Однос броја завоја примарног намотаја и броја завоја секундарног намотаја се назива однос трансформације трансформатора... Означићемо коефицијент трансформације кТ.

Дакле, може се написати:

Трансформатор чији је однос трансформације мањи од један назива се појачавајући трансформатор, јер је напон секундарног намотаја, или такозвани секундарни напон, већи од напона примарног намотаја, односно примарног напона тзв. . Трансформатор чији је однос трансформације већи од један назива се опадајући трансформатор, пошто је његов секундарни напон мањи од примарног.

Рад једнофазног трансформатора под оптерећењем

Током рада трансформатора у празном ходу, магнетни флукс се ствара струјом примарног намотаја, односно магнетомоторном силом примарног намотаја. Пошто је магнетно коло трансформатора направљено од гвожђа и стога има мали магнетни отпор, а број завоја примарног намотаја се генерално претпоставља великим, струја празног хода трансформатора је мала, износи 5- 10% нормалног.

Ако секундарну завојницу затворите на неки отпор, онда ће се са појавом струје у секундарном калему појавити и магнетомоторна сила ове завојнице.

Према Ленцовом закону, магнетомоторна сила секундарне завојнице делује против магнетомоторне силе примарне завојнице

Чини се да би магнетни флукс у овом случају требало да се смањи, али ако се на примарни намотај примени константан напон, онда скоро да неће бити смањења магнетног флукса.

У ствари, електромоторна сила индукована у примарном намотају када је трансформатор оптерећен скоро је једнака примењеном напону. Ова електромоторна сила је пропорционална магнетном флуксу.Дакле, ако је примарни напон константне величине, онда електромоторна сила под оптерећењем треба да остане скоро иста као што је била током рада трансформатора без оптерећења. Ова околност доводи до скоро потпуне константности магнетног флукса под било којим оптерећењем.

Дакле, при константној вредности примарног напона, магнетни флукс трансформатора се готово не мења са променом оптерећења и може се претпоставити једнаким магнетном флуксу током рада без оптерећења.

Магнетски флукс трансформатора може да одржи своју вредност под оптерећењем само зато што се у секундарном намотају појављује струја, повећава се и струја у примарном намотају, толико да разлика између магнетомоторних сила или амперских навоја примарног и секундарног намотаја остаје скоро једнака магнетомоторној сили или ампер-завојима током празног хода... Дакле, појава демагнетизирајуће магнетомоторне силе или ампер-завоја у секундарном намотају је праћена аутоматским повећањем магнетомоторне силе примарног намотаја.

Пошто је, као што је горе поменуто, потребна мала магнетомоторна сила за стварање магнетног флукса трансформатора, може се рећи да је повећање секундарне магнетомоторне силе праћено повећањем примарне магнетомоторне силе, која је по величини скоро иста.

Дакле, може се написати:

Из ове једнакости добија се друга главна карактеристика трансформатора, односно однос:

где је кт фактор трансформације.

Дакле, однос струја примарног и секундарног намотаја трансформатора једнак је једном подељеном са односом трансформације.

Тако, главне карактеристике трансформатора имати однос

и

Ако помножимо леве стране односа једна са другом и десне стране једна са другом, добијамо

и

Последња једнакост даје трећу карактеристику трансформатора, која се може изразити следећим речима: снага коју испоручује секундарни намотај трансформатора у волт-амперима је скоро једнака снази предатој примарном намотају такође у волт-амперима .

Ако занемаримо губитке енергије у бакру намотаја и у гвожђу језгра трансформатора, онда можемо рећи да се сва снага која се напаја примарном намотају трансформатора из извора напајања преноси на његов секундарни намотај, а предајник је магнетни флукс.