Принципът на работа и устройството на еднофазен трансформатор

Еднофазен трансформатор на празен ход

Трансформатори в електротехниката се наричат ​​такива електрически устройства, при които променлив ток електрическа енергия от една неподвижна бобина от проводник се прехвърля към друга неподвижна бобина от проводник, който не е електрически свързан с първия.

Връзката, която предава енергия от една бобина към другата, е магнитният поток, който се блокира с двете намотки и непрекъснато се променя по величина и посока.

Ориз. 1.

На фиг. 1а показва най -простия трансформатор, състоящ се от две намотки /и //, разположени коаксиално една над друга. Към бобината / доставен променлив ток от алтернатор D. Тази намотка се нарича първична намотка или първична намотка. С намотка //, наречена вторична намотка или вторична намотка, верига се свързва чрез приемници на електрическа енергия.

Принципът на работа на трансформатора

Действието на трансформатора е следното. Когато токът тече в първичната намотка / той се създава магнитно поле, силовите линии на които проникват не само в намотката, която ги е създала, но частично и във вторичната намотка //. Приблизителна картина на разпределението на силовите линии, създадени от първичната намотка, е показана на фиг. 1б.

Както се вижда от фигурата, всички силови линии са затворени около проводниците на бобината /, но някои от тях на фиг. 1б, електропроводите 1, 2, 3, 4 също са затворени около проводниците на бобината //. Така намотката // е магнитно свързана с намотката / посредством магнитни силови линии.

Степента на магнитно свързване на бобините /и //, с коаксиалното им разположение, зависи от разстоянието между тях: колкото по -далеч са бобините една от друга, толкова по -малко е магнитното свързване между тях, защото колкото по -малко са силовите линии на намотката /се придържам към намотката //.

Тъй като намотката / преминава през, както предполагаме, еднофазен променлив ток, тоест ток, който се променя във времето според някакъв закон, например според синусовия закон, тогава създаденото от него магнитно поле също ще се промени във времето според същия закон.

Например, когато токът в бобината / преминава през най -голямата стойност, тогава генерираният от нея магнитен поток също преминава през най -голямата стойност; когато токът в бобината / преминава през нула, променяйки посоката си, тогава магнитният поток също преминава през нула, също променяйки посоката си.

В резултат на промяна на тока в намотката / и двете намотки / и // се проникват от магнитен поток, като непрекъснато променят стойността и посоката му. Според основния закон на електромагнитната индукция, при всяка промяна в магнитния поток, проникващ в бобината, в бобината се индуцира променлива електродвижеща сила… В нашия случай електромоторната сила на самоиндукция се индуцира в бобината /, а електродвижещата сила на взаимната индукция се индуцира в бобината //.

Ако краищата на бобината // са свързани към верига от приемници на електрическа енергия (виж фиг. 1а), тогава в тази верига ще се появи ток; следователно приемниците ще получават електрическа енергия. В същото време енергията ще бъде насочена към намотката /от генератора, почти равна на енергията, дадена на веригата от намотката //. По този начин електрическата енергия от една намотка ще се предава към веригата на втората намотка, която е напълно несвързана с първата намотка галванично (метална).В този случай средство за предаване на енергия е само променлив магнитен поток.

Показано на фиг. 1а, трансформаторът е много несъвършен, тъй като има малка магнитна връзка между първичната намотка /и вторичната намотка //.

Магнитното свързване на две намотки, най -общо казано, се оценява чрез съотношението на магнитния поток, свързан към двете намотки, към потока, създаден от една намотка.

Фиг. 1б, може да се види, че само част от полевите линии на намотката /е затворена около бобината //. Другата част от силовите линии (на фиг. 1б — линии 6, 7, 8) е затворена само около бобината /. Тези силови линии изобщо не участват в преноса на електрическа енергия от първата намотка към втората, те образуват така нареченото бездомно поле.

За да се увеличи магнитното свързване между първичната и вторичната намотки и в същото време да се намали магнитното съпротивление за преминаване на магнитния поток, намотките на техническите трансформатори се поставят върху напълно затворени железни жила.

Първият пример за изпълнение на трансформатори е показан схематично на фиг. 2 еднофазен трансформатор от т. нар. прът тип. Неговите първични и вторични бобини c1 и c2 са разположени върху железни пръти a — a, свързани в краищата с железни пластини b — b, наречени хомоти. По този начин два пръта a, a и два хомота b, b образуват затворен железен пръстен, в който преминава магнитният поток, блокиран с първичната и вторичната намотки. Този железен пръстен се нарича сърцевина на трансформатора.

Ориз. 2.

Вторият пример за изпълнение на трансформатори е показан схематично на фиг. 3 еднофазен трансформатор от т. нар. брониран тип. В този трансформатор първичната и вторичната намотки c, всяка от които се състои от ред плоски намотки, са разположени върху сърцевина, образувана от два пръта от два железни пръстена a и b. Пръстените a и b, обграждащи намотките, ги покриват почти изцяло с броня, затова описаният трансформатор се нарича брониран. Магнитният поток, преминаващ вътре в намотките c, се разделя на две равни части, всяка от които се затваря в свой собствен железен пръстен.

Ориз. 3

Използването на затворени железни магнитни вериги в трансформатори постига значително намаляване на потока на изтичане. В такива трансформатори потоците, свързани с първичната и вторичната намотки, са почти равни помежду си. Ако приемем, че първичната и вторичната намотки са проникнати от един и същ магнитен поток, можем да напишем изразите въз основа на общия индукционен удар за моментните стойности на електромоторните сили на намотките:

В тези изрази w1 и w2 — броят на завоите на първичната и вторичната намотки, а dFt е големината на промяната в проникващата намотка на магнитния поток за елемент от време dt, следователно има скорост на промяна на магнитния поток. От последните изрази може да се получи следното отношение:

т.е. посочени в първичната и вторичната намотки / и // моментните електродвижещи сили се отнасят помежду си по същия начин като броя на завъртанията на бобините. Последният извод е валиден не само по отношение на моментните стойности на електродвижещите сили, но и по отношение на техните най -големи и ефективни стойности.

Електродвижещата сила, индуцирана в първичната намотка, като електромоторна сила на самоиндукция, почти напълно балансира напрежението, приложено към същата намотка… Ако чрез Е1 и U1 посочете ефективните стойности на електромоторната сила на първичната намотка и напрежението, приложено към нея, след което можете да напишете:

Електродвижещата сила, индуцирана във вторичната намотка, в разглеждания случай е равна на напрежението в краищата на тази намотка.

Ако, подобно на предишния, чрез E2 и U2 посочете ефективните стойности на електромоторната сила на вторичната намотка и напрежението в нейните краища, след което можете да напишете:

Следователно, като приложите някакво напрежение към една намотка на трансформатора, можете да получите всяко напрежение в краищата на другата бобина, просто трябва да вземете подходящо съотношение между броя на завоите на тези бобини. Ето какво основното свойство на трансформатора.

Съотношението на броя на завоите първична намотка към броя на завъртанията на вторичната намотка се нарича коефициент на трансформация на трансформатора… Ще обозначим коефициента на трансформация кT.

Следователно може да се напише:

Трансформатор, чието съотношение на трансформация е по-малко от едно, се нарича повишаващ трансформатор., тъй като напрежението на вторичната намотка, или така нареченото вторично напрежение, е по-голямо от напрежението на първичната намотка, или така нареченото първично напрежение. Трансформатор с коефициент на трансформация по-голям от един се нарича понижаващ трансформатор., тъй като вторичното му напрежение е по -малко от първичното.

Работа на еднофазен трансформатор при натоварване

По време на празен ход на трансформатора, магнитният поток се създава от тока на първичната намотка или по -скоро от магнитодвижещата сила на първичната намотка. Тъй като магнитната верига на трансформатора е изработена от желязо и следователно има ниско магнитно съпротивление, а броят на завъртанията на първичната намотка обикновено се приема за голям, токът на празен ход на трансформатора е малък, той е 5- 10% от нормалното.

Ако затворите вторичната намотка към някакво съпротивление, тогава с появата на ток във вторичната намотка ще се появи и магнитодвижещата сила на тази намотка.

Според закона на Ленц магнитодвижещата сила на вторичната намотка действа срещу магнитодвижещата сила на първичната намотка

Изглежда, че магнитният поток в този случай трябва да намалее, но ако се подаде постоянно напрежение към първичната намотка, тогава почти няма да има намаление на магнитния поток.

Всъщност електродвижещата сила, индуцирана в първичната намотка при натоварване на трансформатора, е почти равна на приложеното напрежение. Тази електромоторна сила е пропорционална на магнитния поток. Следователно, ако първичното напрежение е постоянно по величина, тогава електромоторната сила при натоварване трябва да остане почти същата, каквато е била по време на работа на празен ход на трансформатора. Това обстоятелство води до почти пълна постоянство на магнитния поток при всяко натоварване.

Така, при постоянна стойност на първичното напрежение магнитният поток на трансформатора почти не се променя с промяната на товара и може да се приеме равен на магнитния поток по време на работа на празен ход.

Магнитният поток на трансформатора може да поддържа стойността си при натоварване само защото с появата на ток във вторичната намотка, токът в първичната намотка също се увеличава, и то толкова, че разликата между магнитодвигателните сили или амперните завои на първичните и вторичните намотки остават почти равни на магнитодвигателната сила или амперните обороти по време на празен ход … По този начин появата на размагнитваща магнитодвигателна сила или ампер-завъртания във вторичната намотка е придружена от автоматично увеличаване на магнитодвижещата сила на първичната намотка.

Тъй като, както бе споменато по -горе, е необходима малка магнитодвижеща сила за създаване на магнитен поток на трансформатора, може да се каже, че увеличаването на вторичната магнитодвижеща сила е придружено от увеличаване на първичната магнитодвижеща сила, която е почти същата по величина .

Следователно може да се напише:

От това равенство се получава втората основна характеристика на трансформатора, а именно съотношението:

където кt е коефициентът на трансформация.

Поради това, съотношението на токовете на първичната и вторичната намотки на трансформатора е равно на едно, разделено на коефициента на трансформация.

Така, основните характеристики на трансформатора имат връзка

и

Ако умножим левите страни на връзката помежду си и дясните страни помежду си, получаваме

и

Последното равенство дава третата характеристика на трансформатора, която може да бъде изразена с думи като тази: мощността, доставена от вторичната намотка на трансформатора във волт-ампери, е почти равна на мощността, подавана към първичната намотка също във волт-ампера.

Ако пренебрегнем загубите на енергия в медта на намотките и в желязото на сърцевината на трансформатора, тогава можем да кажем, че цялата мощност, подавана към първичната намотка на трансформатора от източника на енергия, се прехвърля към неговата вторична намотка, а предавателят е магнитният поток.