Az egyfázisú transzformátor működési elve és eszköze
Egyfázisú terhelés nélküli transzformátor
Az elektrotechnikában a transzformátorokat olyan elektromos eszközöknek nevezzük, amelyekben az egyik rögzített huzaltekercs váltóáramú elektromos energiáját egy másik rögzített huzaltekercsre továbbítják, amely nincs elektromosan csatlakoztatva az elsőhöz.
Az egyik tekercsről a másikra energiát továbbító kapcsolat a mágneses fluxus, amely összekapcsolódik a két tekercssel, és folyamatosan változik nagyságában és irányában.
Rizs. 1.
ábrán. Az 1a. ábra a legegyszerűbb transzformátort mutatja, amely két tekercsből / és / / koaxiálisan egymás fölött van elrendezve. A tekercshez / szállítva váltakozó áram a D generátorból. Ezt a tekercset primer tekercsnek vagy primer tekercsnek nevezzük. A szekunder tekercsnek vagy szekunder tekercsnek nevezett tekercsel // az áramkört elektromos energia vevőin keresztül csatlakoztatják.
A transzformátor működési elve
A transzformátor működése a következő. Amikor áram folyik a primer tekercsben / akkor létrejön mágneses mező, amelyek erővonalai nemcsak az őket létrehozó tekercsbe hatolnak be, hanem részben a szekunder tekercsbe is //. A primer tekercs által létrehozott erővonalak eloszlásának hozzávetőleges képe az ábrán látható. 1b.
Amint az ábrán látható, a tekercs vezetői körül az összes erővonal zárt /, de néhány a 2. ábrán. Az 1b. ábrán látható módon az 1, 2, 3, 4 elektromos vezetékek is zárva vannak a tekercs vezetékei körül //. Így a tekercs // mágnesesen kapcsolódik a tekercshez / mágneses erővonalak segítségével.
A /és // tekercsek mágneses csatolásának mértéke koaxiális elrendezésükkel a köztük lévő távolságtól függ: minél távolabb vannak egymástól a tekercsek, annál kisebb a mágneses csatolás közöttük, mert annál kisebb az erővonalak a tekercseken. tekercs /tapad a tekercshez //.
Mivel a tekercs / áthalad, ahogy feltételezzük, egyfázisú váltakozó áram, azaz olyan áram, amely valamilyen törvény szerint, például a szinusztörvény szerint idővel változik, akkor az általa létrehozott mágneses tér is ugyanennek a törvénynek megfelelően változik az időben.
Például amikor a tekercsben lévő áram / a legnagyobb értéken halad át, akkor az általa generált mágneses fluxus is a legnagyobb értéken halad át; amikor az áram a tekercsben / nullán halad át, megváltoztatva az irányát, akkor a mágneses fluxus is átmegy a nullán, szintén megváltoztatva az irányát.
A tekercsben lévő áramerősség megváltoztatása következtében / mindkét tekercset / és // mágneses fluxus hatol át, folyamatosan változtatva annak értékét és irányát. Az elektromágneses indukció alaptörvénye szerint a tekercsen áthatoló mágneses fluxus minden változására váltakozó áramot indukálnak a tekercsben. elektromos erő… Esetünkben az önindukció elektromotoros ereje a / tekercsben, a kölcsönös indukció elektromotoros ereje pedig a // tekercsben indukálódik.
Ha a tekercs végei // elektromos energia vevők áramköréhez vannak csatlakoztatva (lásd 1a. ábra), akkor ebben az áramkörben áram jelenik meg; ezért a vevőkészülékek elektromos áramot kapnak. Ugyanakkor a tekercsre // a generátorból energiát fog irányítani, ami majdnem megegyezik a tekercs által az áramkörnek adott energiával //. Ily módon az egyik tekercs elektromos energiája a második tekercs áramkörébe kerül, amely galvanikusan (fémesen) teljesen független az első tekercstől, ebben az esetben az energiaátvitel eszköze csak egy váltakozó mágneses fluxus.
ábrán látható. Az 1a. ábrán a transzformátor nagyon tökéletlen, mert kevés a mágneses csatolás az elsődleges tekercs / és a szekunder tekercs // között.
Két tekercs mágneses csatolását általában a két tekercshez kapcsolt mágneses fluxus és az egyik tekercs által létrehozott fluxus aránya alapján becsüljük meg.
Ábra. Az 1b. ábrán látható, hogy a tekercs mezővonalainak csak egy része // a tekercs körül zárva //. Az elektromos vezetékek másik része (1b. ábrán 6, 7, 8 vezetékek) csak a / tekercs körül van lezárva. Ezek az elektromos vezetékek egyáltalán nem vesznek részt az elektromos energia átvitelében az első tekercsről a másodikra, ezek alkotják az úgynevezett kóbor mezőt.
A primer és szekunder tekercsek közötti mágneses csatolás növelése és a mágneses fluxus áthaladásához szükséges mágneses ellenállás csökkentése érdekében a műszaki transzformátorok tekercseit teljesen zárt vasmagokra helyezik.
A transzformátorok megvalósításának első példája vázlatosan az 1. ábrán látható. 2 egyfázisú, úgynevezett rúd típusú transzformátor. Primer és szekunder tekercsei c1 és c2 vasrudakon a — a, amelyek végein b — b vaslemezekkel vannak összekötve, úgynevezett jármákkal. Ily módon két a, a rúd és két b, b járom zárt vasgyűrűt alkot, amelyben a primer és szekunder tekercsekkel blokkolt mágneses fluxus halad át. Ezt a vasgyűrűt a transzformátor magjának nevezik.
Rizs. 2.
A transzformátorok második kiviteli alakja vázlatosan az 1. ábrán látható. 3 egyfázisú, úgynevezett páncélozott típusú transzformátor. Ebben a transzformátorban a c primer és szekunder tekercsek, amelyek egy sor lapos tekercsből állnak, egy két vasgyűrűből álló a és b két rúdból álló magon vannak elhelyezve. A tekercseket körülvevő a és b gyűrűk szinte teljes egészében páncélzattal borítják azokat, ezért a leírt transzformátort páncélozottnak nevezzük. A c tekercseken belül áthaladó mágneses fluxus két egyenlő részre oszlik, amelyek mindegyike saját vasgyűrűbe van zárva.
Rizs. 3
A zárt vas mágneses áramkörök transzformátorokban történő alkalmazása jelentős szivárgási áram csökkenést ér el. Az ilyen transzformátorokban a primer és a szekunder tekercsekre kapcsolt fluxusok közel azonosak egymással. Ha feltételezzük, hogy az elsődleges és a szekunder tekercset ugyanaz a mágneses fluxus hatol át, akkor a tekercsek elektromotoros erőinek pillanatnyi értékére a teljes indukált sokk alapján kifejezéseket írhatunk:
Ezekben a kifejezésekben w1 és w2 – a primer és szekunder tekercsek fordulatszáma, dFt pedig a mágneses fluxus behatoló tekercsének változásának nagysága dt időelemenként, ezért van a mágneses fluxus változási sebessége. . Az utolsó kifejezésekből a következő összefüggést kaphatjuk:
azaz a primer és szekunder tekercsben / és // feltüntetett pillanatnyi elektromotoros erők a tekercsek menetszámával megegyező módon viszonyulnak egymáshoz. Az utolsó következtetés nemcsak az elektromotoros erők pillanatnyi értékeire érvényes, hanem a legnagyobb és hatásos értékeikre is.
A primer tekercsben indukált elektromotoros erő, mint önindukciós elektromotoros erő, szinte teljesen kiegyenlíti az ugyanarra a tekercsre alkalmazott feszültséget... Ha E1-gyel és U1-gyel jelzi az elektromotoros erő effektív értékeit a primer tekercsről és a rá adott feszültségről, akkor a következőt írhatja:
A szekunder tekercsben indukált elektromotoros erő a vizsgált esetben megegyezik a tekercs végein fellépő feszültséggel.
Ha az előzőhöz hasonlóan az E2-n és U2-n keresztül megadja a szekunder tekercs elektromotoros erejének effektív értékeit és a végein lévő feszültséget, akkor írhatja:
Ezért, ha a transzformátor egyik tekercsére feszültséget kapcsolunk, bármilyen feszültséget kaphat a másik tekercs végein, csak megfelelő arányt kell vennie ezeknek a tekercseknek a fordulatszáma között. Ez a transzformátor fő tulajdonsága.
Az elsődleges tekercs menetszámának és a szekunder tekercs menetszámának arányát nevezzük a transzformátor átalakítási aránya... Jelöljük a kT transzformációs együtthatót.
Ezért lehet írni:
Azt a transzformátort, amelynek transzformációs aránya kisebb, mint egy, emelőtranszformátornak nevezzük, mert a szekunder tekercs feszültsége, vagy az úgynevezett szekunder feszültség nagyobb, mint a primer tekercs feszültsége, vagy az ún. . Az egynél nagyobb transzformációs arányú transzformátort lecsökkentő transzformátornak nevezzük, mivel szekunder feszültsége kisebb, mint a primer feszültsége.
Egyfázisú transzformátor működése terhelés alatt
A transzformátor üresjárata során a mágneses fluxust a primer tekercs árama vagy inkább a primer tekercs magnetomotoros ereje hozza létre. Mivel a transzformátor mágneses áramköre vasból készült, ezért alacsony a mágneses ellenállása, és a primer tekercs menetszámát általában nagynak feltételezik, a transzformátor üresjárati árama kicsi, 5- 10%-a a normálnak.
Ha a szekunder tekercset valamilyen ellenállásra zárja, akkor az áram megjelenésével a szekunder tekercsben ennek a tekercsnek a magnetomotoros ereje is megjelenik.
A Lenz-törvény szerint a szekunder tekercs magnetomotoros ereje a primer tekercs magnetomotoros erejével szemben hat
Úgy tűnik, hogy ebben az esetben a mágneses fluxusnak csökkennie kell, de ha állandó feszültséget kapcsolunk az elsődleges tekercsre, akkor a mágneses fluxus szinte nem fog csökkenni.
Valójában a primer tekercsben indukált elektromotoros erő a transzformátor terhelésekor majdnem megegyezik az alkalmazott feszültséggel. Ez az elektromotoros erő arányos a mágneses fluxussal.Ezért, ha a primer feszültség állandó nagyságú, akkor a terhelés alatti elektromotoros erőnek közel azonosnak kell maradnia, mint a transzformátor terhelés nélküli működése során. Ez a körülmény a mágneses fluxus szinte teljes állandóságához vezet bármilyen terhelés mellett.
Így a primer feszültség állandó értékénél a transzformátor mágneses fluxusa alig változik a terhelés változásával, és üresjárati üzemmódban egyenlőnek tekinthető a mágneses fluxussal.
A transzformátor mágneses fluxusa terhelés alatt is csak azért tudja megőrizni értékét, mert a szekunder tekercsben áram megjelenésével a primer tekercsben az áram is növekszik, olyannyira, hogy a primer és szekunder tekercs magnetomotoros erői vagy amperfordulatai közötti különbség tekercsek közel egyenlő marad a magnetomotoros erővel vagy az amper-fordulattal alapjárat közben... Így a demagnetizáló magnetomotoros erő vagy amper-fordulat megjelenése a szekunder tekercsben az elsődleges tekercs magnetomotoros erejének automatikus növekedésével jár együtt.
Mivel, mint fentebb említettük, a transzformátor mágneses fluxusának létrehozásához kis magnetomotoros erő szükséges, elmondható, hogy a másodlagos magnetomotoros erő növekedése az elsődleges magnetomotoros erő növekedésével jár együtt, ami közel azonos nagyságrendű.
Ezért lehet írni:
Ebből az egyenlőségből adódik a transzformátor második fő jellemzője, nevezetesen az arány:
ahol kt a transzformációs tényező.
Ezért a transzformátor primer és szekunder tekercseinek áramának aránya egyenlő az átalakítási aránnyal osztva.
Így, a transzformátor főbb jellemzői legyen kapcsolata
és
Ha a kapcsolat bal oldalát megszorozzuk egymással és a jobb oldalait egymással, akkor azt kapjuk
és
Az utolsó egyenlőség megadja a transzformátor harmadik karakterisztikáját, ami így fejezhető ki: a transzformátor szekunder tekercsének leadott teljesítménye volt-amperben közel megegyezik a primer tekercsre leadott teljesítménnyel volt-amperben is. .
Ha figyelmen kívül hagyjuk a tekercsek rézében és a transzformátor mag vasában jelentkező energiaveszteségeket, akkor azt mondhatjuk, hogy az áramforrásból a transzformátor primer tekercsébe betáplált teljes energia a szekunder tekercsébe kerül, és a adó a mágneses fluxus.