Princip činnosti a zařízení jednofázového transformátoru

Jednofázový transformátor naprázdno

Transformátory v elektrotechnice se nazývají taková elektrická zařízení, ve kterých se elektrická energie střídavého proudu z jedné pevné cívky drátu přenáší na jinou pevnou cívku drátu, která není elektricky spojena s první.

Spojnicí, která přenáší energii z jedné cívky do druhé, je magnetický tok, který je propojen s oběma cívkami a neustále se mění ve velikosti a směru.

Rýže. 1.

Na Obr. la znázorňuje nejjednodušší transformátor sestávající ze dvou vinutí / a / / uspořádaných koaxiálně nad sebou. K cívce / dodáno střídavý proud z alternátoru D. Toto vinutí se nazývá primární vinutí nebo primární vinutí. S vinutím // nazývaným sekundární vinutí nebo sekundární vinutí je obvod připojen přes přijímače elektrické energie.

Princip činnosti transformátoru

Činnost transformátoru je následující. Když proud protéká primárním vinutím / vzniká magnetické pole, jejichž siločáry pronikají nejen do vinutí, které je vytvořilo, ale částečně i do sekundárního vinutí //. Přibližný obrázek rozložení siločar vytvořených primárním vinutím je na Obr. 1b.

Jak je vidět z obrázku, všechny siločáry jsou uzavřeny kolem vodičů cívky /, ale některé z nich na obr. 1b jsou elektrické vodiče 1, 2, 3, 4 rovněž uzavřeny kolem vodičů cívky //. Cívka // je tedy magneticky spojena s cívkou / pomocí magnetických siločar.

Stupeň magnetické vazby cívek /a //, s jejich koaxiálním uspořádáním, závisí na vzdálenosti mezi nimi: čím dále jsou cívky od sebe, tím menší je magnetická vazba mezi nimi, protože tím méně je siločar na cívka /přilepit se na cívku //.

Protože cívka / prochází, jak předpokládáme, jednofázový střídavý proud, tedy proud, který se v čase mění podle nějakého zákona, např. podle sinusového zákona, pak se jím vytvořené magnetické pole bude v čase měnit také podle stejného zákona.

Například když proud v cívce / prochází největší hodnotou, pak jím generovaný magnetický tok také prochází největší hodnotou; když proud v cívce / prochází nulou a mění svůj směr, pak magnetický tok také prochází nulou a také mění svůj směr.

V důsledku změny proudu v cívce / proniká do obou cívek / a // magnetický tok, který neustále mění svou hodnotu a směr. Podle základního zákona elektromagnetické indukce se při každé změně magnetického toku pronikajícího do cívky indukuje v cívce střídavý proud elektromotorická síla… V našem případě se v cívce // indukuje elektromotorická síla samoindukce a v cívce // elektromotorická síla vzájemné indukce.

Pokud jsou konce cívky // připojeny k obvodu přijímačů elektrické energie (viz obr. 1a), objeví se v tomto obvodu proud; proto budou přijímače přijímat elektrickou energii. Současně bude do vinutí /z generátoru směřována energie, téměř stejná jako energie, kterou vinutí dává obvodu //. Tímto způsobem bude elektrická energie z jedné cívky přenášena do obvodu druhé cívky, která s první cívkou galvanicky (kovově) zcela nesouvisí.V tomto případě je prostředkem přenosu energie pouze střídavý magnetický tok.

Znázorněno na Obr. 1a, transformátor je velmi nedokonalý, protože mezi primárním vinutím /a sekundárním vinutím // je malá magnetická vazba.

Magnetická vazba dvou cívek, obecně řečeno, se odhaduje poměrem magnetického toku spojeného se dvěma cívkami k toku vytvořenému jednou cívkou.

Obr. 1b je vidět, že pouze část siločar cívky /je uzavřena kolem cívky //. Druhá část silových vedení (na obr. 1b — vedení 6, 7, 8) je uzavřena pouze kolem cívky /. Tato silová vedení se vůbec nepodílejí na přenosu elektrické energie z první cívky do druhé, tvoří tzv. rozptylové pole.

Aby se zvýšila magnetická vazba mezi primárním a sekundárním vinutím a zároveň se snížil magnetický odpor pro průchod magnetického toku, jsou vinutí technických transformátorů umístěna na zcela uzavřených železných jádrech.

První příklad realizace transformátorů je schematicky znázorněn na Obr. 2 jednofázový transformátor tzv. tyčového typu. Jeho primární a sekundární cívky c1 a c2 jsou umístěny na železných tyčích a — a, spojených na koncích železnými pláty b — b, zvaných jha. Tímto způsobem tvoří dvě tyče a, a a dvě jha b, b uzavřený železný prstenec, ve kterém prochází magnetický tok blokovaný primárním a sekundárním vinutím. Tento železný prstenec se nazývá jádro transformátoru.

Rýže. 2.

Druhé provedení transformátorů je schematicky znázorněno na Obr. 3 jednofázový transformátor tzv. pancéřového typu. V tomto transformátoru jsou primární a sekundární vinutí c, každé sestávající z řady plochých vinutí, umístěny na jádru tvořeném dvěma tyčemi ze dvou železných kroužků a a b. Kroužky a a b obklopující vinutí je téměř celé pokrývají pancířem, proto se popsaný transformátor nazývá pancéřovaný. Magnetický tok procházející uvnitř cívek c je rozdělen na dvě stejné části, z nichž každá je uzavřena ve vlastním železném prstenci.

Rýže. 3

Použitím uzavřených železných magnetických obvodů v transformátorech se dosáhne výrazného snížení svodového proudu. V takových transformátorech jsou toky připojené k primárnímu a sekundárnímu vinutí téměř stejné. Pokud předpokládáme, že primárním a sekundárním vinutím proniká stejný magnetický tok, můžeme pro okamžité hodnoty elektromotorických sil vinutí napsat výrazy založené na celkovém indukovaném rázu:

V těchto výrazech w1 a w2 — počet závitů primárního a sekundárního vinutí a dFt je velikost změny v pronikajícím vinutí magnetického toku za časový prvek dt, proto existuje rychlost změny magnetického toku. . Z posledních výrazů lze získat následující vztah:

tj. uvedené v primárním a sekundárním vinutí / a // momentální elektromotorické síly spolu souvisí stejně jako počet závitů cívek. Poslední závěr platí nejen s ohledem na okamžité hodnoty elektromotorických sil, ale také s ohledem na jejich největší a efektivní hodnoty.

Elektromotorická síla indukovaná v primárním vinutí jako elektromotorická síla samoindukce téměř úplně vyrovnává napětí aplikované na stejné vinutí... Pokud pomocí E1 a U1 uvedete efektivní hodnoty elektromotorické síly primárního vinutí a napětí na něj aplikovaného, ​​pak můžete napsat:

Elektromotorická síla indukovaná v sekundárním vinutí je v uvažovaném případě rovna napětí na koncích tohoto vinutí.

Pokud, stejně jako předchozí, prostřednictvím E2 a U2 uvedete efektivní hodnoty elektromotorické síly sekundárního vinutí a napětí na jeho koncích, můžete napsat:

Přivedením nějakého napětí na jedno vinutí transformátoru tedy můžete získat libovolné napětí na koncích druhé cívky, jen je potřeba vzít vhodný poměr mezi počtem závitů těchto cívek. To je hlavní vlastnost transformátoru.

Poměr počtu závitů primárního vinutí k počtu závitů sekundárního vinutí se nazývá transformační poměr transformátoru... Budeme označovat transformační koeficient kT.

Proto lze napsat:

Transformátor, jehož transformační poměr je menší než jedna, se nazývá zvyšovací transformátor, protože napětí sekundárního vinutí neboli tzv. sekundární napětí je větší než napětí primárního vinutí, neboli tzv. primární napětí. . Transformátor s transformačním poměrem větším než jedna se nazývá snižovací transformátor, protože jeho sekundární napětí je menší než primární.

Provoz jednofázového transformátoru pod zátěží

Při volnoběhu transformátoru vzniká magnetický tok proudem primárního vinutí nebo spíše magnetomotorickou silou primárního vinutí. Vzhledem k tomu, že magnetický obvod transformátoru je vyroben ze železa a má tedy nízký magnetický odpor a počet závitů primárního vinutí se obecně považuje za velký, je proud transformátoru naprázdno malý, je 5- 10 % normálu.

Pokud uzavřete sekundární cívku na nějaký odpor, pak s výskytem proudu v sekundární cívce se objeví i magnetomotorická síla této cívky.

Podle Lenzova zákona působí magnetomotorická síla sekundární cívky proti magnetomotorické síle primární cívky

Zdá se, že magnetický tok by v tomto případě měl klesnout, ale pokud je na primární vinutí aplikováno konstantní napětí, nedojde k téměř žádnému poklesu magnetického toku.

Ve skutečnosti se elektromotorická síla indukovaná v primárním vinutí při zatížení transformátoru téměř rovná použitému napětí. Tato elektromotorická síla je úměrná magnetickému toku.Pokud má tedy primární napětí konstantní velikost, pak by elektromotorická síla při zatížení měla zůstat téměř stejná, jako byla při chodu transformátoru naprázdno. Tato okolnost vede k téměř úplné stálosti magnetického toku při jakémkoli zatížení.

Při konstantní hodnotě primárního napětí se tedy magnetický tok transformátoru se změnou zátěže téměř nemění a lze jej považovat za rovný magnetickému toku při chodu naprázdno.

Magnetický tok transformátoru si při zatížení může udržet svou hodnotu jen proto, že jak se objeví proud v sekundárním vinutí, zvětší se i proud v primárním vinutí natolik, že rozdíl mezi magnetomotorickými silami nebo ampérovými závity primárního a sekundárního vinutí vinutí zůstává téměř stejná jako magnetomotorická síla nebo ampérzávity při volnoběhu... Vznik demagnetizující magnetomotorické síly nebo ampérzávitů v sekundárním vinutí je tedy doprovázen automatickým zvýšením magnetomotorické síly primárního vinutí.

Protože, jak již bylo uvedeno výše, je k vytvoření magnetického toku transformátoru zapotřebí malá magnetomotorická síla, lze říci, že zvýšení sekundární magnetomotorické síly je doprovázeno zvýšením primární magnetomotorické síly, která je co do velikosti téměř stejná.

Proto lze napsat:

Z této rovnosti se získá druhá hlavní charakteristika transformátoru, a to poměr:

kde kt je transformační faktor.

Proto je poměr proudů primárního a sekundárního vinutí transformátoru roven jedné dělené transformačním poměrem.

Tak, hlavní charakteristiky transformátoru mít vztah

a

Pokud vynásobíme levé strany vztahu navzájem a pravé strany navzájem, dostaneme

a

Poslední rovnost udává třetí charakteristiku transformátoru, kterou lze vyjádřit slovy takto: výkon dodávaný sekundárním vinutím transformátoru ve voltampérech je téměř stejný jako výkon dodávaný do primárního vinutí také ve voltampérech .

Pomineme-li energetické ztráty v mědi vinutí a v železe jádra transformátoru, pak můžeme říci, že veškerý výkon dodávaný do primárního vinutí transformátoru ze zdroje energie je převeden na jeho sekundární vinutí a vysílačem je magnetický tok.