Η αρχή της λειτουργίας και η συσκευή ενός μονοφασικού μετασχηματιστή

Μονοφασικός μετασχηματιστής χωρίς φορτίο

Οι μετασχηματιστές στην ηλεκτρική μηχανική ονομάζονται τέτοιες ηλεκτρικές συσκευές στις οποίες η ηλεκτρική ενέργεια εναλλασσόμενου ρεύματος από ένα σταθερό πηνίο σύρματος μεταφέρεται σε ένα άλλο σταθερό πηνίο σύρματος που δεν είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένο με το πρώτο.

Ο σύνδεσμος που μεταδίδει ενέργεια από το ένα πηνίο στο άλλο είναι η μαγνητική ροή, η οποία συμπλέκεται με τα δύο πηνία και αλλάζει συνεχώς σε μέγεθος και κατεύθυνση.

Ρύζι. 1.

Στο σχ. Το 1a δείχνει τον απλούστερο μετασχηματιστή που αποτελείται από δύο περιελίξεις / και / / διατεταγμένες ομοαξονικά το ένα πάνω από το άλλο. Στο πηνίο / παραδόθηκε εναλλασσόμενο ρεύμα από τον εναλλάκτη Δ. Το τύλιγμα αυτό ονομάζεται πρωτεύον ή πρωτεύον τύλιγμα. Με μια περιέλιξη // που ονομάζεται δευτερεύουσα περιέλιξη ή δευτερεύουσα περιέλιξη, ένα κύκλωμα συνδέεται μέσω δεκτών ηλεκτρικής ενέργειας.

Η αρχή λειτουργίας του μετασχηματιστή

Η δράση του μετασχηματιστή είναι η εξής. Όταν ρέει ρεύμα στο πρωτεύον τύλιγμα / δημιουργείται μαγνητικό πεδίο, οι γραμμές δύναμης των οποίων διεισδύουν όχι μόνο στην περιέλιξη που τις δημιούργησε, αλλά και εν μέρει στη δευτερεύουσα περιέλιξη //. Μια κατά προσέγγιση εικόνα της κατανομής των γραμμών δύναμης που δημιουργούνται από την κύρια περιέλιξη φαίνεται στο Σχ. 1β.

Όπως φαίνεται από το σχήμα, όλες οι γραμμές δύναμης είναι κλειστές γύρω από τους αγωγούς του πηνίου /, αλλά μερικές από αυτές στο σχ. 1β, τα ηλεκτρικά καλώδια 1, 2, 3, 4 είναι επίσης κλειστά γύρω από τα καλώδια του πηνίου //. Έτσι το πηνίο // συνδέεται μαγνητικά με το πηνίο / μέσω γραμμών μαγνητικού πεδίου.

Ο βαθμός μαγνητικής σύζευξης των πηνίων /και //, με την ομοαξονική τους διάταξη, εξαρτάται από την μεταξύ τους απόσταση: όσο πιο μακριά είναι τα πηνία μεταξύ τους, τόσο λιγότερη μαγνητική σύζευξη μεταξύ τους, επειδή όσο λιγότερες είναι οι γραμμές δύναμης στο πηνίο /κολλώ στο πηνίο //.

Εφόσον το πηνίο / διέρχεται, όπως υποθέτουμε, μονοφασικό εναλλασσόμενο ρεύμα, δηλαδή ένα ρεύμα που αλλάζει με την πάροδο του χρόνου σύμφωνα με κάποιο νόμο, για παράδειγμα, σύμφωνα με τον ημιτονοειδή νόμο, τότε το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από αυτό θα αλλάξει επίσης με την πάροδο του χρόνου σύμφωνα με τον ίδιο νόμο.

Για παράδειγμα, όταν το ρεύμα στο πηνίο / διέρχεται από τη μεγαλύτερη τιμή, τότε η μαγνητική ροή που δημιουργείται από αυτό διέρχεται επίσης από τη μεγαλύτερη τιμή. όταν το ρεύμα στο πηνίο / διέρχεται από το μηδέν, αλλάζοντας την κατεύθυνσή του, τότε η μαγνητική ροή περνά επίσης από το μηδέν, αλλάζοντας επίσης την κατεύθυνσή της.

Ως αποτέλεσμα της αλλαγής του ρεύματος στο πηνίο /, και τα δύο πηνία / και // διεισδύονται από μια μαγνητική ροή, αλλάζοντας συνεχώς την τιμή και την κατεύθυνσή του. Σύμφωνα με τον βασικό νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, για κάθε μεταβολή της μαγνητικής ροής που διεισδύει στο πηνίο, προκαλείται εναλλασσόμενο ρεύμα στο πηνίο. ηλεκτροκινητική δύναμη… Στην περίπτωσή μας, η ηλεκτροκινητική δύναμη της αυτο-επαγωγής επάγεται στο πηνίο /, και η ηλεκτροκινητική δύναμη της αμοιβαίας επαγωγής επάγεται στο πηνίο //.

Εάν τα άκρα του πηνίου // συνδέονται σε ένα κύκλωμα δεκτών ηλεκτρικής ενέργειας (βλ. Εικ. 1α), τότε θα εμφανιστεί ένα ρεύμα σε αυτό το κύκλωμα. επομένως οι δέκτες θα λαμβάνουν ηλεκτρική ενέργεια. Ταυτόχρονα, ενέργεια θα κατευθύνεται στο τύλιγμα /από τη γεννήτρια, σχεδόν ίση με την ενέργεια που δίνει στο κύκλωμα η περιέλιξη //. Με αυτόν τον τρόπο, η ηλεκτρική ενέργεια από το ένα πηνίο θα μεταδίδεται στο κύκλωμα του δεύτερου πηνίου, το οποίο είναι εντελώς άσχετο με το πρώτο πηνίο γαλβανικά (μεταλλικό).Σε αυτή την περίπτωση, το μέσο μετάδοσης ενέργειας είναι μόνο μια εναλλασσόμενη μαγνητική ροή.

Εμφανίζεται στο σχ. 1α, ο μετασχηματιστής είναι πολύ ατελής επειδή υπάρχει μικρή μαγνητική σύζευξη μεταξύ της κύριας περιέλιξης /και της δευτερεύουσας περιέλιξης //.

Η μαγνητική σύζευξη δύο πηνίων, γενικά μιλώντας, υπολογίζεται από την αναλογία της μαγνητικής ροής που συνδέεται με τα δύο πηνία προς τη ροή που δημιουργείται από ένα πηνίο.

Σύκο. 1b, μπορεί να φανεί ότι μόνο ένα μέρος των γραμμών πεδίου του πηνίου /είναι κλειστό γύρω από το πηνίο //. Το άλλο τμήμα των γραμμών ισχύος (στο Σχ. 1β — γραμμές 6, 7, 8) είναι κλειστό μόνο γύρω από το πηνίο /. Αυτές οι γραμμές ηλεκτρικής ενέργειας δεν εμπλέκονται καθόλου στη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας από το πρώτο πηνίο στο δεύτερο, σχηματίζουν το λεγόμενο αδέσποτο πεδίο.

Προκειμένου να αυξηθεί η μαγνητική σύζευξη μεταξύ του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος τυλίγματος και ταυτόχρονα να μειωθεί η μαγνητική αντίσταση για τη διέλευση της μαγνητικής ροής, οι περιελίξεις των τεχνικών μετασχηματιστών τοποθετούνται σε εντελώς κλειστούς πυρήνες σιδήρου.

Το πρώτο παράδειγμα υλοποίησης μετασχηματιστών φαίνεται σχηματικά στο σχ. 2 μονοφασικοί μετασχηματιστές του λεγόμενου τύπου ράβδου. Τα πρωτεύοντα και δευτερεύοντα πηνία του c1 και c2 βρίσκονται σε σιδερένιες ράβδους a — a, συνδεδεμένες στα άκρα με σιδερένιες πλάκες b — b, που ονομάζονται ζυγοί. Με αυτόν τον τρόπο, δύο ράβδοι a, a και δύο ζυγοί b, b σχηματίζουν έναν κλειστό σιδερένιο δακτύλιο, μέσα στον οποίο διέρχεται η μαγνητική ροή μπλοκαρισμένη με τις πρωτεύουσες και δευτερεύουσες περιελίξεις. Αυτός ο σιδερένιος δακτύλιος ονομάζεται πυρήνας του μετασχηματιστή.

Ρύζι. 2.

Η δεύτερη υλοποίηση των μετασχηματιστών φαίνεται σχηματικά στο Σχ. 3 μονοφασικοί μετασχηματιστές του λεγόμενου θωρακισμένου τύπου. Σε αυτόν τον μετασχηματιστή, τα πρωτεύοντα και δευτερεύοντα τυλίγματα c, το καθένα που αποτελείται από μια σειρά επίπεδων περιελίξεων, τοποθετούνται σε έναν πυρήνα που σχηματίζεται από δύο ράβδους δύο σιδερένιων δακτυλίων a και b. Οι δακτύλιοι a και b που περιβάλλουν τις περιελίξεις τις καλύπτουν σχεδόν εξ ολοκλήρου με θωράκιση, επομένως ο περιγραφόμενος μετασχηματιστής ονομάζεται θωρακισμένος. Η μαγνητική ροή που περνά μέσα στα πηνία c χωρίζεται σε δύο ίσα μέρη, καθένα από τα οποία περικλείεται στον δικό του σιδερένιο δακτύλιο.

Ρύζι. 3

Η χρήση κλειστών μαγνητικών κυκλωμάτων σιδήρου σε μετασχηματιστές επιτυγχάνει σημαντική μείωση του ρεύματος διαρροής. Σε τέτοιους μετασχηματιστές, οι ροές που συνδέονται με τις πρωτεύουσες και δευτερεύουσες περιελίξεις είναι σχεδόν ίσες μεταξύ τους. Αν υποθέσουμε ότι το πρωτεύον και το δευτερεύον τύλιγμα διαπερνάται από την ίδια μαγνητική ροή, μπορούμε να γράψουμε εκφράσεις με βάση το συνολικό επαγόμενο σοκ για τις στιγμιαίες τιμές των ηλεκτροκινητικών δυνάμεων των περιελίξεων:

Σε αυτές τις εκφράσεις, w1 και w2 — ο αριθμός των στροφών του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος τυλίγματος, και dFt είναι το μέγεθος της αλλαγής στη διεισδυτική περιέλιξη της μαγνητικής ροής ανά στοιχείο χρόνου dt, επομένως υπάρχει ένας ρυθμός μεταβολής της μαγνητικής ροής . Από τις τελευταίες εκφράσεις προκύπτει η ακόλουθη σχέση:

δηλ. που υποδεικνύονται στις πρωτεύουσες και δευτερεύουσες περιελίξεις / και // οι στιγμιαίες ηλεκτροκινητικές δυνάμεις σχετίζονται μεταξύ τους με τον ίδιο τρόπο όπως ο αριθμός των στροφών των πηνίων. Το τελευταίο συμπέρασμα ισχύει όχι μόνο σε σχέση με τις στιγμιαίες τιμές των ηλεκτροκινητικών δυνάμεων, αλλά και σε σχέση με τις μεγαλύτερες και αποτελεσματικές τιμές τους.

Η ηλεκτροκινητική δύναμη που προκαλείται στο πρωτεύον τύλιγμα, ως ηλεκτροκινητική δύναμη αυτοεπαγωγής, εξισορροπεί σχεδόν πλήρως την τάση που εφαρμόζεται στο ίδιο τύλιγμα... Εάν με E1 και U1 υποδεικνύετε τις ενεργές τιμές της ηλεκτροκινητικής δύναμης του πρωτεύοντος τυλίγματος και της τάσης που εφαρμόζεται σε αυτό, τότε μπορείτε να γράψετε:

Η ηλεκτροκινητική δύναμη που προκαλείται στη δευτερεύουσα περιέλιξη, στην περίπτωση που εξετάζουμε, είναι ίση με την τάση στα άκρα αυτής της περιέλιξης.

Εάν, όπως το προηγούμενο, μέσω των E2 και U2 υποδεικνύετε τις ενεργές τιμές ​​της ηλεκτροκινητικής δύναμης του δευτερεύοντος τυλίγματος και της τάσης στα άκρα του, τότε μπορείτε να γράψετε:

Επομένως, εφαρμόζοντας κάποια τάση σε μια περιέλιξη του μετασχηματιστή, μπορείτε να πάρετε οποιαδήποτε τάση στα άκρα του άλλου πηνίου, απλά πρέπει να πάρετε μια κατάλληλη αναλογία μεταξύ του αριθμού των στροφών αυτών των πηνίων. Αυτή είναι η κύρια ιδιότητα του μετασχηματιστή.

Ο λόγος του αριθμού των στροφών του πρωτεύοντος τυλίγματος προς τον αριθμό των στροφών του δευτερεύοντος τυλίγματος ονομάζεται αναλογία μετασχηματισμού του μετασχηματιστή... Θα συμβολίσουμε τον συντελεστή μετασχηματισμού kT.

Επομένως, μπορεί κανείς να γράψει:

Ένας μετασχηματιστής του οποίου ο λόγος μετασχηματισμού είναι μικρότερος από ένα ονομάζεται μετασχηματιστής κλιμάκωσης, επειδή η τάση της δευτερεύουσας περιέλιξης, ή η λεγόμενη δευτερεύουσα τάση, είναι μεγαλύτερη από την τάση του πρωτεύοντος τυλίγματος ή της λεγόμενης πρωτογενούς τάσης . Ένας μετασχηματιστής με λόγο μετασχηματισμού μεγαλύτερο από ένα ονομάζεται μετασχηματιστής βαθμιαίας πτώσης, καθώς η δευτερεύουσα τάση του είναι μικρότερη από την κύρια.

Λειτουργία μονοφασικού μετασχηματιστή υπό φορτίο

Κατά το ρελαντί του μετασχηματιστή, η μαγνητική ροή δημιουργείται από το πρωτεύον ρεύμα περιέλιξης ή μάλλον από τη μαγνητοκινητική δύναμη του πρωτεύοντος τυλίγματος. Δεδομένου ότι το μαγνητικό κύκλωμα του μετασχηματιστή είναι κατασκευασμένο από σίδηρο και επομένως έχει χαμηλή μαγνητική αντίσταση και ο αριθμός των στροφών του πρωτεύοντος τυλίγματος γενικά θεωρείται μεγάλος, το ρεύμα χωρίς φορτίο του μετασχηματιστή είναι μικρό, είναι 5- 10% του φυσιολογικού.

Εάν κλείσετε το δευτερεύον πηνίο σε κάποια αντίσταση, τότε με την εμφάνιση ρεύματος στο δευτερεύον πηνίο, θα εμφανιστεί και η μαγνητοκινητική δύναμη αυτού του πηνίου.

Σύμφωνα με το νόμο του Lenz, η μαγνητοκινητική δύναμη του δευτερεύοντος πηνίου δρα ενάντια στη μαγνητοκινητική δύναμη του πρωτεύοντος πηνίου

Φαίνεται ότι η μαγνητική ροή σε αυτή την περίπτωση θα πρέπει να μειωθεί, αλλά εάν εφαρμοστεί σταθερή τάση στο πρωτεύον τύλιγμα, τότε δεν θα υπάρξει σχεδόν καμία μείωση της μαγνητικής ροής.

Στην πραγματικότητα, η ηλεκτροκινητική δύναμη που προκαλείται στο πρωτεύον τύλιγμα όταν φορτίζεται ο μετασχηματιστής είναι σχεδόν ίση με την εφαρμοζόμενη τάση. Αυτή η ηλεκτροκινητική δύναμη είναι ανάλογη της μαγνητικής ροής.Επομένως, εάν η κύρια τάση είναι σταθερή σε μέγεθος, τότε η ηλεκτροκινητική δύναμη υπό φορτίο θα πρέπει να παραμείνει σχεδόν η ίδια όπως ήταν κατά τη λειτουργία του μετασχηματιστή χωρίς φορτίο. Αυτή η περίσταση οδηγεί σε σχεδόν πλήρη σταθερότητα της μαγνητικής ροής κάτω από οποιοδήποτε φορτίο.

Έτσι, σε μια σταθερή τιμή της κύριας τάσης, η μαγνητική ροή του μετασχηματιστή δεν αλλάζει σχεδόν καθόλου με την αλλαγή του φορτίου και μπορεί να θεωρηθεί ίση με τη μαγνητική ροή κατά τη λειτουργία χωρίς φορτίο.

Η μαγνητική ροή του μετασχηματιστή μπορεί να διατηρήσει την τιμή της υπό φορτίο μόνο επειδή καθώς εμφανίζεται ρεύμα στο δευτερεύον τύλιγμα, το ρεύμα στο πρωτεύον τύλιγμα αυξάνεται επίσης, τόσο πολύ ώστε η διαφορά μεταξύ των μαγνητοκινητικών δυνάμεων ή των στροφών αμπέρ του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος Οι περιελίξεις παραμένουν σχεδόν ίσες με τη μαγνητοκινητική δύναμη ή τις στροφές του αμπέρ κατά το ρελαντί ... Έτσι, η εμφάνιση μιας απομαγνητιστικής μαγνητοκινητικής δύναμης ή στροφών αμπέρ στο δευτερεύον τύλιγμα συνοδεύεται από αυτόματη αύξηση της μαγνητοκινητικής δύναμης του πρωτεύοντος τυλίγματος.

Δεδομένου ότι, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, απαιτείται μια μικρή μαγνητοκινητική δύναμη για τη δημιουργία μιας μαγνητικής ροής μετασχηματιστή, μπορεί να ειπωθεί ότι μια αύξηση της δευτερεύουσας μαγνητοκινητικής δύναμης συνοδεύεται από αύξηση της πρωτογενούς μαγνητοκινητικής δύναμης, η οποία είναι σχεδόν ίδια σε μέγεθος.

Επομένως, μπορεί κανείς να γράψει:

Από αυτή την ισότητα, προκύπτει το δεύτερο κύριο χαρακτηριστικό του μετασχηματιστή, δηλαδή η αναλογία:

όπου kt είναι ο παράγοντας μετασχηματισμού.

Επομένως, ο λόγος των ρευμάτων των πρωτευόντων και δευτερευόντων περιελίξεων του μετασχηματιστή είναι ίσος με το ένα διαιρούμενο με τον λόγο μετασχηματισμού.

Ετσι, τα κύρια χαρακτηριστικά του μετασχηματιστή έχουν σχέση

και

Αν πολλαπλασιάσουμε τις αριστερές πλευρές της σχέσης μεταξύ τους και τις δεξιές πλευρές μεταξύ τους, παίρνουμε

και

Η τελευταία ισότητα δίνει το τρίτο χαρακτηριστικό του μετασχηματιστή, το οποίο μπορεί να εκφραστεί με λέξεις όπως αυτή: η ισχύς που παρέχεται από τη δευτερεύουσα περιέλιξη του μετασχηματιστή σε βολτ-αμπέρ είναι σχεδόν ίση με την ισχύ που παρέχεται στο πρωτεύον τύλιγμα επίσης σε βολτ-αμπέρ .

Αν αγνοήσουμε τις απώλειες ενέργειας στον χαλκό των περιελίξεων και στο σίδερο του πυρήνα του μετασχηματιστή, τότε μπορούμε να πούμε ότι όλη η ισχύς που παρέχεται στο πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή από την πηγή ισχύος μεταφέρεται στο δευτερεύον τύλιγμά του και το ο πομπός είναι η μαγνητική ροή.