Princip činnosti jednofázového transformátoru: základní charakteristiky a režimy činnosti

V energetice se používají primární zdroje vysokého střídavého napětí, ale v každodenním životě nebo v podnicích je nutné je výrazně omezit. K tomuto účelu se používají transformátory. Chcete-li plně porozumět a správně aplikovat napětí v každodenním životě, musíte znát princip fungování jednofázového transformátoru.

Obecné informace o transformátorech

Je mnohem snazší přenášet střídavý proud na dlouhé vzdálenosti, protože je dosaženo minimálních ztrát spojených s hodnotami napětí (U) a proudu (I). Navíc k přenosu ne střídavého, ale konstantního I je nutné použít složitou elektroniku, která je založena na zesilování parametrů elektřiny. Hlavní částí této technologie jsou výkonové tranzistory, které vyžadují speciální chlazení a hlavním kritériem je cena. Optimálním řešením je použití transformátorů, které pracují pouze s proměnnými proudy.

Účel a zařízení

Transformátor (T) je specializované elektrické zařízení, které pracuje pouze na AC I a slouží k převodu hodnot vstupu U a I na požadované hodnoty těchto poskytnutých veličin ze strany spotřebitele.

T je poměrně primitivní zařízení, ale v jeho konstrukci jsou některé zvláštnosti. Abyste pochopili princip fungování jednofázového transformátoru, měli byste si prostudovat jeho účel a zařízení. Jednofázový transformátor je uspořádán následovně - skládá se z magnetického obvodu a vinutí.

Magnetický obvod neboli jádro transformátoru je vyrobeno z feromagnetického materiálu.

Feromagnetika jsou látky se spontánní magnetizací. To je způsobeno skutečností, že atomy látky mají velmi důležité vlastnosti: konstantní spin a orbitální momenty. Vlastnosti feromagnetik závisí na teplotě a působení magnetického pole. Pro výrobu magnetického jádra T se používají následující materiály: elektrotechnická ocel nebo permalloy.

Elektroocel obsahuje ve svém složení velký hmotnostní zlomek křemíku (Si), který se působením vysoké teploty slučuje s atomy uhlíku ©. Tento typ se používá u všech typů T bez ohledu na kapacitu.

Permalloy je slitina niklu (Ni) a železa (Fe) a používá se pouze v transformátorech s nízkým výkonem.

Typ T je cívka skládající se z rámu a drátu pokrytého izolačním materiálem. Tento drát je navinut na základně cívek a počet závitů závisí na parametrech T. Počet cívek může být 2 nebo více, závisí na konstrukční vlastnosti elektrického zařízení a je určena rozsahem.

Princip fungování

Princip činnosti jednofázového transformátoru je poměrně jednoduchý a je založen na vytváření elektromotorické síly (EMF) ve vinutích vodiče, který je v pohyblivém magnetickém poli a je generován pomocí proměnné I. Při průchodu elektřiny vinutím primární cívky vzniká magnetický tok (F), který prostupuje i sekundární cívku. Síťová vedení Ф mají díky uzavřené konstrukci magnetického obvodu uzavřenou strukturu. Pro získání optimálního výkonu T je nutné umístit cívky vinutí v těsné vzdálenosti od sebe.

Na základě zákona elektromagnetické indukce dochází ke změně Ф a je indukována v primárním vinutí EMF. Tato hodnota se nazývá EMF vlastní indukce a sekundární - EMF vzájemné indukce.

Při připojení spotřebiče k primárnímu vinutí T se v obvodu objeví elektrická energie, která je přenášena z primárního vinutí přes magnetický obvod (cívky nejsou galvanicky spojeny). V tomto případě pouze F. Transformátory se liší z hlediska konstrukčních prvků. Po dosažení maximální magnetické vazby (MC) jsou T rozděleny do následujících typů:

1. Silný.
2. Průměrný.
3. Slabý.

Při slabé MR dochází k výrazné ztrátě energie a T tohoto typu se prakticky nepoužívá. Hlavním rysem takového T jsou otevřená jádra.

Průměrná úroveň MC je dosažena pouze se zcela uzavřeným magnetickým obvodem. Jedním příkladem takového T je tyčový typ, ve kterém jsou vinutí umístěna na železných tyčích a jsou vzájemně spojena popruhy nebo třmeny. Výsledkem tohoto návrhu je zcela uzavřené jádro.

Příkladem silného MC je pancéřovaný typ T, jehož vinutí jsou umístěna na jedné nebo více cívkách. Tato vinutí jsou umístěna velmi blízko, díky čemuž je zajištěna minimální ztráta elektrické energie. Magnetický obvod zcela zakrývá cívky, čímž vzniká silnější Ф, která se rozlomí na 2 části. U transformátorů tohoto typu jsou vazební toky mezi vinutími prakticky stejné.

Provozní režimy

T, jako každý sekundární zdroj energie, má určité provozní režimy. Režimy se liší spotřebou I. Existují 2 režimy: volnoběh a zatížení. Naprázdno T spotřebuje minimální množství I, které se využívá pouze pro magnetizaci a ztráty ve vinutích pro ohřev. Navíc je magnetické pole rozptýlené. Ф vzniká I magnetomotorická síla, která je generována primárním vinutím. V tomto případě je I volnoběh 3-10 % jmenovité hodnoty (Iн).

Při zatížení ve vinutí II se objeví I, a tedy magnetomotorická síla (MDF). Podle Lenzova zákona: MDS II vinutí působí proti MDS primárního vinutí. V tomto případě je EMF v primárním vinutí během zatížení T rovno U a je přímo úměrné F. V tomto případě lze získání k zapsat jako: I1 / I2 = w2 / w1 = 1 / k.

Na základě vzorců pro výpočet k můžete získat další poměr T: e1 * I1 = e2 * I2 = 1.

Tento poměr ukazuje, že výkon spotřebovaný primárním vinutím se rovná výkonu spotřebovanému II vinutím při zatížení. Výkon T se měří ve voltampérech (VA).

hlavní parametry

Kromě toho je třeba poznamenat, že jakýkoli T má některé parametry, které se liší od ostatních transformátorů. Kromě toho, pokud rozumíte těmto závislostem, můžete vypočítat a vytvořit T vlastníma rukama.

Spojení mezi EMF vznikající ve vinutích T závisí na počtu závitů každého z nich. Vycházíme ze skutečnosti, že vinutí I a II jsou proražena stejným F, je možné vypočítat následující poměr na základě obecného zákona indukce pro okamžité hodnoty EMF:

1. Pro primární s počtem závitů w1: e1 = - w1 * dF / dt * E-8.
2. Pro sekundár s počtem závitů w2: e2 = - w2 * dF / dt * E-8.

Poměr dФ / dt ukazuje velikost změny v Ф za jednotku času. Hodnota toku Ф závisí na zákonu změny střídavého proudu za jednotku času. Na základě těchto výrazů se získá následující vzorec pro poměr počtu závitů k EMF každého vinutí:

e1 / e2 = w1 / w2.

Proto můžeme vyvodit následující závěr: hodnoty EMF indukované ve vinutích se také vzájemně vztahují, stejně jako počet závitů vinutí. Pro jednodušší zápis můžete porovnat hodnoty e a U: e = U. Z toho vyplývá, že e1 = U1 e2 = U2 a je možné získat další veličinu, nazývanou transformační poměr (k): e1 / e2 = U1 / U2 = w1 / w2 = k. Podle transformačního poměru se T dělí na klesající a rostoucí.

Klesající je T, jehož k je menší než 1, a pokud tedy k > 1, pak je rostoucí. Při absenci ztrát ve vodičích vinutí a rozptylu Ф (jsou nevýznamné a lze je zanedbat) je poměrně jednoduché vypočítat hlavní parametr T (k). Chcete-li to provést, musíte použít následující jednoduchý algoritmus pro nalezení k: zjistěte poměr vinutí U (pokud existuje více než 2 vinutí, pak je třeba hledat poměr pro všechna vinutí).

Výpočet k je však pouze prvním krokem pro další výpočet nebo řešení problémů na přítomnost zkratovaných závitů.

Pro stanovení hodnot U je nutné použít 2 voltmetry, jejichž přesnost je cca 0,2-0,5. Kromě toho existují způsoby, jak určit k:

1. Podle pasu.
2. Prakticky.
3. Použití konkrétního mostu (Scheringův most).
4. Zařízení k tomu určené (UICT).

Princip činnosti jednofázového transformátoru je tedy založen na jednoduchém fyzikálním zákoně, a to: pokud vodič s číslem n závity, které mají být umístěny v magnetickém poli, a toto pole se musí v průběhu času neustále měnit, pak se budou generovat otáčky EMF. V tomto případě platí i opačné tvrzení: pokud je vodič umístěn v konstantním magnetickém poli a pohybuje se s ním, pak se v jeho vinutí začíná objevovat EMF.