Nel settore energetico vengono utilizzate fonti primarie di alta tensione alternata, ma nella vita di tutti i giorni o nelle imprese è necessario ridurla in modo significativo. A tale scopo vengono utilizzati trasformatori. Per comprendere appieno e applicare correttamente la tensione nella vita di tutti i giorni, è necessario conoscere il principio di funzionamento di un trasformatore monofase.
Contenuto
- Informazioni generali sui trasformatori
- Scopo e dispositivo
- Principio operativo
- Modalità di funzionamento
- parametri principali
Informazioni generali sui trasformatori
È molto più facile trasmettere corrente alternata su lunghe distanze, poiché si ottengono le perdite minime associate ai valori di tensione (U) e corrente (I). Inoltre, per trasmettere non alternato, ma costante I, è necessario utilizzare un'elettronica complessa, che si basa sull'amplificazione dei parametri dell'elettricità. La parte principale di questa tecnologia sono i transistor di potenza, che richiedono un raffreddamento speciale e il criterio principale è il prezzo. L'utilizzo di trasformatori che funzionano solo a correnti variabili è la soluzione ottimale.
Scopo e dispositivo
Un trasformatore (T) è un dispositivo elettrico specializzato che funziona solo su AC I e viene utilizzato per convertire i valori dell'ingresso U e I nei valori richiesti di queste quantità fornite dal consumatore.
La T è un dispositivo piuttosto primitivo, ma ci sono alcune peculiarità nel suo design. Per comprendere il principio di funzionamento di un trasformatore monofase, dovresti studiarne lo scopo e il dispositivo. Un trasformatore monofase è disposto come segue: è costituito da un circuito magnetico e avvolgimenti.
Il circuito magnetico, o nucleo del trasformatore, è realizzato in materiale ferromagnetico.
I ferromagneti sono sostanze a magnetizzazione spontanea. Ciò è dovuto al fatto che gli atomi di una sostanza hanno proprietà molto importanti: spin e momenti orbitali costanti. Le proprietà dei ferromagneti dipendono dalla temperatura e dall'azione di un campo magnetico. Per la fabbricazione del nucleo magnetico T vengono utilizzati i seguenti materiali: acciaio elettrico o permalloy.
L'acciaio elettrico contiene nella sua composizione una grande frazione in massa di silicio (Si), che, sotto l'azione dell'alta temperatura, si combina con gli atomi di carbonio ©. Questo tipo viene utilizzato in tutti i tipi di T, indipendentemente dalla capacità.
Il permalloy è una lega di nichel (Ni) e ferro (Fe) e viene utilizzato solo nei trasformatori di bassa potenza.
Il tipo T è una bobina costituita da un telaio e un filo ricoperto da un materiale isolante. Questo filo è avvolto sulla base delle bobine e il numero di spire dipende dai parametri T. Il numero di bobine può essere 2 o più, dipende dalla caratteristica di progettazione del dispositivo elettrico ed è determinato dall'ambito.
Principio operativo
Il principio di funzionamento di un trasformatore monofase è abbastanza semplice e si basa sulla generazione di una forza elettromotrice (EMF) negli avvolgimenti di un conduttore che si trova in un campo magnetico in movimento e viene generato utilizzando la variabile I. Quando l'elettricità passa attraverso gli avvolgimenti della bobina primaria, si crea un flusso magnetico (F), che permea anche la bobina secondaria. Le linee elettriche a causa del design chiuso del circuito magnetico hanno una struttura chiusa. Per ottenere la potenza ottimale T, è necessario posizionare le bobine degli avvolgimenti a distanza ravvicinata l'una dall'altra.
In base alla legge dell'induzione elettromagnetica, si verifica una variazione di ed è indotta nell'avvolgimento primario dell'EMF. Questo valore è chiamato EMF di autoinduzione e nel secondario - EMF di mutua induzione.
Quando il consumatore è collegato all'avvolgimento primario T, nel circuito appare energia elettrica, che viene trasmessa dall'avvolgimento primario attraverso il circuito magnetico (le bobine non sono collegate galvanicamente). In questo caso solo F. I trasformatori sono diversi in termini di caratteristiche del design. Al raggiungimento del massimo accoppiamento magnetico (MC), le T si suddividono nelle seguenti tipologie:
- Forte.
- Media.
- Debole.
Con MR debole, si verifica una significativa perdita di energia e T di questo tipo non viene praticamente utilizzato. La caratteristica principale di tale T sono i nuclei aperti.
Il livello medio di MC viene raggiunto solo con un circuito magnetico completamente chiuso. Un esempio di tale T è il tipo ad asta, in cui gli avvolgimenti si trovano su aste di ferro e sono interconnessi da cinghie o gioghi. Il risultato di questo design è un nucleo completamente chiuso.
Un esempio di un forte MC è il tipo corazzato a T, i cui avvolgimenti si trovano su una o più bobine. Questi avvolgimenti si trovano molto vicini, grazie ai quali è garantita una minima perdita di energia elettrica. Il circuito magnetico copre completamente le bobine, creando un più forte, che si rompe in 2 parti. Per trasformatori di questo tipo i flussi di accoppiamento tra gli avvolgimenti sono praticamente uguali.
Modalità di funzionamento
T, come qualsiasi fonte di alimentazione secondaria, ha determinate modalità operative. Le modalità differiscono nel consumo di I. Ci sono 2 modalità: inattivo e carico. A vuoto, T consuma una quantità minima di I, che viene utilizzata solo per la magnetizzazione e le perdite negli avvolgimenti per il riscaldamento. Inoltre, il campo magnetico è disperso. viene creata I forza magnetomotrice, che è generata dall'avvolgimento primario. In questo caso, I minimo è il 3-10% del valore nominale (Iн).
Con un carico nell'avvolgimento II, appare I, e quindi la forza magnetomotrice (MDF). Secondo la legge di Lenz: la MDS II dell'avvolgimento agisce contro la MDS dell'avvolgimento primario. In questo caso, l'EMF nell'avvolgimento primario durante il carico T è uguale a U ed è direttamente proporzionale a F. In questo caso, ottenere k può essere scritto come: I1 / I2 = w2 / w1 = 1 / k.
Sulla base delle formule per calcolare k, puoi ottenere un altro rapporto T: e1 * I1 = e2 * I2 = 1.
Questo rapporto mostra che la potenza consumata dall'avvolgimento primario è uguale alla potenza consumata dall'avvolgimento II sotto carico. La potenza T è misurata in volt-ampere (VA).
parametri principali
Inoltre, va notato che qualsiasi T ha alcuni parametri che differiscono da altri trasformatori. Inoltre, se comprendi queste dipendenze, puoi calcolare e creare T con le tue mani.
La connessione tra l'EMF che si verifica negli avvolgimenti T dipende dal numero di spire di ciascuno di essi. Procedendo dal fatto che gli avvolgimenti I e II sono perforati dallo stesso F, è possibile calcolare il seguente rapporto basato sulla legge generale di induzione per i valori di EMF istantanei:
-
Per il primario con il numero di giri w1: e1 = - w1 * dF / dt * E-8. - Per il secondario con il numero di giri w2: e2 = - w2 * dF / dt * E-8.
Il rapporto dФ / dt mostra la quantità di variazione in per unità di tempo. Il valore del flusso dipende dalla legge di variazione della corrente alternata nell'unità di tempo. Sulla base di queste espressioni, si ottiene la seguente formula per il rapporto tra il numero di spire e l'EMF di ciascun avvolgimento:
e1/e2 = w1/w2.
Pertanto, possiamo trarre la seguente conclusione: i valori EMF indotti negli avvolgimenti si riferiscono anche tra loro, così come il numero di spire degli avvolgimenti. Per una notazione più semplice, puoi confrontare i valori di e e U: e = U. Ne consegue che e1 = U1 e2 = U2 ed è possibile ottenere un'altra quantità, chiamata rapporto di trasformazione (k): e1 / e2 = U1 / U2 = w1 / w2 = k. In base al rapporto di trasformazione, T si dividono in decrescenti e crescenti.
Diminuendo è T, di cui k è minore di 1, e, di conseguenza, se k> 1, allora è crescente. In assenza di perdite nei fili degli avvolgimenti e dispersione (sono insignificanti e possono essere trascurati), è abbastanza semplice calcolare il parametro principale T (k). Per fare ciò, è necessario utilizzare il seguente semplice algoritmo per trovare k: trovare il rapporto degli avvolgimenti U (se ci sono più di 2 avvolgimenti, è necessario cercare il rapporto per tutti gli avvolgimenti).
Tuttavia, il calcolo di k è solo il primo passo per ulteriori calcoli o risoluzione dei problemi per la presenza di spire in cortocircuito.
Per determinare i valori U, è necessario utilizzare 2 voltmetri, la cui precisione è di circa 0,2-0,5. Inoltre, ci sono modi per determinare k:
- Secondo il passaporto.
- In pratica.
- Utilizzo di un bridge specifico (Schering bridge).
- Un dispositivo progettato per questo scopo (UICT).
Pertanto, il principio di funzionamento di un trasformatore monofase si basa su una semplice legge fisica, ovvero: se un conduttore con n numero turni da inserire in un campo magnetico, e questo campo deve cambiare costantemente nel tempo, quindi nei turni verrà generato CEM. In questo caso, è vera anche l'affermazione opposta: se un conduttore è posto in un campo magnetico costante e si muove con esso, allora un EMF inizia ad apparire nei suoi avvolgimenti.
