Zasada działania transformatora jednofazowego: podstawowe charakterystyki i tryby pracy

W energetyce stosuje się pierwotne źródła wysokiego napięcia przemiennego, ale w życiu codziennym lub w przedsiębiorstwach konieczne jest jego znaczne ograniczenie. W tym celu stosuje się transformatory. Aby w pełni zrozumieć i prawidłowo zastosować napięcie w życiu codziennym, musisz znać zasadę działania transformatora jednofazowego.

Ogólne informacje o transformatorach

Dużo łatwiej jest przesyłać prąd przemienny na duże odległości, ponieważ osiągane są minimalne straty związane z wartościami napięcia (U) i prądu (I). Ponadto, aby przesyłać nie naprzemiennie, ale stałe I, konieczne jest zastosowanie złożonej elektroniki, która opiera się na wzmacnianiu parametrów energii elektrycznej. Główną częścią tej technologii są tranzystory mocy, które wymagają specjalnego chłodzenia, a głównym kryterium jest cena. Optymalnym rozwiązaniem jest zastosowanie transformatorów, które działają tylko na zmienne prądy.

Cel i urządzenie

Transformator (T) to specjalistyczne urządzenie elektryczne, które działa tylko na AC I i służy do przeliczania wartości wejściowych U i I na wymagane wartości tych podanych wielkości przez konsumenta.

T jest dość prymitywnym urządzeniem, ale w jego konstrukcji są pewne osobliwości. Aby zrozumieć zasadę działania transformatora jednofazowego, należy przestudiować jego cel i urządzenie. Transformator jednofazowy jest ułożony w następujący sposób - składa się z obwodu magnetycznego i uzwojeń.

Obwód magnetyczny, czyli rdzeń transformatora, jest wykonany z materiału ferromagnetycznego.

Ferromagnesy to substancje o samoistnym namagnesowaniu. Wynika to z faktu, że atomy substancji mają bardzo ważne właściwości: stały spin i momenty orbitalne. Właściwości ferromagnetyków zależą od temperatury i działania pola magnetycznego. Do produkcji rdzenia magnetycznego T wykorzystywane są następujące materiały: stal elektrotechniczna lub permalloy.

Stal elektryczna zawiera w swoim składzie duży ułamek masowy krzemu (Si), który pod wpływem wysokiej temperatury łączy się z atomami węgla ©. Ten typ jest stosowany we wszystkich typach T, niezależnie od pojemności.

Permalloy jest stopem niklu (Ni) i żelaza (Fe) i jest używany tylko w transformatorach małej mocy.

Typ T to cewka składająca się z ramy i drutu pokrytego materiałem izolacyjnym. Drut ten jest nawinięty na podstawie cewek, a liczba zwojów zależy od parametrów T. Liczba cewek może wynosić 2 lub więcej, zależy to od cechy konstrukcyjnej urządzenia elektrycznego i zależy od zakresu.

Zasada działania

Zasada działania transformatora jednofazowego jest dość prosta i opiera się na generowaniu siły elektromotorycznej (EMF) w uzwojeniach przewodnika, który znajduje się w ruchomym polu magnetycznym i jest generowany za pomocą zmiennej I. Kiedy energia elektryczna przechodzi przez uzwojenia cewki pierwotnej, powstaje strumień magnetyczny (F), który przenika również cewkę wtórną. Linie energetyczne Ф ze względu na zamkniętą konstrukcję obwodu magnetycznego mają zamkniętą strukturę. Aby uzyskać optymalną moc T, konieczne jest umieszczenie cewek uzwojenia w bliskiej odległości od siebie.

W oparciu o prawo indukcji elektromagnetycznej zachodzi zmiana Ф i jest indukowana w pierwotnym uzwojeniu pola elektromagnetycznego. Ta wartość nazywa się EMF samoindukcji, a wtórnie - EMF wzajemnej indukcji.

Gdy odbiorca jest podłączony do uzwojenia pierwotnego T, w obwodzie pojawia się energia elektryczna, która jest przekazywana z uzwojenia pierwotnego przez obwód magnetyczny (cewki nie są połączone galwanicznie). W tym przypadku tylko F. Transformatory różnią się cechami konstrukcyjnymi. Po osiągnięciu maksymalnego sprzężenia magnetycznego (MC) T dzielą się na następujące typy:

1. Silny.
2. Przeciętny.
3. Słaby.

Przy słabym MR dochodzi do znacznej utraty energii i T tego typu praktycznie nie jest wykorzystywane. Główną cechą takiego T są otwarte rdzenie.

Średni poziom MC osiąga się tylko przy całkowicie zamkniętym obwodzie magnetycznym. Jednym z przykładów takiego T jest typ pręta, w którym uzwojenia są umieszczone na żelaznych prętach i są połączone paskami lub jarzmami. Rezultatem tego projektu jest całkowicie zamknięty rdzeń.

Przykładem mocnego MC jest typ pancerny T, którego uzwojenia znajdują się na jednej lub kilku cewkach. Uzwojenia te znajdują się bardzo blisko, dzięki czemu zapewnione są minimalne straty energii elektrycznej. Obwód magnetyczny całkowicie pokrywa cewki, tworząc silniejszy Ф, który rozpada się na 2 części. W przypadku transformatorów tego typu strumienie sprzężenia między uzwojeniami są praktycznie równe.

Tryby działania

T, jak każde dodatkowe źródło zasilania, ma określone tryby pracy. Tryby różnią się zużyciem I. Dostępne są 2 tryby: bezczynny i obciążony. Bez obciążenia T zużywa minimalną ilość I, która służy tylko do namagnesowania i strat w uzwojeniach do ogrzewania. Dodatkowo pole magnetyczne ulega rozproszeniu. Ф powstaje siła magnetomotoryczna, która jest generowana przez uzwojenie pierwotne. W tym przypadku I bezczynny wynosi 3-10% wartości nominalnej (Iн).

Przy obciążeniu w uzwojeniu II pojawia się I, a więc siła magnetomotoryczna (MDF). Zgodnie z prawem Lenza: MDS II uzwojenia działa przeciwko MDS uzwojenia pierwotnego. W tym przypadku siła elektromotoryczna w uzwojeniu pierwotnym podczas obciążenia T jest równa U i jest wprost proporcjonalna do F. W takim przypadku otrzymanie k można zapisać jako: I1 / I2 = w2 / w1 = 1 / k.

Na podstawie wzorów na obliczenie k można uzyskać inny stosunek T: e1 * I1 = e2 * I2 = 1.

Ten stosunek pokazuje, że moc pobierana przez uzwojenie pierwotne jest równa mocy pobieranej przez uzwojenie II pod obciążeniem. Moc T jest mierzona w woltoamperach (VA).

główne parametry

Ponadto należy zauważyć, że każdy T ma pewne parametry, które różnią się od innych transformatorów. Ponadto, jeśli rozumiesz te zależności, możesz obliczyć i wykonać T własnymi rękami.

Połączenie między polem elektromagnetycznym powstającym w uzwojeniach T zależy od liczby zwojów każdego z nich. Wychodząc z faktu, że uzwojenia I i II są przebite tym samym F, możliwe jest obliczenie następującego stosunku w oparciu o ogólne prawo indukcji dla chwilowych wartości pola elektromagnetycznego:

1. Dla pierwotnego z liczbą zwojów w1: e1 = - w1 * dF / dt * E-8.
2. Dla wtórnego z liczbą zwojów w2: e2 = - w2 * dF / dt * E-8.

Stosunek dФ / dt pokazuje wielkość zmiany w Ф na jednostkę czasu. Wartość strumienia Ф zależy od prawa zmienności prądu przemiennego w jednostce czasu. Na podstawie tych wyrażeń otrzymuje się następujący wzór na stosunek liczby zwojów do pola elektromagnetycznego każdego uzwojenia:

e1 / e2 = w1 / w2.

Dlatego możemy wyciągnąć następujący wniosek: wartości pola elektromagnetycznego indukowane w uzwojeniach również odnoszą się do siebie, a także liczba zwojów uzwojeń. Dla prostszego zapisu można porównać wartości e i U: e = U. Wynika z tego, że e1 = U1 e2 = U2 i możliwe jest otrzymanie innej wielkości, zwanej współczynnikiem transformacji (k): e1 / e2 = U1 / U2 = w1 / w2 = k. Zgodnie ze współczynnikiem przekształcenia T dzieli się na malejące i rosnące.

Malejące to T, którego k jest mniejsze niż 1 i odpowiednio, jeśli k> 1, to rośnie. W przypadku braku strat w drutach uzwojeń i dyspersji Ф (są one nieznaczne i można je pominąć), obliczenie głównego parametru T (k) jest dość proste. Aby to zrobić, musisz użyć następującego prostego algorytmu do znalezienia k: znajdź stosunek uzwojeń U (jeśli jest więcej niż 2 uzwojenia, należy szukać stosunku dla wszystkich uzwojeń).

Jednak obliczenie k jest tylko pierwszym krokiem do dalszych obliczeń lub rozwiązywania problemów z obecnością zwartych zwojów.

Do określenia wartości U konieczne jest użycie 2 woltomierzy, których dokładność wynosi około 0,2-0,5. Ponadto istnieją sposoby na określenie k:

1. Według paszportu.
2. Praktycznie.
3. Korzystanie z określonego mostu (most Scheringa).
4. Urządzenie przeznaczone do tego celu (UICT).

Tak więc zasada działania transformatora jednofazowego opiera się na prostym prawie fizyki, a mianowicie: jeśli przewodnik o liczbie n zwoje mają być umieszczone w polu magnetycznym, a to pole musi stale się zmieniać w czasie, wtedy w zwojach będą generowane EMF. W tym przypadku prawdziwe jest również odwrotne stwierdzenie: jeśli przewodnik jest umieszczony w stałym polu magnetycznym i porusza się z nim, wówczas w jego uzwojeniach zaczyna pojawiać się pole elektromagnetyczne.