Диаграма на намотката на първичен и вторичен трансформатор. Електрически автомобили

Добавете отметка към този сайт

В първо приближение ефектът на вторичния ток i2 върху първичната верига на трансформатора може да бъде описан, както следва.

Токът i2, преминаващ през вторичната намотка, има тенденция да създава магнитен поток в сърцевината на трансформатора, определен от магнетизиращата сила (HC) i2w2. Според принципа на Ленц този поток трябва да има посока, обратна на посоката на основния поток. В противен случай можем да кажем, че вторичният ток има тенденция да отслабва магнитния поток, който го индуцира. Обаче такова намаляване на основния магнитен поток Ф т би нарушило електрическото равновесие:

u 1 \u003d (-e 1) + i1r1,

тъй като e1 е пропорционален на магнитния поток.

Създава се преобладаване на първичното напрежение U1, следователно, едновременно с появата на вторичния ток, първичният ток се увеличава, освен това дотолкова, че да компенсира размагнитващия ефект на вторичния ток и по този начин да поддържа електрическото равновесие. Следователно, всяка промяна във вторичния ток трябва да причини съответна промяна в първичния ток, докато токът на вторичната намотка поради относително малката стойност на компонента i1r1 почти няма ефект върху амплитудата и характера на промените във времето в основния магнитен поток на трансформатора. Следователно амплитудата на този поток Ф t може да се счита за практически постоянна. Това постоянство на Ft е характерно за трансформаторния режим, при който напрежението U1 се поддържа постоянно, приложено към клемите първична намотка.

Работата на трансформатора се основава на феномена на взаимна индукция. Електродвижещата сила на взаимната индукция възниква в една от двете намотки (Фигура 1), например в намотка 2, когато ток тече в другата 1, създавайки променлив магнитен поток Ф 0. Когато магнитният поток се промени електропроводи магнитно полевъзникващи около намотката 1, проникват в друга намотка и пресичат нейните завои. В резултат на това в бобината 2 се създава електродвижеща сила (ЕДС), която е електродвижеща сила взаимна индукция.

1 - намотка (намотка) първичен кръг; 2 - бобина на вторичната верига; 3 - реостат за промяна на тока в първи контур
Фигура 1 - Магнитно свързване на две намотки, обтекани от променлив ток

Ако краищата на намотката 2 са свързани към някакъв приемник на електрическа енергия, тогава едс на взаимната индукция създава ток в нея, тоест тя прехвърля малко енергия към нея. Намотката 2 получава тази енергия с помощта на магнитното поле, създадено от тока на първата намотка, и източникът на ток незабавно попълва тази енергия. И така, въз основа на електромагнитната комуникация енергията на източника се прехвърля от една намотка в друга.

Токът, протичащ в първата намотка и създаващ магнитно поле около нея, се нарича възбуждащ или първичен и се обозначава с I1. Електрическа верига, изградена от източник на ток, свързващи проводници и намотка 1, се нарича първична. Променливото магнитно поле пресича не само завоите ω2 на бобината 2, но и завоите ω1 на бобината 1. Следователно, самоиндукцията emf E1 възниква в първичната бобина.

Електродвижещата сила на взаимната индукция, възникваща в бобината 2, се нарича вторична и се обозначава с Е2; електрическа веригасвързан към тази намотка се нарича още вторичен. Токът, протичащ във вторичната верига, се нарича вторичен и се обозначава с I 2 (Фигура 2, a, b).

a - режим празен ход; b - режим на зареждане; 1 - първична намотка; 2 - вторична намотка, 3 - превключвател; 4 - магнитна верига
Фигура 2 - Първични и вторични намотки на магнитната верига

Магнитният поток, пресичайки който и да е затворен контур (например завой на навиване), създава в него ЕРС и ток. Според правилото на Ленц този ток (например вторичният ток I 2) е насочен по такъв начин, че чрез своето магнитно действие да пречи на причината, която го е причинила.

Интензивността на магнитното поле, т.е.магнитната индукция, е пропорционална на тока, зависи от броя на завоите на първичната намотка и свойствата на средата (от магнитната пропускливост), в която се намират завоите. За феромагнитните вещества, например за стоманата, магнитната пропускливост е в пъти по-голяма от магнитната пропускливост на въздуха. Следователно, за да се усили магнитното поле, създадено от първичния ток, групи от последователно свързани завои, т.е. намотките за навиване, се поставят върху магнитна верига, изработена от специални електрически стоманени плочи. Комплект плочи, изработени от електрическа стомана, сглобени в такава геометрична форма, която позволява локализиране на основната част от магнитното поле в него, представлява магнитната система или магнитната верига на трансформатора. Сърцевината е частта от магнитната верига, върху която или около която са разположени намотките за навиване.

Поради високата магнитна пропускливост на стоманата, магнитното ядро \u200b\u200bусилва магнитното поле на тока, увеличава магнитния поток Ф 0 и emf E2 (Фигура 2, а). При празен ход, когато токът протича през намотката, свързана към източника на захранване, а в другата намотка няма ток (натоварването не е включено), консумираната мощност от мрежата се изразходва само за създаване на поток Ф 0, т.е.магнетизиране на магнитната верига и индукция напрежение на отворените клеми на намотката 2. Потокът Ф 0, който е напълно свързан с всички завои на намотките 1 и 2, се нарича главен или главен ток, а първичният ток I1 при празен ход се нарича ток на празен ход на трансформатора. Токът на празен ход обикновено се обозначава с I0.

Както знаете, магнитният поток индуцира ЕРС, която създава ток не само в намотката, но и в стоманата на магнитната верига. Токът, генериран от ЕДС, протича в затворен цикъл (вихрово движение) в сърцевината в посоката, перпендикулярна на магнитния поток (Фигура 3, а).

а - твърдо; b - ламиниран; 1 - магнитна верига; 2 - вихрови токове; 3 - слоеве (плочи) на магнитната верига
Фигура 3 - Вихрови токове в магнитната верига

Винаги може да се представи магнитна верига, състояща се от голям брой цилиндрични слоеве, образуващи подобни затворени контури в напречно сечение. Наборът от токове, протичащи по всички тези вериги, образува вихрови токове на магнитната верига; поради електрическо съпротивление стомана, те причиняват нагряване в нея и загуба на енергия, идваща от източника.

Ако магнитната верига е направена от твърда стомана, тогава нейното съпротивление ще бъде малко и вихровите токове могат да достигнат големи стойности... За да се намали големината на вихровите токове (те не могат да бъдат напълно елиминирани), магнитната сърцевина е сглобена от отделни изолирани стоманени листове.

Всъщност, за да се намалят вихровите токове, е необходимо да се намали ЕРС, възникваща в магнитната верига и да се увеличи съпротивлението. В този случай, колкото по-тънък е листът, толкова по-малко е елементарната ЕРС, която създава тока, толкова по-малко е напречното сечение, т.е. повече съпротива, токът е по-малък (Фигура 3, б). Както може да се види от фигурата, вихровите токове 2, възникващи във веригите, са затворени само във всяка отделна плоча, а не в цялата магнитна верига.

Поради малката величина на ЕДС, както и увеличаването на съпротивлението на веригата, чието напречно сечение е станало много по-малко от това на твърда магнитна верига, вихровите токове са малки. За да бъдат още по-малки, към стоманата, използвана за производството на магнитна верига, се добавя силиций, който значително увеличава съпротивлението, без същевременно да влошава магнитните му свойства. Освен това свойствата на стоманата зависят от метода на нейното производство. По-специално, методът за валцоване на стомана играе важна роля. Горещовалцуваната стомана има значително по-високи специфични загуби от студено валцуваната стомана. Като се има предвид, че специфичните загуби от вихрови токове са пропорционални на квадрата на дебелината на стоманената ламарина, сега вместо дебелината от 0,5 mm все по-често се използва стомана с дебелина 0,33-0,35 mm и дори 0,28 mm.

Вихровите токове обаче не са единствената причина за загуби в магнитната верига. Друга причина е обръщането на намагнитването на стоманата поради непрекъснато изменение на величината и посоката на променливия ток. И тъй като промяната в магнитното поле е пряко свързана с промяната на посоката и големината на тока, стоманата на магнитната верига непрекъснато се магнетизира и размагнетизира.

Известно е, че кривата на намагнитване, т.е.зависимостта на магнитната индукция от величината и посоката на тока, образува така наречената хистерезисна верига (Фигура 4). Непрекъснатото обръщане на намагнитването е придружено от нагряване на стоманата, т.е. енергийни загуби. Площта, покрита от хистерезисната верига, е пропорционална на специфичната загуба на мощност, изразходвана за намагнитване. Тази загуба се нарича загуба на хистерезис или загуба на намагнитване. За намаляването им се използва стомана с ниско съдържание на въглерод и други добавки, които подобряват неговите свойства.

Фигура 4 - Хистерезисна верига - зависимостта на индукцията В от промяната в магнетизиращия токАз

Разглежданите от нас загуби, възникващи в магнитната система на трансформатора при номинално напрежение на първичната намотка и номинална честотасе наричат \u200b\u200bмагнитни загуби.

Глава III

ТРАНСФОРМАТОРИ

§ 3.1. ГЛАВНА ИНФОРМАЦИЯ

Устройството на трансформатори. Трансформаторът е статичен електромагнитен AC преобразувател.С помощта на трансформатор в променливотокови системи е удобно да се променя напрежението. Въпреки факта, че трансформаторът няма въртящи се части, работният му процес е подобен на процесите

Фигура: 3.1. Диаграма на еднофазен трансформатор: а - пръчка; b - броня: 1 - първична намотка; 2 - вторична намотка; 3 - пръчка; 4 - иго

протичащи в други електрически машини, тъй като се основава на явлението електромагнитна индукция.

Намотките на трансформатора са направени под формата на многооборотни цилиндрични намотки. Намотката, свързана към захранващата мрежа, се нарича първична, а намотката, към която е свързан товара, се нарича вторична. За да се осигури по-добра взаимна индукция, първичната и вторичната намотки на всяка фаза са разположени възможно най-близо една до друга върху обща сърцевина (фиг. 3.1), която представлява пакет, сглобен от листове електрическа стомана.

Ядрата на силовите трансформатори обикновено се набират (подреждат) от правоъгълни листове електрическа стомана по такъв начин, че слоевете, наети по различни начини (фиг. 3.2, ии

6 ), редувани през един (фиг. 3.3, а). Листовете на сърцевината се изтеглят заедно с изолирани щифтове.

Има два вида ядра: пръчка (фиг. 3.1, и) и броня (фиг. 3.1, б). Бронираното ядро \u200b\u200bима разклонена магнитна система, поради което потокът в пръта 3, върху който е разположена намотката, е по-голям от потока в игото 4 . Сърце-

Фигура: 3.2. Подреждане на листове при сглобяване на сърцевината на трансформатора "припокриване"

Фигура: 3.3. Сглобяване на магнитната верига на трансформатора: а) припокриване; б) от край до край: 1 - плочи от W-образния профил; 2 - плочи с правоъгълен профил; 3 - щифтове на пръчки

прякорите на трансформаторите с малка мощност са с W-образна, U-образна или тороидална форма. Ядреният пакет може да бъде сглобен с припокриване (фиг. 3.3, а) или от край до край (фиг. 3.3, б). Първият

Фигура: 3.4. Панделни ядра: а - бронирани; b - ядро; в - тороидален; g - трифазен

на метода трябва да се даде предпочитание, тъй като в този случай в магнитната верига създава по-малки празнини.

IN отскоро ядра, направени от тясна лента от електрическа стомана, се разпространяват (Фигура 3.4). В повечето случаи ядрата на лентата се нарязват на две половини (Фигура 3.5), за да могат да се поставят макари върху тях. След това сърцевините се изтеглят заедно и се фиксират в затегнат вид (фиг. 3.6).

Трансформаторните намотки могат да бъдат разположени концентрично една в друга или в променлив ред по височината на сърцевината на магнитната верига, като в последния случай първичната и вторичната намотки са направени под формата на дискови намотки.

В трансформаторите с малка мощност се използва многослойна намотка, която се навива непрекъснато по цялата дължина на магнитното ядро, докато се получи предварително определен брой завъртания. В някои случаи намотката е направена от отделни части, навити на независими рамки. Всяка такава част от намотката е цялостна структурна част, наречена бисквита. Бисквитите се поставят върху сърцевината на магнитната верига по цялата й височина и са електрически свързани помежду си по един или друг начин. На фиг. 3.7 показва устройството на еднофазен конусен трансформатор с лентово ядро.

Трансформаторите могат да имат няколко вторични намотки (две, три или повече). На фиг. 3,9, бпоказана диаграма на звездните намотки трифазен трансформатор... Навиване A 1 B 1 C 1 първичен, A 2 B 2 C 2 -втори.

Според метода на охлаждане трансформаторите се разделят на маслени (чиито намотки са потопени в масло) и сухи (въздушно охлаждане).

Нашите фабрики произвеждат трансформатори с мощност, варираща от фракции от волт-ампер и напрежение от един волт до стотици и

Фигура: 3.5. Разрязано ядро \u200b\u200bна лентата

Фигура: 3.6. Общ изглед на брониран трансформатор с лентово ядро

Фигура: 3.7. Устройство на еднофазен трансформатор с капацитет 30 вторник: 1 - рамка; 2 - първична намотка; 3 и 4 - вторични намотки; 5 - затягаща скоба

хиляди киловолта-ампера и напрежение от стотици киловолта. В зависимост от приложението към трансформаторите се налагат различни изисквания.

Трансформаторите за пренос на енергия са произведени, за да продължат много десетилетия. По пътя от ге-

в неполивна станция към потребителя електрическата енергия обикновено претърпява три или дори четирикратна трансформация, така че ефективността на трансформаторите за пренос на мощност трябва да бъде възможно най-висока.

Трансформаторите с малка мощност, използвани в схемите за автоматизация, могат да имат малка ефективност, тъй като

Фигура: 3.8. Устройството на трифазен трансформатор с капацитет 300 кваза напрежение 6 кв:

1 - термометър; 2 - вход на намотка с високо напрежение; 3 - вход за навиване ниско напрежение; 4 - щепсел за пълнене на масло; 5 - индикатор за масло; 5 - щепсел за пълнене на масло; 7 - разширител; 8 - магнитна верига; 9 - намотка с ниско напрежение; 10 - намотка с високо напрежение; 11 - запушалка за източване на масло; 12 - резервоар за масло; 13 - радиаторни тръби за охлаждане на маслото

енергията е относително ниска. Тези трансформатори са проектирани за значително по-кратък експлоатационен живот, тъй като електронното оборудване във веригите, в които работят, се износва относително бързо.

Трансформаторите за радиоелектроника трябва да са с малки размери и с ниска цена.

Принцип на действие.При преминаване електрически ток по намотките на трансформатора се генерира магнитен поток. Потокът, свързан с всяка намотка, е удобно да се разглежда като състоящ се от два компонента: взаимен индукционен поток и поток от течове.

Фигура: 3.9. Магнитен поток: а - еднофазен трансформатор; b - трифазен трансформатор

Взаимен индукционен поток Ф (фиг. 3.9, и) напълно придържани към всички завои на намотките от една и съща фаза. Всички останали потоци са разсейващи потоци. На фиг. 3,9, ии бпоказва пътищата на някои разсейващи потоци Ф С намотки. В допълнение към тези пътеки може да има и други, всички те частично преминават през въздуха.

Първичната намотка на трансформатора е свързана към AC мрежата. Когато вторичната намотка е отворена (празен ход), токът на първичната намотка създава поток, значителна част от който, заедно с двете намотки, е взаимният индукционен поток F.

В резултат на промяната във времето на взаимния индукционен поток в намотките се индуцира e. и т.н. Стойностите им са пропорционални на поточните връзки, които са равни на произведението на взаимния поток

канал за броя на завъртанията на дадена намотка. Връзката на потока на първичната намотка се определя главно от захранващото напрежение. То е по-малко от мрежовото напрежение по размера на спада на напрежението в активните и индуктивните съпротивления на първичната намотка.

Ако вторичната намотка на трансформатора е с късо съединение или с активно индуктивно натоварване, токът на вторичната намотка има тенденция да намали потока, който го причинява, и размагнитва сърцевината, върху която е навита първичната намотка. В резултат на това индуктивността на първичната намотка намалява и токът й се увеличава.

При наличие на ток във вторичната намотка величината на взаимния индукционен поток Ф се определя от съвместното действие на ppm. първични и вторични намотки. Магнетизиращият ефект на увеличения първичен ток компенсира размагнитяващия ефект на вторичния ток и взаимният индукционен поток остава почти непроменен. Следователно, д. Останете почти същите като на празен ход. и т.н. с. първични и вторични намотки. Техните стойности могат да се променят само поради увеличаване на компонентите на спада на напрежението в активните и индуктивните съпротивления на първичната намотка.

Поведение к наречен коефициент на трансформация. Този коефициент показва колко пъти e. и т.н. първична намотка повече или по-малко e. и т.н. втори. В някои случаи коефициентът на трансформация се определя като съотношението на e. и т.н. намотки по-високо напрежение пръст на крак. и т.н. нисковолтови намотки.

Като се вземат предвид (3.1) и (3.2), получаваме за e. и т.н. вторична намотка следното равенство:

Текущ i"2 се нарича намален ток на вторичната намотка. Намаленият ток трябва да се разбира като вторичен ток при k= 1.

От (3.5) следва, че когато трансформаторът е натоварен, токът на първичната намотка се увеличава в сравнение с тока на празен ход i 0 от реципрочното на намаления ток i "2вторична намотка.

При празен ход вторичната намотка на трансформатора е отворена, но в реален трансформатор в стоманената магнитна верига винаги има някои вторични затворени контури, които действат върху първичната намотка по същия начин като затворената вторична намотка. Вторичните вериги включват вихрови токови вериги в стоманени листове, в болтове за свързване и др. Тези вериги преминават по повърхностите на стоманата, които имат високо активно съпротивление, поради което загубите, които те създават, са значителни и в първичната намотка те основно причиняват активен компонент на тока празен ход i 0. Пълен активен компонент аз р токът на празен ход също отчита загубите в стоманата от

обръщане на намагнитването. Като се вземе предвид активният компонент, токът на празен ход

където i μ е магнетизиращият ток, необходим за създаване на взаимен индукционен поток F.

По този начин, като се вземе предвид израз (3.5), можем да приемем, че токът на първичната намотка i 1 има два компонента, единият от които ( i 0) създава взаимен индукционен поток и компенсира загубите в стоманата по време на празен ход, а другият (- i"2) компенсира ефекта на размагнитване на тока на вторичната намотка.

Системи от диференциални уравнения. Съгласно втория закон на Kirchhoff за напрежението на първичната и вторичната намотки на фазата на трансформатора могат да се съставят следните уравнения:

където и- моментна стойност на напрежението на клемите за навиване; i - моментна стойност на токовете на намотките;

r- активно съпротивление на намотките;

L- индуктивност, съответстваща на общия поток, свързан към намотката;

М- взаимна индуктивност между намотките, определена от свързването на потока Ф с завоите на първичната и вторичната намотки:

Индекс 1 се отнася до първичната намотка, индекс 2 - към вторичния.

Ако потокът, свързан с първичната намотка (фиг. 3.9), се счита за състоящ се от две части (поток на взаимна индукция Ф и поток на разсейване Ф с), тогава общата индуктивност на първичната

свързване на вторичната намотка с взаимния индукционен поток Ф и L 2s- съответстващо на адхезията му към разсейващия поток, т.е.

Тогава системата от уравнения (3.7) приема формата

В резултат на взаимодействието на m. първичната и вторичната намотки създават взаимен индукционен поток F. Неговото свързване с завоите ω 1определя д. и т.н. с. първична намотка:

Съединяване на потока Ф с завои ω 2определя д. и т.н. вторична намотка:

следователно от израз (3.8) имаме следната система от уравнения

Уравнение на равновесие m.d.s. (3.4) и уравненията на напрежението за първичната и вторичната намотки представляват системата от уравнения за трансформатора.Използвайки някоя от системите на уравнения (3.7), (3.8) или (3.9), можете да анализирате процесите, протичащи в трансформатора. Системата от уравнения (3.7) обикновено се използва в електротехниката и при анализа на преходни процеси. Системите от уравнения (3.8) и (3.9) са широко използвани в теорията електрически автомобили... По-нататък ще използваме предимно системи от типа (3.8) и (3.9).

Намален трансформатор.За да се улесни анализът на процесите, протичащи в трансформатора, за да се опрости векторната диаграма и възможността за изграждане на еквивалентна схема, традиционно се приема, че намаленият ток на вторичната намотка i"2 е действителният му ток. За тази цел действителната вторична намотка с броя на завъртанията ω 2 условно заменен с фиктивна намотка,

с броя на завъртанията ω 1... Такава условна намотка се нарича намалена вторична намотка, а операцията по подмяна се нарича намаляване на вторичната намотка към първичната.

Тъй като броят на завоите на намалената вторична намотка е равен на броя на завоите на първичната, електромоторните сили на двете намотки, индуцирани от взаимния индукционен поток, са равни, т.е.

Необходимо е намалената намотка да бъде еквивалентна на действителната вторична намотка. Следователно загубите трябва да останат:

В дадената намотка трябва да се запазят същите връзки между активните и индуктивните спада на напрежението, които съществуват в действителната намотка. Оттук получаваме израз за индуктивното съпротивление на намалената намотка

Познавайки дадените стойности на ток, напрежение и съпротивление, винаги е възможно да се определят действителните им стойности чрез преизчисляване и обратно, като се знаят действителните стойности, да се определят намалените.

Системи от уравнения за редуцирания трансформатор в стационарно състояние.В случай на синусоидално изменение на токовете и напреженията на трансформатора, когато се разглеждат стационарни процеси, може да се премине от система от диференциални уравнения към система от уравнения в сложна форма. За да се получат формално сложни уравнения, е достатъчно в диференциални уравнения да

Схеми за заместване. В теорията на електрическите машини широко се използват еквивалентни вериги, при прехода към които действителните трансформаторни връзки, т.е. електромагнитните, се заменят с електрически.Веригите са проектирани по такъв начин, че техните токове и напрежения да се описват от същите уравнения като в трансформатора. Предаваната мощност, фазовите връзки на токове и напрежения в еквивалентната верига са същите като в трансформатора.

Резервните вериги са удобни за аналитични и експериментални изследвания на стационарни и преходни процеси. Те могат лесно да бъдат сглобени от отделни индуктивни и активни съпротивления. Напреженията и токовете на всички секции на веригата са лесни за изчисляване или измерване. В случай на многофазен трансформатор, еквивалентните вериги се съставят за една фаза.

Системи от уравнения (3.8, и) и (3.9, и) съответства на еквивалентната схема, показана на фиг. 3.10, а.Всеки член от уравнението на системата, отразяващ спада на напрежението или e. и т.н. намотката съответства на определен участък от веригата, където има спад на напрежението в дадено съпротивление или приложеното напрежение действа. Стрелките в еквивалентната верига показват положителната посока на първичния и вторичния ток.

Фигура: 3.10. Трансформаторна еквивалентна схема: а - с изключение активна съпротива в магнетизиращата верига; b - като се вземе предвид активното съпротивление в магнетизиращата верига; c - без магнетизиращата верига

1. Защо с увеличаване на тока във вторичната намотка на трансформатора се увеличава токът в първичната намотка? Как се променя потокът от взаимната индукция и индуцираното от нея образование? г. с? Защо трансформаторът не може да работи от електрическата мрежа постоянен ток?

2. Какво определя магнитния поток в сърцевината на трансформатора? Ако разгледаме останалите количества непроменени, тогава как ще се промени потокът с увеличаване на първичното напрежение, участъка на магнитната верига, броя на завъртанията на първичната намотка, броя на завоите на вторичната намотка, честотата на мрежата? Защо потокът не се променя, когато напречното сечение на магнитната верига се промени? Какво променя това?

3. В кой случай измереният ток на вторичната намотка ще бъде равен на намаления му ток? Какво е намален трансформатор? Броят на завъртанията на вторичната намотка влияе ли на намалената стойност на нейното e. г. с?

4. Как e се вземат предвид при уравненията на трансформатора. и т.н., предизвикани от разсейващи потоци? Как се затварят потоците от течове на намотките на трансформатора?

4.1 Устройството и принципът на действие на трансформатора

Трансформаторите са устройства, предназначени за преобразуване на напрежение или ток (фиг. 28). Стойността на такова устройство се определя от изключително широкия спектър от ситуации, в които се използва. Благодарение на трансформаторите електрическата енергия придобива такива форми, параметри и свойства, които са най-търсени и удобни за конкретни приложения. Трябва обаче да се помни, че трансформаторите могат да работят само в променливотокови вериги и включването им в постояннотокови вериги с дори ниско напрежение може да ги повреди.

Най-простият (чрез демонстриране на принципа на действие, но не и по проект) трансформатор се състои от три елемента или възли: 1) първична намотка; 2) магнитна верига; 3) вторична намотка (фиг. 29)

И двете намотки на трансформатора са електрически изолирани един от друг и от магнитната верига. Последният е масивна феромагнитна сърцевина, която създава магнитна връзка между намотките. Електрическата енергия, постъпваща в първичната намотка, се преобразува от нея в магнитна енергия, която се предава чрез магнитната верига към вторичната намотка, последвана от преобразуване обратно в електрическа енергия, но вече вторичната намотка. Част от енергията в процеса на преобразуване се губи в трансформатора, което го кара да се нагрява. Съотношението на дела на предаваната енергия към тази, взета от първичния източник, определя Ефективност на трансформатора и се изчислява по формулата, където W 1 е енергията, подавана към първичната намотка; W 2 - енергия, доставяна на потребителя от вторичната намотка.

Ефективността на съвременните трансформатори достига 99%, което показва изключителната ефективност на тези устройства като предаватели на мощност.

Принцип на действие трансформатор се основава на закона за електромагнитната индукция (EMI). Припомнете си, че във физически смисъл това е явление генериране на вихър от променливо магнитно поле електрическо поле. Математически този закон се дава от добре познатата формула за ЕМП на вихрово електрическо поле:

където ΔF е промяната на магнитния поток във времето Δt. Следователно в модул ЕМП е равна на скоростта на промяна на магнитния поток. Това от своя страна означава наличие на фазово изместване между F и д с 90 0 (този факт е валиден за всяка стойност и нейната скорост). Знакът минус означава, че ЕМП е извън фазата на магнитния поток. Самата ЕМП, физически, възниква във всеки контур, който обгръща променящото се магнитно поле (на фиг. 30 - при 3 контура) и неговата посока зависи от увеличаването или намаляването на магнитното поле.

Помислете как работи трансформаторът.

При сервиране променливо напрежение към първичната намотка, променлив ток... На свой ред променливият ток създава променливо магнитно поле около себе си. Тъй като технологично първичната намотка е намотка, нейното магнитно поле е концентрирано вътре в нея (извън нея се изваждат магнитните полета на различните секции на завоите). Sl-

магнитното поле на първичната намотка, попадайки в магнитната верига, преминаваща през нея, многократно (стотици и хиляди пъти) се усилва от собственото си магнитно поле и се затваря през неговата верига. В резултат на това през магнитната верига започва да циркулира значителен променлив магнитен поток F. В съответствие със закона EMP във всяка секция на магнитната верига възниква вихрови ЕМП. Тази ЕМП възниква навсякъде в околното пространство и влиза както в първичната намотка, така и във вторичната и в магнитната верига.

В първичната намотка се оказва напълно антифазна към мрежовото напрежение, тъй като, както вече беше споменато в предишните раздели, токът в намотката изостава от напрежението с 90 0, а ЕРС на вихровото поле от своя страна изостава от тока (или какво е същото - от магнитния поток ) с още 90 0. В резултат на това се срещат две електрически полета в първичната намотка, насочени един срещу друг. Резултатът от това противопоставяне е малка стойност на входния ток (в режим на празен ход) и голямо индуктивно съпротивление на намотката. Освен това всички намотки и намотки обикновено са изработени от мед, която има много ниско омично съпротивление. Следователно следва важен количествен факт - спадът на напрежението ( u) при всеки завой се получава само поради вихровата ЕМП и следователно тя е числено равна на тази ЕМП:

Взема се предвид, че напрежението на първичната намотка се разпределя равномерно по неговите завои, поради равномерността на магнитния поток по протежение на магнитната верига.

В магнитното ядро \u200b\u200bЕМП на вихрово електрическо поле създава вихрови токове ( течения на Фуко), които, ако не се вземат мерки, значително намаляват ефективността на трансформатора и причиняват значително нагряване и дори прегряване на магнитната верига. За да се създаде устойчивост на такива токове, той се сглобява от тънки плочи, покрити с изолационен лак. Това позволява драстично да се намали топлинното разсейване на електромагнитната енергия и да се увеличи ефективността. И накрая, във вторичната намотка, вихровото електрическо поле индуцира своя собствена ЕМП при всеки завой, който, събирайки всички завои, отива към своите клеми под формата на напрежение, където N 2 е броят на неговите завои.

Тъй като изразихме EMF на самото вихрово поле по отношение на спада на мрежовото напрежение на първичната намотка, след като направихме съответната подмяна в последната формула, стигнахме до основната форма на трансформатора:

От него следва, че когато съотношението между броя на завъртанията на вторичната и първичната намотки се промени, можем да променим съотношението между техните напрежения. А именно: ако N 2< N 1 , то U 2 < U 1 - напряжение на вторичной обмотке оказывается пониженным; если N 2 > N 1, след това U 2\u003e U 1 - след това се увеличава. В първия случай получаваме понижаващ трансформатор, във втория - стъпка нагоре

За да се определи степента на трансформация на напрежението, се въвежда co ef f и c и e n tran s и k:

Коефициентът на трансформация, заедно със стойностите на напреженията на намотките, оценена сила а ефективността е важен технологичен параметър на трансформатора.

4.2 Режими на работа на трансформатора

Тъй като в разглеждания класически дизайн на трансформатора има две намотки, едната от които е затворена към първичния източник, а втората е свободна, тогава са възможни два режима на нейната работа: а) вторичната намотка е отворена - режим на празен ход; б) вторичната намотка е затворена за потребителя - работен режим... Тези режими имат значителна разлика, тъй като във втория случай възниква допълнително магнитно поле в магнитната верига от вторичната намотка, което засяга всички електрически параметри на трансформатора. Следователно тези режими на работа се разглеждат отделно.

Тук трябва да се отбележи следното: от електрически процеси много фактори влияят на трансформатора, точното им отчитане на причинно-следственото ниво с помощта на качествено описание се оказва трудно. Следователно е по-лесно да се разберат процесите, протичащи в трансформатора чрез абстрактни понятия. По-специално чрез векторни диаграми.

Диаграмата по-долу (фиг. 31) показва векторна диаграма на всички параметри на трансформаторите в режим на празен ход. Както всяка сложна диаграма, нейната конструкция изисква математически уравнения, свързващи всички изобразени параметри. За трансформатор в режим на празен ход те се получават от закона на Kirchhoff:

1) за първична намотка

2) за вторичната намотка

Помислете за хода на изграждане на такава диаграма за режим на празен ход - с едновременно изясняване на физическия смисъл на всички параметри, отразени върху него.

Поръчката за строителство е следната:

1) отлагаме хоризонтално вектора на празен ток I 1X и магнитния поток Ф m в магнитната верига - успоредни един на друг. Във вакуум те винаги трептят в една фаза; в магнитната верига, поради феномена на хистерезис (несъответствие на магнитното поле на тока и желязото), е възможно леко отклоняване, което в този случай ще бъде пренебрегнато)

2) отлагаме с изоставане от 90 градуса (надолу) два вектора на ЕМП на вихровото електрическо поле на ЕМР - E 1 и E 2. E 1 представлява ЕМП в първичната намотка, E 2 - във вторичната. Очевидно поради разликата в броя на завоите в намотките тези ЕМП не съвпадат по големина и се отлагат по различна дължина.

3) отлагаме вектора - E 1 в посока, обратна на E 1. Неговата необходимост следва от уравнението за напрежението на първичната намотка. Всъщност от закона на Ом следва, че мрежовото напрежение се противопоставя от EMF EMR E 1 (оттук и знакът минус), омичното съпротивление на първичната намотка R 1 (създава спад на напрежението I 1 XR 1) и индуктивното съпротивление, x 1, на тази част от магнитното поле, който се затваря върху себе си, заобикаляйки магнитната верига (през въздуха).

4) отлагаме вектора I 1 X R 1 от края на вектора (- E 1) - той трябва да е успореден на тока, тъй като напрежението на резистора винаги е във фаза с тока.

5) отлагаме вектора I 1 X x 1 от края на вектора I 1 X r 1 - той трябва да е перпендикулярен на тока, тъй като напрежението върху индуктивното съпротивление винаги е по-напред от тока във фаза с 90 0

6) свързваме началото на вектора - E 1 с края на вектора I 1 X X 1 - полученият вектор ще представлява сумата от векторите , т.е. вектор U 1.

От начертаната диаграма може да се види, че в точно представяне мрежовото напрежение надвишава EMP back-emf. При реалните трансформатори обаче тази разлика е не повече от 2-5% поради малкото на омичното и индуктивното съпротивление на първичната намотка. Напрежението на отворената вторична намотка е точно равно на E 2. Следователно, с достатъчна степен на точност, можете да напишете:

За изграждане на векторна диаграма в работен режим също така е необходимо да се съставят съответните уравнения. Те ще се различават от уравненията в режим на празен ход под формата на уравнението за вторичната намотка. Последният също е получен от втория закон на Кирххоф и има формата ... Вижда се, че напрежението на вторичната намотка ( U 2) намалява в сравнение с напрежението U 2 при празен ход, от размера на спада на напрежението в неговите активни и индуктивни съпротивления.

По този начин за изграждане на диаграмата се използват следните уравнения:

Тези уравнения усложняват процеса на диаграмиране и, за да го опростим, ще пренебрегнем вътрешно съпротивление намотки. Тогава уравненията ще приемат много проста форма:

От този тип уравнения веднага следва, че е невъзможно да се направят изводи за поведението на токовете в първичната и вторичната намотки.

В действителност тези течения се оказват тясно свързани по следните причини. Първо, от първото уравнение следва, че както в случай на празен ход, ЕМП на вихровото поле трябва да бъде равна и противоположна по фаза на мрежовото напрежение. Тъй като напрежението на мрежата (първичен източник) е зададено и не зависи от режима на работа на трансформатора, магнитният поток в магнитната верига на трансформатора в режим на работа трябва да бъде равен на магнитния поток в режим на празен ход... Междувременно в работния режим в магнитната верига циркулират повече от едно магнитно поле - работният ток на вторичната намотка създава свое собствено магнитно поле.

На второ място, според правилото на Ленц, токът на вторичната намотка трябва "... да има такава посока, че създаденото от него магнитно поле да има тенденция да компенсира промяната във външното магнитно поле." С други думи, магнитното поле на вторичната намотка трябва да бъде насочено срещу магнитното поле на първичната намотка... Това ви позволява да напишете общото уравнение за магнитните потоци в магнитната верига - като вектори (!) - във формата:

и като се вземе предвид антифазната природа (в модулна форма) като:

Тук Ф 0 е магнитният поток в трансформатора, създаден от първичната намотка в режим на празен ход; Ф 1 - магнитен поток на първичната намотка в работен режим; Ф 2 - магнитният поток на вторичната намотка.

Значението на последното уравнение може да бъде илюстрирано със следния пример. Да предположим, че в режим на празен ход магнитният поток на магнитната верига е бил 20 конвенционални единици (Ф 0 \u003d 20). Тогава, ако работният ток на вторичната намотка създава магнитен поток от 40 cu. (Ф 2 \u003d 40), тогава магнитният поток на първичната намотка трябва да се увеличи до Ф 1 \u003d Ф 0 + Ф 2 \u003d 40 + 20 \u003d 60 и да намали общия магнитен поток отново до 20. Това означава, че между токовете на първичната и вторичната намотки има магнитна комуникация и такава, че увеличаването на тока във вторичната намотка води до увеличаване на тока в първичната намотка.

Математическата връзка между токовете може да се установи въз основа на основния закон на теорията на магнетизма - закона на пълния ток. Според този закон „.. циркулацията на силата на магнитното поле по затворен контур е равна на алгебричната сума от токове, пресичащи този контур. В адаптирана версия за магнитни вериги с магнитни вериги, тя е формулирана под формата на изравняване на магнитна верига:

Тук R M е магнитното съпротивление на магнитната верига на трансформатора; N - броят на завъртанията с ток, обграждащ магнитната верига; I е текущата сила при всеки завой; Ф - магнитен поток в магнитната верига. От формулата следва, че:

или, замествайки го в уравнението за магнитни потоци, получаваме:

или намаляване с R M и разделяне на всичко на N 1:

Последното уравнение установява желаната връзка между работните токове в първичната и вторичната намотки и ви позволява да изградите векторна диаграма на работния режим в опростена форма. Нека го напишем предварително като:

и мимоходом отбележете, че поради малката сила на тока на празен ход, вторият член от дясната страна на уравнението може да бъде пренебрегнат; тогава връзката между токовете в първичната и вторичната намотки ще стане особено ясна, тъй като модулите са равни, т.е. отколкото по-актуални във вторичната намотка, толкова по-голям е токът в първичната.

Изграждаме диаграмата в следния ред:

1) отложи тока ( I 10) и магнитен поток ( F 0) режим на празен ход;

2) поставете EMF на основния ( Д 1) и вторична намотка ( Д 2); стойностите им се определят от стойността F 0, N1, N2; от ЕМП на първичната намотка е по-малка от вторичната, тогава k<1 и трансформатор повышаю-щий;

3) отлагаме тока на вторичната намотка ( I 2) - в произволна посока (посоката му зависи от естеството на товара);

4) в съответствие с уравнението на токовете до края на вектора на тока на празен ход ( I 10) отлагаме вектора (- I 2 / k) и конструирайте вектора на сумата I 1; вектор (- I 2 / k) ще бъде по-голямо от текущия вектор I 2;

5) отложете вектора U 1 \u003d - E 1 противоположно на вектор Д 1.

Трансформатор - статичен електромагнитен апарат за преобразуване на променлив ток на едно напрежение в променлив ток на друго напрежение, със същата честота. Трансформаторите се използват в електрически вериги за пренос и разпределение на електрическа енергия, както и в заваряване, отопление, токоизправителни електрически инсталации и много други.

Трансформаторите се отличават с броя на фазите, броя на намотките и метода на охлаждане. Основно се използват силови трансформатори, предназначени за увеличаване или намаляване на напрежението в електрическите вериги.

Устройство и принцип на действие

Диаграма на еднофазен трансформатор с две намотки е показана по-долу.

Диаграмата показва основните части: феромагнитна сърцевина, две намотки върху сърцевината. Първата намотка и всички стойности, които се отнасят до нея (i 1 -ток, u 1 -напрежение, n 1-брой обороти, Ф 1 - магнитен поток) се наричат \u200b\u200bпървични, втората намотка и съответните стойности се наричат \u200b\u200bвторични.

Първичната намотка е свързана към мрежа с променливо напрежение, нейната магнетизираща сила i1n1 създава променлив магнитен поток Ф в магнитната верига, който е свързан с двете намотки и индуцира ЕМП в тях e 1 \u003d -n 1 dФ / dt, e 2 \u003d -n 2 dФ / dt ... При синусоидална промяна в магнитния поток Ф \u003d Фm sinωt, ЕМП е равна на e \u003d Em sin (ωt-π / 2). За да изчислите ефективната стойност на ЕМП, трябва да използвате формулата E \u003d 4.44 f n Фm, където f е цикличната честота, n е броят на завъртанията, Фm е амплитудата на магнитния поток. Освен това, ако искате да изчислите стойността на EMF във всяка от намотките, трябва да замените броя на завъртанията в тази намотка вместо n.

При всяка промяна в магнитния поток, свързан с която и да е намотка, e се индуцира в тази намотка. д. с., равни по големина и противоположни по знак за промяната на магнитния поток във времето. Трансформаторните намотки обикновено имат голям брой завои. Във всеки завой на първичната и вторичната намотки се индуцира същото e. и т.н., тъй като всички завои на тези намотки са свързани с един и същ магнитен поток. По този начин, напр. и т.н. всяка намотка е равна на сумата от e, d. s. от всичките му завои, т.е. произведението на броя на завоите по e. и т.н., индуцирани в един цикъл.

Ако w1 е броят на завъртанията на първичната, а w2 е броят на завоите на вторичната намотка на трансформатора, тогава ефективните стойности на e. и т.н. тези намотки са равни:

В тези формули магнитният поток се изразява в Maxwells (μs).

Когато трансформаторите работят, падането на напрежението в съпротивленията на техните намотки обикновено е много малко и може да се приеме, че напрежението на първичната намотка U1 е равно на нейната emf E1, а напрежението на вторичната намотка U2 е равно на нейната emf E2, т.е.

От горните формули можем да заключим, че ЕМП изостава от магнитния поток с една четвърт от периода и коефициентът на ЕМП в намотките на трансформатора е равен на съотношението на броя на завъртанията E1 / E2 \u003d n1 / n2.

Ако втората намотка не е натоварена, тогава трансформаторът е в режим на празен ход. В този случай i 2 \u003d 0 и u 2 \u003d E 2, токът i 1 е малък и спадът на напрежението в първичната намотка е малък, така че u 1 ≈ E 1 и коефициентът на ЕМП могат да бъдат заменени от отношението на напрежението u 1 / u 2 \u003d n 1 / n 2 \u003d E 1 / E 2 \u003d k. От това можем да заключим, че вторичното напрежение може да бъде по-малко или повече от първичното, в зависимост от съотношението на броя намотки на намотката. Съотношението на първичното напрежение към вторичното напрежение, когато трансформаторът е на празен ход, се нарича коефициент на трансформация k.

Веднага след като вторичната намотка е свързана към товара, ток i2 се появява във веригата, т.е.енергията се прехвърля от трансформатора, който я получава от мрежата, към товара. Предаването на енергия в самия трансформатор се дължи на магнитния поток F.

Обикновено изходната мощност и входната мощност са приблизително равни, тъй като трансформаторите са електрически машини с доста висока ефективност, но ако се изисква по-точно изчисление, тогава ефективността се намира като отношение на активната мощност на изхода към активната мощност на входа η \u003d P 2 / P 1.

Магнитна верига трансформаторът е затворена сърцевина, сглобена от електрически стоманени листове с дебелина 0,5 или 0,35 mm. Преди сглобяването листовете се изолират с лак от двете страни.

По вида на конструкцията се различават пръчковидни (L-образни) и бронирани (W-образни) магнитни вериги. Нека разгледаме тяхната структура.

Пръчен трансформатор се състои от две пръти, върху които има намотки и иго, което свързва прътите, всъщност, затова и получи името си. Трансформаторите от този тип се използват много по-често от бронираните трансформатори.

Брониран трансформатор е хомот, вътре в който се съдържа пръчка с намотка. Яремът, като че ли, защитава пръта, поради което трансформаторът се нарича брониран.

Навиване

Дизайнът на намотките, тяхната изолация и методите на закрепване към прътите зависят от мощността на трансформатора. За тяхното производство се използват медни проводници с кръгло и правоъгълно сечение, изолирани с памучна прежда или кабелна хартия. Намотките трябва да са здрави, гъвкави, да имат ниски загуби на енергия и да бъдат прости и евтини за производство.

Охлаждане

Загубите на енергия се наблюдават в намотката и сърцевината на трансформатора, в резултат на което се генерира топлина. Следователно трансформаторът се нуждае от охлаждане. Някои трансформатори с ниска мощност отделят топлината си в околната среда, без стационарната температура да влияе на работата на трансформатора. Такива трансформатори се наричат \u200b\u200b"сухи", т.е. с естествено въздушно охлаждане. Но при средни и големи мощности въздушното охлаждане не се справя; вместо това се използва охлаждане с течност или по-скоро охлаждане с масло. В такива трансформатори намотката и магнитната верига се поставят в резервоар с трансформаторно масло, което подсилва електрическата изолация на намотките от магнитната верига и едновременно служи за охлаждането им. Маслото получава топлина от намотките и магнитната верига и я подава към стените на резервоара, от които топлината се разсейва в околната среда. В същото време циркулират слоеве масло с разлика в температурата, което подобрява преноса на топлина. За трансформатори с капацитет до 20-30 kVA има достатъчно охлаждане за резервоар с гладки стени, но при голям капацитет се инсталират резервоари с гофрирани стени. Трябва също така да се има предвид, че когато маслото се нагрява, то има тенденция към увеличаване на обема, поради което резервни резервоари и изпускателни тръби са инсталирани в трансформатори с висока мощност (ако маслото заври, ще се появят пари, които се нуждаят от изход). В трансформаторите с по-ниска мощност те са ограничени от факта, че маслото не се излива до самото покритие.