Dijagram namota primarnog i sekundarnog transformatora. Električni automobili

Označi ovu stranicu knjigama

U prvoj aproksimaciji, učinak sekundarne struje i2 na primarni krug transformatora može se opisati kako slijedi.

Struja i2, prolazeći kroz sekundarni namot, nastoji stvoriti magnetski tok u jezgri transformatora, određen silom magnetiziranja (HC) i2w2. Prema Lenzovom principu, ovaj tok trebao bi imati smjer suprotan smjeru glavnog toka. Inače, možemo reći da sekundarna struja teži oslabiti magnetski tok koji je inducira. Međutim, takvo smanjenje glavnog magnetskog toka F t narušilo bi električnu ravnotežu:

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

budući da je e1 proporcionalan magnetskom toku.

Stvara se prevladavanje primarnog napona U1, dakle, istodobno s pojavom sekundarne struje, primarna struja se povećava, štoviše, toliko da kompenzira učinak razmagnetivanja sekundarne struje i, tako, održava električnu ravnotežu. Slijedom toga, svaka promjena sekundarne struje trebala bi prouzročiti odgovarajuću promjenu primarne struje, dok struja sekundarnog namota, zbog relativno male vrijednosti komponente i1r1, gotovo nema utjecaja na amplitudu i prirodu vremenskih promjena u glavni magnetski tok transformatora. Stoga se amplituda ovog fluksa F t može smatrati praktički konstantnom. Ova konstantnost Ft karakteristična je za način rada transformatora, u kojem se napon U1 održava konstantnim, primijenjen na stezaljke primarni namot.

Rad transformatora temelji se na fenomenu međusobne indukcije. Elektromotorna sila međusobne indukcije nastaje u jednoj od dvije zavojnice (slika 1), na primjer u zavojnici 2, kada u drugoj 1 teče struja, stvarajući izmjenični magnetski tok F 0. Kad se magnetski tok promijeni električni vodovi magnetsko poljekoji nastaju oko zavojnice 1, prodiru u drugu zavojnicu i prelaze njezine zavoje. Kao rezultat toga, u zavojnici 2 stvara se elektromotorna sila (emf), koja je elektromotorna sila međusobna indukcija.

1 - zavojnica (namotaj) primarnog kruga; 2 - zavojnica sekundarni krug; 3 - reostat za promjenu struje u primarnom krugu
Slika 1 - Magnetska sprega dviju zavojnica usmjerenih izmjeničnom strujom

Ako su krajevi zavojnice 2 povezani s nekim prijamnikom električne energije, tada emf međusobne indukcije stvara u njoj struju, odnosno prenosi joj određenu energiju. Zavojnica 2 prima tu energiju uz pomoć magnetskog polja stvorenog strujom prve zavojnice, a izvor struje odmah dopunjava tu energiju. Dakle, na temelju elektromagnetske komunikacije, energija izvora prenosi se s jedne zavojnice na drugu.

Struja koja teče u prvoj zavojnici i stvara magnetsko polje oko nje naziva se uzbudnom ili primarnom i označava se I1. Električni krug koji se sastoji od izvora struje, spojnih žica i zavojnice 1 naziva se primarnim. Naizmjenično magnetsko polje ne prelazi samo zavoje ω2 zavojnice 2, već i zavoje ω1 zavojnice 1. Stoga, samoindukcija emf E1 nastaje u primarnoj zavojnici.

Elektromotorna sila međusobne indukcije koja nastaje u zavojnici 2 naziva se sekundarnom i označava se s E2; strujni krugspojen na ovu zavojnicu naziva se i sekundarnim. Struja koja teče u sekundarnom krugu naziva se sekundarnom i označava se kao I 2 (slika 2, a, b).

a - način rada prazan hod; b - način opterećenja; 1 - primarni namot; 2 - sekundarni namot, 3 - prekidač; 4 - magnetski krug
Slika 2 - Primarni i sekundarni namoti na magnetskom krugu

Magnetski tok, prelazeći bilo koju zatvorenu petlju (na primjer zavoj zavojnice), stvara u njemu emf i struju. Prema Lenzovom pravilu, ova je struja (na primjer, sekundarna struja I 2) usmjerena na takav način da svojim magnetskim djelovanjem ometa uzrok koji ju je prouzročio.

Intenzitet magnetskog polja, odnosno magnetske indukcije, proporcionalan je struji, ovisi o broju zavoja primarnog namota i svojstvima medija (o magnetskoj propusnosti) u kojem se nalaze zavoji. Za feromagnetske tvari, na primjer za čelik, magnetska propusnost je višestruko veća od magnetske propusnosti zraka. Stoga se za pojačavanje magnetskog polja stvorenog primarnom strujom na magnetski krug izrađen od posebnih električnih čeličnih ploča postavljaju skupine serijski povezanih zavoja, tj. Zavojnice namota. Skup ploča izrađenih od električnog čelika, sastavljenih u takvom geometrijskom obliku koji omogućuje lokaliziranje glavnog dijela magnetskog polja u njemu, čini magnetski sustav ili magnetski krug transformatora. Jezgra je dio magnetskog kruga na kojem su ili oko kojih se nalaze zavojnice namotaja.

Zbog velike magnetske propusnosti čelika, magnetska jezgra pojačava magnetsko polje struje, povećava magnetski tok F 0 i emf E2 (slika 2, a). U praznom hodu, kada struja prolazi kroz namot spojen na izvor napajanja, a u drugom namotu nema struje (opterećenje nije uključeno), snaga koja se troši iz mreže troši se samo na stvaranje fluksa F 0, tj. pri magnetiziranju magnetskog kruga i indukcijskog napona na otvorenim stezaljkama namota 2. Tok F 0, koji je u potpunosti povezan sa svim zavojima namota 1 i 2, naziva se glavna ili glavna struja, a primarna struja I1 pri praznom hodu naziva se struja praznog hoda transformatora. Struja praznog hoda obično se označava s I0.

Kao što znate, magnetski tok inducira emf, koji stvara struju ne samo u namotu, već i u čeliku magnetskog kruga. Struja koju stvara emf teče u zatvorenoj petlji (vrtložno kretanje) u jezgri u smjeru okomitom na magnetski tok (slika 3, a).

a - čvrsta; b - laminiran; 1 - magnetski krug; 2 - vrtložne struje; 3 - slojevi (ploče) magnetskog kruga
Slika 3 - Vrtložne struje u magnetskom krugu

Magnetski krug uvijek se može zamisliti kao da se sastoji od velikog broja cilindričnih slojeva koji čine slične zatvorene konture u presjeku. Skup struja koje teku po svim tim krugovima tvore vrtložne struje magnetskog kruga; zbog električni otpor čelika uzrokuju zagrijavanje u njemu i gubitak energije koja dolazi iz izvora.

Ako je magnetski krug izrađen od čvrstog čelika, tada će njegov otpor biti mali i vrtložne struje mogu doseći velike vrijednosti... Da bi se smanjila veličina vrtložnih struja (one se ne mogu potpuno eliminirati), magnetska jezgra se sastavlja od zasebnih izoliranih čeličnih limova.

Zapravo, da bi se smanjile vrtložne struje, potrebno je smanjiti emf koji nastaje u magnetskom krugu i povećati otpor. U ovom slučaju, što je tanji list, manje je elementarnog emf koji stvara struju, to je manji presjek, tj. veći otpor, struja je manja (slika 3, b). Kao što se može vidjeti sa slike, vrtložne struje 2 koje nastaju u krugovima zatvorene su samo u svakoj pojedinačnoj ploči, a ne u cijelom magnetskom krugu.

Zbog male vrijednosti emf, kao i povećanja otpora kruga, čiji je presjek postao mnogo manji od čvrstog magnetskog kruga, vrtložne struje ispadaju male. Da bi bili još manji, čeliku koji se koristi za proizvodnju magnetskog kruga dodaje se silicij, koji značajno povećava otpornost, a da pritom ne pogoršava njegova magnetska svojstva. Osim toga, svojstva čelika ovise o načinu njegove izrade. Konkretno, metoda valjanja čelika igra važnu ulogu. Vruće valjani čelik ima značajno veće specifične gubitke od hladno valjanog čelika. Uzimajući u obzir da su specifični gubici od vrtložnih struja proporcionalni kvadratu debljine čeličnog lima, sada se umjesto debljine 0,5 mm sve češće koristi čelik debljine 0,33-0,35 mm, pa čak i 0,28 mm.

Međutim, vrtložne struje nisu jedini uzrok gubitaka u magnetskom krugu. Drugi razlog je preokret magnetizacije čelika zbog kontinuirane promjene veličine i smjera izmjenične struje. A budući da je promjena magnetskog polja izravno povezana s promjenom smjera i veličine struje, čelik magnetskog kruga kontinuirano se magnetizira i razmagnetizira.

Poznato je da krivulja magnetizacije, tj. Ovisnost magnetske indukcije o veličini i smjeru struje, tvori takozvanu histereznu petlju (slika 4). Kontinuirano okretanje magnetizacije popraćeno je zagrijavanjem čelika, tj. Gubicima energije. Područje koje pokriva petlja histereze proporcionalno je specifičnom gubitku snage potrošenom na magnetizaciju. Taj se gubitak naziva gubitkom histereze ili preokretom magnetizacije. Da bi se smanjili, koriste se čelik s malim udjelom ugljika i drugi aditivi koji poboljšavaju njegova svojstva.

Slika 4 - Petlja histereze - ovisnost indukcije B o promjeni struje magnetiziranjaJa

Gubici koje smo uzeli u obzir nastali u magnetskom sustavu transformatora na nazivnog napona na primarnom namotu i nazivna frekvencijanazivaju se magnetski gubici.

Poglavlje III

TRANSFORMATORI

§ 3.1. OPĆE INFORMACIJE

Uređaj transformatora. Transformator je statički elektromagnetski pretvarač izmjenične struje.Uz pomoć transformatora u izmjeničnim sustavima prikladno je mijenjati napon. Unatoč činjenici da transformator nema rotirajuće dijelove, njegov radni postupak sličan je procesima

Lik: 3.1. Dijagram jednofaznog transformatora: a - šipka; b - oklop: 1 - primarni namot; 2 - sekundarni namot; 3 - šipka; 4 - jaram

koji teče u drugim električnim strojevima, budući da se temelji na tom fenomenu elektromagnetska indukcija.

Namoti transformatora izrađeni su u obliku višeokretnih cilindričnih zavojnica. Namot spojen na opskrbnu mrežu naziva se primarnim, a namot na koji je priključen teret sekundarnim. Kako bi se osigurala bolja međusobna indukcija, primarni i sekundarni namoti svake faze smješteni su što bliže jedni drugima na zajedničkoj jezgri (slika 3.1), koja je paket sastavljen od limova električnog čelika.

Jezgre energetskih transformatora obično se regrutiraju (slažu) iz pravokutnih limova elektročelika na takav način da se slojevi regrutuju na razne načine (slika 3.2, ii

6 ), naizmjenično kroz jedan (slika 3.3, a). Listovi jezgre se izvlače zajedno s izoliranim iglama.

Postoje dvije vrste jezgri: štap (slika 3.1, i) i oklop (slika 3.1, b). Oklopna jezgra ima razgranati magnetski sustav, zbog čega je tok u šipci 3, na kojem se nalazi namot, veći od protoka u jarmu 4 . Srce-

Lik: 3.2. Raspored limova pri sastavljanju "preklapanja" jezgre transformatora

Lik: 3.3. Sastavljanje magnetskog kruga transformatora: a) preklapanje; b) kraj do kraja: 1 - ploče profila u obliku slova W; 2 - ploče pravokutnog profila; 3 - klipnjače

nadimci transformatora male snage su oblika W, oblika U ili toroidalnog oblika. Paket jezgre može se sastaviti s preklapanjem (slika 3.3, a) ili od kraja do kraja (slika 3.3, b). Prvi

Lik: 3.4. Jezgre vrpce: a - oklopne; b - jezgra; v - toroidalni; g - trofazni

metodi treba dati prednost, jer u ovom slučaju u magnetski krug stvara manje praznine.

U novije vrijeme šire se jezgre izrađene od uske trake električnog čelika (slika 3.4). U većini slučajeva jezgre trake su izrezane na dvije polovice (slika 3.5.) Tako da se na njih mogu staviti kalemi. Nakon toga se jezgre izvlače i učvršćuju u zategnutom obliku (slika 3.6).

Namoti transformatora mogu biti smješteni koncentrično jedan u drugi ili u naizmjeničnom redoslijedu duž visine jezgre magnetskog kruga, u potonjem slučaju primarni i sekundarni namoti izrađeni su u obliku kolutića.

U transformatorima male snage koristi se višeslojni namot koji se neprekidno mota cijelom dužinom magnetske jezgre dok se ne dobije zadani broj zavoja. U nekim se slučajevima namot izrađuje od zasebnih dijelova namotanih na neovisne okvire. Svaki takav dio namota je cjeloviti strukturni dio, koji se naziva biskvit. Keksi se stavljaju na jezgru magnetskog kruga cijelom njezinom visinom i međusobno su električno povezani na ovaj ili onaj način. Na sl. 3.7. Prikazuje uređaj jednofaznog konusnog transformatora s jezgrom trake.

Transformatori mogu imati nekoliko sekundarnih namota (dva, tri ili više). Na sl. 3,9, bprikazao dijagram namota povezanih sa zvijezdom trofazni transformator... Navijanje A 1 B 1 C 1 primarni, A 2 B 2 C 2 -sekundarni.

Prema načinu hlađenja transformatori se dijele na uljne (čiji su namoti uronjeni u ulje) i suhe (zračno hlađene).

Naše tvornice proizvode transformatore snage od frakcija volt-ampera i napona od jednog volta do stotina i

Lik: 3.5. Prorezana jezgra vrpce

Lik: 3.6. Opći prikaz oklopnog transformatora s jezgrom trake

Lik: 3.7. Uređaj jednofaznog transformatora kapaciteta 30 uto: 1 - okvir; 2 - primarni namot; 3 i 4 - sekundarni namoti; 5 - stezna stezaljka

tisuće kilovolt-ampera i napon od stotina kilovolta. Ovisno o primjeni, transformatorima se nameću različiti zahtjevi.

Transformatori za prijenos snage proizvedeni su tako da traju mnogo desetljeća. Na putu od ge-

u stanici koja ne navodnjava potrošača, električna energija obično prolazi tri, pa čak i četverostruku transformaciju, pa bi učinkovitost transformatora za prijenos snage trebala biti što veća.

Transformatori male snage koji se koriste u automatizacijskim krugovima mogu imati malu učinkovitost jer

Lik: 3.8. Uređaj trofaznog transformatora kapaciteta 300 kvaza napon 6 kvadrat:

1 - termometar; 2 - ulaz visokonaponskog namota; 3 - ulaz namota niski napon; 4 - čep za punjenje ulja; 5 - indikator ulja; 5 - čep za punjenje ulja; 7 - ekspander; 8 - magnetski krug; 9 - napon niskog napona; 10 - visokonaponski namot; 11 - čep za ispuštanje ulja; 12 - spremnik za ulje; 13 - cijevi hladnjaka za hlađenje ulja

energija je relativno mala. Ovi su transformatori dizajnirani za znatno kraći radni vijek jer se elektronička oprema u krugovima u kojima rade relativno brzo troši.

Transformatori za radioelektroniku moraju biti male veličine i jeftini.

Princip rada.Pri prolazu električna struja duž namotaja transformatora stvara se magnetski tok. Prikladno je smatrati da se tok povezan sa svakim namotom sastoji od dvije komponente: međusobnog indukcijskog toka i protoka curenja.

Lik: 3.9. Magnetski tok: a - jednofazni transformator; b - trofazni transformator

Uzajamni indukcijski tok F (slika 3.9, i) u potpunosti se pridržavao svih zavoja namota iste faze. Svi ostali potoci su raspršeni potoci. Na sl. 3,9, ii bprikazuje staze nekih raspršujućih tokova F. S namota. Pored ovih putova, mogu postojati i drugi, svi oni djelomično prolaze kroz zrak.

Primarni namot transformatora spojen je na izmjeničnu mrežu. Kad je sekundarni namot otvoren (u praznom hodu), struja primarnog namota stvara tok, čiji je značajan dio, zajedno s oba namota, međusobni indukcijski tok F.

Kao rezultat vremenskih promjena uzajamnog indukcijskog toka u namotima, inducira se e. itd. sa. Njihove su vrijednosti proporcionalne protočnim vezama, koje su jednake umnošku međusobnog toka

kanal za broj zavoja određenog namota. Povezanost protoka primarnog namota uglavnom se određuje opskrbnim naponom. Manji je od mrežnog napona za količinu pada napona u aktivnom i induktivnom otporu primarnog namota.

Ako je sekundarni namot transformatora u kratkom spoju ili na aktivno induktivno opterećenje, tada struja sekundarnog namota nastoji smanjiti tok koji ga uzrokuje i razmagnetizira jezgru na kojoj je namotan primarni namot. Kao rezultat, induktivitet primarnog namota se smanjuje, a njegova struja raste.

U prisutnosti struje u sekundarnom namotu, veličina međusobnog indukcijskog toka F određuje se zajedničkim djelovanjem ppm. primarni i sekundarni namoti. Učinak magnetizacije povećane primarne struje kompenzira učinak razmagnetivanja sekundarne struje, a međusobni indukcijski tok ostaje gotovo nepromijenjen. Stoga, e. Ostanite gotovo isti kao u praznom hodu. itd. sa. primarni i sekundarni namoti. Njihove se vrijednosti mogu mijenjati samo zbog povećanja komponenata pada napona u aktivnom i induktivnom otporu primarnog namota.

Stav k nazvan omjer transformacije. Ovaj koeficijent pokazuje koliko puta e. itd. sa. primarni namot manje ili više e. itd. sa. sekundarni. U nekim se slučajevima omjer transformacije definira kao omjer e. itd. sa. namota viši napon do e. itd. sa. namoti niskog napona.

Uzimajući u obzir (3.1) i (3.2), dobivamo za e. itd. sa. sekundarni namotaj slijedeće jednakosti:

Trenutno ja"2 naziva se smanjena struja sekundarnog namota. Pod smanjenom strujom treba shvatiti sekundarnu struju pri k= 1.

Iz (3.5) proizlazi da se pri opterećenju transformatora struja primarnog namota povećava u usporedbi s strujom praznog hoda ja 0 recipročnom vrijednosti smanjene struje i "2sekundarni namot.

U praznom hodu, sekundarni namot transformatora je otvoren, ali u pravom transformatoru u čeličnom magnetskom krugu uvijek postoje neke sekundarne zatvorene strujne petlje koje djeluju na primarni namot na isti način kao i zatvoreni sekundarni namot. Sekundarni krugovi uključuju krugove vrtložnih struja u čeličnim limovima, u vijčanim vijcima itd. Ti krugovi prolaze duž površina čelika s velikim otporom, stoga su gubici koje stvaraju značajni, a u primarnom namotu uglavnom uzrokuju aktivnu struju komponenta trenutnog mirovanja ja 0. Potpuno aktivna komponenta ja r struja praznog hoda također uzima u obzir gubitke u čeliku za

preokret magnetizacije. Uzimajući u obzir aktivnu komponentu, struju praznog hoda

gdje ja μ je struja magnetiziranja potrebna za stvaranje međusobnog indukcijskog toka F.

Dakle, uzimajući u obzir izraz (3.5), možemo pretpostaviti da je struja primarnog namota ja 1 ima dvije komponente, od kojih jedna ( ja 0) stvara uzajamni indukcijski tok i nadoknađuje gubitke u čeliku tijekom praznog hoda, a drugi (- ja"2) kompenzira učinak razmagnetivanja struje sekundarnog namota.

Sustavi diferencijalnih jednadžbi. Prema drugom Kirchhoffovom zakonu za napon primarnog i sekundarnog namota faze transformatora mogu se izvesti sljedeće jednadžbe:

gdje i- trenutna vrijednost napona na stezaljkama namota; ja - trenutna vrijednost struja namota;

r- aktivni otpor namota;

L- induktivitet koji odgovara ukupnom toku povezanom s namotom;

M- međusobna induktivnost između namota, određena spregom protoka F s zavojima primarnog i sekundarnog namota:

Indeks 1 odnosi se na primarni namot, indeks 2 - na sekundarnu.

Ako se smatra da se tok povezan s primarnim namotom (slika 3.9.) Sastoji od dva dijela (međusobni indukcijski tok F i tok raspršenja F s), tada ukupna induktivnost primarne

sprezanje sekundarnog namota s međusobnim indukcijskim tokom F i L 2s- što odgovara njegovoj adheziji na tok raspršivanja, tj.

Tada sustav jednadžbi (3.7) poprima oblik

Kao rezultat interakcije m. primarni i sekundarni namoti stvaraju uzajamni indukcijski tok F. Njegovo prianjanje uz zavoje ω 1određuje e. itd. sa. primarni namot:

Spajanje toka F s zavojima ω 2određuje e. itd. sa. sekundarni namot:

stoga iz izraza (3.8) imamo sljedeći sustav jednadžbi

Jednadžba ravnoteže m.d.s. (3.4) i jednadžbe napona za primarni i sekundarni namot čine sustav jednadžbi za transformator.Koristeći bilo koji sustav jednadžbi (3.7), (3.8) ili (3.9), možete analizirati procese koji se događaju u transformatoru. Sustav jednadžbi (3.7) obično se koristi u elektrotehnici i u analizi prijelaznih procesa. Sustavi jednadžbi (3.8) i (3.9) široko se koriste u teoriji električni automobili... U nastavku ćemo se uglavnom služiti sustavima tipa (3.8) i (3.9).

Smanjeni transformator.Kako bi se olakšala analiza procesa koji se događaju u transformatoru, radi pojednostavljenja vektorskog dijagrama i mogućnosti izgradnje ekvivalentnog kruga, uobičajeno se pretpostavlja da smanjena struja sekundarnog namota ja"2 je njegova stvarna struja. U tu svrhu stvarni sekundarni namot s brojem zavoja ω 2 uvjetno zamijenjen lažnim namotom,

s brojem zavoja ω 1... Takav konvencionalni namot naziva se reducirani sekundarni namot, a postupak zamjene redukcija sekundarnog namota na primarni.

Budući da je broj zavoja smanjenog sekundarnog namota jednak broju zavoja primarnog, tada su elektromotorne sile oba namota inducirane međusobnim indukcijskim protokom jednake, t.j.

Potrebno je da smanjeni namot bude jednak stvarnom sekundarnom namotu. Stoga bi gubici trebali ostati:

U danom namotu moraju se sačuvati isti odnosi između aktivnog i induktivnog pada napona koji postoje u stvarnom namotu. Odavde dobivamo izraz za induktivni otpor smanjenog namota

Poznavajući zadane vrijednosti struje, napona i otpora, uvijek je moguće izračunati njihove stvarne vrijednosti preračunom i, obratno, znajući stvarne vrijednosti, utvrditi reducirane.

Sustavi jednadžbi reduciranog transformatora u ustaljenom stanju.U slučaju sinusne promjene struja i napona transformatora, kada se razmatraju ustaljeni procesi, može se prijeći iz sustava diferencijalnih jednadžbi u sustav jednadžbi u složenom obliku. Za formalno dobivanje složenih jednadžbi dovoljno je u diferencijalnim jednadžbama da

Sheme zamjene. U teoriji električnih strojeva naširoko se koriste ekvivalentni krugovi u čijem prijelazu stvarne veze transformatora, tj. elektromagnetske, zamjenjuju se električnim.Sklopovi su izvedeni na takav način da se njihove struje i naponi opisuju jednakim jednadžbama kao u transformatoru. Prenesena snaga, fazni odnosi struja i napona u ekvivalentnom krugu jednaki su kao u transformatoru.

Zamjenski krugovi prikladni su za analitička i eksperimentalna istraživanja stacionarnih i prijelaznih procesa. Mogu se lako sastaviti od zasebnih induktivnih i aktivnih otpora. Napone i struje svih dijelova kruga lako je izračunati ili izmjeriti. U slučaju polifaznog transformatora, ekvivalentni krugovi sastavljeni su za jednu fazu.

Sustavi jednadžbi (3.8, i) i (3.9, i) odgovara ekvivalentnom krugu prikazanom na sl. 3.10, i.Svaki član jednadžbe sustava koji odražava pad napona ili e. itd. sa. namot odgovara određenom dijelu kruga, na kojem postoji pad napona u zadanom otporu ili djeluje primijenjeni napon. Strelice u ekvivalentnom krugu pokazuju pozitivan smjer struja primarnog i sekundarnog namota.

Lik: 3.10. Strujni krug transformatora: a - isključujući aktivni otpor u krugu za namazanje; b - uzimajući u obzir aktivni otpor u krugu za magnetiziranje; c - isključujući krug za namazanje

1. Zašto se s porastom struje u sekundarnom namotu transformatora povećava struja u primarnom namotu? Kako se mijenja protok međusobne indukcije i inducirana edukacija? d. sa? Zašto transformator ne može raditi iz mreže istosmjerna struja?

2. Što određuje magnetski tok u jezgri transformatora? Ako preostale vrijednosti smatramo nepromijenjenima, kako će se onda protok promijeniti s porastom primarnog napona, presjeka magnetskog kruga, broja zavoja primarnog namota, broja zavoja sekundarnog namota, mrežna frekvencija? Zašto se tok ne mijenja kad se presjek magnetskog kruga mijenja? Što se to mijenja?

3. U kojem će slučaju izmjerena struja sekundarnog namota biti jednaka njegovoj smanjenoj struji? Što je reducirani transformator? Utječe li broj zavoja sekundarnog namota na smanjenu vrijednost njegovog e. d. sa?

4. Kako se e uzima u obzir u jednadžbama transformatora. itd., potaknuti raspršivanjem tokova? Kako su zatvoreni tokovi curenja namotaja transformatora?

4.1 Uređaj i princip rada transformatora

Transformatori su uređaji dizajnirani za pretvaranje napona ili struje (slika 28). Vrijednost takvog uređaja određena je izuzetno širokim rasponom situacija u kojima se koristi. Zahvaljujući transformatorima, električna energija dobiva takve oblike, parametre i svojstva koja su najtraženija i prikladna za određene primjene. Međutim, treba imati na umu da transformatori mogu raditi samo u izmjeničnim krugovima i njihovo uključivanje u istosmjerne krugove, čak i s malim naponom, može ih oštetiti.

Najjednostavniji (demonstrirajući princip rada, ali ne i dizajn) transformator sastoji se od tri elementa ili čvora: 1) primarni namot; 2) magnetski krug; 3) sekundarni namot (slika 29)

Oba namota transformatora međusobno su električno izolirana i od magnetskog kruga. Potonja je masivna feromagnetska jezgra koja stvara magnetsku vezu između namota. Električna energija koja ulazi u primarni namot pretvara se u magnetsku energiju koja se preko magnetskog kruga prenosi na sekundarni namot, nakon čega slijedi pretvaranje natrag u električna energija, ali već sekundarni namot. Dio energije u procesu pretvorbe gubi se u transformatoru, zbog čega se zagrijava. Određuje omjer udjela prenesene energije u odnosu na onu koja se uzima iz primarnog izvora Učinkovitost transformatora i izračunava se po formuli, gdje je W 1 energija koja se dovodi u primarni namot; W 2 - energija koja se potrošaču isporučuje iz sekundarnog namota.

Učinkovitost suvremenih transformatora doseže 99%, što ukazuje na krajnju učinkovitost ovih uređaja kao odašiljača snage.

Princip rada transformator se temelji na zakonu elektromagnetske indukcije (EMI). Sjetimo se da je u fizičkom smislu to fenomen stvaranje vrtloga izmjeničnim magnetskim poljem električno polje. Matematički ovaj zakon daje poznata formula za EMR vrtložnog električnog polja:

gdje je ΔF promjena magnetskog toka tijekom vremena Δt. Stoga je u modulu EMF jednak brzini promjene magnetskog toka. To pak znači prisutnost faznog pomaka između F i e za 90 0 (ova činjenica vrijedi za bilo koju vrijednost i njezinu brzinu). Znak minus znači da je EMR izvan faze magnetskog toka. Sam EMF, fizički, nastaje u bilo kojoj petlji koja obavija magnetsko polje koje se mijenja (na slici 30 - u 3 petlje), a njegov smjer ovisi o povećanju ili smanjenju magnetskog polja.

Razmotrite kako transformator radi.

Prilikom posluživanja izmjenični napon na primarni namot, naizmjenična struja... Zauzvrat, izmjenična struja stvara izmjenično magnetsko polje oko sebe. Budući da je tehnološki primarni namot zavojnica, njezino magnetsko polje koncentrirano je unutar njega (izvan njega se oduzimaju magnetska polja različitih dijelova zavoja). Sl-

magnetsko polje primarnog namota, upadajući u magnetski krug koji prolazi kroz njega, više puta se (stotine i tisuće puta) pojačava vlastitim magnetskim poljem i zatvara kroz njegov krug. Kao rezultat, značajan promjenjivi magnetski tok počinje cirkulirati kroz magnetski krug F. U skladu sa EMP zakonom, vrtložni EMF javlja se u bilo kojem dijelu magnetskog kruga. Ovaj EMR nastaje posvuda u okolnom prostoru i ulazi u primarni namot, u sekundarni i u magnetski krug.

U primarnom namotu ispada da je potpuno antifazna prema mrežnom naponu, jer, kao što je već spomenuto u prethodnim odjeljcima, struja u namotu zaostaje za naponom za 90 0, a zauzvrat EMF vrtložnog polja , zaostaje za strujom (ili što je isto - od magnetskog toka) za dodatnih 90 0. Kao rezultat, u primarnom namotu susreću se dva električna polja, usmjerena nasuprot jedno drugome. Rezultat ovog protivljenja je mala vrijednost ulazne struje (u režimu praznog hoda) i veliki induktivni otpor namota. Osim toga, sve zavojnice i namoti obično su izrađeni od bakra, koji ima vrlo nizak omski otpor. Stoga slijedi važna kvantitativna činjenica - pad napona ( u) kod svakog zavoja događa se samo zbog vrtložnog EMF-a i stoga je numerički jednak ovom EMF-u:

Uzima se u obzir da je napon na primarnom namotu ravnomjerno raspoređen na njegovim zavojima, zbog ujednačenosti magnetskog toka duž magnetskog kruga.

U magnetskoj jezgri EMF vrtložnog električnog polja stvara vrtložne struje ( foucaultove struje), koji, ako se ne poduzmu mjere, uvelike smanjuju učinkovitost transformatora i uzrokuju značajno zagrijavanje, pa čak i pregrijavanje magnetskog kruga. Da bi se stvorio otpor prema takvim strujama, sastavlja se od tankih ploča presvučenih izolacijskim lakom. To omogućuje drastično smanjenje toplinskog rasipanja elektromagnetske energije i povećanje učinkovitosti. Konačno, u sekundarnom namotu vrtložno električno polje inducira vlastiti EMF u svakom zavoju, koji zbrajanjem na svim zavojima odlazi na svoje stezaljke u obliku napona, gdje je N 2 broj njegovih zavoja.

Budući da smo EMF samog vrtložnog polja izrazili u smislu pada mrežnog napona na primarnom namotu, izvršivši odgovarajuću zamjenu u posljednjoj formuli, došli smo do osnovnog oblika transformatora:

Iz toga proizlazi da kada se promijeni omjer broja okretaja sekundarnog i primarnog namota, možemo promijeniti odnos između njihovih napona. Naime: ako je N 2< N 1 , то U 2 < U 1 - напряжение на вторичной обмотке оказывается пониженным; если N 2 > N 1, zatim U 2\u003e U 1 - pa povećani. U prvom slučaju dobivamo silazni transformator, u drugom pojačavajući

Da bi se odredio stupanj transformacije napona, uvodi se koef f i c i e n trans oblik i k:

Omjer transformacije, zajedno s vrijednostima napona namota, nazivna snaga a učinkovitost je važan tehnološki parametar transformatora.

4.2 Načini rada transformatora

Budući da u razmatranom klasičnom dizajnu transformatora postoje dva namota, od kojih je jedan zatvoren za primarni izvor, a drugi je slobodan, tada su moguća dva načina njegovog rada: a) sekundarni namot je otvoren - način mirovanja; b) sekundarni namot je zatvoren za potrošača - način rada... Ti načini rada imaju značajnu razliku, jer u drugom slučaju iz magnetskog kruga iz sekundarnog namota nastaje dodatno magnetsko polje, koje utječe na sve električne parametre transformatora. Stoga se ovi načini rada razmatraju odvojeno.

Ovdje treba napomenuti sljedeće: od dana električni procesi mnogi čimbenici utječu na transformator, pokazalo se da je njihovo precizno računovodstvo na uzročno-posljedičnoj razini uz pomoć kvalitativnog opisa teško. Stoga je lakše razumjeti procese koji se odvijaju u transformatoru putem apstraktnih koncepata. Konkretno, kroz vektorske dijagrame.

Dijagram u nastavku (slika 31.) prikazuje vektorski dijagram svih parametara transformatora u praznom hodu. Kao i svaki složeni dijagram, njegova konstrukcija zahtijeva matematičke jednadžbe koje povezuju sve prikazane parametre. Za transformatore u praznom hodu dobiveni su prema Kirchhoffovom zakonu:

1) za primarni namot

2) za sekundarni namot

Razmotrimo tijek konstrukcije takvog dijagrama za način mirovanja - uz istodobno razjašnjavanje fizičkog značenja svih parametara koji se na njemu odražavaju.

Redoslijed izgradnje je sljedeći:

1) odlažemo vodoravno vektor praznog hoda I 1X i magnetski tok F m u magnetskom krugu - paralelni jedni drugima. U vakuumu uvijek osciliraju u jednoj fazi; u magnetskom je krugu, zbog pojave histereze (neusklađenosti magnetskog polja struje i željeza), moguće lagano pogrešno faziranje, što će u ovom slučaju biti zanemareno)

2) odgađamo s zakašnjenjem od 90 stupnjeva (prema dolje) dva vektora EMF vrtložnog električnog polja EMR - E 1 i E 2. E 1 predstavlja EMF u primarnom namotu, E 2 - u sekundarnom. Očito, zbog razlike u broju zavoja u namotima, ti se EMP ne podudaraju po veličini i talože se različito u duljini.

3) odgađamo vektor - E 1 u smjeru suprotnom od E 1. Njegova nužnost proizlazi iz jednadžbe za napon primarnog namota. Zapravo, iz Ohmovog zakona proizlazi da se mrežnom naponu suprotstavljaju EMF EMR E 1 (dakle znak minus), omski otpor primarnog namota R 1 (stvara pad napona I 1 XR 1) i induktivni otpor, x 1, onog dijela magnetskog polja, koji se sam zatvara zaobilazeći magnetski krug (kroz zrak).

4) odgađamo vektor I 1 X R 1 s kraja vektora (- E 1) - on mora biti paralelan struji, budući da je napon na otporniku uvijek u fazi sa strujom.

5) odgađamo vektor I 1 X x 1 s kraja vektora I 1 X r 1 - on mora biti okomit na struju, jer je napon na induktivnoj reaktanciji uvijek ispred faze struje za 90 0

6) povezujemo početak vektora - E 1 s krajem vektora I 1 X X 1 - rezultirajući vektor predstavljat će zbroj vektora , tj. vektor U 1.

Iz ucrtanog dijagrama vidi se da, u točnom prikazu, mrežni napon premašuje EMP back-emf. Međutim, u stvarnim transformatorima ta razlika nije veća od 2-5% zbog malenosti omskog i induktivnog otpora primarnog namota. Napon na otvorenom sekundarnom namotu točno je jednak E 2. Stoga s dovoljnim stupnjem točnosti možete napisati:

Za izgradnju vektorskog dijagrama u radnom načinu također je potrebno sastaviti odgovarajuće jednadžbe. Oni će se razlikovati od jednadžbi u režimu praznog hoda po obliku jednadžbe za sekundarni namot. Potonji je također dobiven iz drugog Kirchhoffova zakona i ima oblik ... Vidi se da napon na sekundarnom namotu ( U 2) smanjuje se u usporedbi s naponom U 2 u praznom hodu, za količinu pada napona u njegovom aktivnom i induktivnom otporu.

Dakle, za izradu dijagrama koriste se sljedeće jednadžbe:

Te jednadžbe kompliciraju postupak dijagramiranja, a da bismo ga pojednostavili, zapostavit ćemo unutarnji otpor namota. Tada će jednadžbe poprimiti vrlo jednostavan oblik:

Iz ove vrste jednadžbi odmah proizlazi da je nemoguće donijeti zaključke o ponašanju struja u primarnom i sekundarnom namotu.

U stvarnosti se pokazalo da su te struje usko povezane iz sljedećih razloga. Prvo, iz prve jednadžbe proizlazi da, kao i u slučaju praznog hoda, EMF vrtložnog polja mora biti jednak i fazno suprotan mrežnom naponu. Budući da je napon mreže (primarni izvor) podešen i ne ovisi o načinu rada transformatora, magnetski tok u magnetskom krugu transformatora u radnom načinu mora biti jednak magnetskom toku u praznom hodu... U međuvremenu, u načinu rada, više magnetskih polja cirkulira u magnetskom krugu - radna struja sekundarnog namota stvara vlastito magnetsko polje.

Drugo, prema Lenzovom pravilu, struja sekundarnog namota mora "... imati takav smjer da magnetsko polje stvoreno njime nastoji kompenzirati promjenu vanjskog magnetskog polja." Drugim riječima, magnetsko polje sekundarnog namota mora biti usmjereno protiv magnetskog polja primarnog namota... To vam omogućuje da napišete opću jednadžbu magnetskih tokova u magnetskom krugu - kao vektore (!) - u obliku:

i uzimajući u obzir antifaznu prirodu (u modularnom obliku) kao:

Ovdje je F 0 magnetski tok u transformatoru, stvoren primarnim namotom u praznom hodu; F 1 - magnetski tok primarnog namota u režimu rada; F 2 - magnetski tok sekundarnog namota.

Značenje posljednje jednadžbe može se ilustrirati sljedećim primjerom. Pretpostavimo da je u praznom hodu magnetski tok magnetskog kruga bio 20 konvencionalnih jedinica (F 0 \u003d 20). Zatim, ako radna struja sekundarnog namota stvara magnetski tok od 40 cu. (F 2 \u003d 40), tada bi se magnetski tok primarnog namota trebao povećati na F 1 \u003d F 0 + F 2 \u003d 40 + 20 \u003d 60 i opet smanjiti ukupni magnetski tok na 20. To znači da između struja primarnih i sekundarnih namota postoji magnetska komunikacija, i takva da porast struje u sekundarnom namotu povlači za sobom porast struje u primarnom namotu.

Matematički odnos između struja može se uspostaviti na temelju temeljnog zakona teorije magnetizma - zakona ukupne struje. Prema ovom zakonu „.. cirkulacija jakosti magnetskog polja duž zatvorene petlje jednaka je algebarskoj sumi struja koje prelaze ovu petlju. U prilagođenoj verziji za magnetske krugove s magnetskim krugovima formuliran je u obliku izjednačavanja magnetskog kruga:

Ovdje je R M magnetski otpor magnetskog kruga transformatora; N je broj zavoja s strujom koji okružuju magnetski krug; I je trenutna snaga u svakom zavoju; F - magnetski tok u magnetskom krugu. Iz formule proizlazi da:

ili, zamjenjujući ga u jednadžbi magnetskih tokova, dobivamo:

ili smanjivanje za R M i dijeljenje svega s N 1:

Posljednja jednadžba uspostavlja željeni odnos između radnih struja u primarnom i sekundarnom namotu i omogućuje vam izradu vektorskog dijagrama načina rada u pojednostavljenom obliku. Predbilježimo ga kao:

i usput napominjemo da se zbog male struje praznog hoda drugi član na desnoj strani jednadžbe može zanemariti; tada će veza između struja u primarnom i sekundarnom namotu postati posebno jasna, budući da moduli su jednaki, t.j. od aktualniji u sekundarnom namotu, veća je struja u primarnom.

Dijagram gradimo sljedećim redoslijedom:

1) odgoditi struju ( I 10) i magnetski tok ( Ž 0) način rada u praznom hodu;

2) spustiti EMF primarnog ( E 1) i sekundarni namot ( E 2); njihove su vrijednosti određene vrijednošću Ž 0N1, N2; od EMF primarnog namota manji je od sekundarnog, tada je k<1 и трансформатор повышаю-щий;

3) odgađamo struju sekundarnog namota ( I 2) - u proizvoljnom smjeru (njegov smjer ovisi o prirodi tereta);

4) u skladu s jednadžbom struja do kraja vektora struje praznog hoda ( I 10) odgađamo vektor (- I 2 / k) i konstruiramo vektor zbroja I 1; vektor(- I 2 / k) bit će veći od trenutnog vektora I 2;

5) odgoditi vektor U 1 \u003d - E 1 nasuprot vektoru E 1.

Transformator - statički elektromagnetski uređaj za pretvorbu izmjenične struje jednog napona u izmjeničnu struju drugog napona iste frekvencije. Transformatori se koriste u električnim krugovima za prijenos i distribuciju električne energije, kao i za zavarivanje, grijanje, ispravljačke električne instalacije i još mnogo toga.

Transformatori se razlikuju po broju faza, broju namota i načinu hlađenja. Uglavnom se koriste energetski transformatori dizajnirani za povećanje ili smanjenje napona u električnim krugovima.

Uređaj i princip rada

Dijagram jednofaznog dvonamotnog transformatora prikazan je u nastavku.

Dijagram prikazuje glavne dijelove: feromagnetska jezgra, dva namotaja na jezgri. Prvo namotanje i sve vrijednosti koje se na njega odnose (i 1 -struja, u 1 -napon, n 1 -broj zavoja, F 1 - magnetski tok) nazivaju se primarnim, drugi namot i odgovarajuće vrijednosti nazivaju se sekundarnim.

Primarni namot spojen je na mrežu izmjeničnog napona, njegova sila magnetiziranja i1n1 stvara naizmjenični magnetski tok F u magnetskom krugu, koji je povezan s oba namota i u njima inducira EMF e 1 \u003d -n 1 dF / dt, e 2 \u003d -n 2 dF / dt ... Uz sinusnu promjenu magnetskog toka F \u003d Fm sinωt, EMF je jednak e \u003d Em sin (ωt-π / 2). Da biste izračunali efektivnu vrijednost EMF, trebate upotrijebiti formulu E \u003d 4,44 f n Fm, gdje je f ciklična frekvencija, n broj zavoja, Fm amplituda magnetskog toka. Štoviše, ako želite izračunati vrijednost EMF-a u bilo kojem namotu, trebate zamijeniti broj zavoja u ovom namotu umjesto n.

S bilo kojom promjenom magnetskog toka spojenog na bilo koju zavojnicu, u toj se zavojnici inducira e. d. s., jednake veličine i suprotne u znaku promjene magnetskog toka u vremenu. Namoti transformatora obično imaju velik broj zavoja. U svakom zavoju primarnog i sekundarnog namota inducira se isti e. itd., budući da su svi zavoji ovih namota spojeni s istim magnetskim tokom. Dakle, npr. itd. sa. svaki namot jednak je zbroju e, d. s. svih njegovih zavoja, tj. umnožak broja zavoja za e. itd., inducirani u jednoj petlji.

Ako je w1 broj zavoja primarnog, a w2 broj zavoja sekundarnog namota transformatora, tada su efektivne vrijednosti e. itd. sa. ovi namoti su jednaki:

U ovim formulama magnetski tok izražava se u Maxwellsu (μs).

Kada transformatori rade, padovi napona u otporima njihovih namota obično su vrlo mali i može se pretpostaviti da je napon primarnog namota U1 jednak svojoj emf E1, a napon sekundarnog namota U2 jednak njegov emf E2, tj

Iz gornjih formula možemo zaključiti da EMR zaostaje za magnetskim tokom za četvrtinu razdoblja, a omjer EMF-a u namotima transformatora jednak je omjeru broja zavoja E1 / E2 \u003d n1 / n2.

Ako drugi namot nije opterećen, tada je transformator u praznom hodu. U ovom slučaju, i 2 \u003d 0, i u 2 \u003d E 2, struja i 1 je mala, a pad napona u primarnom namotu mali, stoga u 1 ≈ E 1 i omjer EMF mogu se zamijeniti odnosom napona u 1 / u 2 \u003d n 1 / n 2 \u003d E 1 / E 2 \u003d k. Iz toga možemo zaključiti da sekundarni napon može biti manji ili veći od primarnog, ovisno o omjeru broja zavoja namota. Odnos primarnog napona i sekundarnog napona kada je transformator u praznom hodu naziva se omjer transformacije k.

Čim je sekundarni namot spojen na opterećenje, u krugu se pojavljuje struja i2, odnosno energija se s transformatora, koji je prima iz mreže, prenosi na opterećenje. Prijenos energije u samom transformatoru događa se zbog magnetskog toka F.

Obično su izlazna snaga i ulazna snaga približno jednake, budući da su transformatori električni strojevi s prilično visokom učinkovitošću, ali ako je potreban precizniji izračun, tada se učinkovitost utvrđuje kao omjer aktivne izlazne snage i aktivne ulazne snage η \u003d P2 / P jedan.

Magnetski krug transformator je zatvorena jezgra sastavljena od električnih čeličnih limova debljine 0,5 ili 0,35 mm. Prije montaže, listovi su izolirani lakom s obje strane.

Po vrsti konstrukcije postoje šipkasti (L-oblik) i oklopni (W-oblik) magnetski krugovi. Razmotrimo njihovu strukturu.

Šipkasti transformator sastoji se od dvije šipke, na kojima se nalaze namoti i jarma, koji spaja šipke, zapravo je zato i dobio ime. Transformatori ove vrste koriste se mnogo češće od oklopnih transformatora.

Oklopni transformator je jaram unutar kojeg se nalazi šipka s namotom. Jaram štiti šipku, pa se transformator naziva oklopnim.

Navijanje

Dizajn namota, njihova izolacija i načini pričvršćivanja na šipke ovise o snazi \u200b\u200btransformatora. Za njihovu izradu koriste se bakrene žice okruglog i pravokutnog presjeka, izolirane pamučnom pređom ili kabelskim papirom. Namoti moraju biti čvrsti, fleksibilni, imati male gubitke energije i biti jednostavni i jeftini za proizvodnju.

Hlađenje

Gubici energije uočavaju se u namotu i jezgri transformatora, uslijed čega se stvara toplina. Stoga je transformatoru potrebno hlađenje. Neki transformatori male snage otpuštaju toplinu u okoliš, a da ustaljena temperatura ne utječe na rad transformatora. Takvi se transformatori nazivaju "suhim", tj. s prirodnim zračnim hlađenjem. No, kod srednjih i velikih snaga zračno hlađenje se ne snalazi, već se koristi hlađenje tekućinom, odnosno ulje. U takvim transformatorima namot i magnetski krug smješteni su u spremnik s transformatorskim uljem, koje pojačava električnu izolaciju namota iz magnetskog kruga i istodobno služi za njihovo hlađenje. Ulje prima toplinu iz namota i magnetskog kruga te ga predaje zidovima spremnika iz kojih se toplina odvodi u okoliš. Istodobno cirkuliraju slojevi ulja s razlikom u temperaturi, što poboljšava prijenos topline. Za transformatore snage do 20-30 kVA ima dovoljno hlađenja za spremnik s glatkim zidovima, ali kod velikih kapaciteta postavljaju se spremnici s valovitim zidovima. Također treba imati na umu da kada se ulje zagrije, ima tendenciju povećanja volumena, stoga su rezervni spremnici i ispušne cijevi ugrađeni u transformatore velike snage (ako ulje zavrije, pojavit će se pare kojima treba izlaz). U transformatorima manje snage ograničeni su činjenicom da se ulje ne izlije do samog poklopca.