4.1 Principiul aranjamentului și al funcționării transformatorului
Transformatoarele sunt dispozitive concepute pentru a converti o tensiune sau curent (figura 28). Valoarea unui astfel de dispozitiv este determinată de gama extrem de largă de situații în care este utilizat. Datorită transformatoarelor, energia electrică dobândește astfel de forme, parametri și proprietăți care sunt cele mai solicitate și convenabile pentru aplicații specifice. Ar trebui totuși să se țină cont de faptul că transformatoarele pot funcționa numai în circuitele de curent alternativ, iar includerea lor într-un circuit de curent continuu, chiar și de o tensiune mică, le poate dezactiva.
Cea mai simplă (prin demonstrarea principiului acțiunii, dar nu și în construcții), transformatorul constă din trei elemente sau ansambluri: 1) înfășurarea primară; 2) circuit magnetic; 3) înfășurarea secundară (Fig.29)
Din punct de vedere electric, ambele înfășurări ale transformatorului sunt izolate atât unul de celălalt, cât și din circuitul magnetic. Acesta din urmă este seboy masiv miez feromagnetic, creând între înfășurări m și n și r t y u n legătură. Energia electrică furnizată înfășurarea primară, acesta este convertit în circuitul magnetic, magnetic, care este transferat la înfășurarea cu conversia ulterioară înapoi în energie electrică secundar, dar înfășurarea secundară. O parte din energia din procesul de conversie este pierdută în transformator, determinând încălzirea acestuia. Proporția de energia transmisă la puterea luată de primar al transformatorului determină eficiența și calculat din formula. unde W1 este energia de intrare în bobina primară; W2 - energia furnizată consumatorului din bobina secundară.
Eficiența transformatoarelor moderne atinge 99%, ceea ce indică eficiența extraordinară a acestor dispozitive ca transmițătoare de energie electrică.
Principiul transformatorului se bazează pe legea inducției electromagnetice (EMR). Reamintim că, din punct de vedere fizic, este un fenomen de generare a unui câmp electric vortex de către un câmp magnetic alternativ. Din punct de vedere matematic, această lege este dată de formula binecunoscută pentru emf-ul unui câmp electric vortex:
unde F - schimbarea fluxului magnetic în timp # 916; În consecință, modulo, EMF este egal cu rata de schimbare a fluxului magnetic. Aceasta, la rândul său, înseamnă că există o schimbare de fază între Φ și e cu 90 0 (acest fapt este valabil pentru orice magnitudine și viteza acesteia). Semnul minus înseamnă că EMF este în fază cu fluxul magnetic. EMF însăși, fizic, apare pe orice rotire care înconjoară un câmp magnetic în schimbare (în figura 30 - pe 3 rotații), iar direcția sa depinde de creșterea sau descreșterea câmpului magnetic.
Luați în considerare modul în care funcționează transformatorul.
Atunci când o tensiune alternativă este aplicată la înfășurarea primară, apare un curent alternativ. La rândul său, curentul alternativ creează în jurul său un câmp magnetic alternativ. Deoarece, din punct de vedere tehnologic, înfășurarea primară este o bobină, câmpul său magnetic este concentrat în interiorul acesteia (dincolo de limitele sale se scade câmpurile magnetice ale diferitelor secțiuni de întoarcere). slab
câmpul magnetic al înfășurării primare, care intră în circuitul magnetic care trece prin el, în mod repetat (de sute și mii de ori) este amplificat de propriul câmp magnetic și este închis prin circuitul său. Ca urmare, un flux magnetic semnificativ variabil F începe să circule de-a lungul circuitului magnetic. Conform legii EMR, EMF vortex apare în orice secțiune a circuitului magnetic. Acest EMF apare peste tot în spațiul din jur și se încadrează atât în bobina primară, în bobina secundară, cât și în circuitul magnetic.
Bobina primar este complet antifază tensiunea de alimentare, deoarece, după cum sa menționat deja în secțiunile anterioare, curentul bobinei se situează tensiunea de 90 0. un EMF câmp vortex, la rândul său, a rămas în curent (sau ceea ce este același lucru - fluxul magnetic ) cu un alt 90 0. Ca urmare, în bobina primară, câmpurile electrice sunt direcționate în direcții opuse. Rezultatul acestei confruntări o valoare curentă de intrare mică (la mers în gol) și un mare reactanță inductivă a înfășurării. De asemenea, toate bobinele și înfășurările sunt realizate, de obicei, din cupru, care are o rezistență ohmică foarte scăzută. Prin urmare, important faptul cantitativ - căderea de tensiune (U) pentru fiecare rândul său, are loc numai datorită turbionar CEM și, prin urmare, este numeric egal cu această emf:
Aici este luat în considerare faptul că tensiunea pe înfășurarea primară este distribuită uniform pe rândul său, datorită uniformității fluxului magnetic de-a lungul circuitului magnetic.
Circuitul magnetic EMF câmpului electric indus generează întreaga secțiune transversală, curenți turbionari (curenți Foucault), care, dacă nu se iau măsuri, eficiența transformatorului mult mai mici și pot provoca încălzirea semnificativă a circuitului magnetic, chiar și supraîncălzire. Pentru a crea rezistență la astfel de curenți, acesta este colectat din plăci subțiri acoperite cu un lac izolator. Acest lucru poate reduce dramatic disiparea căldurii a energiei electromagnetice și de a îmbunătăți eficiența. În cele din urmă, în bobina secundară, un câmp electric vortex își induce EMF în fiecare înfășurare. care, pliere pe toate rotirile, merge la terminalele sale sub forma de tensiune. unde N2 este numărul de viraje.
Deoarece emf-ul câmpului vortexului ne-am exprimat prin scăderea tensiunii de alimentare pe bobina primară. atunci prin efectuarea substituției corespunzătoare în ultima formulă ajungem la forma inițială a transformatorului:
Rezultă că atunci când se schimbă raportul dintre numărul de rotații pe bobina secundară și cea primară, putem schimba raportul dintre tensiunile lor. Anume: dacă N2
Pentru a determina gradul de transformare a tensiunii, introducem un sistem de ecuatii pentru k:
Coeficientul de transformare, împreună cu valorile tensiunilor de înfășurare, puterea nominală și eficiența este un parametru tehnologic important al transformatorului.
4.2 Modurile de operare ale transformatorului
Din moment ce a considerat designul clasic al transformatorului are două înfășurări, una dintre care este închis la sursa primară, iar al doilea este liber, există două posibile moduri de funcționare: a) înfășurare secundară deschisă - mers în gol; b) înfășurarea secundară este închisă pentru consumator - modul de funcționare. Aceste moduri au o diferență semnificativă, deoarece în acest din urmă caz există un miez magnetic suplimentar în câmpul magnetic al bobinei secundare, care afectează toți parametrii electrici ai transformatorului. Prin urmare, aceste moduri de funcționare sunt considerate separat.
Aici este necesar să se ia în considerare următoarele: deoarece mulți factori influențează procesele electrice din transformator, este dificil să le contabilizăm cu acuratețe la nivelul cauzelor-efect utilizând o descriere calitativă. Prin urmare, este mai ușor să înțelegem procesele care au loc în transformator, prin concepte abstracte. În special, - prin diagrame vectoriale.
2) pentru înfășurarea secundară
Să luăm în considerare construirea unei astfel de diagrame pentru inactivitate - cu o clarificare unică a semnificației fizice a tuturor parametrilor reflectați pe ea.
Ordinea construcției este următoarea:
1) se compară orizontal vectorul curentului fără sarcină I1X și fluxul magnetic Фm în circuitul magnetic paralel unul cu celălalt. În vid, acestea oscilează într-o singură fază; în circuitul magnetic, datorită fenomenului histerezis (o nepotrivire între câmpul magnetic al curentului și fier), este posibilă o mică defilare, care în acest caz va fi neglijată)
2) amânăm, cu o întârziere de 90 de grade (în jos), doi vectori EMF ai câmpului electric vortex EMR-E1 și E2. E1 reprezintă EMF în bobina primară, E2 - în bobina secundară. Evident, datorită diferenței în numărul de viraje în bobine, aceste CEM nu coincid în mărime și sunt depuse diferite în lungime.
3) plotăm vectorul - E1 în direcția opusă E1. Necesitatea lui rezultă din ecuația de tensiune a înfășurării primare. Într-adevăr, din legea lui Ohm că tensiunea de alimentare se opune CEM EMR E1 (de aici „minus“ semnul), rezistența ohmică a R1 înfășurare primară (creează o cădere de tensiune I1X R1) și reactanță inductivă, X1. partea din câmpul magnetic care se închide prin ea însăși, ocolind circuitul magnetic (prin aer).
4) Am complot vectorul I1X R1 de la capătul vectorului (-E1) - trebuie să fie paralel cu curentul, deoarece tensiunea pe rezistor coincide întotdeauna cu curentul.
5) trasăm vectorul I1X x1 de la capătul vectorului I1X r1 - trebuie să fie perpendicular pe curent, deoarece tensiunea pe rezistența inductivă depășește întotdeauna curentul cu 90 0
6) conectează începutul vectorului - E1 cu sfârșitul vectorului I1X X1 - vectorul rezultat va reprezenta suma vectorilor. și anume vectorul U1.
Se observă din diagrama că, în reprezentarea exactă, tensiunea de linie depășește valoarea EMP contra-emf. Cu toate acestea, în transformatoarele reale, această diferență nu este mai mare de 2-5% datorită micșorării rezistențelor ohmice și inductive ale înfășurării primare. Tensiunea pe bobina secundară deschisă este exact egală cu E2. Prin urmare, cu un grad suficient de acuratețe, puteți scrie:
Pentru a construi o diagramă vector în modul de operare, este de asemenea necesar să compunem ecuațiile corespunzătoare. Ele vor diferi de ecuațiile în modul inactiv prin forma ecuației pentru înfășurarea secundară. Acesta din urmă este obținut și din a doua lege a lui Kirchhoff și are forma. Se observă că tensiunea pe bobina secundară (U2) scade, în comparație cu tensiunea U2 la ralanti, de cantitatea de cădere de tensiune în rezistențele sale active și inductive.
Astfel, pentru construirea diagramei sunt folosite următoarele ecuații:
Aceste ecuații complică procesul de plotare a diagramei și, pentru ao simplifica, neglijează rezistența internă a înfășurărilor. Apoi ecuațiile vor lua o formă foarte simplă:
Rezultă imediat de la acest tip de ecuații că este imposibil să se tragă concluzii despre comportamentul curenților în înfășurările primare și secundare.
De fapt, acești curenți sunt strâns legați din următoarele motive. În primul rând, din prima ecuație rezultă că, la ralanti, câmp vortex CEM trebuie să fie egală și opusă în tensiune a rețelei de fază. Deoarece tensiunea de alimentare (chnika primar istoricizate) este predeterminată și nu depinde de modul de funcționare a transformatorului, fluxul magnetic în modul de operare transformatorav jugul magnetic trebuie să fie egal debitului la mers în gol. Între timp, în timpul funcționării, circula în circuitul magnetic nu este una și q într-un câmp magnetic - curentul de funcționare al înfășurării secundare creează propriul câmp magnetic.
În al doilea rând, conform regulii Lenz, curentul înfășurării secundare trebuie să aibă o direcție astfel încât câmpul magnetic creat de acesta să compenseze schimbarea câmpului magnetic extern. Cu alte cuvinte, câmpul magnetic al înfășurării secundare trebuie să fie orientat contra câmpului magnetic al înfășurării primare. Acest lucru ne permite să scriem ecuația generală pentru fluxurile magnetice într-un circuit magnetic - ca vectori (!) - în forma:
și ținând seama de caracterul antifază (într-o formă modulară), cum ar fi:
Aici Φ0 este fluxul magnetic al transformatorului creat de înfășurarea primară atunci când este în gol; Ф1 - fluxul magnetic al înfășurării primare în modul de funcționare; F2 este fluxul magnetic al înfășurării secundare.
Semnificația ultimei ecuații poate fi explicată prin următorul exemplu. Să presupunem că în modul inactiv fluxul magnetic al circuitului magnetic a fost de 20 de unități convenționale (Ф0 = 20). Apoi, dacă curentul de lucru al înfășurării secundare creează un flux magnetic de 40 cu (F2 = 40), înfășurarea fluxului magnetic primar să fie crescut la $ 0 = F1 + F2 = 40 + 20 = 60, și de a reduce fluxul magnetic total din nou la 20. Aceasta înseamnă că există cuplaj magnetic între curenții înfășurărilor primare și secundare, și astfel . că creșterea curentă a înfășurării secundare conduce la o creștere a curentului în înfășurarea primară.
Conexiunea matematică dintre curenți poate fi stabilită pe baza legii fundamentale a teoriei magnetismului - legea curentului total. Conform acestei legi ". circulația câmpului magnetic de-a lungul unui contur închis este egală cu suma algebrică a curenților care traversează conturul dat. În versiunea adaptată pentru circuitele magnetice cu circuite magnetice. este formulată sub forma unei monogeneități a arcului magnetic:
Aici, RM este rezistența magnetică a circuitului magnetic al transformatorului; N - numărul de viraje cu curent, înfășurarea circuitului magnetic; Eu sunt curentul în fiecare revoluție; Ф este fluxul magnetic în circuitul magnetic. Din formula rezultă că:
sau, substituind-o în ecuația fluxurilor magnetice. obținem:
sau prin tăierea la RM și împărțirea totului în N1:
Ultima ecuație stabilește relația dorită între curenții de lucru din înfășurările primare și secundare și vă permite să construiți diagrama vectorială a modului de operare într-o formă simplificată. Noi o rescriim mai întâi în forma:
și notează în trecere că, din cauza micului curent de ralanti, al doilea termen din partea dreaptă a ecuației poate fi neglijat; atunci relația dintre curenții în înfășurările primare și secundare va deveni deosebit de distinctă. deoarece pentru modulele pe care le are egalitatea. și anume Cu cât curentul este mai mare în bobina secundară, cu atât este mai mare curentul în primar.
Diagrama este construită în următoarea ordine:
1)
2) stabilirea EMF a primar (E1) și a înfășurării secundare (E2); magnitudinile lor sunt determinate din valoarea de 0 $. N1. N2; deoarece EMF a înfășurării primare este mai mică decât secundar, apoi k <1 и трансформатор повышаю-щий;
3) amânați curentul de bobinaj secundar (I2) - într-o direcție arbitrară (direcția sa depinde de natura încărcăturii);
4) în conformitate cu ecuația actuală, la sfârșitul vectorului ralanti curent (I10) să amâne vectorul (-I2 / k) și construi suma-Marne vektorI1; vectorul (-I2 / k) va fi mai mare decât vectorul curent I2;