Het werkingsprincipe en het apparaat van een enkelfasige transformator

Eenfasige nullasttransformator

Transformatoren in de elektrotechniek worden dergelijke elektrische apparaten genoemd waarin wisselstroom elektrische energie van een vaste draadspoel wordt overgedragen naar een andere vaste draadspoel die niet elektrisch is verbonden met de eerste.

De link die energie van de ene spoel naar de andere overbrengt, is de magnetische flux, die in de twee spoelen grijpt en voortdurend in grootte en richting verandert.

Rijst. 1.

In afb. 1a toont de eenvoudigste transformator bestaande uit twee coaxiaal boven elkaar aangebrachte wikkelingen / en / /. Naar de spoel / geleverd wisselstroom van dynamo D. Deze wikkeling wordt primaire wikkeling of primaire wikkeling genoemd. Met een wikkeling // secundaire wikkeling of secundaire wikkeling genoemd, is een circuit verbonden via ontvangers van elektrische energie.

Het werkingsprincipe van de transformator

De werking van de transformator is als volgt. Wanneer er stroom in de primaire wikkeling vloeit, ontstaat deze magnetisch veld, waarvan de krachtlijnen niet alleen doordringen in de wikkeling die ze heeft gemaakt, maar ook gedeeltelijk in de secundaire wikkeling //. Een geschat beeld van de verdeling van de krachtlijnen gecreëerd door de primaire wikkeling wordt getoond in Fig. 1b.

Zoals te zien is in de figuur, zijn alle krachtlijnen gesloten rond de geleiders van de spoel /, maar sommige in Fig. 1b zijn de elektrische draden 1, 2, 3, 4 ook om de draden van de spoel // gesloten. Zo is spoel // magnetisch gekoppeld aan spoel / door middel van magnetische veldlijnen.

De mate van magnetische koppeling van de spoelen /en //, met hun coaxiale opstelling, hangt af van de onderlinge afstand: hoe verder de spoelen van elkaar verwijderd zijn, hoe minder magnetische koppeling ertussen, want hoe minder krachtlijnen op de spoel / blijf bij de spoel //.

Aangezien de spoel / passeert, zoals we aannemen, enkelfasige wisselstroom, dat wil zeggen, een stroom die in de loop van de tijd verandert volgens een bepaalde wet, bijvoorbeeld volgens de sinuswet, dan zal het daardoor gecreëerde magnetische veld ook in de loop van de tijd veranderen volgens dezelfde wet.

Wanneer bijvoorbeeld de stroom in de spoel / door de grootste waarde gaat, dan gaat de daardoor gegenereerde magnetische flux ook door de grootste waarde; wanneer de stroom in de spoel / door nul gaat en van richting verandert, dan gaat de magnetische flux ook door nul en verandert ook van richting.

Als gevolg van het veranderen van de stroom in de spoel /, worden beide spoelen / en // gepenetreerd door een magnetische flux, waardoor de waarde en richting voortdurend verandert. Volgens de basiswet van elektromagnetische inductie wordt voor elke verandering in de magnetische flux die de spoel binnendringt, een wisselstroom geïnduceerd in de spoel elektromotorische kracht… In ons geval wordt de elektromotorische kracht van zelfinductie geïnduceerd in de spoel /, en de elektromotorische kracht van wederzijdse inductie wordt geïnduceerd in de spoel //.

Als de uiteinden van de spoel // zijn verbonden met een circuit van ontvangers van elektrische energie (zie figuur 1a), dan zal er een stroom in dit circuit verschijnen; daarom ontvangen de ontvangers elektrische stroom. Tegelijkertijd zal er energie naar de wikkeling / van de generator worden geleid, bijna gelijk aan de energie die door de wikkeling // aan het circuit wordt gegeven. Op deze manier wordt elektrische energie van de ene spoel overgebracht naar het circuit van de tweede spoel, die galvanisch (metallisch) volledig los staat van de eerste spoel.In dit geval is het middel voor energieoverdracht slechts een wisselende magnetische flux.

Getoond in afb. 1a, de transformator is erg onvolmaakt omdat er weinig magnetische koppeling is tussen de primaire wikkeling /en de secundaire wikkeling //.

De magnetische koppeling van twee spoelen wordt in het algemeen geschat door de verhouding van de magnetische flux gekoppeld aan de twee spoelen tot de flux gecreëerd door één spoel.

Afb. 1b is te zien dat slechts een deel van de veldlijnen van de spoel /om de spoel // gesloten is. Het andere deel van de hoogspanningslijnen (in Fig. 1b - lijnen 6, 7, 8) is alleen gesloten rond de spoel /. Deze hoogspanningslijnen zijn helemaal niet betrokken bij de overdracht van elektrische energie van de eerste spoel naar de tweede, ze vormen het zogenaamde strooiveld.

Om de magnetische koppeling tussen de primaire en secundaire wikkelingen te vergroten en tegelijkertijd de magnetische weerstand voor de doorgang van de magnetische flux te verminderen, worden de wikkelingen van technische transformatoren op volledig gesloten ijzeren kernen geplaatst.

Het eerste voorbeeld van de implementatie van transformatoren wordt schematisch getoond in Fig. 2 enkelfasige transformatoren van het zogenaamde staaftype. De primaire en secundaire spoelen c1 en c2 bevinden zich op ijzeren staven a - a, aan de uiteinden verbonden met ijzeren platen b - b, jukken genoemd. Op deze manier vormen twee staven a, a en twee jukken b, b een gesloten ijzeren ring, waarin de magnetische flux geblokkeerd met de primaire en secundaire wikkelingen passeert. Deze ijzeren ring wordt de kern van de transformator genoemd.

Rijst. 2.

De tweede uitvoeringsvorm van transformatoren is schematisch weergegeven in Fig. 3 enkelfasige transformator van het zogenaamde gepantserde type. In deze transformator zijn de primaire en secundaire wikkelingen c, elk bestaande uit een rij platte wikkelingen, geplaatst op een kern gevormd door twee staven van twee ijzeren ringen a en b. De ringen a en b die de wikkelingen omringen, bedekken ze bijna volledig met pantser, daarom wordt de beschreven transformator gepantserd genoemd. De magnetische flux die binnen de spoelen c passeert, is verdeeld in twee gelijke delen, die elk zijn ingesloten in hun eigen ijzeren ring.

Rijst. 3

Het gebruik van gesloten ijzeren magnetische circuits in transformatoren zorgt voor een aanzienlijke vermindering van de lekstroom. In dergelijke transformatoren zijn de fluxen die zijn aangesloten op de primaire en secundaire wikkelingen bijna gelijk aan elkaar. Als we aannemen dat de primaire en secundaire wikkelingen door dezelfde magnetische flux worden gepenetreerd, kunnen we uitdrukkingen schrijven op basis van de totale geïnduceerde schok voor de momentane waarden van de elektromotorische krachten van de wikkelingen:

In deze uitdrukkingen, w1 en w2 - het aantal windingen van de primaire en secundaire wikkelingen, en dFt is de grootte van verandering in de penetrerende wikkeling van de magnetische flux per tijdselement dt, daarom is er een mate van verandering van de magnetische flux . Uit de laatste uitdrukkingen kan de volgende relatie worden verkregen:

d.w.z. aangegeven in de primaire en secundaire wikkelingen / en // zijn de momentane elektromotorische krachten op dezelfde manier aan elkaar gerelateerd als het aantal windingen van de spoelen. De laatste conclusie is niet alleen geldig met betrekking tot de momentane waarden van elektromotorische krachten, maar ook met betrekking tot hun grootste en effectieve waarden.

De elektromotorische kracht die wordt geïnduceerd in de primaire wikkeling, als een elektromotorische kracht van zelfinductie, brengt de spanning die op dezelfde wikkeling wordt toegepast bijna volledig in evenwicht... Als u met E1 en U1 de effectieve waarden van de elektromotorische kracht aangeeft van de primaire wikkeling en de spanning erop, dan kun je schrijven:

De in de secundaire wikkeling geïnduceerde elektromotorische kracht is in het onderhavige geval gelijk aan de spanning over de uiteinden van deze wikkeling.

Als je, net als de vorige, via E2 en U2 de effectieve waarden van de elektromotorische kracht van de secundaire wikkeling en de spanning aan de uiteinden aangeeft, dan kun je schrijven:

Daarom kunt u, door wat spanning op één wikkeling van de transformator aan te leggen, elke spanning aan de uiteinden van de andere spoel krijgen, u hoeft alleen maar een geschikte verhouding te nemen tussen het aantal windingen van deze spoelen. Dit is wat de belangrijkste eigenschap van de transformator is.

De verhouding van het aantal windingen van de primaire wikkeling tot het aantal windingen van de secundaire wikkeling wordt genoemd transformatieverhouding van de transformator... We geven de transformatiecoëfficiënt kT aan.

Daarom kan men schrijven:

Een transformator waarvan de transformatieverhouding kleiner is dan één, wordt een step-up transformator genoemd, omdat de spanning van de secundaire wikkeling, of de zogenaamde secundaire spanning, groter is dan de spanning van de primaire wikkeling, of de zogenaamde primaire spanning . Een transformator met een transformatieverhouding groter dan één wordt een step-down transformator genoemd, omdat de secundaire spanning lager is dan de primaire.

Werking van een enkelfasige transformator onder belasting

Tijdens het stationair draaien van de transformator wordt de magnetische flux gecreëerd door de primaire wikkelstroom of liever door de magnetomotorische kracht van de primaire wikkeling. Aangezien het magnetische circuit van de transformator van ijzer is gemaakt en daarom een ​​lage magnetische weerstand heeft, en het aantal windingen van de primaire wikkeling algemeen als groot wordt aangenomen, is de nullaststroom van de transformator klein, deze is 5- 10% van normaal.

Als u de secundaire spoel tot enige weerstand sluit, zal met het verschijnen van stroom in de secundaire spoel ook de magnetomotorische kracht van deze spoel verschijnen.

Volgens de wet van Lenz werkt de magnetomotorische kracht van de secundaire spoel tegen de magnetomotorische kracht van de primaire spoel in

Het lijkt erop dat de magnetische flux in dit geval zou moeten afnemen, maar als er een constante spanning op de primaire wikkeling wordt aangelegd, zal er bijna geen afname van de magnetische flux zijn.

In feite is de elektromotorische kracht die wordt geïnduceerd in de primaire wikkeling wanneer de transformator wordt belast, bijna gelijk aan de aangelegde spanning. Deze elektromotorische kracht is evenredig met de magnetische flux.Daarom, als de primaire spanning constant in grootte is, moet de elektromotorische kracht onder belasting bijna hetzelfde blijven als tijdens de onbelaste werking van de transformator. Deze omstandigheid leidt tot bijna volledige constantheid van de magnetische flux onder elke belasting.

Bij een constante waarde van de primaire spanning verandert de magnetische flux van de transformator dus nauwelijks met de verandering van de belasting en kan worden aangenomen dat deze gelijk is aan de magnetische flux tijdens onbelaste werking.

De magnetische flux van de transformator kan alleen onder belasting zijn waarde behouden omdat als er een stroom in de secundaire wikkeling verschijnt, de stroom in de primaire wikkeling ook toeneemt, zozeer zelfs dat het verschil tussen de magnetomotorische krachten of ampèrewindingen van de primaire en secundaire wikkelingen blijft bijna gelijk aan de magnetomotorische kracht of ampère-windingen tijdens stationair draaien ... Het verschijnen van een demagnetiserende magnetomotorische kracht of ampère-windingen in de secundaire wikkeling gaat dus gepaard met een automatische toename van de magnetomotorische kracht van de primaire wikkeling.

Aangezien, zoals hierboven vermeld, een kleine magnetomotorische kracht nodig is om een ​​magnetische flux van een transformator te creëren, kan worden gezegd dat een toename van de secundaire magnetomotorische kracht gepaard gaat met een toename van de primaire magnetomotorische kracht, die bijna even groot is.

Daarom kan men schrijven:

Uit deze gelijkheid wordt het tweede hoofdkenmerk van de transformator verkregen, namelijk de verhouding:

waarin kt de transformatiefactor is.

Daarom is de verhouding van de stromen van de primaire en secundaire wikkelingen van de transformator gelijk aan één gedeeld door de transformatieverhouding.

Dus, de belangrijkste kenmerken van de transformator een relatie hebben

En

Als we de linkerkanten van de relatie met elkaar vermenigvuldigen en de rechterkanten met elkaar, krijgen we

En

De laatste gelijkheid geeft het derde kenmerk van de transformator, dat kan worden uitgedrukt in woorden als deze: het vermogen dat wordt geleverd door de secundaire wikkeling van de transformator in voltampère is bijna gelijk aan het vermogen dat wordt geleverd aan de primaire wikkeling, ook in voltampère .

Als we de energieverliezen in het koper van de wikkelingen en in het ijzer van de transformatorkern negeren, kunnen we zeggen dat al het vermogen dat vanuit de stroombron aan de primaire wikkeling van de transformator wordt geleverd, wordt overgedragen naar de secundaire wikkeling, en de zender is de magnetische flux.