El principi de funcionament i el dispositiu d'un transformador monofàsic

Transformador monofàsic sense càrrega

Els transformadors en enginyeria elèctrica s'anomenen dispositius elèctrics en què l'energia elèctrica de corrent altern d'una bobina fixa de cable es transfereix a una altra bobina fixa de cable que no està connectada elèctricament a la primera.

L'enllaç que transmet energia d'una bobina a l'altra és el flux magnètic, que s'entrellaça amb les dues bobines i canvia constantment de magnitud i direcció.

Arròs. 1.

A la fig. La figura 1a mostra el transformador més senzill format per dos bobinatges / i / / disposats coaxialment un sobre l'altre. A la bobina / lliurat corrent altern de l'alternador D. Aquest bobinatge s'anomena bobinatge primari o bobinatge primari. Amb un bobinatge // anomenat bobinatge secundari o bobinatge secundari, un circuit es connecta a través de receptors d'energia elèctrica.

El principi de funcionament del transformador

L'acció del transformador és la següent. Quan el corrent flueix al bobinatge primari / es crea camp magnètic, les línies de força de les quals penetren no només al bobinatge que les va crear, sinó també parcialment al bobinatge secundari //. A la Fig. 1b.

Com es pot veure a la figura, totes les línies de força estan tancades al voltant dels conductors de la bobina /, però algunes d'elles a la fig. 1b, els cables elèctrics 1, 2, 3, 4 també es tanquen al voltant dels cables de la bobina //. Així, la bobina // s'acobla magnèticament a la bobina / mitjançant línies de camp magnètic.

El grau d'acoblament magnètic de les bobines /i //, amb la seva disposició coaxial, depèn de la distància entre elles: com més allunyades estan les bobines entre elles, menys acoblament magnètic entre elles, perquè com menys línies de força hi ha a la bobina /enganxar-se a la bobina //.

Com que la bobina / passa, com suposem, corrent altern monofàsic, és a dir, un corrent que canvia amb el temps segons alguna llei, per exemple, segons la llei sinusoïdal, aleshores el camp magnètic creat per aquest també canviarà amb el temps segons la mateixa llei.

Per exemple, quan el corrent de la bobina / passa pel valor més gran, aleshores el flux magnètic generat també passa pel valor més gran; quan el corrent de la bobina / passa per zero, canviant la seva direcció, llavors el flux magnètic també passa per zero, canviant també la seva direcció.

Com a resultat del canvi de corrent a la bobina /, ambdues bobines / i // són penetrades per un flux magnètic, canviant constantment el seu valor i direcció. Segons la llei bàsica de la inducció electromagnètica, per cada canvi en el flux magnètic que penetra a la bobina, s'indueix un corrent altern a la bobina. força electromotriu… En el nostre cas, la força electromotriu d'autoinducció s'indueix a la bobina /, i la força electromotriu d'inducció mútua s'indueix a la bobina //.

Si els extrems de la bobina // estan connectats a un circuit de receptors d'energia elèctrica (vegeu la figura 1a), aleshores apareixerà un corrent en aquest circuit; per tant, els receptors rebran energia elèctrica. Al mateix temps, l'energia es dirigirà al bobinatge /des del generador, gairebé igual a l'energia donada al circuit pel bobinatge //. D'aquesta manera, l'energia elèctrica d'una bobina es transmetrà al circuit de la segona bobina, que no té cap relació amb la primera bobina galvànicament (metàl·lica), En aquest cas, el mitjà de transmissió d'energia és només un flux magnètic altern.

Es mostra a la fig. 1a, el transformador és molt imperfecte perquè hi ha poc acoblament magnètic entre el bobinatge primari / i el secundari //.

L'acoblament magnètic de dues bobines, en general, s'estima mitjançant la relació entre el flux magnètic acoblat a les dues bobines i el flux creat per una bobina.

Fig. 1b, es pot veure que només una part de les línies de camp de la bobina / està tancada al voltant de la bobina //. L'altra part de les línies elèctriques (a la figura 1b — línies 6, 7, 8) només està tancada al voltant de la bobina /. Aquestes línies elèctriques no estan gens implicades en la transferència d'energia elèctrica de la primera bobina a la segona, formen l'anomenat camp dispers.

Per tal d'augmentar l'acoblament magnètic entre els bobinatges primaris i secundaris i, al mateix temps, reduir la resistència magnètica per al pas del flux magnètic, els bobinats dels transformadors tècnics es col·loquen sobre nuclis de ferro completament tancats.

El primer exemple de la implementació de transformadors es mostra esquemàticament a la fig. 2 transformador monofàsic de l'anomenat tipus vareta. Les seves bobines primàries i secundàries c1 i c2 estan situades sobre varetes de ferro a — a, connectades als extrems amb plaques de ferro b — b, anomenades jous. D'aquesta manera, dues varetes a, a i dos jous b, b formen un anell de ferro tancat, en el qual passa el flux magnètic bloquejat amb els bobinatges primari i secundari. Aquest anell de ferro s'anomena nucli del transformador.

Arròs. 2.

La segona forma de realització dels transformadors es mostra esquemàticament a la fig. Transformador monofàsic de 3 de l'anomenat tipus blindat. En aquest transformador els bobinatges primari i secundari c, formats cadascun per una fila de bobinatges plans, es col·loquen sobre un nucli format per dues barres de dos anells de ferro a i b. Els anells a i b que envolten els bobinatges els cobreixen gairebé completament amb blindatge, per tant, el transformador descrit s'anomena blindat. El flux magnètic que passa dins de les bobines c es divideix en dues parts iguals, cadascuna de les quals està tancada en el seu propi anell de ferro.

Arròs. 3

L'ús de circuits magnètics de ferro tancats en transformadors aconsegueix una reducció important del corrent de fuga. En aquests transformadors, els fluxos connectats als bobinatges primaris i secundaris són gairebé iguals entre si. Si suposem que els bobinats primaris i secundaris són penetrats pel mateix flux magnètic, podem escriure expressions basades en el xoc total induït per als valors instantanis de les forces electromotrius dels bobinats:

En aquestes expressions, w1 i w2 - el nombre de voltes dels bobinatges primaris i secundaris, i dFt és la magnitud del canvi en l'enrotllament penetrant del flux magnètic per element de temps dt, per tant, hi ha una velocitat de canvi del flux magnètic. . A partir de les darreres expressions, es pot obtenir la següent relació:

és a dir indicats en els bobinats primari i secundari / i // les forces electromotrius momentània es relacionen entre si de la mateixa manera que el nombre de voltes de les bobines. La darrera conclusió és vàlida no només pel que fa als valors instantanis de les forces electromotrius, sinó també pel que fa als seus valors màxims i efectius.

La força electromotriu induïda al bobinatge primari, com a força electromotriu d'autoinducció, equilibra gairebé completament la tensió aplicada al mateix bobinatge... Si per E1 i U1 indiqueu els valors efectius de la força electromotriu del bobinatge primari i la tensió aplicada a ell, llavors podeu escriure:

La força electromotriu induïda al bobinat secundari, en el cas considerat, és igual a la tensió als extrems d'aquest bobinatge.

Si, com l'anterior, mitjançant E2 i U2 indiqueu els valors efectius de la força electromotriu del bobinatge secundari i la tensió als seus extrems, podeu escriure:

Per tant, aplicant una mica de tensió a un bobinat del transformador, podeu obtenir qualsevol tensió als extrems de l'altra bobina, només heu de prendre una relació adequada entre el nombre de voltes d'aquestes bobines. Aquesta és la propietat principal del transformador.

La relació entre el nombre de voltes del bobinatge primari i el nombre de voltes del bobinatge secundari s'anomena relació de transformació del transformador... Denotarem el coeficient de transformació kT.

Per tant, es pot escriure:

Un transformador la relació de transformació del qual és inferior a un s'anomena transformador augmentador, perquè la tensió del bobinatge secundari, o l'anomenada tensió secundària, és superior a la tensió del bobinatge primari, o l'anomenada tensió primària. . Un transformador amb una relació de transformació superior a un s'anomena transformador reductor, ja que la seva tensió secundària és menor que la primària.

Funcionament d'un transformador monofàsic sota càrrega

Durant el ralentí del transformador, el flux magnètic es crea pel corrent del bobinat primari o més aviat per la força magnetomotriu del bobinatge primari. Atès que el circuit magnètic del transformador està fet de ferro i, per tant, té una baixa resistència magnètica i, en general, se suposa que el nombre de voltes del bobinatge primari és gran, el corrent sense càrrega del transformador és petit, és de 5- 10% del normal.

Si tanqueu la bobina secundària a una certa resistència, amb l'aparició de corrent a la bobina secundària, també apareixerà la força magnetomotriu d'aquesta bobina.

Segons la llei de Lenz, la força magnetomotriu de la bobina secundària actua contra la força magnetomotriu de la bobina primària

Sembla que el flux magnètic en aquest cas hauria de disminuir, però si s'aplica una tensió constant al bobinatge primari, gairebé no hi haurà disminució del flux magnètic.

De fet, la força electromotriu induïda al bobinatge primari quan es carrega el transformador és gairebé igual a la tensió aplicada. Aquesta força electromotriu és proporcional al flux magnètic.Per tant, si la tensió primària és constant en magnitud, la força electromotriu sota càrrega hauria de romandre gairebé igual que durant el funcionament sense càrrega del transformador. Aquesta circumstància condueix a una constància gairebé completa del flux magnètic sota qualsevol càrrega.

Així, a un valor constant de la tensió primària, el flux magnètic del transformador gairebé no canvia amb el canvi de càrrega i es pot suposar que és igual al flux magnètic durant el funcionament sense càrrega.

El flux magnètic del transformador pot mantenir el seu valor sota càrrega només perquè a mesura que apareix un corrent al bobinatge secundari, el corrent al bobinatge primari també augmenta, tant és així que la diferència entre les forces magnetomotrius o amperes de volta del primari i del secundari. bobinatges roman gairebé igual a la força magnetomotriu o amperes de volta durant el ralentí ... Així, l'aparició d'una força magnetomotriu desmagnetitzadora o amperes de volta al bobinatge secundari s'acompanya d'un augment automàtic de la força magnetomotriu de l'enrotllament primari.

Com que, com s'ha esmentat anteriorment, es requereix una petita força magnetomotriu per crear un flux magnètic del transformador, es pot dir que un augment de la força magnetomotriu secundària va acompanyat d'un augment de la força magnetomotriu primària, que és gairebé la mateixa en magnitud.

Per tant, es pot escriure:

A partir d'aquesta igualtat, s'obté la segona característica principal del transformador, és a dir, la relació:

on kt és el factor de transformació.

Per tant, la relació dels corrents dels bobinatges primaris i secundaris del transformador és igual a una dividida per la relació de transformació.

Tan, les principals característiques del transformador tenir una relació

i

Si multipliquem els costats esquerres de la relació entre si i els costats dretes entre ells, obtenim

i

L'última igualtat dóna la tercera característica del transformador, que es pot expressar amb paraules com aquesta: la potència lliurada pel bobinatge secundari del transformador en volts-amperes és gairebé igual a la potència lliurada al bobinatge primari també en volts-amperes. .

Si ignorem les pèrdues d'energia en el coure dels bobinatges i en el ferro del nucli del transformador, podem dir que tota l'energia subministrada al bobinatge primari del transformador des de la font d'alimentació es transfereix al seu bobinatge secundari, i el transmissor és el flux magnètic.