Устройство однофазного трансформатора – 41. Назначение и область применения трансформаторов. Устройство и принцип действия однофазного трансформатора.

poznayka.org

Принцип действия и устройство однофазного трансформатора

Работа однофазового трансформатора вхолостую

Трансформаторами в электротехнике именуют такие электротехнические устройства, в каких электронная энергия переменного тока от одной недвижной катушки из проводника передается другой недвижной же катушке из проводника, не связанной с первой электрически.

Звеном, передающим энергию от одной катушки другой, является магнитный поток, сцепляющийся с обеими катушками и безпрерывно меняющийся по величине и по направлению.

Рис. 1.

На рис. 1а изображен простой трансформатор, состоящий из 2-ух катушек / и //, расположенных коаксиально одна над другой. К катушке / подводится переменный ток от генератора переменного тока Г. Эта катушка именуется первичной катушкой либо первичной обмоткой. С катушкою //, именуемой вторичной катушкой либо вторичной обмоткой, соединяется цепь приемниками электронной энергии.

Принцип деяния трансформатора

Действие трансформатора заключается в последующем. При прохождении тока в первичной катушке / ею создается магнитное поле, силовые полосы которого пронизывают не только лишь создавшую их катушку, но отчасти и вторичную катушку //. Примерная картина рассредотачивания силовых линий, создаваемых первичною катушкою, изображена на рис. 1б.

Как видно из рисунка, все силовые полосы замыкаются вокруг проводников катушки /, но часть их на рис. 1б силовые полосы 1, 2, 3, 4 замыкаются также вокруг проводников катушки //. Таким макаром катушка // является магнитно связанной с катушкою / при посредстве магнитных силовых линий.

Степень магнитной связи катушек / и //, при коаксиальном расположении их, находится в зависимости от расстояния меж ними: чем далее катушки друг от друга, тем меньше магнитная связь меж ними, ибо тем меньше силовых линий катушки / сцепляется с катушкою //.

Потому что через катушку / проходит, как мы предполагаем, переменный ток, т. е. ток, меняющийся во времени по какому-то закону, к примеру по закону синуса, то и магнитное поле, им создаваемое, также будет изменяться во времени по тому же закону.

К примеру, когда ток в катушке / проходит через наибольшее значение, то и магнитный поток, им создаваемый, также проходит через наибольшее значение; когда ток в катушке / проходит через нуль, меняя свое направление, то и магнитный поток проходит через нуль, также меняя свое направление.

В итоге конфигурации тока в катушке / обе катушки / и // пронизываются магнитным потоком, безпрерывно меняющим свою величину и свое направление. Согласно основному закону электрической индукции при всяком изменении пронизывающего катушку магнитного потока в катушке индуктируется переменная электродвижущая сила. В нашем случае в катушке / индуктируется электродвижущая сила самоиндукции, а в катушке // индуктируется электродвижущая сила взаимоиндукции.

Если концы катушки // соединить с цепью приемников электронной энергии (см. рис. 1а), то в этой цепи появится ток; как следует приемники получат электронную энергию. В то же время к катушке / от генератора направится энергия, практически равная энергии, отдаваемой в цепь катушкой //. Таким макаром электронная энергия от одной катушки будет передаваться в цепь 2-ой катушки, совсем не связанной с первой катушкой гальванически (металлически). Средством передачи энергии в данном случае является только переменный магнитный поток.

Изображенный на рис. 1а трансформатор очень несовершенен, ибо меж первичной катушкой / и вторичной катушкой // магнитная связь невелика.

Магнитная связь 2-ух обмоток, вообщем говоря, оценивается отношением магнитного потока, сцепляющегося с обеими обмотками, к сгустку, создаваемому одной катушкой.

Из рис. 1б видно, что только часть силовых линий катушки / замыкается вокруг катушки //. Другая часть силовых линий (на рис. 1б — полосы 6, 7, 8) замыкается только вокруг катушки /. Эти силовые полосы в передаче электронной энергии от первой катушки ко 2-ой совсем не участвуют, они образуют так называемое поле рассеяния.

Для того чтоб прирастить магнитную связь меж первичной и вторичной обмотками и сразу уменьшить магнитное сопротивление для прохождения магнитного потока, обмотки технических трансформаторов располагают на совсем замкнутых стальных сердечниках.

Первым примером выполнения трансформаторов может служить схематически изображенный на рис. 2 однофазовый трансформатор так именуемого стержневого типа. У него первичные и вторичные катушки c1 и с2 размещены на стальных стержнях а — а, соединенных с торцов стальными же накладками b — b, именуемыми ярмами. Таким макаром два стержня а, а и два ярма b, b образуют замкнутое стальное кольцо, в каком и проходит магнитный поток, сцепляющийся с первичной и вторичной обмотками. Это стальное кольцо именуется сердечником трансформатора.

Рис. 2.

Вторым примером выполнения трансформаторов может служить схематически изображенный на рис. 3 однофазовый трансформатор так именуемого броневого типа. У этого трансформатора первичные и вторичные обмотки с, состоящие любая из ряда плоских катушек, размещены на сердечнике образуемом 2-мя стержнями 2-ух стальных колец а и б. Кольца а и б, окружая обмотки, покрывают их практически полностью вроде бы бронею, потому описываемый трансформатор и именуется броневым. Магнитный поток, проходящий снутри обмоток с, разбивается на две равные части, замыкающиеся каждое в собственном металлическом кольце.

Рис. 3

Применением стальных замкнутых магнитных цепей у трансформаторов достигают значимого понижения потока рассеяния. У таких трансформаторов потоки, сцепляющиеся с первичною и вторичною обмотками, практически равны друг дружке. Предполагая, что первичная и вторичная обмотки пронизываются одним и этим же магнитным потоком, мы можем на основании общего закола индукции для моментальных значений электродвижущих сил обмоток написать выражения:

В этих .выражениях w1 и w2 — числа витков первичной и вторичной обмоток, a dФt — величина конфигурации пронизывающего катушки магнитного потока за элемент времени dt, как следует есть скорость конфигурации магнитного потока. Из последних выражений можно получить последующее отношение:

e1 / e2 = w1 / w2

т. е. индиктируемые в первичной, и вторичной катушках / и // секундные электродвижущие силы относятся друг к другу так же, как числа витков катушек. Последнее заключение справедливо не только лишь по отношению к моментальным значениям электродвижущих сил, да и к их большим и действующим значениям.

Электродвижущая сила, индуктируемая в первичной, катушке, будучи электродвижущей силой самоиндукции, практически полностью уравновешивает приложенное к той же катушке напряжение. Если через E1 и U1 обозначить действующие значения электродвижущей силы первичной катушки и приложенного к ней напряжения, то можно написать:

Е1 = U1

Электродвижущая сила, индуктируемая во вторичной катушке, равна в рассматриваемом случае напряжению на концах этой катушки.

Если, аналогично предшествующему, через E2 и U2 обозначить действующие значения электродвижущей силы вторичной катушки и напряжения на ее концах, то можно написать:

Е2 = U2

Как следует, приложив к одной катушке трансформатора некое напряжение, можно на концах другой катушки получить хоть какое напряжение, стоит только взять подходящее отношение меж числами витков этих катушек. В этом и заключается основное свойство трансформатора.

Отношение числа витковпервичной обмотки к числу витков вторичной обмотки именуется коэффициентом трансформации трансформатора. Коэффициент трансформации мы будем обозначать kт.

Как следует можно написать:

Е1/Е2 = U1/U2 = w1/w2 = kт

Трансформатор, у которого коэффициент трансформации меньше единицы, именуется повышающим трансформатором, ибо у него напряжение вторичной обмотки, либо так называемое вторичное напряжение, больше напряжения первичной обмотки, либо так именуемого первичного напряжения. Трансформатор, у которого коэффициент трансформации больше единицы, именуется понижающим трансформатором, ибо у него вторичное напряжение меньше первичного.

Работа однофазового трансформатора под нагрузкою

При холостой работе трансформатора магнитный поток создается током первичной обмотки либо, точнее, магнитодвижущей силой первичной обмотки. Потому что магнитная цепь трансформатора производится из железа и поэтому имеет маленькое магнитное сопротивление, а число витков первичной обмотки берется обычно огромным, то ток холостой работы трансформатора невелик, он составляет 5—10% обычного.

Если замкнуть вторичную обмотку на какое-либо сопротивление, то с возникновением тока во вторичной обмотке появится и магнитодвижущая сила этой обмотки.

Согласно закону Ленца магнитодвижущая сила вторичной обмотки действует против магнитодвижущей силы первичной обмотки

Казалось бы, что магнитный поток в данном случае должен уменьшаться, но если к первичной обмотке подведено неизменное по величине напряжение, то уменьшения магнитного потока практически не произойдет.

По правде, электродвижущая сила, индуктируемая в первичной обмотке, при нагрузке трансформатора практически равна приложенному напряжению. Эта электродвижущая сила пропорциональна магнитному сгустку. Как следует, если первичное напряжение повсевременно по величине, то и электродвижущая сила при нагрузке должна остаться практически той же, какой она была при холостой работе трансформатора. Это событие имеет следствием практически полное всепостоянство магнитного потока при хоть какой нагрузке.

Итак, при неизменном по величине первичном напряжении магнитный поток трансформатора практически не изменяется с конфигурацией нагрузки и может быть принят равным магнитному сгустку при холостой работе.

Магнитный поток трансформатора может сохранить свою величину при нагрузке только поэтому, что с возникновением тока во вторичной обмотке возрастает и ток в первичной обмотке и при том так, что разность магнитодвижущих сил либо ампервитков первичной и вторичной обмоток остается практически равной магнитодвижущей силе либо ампервиткам при холостой работе. Таким макаром возникновение во вторичной обмотке размагничивающей магнитодвижущей силы либо ампервитков сопровождается автоматическим повышением магнитодвижущей силы первичной обмотки.

Потому что для сотворения магнитного потока трансформатора требуется, как было обозначено выше, маленькая магнитодвижущая сила, то можно сказать, что повышение вторичной магнитодвижущей силы сопровождается практически таким же по величине повышением первичной магнитодвижущей силы.

Как следует, можно написать: I2w2 = I1w1

Из этого равенства выходит 2-ая основная черта трансформатора, а конкретно, отношение: I1/I2 = w2/w1 = 1/kт, где kт — коэффициент трансформации.

Таким макаром, отношение токов первичной и вторичной обмоток трансформатора равно единице, деленной на его коэффициент трансформации.

Итак, главные свойства трансформатора заключаются в отношениях Е1/Е2 = w1/w2 = kт и  I1/I2 = w2/w1 = 1/kт

Если перемножить левые части отношений меж собой и правые части меж собой, то получим I1E1/I2E2 = 1 и I1E1 = I2E2

Последнее равенство дает третью характеристику трансформатора, которую можно выразить словами так: отдаваемая вторичной обмоткой трансформатора мощность в вольт-амперах, практически равна мощности, подводимой к первичной обмотке также в вольт-амперах.

Если пренебречь энергопотерями в меди обмоток и в железе сердечника трансформатора, то можно сказать, что вся мощность, подводимая к первичной обмотке трансформатора от источника энергии, передается вторичной обмотке его, при этом передатчиком служит магнитный поток.

elektrica.info

Принцип действия и устройство однофазного трансформатора

Работа однофазного трансформатора вхолостую

Звеном, передающим энергию от одной катушки другой, является магнитный поток, сцепляющийся с обеими катушками и непрерывно меняющийся по величине и по направлению.

Рис. 1. 

Принцип действия трансформатора

Как видно из рисунка, все силовые линии замыкаются вокруг проводников катушки /, но часть их на рис. 1б силовые линии 1, 2, 3, 4 замыкаются также вокруг проводников катушки //. Таким образом катушка // является магнитно связанной с катушкою / при посредстве магнитных силовых линий.

Степень магнитной связи катушек / и //, при коаксиальном расположении их, зависит от расстояния между ними: чем дальше катушки друг от друга, тем меньше магнитная связь между ними, ибо тем меньше силовых линий катушки / сцепляется с катушкою //.

Так как через катушку / проходит, как мы предполагаем, переменный ток, т. е. ток, меняющийся во времени по какому-то закону, например по закону синуса, то и магнитное поле, им создаваемое, также будет меняться во времени по тому же закону.

Например, когда ток в катушке / проходит через наибольшее значение, то и магнитный поток, им создаваемый, также проходит через наибольшее значение; когда ток в катушке / проходит через нуль, меняя свое направление, то и магнитный поток проходит через нуль, также меняя свое направление.

Если концы катушки // соединить с цепью приемников электрической энергии (см. рис. 1а), то в этой цепи появится ток; следовательно приемники получат электрическую энергию. В то же время к катушке / от генератора направится энергия, почти равная энергии, отдаваемой в цепь катушкой //. Таким образом электрическая энергия от одной катушки будет передаваться в цепь второй катушки, совершенно не связанной с первой катушкой гальванически (металлически). Средством передачи энергии в этом случае является только переменный магнитный поток.

Изображенный на рис. 1а трансформатор весьма несовершенен, ибо между первичной катушкой / и вторичной катушкой // магнитная связь невелика.

Магнитная связь двух обмоток, вообще говоря, оценивается отношением магнитного потока, сцепляющегося с обеими обмотками, к потоку, создаваемому одной катушкой.

Из рис. 1б видно, что только часть силовых линий катушки / замыкается вокруг катушки //. Другая часть силовых линий (на рис. 1б — линии 6, 7, 8) замыкается только вокруг катушки /. Эти силовые линии в передаче электрической энергии от первой катушки ко второй совершенно не участвуют, они образуют так называемое поле рассеяния.

Для того чтобы увеличить магнитную связь между первичной и вторичной обмотками и одновременно уменьшить магнитное сопротивление для прохождения магнитного потока, обмотки технических трансформаторов располагают на совершенно замкнутых железных сердечниках.

Первым примером выполнения трансформаторов может служить схематически изображенный на рис. 2 однофазный трансформатор так называемого стержневого типа. У него первичные и вторичные катушки c1 и с2 расположены на железных стержнях а — а, соединенных с торцов железными же накладками b — b, называемыми ярмами. Таким образом два стержня а, а и два ярма b, b образуют замкнутое железное кольцо, в котором и проходит магнитный поток, сцепляющийся с первичной и вторичной обмотками. Это железное кольцо называется сердечником трансформатора.

Рис. 2.

Вторым примером выполнения трансформаторов может служить схематически изображенный на рис. 3 однофазный трансформатор так называемого броневого типа. У этого трансформатора первичные и вторичные обмотки с, состоящие каждая из ряда плоских катушек, расположены на сердечнике образуемом двумя стержнями двух железных колец а и б. Кольца а и б, окружая обмотки, покрывают их почти целиком как бы бронею, поэтому описываемый трансформатор и называется броневым. Магнитный поток, проходящий внутри обмоток с, разбивается на две равные части, замыкающиеся каждое в своем железном кольце.

Рис. 3

Применением железных замкнутых магнитных цепей у трансформаторов добиваются значительного снижения потока рассеяния. У таких трансформаторов потоки, сцепляющиеся с первичною и вторичною обмотками, почти равны друг другу. Предполагая, что первичная и вторичная обмотки пронизываются одним и тем же магнитным потоком, мы можем на основании общего закола индукции для мгновенных значений электродвижущих сил обмоток написать выражения:

В этих .выражениях w1 и w2 — числа витков первичной и вторичной обмоток, a dФt — величина изменения пронизывающего катушки магнитного потока за элемент времени dt, следовательно есть скорость изменения магнитного потока. Из последних выражений можно получить следующее отношение:

e1 / e2 = w1 / w2

т. е. индиктируемые в первичной, и вторичной катушках / и // мгновенные электродвижущие силы относятся друг к другу так же, как числа витков катушек. Последнее заключение справедливо не только по отношению к мгновенным значениям электродвижущих сил, но и к их наибольшим и действующим значениям.

Электродвижущая сила, индуктируемая в первичной, катушке, будучи электродвижущей силой самоиндукции, почти целиком уравновешивает приложенное к той же катушке напряжение. Если через E1 и U1 обозначить действующие значения электродвижущей силы первичной катушки и приложенного к ней напряжения, то можно написать:

Е1 = U1

Электродвижущая сила, индуктируемая во вторичной катушке, равна в рассматриваемом случае напряжению на концах этой катушки.

Если, аналогично предыдущему, через E2 и U2 обозначить действующие значения электродвижущей силы вторичной катушки и напряжения на ее концах, то можно написать:

Е2 = U2

Следовательно, приложив к одной катушке трансформатора некоторое напряжение, можно на концах другой катушки получить любое напряжение, стоит только взять подходящее отношение между числами витков этих катушек. В этом и заключается основное свойство трансформатора.

Отношение числа витковпервичной обмотки к числу витков вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации трансформатора. Коэффициент трансформации мы будем обозначать kт.

Следовательно можно написать:

Е1/Е2 = U1/U2 = w1/w2 = kт

Трансформатор, у которого коэффициент трансформации меньше единицы, называется повышающим трансформатором, ибо у него напряжение вторичной обмотки, или так называемое вторичное напряжение, больше напряжения первичной обмотки, или так называемого первичного напряжения. Трансформатор, у которого коэффициент трансформации больше единицы, называется понижающим трансформатором, ибо у него вторичное напряжение меньше первичного.

Работа однофазного трансформатора под нагрузкою

При холостой работе трансформатора магнитный поток создается током первичной обмотки или, вернее, магнитодвижущей силой первичной обмотки. Так как магнитная цепь трансформатора выполняется из железа и потому имеет небольшое магнитное сопротивление, а число витков первичной обмотки берется обычно большим, то ток холостой работы трансформатора невелик, он составляет 5—10% нормального.

Если замкнуть вторичную обмотку на какое-либо сопротивление, то с появлением тока во вторичной обмотке появится и магнитодвижущая сила этой обмотки.

Согласно закону Ленца магнитодвижущая сила вторичной обмотки действует против магнитодвижущей силы первичной обмотки

Казалось бы, что магнитный поток в этом случае должен уменьшаться, но если к первичной обмотке подведено постоянное по величине напряжение, то уменьшения магнитного потока почти не произойдет.

В самом деле, электродвижущая сила, индуктируемая в первичной обмотке, при нагрузке трансформатора почти равна приложенному напряжению. Эта электродвижущая сила пропорциональна магнитному потоку. Следовательно, если первичное напряжение постоянно по величине, то и электродвижущая сила при нагрузке должна остаться почти той же, какой она была при холостой работе трансформатора. Это обстоятельство имеет следствием почти полное постоянство магнитного потока при любой нагрузке.

Магнитный поток трансформатора может сохранить свою величину при нагрузке лишь потому, что с появлением тока во вторичной обмотке увеличивается и ток в первичной обмотке и при том настолько, что разность магнитодвижущих сил или ампервитков первичной и вторичной обмоток остается почти равной магнитодвижущей силе или ампервиткам при холостой работе. Таким образом появление во вторичной обмотке размагничивающей магнитодвижущей силы или ампервитков сопровождается автоматическим увеличением магнитодвижущей силы первичной обмотки.

Так как для создания магнитного потока трансформатора требуется, как было указано выше, небольшая магнитодвижущая сила, то можно сказать, что увеличение вторичной магнитодвижущей силы сопровождается почти таким же по величине увеличением первичной магнитодвижущей силы.

Следовательно, можно написать: I2w2 = I1w1

Из этого равенства получается вторая основная характеристика трансформатора, а именно, отношение: I1/I2 = w2/w1 = 1/kт, где kт — коэффициент трансформации.

Таким образом, отношение токов первичной и вторичной обмоток трансформатора равно единице, деленной на его коэффициент трансформации.

Итак, основные характеристики трансформатора заключаются в отношениях Е1/Е2 = w1/w2 = kт и  I1/I2 = w2/w1 = 1/kт

Если перемножить левые части отношений между собой и правые части между собой, то получим I1E1/I2E2 = 1 и I1E1 = I2E2

Последнее равенство дает третью характеристику трансформатора, которую можно выразить словами так: отдаваемая вторичной обмоткой трансформатора мощность в вольт-амперах, почти равна мощности, подводимой к первичной обмотке также в вольт-амперах.

Если пренебречь потерями энергии в меди обмоток и в железе сердечника трансформатора, то можно сказать, что вся мощность, подводимая к первичной обмотке трансформатора от источника энергии, передается вторичной обмотке его, причем передатчиком служит магнитный поток. 

источник   http://electricalschool.info

kaknazlo.blogspot.com