Призначення і принцип дії однофазного трансформатора
В енергетичній сфері діяльності використовуються первинні джерела високої змінної напруги, проте в побуті або на підприємствах необхідно значно його знизити. Для цієї мети застосовуються трансформатори. Для повного розуміння і грамотного застосування напруги в побуті необхідно знати принцип дії однофазного трансформатора.
Загальні відомості про трансформатори
Значно легше передавати змінний струм на великі відстані, так як досягаються мінімальні втрати, пов'язані з величинами напруги (U) і струму (I). Крім того, для передачі не буде змінена, а постійного I необхідно застосовувати складну електроніку, яка заснована на посиленні параметрів електрики. Основною частиною цієї технології є потужні транзистори, які вимагають спеціального охолодження, і головним критерієм є ціна. Використання трансформаторів, які працюють тільки від змінної величини струму, є оптимальним рішенням.
Призначення і пристрій
Трансформатор (Т) – це спеціалізоване електричний пристрій, яке працює тільки від змінного I і використовується для перетворення значень вхідного U і I в необхідні значення цих величин, передбачених споживачем.
Т є досить примітивним пристроєм, проте в його конструкції є деякі особливості. Для розуміння принципу дії однофазного трансформатора слід вивчити його призначення і пристрій. Влаштований однофазний трансформатор наступним чином – він складається з магнітопровода і обмоток.
Магнитопровод, або сердечник трансформатора, виконаний з феромагнітного матеріалу.
Ферромагнетики – це речовини, що володіють мимовільної намагніченістю. Це обумовлено тим, що атоми речовини мають дуже важливими властивостями: постійні спінові і орбітальні моменти. Властивості феромагнетиків залежать від температури і дії магнітного поля. Для виготовлення муздрамтеатру Т використовуються такі матеріали: електротехнічна сталь або пермаллой.
Електротехнічна сталь містить в своєму складі велику масову частку кремнію (Si), яка під дією високої температури з'єднується з атомами вуглецю ©. Цей тип використовується у всіх типах Т, незалежно від потужності.
Пермалой є сплавом, що складається з нікелю (Ni) і заліза (Fe), і застосовується тільки в малопотужних трансформаторах.
Тип Т являє собою котушки, що складаються з каркаса і дроту, покритого ізоляційним матеріалом. Цей провід намотаний на підставу котушок, і кількість витків залежить від параметрів Т. Кількість котушок може бути 2 і більше, Воно залежить від конструктивної особливості електричного пристрою і визначається сферою застосування.
Принцип дії
Принцип роботи однофазного трансформатора досить простий і заснований на генерації електрорушійної сили (ЕРС) в обмотках провідника, який знаходиться в рухомому магнітному полі і згенерований за допомогою змінного I. При проходженні електрики по обмоткам первинної котушки створюється магнітний потік (Ф), який пронизує і вторинну котушку. Силові лінії Ф завдяки замкнутої конструкції муздрамтеатру мають замкнуту структуру. Для отримання оптимальної потужності Т необхідно розташовувати котушки обмоток на близькій відстані відносно один одного.
Виходячи із закону електромагнітної індукції відбувається зміна Ф і активується у первинній обмотці ЕРС. Ця величина називається ЕРС самоіндукції, а у вторинній – ЕРС взаємоіндукції.
При підключенні споживача до первинної обмотці Т в ланцюзі з'явиться електрична енергія, яка передається з первинної обмотки через магнітопровід (котушки не пов'язані гальванічно). У цьому випадку засобом передачі електроенергії служить тільки Ф. Трансформатори по конструктивній особливості бувають різні. По досягненню максимальної магнітної зв'язку (МС) Т діляться на наступні типи:
При слабкій МС відбувається значна втрата енергії і Т такого типу практично не застосовуються. Основною особливістю таких Т є незамкнуті сердечники.
Рівень середньої МС досягається тільки при повністю замкнутому магнітопроводі. Одним із прикладів такого Т є стрижневою тип, у якого обмотки розташовані на залізних стрижнях і з'єднані між собою накладками або ярмамі. В результаті такої конструкції виходить повністю замкнутий сердечник.
Прикладом сильної МС є Т броньового типу, обмотки якого розташовуються на одній або декількох котушках. Ці обмотки розташовані дуже близько, завдяки чому і забезпечується мінімальна втрата електричної енергії. Магнитопровод повністю покриває котушки, створюючи сильніший Ф, який розбивається на 2 частини. У трансформаторів такого типу потоки зчеплення між обмотками практично рівні.
Режими роботи
Т, як і будь-який вторинний джерело харчування, має певні режими роботи. Режими відрізняються споживанням I. Існує 2 режиму: холостого ходу і навантаження. При холостому ході Т споживає мінімальну кількість I, яке використовується тільки на намагнічування і втрати в обмотках на нагрівання. Крім того, відбувається розсіювання магнітного поля. Ф створюється I магніторушійної сили, яку генерує первинна обмотка. В цьому випадку I холостого ходу складає 3-10% від номінального показника (Iн).
При навантаженні в II обмотці з'являється I, а значить – і магнитодвижущая сила (МДС). Згідно із законом Ленца: МДС II обмотки діє проти МДС первинної обмотки. При цьому ЕРС в первинній обмотці під час навантаження Т дорівнює U і прямо пропорційна Ф. У цьому випадку отримання k можна записати у вигляді: I1 / I2 = w2 / w1 = 1 / k.
Виходячи з формул для розрахунку k, можна отримати ще одне співвідношення Т: e1 * I1 = e2 * I2 = 1.
Це співвідношення показує, що потужність, споживана первинною обмоткою, дорівнює потужності, яку споживає II обмотка при навантаженні. Потужність Т вимірюється в вольт-амперах (ВА).
Основні параметри
Крім того, слід зазначити, що будь-який Т володіє деякими параметрами, які і відрізняються від інших трансформаторів. До того ж, якщо розуміти ці залежності, то можна розрахувати і виготовити Т своїми руками.
Зв'язок між ЕРС, що виникає в обмотках Т, залежить від кількості витків кожної з них. Виходячи з того, що I і II обмотки пронизуються одним і тим же Ф, можливо обчислити наступне співвідношення на підставі загального закону індукції для миттєвих значень ЕРС:
Для первинної з кількістю витків w1: e1 = – w1 * dФ / dt * E-8.- Для вторинної з кількістю витків w2: e2 = – w2 * dФ / dt * E-8.
Співвідношення dФ / dt показує величину зміни Ф за одиницю часу. Значення потоку Ф залежить від закону зміни змінного струму за одиницю часу. Виходячи з цих виразів виходить наступна формула співвідношення числа витків до ЕРС кожної обмотки:
Отже, можна зробити наступний висновок: індуковані в обмотках значення ЕРС також ставляться одне до одного, як і число витків обмоток. Для більш простого запису можна зіставити значення e і U: e = U. З цього випливає, що e1 = U1 e2 = U2 і можливо отримати ще одну величину, звану коефіцієнтом трансформації (к): e1 / e2 = U1 / U2 = w1 / w2 = k. За коефіцієнтом трансформації Т діляться на знижують і підвищують.
Знижувальним є Т, k якого менше 1, і, відповідно, якщо до> 1, то він є підвищує. При відсутності втрат в проводах обмоток і розсіювання Ф (вони незначні і ними можна знехтувати) обчислити основний параметр Т (k) досить просто. Для цього необхідно скористатися наступним простим алгоритмом знаходження k: знайти співвідношення U обмоток (якщо обмоток більше 2, то співвідношення потрібно шукати для всіх обмоток).
Однак розрахунок k є тільки першим кроком для подальшого розрахунку або виявлення несправності на наявність короткозамкнених витків.
Щоб визначити значення U, необхідно використовувати 2 вольтметра, точність яких складає близько 0,2-0,5. Крім того, для визначення k існують такі способи:
- За паспортом.
- Практично.
- Використання певного моста (міст Шеринга).
- Приладом, призначеним для цієї мети (УІКТ).
Таким чином, принцип роботи однофазного трансформатора заснований на простому законі фізики, а саме: якщо провідник з n кількістю витків помістити в магнітне поле, причому це поле повинно постійно змінюватися з плином часу, то в витках буде генеруватися ЕРС. У цьому випадку справедливо і зворотне твердження: якщо в постійне магнітне поле помістити провідник і здійснювати їм руху, то в його обмотках починає з'являтися ЕРС.