Yksivaiheisen muuntajan toimintaperiaate ja laite

Yksivaiheinen kuormittamaton muuntaja

Sähkötekniikan muuntajiksi kutsutaan sellaisia ​​sähkölaitteita, joissa vaihtovirtasähköenergia yhdestä kiinteästä lankakelasta siirretään toiseen kiinteään lankakelaan, joka ei ole sähköisesti kytketty ensimmäiseen.

Linkki, joka välittää energiaa kelasta toiseen, on magneettivuo, joka lukittuu kahden kelan kanssa ja muuttuu jatkuvasti suuruuden ja suunnan suhteen.

Riisi. 1.

Kuvassa Kuvassa 1a on esitetty yksinkertaisin muuntaja, joka koostuu kahdesta käämistä / ja / / jotka on järjestetty koaksiaalisesti päällekkäin. Kelaan / toimitetaan vaihtovirta vaihtovirtageneraattorista D. Tätä käämiä kutsutaan ensiökäämiksi tai ensiökäämiksi. Käämillä // jota kutsutaan toisiokäämiksi tai toisiokäämiksi, piiri on kytketty sähköenergian vastaanottimien kautta.

Muuntajan toimintaperiaate

Muuntajan toiminta on seuraava. Kun virta kulkee ensiökäämissä / se syntyy magneettikenttä, jonka voimalinjat tunkeutuvat paitsi ne luoneeseen käämiin, myös osittain toisiokäämiin //. Likimääräinen kuva ensiökäämin luomien voimalinjojen jakautumisesta on esitetty kuvassa. 1b.

Kuten kuvasta näkyy, kaikki voimalinjat ovat suljettuina kelan / johtimien ympärillä, mutta osa niistä kuvassa Kuviossa 1b sähköjohdot 1, 2, 3, 4 ovat myös suljettuina kelan // johtimien ympärillä. Siten kela // on magneettisesti kytketty kelaan / magneettikenttälinjojen avulla.

Käämien /ja // magneettisen kytkennän aste niiden koaksiaalisella järjestelyllä riippuu niiden välisestä etäisyydestä: mitä kauempana kelat ovat toisistaan, sitä vähemmän magneettista kytkentää niiden välillä on, koska mitä vähemmän voimalinjoja kela /kiinni kelaan //.

Koska kela / kulkee, kuten oletamme, yksivaiheinen vaihtovirta, eli virta, joka muuttuu ajan myötä jonkin lain mukaan, esimerkiksi sinilain mukaan, niin sen luoma magneettikenttä muuttuu myös ajan myötä saman lain mukaan.

Esimerkiksi kun kelan virta / kulkee suurimman arvon läpi, niin sen tuottama magneettivuo kulkee myös suurimman arvon läpi; kun kelan virta / kulkee nollan läpi muuttaen sen suuntaa, niin magneettivuo kulkee myös nollan läpi, muuttaen myös suuntaansa.

Käämin / virran muuttamisen seurauksena magneettivuo tunkeutuu sekä keloihin / että //, mikä muuttaa jatkuvasti sen arvoa ja suuntaa. Sähkömagneettisen induktion peruslain mukaan jokaista kelaan tunkeutuvan magneettivuon muutosta kohden käämiin indusoituu vaihtovirta sähkömotorinen voima… Tässä tapauksessa itseinduktion sähkömotorinen voima indusoituu käämiin / ja keskinäisen induktion sähkömotorinen voima indusoituu käämiin //.

Jos kelan päät // on kytketty sähköenergian vastaanottimien piiriin (katso kuva 1a), tässä piirissä näkyy virta; siksi vastaanottimet saavat sähköä. Samalla käämiin ohjataan /generaattorista energiaa, joka on lähes yhtä suuri kuin käämin // piirille antama energia. Tällä tavalla sähköenergia yhdestä kelasta välittyy toisen käämin piiriin, joka on galvaanisesti (metallisesti) täysin riippumaton ensimmäisestä kelasta, jolloin energian siirtoväline on vain vaihtuva magneettivuo.

Näkyy kuvassa Kuvassa 1a muuntaja on erittäin epätäydellinen, koska ensiökäämin /ja toisiokäämin // välillä on vähän magneettista kytkentää.

Kahden käämin magneettinen kytkentä yleensä arvioidaan kahteen käämiin kytketyn magneettivuon ja yhden kelan muodostaman vuon suhteena.

Kuva. Kuviosta 1b voidaan nähdä, että vain osa kelan kenttäviivoista / on suljettu käämin ympäriltä //. Toinen osa voimalinjoista (kuvassa 1b — johdot 6, 7, 8) on suljettu vain kelan / ympäriltä. Nämä voimalinjat eivät ole lainkaan mukana sähköenergian siirrossa ensimmäisestä kelasta toiseen, ne muodostavat ns. hajakentän.

Ensiö- ja toisiokäämien välisen magneettisen kytkennän lisäämiseksi ja samalla magneettivuon kulkuresistanssin vähentämiseksi teknisten muuntajien käämit sijoitetaan täysin suljetuille rautasydämille.

Ensimmäinen esimerkki muuntajien toteutuksesta on esitetty kaavamaisesti kuvassa. 2 yksivaiheinen ns. sauvatyyppinen muuntaja. Sen primääri- ja toisiokäämit c1 ja c2 sijaitsevat rautasangoilla a — a, jotka on yhdistetty päistään rautalevyillä b — b, joita kutsutaan ikeiksi. Tällä tavalla kaksi tankoa a, a ja kaksi ikettä b, b muodostavat suljetun rautarenkaan, jossa kulkee ensiö- ja toisiokäämillä estetty magneettivuo. Tätä rautarengasta kutsutaan muuntajan ytimeksi.

Riisi. 2.

Muuntajien toinen suoritusmuoto on esitetty kaavamaisesti kuvassa 1. 3 ns. panssaroitua tyyppiä oleva yksivaiheinen muuntaja. Tässä muuntajassa ensiö- ja toisiokäämi c, joista kumpikin koostuu rivistä litteitä käämiä, on sijoitettu sydämelle, joka muodostuu kahdesta kahden rautarenkaan a ja b tangosta. Käämityksiä ympäröivät renkaat a ja b peittävät ne lähes kokonaan panssaroidulla, joten kuvattua muuntajaa kutsutaan panssaroiduksi. Kelojen c sisällä kulkeva magneettivuo on jaettu kahteen yhtä suureen osaan, joista kumpikin on suljettu omaan rautarenkaaseen.

Riisi. 3

Suljettujen rautamagneettipiirien käyttö muuntajissa vähentää merkittävästi vuotovirtaa. Tällaisissa muuntajissa ensiö- ja toisiokäämiin kytketyt vuot ovat lähes samat keskenään. Jos oletetaan, että ensiö- ja toisiokäämit läpäisevät saman magneettivuon, voimme kirjoittaa käämien sähkömotoristen voimien hetkellisille arvoille kokonaisindusoituneen iskun perusteella lausekkeita:

Näissä lausekkeissa w1 ja w2 - ensiö- ja toisiokäämien kierrosten lukumäärä, ja dFt on magneettivuon läpäisevästä käämitystä muutoksen suuruus per aikaelementti dt, joten magneettivuon muutosnopeus on . Viimeisistä lausekkeista voidaan saada seuraava relaatio:

eli Ensiö- ja toisiokäämissä / ja // ilmoitetut hetkelliset sähkömoottorivoimat liittyvät toisiinsa samalla tavalla kuin kelojen kierrosten lukumäärä. Viimeinen johtopäätös ei päde ainoastaan ​​sähkömoottoreiden voimien hetkellisten arvojen suhteen, vaan myös niiden suurimpien ja tehokkaiden arvojen suhteen.

Ensiökäämiin indusoitunut sähkömotorinen voima itseinduktiovoimana tasapainottaa lähes täysin samaan käämiin syötetyn jännitteen... Jos E1:llä ja U1:llä ilmoitat sähkömotorisen voiman teholliset arvot ensiökäämistä ja siihen syötetystä jännitteestä, voit kirjoittaa:

Toisiokäämiin indusoitunut sähkömoottorivoima on tarkasteltavassa tapauksessa yhtä suuri kuin tämän käämin päissä oleva jännite.

Jos ilmoitat edellisen tapaan E2:n ja U2:n kautta toisiokäämin sähkömotorisen voiman teholliset arvot ja jännitteen sen päissä, voit kirjoittaa:

Siksi kohdistamalla jonkin verran jännitettä muuntajan yhteen käämiin, voit saada minkä tahansa jännitteen toisen kelan päihin, sinun on vain otettava sopiva suhde näiden käämien kierrosten välillä. Tämä on muuntajan tärkein ominaisuus.

Ensiökäämin kierrosten lukumäärän suhdetta toisiokäämin kierrosten lukumäärään kutsutaan muuntajan muunnossuhde... Merkitään muunnoskerroin kT.

Siksi voi kirjoittaa:

Muuntajaa, jonka muunnossuhde on pienempi kuin yksi, kutsutaan porrasmuuntajaksi, koska toisiokäämin jännite eli ns. toisiojännite on suurempi kuin ensiökäämin jännite eli ns. ensiöjännite. . Muuntajaa, jonka muunnossuhde on suurempi kuin yksi, kutsutaan alennusmuuntajaksi, koska sen toisiojännite on pienempi kuin ensiöjännite.

Yksivaiheisen muuntajan toiminta kuormitettuna

Muuntajan joutokäynnin aikana magneettivuon muodostaa ensiökäämin virta tai pikemminkin ensiökäämin magnetomotorinen voima. Koska muuntajan magneettipiiri on valmistettu raudasta ja siksi sen magneettinen vastus on pieni ja ensiökäämin kierrosten lukumäärän oletetaan yleensä olevan suuri, muuntajan tyhjävirta on pieni, se on 5- 10% normaalista.

Jos suljet toisiokäämin jollekin vastukselle, virran ilmaantuessa toisiokäämiin ilmestyy myös tämän kelan magnetomotorinen voima.

Lenzin lain mukaan toisiokäämin magnetomotorinen voima vaikuttaa primäärikäämin magnetomotorista voimaa vastaan

Näyttää siltä, ​​​​että magneettivuon pitäisi tässä tapauksessa pienentyä, mutta jos ensiökäämiin syötetään vakiojännite, magneettivuo ei juuri vähene.

Itse asiassa ensiökäämiin indusoituva sähkömotorinen voima, kun muuntaja on kuormitettu, on melkein sama kuin käytetty jännite. Tämä sähkömotorinen voima on verrannollinen magneettivuon.Siksi, jos ensiöjännite on suuruudeltaan vakio, kuormitetun sähkömotorisen voiman tulisi pysyä lähes samana kuin se oli muuntajan kuormittamattoman toiminnan aikana. Tämä seikka johtaa magneettivuon lähes täydelliseen pysyvyyteen millä tahansa kuormituksella.

Siten primäärijännitteen vakioarvolla muuntajan magneettivuo ei juuri muutu kuormituksen muuttuessa ja sen voidaan olettaa olevan yhtä suuri kuin magneettivuo kuormittamattoman käytön aikana.

Muuntajan magneettivuo voi säilyttää arvonsa kuormituksen alaisena vain siksi, että kun toisiokäämiin ilmaantuu virta, myös ensiökäämin virta kasvaa niin paljon, että ensiö- ja toisiokäämin magnetomotoristen voimien tai ampeerikierrosten välinen ero käämitys pysyy lähes yhtä suurena kuin magnetomotorinen voima tai ampeerikierrokset joutokäynnin aikana... Siten demagnetoivan magnetomotorisen voiman tai ampeerikierrosten ilmaantumisen toisiokäämitykseen liittyy automaattinen ensiökäämin magnetomotorisen voiman lisääntyminen.

Koska, kuten edellä mainittiin, tarvitaan pieni magnetomotorinen voima muuntajan magneettivuon luomiseen, voidaan sanoa, että sekundaarisen magnetomotorisen voiman kasvuun liittyy primäärisen magnetomotorisen voiman kasvu, joka on suuruudeltaan lähes sama.

Siksi voi kirjoittaa:

Tästä yhtälöstä saadaan muuntajan toinen pääominaisuus, nimittäin suhde:

missä kt on muunnostekijä.

Siksi muuntajan ensiö- ja toisiokäämien virtojen suhde on yhtä suuri kuin yksi jaettuna muunnossuhteella.

Niin, muuntajan tärkeimmät ominaisuudet olla suhde

ja

Jos kerromme suhteen vasemmat puolet toisillaan ja oikeat puolet toisillaan, saamme

ja

Viimeinen yhtälö antaa muuntajan kolmannen ominaisuuden, joka voidaan ilmaista näin: muuntajan toisiokäämin tuottama teho volttiampeereina on lähes yhtä suuri kuin ensiökäämiin syötetty teho myös volttiampeereina. .

Jos jätämme huomiotta energiahäviöt käämien kuparissa ja muuntajan sydämen raudassa, voidaan sanoa, että kaikki muuntajan ensiökäämiin virtalähteestä syötetty teho siirtyy sen toisiokäämiin, ja lähetin on magneettivuo.