Das Funktionsprinzip und das Gerät eines Einphasentransformators

Einphasiger Leerlauftransformator

Als Transformatoren werden in der Elektrotechnik solche elektrischen Geräte bezeichnet, bei denen elektrische Wechselstromenergie von einer festen Drahtspule auf eine andere feste Drahtspule übertragen wird, die nicht mit der ersten elektrisch verbunden ist.

Das Bindeglied, das Energie von einer Spule zur anderen überträgt, ist der magnetische Fluss, der mit den beiden Spulen verzahnt ist und sich ständig in Größe und Richtung ändert.

Reis. 1.

In Abb. 1a zeigt den einfachsten Transformator bestehend aus zwei koaxial übereinander angeordneten Wicklungen / und / /. Zur Spule / geliefert Wechselstrom vom Generator D. Diese Wicklung wird Primärwicklung oder Primärwicklung genannt. Mit einer Wicklung // Sekundärwicklung oder Sekundärwicklung genannt, ist ein Stromkreis über Empfänger elektrischer Energie verbunden.

Das Funktionsprinzip des Transformators

Die Wirkung des Transformators ist wie folgt. Wenn in der Primärwicklung Strom fließt, entsteht dieser Magnetfeld, deren Kraftlinien nicht nur in die Wicklung eindringen, die sie erzeugt hat, sondern teilweise auch in die Sekundärwicklung //. Ein ungefähres Bild der Verteilung der von der Primärwicklung erzeugten Kraftlinien ist in Abb. dargestellt. 1b.

Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, sind alle Kraftlinien um die Leiter der Spule / geschlossen, einige davon in Abb. In Fig. 1b sind die elektrischen Leitungen 1, 2, 3, 4 ebenfalls um die Leitungen der Spule // geschlossen. Somit ist die Spule // über magnetische Feldlinien magnetisch mit der Spule / gekoppelt.

Der Grad der magnetischen Kopplung der Spulen /und // hängt bei ihrer koaxialen Anordnung vom Abstand zwischen ihnen ab: Je weiter die Spulen voneinander entfernt sind, desto geringer ist die magnetische Kopplung zwischen ihnen, denn desto geringer sind die Kraftlinien auf den Spulen Spule / an der Spule kleben //.

Da die Spule /, wie wir annehmen, durchläuft, einphasiger Wechselstrom, also ein Strom, der sich im Laufe der Zeit nach einem Gesetz ändert, zum Beispiel nach dem Sinusgesetz, dann ändert sich auch das von ihm erzeugte Magnetfeld im Laufe der Zeit nach demselben Gesetz.

Wenn beispielsweise der Strom in der Spule / den größten Wert durchläuft, durchläuft auch der von ihr erzeugte magnetische Fluss den größten Wert; Wenn der Strom in der Spule / durch den Nullpunkt geht und seine Richtung ändert, dann geht auch der magnetische Fluss durch den Nullpunkt und ändert ebenfalls seine Richtung.

Durch die Stromänderung in der Spule / werden beide Spulen / und // von einem magnetischen Fluss durchdrungen, der seinen Wert und seine Richtung ständig ändert. Nach dem Grundgesetz der elektromagnetischen Induktion wird bei jeder Änderung des magnetischen Flusses, der die Spule durchdringt, ein Wechselstrom in der Spule induziert elektromotorische Kraft… In unserem Fall wird die elektromotorische Kraft der Selbstinduktion in der Spule / induziert und die elektromotorische Kraft der gegenseitigen Induktion wird in der Spule // induziert.

Wenn die Enden der Spule // mit einem Stromkreis von Empfängern elektrischer Energie verbunden sind (siehe Abb. 1a), entsteht in diesem Stromkreis ein Strom; Daher werden die Empfänger mit Strom versorgt. Gleichzeitig wird Energie vom Generator zur Wicklung geleitet, die nahezu der Energie entspricht, die die Wicklung // an den Stromkreis abgibt. Auf diese Weise wird elektrische Energie von einer Spule auf den Stromkreis der zweiten Spule übertragen, der galvanisch (metallisch) völlig unabhängig von der ersten Spule ist. In diesem Fall ist das Mittel zur Energieübertragung nur ein magnetischer Wechselfluss.

In Abb. dargestellt. 1a ist der Transformator sehr unvollkommen, da zwischen der Primärwicklung /und der Sekundärwicklung // nur eine geringe magnetische Kopplung besteht.

Die magnetische Kopplung zweier Spulen wird im Allgemeinen anhand des Verhältnisses des an die beiden Spulen gekoppelten magnetischen Flusses zum von einer Spule erzeugten Fluss geschätzt.

Feige. In 1b erkennt man, dass nur ein Teil der Feldlinien der Spule / um die Spule geschlossen ist //. Der andere Teil der Stromleitungen (in Abb. 1b – Leitungen 6, 7, 8) ist nur um die Spule / geschlossen. Diese Stromleitungen sind an der Übertragung elektrischer Energie von der ersten Spule zur zweiten überhaupt nicht beteiligt, sie bilden das sogenannte Streufeld.

Um die magnetische Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung zu erhöhen und gleichzeitig den magnetischen Widerstand für den Durchgang des magnetischen Flusses zu verringern, werden die Wicklungen technischer Transformatoren auf vollständig geschlossene Eisenkerne gelegt.

Das erste Beispiel für die Implementierung von Transformatoren ist in Abb. schematisch dargestellt. 2 Einphasentransformatoren vom sogenannten Stabtyp. Seine Primär- und Sekundärspulen c1 und c2 befinden sich auf Eisenstäben a-a, die an den Enden mit Eisenplatten b-b, sogenannten Jochen, verbunden sind. Auf diese Weise bilden zwei Stäbe a, a und zwei Joche b, b einen geschlossenen Eisenring, in dem der magnetische Fluss blockiert mit der Primär- und Sekundärwicklung verläuft. Dieser Eisenring wird Kern des Transformators genannt.

Reis. 2.

Die zweite Ausführungsform von Transformatoren ist in Abb. schematisch dargestellt. 3 Einphasentransformatoren vom sogenannten Panzertyp. Bei diesem Transformator sind die Primär- und Sekundärwicklungen c, die jeweils aus einer Reihe flacher Wicklungen bestehen, auf einem Kern angeordnet, der aus zwei Stäben aus zwei Eisenringen a und b besteht. Die die Wicklungen umgebenden Ringe a und b bedecken diese fast vollständig mit Panzerung, daher wird der beschriebene Transformator als gepanzert bezeichnet. Der in den Spulen c fließende Magnetfluss wird in zwei gleiche Teile geteilt, die jeweils von einem eigenen Eisenring umgeben sind.

Reis. 3

Durch den Einsatz geschlossener Eisenmagnetkreise in Transformatoren wird eine deutliche Reduzierung des Ableitstroms erreicht. Bei solchen Transformatoren sind die an die Primär- und Sekundärwicklung angeschlossenen Flüsse nahezu gleich. Wenn wir davon ausgehen, dass die Primär- und Sekundärwicklung vom gleichen magnetischen Fluss durchdrungen werden, können wir Ausdrücke schreiben, die auf dem gesamten induzierten Stoß für die Momentanwerte der elektromotorischen Kräfte der Wicklungen basieren:

In diesen Ausdrücken sind w1 und w2 die Anzahl der Windungen der Primär- und Sekundärwicklung, und dFt ist die Größe der Änderung des magnetischen Flusses in der durchdringenden Wicklung pro Zeitelement dt, daher gibt es eine Änderungsrate des magnetischen Flusses . Aus den letzten Ausdrücken kann die folgende Beziehung erhalten werden:

d.h. in der Primär- und Sekundärwicklung angegeben / und // Die momentanen elektromotorischen Kräfte stehen in gleicher Beziehung zueinander wie die Windungszahlen der Spulen. Die letzte Schlussfolgerung gilt nicht nur in Bezug auf die Momentanwerte der elektromotorischen Kräfte, sondern auch in Bezug auf deren größte und wirksame Werte.

Die in der Primärwicklung induzierte elektromotorische Kraft gleicht als elektromotorische Kraft der Selbstinduktion die an derselben Wicklung angelegte Spannung fast vollständig aus... Wenn Sie mit E1 und U1 die Effektivwerte der elektromotorischen Kraft angeben der Primärwicklung und der daran angelegten Spannung, dann kann man schreiben:

Die in der Sekundärwicklung induzierte elektromotorische Kraft ist im betrachteten Fall gleich der Spannung an den Enden dieser Wicklung.

Wenn Sie wie im vorherigen Fall durch E2 und U2 die effektiven Werte der elektromotorischen Kraft der Sekundärwicklung und der Spannung an ihren Enden angeben, können Sie schreiben:

Wenn Sie also eine Spannung an eine Wicklung des Transformators anlegen, können Sie an den Enden der anderen Spule eine beliebige Spannung erzeugen. Sie müssen lediglich ein geeignetes Verhältnis zwischen der Anzahl der Windungen dieser Spulen wählen. Dies ist die Haupteigenschaft des Transformators.

Man nennt das Verhältnis der Windungszahl der Primärwicklung zur Windungszahl der Sekundärwicklung Übersetzungsverhältnis des Transformators... Wir bezeichnen den Transformationskoeffizienten kT.

Daher kann man schreiben:

Ein Transformator, dessen Übersetzungsverhältnis kleiner als eins ist, wird als Aufwärtstransformator bezeichnet, da die Spannung der Sekundärwicklung, die sogenannte Sekundärspannung, größer ist als die Spannung der Primärwicklung, die sogenannte Primärspannung . Ein Transformator mit einem Übersetzungsverhältnis größer als eins wird als Abwärtstransformator bezeichnet, da seine Sekundärspannung kleiner als die Primärspannung ist.

Betrieb eines Einphasentransformators unter Last

Im Leerlauf des Transformators wird der magnetische Fluss durch den Primärwicklungsstrom bzw. durch die magnetomotorische Kraft der Primärwicklung erzeugt. Da der Magnetkreis des Transformators aus Eisen besteht und daher einen geringen magnetischen Widerstand aufweist und die Windungszahl der Primärwicklung im Allgemeinen als groß angenommen wird, ist der Leerlaufstrom des Transformators klein, er beträgt 5- 10 % des Normalwerts.

Wenn Sie die Sekundärspule auf einen gewissen Widerstand schließen, tritt mit dem Auftreten von Strom in der Sekundärspule auch die magnetomotorische Kraft dieser Spule auf.

Nach dem Lenzschen Gesetz wirkt die magnetomotorische Kraft der Sekundärspule der magnetomotorischen Kraft der Primärspule entgegen

Es scheint, dass der magnetische Fluss in diesem Fall abnehmen sollte, aber wenn eine konstante Spannung an die Primärwicklung angelegt wird, nimmt der magnetische Fluss fast nicht ab.

Tatsächlich ist die in der Primärwicklung induzierte elektromotorische Kraft bei Belastung des Transformators nahezu gleich der angelegten Spannung. Diese elektromotorische Kraft ist proportional zum magnetischen Fluss.Wenn daher die Primärspannung eine konstante Größe hat, sollte die elektromotorische Kraft unter Last nahezu dieselbe bleiben wie im Leerlaufbetrieb des Transformators. Dieser Umstand führt zu einer nahezu vollständigen Konstanz des magnetischen Flusses unter jeder Belastung.

Somit ändert sich der magnetische Fluss des Transformators bei einem konstanten Wert der Primärspannung kaum mit der Laständerung und kann als gleich dem magnetischen Fluss im Leerlaufbetrieb angenommen werden.

Der magnetische Fluss des Transformators kann seinen Wert unter Last nur beibehalten, weil mit dem Auftreten eines Stroms in der Sekundärwicklung auch der Strom in der Primärwicklung zunimmt, und zwar so sehr, dass die Differenz zwischen den magnetomotorischen Kräften oder Amperewindungen der Primär- und Sekundärwicklung zunimmt Wicklungen bleiben im Leerlauf nahezu gleich der magnetomotorischen Kraft oder Amperewindungen ... Somit geht das Auftreten einer entmagnetisierenden magnetomotorischen Kraft oder Amperewindungen in der Sekundärwicklung mit einem automatischen Anstieg der magnetomotorischen Kraft der Primärwicklung einher.

Da, wie oben erwähnt, eine kleine magnetomotorische Kraft erforderlich ist, um einen magnetischen Fluss des Transformators zu erzeugen, kann man sagen, dass eine Erhöhung der sekundären magnetomotorischen Kraft mit einer Erhöhung der primären magnetomotorischen Kraft einhergeht, die nahezu gleich groß ist.

Daher kann man schreiben:

Aus dieser Gleichheit ergibt sich die zweite Haupteigenschaft des Transformators, nämlich das Verhältnis:

wobei kt der Transformationsfaktor ist.

Daher ist das Verhältnis der Ströme der Primär- und Sekundärwicklung des Transformators gleich eins geteilt durch das Übersetzungsverhältnis.

So, die Hauptmerkmale des Transformators eine Beziehung haben

Und

Wenn wir die linken Seiten der Beziehung miteinander und die rechten Seiten miteinander multiplizieren, erhalten wir

Und

Die letzte Gleichung ergibt die dritte Eigenschaft des Transformators, die sich in Worten wie folgt ausdrücken lässt: Die von der Sekundärwicklung des Transformators gelieferte Leistung in Voltampere ist nahezu gleich der an die Primärwicklung gelieferten Leistung, ebenfalls in Voltampere .

Wenn wir die Energieverluste im Kupfer der Wicklungen und im Eisen des Transformatorkerns außer Acht lassen, können wir sagen, dass die gesamte von der Stromquelle an die Primärwicklung des Transformators gelieferte Leistung auf seine Sekundärwicklung übertragen wird Sender ist der magnetische Fluss.