Il principio di funzionamento e il dispositivo di un trasformatore monofase

Trasformatore a vuoto monofase

I trasformatori nell'ingegneria elettrica sono chiamati tali dispositivi elettrici in cui l'energia elettrica a corrente alternata da una bobina di filo fissa viene trasferita a un'altra bobina di filo fissa che non è collegata elettricamente alla prima.

Il collegamento che trasmette l'energia da una bobina all'altra è il flusso magnetico, che si interconnette con le due bobine e cambia costantemente in grandezza e direzione.

Riso. 1.

Nella fig. 1a mostra il trasformatore più semplice costituito da due avvolgimenti / e / / disposti coassialmente uno sopra l'altro. Alla bobina / consegnato corrente alternata dall'alternatore D. Questo avvolgimento è chiamato avvolgimento primario o avvolgimento primario. Con un avvolgimento // chiamato avvolgimento secondario o avvolgimento secondario, un circuito è collegato tramite ricevitori di energia elettrica.

Il principio di funzionamento del trasformatore

L'azione del trasformatore è la seguente. Quando la corrente scorre nell'avvolgimento primario / viene creata campo magnetico, le cui linee di forza penetrano non solo nell'avvolgimento che le ha create, ma anche parzialmente nell'avvolgimento secondario //. Un'immagine approssimativa della distribuzione delle linee di forza create dall'avvolgimento primario è mostrata in Fig. 1b.

Come si vede dalla figura, tutte le linee di forza sono chiuse attorno ai conduttori della bobina /, ma alcune di esse in fig. 1b, i fili elettrici 1, 2, 3, 4 sono anch'essi chiusi attorno ai fili della bobina //. Così la bobina // è accoppiata magneticamente alla bobina / per mezzo di linee di campo magnetico.

Il grado di accoppiamento magnetico delle spire /e //, con la loro disposizione coassiale, dipende dalla loro distanza: più le spire sono distanti tra loro, minore è l'accoppiamento magnetico tra di esse, perché minori sono le linee di forza sulle bobina /aderire alla bobina //.

Poiché la bobina / passa attraverso, come assumiamo, corrente alternata monofase, cioè una corrente che cambia nel tempo secondo qualche legge, ad esempio secondo la legge del seno, quindi anche il campo magnetico da essa creato cambierà nel tempo secondo la stessa legge.

Ad esempio, quando la corrente nella bobina / passa attraverso il valore più grande, anche il flusso magnetico da essa generato passa attraverso il valore più grande; quando la corrente nella bobina / passa per lo zero, cambiando direzione, anche il flusso magnetico passa attraverso lo zero, cambiando anche direzione.

Come risultato della variazione della corrente nella bobina /, entrambe le bobine / e // sono attraversate da un flusso magnetico, cambiando costantemente il suo valore e la sua direzione. Secondo la legge fondamentale dell'induzione elettromagnetica, per ogni variazione del flusso magnetico che penetra nella bobina, viene indotta una corrente alternata nella bobina forza elettromotiva… Nel nostro caso, la forza elettromotrice di autoinduzione è indotta nella bobina /, e la forza elettromotrice di mutua induzione è indotta nella bobina //.

Se le estremità della bobina // sono collegate a un circuito di ricevitori di energia elettrica (vedi Fig. 1a), allora in questo circuito apparirà una corrente; pertanto i ricevitori riceveranno energia elettrica. Allo stesso tempo, l'energia sarà diretta all'avvolgimento /dal generatore, quasi uguale all'energia fornita al circuito dall'avvolgimento //. In questo modo l'energia elettrica di una spira verrà trasmessa al circuito della seconda spira, che è completamente estraneo galvanicamente (metallico) alla prima spira, in questo caso il mezzo di trasmissione dell'energia è solo un flusso magnetico alternato.

Mostrato in fig. 1a, il trasformatore è molto imperfetto perché c'è poco accoppiamento magnetico tra l'avvolgimento primario /e l'avvolgimento secondario //.

L'accoppiamento magnetico di due bobine, in generale, è stimato dal rapporto tra il flusso magnetico accoppiato alle due bobine e il flusso creato da una bobina.

Fico. 1b, si può vedere che solo una parte delle linee di campo della bobina /è chiusa attorno alla bobina //. L'altra parte delle linee elettriche (in Fig. 1b - linee 6, 7, 8) è chiusa solo attorno alla bobina /. Queste linee elettriche non sono affatto coinvolte nel trasferimento di energia elettrica dalla prima bobina alla seconda, formano il cosiddetto campo disperso.

Per aumentare l'accoppiamento magnetico tra avvolgimento primario e secondario e contemporaneamente ridurre la resistenza magnetica al passaggio del flusso magnetico, gli avvolgimenti dei trasformatori tecnici sono posti su nuclei di ferro completamente chiusi.

Il primo esempio di implementazione dei trasformatori è mostrato schematicamente in fig. 2 trasformatori monofase del cosiddetto tipo a stelo. Le sue bobine primarie e secondarie c1 e c2 si trovano su barre di ferro a - a, collegate alle estremità con piastre di ferro b - b, chiamate gioghi. In questo modo due aste a, a e due gioghi b, b formano un anello di ferro chiuso, nel quale passa il flusso magnetico bloccato con gli avvolgimenti primario e secondario. Questo anello di ferro è chiamato il nucleo del trasformatore.

Riso. 2.

La seconda forma di realizzazione dei trasformatori è mostrata schematicamente in fig. 3 trasformatori monofase del cosiddetto tipo corazzato. In questo trasformatore gli avvolgimenti primario e secondario c, costituiti ciascuno da una fila di avvolgimenti piatti, sono posti su un nucleo formato da due sbarre di due anelli di ferro a e b. Gli anelli aeb che circondano gli avvolgimenti li ricoprono quasi interamente di armatura, pertanto il trasformatore descritto è detto corazzato. Il flusso magnetico che passa all'interno delle spire c è diviso in due parti uguali, ciascuna delle quali è racchiusa nel proprio anello di ferro.

Riso. 3

L'uso di circuiti magnetici in ferro chiusi nei trasformatori consente di ottenere una significativa riduzione della corrente di dispersione. In tali trasformatori, i flussi collegati agli avvolgimenti primario e secondario sono quasi uguali tra loro. Se assumiamo che gli avvolgimenti primario e secondario siano attraversati dallo stesso flusso magnetico, possiamo scrivere espressioni basate sullo shock totale indotto per i valori istantanei delle forze elettromotrici degli avvolgimenti:

In queste espressioni, w1 e w2 — il numero di giri degli avvolgimenti primari e secondari, e dFt è l'entità del cambiamento nell'avvolgimento penetrante del flusso magnetico per elemento temporale dt, quindi c'è un tasso di cambiamento del flusso magnetico . Dalle ultime espressioni si ricava la seguente relazione:

cioè. indicato negli avvolgimenti primario e secondario / e // le forze elettromotrici momentanee sono correlate tra loro allo stesso modo del numero di spire delle bobine. L'ultima conclusione è valida non solo rispetto ai valori istantanei delle forze elettromotrici, ma anche rispetto ai loro valori massimi ed effettivi.

La forza elettromotrice indotta nell'avvolgimento primario, in quanto forza elettromotrice di autoinduzione, bilancia quasi completamente la tensione applicata allo stesso avvolgimento... Se con E1 e U1 indichi i valori effettivi della forza elettromotrice dell'avvolgimento primario e della tensione ad esso applicata, allora si può scrivere:

La forza elettromotrice indotta nell'avvolgimento secondario, nel caso considerato, è pari alla tensione ai capi di tale avvolgimento.

Se, come il precedente, tramite E2 e U2 indichi i valori efficaci della forza elettromotrice dell'avvolgimento secondario e della tensione ai suoi capi, allora puoi scrivere:

Pertanto, applicando una certa tensione a un avvolgimento del trasformatore, è possibile ottenere qualsiasi tensione ai capi dell'altra bobina, è sufficiente prendere un rapporto adeguato tra il numero di spire di queste bobine. Questa è la proprietà principale del trasformatore.

Viene chiamato il rapporto tra il numero di spire dell'avvolgimento primario e il numero di spire dell'avvolgimento secondario rapporto di trasformazione del trasformatore... Indicheremo il coefficiente di trasformazione kT.

Pertanto, si può scrivere:

Un trasformatore il cui rapporto di trasformazione è minore di uno è chiamato trasformatore elevatore, perché la tensione dell'avvolgimento secondario, o la cosiddetta tensione secondaria, è maggiore della tensione dell'avvolgimento primario, o la cosiddetta tensione primaria . Un trasformatore con un rapporto di trasformazione maggiore di uno è chiamato trasformatore step-down, poiché la sua tensione secondaria è inferiore a quella primaria.

Funzionamento di un trasformatore monofase sotto carico

Durante il funzionamento a vuoto del trasformatore, il flusso magnetico è creato dalla corrente dell'avvolgimento primario ovvero dalla forza magnetomotrice dell'avvolgimento primario. Poiché il circuito magnetico del trasformatore è in ferro e quindi ha una bassa resistenza magnetica, e si presume generalmente che il numero di spire dell'avvolgimento primario sia elevato, la corrente a vuoto del trasformatore è piccola, è 5- 10% del normale.

Se chiudi la bobina secondaria a una certa resistenza, con l'apparizione della corrente nella bobina secondaria, apparirà anche la forza magnetomotrice di questa bobina.

Secondo la legge di Lenz, la forza magnetomotrice della bobina secondaria agisce contro la forza magnetomotrice della bobina primaria

Sembra che il flusso magnetico in questo caso dovrebbe diminuire, ma se viene applicata una tensione costante all'avvolgimento primario, non ci sarà quasi alcuna diminuzione del flusso magnetico.

Infatti la forza elettromotrice indotta nell'avvolgimento primario quando il trasformatore è sotto carico è quasi uguale alla tensione applicata. Questa forza elettromotrice è proporzionale al flusso magnetico.Pertanto, se la tensione primaria è costante in grandezza, la forza elettromotrice sotto carico dovrebbe rimanere quasi la stessa che era durante il funzionamento a vuoto del trasformatore. Questa circostanza porta alla costanza quasi completa del flusso magnetico sotto qualsiasi carico.

Pertanto, a un valore costante della tensione primaria, il flusso magnetico del trasformatore cambia appena al variare del carico e può essere assunto uguale al flusso magnetico durante il funzionamento a vuoto.

Il flusso magnetico del trasformatore può mantenere il suo valore sotto carico solo perché quando una corrente appare nell'avvolgimento secondario, aumenta anche la corrente nell'avvolgimento primario, tanto che la differenza tra le forze magnetomotrici o ampere giri del primario e del secondario rimane quasi uguale alla forza magnetomotrice o ampere-spire durante il minimo ... Pertanto, la comparsa di una forza magnetomotrice smagnetizzante o ampere-spire nell'avvolgimento secondario è accompagnata da un aumento automatico della forza magnetomotrice dell'avvolgimento primario.

Poiché, come accennato in precedenza, è necessaria una piccola forza magnetomotrice per creare un flusso magnetico del trasformatore, si può affermare che un aumento della forza magnetomotrice secondaria è accompagnato da un aumento della forza magnetomotrice primaria, che è quasi la stessa in grandezza.

Pertanto, si può scrivere:

Da questa uguaglianza si ricava la seconda caratteristica principale del trasformatore, ovvero il rapporto:

dove kt è il fattore di trasformazione.

Pertanto, il rapporto tra le correnti degli avvolgimenti primari e secondari del trasformatore è uguale a uno diviso per il rapporto di trasformazione.

COSÌ, le principali caratteristiche del trasformatore avere una relazione

E

Se moltiplichiamo i lati sinistri della relazione l'uno per l'altro e i lati destri l'uno per l'altro, otteniamo

E

L'ultima uguaglianza fornisce la terza caratteristica del trasformatore, che può essere espressa in parole come questa: la potenza erogata dal secondario del trasformatore in volt-ampere è quasi uguale alla potenza erogata al primario anch'essa in volt-ampere .

Se ignoriamo le perdite di energia nel rame degli avvolgimenti e nel ferro del nucleo del trasformatore, allora possiamo dire che tutta la potenza fornita all'avvolgimento primario del trasformatore dalla fonte di alimentazione viene trasferita al suo avvolgimento secondario e il trasmettitore è il flusso magnetico.