Розробка регулятора змінної напруги з вольтододачею (стр. 3 из 7)
Основними частинами конструкції трансформатора є:
• магнітна система (магнітопровід)
• обмотки
• система охолодження
Магнітна система (магнітопровід) трансформатора - комплект елементів (найчастіше пластин) електротехнічної сталі або іншого феромагнітного матеріалу, зібраних в певній геометричній формі, призначений для локалізації в ньому основного магнітного поля трансформатора. Магнітна система в повністю зібраному вигляді спільно зі всіма вузлами і деталями, що служать для скріплення окремих частин в єдину конструкцію, називається остовом трансформатора.
Частина магнітної системи, на якій розташовуються основні обмотки трансформатора, називається - стрижень.
Частина магнітної системи трансформатора, не несуча основних обмоток, що служить для замикання магнітного ланцюга, називається - ярмо.
Залежно від просторового розташування стрижнів, виділяють:
1. Плоска магнітна система - магнітна система, в якій поздовжні осі всіх стрижнів і ярм розташовані в одній площині.
2. Просторова магнітна система - магнітна система, в якій поздовжні осі стержнів або ярм, або стрижнів і ярм розташовані в різних площинах.
3. Симетрична магнітна система - магнітна система, в якій всі стрижні мають однакову форму, конструкцію та розміри, а взаємне розташування будь-якого стрижня по відношенню до всіх ярмам однаково для всіх стрижнів.
4. Несиметрична магнітна система - магнітна система, в якій окремі стрижні можуть відрізнятися від інших стержнів за формою, конструкції або розмірам або взаємне розташування будь-якого стрижня по відношенню до інших стержнів або ярмам може відрізнятися від розташування будь-якого іншого стрижня.
Обмотки
Основним елементом обмотки є виток - електричний провідник, або ряд паралельно з'єднаних таких провідників (багатодротяна жила), що одноразово охоплює частину магнітної системи трансформатора, електричний струм якого спільно з струмами інших таких провідників та інших частин трансформатора створює магнітне поле трансформатора і в якому під дією цього магнітного поля наводиться електрорушійна сила.
Обмотка - сукупність витків, що утворюють електричний ланцюг, в якій підсумовуються ЕРС, наведені у витках. У трифазному трансформаторі під обмоткою зазвичай мають на увазі сукупність обмоток однієї напруги трьох фаз, що з'єднуються між собою.
Провідник обмотки в силових трансформаторах зазвичай має квадратну форму для найбільш ефективного використання наявного простору (для збільшення коефіцієнта заповнення у вікні сердечника). При збільшенні площі провідника провідник може бути розділений на два і більше паралельних провідних елементів з метою зниження втрат на вихрові струми в обмотці і полегшення функціонування обмотки. Провідний елемент квадратної форми називається жилою.
Кожна жила ізолюється за допомогою або паперової обмотки, або емалевого лаку. Дві окремо ізольованих і паралельно з'єднаних жили іноді можуть мати загальну паперову ізоляцію. Дві таких ізольованих жили в загальній паперової ізоляції називаються кабелем.
Особливим видом провідника обмотки є безперервно транспонований кабель. Цей кабель складається з жил, ізольованих за допомогою двох шарів лаку емалевого, розташованих в осьовому положенні один до одного. Безперервно транспонований кабель виходить шляхом переміщення зовнішньої жили одного шару до наступного шару з постійним кроком і застосування загальної зовнішньої ізоляції.
Паперова обмотка кабелю виконана з тонких (кілька десятків мікрометрів) паперових смуг шириною кілька сантиметрів, намотаних навколо жили. Папір загортається у кілька шарів для отримання необхідної загальної товщини.
Обмотки поділяють за:
1. Призначенням
• Основні - обмотки трансформатора, до яких підводиться енергія перетворюється або від яких відводиться енергія перетвореного змінного струму.
• Регулюючі - при невисокому струмі обмотки і не дуже широкому діапазоні регулювання, в обмотці можуть бути передбачені відводи для регулювання коефіцієнта трансформації напруги.
• Допоміжні - обмотки, призначені, наприклад, для харчування мережі власних потреб з потужністю суттєво меншою, ніж номінальна потужність трансформатора, для компенсації третин гармонійної магнітного поля, підмагнічування магнітної системи постійним струмом, і т. п.
2. Виконанням
• Рядова обмотка - витки обмотки розташовуються в осьовому напрямку в усій довжині обмотки. Наступні витки намотуються щільно один до одного, не залишаючи проміжного простору.
• Гвинтова обмотка - гвинтова обмотка може являти собою варіант багатошарової обмотки з відстанями між кожним витком або заходом обмотки. • Дискова обмотка - дискова обмотка складається з ряду дисків, з'єднаних послідовно. У кожному диску витки намотуються в радіальному напрямку у вигляді спіралі у напрямку всередину і назовні на сусідніх дисках.
• фольгова обмотка - фольговій обмотки виконуються з широкого мідного або алюмінієвого листа товщиною від десятих часток міліметра до декількох міліметрів.
Базові принципи дії трансформатора
Рис.1.3.1 – Схематичне пристрій трансформатора. 1 - первинна обмотка, 2 - вторинна
Робота трансформатора заснована на двох базових принципах:
1. Змінюваний у часі електричний струм створює змінюється в часі магнітне поле (електромагнетизм)
2. Зміна магнітного потоку, що проходить через обмотку, створює ЕРС в цій обмотці (електромагнітна індукція).
На одну з обмоток, звану первинної обмоткою, подається напруга від зовнішнього джерела. Змінний струм, що протікає по первинній обмотці створює змінний магнітний потік в магнітопроводі, зсунутий по фазі, при синусоїдальному струмі, на 90° по відношенню до струму в первинній обмотці. У результаті електромагнітної індукції, змінний магнітний потік в магнітопроводі створює у всіх обмотках, у тому числі й у первинній, ЕРС індукції, пропорційну першій похідній магнітного потоку, при синусоїдальному струмі зсунутому на 90° у зворотний бік по відношенню до магнітного потоку.
У деяких трансформаторах, що працюють на високих або надвисоких частотах, магнітопроводи може бути відсутніми.
Режим холостого ходу. Коли вторинні обмотки ні до чого не підключені (режим холостого ходу), ЕРС індукції в первинної обмотці практично повністю компенсує напруга джерела живлення, тому струм через первинну обмотку невеликий і визначається в основному її індуктивним опором. Можливий варіант виконання трансформатора з приблизно рівними струмами холостого ходу і під навантаженням. Трансформатори, що не мають режиму холостого ходу, виходять менше і легше.
Режим з навантаженням. При підключенні навантаження до вторинної обмотки у вторинній ланцюга виникає струм, що створює магнітний потік в магнітопроводі, спрямований протилежно магнітному потоку, створюваному первинної обмоткою. У результаті в первинної ланцюга порушується рівність ЕРС індукції і ЕРС джерела живлення, що призводить до збільшення струму в первинній обмотці до тих пір, поки магнітний потік не досягне практично колишнього значення.
Схематично, процес перетворення можна зобразити наступним чином:
Миттєвий магнітний потік в магнітопроводі трансформатора визначається інтегралом за часом від миттєвого значення ЕРС у первинній обмотці і у випадку синусоїдальної напруги зсунутий по фазі на 90° по відношенню до ЕРС. Наведена у вторинних обмотках ЕРС пропорційна першій похідній від магнітного потоку і для будь-якої форми струму збігається за фазою і формі з ЕРС у первинній обмотці. ЕРС, створювана у вторинній обмотці, може бути обчислена за законом Фарадея, який свідчить, що:
Де: U2 - Напруга на вторинній обмотці,
N2 - число витків у вторинній обмотці,
Φ - сумарний магнітний потік, через один виток обмотки.
Якщо витки обмотки розташовані перпендикулярно лініям магнітного поля, то потік буде пропорційний магнітному полю B і площі S через яку він проходить. ЕРС, створювана в первинній обмотці, відповідно:
Де: U1 - миттєве значення напруги на кінцях первинної обмотки,
N1 - число витків у первинній обмотці.
Поділивши рівняння U2 на U1, отримаємо відношення:
Ідеальний трансформатор - трансформатор, у якого відсутні втрати енергії на нагрів обмоток і потоки розсіювання обмоток. В ідеальному трансформаторі всі силові лінії проходять через усі витки обох обмоток, і оскільки змінюється магнітне поле породжує одну й ту ж ЕРС в кожному витку, сумарна ЕРС, індукована в обмотці, пропорційна повного числа її витків. Такий трансформатор всю що надходить енергію з первинного кола трансформує в магнітне поле і, потім, в енергію вторинної ланцюга. У цьому випадку надходить енергія дорівнює перетвореної енергії:
Де:
P1 - миттєве значення надходить на трансформатор потужності, що надходить з первинної ланцюга,
P2 - миттєве значення перетвореної трансформатором потужності, що надходить у вторинну ланцюг.
Поєднавши це рівняння з відношенням напружень на кінцях обмоток, отримаємо рівняння ідеального трансформатора:
Таким чином отримуємо, що при збільшенні напруги на кінцях вторинної обмотки U2, зменшується потік вторинної ланцюга I2. Для перетворення опору одного ланцюга в опір іншого, потрібно помножити величину на квадрат відносини. Наприклад, опір Z2 підключено до кінців вторинної обмотки, його наведене значення до первинного кола буде