El principio de funcionamiento y el dispositivo de un transformador monofásico.
Transformador sin carga monofásico
Los transformadores en ingeniería eléctrica se denominan dispositivos eléctricos en los que la energía eléctrica de corriente alterna de una bobina fija de cable se transfiere a otra bobina fija de cable que no está conectada eléctricamente a la primera.
El vínculo que transmite energía de una bobina a la otra es el flujo magnético, que se entrelaza con las dos bobinas y cambia constantemente en magnitud y dirección.
Arroz. 1.
En la Fig. 1a muestra el transformador más simple que consta de dos devanados / y / / dispuestos coaxialmente uno encima del otro. A la bobina / entregado corriente alterna del alternador D. Este devanado se llama devanado primario o devanado primario. Con un devanado // llamado devanado secundario o devanado secundario, se conecta un circuito a través de receptores de energía eléctrica.
El principio de funcionamiento del transformador.
La acción del transformador es la siguiente. Cuando la corriente fluye en el devanado primario / se crea campo magnético, cuyas líneas de fuerza penetran no solo en el devanado que las creó, sino también parcialmente en el devanado secundario //. Una imagen aproximada de la distribución de las líneas de fuerza creadas por el devanado primario se muestra en la Fig. 1b.
Como puede verse en la figura, todas las líneas de fuerza están cerradas alrededor de los conductores de la bobina /, pero algunas de ellas en la fig. 1b, los cables eléctricos 1, 2, 3, 4 también están cerrados alrededor de los cables de la bobina //. Así, la bobina // se acopla magnéticamente a la bobina / por medio de líneas de campo magnético.
El grado de acoplamiento magnético de las bobinas /y //, con su disposición coaxial, depende de la distancia entre ellas: cuanto más alejadas estén las bobinas, menor será el acoplamiento magnético entre ellas, porque menores serán las líneas de fuerza sobre las mismas. enrollar / pegarse a la bobina //.
Dado que la bobina / pasa, como suponemos, corriente alterna monofasica, es decir, una corriente que cambia con el tiempo según alguna ley, por ejemplo, según la ley del seno, entonces el campo magnético creado por ella también cambiará con el tiempo según la misma ley.
Por ejemplo, cuando la corriente en la bobina / pasa por el valor más grande, entonces el flujo magnético generado por ella también pasa por el valor más grande; cuando la corriente en la bobina / pasa por cero, cambiando su dirección, entonces el flujo magnético también pasa por cero, cambiando también su dirección.
Como resultado del cambio de corriente en la bobina /, ambas bobinas / y // son penetradas por un flujo magnético, cambiando constantemente su valor y dirección. De acuerdo con la ley básica de la inducción electromagnética, por cada cambio en el flujo magnético que penetra en la bobina, se induce una corriente alterna en la bobina. fuerza electromotriz… En nuestro caso, la fuerza electromotriz de autoinducción es inducida en la bobina /, y la fuerza electromotriz de inducción mutua es inducida en la bobina //.
Si los extremos de la bobina // están conectados a un circuito de receptores de energía eléctrica (ver Fig. 1a), aparecerá una corriente en este circuito; por lo tanto los receptores recibirán energía eléctrica. Al mismo tiempo, la energía se dirigirá al devanado /desde el generador, casi igual a la energía que el devanado le da al circuito //. De esta manera, la energía eléctrica de una bobina se transmitirá al circuito de la segunda bobina, que no tiene ninguna relación galvánica (metálica) con la primera bobina. En este caso, el medio de transmisión de energía es solo un flujo magnético alterno.
Mostrado en la fig. 1a, el transformador es muy imperfecto porque hay poco acoplamiento magnético entre el devanado primario /y el devanado secundario //.
El acoplamiento magnético de dos bobinas, en términos generales, se estima por la relación entre el flujo magnético acoplado a las dos bobinas y el flujo creado por una bobina.
Higo. 1b, se puede ver que solo una parte de las líneas de campo de la bobina /está cerrada alrededor de la bobina//. La otra parte de las líneas eléctricas (en la Fig. 1b, líneas 6, 7, 8) está cerrada solo alrededor de la bobina /. Estas líneas eléctricas no están involucradas en absoluto en la transferencia de energía eléctrica de la primera bobina a la segunda, forman el llamado campo de dispersión.
Para aumentar el acoplamiento magnético entre los devanados primario y secundario y al mismo tiempo reducir la resistencia magnética para el paso del flujo magnético, los devanados de los transformadores técnicos se colocan sobre núcleos de hierro completamente cerrados.
El primer ejemplo de implementación de transformadores se muestra esquemáticamente en la fig. 2 transformadores monofásicos del llamado tipo varilla. Sus bobinas primaria y secundaria c1 y c2 están ubicadas en varillas de hierro a — a, conectadas en los extremos con placas de hierro b — b, llamadas yugos. De esta forma, dos varillas a, a y dos yugos b, b forman un anillo de hierro cerrado, por donde pasa el flujo magnético bloqueado con los devanados primario y secundario. Este anillo de hierro se llama el núcleo del transformador.
Arroz. 2.
La segunda realización de transformadores se muestra esquemáticamente en la fig. 3 transformador monofásico del llamado tipo blindado. En este transformador los devanados primario y secundario c, cada uno compuesto por una fila de devanados planos, se colocan sobre un núcleo formado por dos barras de dos anillos de hierro a y b. Los anillos a y b que rodean los devanados los cubren casi por completo con una armadura, por lo que el transformador descrito se llama blindado. El flujo magnético que pasa por el interior de las bobinas c se divide en dos partes iguales, cada una de las cuales está encerrada en su propio anillo de hierro.
Arroz. 3
El uso de circuitos magnéticos cerrados de hierro en los transformadores logra una reducción significativa de la corriente de fuga. En tales transformadores, los flujos conectados a los devanados primario y secundario son casi iguales entre sí. Si asumimos que los devanados primario y secundario son penetrados por el mismo flujo magnético, podemos escribir expresiones basadas en el choque total inducido para los valores instantáneos de las fuerzas electromotrices de los devanados:
En estas expresiones, w1 y w2 — el número de vueltas de los devanados primario y secundario, y dFt es la magnitud del cambio en el devanado de penetración del flujo magnético por elemento de tiempo dt, por lo tanto, hay una tasa de cambio del flujo magnético . De las últimas expresiones se puede obtener la siguiente relación:
es decir. indicado en los devanados primario y secundario / y // las fuerzas electromotrices momentáneas están relacionadas entre sí de la misma forma que el número de vueltas de las bobinas. La última conclusión es válida no solo con respecto a los valores instantáneos de las fuerzas electromotrices, sino también con respecto a sus valores máximos y efectivos.
La fuerza electromotriz inducida en el devanado primario, como fuerza electromotriz de autoinducción, equilibra casi por completo el voltaje aplicado al mismo devanado... Si por E1 y U1 indicas los valores efectivos de la fuerza electromotriz del devanado primario y el voltaje que se le aplica, entonces puede escribir:
La fuerza electromotriz inducida en el devanado secundario, en el caso que se considera, es igual al voltaje en los extremos de este devanado.
Si al igual que el anterior, a través de E2 y U2 indicas los valores efectivos de la fuerza electromotriz del devanado secundario y la tensión en sus extremos, entonces puedes escribir:
Por lo tanto, al aplicar algo de voltaje a un devanado del transformador, puede obtener cualquier voltaje en los extremos de la otra bobina, solo necesita tomar una relación adecuada entre el número de vueltas de estas bobinas. Esta es la propiedad principal del transformador.
La relación entre el número de vueltas del devanado primario y el número de vueltas del devanado secundario se llama relación de transformación del transformador... Denotaremos el coeficiente de transformación kT.
Por lo tanto, se puede escribir:
Un transformador cuya relación de transformación es menor que uno se llama transformador elevador, porque el voltaje del devanado secundario, o el llamado voltaje secundario, es mayor que el voltaje del devanado primario, o el llamado voltaje primario. . Un transformador con una relación de transformación mayor que uno se denomina transformador reductor, ya que su voltaje secundario es menor que el primario.
Funcionamiento de un transformador monofásico bajo carga
Durante el ralentí del transformador, el flujo magnético es creado por la corriente del devanado primario o más bien por la fuerza magnetomotriz del devanado primario. Dado que el circuito magnético del transformador está hecho de hierro y, por lo tanto, tiene una baja resistencia magnética, y generalmente se supone que el número de vueltas del devanado primario es grande, la corriente sin carga del transformador es pequeña, es 5- 10% de lo normal.
Si cierra la bobina secundaria a alguna resistencia, entonces, con la aparición de corriente en la bobina secundaria, también aparecerá la fuerza magnetomotriz de esta bobina.
Según la ley de Lenz, la fuerza magnetomotriz de la bobina secundaria actúa contra la fuerza magnetomotriz de la bobina primaria.
Parece que el flujo magnético en este caso debería disminuir, pero si se aplica un voltaje constante al devanado primario, casi no habrá disminución en el flujo magnético.
De hecho, la fuerza electromotriz inducida en el devanado primario cuando se carga el transformador es casi igual al voltaje aplicado. Esta fuerza electromotriz es proporcional al flujo magnético.Por lo tanto, si el voltaje primario es constante en magnitud, entonces la fuerza electromotriz bajo carga debe permanecer casi igual que durante la operación sin carga del transformador. Esta circunstancia conduce a una constancia casi completa del flujo magnético bajo cualquier carga.
Así, a un valor constante de la tensión primaria, el flujo magnético del transformador apenas cambia con el cambio de carga y se puede suponer igual al flujo magnético durante la operación sin carga.
El flujo magnético del transformador puede mantener su valor bajo carga solo porque a medida que aparece una corriente en el devanado secundario, la corriente en el devanado primario también aumenta, tanto que la diferencia entre las fuerzas magnetomotrices o amperios vueltas del primario y secundario devanados permanece casi igual a la fuerza magnetomotriz o amperio-vuelta durante el ralentí ... Por lo tanto, la aparición de una fuerza magnetomotriz desmagnetizante o amperio-vuelta en el devanado secundario va acompañada de un aumento automático en la fuerza magnetomotriz del devanado primario.
Dado que, como se mencionó anteriormente, se requiere una pequeña fuerza magnetomotriz para crear un flujo magnético en el transformador, se puede decir que un aumento en la fuerza magnetomotriz secundaria va acompañado de un aumento en la fuerza magnetomotriz primaria, que es casi igual en magnitud.
Por lo tanto, se puede escribir:
De esta igualdad se obtiene la segunda característica principal del transformador, a saber, la relación:
donde kt es el factor de transformación.
Por tanto, la relación de las corrientes de los devanados primario y secundario del transformador es igual a uno dividido por la relación de transformación.
Entonces, las principales caracteristicas del transformador ten una relación
y
Si multiplicamos los lados izquierdos de la relación entre sí y los lados derechos entre sí, obtenemos
y
La última igualdad da la tercera característica del transformador, que se puede expresar en palabras como esta: la potencia entregada por el devanado secundario del transformador en voltios-amperios es casi igual a la potencia entregada al devanado primario también en voltios-amperios .
Si ignoramos las pérdidas de energía en el cobre de los devanados y en el hierro del núcleo del transformador, entonces podemos decir que toda la potencia suministrada al devanado primario del transformador desde la fuente de alimentación se transfiere a su devanado secundario, y la transmisor es el flujo magnético.