O princípio de operação e o dispositivo de um transformador monofásico

Transformador monofásico sem carga

Os transformadores em engenharia elétrica são chamados de dispositivos elétricos nos quais a energia elétrica de corrente alternada de uma bobina fixa de fio é transferida para outra bobina fixa de fio que não está eletricamente conectada à primeira.

O elo que transmite energia de uma bobina para a outra é o fluxo magnético, que se interliga com as duas bobinas e muda constantemente em magnitude e direção.

Arroz. 1.

Na fig. 1a mostra o transformador mais simples que consiste em dois enrolamentos / e / / dispostos coaxialmente um sobre o outro. Para a bobina / entregue corrente alternada do alternador D. Este enrolamento é chamado de enrolamento primário ou enrolamento primário. Com um enrolamento // chamado de enrolamento secundário ou enrolamento secundário, um circuito é conectado por meio de receptores de energia elétrica.

O princípio de funcionamento do transformador

A ação do transformador é a seguinte. Quando a corrente flui no enrolamento primário / é criada campo magnético, cujas linhas de força penetram não apenas no enrolamento que as criou, mas também parcialmente no enrolamento secundário //. Uma imagem aproximada da distribuição das linhas de força criadas pelo enrolamento primário é mostrada na Fig. 1b.

Como pode ser visto na figura, todas as linhas de força estão fechadas em torno dos condutores da bobina /, mas algumas delas na fig. 1b, os fios elétricos 1, 2, 3, 4 também estão fechados em torno dos fios da bobina //. Assim, a bobina // é acoplada magneticamente à bobina / por meio de linhas de campo magnético.

O grau de acoplamento magnético das bobinas /e //, com seu arranjo coaxial, depende da distância entre elas: quanto mais distantes as bobinas estiverem umas das outras, menos acoplamento magnético entre elas, porque menos linhas de força no bobina / ficar na bobina //.

Como a bobina / passa, como supomos, corrente alternada monofásica, ou seja, uma corrente que muda com o tempo de acordo com alguma lei, por exemplo, de acordo com a lei do seno, então o campo magnético criado por ela também mudará com o tempo de acordo com a mesma lei.

Por exemplo, quando a corrente na bobina / passa pelo maior valor, então o fluxo magnético gerado por ela também passa pelo maior valor; quando a corrente na bobina / passa pelo zero, mudando de direção, então o fluxo magnético também passa pelo zero, mudando também de direção.

Como resultado da mudança da corrente na bobina /, ambas as bobinas / e // são penetradas por um fluxo magnético, mudando constantemente seu valor e direção. De acordo com a lei básica da indução eletromagnética, para cada mudança no fluxo magnético que penetra na bobina, uma corrente alternada é induzida na bobina força eletromotriz… No nosso caso, a força eletromotriz de auto-indução é induzida na bobina /, e a força eletromotriz de indução mútua é induzida na bobina //.

Se as extremidades da bobina // estiverem conectadas a um circuito de receptores de energia elétrica (ver Fig. 1a), então uma corrente aparecerá neste circuito; portanto, os receptores receberão energia elétrica. Ao mesmo tempo, a energia será direcionada para o enrolamento /do gerador, quase igual à energia fornecida ao circuito pelo enrolamento //. Desta forma, a energia elétrica de uma bobina será transmitida para o circuito da segunda bobina, que é completamente independente da primeira bobina galvanicamente (metálica), neste caso, o meio de transmissão de energia é apenas um fluxo magnético alternado.

Mostrado na fig. 1a, o transformador é muito imperfeito porque há pouco acoplamento magnético entre o enrolamento primário /e o enrolamento secundário //.

O acoplamento magnético de duas bobinas, em geral, é estimado pela razão entre o fluxo magnético acoplado às duas bobinas e o fluxo criado por uma bobina.

Figo. 1b, pode-se ver que apenas parte das linhas de campo da bobina /está fechada em torno da bobina //. A outra parte das linhas de energia (na Fig. 1b - linhas 6, 7, 8) é fechada apenas em torno da bobina /. Essas linhas de energia não estão envolvidas na transferência de energia elétrica da primeira bobina para a segunda, elas formam o chamado campo disperso.

Para aumentar o acoplamento magnético entre os enrolamentos primário e secundário e ao mesmo tempo reduzir a resistência magnética para a passagem do fluxo magnético, os enrolamentos dos transformadores técnicos são colocados em núcleos de ferro completamente fechados.

O primeiro exemplo de implementação de transformadores é mostrado esquematicamente na fig. 2 transformador monofásico do chamado tipo haste. Suas bobinas primárias e secundárias c1 e c2 estão localizadas em hastes de ferro a — a, conectadas nas extremidades com placas de ferro b — b, denominadas jugos. Desta forma, duas hastes a, a e duas culatras b, b formam um anel de ferro fechado, por onde passa o fluxo magnético bloqueado com os enrolamentos primário e secundário. Este anel de ferro é chamado de núcleo do transformador.

Arroz. 2.

A segunda forma de realização dos transformadores é mostrada esquematicamente na fig. 3 transformador monofásico do chamado tipo blindado. Neste transformador, os enrolamentos primário e secundário c, cada um consistindo em uma fileira de enrolamentos planos, são colocados em um núcleo formado por duas barras de dois anéis de ferro a e b. Os anéis a e b ao redor dos enrolamentos os cobrem quase inteiramente com armadura, portanto o transformador descrito é chamado de blindado. O fluxo magnético que passa dentro das bobinas c é dividido em duas partes iguais, cada uma delas encerrada em seu próprio anel de ferro.

Arroz. 3

O uso de circuitos magnéticos de ferro fechado em transformadores consegue uma redução significativa na corrente de fuga. Nesses transformadores, os fluxos conectados aos enrolamentos primário e secundário são quase iguais entre si. Se assumirmos que os enrolamentos primário e secundário são penetrados pelo mesmo fluxo magnético, podemos escrever expressões baseadas no choque induzido total para os valores instantâneos das forças eletromotrizes dos enrolamentos:

Nessas expressões, w1 e w2 - o número de voltas dos enrolamentos primário e secundário, e dFt é a magnitude da mudança no enrolamento penetrante do fluxo magnético por elemento de tempo dt, portanto, há uma taxa de mudança do fluxo magnético . Das últimas expressões, pode-se obter a seguinte relação:

ou seja indicadas nos enrolamentos primário e secundário / e // as forças eletromotrizes momentâneas estão relacionadas entre si da mesma forma que o número de voltas das bobinas. A última conclusão é válida não apenas com relação aos valores instantâneos das forças eletromotrizes, mas também com relação aos seus valores máximos e efetivos.

A força eletromotriz induzida no enrolamento primário, como força eletromotriz de auto-indução, equilibra quase completamente a tensão aplicada ao mesmo enrolamento... Se por E1 e U1 você indicar os valores efetivos da força eletromotriz do enrolamento primário e a tensão aplicada a ele, então você pode escrever:

A força eletromotriz induzida no enrolamento secundário, no caso em questão, é igual à tensão nas extremidades deste enrolamento.

Se, como o anterior, através de E2 e U2 você indicar os valores efetivos da força eletromotriz do enrolamento secundário e a tensão em suas extremidades, então você pode escrever:

Portanto, aplicando alguma tensão em um enrolamento do transformador, você pode obter qualquer tensão nas extremidades da outra bobina, basta fazer uma relação adequada entre o número de voltas dessas bobinas. Esta é a principal propriedade do transformador.

A relação entre o número de voltas do enrolamento primário e o número de voltas do enrolamento secundário é chamada taxa de transformação do transformador... Vamos denotar o coeficiente de transformação kT.

Portanto, pode-se escrever:

Um transformador cuja taxa de transformação é menor que um é chamado de transformador elevador, porque a tensão do enrolamento secundário, ou a chamada tensão secundária, é maior que a tensão do enrolamento primário, ou a chamada tensão primária . Um transformador com uma relação de transformação maior que um é chamado de transformador abaixador, pois sua tensão no secundário é menor que a do primário.

Operação de um transformador monofásico sob carga

Durante a marcha lenta do transformador, o fluxo magnético é criado pela corrente do enrolamento primário, ou melhor, pela força magnetomotriz do enrolamento primário. Como o circuito magnético do transformador é feito de ferro e, portanto, tem uma baixa resistência magnética, e o número de voltas do enrolamento primário é geralmente considerado grande, a corrente sem carga do transformador é pequena, é de 5- 10% do normal.

Se você fechar a bobina secundária a alguma resistência, com o aparecimento de corrente na bobina secundária, a força magnetomotriz dessa bobina também aparecerá.

De acordo com a lei de Lenz, a força magnetomotriz da bobina secundária atua contra a força magnetomotriz da bobina primária

Parece que o fluxo magnético neste caso deve diminuir, mas se uma tensão constante for aplicada ao enrolamento primário, quase não haverá diminuição no fluxo magnético.

De fato, a força eletromotriz induzida no enrolamento primário quando o transformador está carregado é quase igual à tensão aplicada. Esta força eletromotriz é proporcional ao fluxo magnético.Portanto, se a tensão primária for constante em magnitude, a força eletromotriz sob carga deve permanecer quase a mesma que durante a operação sem carga do transformador. Esta circunstância leva a constância quase completa do fluxo magnético sob qualquer carga.

Assim, a um valor constante da tensão primária, o fluxo magnético do transformador dificilmente muda com a mudança de carga e pode ser considerado igual ao fluxo magnético durante a operação sem carga.

O fluxo magnético do transformador pode manter seu valor sob carga apenas porque, à medida que uma corrente aparece no enrolamento secundário, a corrente no enrolamento primário também aumenta, tanto que a diferença entre as forças magnetomotrizes ou voltas de ampère do primário e do secundário enrolamentos permanece quase igual à força magnetomotriz ou ampere-voltas durante a marcha lenta ... Assim, o aparecimento de uma força magnetomotriz desmagnetizante ou ampere-voltas no enrolamento secundário é acompanhado por um aumento automático na força magnetomotriz do enrolamento primário.

Como, como mencionado acima, é necessária uma pequena força magnetomotriz para criar um fluxo magnético do transformador, pode-se dizer que um aumento na força magnetomotriz secundária é acompanhado por um aumento na força magnetomotriz primária, que é quase a mesma em magnitude.

Portanto, pode-se escrever:

A partir desta igualdade, obtém-se a segunda característica principal do transformador, ou seja, a relação:

onde kt é o fator de transformação.

Portanto, a relação entre as correntes dos enrolamentos primário e secundário do transformador é igual a um dividido pela relação de transformação.

Então, as principais características do transformador ter um relacionamento

e

Se multiplicarmos os lados esquerdos da relação um pelo outro e os lados direitos um pelo outro, obtemos

e

A última igualdade dá a terceira característica do transformador, que pode ser expressa em palavras como esta: a potência fornecida pelo enrolamento secundário do transformador em volt-ampères é quase igual à potência fornecida ao enrolamento primário também em volt-ampères .

Se ignorarmos as perdas de energia no cobre dos enrolamentos e no ferro do núcleo do transformador, podemos dizer que toda a energia fornecida ao enrolamento primário do transformador da fonte de energia é transferida para o enrolamento secundário, e o transmissor é o fluxo magnético.