Nguyên lý hoạt động và thiết bị của máy biến áp một pha

Máy biến áp không tải một pha

Máy biến áp trong kỹ thuật điện được gọi là thiết bị điện trong đó năng lượng dòng điện xoay chiều từ một cuộn dây cố định được truyền sang một cuộn dây cố định khác không được nối điện với cuộn dây đầu tiên.

Liên kết truyền năng lượng từ cuộn dây này sang cuộn dây kia là từ thông liên kết với hai cuộn dây và liên tục thay đổi về độ lớn và hướng.

Cơm. 1.

Trong bộ lễ phục. Hình 1a cho thấy máy biến áp đơn giản nhất bao gồm hai cuộn dây / và / / được bố trí đồng trục chồng lên nhau. Đến cuộn dây / giao Dòng điện xoay chiều từ máy phát điện xoay chiều D. Cuộn dây này gọi là cuộn sơ cấp hay cuộn sơ cấp. Với cuộn dây // được gọi là cuộn thứ cấp hoặc cuộn thứ cấp, một mạch được kết nối thông qua các máy thu năng lượng điện.

Nguyên lý hoạt động của máy biến áp

Hoạt động của máy biến áp như sau. Khi dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp / nó được tạo ra từ trường, các đường sức của chúng không chỉ xâm nhập vào cuộn dây đã tạo ra chúng mà còn xâm nhập một phần vào cuộn dây thứ cấp //. Một bức tranh gần đúng về sự phân bố các đường sức do cuộn sơ cấp tạo ra được thể hiện trong hình. 1b.

Như có thể thấy từ hình, tất cả các đường sức đều khép kín xung quanh các dây dẫn của cuộn dây /, nhưng một số đường sức trong hình. 1b, các dây dẫn điện 1, 2, 3, 4 cũng được quấn quanh dây của cuộn dây //. Như vậy cuộn dây // được ghép từ với cuộn dây / nhờ các đường sức từ.

Mức độ ghép từ của các cuộn dây / và //, với sự sắp xếp đồng trục của chúng, phụ thuộc vào khoảng cách giữa chúng: các cuộn dây càng cách xa nhau thì càng ít ghép từ giữa chúng, vì càng ít đường sức trên các cuộn dây. cuộn dây / dính vào cuộn dây //.

Vì cuộn dây / đi qua, như chúng ta giả sử, dòng điện xoay chiều một pha, tức là một dòng điện biến đổi theo thời gian theo một quy luật nào đó, chẳng hạn theo quy luật sin, thì từ trường do nó tạo ra cũng sẽ biến đổi theo thời gian theo quy luật đó.

Ví dụ, khi dòng điện trong cuộn dây / đi qua giá trị lớn nhất, thì từ thông do nó sinh ra cũng đi qua giá trị lớn nhất; khi dòng điện trong cuộn dây / đi qua số không, thay đổi hướng của nó, thì từ thông cũng đi qua số không, cũng thay đổi hướng của nó.

Do thay đổi dòng điện trong cuộn dây /, cả hai cuộn dây / và // đều bị từ thông xuyên qua, liên tục thay đổi giá trị và hướng của nó. Theo định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ, cứ mỗi sự thay đổi của từ thông xuyên qua cuộn dây thì trong cuộn dây xuất hiện một dòng điện xoay chiều. suất điện động… Trong trường hợp của chúng ta, suất điện động tự cảm ứng được tạo ra trong cuộn dây / và suất điện động cảm ứng lẫn nhau được tạo ra trong cuộn dây //.

Nếu các đầu của cuộn dây // được nối với một mạch thu năng lượng điện (xem Hình 1a), thì một dòng điện sẽ xuất hiện trong mạch này; do đó máy thu sẽ nhận được năng lượng điện. Đồng thời, năng lượng sẽ được dẫn đến cuộn dây / từ máy phát điện, gần bằng với năng lượng do cuộn dây // cấp cho mạch. Theo cách này, năng lượng điện từ một cuộn dây sẽ được truyền đến mạch của cuộn thứ hai, hoàn toàn không liên quan đến cuộn dây thứ nhất về mặt điện (kim loại), trong trường hợp này, phương tiện truyền năng lượng chỉ là một từ thông xoay chiều.

Thể hiện trong hình. Trong hình 1a, máy biến áp rất không hoàn hảo vì có rất ít liên kết từ giữa cuộn sơ cấp /và cuộn thứ cấp //.

Sự ghép từ của hai cuộn dây, nói chung, được ước tính bằng tỷ số giữa từ thông ghép với hai cuộn dây với từ thông do một cuộn dây tạo ra.

Quả sung. Trong hình 1b, có thể thấy rằng chỉ một phần đường sức của cuộn dây / được đóng quanh cuộn dây //. Phần còn lại của đường dây điện (trong Hình 1b — đường 6, 7, 8) chỉ được đóng xung quanh cuộn dây /. Những đường dây điện này hoàn toàn không tham gia vào việc truyền năng lượng điện từ cuộn thứ nhất sang cuộn thứ hai, chúng tạo thành cái gọi là trường đi lạc.

Để tăng khả năng ghép từ giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp, đồng thời giảm điện trở từ cho từ thông đi qua, các cuộn dây của máy biến áp kỹ thuật được đặt trên các lõi sắt kín hoàn toàn.

Ví dụ đầu tiên về việc thực hiện máy biến áp được thể hiện dưới dạng sơ đồ trong hình. 2 máy biến áp một pha của cái gọi là loại thanh. Các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp c1 và c2 của nó được đặt trên các thanh sắt a — a, được nối ở hai đầu bằng các tấm sắt b — b, gọi là các chạc. Theo cách này, hai thanh a, a và hai chạc b, b tạo thành một vòng sắt kín, trong đó từ thông bị chặn bởi cuộn sơ cấp và thứ cấp đi qua. Vòng sắt này được gọi là lõi của máy biến áp.

Cơm. 2.

Phương án thứ hai của máy biến áp được thể hiện dưới dạng sơ đồ trong hình. 3 máy biến áp một pha được gọi là loại bọc thép. Trong máy biến áp này, cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp c, mỗi cuộn bao gồm một hàng cuộn phẳng, được đặt trên một lõi tạo bởi hai thanh của hai vòng sắt a và b. Các vòng a và b xung quanh cuộn dây bao phủ chúng gần như hoàn toàn bằng áo giáp, do đó máy biến áp được mô tả được gọi là bọc thép. Từ thông chạy qua bên trong cuộn dây c được chia thành hai phần bằng nhau, mỗi phần được bao trong vòng sắt riêng.

Cơm. 3

Việc sử dụng các mạch từ sắt kín trong máy biến áp giúp giảm đáng kể dòng điện rò rỉ. Trong những máy biến áp như vậy, từ thông nối với cuộn sơ cấp và thứ cấp gần như bằng nhau. Nếu chúng ta giả sử rằng các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp được xuyên qua bởi cùng một từ thông, thì chúng ta có thể viết các biểu thức dựa trên tổng xung gây ra cho các giá trị tức thời của các suất điện động của các cuộn dây:

Trong các biểu thức này, w1 và w2 — số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp, và dFt là độ lớn của sự thay đổi trong cuộn dây xuyên thấu của từ thông trên mỗi phần tử thời gian dt, do đó có tốc độ thay đổi của từ thông . Từ các biểu thức cuối cùng, có thể thu được mối quan hệ sau:

I E. biểu thị ở cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp / và // các suất điện động nhất thời có quan hệ với nhau giống như số vòng dây của cuộn dây. Kết luận cuối cùng có giá trị không chỉ đối với các giá trị tức thời của các suất điện động mà còn đối với các giá trị hiệu dụng và lớn nhất của chúng.

Suất điện động cảm ứng ở cuộn sơ cấp, với tư cách là suất điện động tự cảm ứng, gần như cân bằng hoàn toàn với điện áp đặt vào cùng một cuộn dây... Nếu bằng E1 và U1, bạn chỉ ra các giá trị hiệu dụng của suất điện động của cuộn sơ cấp và điện áp đặt vào nó, thì bạn có thể viết:

Suất điện động cảm ứng ở cuộn thứ cấp trong trường hợp đang xét bằng hiệu điện thế ở hai đầu cuộn này.

Nếu, giống như phần trước, thông qua E2 và U2, bạn chỉ ra các giá trị hiệu dụng của suất điện động của cuộn thứ cấp và điện áp ở hai đầu của nó, thì bạn có thể viết:

Do đó, bằng cách đặt một số điện áp vào một cuộn dây của máy biến áp, bạn có thể nhận được bất kỳ điện áp nào ở hai đầu của cuộn dây kia, bạn chỉ cần lấy một tỷ lệ phù hợp giữa số vòng dây của các cuộn dây này. Đây là tài sản chính của máy biến áp.

Tỉ số giữa số vòng dây cuộn sơ cấp với số vòng dây cuộn thứ cấp gọi là tỷ số biến đổi của máy biến áp... Ta sẽ ký hiệu là hệ số biến đổi kT.

Do đó, người ta có thể viết:

Một máy biến áp có tỷ số biến đổi nhỏ hơn một được gọi là máy biến áp tăng áp, bởi vì điện áp của cuộn thứ cấp, hay còn gọi là điện áp thứ cấp, lớn hơn điện áp của cuộn sơ cấp, hay còn gọi là điện áp sơ cấp . Một máy biến áp có tỷ số biến đổi lớn hơn một được gọi là máy biến áp giảm áp, vì điện áp thứ cấp của nó nhỏ hơn điện áp sơ cấp.

Vận hành máy biến áp một pha có tải

Trong quá trình chạy không tải của máy biến áp, từ thông được tạo ra bởi dòng điện cuộn sơ cấp hay đúng hơn là sức từ động của cuộn sơ cấp. Do mạch từ của máy biến áp được làm bằng sắt nên có điện trở từ thấp, và số vòng dây của cuộn sơ cấp thường được coi là lớn, nên dòng điện không tải của máy biến áp nhỏ, nó là 5- 10% bình thường.

Nếu bạn đóng cuộn thứ cấp vào một điện trở nào đó, thì với sự xuất hiện của dòng điện trong cuộn thứ cấp, sức từ động của cuộn này cũng sẽ xuất hiện.

Theo định luật Lenz, sức từ động của cuộn thứ cấp tác dụng lên sức từ động của cuộn sơ cấp

Có vẻ như từ thông trong trường hợp này sẽ giảm, nhưng nếu một điện áp không đổi được đặt vào cuộn sơ cấp, thì từ thông sẽ hầu như không giảm.

Trên thực tế, suất điện động cảm ứng ở cuộn sơ cấp khi máy biến áp mang tải gần như bằng điện áp đặt vào. Suất điện động này tỉ lệ thuận với từ thông.Do đó, nếu điện áp sơ cấp có độ lớn không đổi, thì suất điện động dưới tải sẽ gần như giữ nguyên như trong quá trình vận hành không tải của máy biến áp. Trường hợp này dẫn đến sự không đổi gần như hoàn toàn của từ thông dưới bất kỳ tải nào.

Như vậy, ở giá trị điện áp sơ cấp không đổi, từ thông của máy biến áp hầu như không thay đổi theo sự thay đổi của tải và có thể coi như bằng với từ thông khi vận hành không tải.

Từ thông của máy biến áp chỉ có thể duy trì giá trị của nó khi có tải vì khi dòng điện xuất hiện trong cuộn thứ cấp, dòng điện trong cuộn sơ cấp cũng tăng lên, đến mức chênh lệch giữa lực từ động hoặc ampe vòng của cuộn sơ cấp và thứ cấp cuộn dây gần như bằng với lực từ hoặc ampe quay trong khi chạy không tải ... Do đó, sự xuất hiện của lực từ khử từ hoặc ampe quay trong cuộn thứ cấp đi kèm với sự gia tăng tự động lực từ của cuộn sơ cấp.

Vì, như đã đề cập ở trên, cần có một lực từ nhỏ để tạo ra từ thông máy biến áp, nên có thể nói rằng sự gia tăng sức từ động thứ cấp đi kèm với sự gia tăng sức từ động sơ cấp, gần như giống nhau về độ lớn.

Do đó, người ta có thể viết:

Từ sự bình đẳng này, đặc tính chính thứ hai của máy biến áp thu được, cụ thể là tỷ lệ:

trong đó kt là hệ số biến đổi.

Do đó, tỷ lệ dòng điện của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp của máy biến áp bằng một chia cho tỷ số biến đổi.

Vì thế, các đặc điểm chính của máy biến áp có một mối quan hệ

Và

Nếu chúng ta nhân các vế trái của mối quan hệ với nhau và các vế phải với nhau, ta được

Và

Đẳng thức cuối cùng mang lại đặc tính thứ ba của máy biến áp, có thể diễn đạt bằng những từ như sau: công suất do cuộn thứ cấp của máy biến áp cung cấp tính bằng vôn-ampe gần bằng với công suất cung cấp cho cuộn sơ cấp cũng tính bằng vôn-ampe .

Nếu chúng ta bỏ qua tổn thất năng lượng trong đồng của cuộn dây và trong sắt của lõi máy biến áp, thì chúng ta có thể nói rằng tất cả năng lượng cung cấp cho cuộn sơ cấp của máy biến áp từ nguồn điện được chuyển sang cuộn thứ cấp của nó và máy phát là từ thông.