Prinsip operasi dan perangkat transformator fase tunggal

Transformator tanpa beban satu fasa

Transformator dalam teknik kelistrikan disebut perangkat listrik di mana energi listrik arus bolak-balik dari satu kumparan kawat tetap ditransfer ke kumparan kawat tetap lainnya yang tidak terhubung secara elektrik ke yang pertama.

Tautan yang mentransmisikan energi dari satu kumparan ke kumparan lainnya adalah fluks magnet, yang saling mengunci dengan dua kumparan dan terus berubah besar dan arahnya.

Beras. 1.

Dalam gambar. 1a menunjukkan trafo paling sederhana yang terdiri dari dua belitan / dan / / disusun secara koaksial satu di atas yang lain. Ke koil / dikirim arus bolak-balik dari alternator D. Belitan ini disebut belitan primer atau belitan primer. Dengan belitan // disebut belitan sekunder atau belitan sekunder, rangkaian dihubungkan melalui penerima energi listrik.

Prinsip pengoperasian transformator

Tindakan transformator adalah sebagai berikut. Ketika arus mengalir di belitan primer / itu dibuat Medan gaya, garis-garis gaya yang menembus tidak hanya ke dalam belitan yang membuatnya, tetapi juga sebagian ke dalam belitan sekunder //. Gambar perkiraan distribusi garis gaya yang dibuat oleh belitan primer ditunjukkan pada Gambar. 1b.

Seperti dapat dilihat dari gambar, semua garis gaya ditutup di sekitar konduktor kumparan /, tetapi beberapa di antaranya pada gambar. 1b, kabel listrik 1, 2, 3, 4 juga ditutup di sekitar kabel kumparan //. Jadi kumparan // digabungkan secara magnetis ke kumparan / melalui garis medan magnet.

Tingkat kopling magnetik kumparan / dan //, dengan pengaturan koaksialnya, bergantung pada jarak di antara keduanya: semakin jauh kumparan dari satu sama lain, semakin sedikit kopling magnet di antara keduanya, karena semakin sedikit garis gaya pada koil / menempel pada koil //.

Karena koil / melewati, seperti yang kita asumsikan, arus bolak-balik satu fasa, yaitu arus yang berubah seiring waktu menurut beberapa hukum, misalnya menurut hukum sinus, maka medan magnet yang diciptakannya juga akan berubah seiring waktu menurut hukum yang sama.

Misalnya, ketika arus dalam kumparan / melewati nilai terbesar, maka fluks magnet yang dihasilkannya juga melewati nilai terbesar; ketika arus dalam kumparan / melewati nol, mengubah arahnya, maka fluks magnet juga melewati nol, juga mengubah arahnya.

Akibat perubahan arus pada kumparan /, kedua kumparan / dan // ditembus oleh fluks magnet, yang secara konstan mengubah nilai dan arahnya. Menurut hukum dasar induksi elektromagnetik, untuk setiap perubahan fluks magnet yang menembus kumparan, arus bolak-balik diinduksi dalam kumparan. gaya gerak listrik… Dalam kasus kami, gaya gerak listrik dari induksi diri diinduksi dalam kumparan /, dan gaya gerak listrik dari induksi timbal balik diinduksi dalam kumparan //.

Jika ujung kumparan // dihubungkan ke rangkaian penerima energi listrik (lihat Gambar 1a), maka arus akan muncul di rangkaian ini; oleh karena itu penerima akan menerima daya listrik. Pada saat yang sama, energi akan diarahkan ke belitan / dari generator, hampir sama dengan energi yang diberikan ke rangkaian oleh belitan //. Dengan cara ini, energi listrik dari satu kumparan akan ditransmisikan ke rangkaian kumparan kedua, yang sama sekali tidak berhubungan dengan kumparan pertama secara galvanis (logam), dalam hal ini sarana transmisi energi hanyalah fluks magnet bolak-balik.

Ditunjukkan dalam gambar. 1a, transformator sangat tidak sempurna karena terdapat sedikit kopling magnet antara belitan primer / dan belitan sekunder //.

Kopling magnetik dua kumparan, secara umum, diperkirakan dengan rasio fluks magnet yang digabungkan ke dua kumparan dengan fluks yang dibuat oleh satu kumparan.

Ara. 1b, terlihat bahwa hanya sebagian dari garis-garis medan kumparan / yang tertutup mengelilingi kumparan //. Bagian lain dari saluran listrik (pada Gambar 1b - saluran 6, 7, 8) ditutup hanya di sekitar kumparan /. Saluran listrik ini sama sekali tidak terlibat dalam transfer energi listrik dari kumparan pertama ke kumparan kedua, mereka membentuk apa yang disebut medan liar.

Untuk meningkatkan kopling magnet antara belitan primer dan sekunder dan pada saat yang sama untuk mengurangi hambatan magnet untuk aliran fluks magnet, belitan transformator teknis ditempatkan pada inti besi yang tertutup sepenuhnya.

Contoh pertama implementasi transformer ditunjukkan secara skematis pada gambar. 2 trafo fase tunggal yang disebut tipe batang. Kumparan primer dan sekundernya c1 dan c2 terletak pada batang besi a — a, yang ujungnya dihubungkan dengan pelat besi b — b, disebut kuk. Dengan cara ini, dua batang a, a dan dua kuk b, b membentuk cincin besi tertutup, yang melewati fluks magnet yang diblokir oleh belitan primer dan sekunder. Cincin besi ini disebut inti transformator.

Beras. 2.

Perwujudan kedua dari transformer ditunjukkan secara skematis pada gambar. 3 trafo fase tunggal dari apa yang disebut tipe lapis baja. Pada transformator ini lilitan primer dan sekunder c, masing-masing terdiri dari deretan lilitan datar, diletakkan pada inti yang dibentuk oleh dua batang dua cincin besi a dan b. Cincin a dan b yang mengelilingi belitan menutupi hampir seluruhnya dengan baju besi, oleh karena itu trafo yang dijelaskan disebut lapis baja. Fluks magnet yang lewat di dalam kumparan c dibagi menjadi dua bagian yang sama, yang masing-masing diapit oleh cincin besinya sendiri.

Beras. 3

Penggunaan sirkuit magnetik besi tertutup pada transformator mencapai pengurangan arus bocor yang signifikan. Dalam transformator seperti itu, fluks yang terhubung ke belitan primer dan sekunder hampir sama satu sama lain. Jika kita mengasumsikan bahwa belitan primer dan sekunder ditembus oleh fluks magnet yang sama, kita dapat menulis ekspresi berdasarkan total kejutan yang diinduksi untuk nilai sesaat gaya gerak listrik belitan:

Dalam ungkapan ini, w1 dan w2 — jumlah belitan belitan primer dan sekunder, dan dFt adalah besarnya perubahan belitan tembus fluks magnet per elemen waktu dt, oleh karena itu ada laju perubahan fluks magnet . Dari ekspresi terakhir, hubungan berikut dapat diperoleh:

yaitu ditunjukkan pada belitan primer dan sekunder / dan // gaya gerak listrik sesaat terkait satu sama lain dengan cara yang sama seperti jumlah belitan kumparan. Kesimpulan terakhir valid tidak hanya sehubungan dengan nilai sesaat gaya gerak listrik, tetapi juga sehubungan dengan nilai terbesar dan efektifnya.

Gaya gerak listrik yang diinduksi pada belitan primer, sebagai gaya gerak listrik induksi sendiri, hampir sepenuhnya menyeimbangkan tegangan yang diterapkan pada belitan yang sama... Jika dengan E1 dan U1 Anda menunjukkan nilai efektif gaya gerak listrik gulungan primer dan tegangan yang diterapkan padanya, maka Anda dapat menulis:

Gaya gerak listrik yang diinduksi pada belitan sekunder, dalam kasus yang dipertimbangkan, sama dengan tegangan pada ujung belitan ini.

Jika, seperti yang sebelumnya, melalui E2 dan U2 Anda menunjukkan nilai efektif gaya gerak listrik belitan sekunder dan tegangan pada ujungnya, maka Anda dapat menulis:

Oleh karena itu, dengan menerapkan beberapa tegangan ke satu belitan transformator, Anda dapat memperoleh tegangan apa pun di ujung kumparan lainnya, Anda hanya perlu mengambil rasio yang sesuai antara jumlah belitan kumparan ini. Inilah properti utama transformator.

Rasio jumlah belitan belitan primer dengan jumlah belitan belitan sekunder disebut rasio transformasi transformator... Kami akan menunjukkan koefisien transformasi kT.

Oleh karena itu, seseorang dapat menulis:

Trafo yang rasio transformasinya kurang dari satu disebut trafo step-up, karena tegangan belitan sekunder, atau yang disebut tegangan sekunder, lebih besar dari tegangan belitan primer, atau yang disebut tegangan primer. . Trafo dengan rasio transformasi lebih besar dari satu disebut trafo step-down, karena tegangan sekundernya lebih kecil dari primer.

Pengoperasian transformator fase tunggal di bawah beban

Selama pemalasan transformator, fluks magnet diciptakan oleh arus belitan primer atau lebih tepatnya oleh gaya gerak magnet dari belitan primer. Karena sirkuit magnetik trafo terbuat dari besi dan oleh karena itu memiliki resistansi magnet yang rendah, dan jumlah belitan primer umumnya dianggap besar, arus tanpa beban trafo kecil, yaitu 5- 10% dari biasanya.

Jika Anda menutup kumparan sekunder ke suatu hambatan, maka dengan munculnya arus pada kumparan sekunder, gaya gerak magnet kumparan ini juga akan muncul.

Menurut hukum Lenz, gaya gerak magnet kumparan sekunder bekerja melawan gaya gerak magnet kumparan primer.

Tampaknya fluks magnet dalam hal ini akan berkurang, tetapi jika tegangan konstan diterapkan ke belitan primer, maka hampir tidak ada penurunan fluks magnet.

Faktanya, gaya gerak listrik yang diinduksi pada belitan primer ketika transformator dibebani hampir sama dengan tegangan yang diberikan. Gaya gerak listrik ini sebanding dengan fluks magnet.Oleh karena itu, jika tegangan primer besarnya konstan, maka gaya gerak listrik di bawah beban harus tetap hampir sama seperti selama operasi trafo tanpa beban. Keadaan ini menyebabkan keteguhan fluks magnet yang hampir sempurna di bawah beban apa pun.

Jadi, pada nilai tegangan primer yang konstan, fluks magnet transformator hampir tidak berubah dengan perubahan beban dan dapat diasumsikan sama dengan fluks magnet selama operasi tanpa beban.

Fluks magnet transformator dapat mempertahankan nilainya di bawah beban hanya karena saat arus muncul di belitan sekunder, arus di belitan primer juga meningkat, sedemikian rupa sehingga perbedaan antara gaya gerak magnet atau belitan ampere primer dan sekunder belitan tetap hampir sama dengan gaya gerak magnet atau belitan ampere selama pemalasan ... Dengan demikian, munculnya gaya gerak magnet demagnetisasi atau belitan ampere pada belitan sekunder disertai dengan peningkatan otomatis gaya gerak magnet belitan primer.

Karena, seperti disebutkan di atas, gaya gerak magnet kecil diperlukan untuk membuat fluks magnet transformator, dapat dikatakan bahwa peningkatan gaya gerak magnet sekunder disertai dengan peningkatan gaya gerak magnet primer, yang besarnya hampir sama.

Oleh karena itu, seseorang dapat menulis:

Dari persamaan tersebut diperoleh ciri utama kedua dari trafo yaitu perbandingan :

di mana kt adalah faktor transformasi.

Oleh karena itu, rasio arus belitan primer dan sekunder transformator sama dengan satu dibagi dengan rasio transformasi.

Jadi, karakteristik utama transformator memiliki hubungan

Dan

Jika kita mengalikan ruas kiri hubungan dengan satu sama lain dan ruas kanan dengan satu sama lain, kita dapatkan

Dan

Persamaan terakhir memberikan karakteristik ketiga dari transformator, yang dapat dinyatakan dengan kata-kata seperti ini: daya yang disalurkan oleh belitan sekunder transformator dalam volt-ampere hampir sama dengan daya yang disalurkan ke belitan primer juga dalam volt-ampere .

Jika kita mengabaikan kehilangan energi pada tembaga belitan dan pada besi inti transformator, maka kita dapat mengatakan bahwa semua daya yang disuplai ke belitan primer transformator dari sumber daya ditransfer ke belitan sekundernya, dan pemancar adalah fluks magnet.