Ας πάρουμε ένα πηνίο με σιδηρομαγνητικό πυρήνα και αφαιρέσουμε την ωμική αντίσταση της περιέλιξης ως ξεχωριστό στοιχείο όπως φαίνεται στο σχήμα 1.
Εικόνα 1. Επαγωγέας με σιδηρομαγνητικό πυρήνα
Όταν εφαρμόζεται εναλλασσόμενη τάση ec στο πηνίο, σύμφωνα με το νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, προκύπτει ένα EMF αυτοεπαγωγής e L.
(1) όπου ψ
- σύνδεση ροής, W- τον αριθμό των στροφών στην περιέλιξη, φάείναι η κύρια μαγνητική ροή. Παραμελούμε τη ροή διασποράς. Η τάση που εφαρμόζεται στο πηνίο και το επαγόμενο EMF είναι ισορροπημένα. Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο Kirchhoff για το κύκλωμα εισόδου, μπορούμε να γράψουμε:
e c + e L = i × Rανταλλαγή, (2)όπου R obm - ενεργή αντίσταση της περιέλιξης.
Επειδή η e L >> i × Rανταλλαγή, τότε παραμελούμε την πτώση τάσης στην ωμική αντίσταση, τότε e c ≈ −e L. Εάν η τάση του δικτύου είναι αρμονική, e c = E m cosω t, έπειτα:
(3)
Ας βρούμε τη μαγνητική ροή από αυτόν τον τύπο. Για να γίνει αυτό, μεταφέρουμε τον αριθμό των στροφών στην περιέλιξη στην αριστερή πλευρά και τη μαγνητική ροή Ф στα δεξιά:
(4)
Τώρα ας πάρουμε αόριστο ολοκλήρωμααπό τη δεξιά και την αριστερή πλευρά:
(5)Δεδομένου ότι θεωρούμε ότι το μαγνητικό κύκλωμα είναι γραμμικό, μόνο αρμονικό ρεύμα ρέει στο κύκλωμα και δεν υπάρχει μόνιμος μαγνήτης ή σταθερή συνιστώσα της μαγνητικής ροής, τότε η σταθερά ολοκλήρωσης c \u003d 0. Τότε το κλάσμα μπροστά από το ημίτονο είναι το πλάτος της μαγνητικής ροής
(6)από όπου εκφράζουμε το πλάτος του EMF εισόδου
E m =φά m × W &χρόνοι ω (7)Η αποτελεσματική του αξία είναι
(8) (9)Η έκφραση (9) ονομάζεται ο βασικός τύπος του EMF του μετασχηματιστή, το οποίο ισχύει μόνο για αρμονική τάση. Με μια μη αρμονική τάση, τροποποιείται και εισάγεται ο λεγόμενος συντελεστής σχήματος, ίσος με τον λόγο της πραγματικής τιμής προς το μέσο όρο:
(10)
Βρείτε τον παράγοντα σχήματος για ένα αρμονικό σήμα, ενώ η μέση τιμή βρίσκεται στο διάστημα από 0 έως π/2
(11)
Τότε ο παράγοντας μορφής είναι 
και ο βασικός τύπος του EMF του μετασχηματιστή παίρνει την τελική μορφή:
Αν το σήμα είναι ακολουθία ορθογώνιους παλμούςτης ίδιας διάρκειας (μαίανδρος), τότε το πλάτος, οι πραγματικές και οι μέσες τιμές για το ήμισυ της περιόδου είναι ίσα μεταξύ τους και κ f = 1. Μπορείτε να βρείτε τον παράγοντα μορφής για άλλα σήματα. Ο βασικός τύπος για το EMF του μετασχηματιστή θα ισχύει.
Ας φτιάξουμε ένα διανυσματικό διάγραμμα ενός πηνίου με σιδηρομαγνητικό πυρήνα. Με μια ημιτονοειδή τάση στους ακροδέκτες του πηνίου, η μαγνητική του ροή είναι επίσης ημιτονοειδής και καθυστερεί την τάση στη φάση κατά μια γωνία π / 2, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.
Συνεχίζουμε τη γνωριμία μας με ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΑκαι σε αυτό το άρθρο θα εξετάσουμε συσκευή και αρχή λειτουργίας του μετασχηματιστή.
Οι μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται ευρέως στη ραδιοφωνική και ηλεκτρική μηχανική και χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση και διανομή ηλεκτρικής ενέργειας σε δίκτυα ισχύος, για τροφοδοσία κυκλωμάτων ραδιοεξοπλισμού, σε συσκευές μετατροπέων, ως μετασχηματιστές συγκόλλησης κ.λπ.
Μετασχηματιστήςσχεδιασμένο να μετατρέπει την εναλλασσόμενη τάση ενός μεγέθους σε AC τάσηάλλο μέγεθος.
Στις περισσότερες περιπτώσεις, ο μετασχηματιστής αποτελείται από ένα κλειστό μαγνητικό κύκλωμα (πυρήνα) με δύο (περιελίξεις) που βρίσκονται πάνω του, που δεν συνδέονται ηλεκτρικά μεταξύ τους. Το μαγνητικό κύκλωμα είναι κατασκευασμένο από σιδηρομαγνητικό υλικό και οι περιελίξεις τυλίγονται με μονωμένο χάλκινο σύρμα και τοποθετούνται στο μαγνητικό κύκλωμα.
Ένα τύλιγμα συνδέεται με την πηγή εναλλασσόμενο ρεύμακαι κάλεσε πρωταρχικός(I), η τάση αφαιρείται από την άλλη περιέλιξη για να τροφοδοτήσει το φορτίο και καλείται η περιέλιξη δευτερεύων(II). Μια σχηματική διάταξη ενός απλού μετασχηματιστή με δύο περιελίξεις φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.
1. Η αρχή λειτουργίας του μετασχηματιστή.
Η αρχή λειτουργίας του μετασχηματιστή βασίζεται φαινόμενο ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής.
Εάν εφαρμόζεται εναλλασσόμενη τάση στο πρωτεύον τύλιγμα U1, τότε ένα εναλλασσόμενο ρεύμα θα ρέει μέσα από τις στροφές της περιέλιξης io, που γύρω από την περιέλιξη και στο μαγνητικό κύκλωμα θα δημιουργήσει εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο. Το μαγνητικό πεδίο σχηματίζει μια μαγνητική ροή Fo, το οποίο, περνώντας από το μαγνητικό κύκλωμα, διασχίζει τις στροφές των πρωτευόντων και δευτερευόντων περιελίξεων και προκαλεί (επάγει) μεταβλητό EMF σε αυτά - ε1και ε2. Και αν συνδέσετε ένα βολτόμετρο στους ακροδέκτες της δευτερεύουσας περιέλιξης, θα δείξει την παρουσία τάσης εξόδου U2, το οποίο θα είναι περίπου ίσο με το επαγόμενο emf ε2.
Όταν συνδέεται με τη δευτερεύουσα περιέλιξη ενός φορτίου, για παράδειγμα, μια λάμπα πυρακτώσεως, εμφανίζεται ένα ρεύμα στην κύρια περιέλιξη Ι1, που σχηματίζει μια εναλλασσόμενη μαγνητική ροή στο μαγνητικό κύκλωμα F1αλλάζει με την ίδια συχνότητα με το ρεύμα Ι1. Υπό την επίδραση μιας εναλλασσόμενης μαγνητικής ροής, προκύπτει ρεύμα στο δευτερεύον κύκλωμα περιέλιξης Ι2, η οποία με τη σειρά της δημιουργεί μια αντίθετη μαγνητική ροή σύμφωνα με το νόμο του Lenz F2, επιδιώκοντας να απομαγνητίσει τη μαγνητική ροή που τη δημιουργεί.
Ως αποτέλεσμα της απομαγνητιστικής δράσης της ροής F2Η μαγνητική ροή είναι εγκατεστημένη στο μαγνητικό κύκλωμα Foίση με τη διαφορά ροής F1και F2και είναι μέρος της ροής F1, δηλ.
Προκύπτουσα μαγνητική ροή Foεξασφαλίζει τη μεταφορά της μαγνητικής ενέργειας από το πρωτεύον τύλιγμα στο δευτερεύον και προκαλεί ηλεκτροκινητική δύναμη στο δευτερεύον τύλιγμα ε2, υπό την επίδραση του οποίου ρέει ρεύμα στο δευτερεύον κύκλωμα Ι2. Λόγω της παρουσίας μαγνητικής ροής Foκαι υπάρχει ρεύμα Ι2, που θα είναι όσο περισσότερα, τόσο περισσότερα Fo. Αλλά ταυτόχρονα, τόσο πιο επίκαιρο Ι2, τόσο μεγαλύτερη είναι η αντίθετη ροή F2και επομένως λιγότερο Fo.
Από όσα ειπώθηκαν, προκύπτει ότι για ορισμένες τιμές της μαγνητικής ροής F1και αντίσταση δευτερεύουσα περιέλιξηκαι φορτίαορίζονται οι κατάλληλες τιμές EMF ε2, ρεύμα Ι2και ροή F2, παρέχοντας την ισορροπία των μαγνητικών ροών στο μαγνητικό κύκλωμα, που εκφράζεται με τον παραπάνω τύπο.
Έτσι, η διαφορά ροής F1και F2δεν μπορεί να είναι ίση με το μηδέν, αφού σε αυτήν την περίπτωση δεν θα υπήρχε κύριο νήμα Fo, και χωρίς αυτό δεν θα μπορούσε να υπάρξει ρεύμα F2και ρεύμα Ι2. Επομένως, η μαγνητική ροή F1, που δημιουργείται από το πρωτεύον ρεύμα Ι1, πάντα περισσότερη μαγνητική ροή F2που παράγεται από το δευτερεύον ρεύμα Ι2.
Το μέγεθος της μαγνητικής ροής εξαρτάται από το ρεύμα που τη δημιουργεί και από τον αριθμό των στροφών της περιέλιξης από την οποία διέρχεται.
Η τάση της δευτερεύουσας περιέλιξης εξαρτάται από ο λόγος του αριθμού των στροφών στις περιελίξεις. Με τον ίδιο αριθμό στροφών, η τάση στο δευτερεύον τύλιγμα θα είναι περίπου ίση με την τάση που παρέχεται στο πρωτεύον τύλιγμα και ένας τέτοιος μετασχηματιστής ονομάζεται διαίρεση.
Εάν το δευτερεύον τύλιγμα περιέχει περισσότερες στροφές από το πρωτεύον, τότε θα είναι η τάση που αναπτύσσεται σε αυτό περισσότερη έντασητροφοδοτείται στο πρωτεύον τύλιγμα και ονομάζεται ένας τέτοιος μετασχηματιστής ανύψωση.
Εάν το δευτερεύον τύλιγμα περιέχει λιγότερες στροφές από το πρωτεύον, τότε η τάση του θα είναι μικρότερη από την τάση που παρέχεται στο πρωτεύον τύλιγμα και ένας τέτοιος μετασχηματιστής ονομάζεται χαμηλώνοντας.
Συνεπώς. Επιλέγοντας τον αριθμό των στροφών των περιελίξεων, σε μια δεδομένη τάση εισόδου U1πάρουν αυτό που θέλουν τάση εξόδου U2. Για να γίνει αυτό, χρησιμοποιούν ειδικές μεθόδους για τον υπολογισμό των παραμέτρων των μετασχηματιστών, με τη βοήθεια των οποίων υπολογίζονται οι περιελίξεις, επιλέγεται η διατομή των συρμάτων, προσδιορίζεται ο αριθμός των στροφών, καθώς και το πάχος και ο τύπος του μαγνητικό κύκλωμα.
Ο μετασχηματιστής μπορεί να λειτουργήσει μόνο σε κυκλώματα AC. Εάν η κύρια περιέλιξή του είναι συνδεδεμένη σε μια πηγή συνεχές ρεύμα, τότε στο μαγνητικό κύκλωμα σχηματίζεται μαγνητική ροή που είναι σταθερή στο χρόνο, σε μέγεθος και κατεύθυνση. Σε αυτή την περίπτωση, δεν θα προκληθεί εναλλασσόμενη τάση στις πρωτεύουσες και δευτερεύουσες περιελίξεις και επομένως, η ηλεκτρική ενέργεια δεν θα μεταφερθεί από το πρωτεύον κύκλωμα στο δευτερεύον. Ωστόσο, εάν ένα παλμικό ρεύμα ρέει στο πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή, τότε θα προκληθεί μια εναλλασσόμενη τάση στο δευτερεύον τύλιγμα, η συχνότητα της οποίας θα είναι ίση με τη συχνότητα του κυματισμού ρεύματος στο πρωτεύον τύλιγμα.
2. Συσκευή μετασχηματιστή.
2.1. Μαγνητικός πυρήνας. μαγνητικά υλικά.
Σκοπός μαγνητικός πυρήναςείναι η δημιουργία μιας κλειστής διαδρομής για τη μαγνητική ροή, η οποία έχει ελάχιστη μαγνητική αντίσταση. Επομένως, τα μαγνητικά κυκλώματα για μετασχηματιστές κατασκευάζονται από υλικά με υψηλή μαγνητική διαπερατότητα σε ισχυρά εναλλασσόμενα μαγνητικά πεδία. Τα υλικά πρέπει να έχουν χαμηλές απώλειες δινορευμάτων ώστε να μην υπερθερμανθεί το μαγνητικό κύκλωμα σε αρκετά υψηλές τιμές μαγνητικής επαγωγής, να είναι αρκετά φθηνά και να μην απαιτούν πολύπλοκη μηχανική και θερμική επεξεργασία.
Μαγνητικά υλικά, που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μαγνητικών πυρήνων, παράγονται με τη μορφή χωριστών φύλλων ή με τη μορφή μακριών ταινιών ορισμένου πάχους και πλάτους και ονομάζονται ηλεκτρικοί χάλυβες.
Οι χάλυβες φύλλων (GOST 802-58) παράγονται με θερμή και ψυχρή έλαση, οι χάλυβες λωρίδων με προσανατολισμό κόκκων (GOST 9925-61) παράγονται μόνο με ψυχρή έλαση.
Χρησιμοποιούνται επίσης κράματα σιδήρου-νικελίου με υψηλή μαγνητική διαπερατότητα, για παράδειγμα, permalloy, permindur κ.λπ. (GOST 10160-62) και μαγνητικά μαλακοί φερρίτες χαμηλής συχνότητας.
Για την κατασκευή μιας ποικιλίας από σχετικά φθηνούς μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται ευρέως ηλεκτρικοί χάλυβες, έχοντας χαμηλό κόστος και επιτρέποντας στον μετασχηματιστή να λειτουργεί τόσο με συνεχή μαγνήτιση του μαγνητικού κυκλώματος, όσο και χωρίς αυτό. Οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενοι χάλυβες ψυχρής έλασης η καλύτερη επίδοσησε σύγκριση με τους χάλυβες θερμής έλασης.
Κράματα με υψηλή μαγνητική διαπερατότηταχρησιμοποιείται για την κατασκευή παλμικών μετασχηματιστών και μετασχηματιστών σχεδιασμένων να λειτουργούν σε υψηλές και υψηλές συχνότητες 50 - 100 kHz.
Το μειονέκτημα τέτοιων κραμάτων είναι το υψηλό τους κόστος. Έτσι, για παράδειγμα, το κόστος του permalloy είναι 10-20 φορές υψηλότερο από το κόστος του ηλεκτρικού χάλυβα και το permendur είναι 150 φορές υψηλότερο. Ωστόσο, σε ορισμένες περιπτώσεις, η χρήση τους μπορεί να μειώσει σημαντικά το βάρος, τον όγκο, ακόμη και το συνολικό κόστος του μετασχηματιστή.
Το άλλο μειονέκτημά τους είναι η ισχυρή επιρροή στη μαγνητική διαπερατότητα της μόνιμης προκατάληψης, των εναλλασσόμενων μαγνητικών πεδίων, καθώς και η χαμηλή αντίσταση στη μηχανική καταπόνηση - κρούση, πίεση κ.λπ.
Από μαγνητικά μαλακοί φερρίτες χαμηλής συχνότηταςμε υψηλή αρχική διαπερατότητα κατασκευάζονται συμπιεσμένους μαγνητικούς πυρήνες, που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή παλμικών μετασχηματιστών και μετασχηματιστών που λειτουργούν σε υψηλές συχνότητες από 50 - 100 kHz. Το πλεονέκτημα των φερριτών είναι το χαμηλό τους κόστος και το μειονέκτημα είναι η χαμηλή επαγωγή κορεσμού (0,4 - 0,5 Τ) και η ισχυρή αστάθεια θερμοκρασίας και πλάτους μαγνητικής διαπερατότητας. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιούνται μόνο σε αδύναμα πεδία.
Η επιλογή των μαγνητικών υλικών γίνεται με βάση τα ηλεκτρομαγνητικά χαρακτηριστικά, λαμβάνοντας υπόψη τις συνθήκες λειτουργίας και τον σκοπό του μετασχηματιστή.
2.2. Τύποι μαγνητικών κυκλωμάτων.
Οι μαγνητικοί πυρήνες των μετασχηματιστών χωρίζονται σε πλαστικοποιημένο(σφραγισμένο) και ταινία-κασέτα(στριμμένο), κατασκευασμένο από λαμαρίνα και συμπιεσμένο από φερρίτες.
ΠλαστικοποιημένοΟι μαγνητικοί πυρήνες συναρμολογούνται από επίπεδες σφραγισμένες πλάκες του κατάλληλου σχήματος. Επιπλέον, οι πλάκες μπορούν να κατασκευαστούν από σχεδόν οποιοδήποτε, ακόμη και πολύ εύθραυστο υλικό, κάτι που είναι το πλεονέκτημα αυτών των μαγνητικών πυρήνων.
Ταινία-κασέταΤα μαγνητικά κυκλώματα είναι κατασκευασμένα από μια λεπτή ταινία τυλιγμένη με τη μορφή σπείρας, οι στροφές της οποίας είναι σταθερά συνδεδεμένες μεταξύ τους. Το πλεονέκτημα των μαγνητικών κυκλωμάτων ταινίας είναι η πλήρης χρήση των ιδιοτήτων των μαγνητικών υλικών, γεγονός που μειώνει το βάρος, το μέγεθος και το κόστος του μετασχηματιστή.
Ανάλογα με τον τύπο του μαγνητικού κυκλώματος, οι μετασχηματιστές χωρίζονται σε ράβδος, θωρακισμένοςκαι σπειροειδής. Επιπλέον, καθένας από αυτούς τους τύπους μπορεί να είναι τόσο ράβδος όσο και ταινία.
Ράβδος.
Σε μαγνητικά κυκλώματα τύπος ράβδουΗ περιέλιξη βρίσκεται σε δύο ράβδους ( ράβδοςονομάζεται το τμήμα του μαγνητικού κυκλώματος στο οποίο τοποθετούνται οι περιελίξεις). Αυτό περιπλέκει τη σχεδίαση του μετασχηματιστή, αλλά μειώνει το πάχος της περιέλιξης, γεγονός που συμβάλλει στη μείωση της επαγωγής διαρροής, της κατανάλωσης σύρματος και αυξάνει την επιφάνεια ψύξης.
Τα μαγνητικά κυκλώματα ράβδων χρησιμοποιούνται σε μετασχηματιστές εξόδου με χαμηλό επίπεδο θορύβου, καθώς δεν είναι ευαίσθητα στις επιδράσεις εξωτερικών μαγνητικών πεδίων χαμηλής συχνότητας. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι υπό την επίδραση ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, προκαλούνται αντίθετες στη φάση τάσεις και στα δύο πηνία, τα οποία, εάν οι στροφές των περιελίξεων είναι ίσες, αλληλοεξουδετερώνονται. Κατά κανόνα, οι μετασχηματιστές πυρήνα είναι κατασκευασμένοι από μεγάλη και μεσαία ισχύ.
θωρακισμένος.
Στο μαγνητικό κύκλωμα θωρακισμένου τύπουη περιέλιξη βρίσκεται στην κεντρική ράβδο. Αυτό απλοποιεί τον σχεδιασμό του μετασχηματιστή, επιτρέπει την πληρέστερη χρήση του παραθύρου περιέλιξης και δημιουργεί επίσης κάποια μηχανική προστασία για την περιέλιξη. Επομένως, τέτοια μαγνητικά κυκλώματα έχουν λάβει τη μεγαλύτερη εφαρμογή.
Κάποιο μειονέκτημα των θωρακισμένων μαγνητικών πυρήνων είναι η αυξημένη ευαισθησία τους σε μαγνητικά πεδία χαμηλής συχνότητας, γεγονός που τους καθιστά ακατάλληλους για χρήση ως μετασχηματιστές εξόδου με χαμηλό επίπεδο θορύβου. Τις περισσότερες φορές, οι μετασχηματιστές μέσης ισχύος και οι μικρομετασχηματιστές κατασκευάζονται θωρακισμένοι.
Τοροειδής.
Τοροειδήςή δαχτυλίδιΟι μετασχηματιστές επιτρέπουν καλύτερη χρήση των μαγνητικών ιδιοτήτων του υλικού, έχουν χαμηλές ροές διαρροής και δημιουργούν ένα πολύ ασθενές εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, το οποίο είναι ιδιαίτερα σημαντικό στις υψηλές συχνότητες και μετασχηματιστές παλμών. Αλλά λόγω της πολυπλοκότητας των περιελίξεων κατασκευής, δεν χρησιμοποιούνται ευρέως. Τις περισσότερες φορές είναι κατασκευασμένα από φερρίτη.
Για να μειωθούν οι απώλειες δινορευμάτων, συναρμολογούνται πολυστρωματικά μαγνητικά κυκλώματα από σφραγισμένες πλάκες πάχους 0,35 - 0,5 mm, οι οποίες είναι επικαλυμμένες στη μία πλευρά με ένα στρώμα βερνικιού πάχους 0,01 mm ή μια μεμβράνη οξειδίου.
Η ταινία για μαγνητικά κυκλώματα ταινίας έχει πάχος από αρκετά εκατοστά έως 0,35 mm και καλύπτεται επίσης με μια ηλεκτρικά μονωτική και ταυτόχρονα αυτοκόλλητη ανάρτηση ή μεμβράνη οξειδίου. Και όσο πιο λεπτό είναι το στρώμα μόνωσης, τόσο πιο πυκνό είναι το γέμισμα της διατομής του μαγνητικού κυκλώματος με μαγνητικό υλικό, τόσο μικρότερες είναι οι συνολικές διαστάσεις του μετασχηματιστή.
Τελευταία, μαζί με τους θεωρούμενους «παραδοσιακούς» τύπους μαγνητικών κυκλωμάτων, έχουν χρησιμοποιηθεί νέες μορφές, μεταξύ των οποίων είναι τα μαγνητικά κυκλώματα τύπου «καλωδίου», «ανεστραμμένος δακτύλιος», πηνίο κ.λπ.
Ας το τελειώσουμε προς το παρόν. Ας συνεχίσουμε στο.
Καλή τύχη!
Βιβλιογραφία:
1. V. A. Volgov - "Λεπτομέρειες και εξαρτήματα του ραδιοηλεκτρονικού εξοπλισμού", Ενέργεια, Μόσχα, 1977
2. V. N. Vanin - "Current Transformers", Εκδοτικός Οίκος Energia, Μόσχα 1966 Λένινγκραντ.
3. I. I. Belopolsky - "Υπολογισμός μετασχηματιστών και τσοκ χαμηλής ισχύος", M-L, Gosenergoizdat, 1963
4. G. N. Petrov - «Transformers. Τόμος 1. Βασικά στοιχεία της θεωρίας, Κρατικός Εκδοτικός Οίκος Ενέργειας, Μόσχα 1934 Λένινγκραντ.
5. V. G. Borisov, - " Νέος ραδιοερασιτέχνης», Μόσχα, «Ραδιόφωνο και επικοινωνία», 1992
Ας πάρουμε ένα πηνίο με σιδηρομαγνητικό πυρήνα και αφαιρέσουμε την ωμική αντίσταση της περιέλιξης ως ξεχωριστό στοιχείο όπως φαίνεται στο Σχ. 2.8.
Εικόνα 2.8 - Για την εξαγωγή του τύπου EMF του μετασχηματιστή
Όταν ενεργοποιείται μια εναλλασσόμενη τάση ec στο πηνίο, σύμφωνα με το νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, προκύπτει ένα EMF αυτοεπαγωγής e L.
(2.8)
όπου ψ είναι η σύνδεση ροής,
W είναι ο αριθμός των στροφών στην περιέλιξη,
Φ είναι η κύρια μαγνητική ροή.
Παραμελούμε τη ροή διασποράς. Η τάση που εφαρμόζεται στο πηνίο και το επαγόμενο EMF είναι ισορροπημένα. Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο Kirchhoff για το κύκλωμα εισόδου, μπορούμε να γράψουμε:
e c + e L = i * R ανταλλαγή, (2.9)
όπου R obm είναι η ενεργή αντίσταση της περιέλιξης.
Εφόσον e L >> i * R ανταλλάσσουμε, τότε παραμελούμε την πτώση τάσης στην ωμική αντίσταση, τότε e c ≈ - . Εάν η τάση του δικτύου είναι αρμονική ε σ = E m cos ωt, τότε E m cos ωt = , από όπου 
. Ας βρούμε τη μαγνητική ροή. Για να γίνει αυτό, παίρνουμε το αόριστο ολοκλήρωμα της δεξιάς και της αριστερής πλευράς. Παίρνουμε
, (2.10)
αλλά επειδή θεωρούμε ότι το μαγνητικό κύκλωμα είναι γραμμικό, μόνο αρμονικό ρεύμα ρέει στο κύκλωμα και δεν υπάρχει μόνιμος μαγνήτης ή σταθερή συνιστώσα, τότε η σταθερά ολοκλήρωσης c \u003d 0. Τότε το κλάσμα μπροστά από τον αρμονικό παράγοντα είναι το πλάτος του η μαγνητική ροή, από την οποία εκφράζουμε E m \u003d Ф m * W * ω. Η αποτελεσματική του αξία είναι
Ή παίρνουμε
όπου s είναι η διατομή του μαγνητικού κυκλώματος (πυρήνας, χάλυβας).
Η έκφραση (2.11) ονομάζεται ο βασικός τύπος του EMF του μετασχηματιστή, ο οποίος ισχύει μόνο για αρμονική τάση. Συνήθως τροποποιείται και εισάγεται ο λεγόμενος συντελεστής μορφής, ίσος με τον λόγο της πραγματικής τιμής προς τον μέσο όρο:
. (2.12)
Ας το βρούμε για ένα αρμονικό σήμα, αλλά βρίσκουμε τη μέση τιμή στο διάστημα
Τότε ο παράγοντας μορφής είναι 
και ο βασικός τύπος του EMF του μετασχηματιστή παίρνει την τελική μορφή:
(2.13)
Εάν το σήμα είναι μαίανδρος, τότε το πλάτος, οι ενεργές και οι μέσες τιμές για το ήμισυ της περιόδου είναι ίσα μεταξύ τους. Μπορείτε να βρείτε τον παράγοντα μορφής για άλλα σήματα. Ο βασικός τύπος για το EMF του μετασχηματιστή θα ισχύει.
Ας φτιάξουμε ένα διανυσματικό διάγραμμα ενός πηνίου με σιδηρομαγνητικό πυρήνα. Με μια ημιτονοειδή τάση στους ακροδέκτες του πηνίου, η μαγνητική του ροή είναι επίσης ημιτονοειδής και υστερεί σε σχέση με την τάση σε φάση κατά μια γωνία π / 2, όπως φαίνεται στο Σχ. 2.9a.
Εικόνα 2.9 - Διανυσματικό διάγραμμα πηνίου με σιδηρομαγνητικό
πυρήνας α) καμία απώλεια. β) με απώλειες
Σε ένα πηνίο χωρίς απώλειες, το ρεύμα μαγνήτισης - άεργο ρεύμα (I p) συμπίπτει σε φάση με τη μαγνητική ροή Ф m. Εάν υπάρχουν απώλειες στον πυρήνα (), τότε η γωνία είναι η γωνία των απωλειών για τον επαναμαγνητισμό του πυρήνα. Το ενεργό συστατικό του ρεύματος I a χαρακτηρίζει τις απώλειες στο μαγνητικό κύκλωμα.
Ερώτηση 7. EMF περιελίξεων μετασχηματιστή.
Η αρχή λειτουργίας του μετασχηματιστή βασίζεται στο φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής (αμοιβαία επαγωγή). Η αμοιβαία επαγωγή συνίσταται στην επαγωγή ενός EMF σε ένα επαγωγικό πηνίο όταν το ρεύμα αλλάζει στο άλλο πηνίο.
Υπό την επίδραση του εναλλασσόμενου ρεύματος στο πρωτεύον τύλιγμα, δημιουργείται μια εναλλασσόμενη μαγνητική ροή στο μαγνητικό κύκλωμα
το οποίο διαπερνά το πρωτεύον και το δευτερεύον τύλιγμα και προκαλεί ένα emf σε αυτά
όπου είναι οι τιμές πλάτους του EMF.
Η πραγματική τιμή του EMF στις περιελίξεις είναι
;
.
Ο λόγος του EMF των περιελίξεων ονομάζεται λόγος μετασχηματισμού
Αν , τότε το δευτερεύον EMF είναι μικρότερο από το πρωτεύον και ο μετασχηματιστής ονομάζεται μετασχηματιστής βαθμίδας, με μετασχηματιστή ανόδου.
Ερώτηση 8. Διανυσματικό διάγραμμα ενός ιδανικού μετασχηματιστή σε ρελαντί.
Δεδομένου ότι εξετάζουμε έναν ιδανικό μετασχηματιστή, δηλ. χωρίς διαρροή και απώλεια ισχύος, τότε το ρεύμα χ.χ. είναι καθαρά μαγνητιστικό - , δηλ. δημιουργεί μια μαγνητική δύναμη που δημιουργεί μια ροή, όπου είναι η μαγνητική αντίσταση του πυρήνα, που αποτελείται από την αντίσταση του χάλυβα και την αντίσταση στις αρθρώσεις του πυρήνα. Τόσο το πλάτος όσο και το σχήμα της καμπύλης ρεύματος εξαρτώνται από τον βαθμό κορεσμού του μαγνητικού συστήματος. Εάν η ροή αλλάζει ημιτονοειδώς, τότε με τον ακόρεστο χάλυβα, η καμπύλη ρεύματος χωρίς φορτίο είναι σχεδόν επίσης ημιτονοειδής. Όταν όμως ο χάλυβας είναι κορεσμένος, η καμπύλη ρεύματος διαφέρει όλο και περισσότερο από την ημιτονοειδή (Εικ. 2.7.) Η καμπύλη ρεύματος x.x. μπορεί να αποσυντεθεί σε αρμονικές. Δεδομένου ότι η καμπύλη είναι συμμετρική ως προς τον άξονα x, η σειρά περιέχει μόνο αρμονικές περιττής τάξης. Πρώτο αρμονικό ρεύμα Εγώ ( 01) βρίσκεται σε φάση με την κύρια ροή. Από τις υψηλότερες αρμονικές, η τρίτη αρμονική του ρεύματος είναι πιο έντονη Εγώ ( 03) .
Εικ 2.7 Καμπύλη ρεύματος X.X
Πραγματική τιμή ρεύματος χωρίς φορτίο:
.
(2.22)
Εδώ Εγώ 1 Μ , Εγώ 3 Μ , Εγώ 5 Μ- πλάτη της πρώτης, τρίτης και πέμπτης αρμονικής του ρεύματος χωρίς φορτίο.
Δεδομένου ότι το ρεύμα χωρίς φορτίο υστερεί κατά 90 από την τάση, η ενεργή ισχύς που καταναλώνεται από έναν ιδανικό μετασχηματιστή από το δίκτυο είναι επίσης μηδενική, δηλ. Ένας ιδανικός μετασχηματιστής αντλεί καθαρά άεργο ισχύ και μαγνητιστικό ρεύμα από το δίκτυο.
Το διανυσματικό διάγραμμα ενός ιδανικού μετασχηματιστή φαίνεται στο σχ. 2.8.
Ρύζι. 2.8. Διανυσματικό διάγραμμα ενός ιδανικού μετασχηματιστή
Ερώτηση 9 Διανυσματικό διάγραμμα του ρελαντί ενός πραγματικού μετασχηματιστή.
Σε έναν πραγματικό μετασχηματιστή, υπάρχει διασπορά και απώλειες σε χάλυβα και χαλκό. Αυτές οι απώλειες καλύπτονται από την εξουσία R 0 που εισέρχεται στον μετασχηματιστή από το δίκτυο.
όπου Εγώ 0a - πραγματική τιμή του ενεργού στοιχείου του ρεύματος χωρίς φορτίο.
Επομένως, το ρεύμα χωρίς φορτίο ενός πραγματικού μετασχηματιστή έχει δύο εξόδους: μαγνήτιση - δημιουργία της κύριας ροής φάκαι συμπίπτει με αυτό σε φάση, και ενεργό:
Το διανυσματικό διάγραμμα ενός πραγματικού μετασχηματιστή φαίνεται στο σχήμα. 2.9.
Συνήθως, επομένως, αυτό το στοιχείο έχει μικρή επίδραση στην τιμή του ρεύματος χωρίς φορτίο, αλλά επηρεάζει περισσότερο το σχήμα της καμπύλης ρεύματος και τη φάση της. Η καμπύλη ρεύματος χωρίς φορτίο είναι σαφώς μη ημιτονοειδής και μετατοπίζεται χρονικά σε σχέση με την καμπύλη ροής κατά μια γωνία που ονομάζεται γωνία μαγνητικής υστέρησης
Αντικαθιστώντας την πραγματική καμπύλη ρεύματος χωρίς φορτίο με ένα ισοδύναμο ημιτονοειδές, η εξίσωση τάσης μπορεί να γραφτεί σε μιγαδική μορφή, όπου όλες οι ποσότητες ποικίλλουν ημιτονοειδώς:
Λαμβάνοντας υπόψη ότι το EMF της σκέδασης,
Ρύζι. 2.9. Διανυσματικό διάγραμμα ενός πραγματικού μετασχηματιστή
Ρύζι. 2.11. Διανυσματικό διάγραμμα τάσης μετασχηματιστή, λειτουργία χωρίς φορτίο
Το 1876 ΠΙ. Yablochkovπρότεινε τη χρήση μετασχηματιστή για την τροφοδοσία των κεριών. Στο μέλλον, ο σχεδιασμός των μετασχηματιστών αναπτύχθηκε από έναν άλλο Ρώσο εφευρέτη, έναν μηχανικό ΑΝ. Usagin,ο οποίος πρότεινε τη χρήση μετασχηματιστών για την τροφοδοσία όχι μόνο των κεριών Yablochkov, αλλά και άλλων καταναλωτών ηλεκτρικής ενέργειας.
Ο μετασχηματιστής είναι ηλεκτρική συσκευή, βασισμένο στο φαινόμενο της αμοιβαίας επαγωγής και σχεδιασμένο να μετατρέπει το εναλλασσόμενο ρεύμα μιας τάσης σε εναλλασσόμενο ρεύμα διαφορετικής τάσης, αλλά ίδιας συχνότητας. Ο απλούστερος μετασχηματιστής έχει έναν πυρήνα από χάλυβα και δύο περιελίξεις μονωμένες τόσο από τον πυρήνα όσο και μεταξύ τους.
Η περιέλιξη ενός μετασχηματιστή που συνδέεται με μια πηγή τάσης ονομάζεται πρωτεύον τύλιγμα,και καλείται η περιέλιξη στην οποία συνδέονται οι καταναλωτές ή οι γραμμές μεταφοράς που οδηγούν στους καταναλωτές δευτερεύουσα περιέλιξη.
Ένα εναλλασσόμενο ρεύμα, που διέρχεται από το πρωτεύον τύλιγμα, δημιουργεί μια εναλλασσόμενη μαγνητική ροή, η οποία συμπλέκεται με τις στροφές της δευτερεύουσας περιέλιξης και προκαλεί ένα emf σε αυτές.
Δεδομένου ότι η μαγνητική ροή είναι μεταβλητή, το επαγόμενο EMF στη δευτερεύουσα περιέλιξη του μετασχηματιστή είναι επίσης μεταβλητό και η συχνότητά του είναι ίση με τη συχνότητα του ρεύματος στο πρωτεύον τύλιγμα.
Η εναλλασσόμενη μαγνητική ροή που διέρχεται από τον πυρήνα του μετασχηματιστή διασχίζει όχι μόνο τη δευτερεύουσα περιέλιξη, αλλά και την κύρια περιέλιξη του μετασχηματιστή. Επομένως, ένα EMF θα προκληθεί επίσης στο πρωτεύον τύλιγμα.
Το μέγεθος του EMF που προκαλείται στις περιελίξεις του μετασχηματιστή εξαρτάται από τη συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος, τον αριθμό των στροφών κάθε περιέλιξης και το μέγεθος της μαγνητικής ροής στον πυρήνα. Σε μια ορισμένη συχνότητα και μια σταθερή μαγνητική ροή, η τιμή του EMF κάθε περιέλιξης εξαρτάται μόνο από τον αριθμό των στροφών αυτής της περιέλιξης. Αυτή η σχέση μεταξύ των τιμών EMF και του αριθμού των στροφών των περιελίξεων του μετασχηματιστή μπορεί να εκφραστεί με τον τύπο: ?1 / ?2 = N1 / N2, πού; 1 και;
Η διαφορά μεταξύ EMF και τάσης είναι τόσο μικρή που η σχέση μεταξύ των τάσεων και του αριθμού των στροφών και των δύο περιελίξεων μπορεί να εκφραστεί με τον τύπο: U1 /U2==N1/N2. Η διαφορά μεταξύ του EMF και της τάσης στο πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή γίνεται ιδιαίτερα μικρή όταν το δευτερεύον τύλιγμα είναι ανοιχτό και το ρεύμα σε αυτό είναι μηδέν (λειτουργία ρελαντί) και μόνο ένα μικρό ρεύμα ρέει στην κύρια περιέλιξη, που ονομάζεται όχι - ρεύμα φορτίου. Σε αυτή την περίπτωση, η τάση στους ακροδέκτες της δευτερεύουσας περιέλιξης είναι ίση με το EMF που προκαλείται σε αυτό.
Ο αριθμός που δείχνει πόσες φορές η τάση στο πρωτεύον τύλιγμα είναι μεγαλύτερη (ή μικρότερη) από την τάση στο δευτερεύον τύλιγμα ονομάζεται λόγος μετασχηματισμού και συμβολίζεται με το γράμμα κ. k = U1 / U2 ? N1 / N2.
Η ονομαστική τάση των περιελίξεων υψηλής και χαμηλής τάσης, που υποδεικνύεται στην πινακίδα τύπου του μετασχηματιστή, αναφέρεται στη λειτουργία ρελαντί.
Οι μετασχηματιστές που χρησιμεύουν για την αύξηση της τάσης ονομάζονται step-up. ο λόγος μετασχηματισμού τους είναι μικρότερος από ένα. Οι μετασχηματιστές μειώνουν την τάση. ο λόγος μετασχηματισμού τους είναι μεγαλύτερος από ένα.
Η λειτουργία κατά την οποία η δευτερεύουσα περιέλιξη του μετασχηματιστή είναι ανοιχτή και εφαρμόζεται εναλλασσόμενη τάση στους ακροδέκτες του πρωτεύοντος τυλίγματος, ονομάζεται αδρανής ή αδρανής λειτουργία του μετασχηματιστή.