หลักการทำงานและอุปกรณ์ของหม้อแปลงเฟสเดียว

เฟสเดียวไม่มีโหลดหม้อแปลง

หม้อแปลงในวิศวกรรมไฟฟ้าเรียกว่าอุปกรณ์ไฟฟ้าดังกล่าวซึ่งพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับจากขดลวดคงที่หนึ่งถูกถ่ายโอนไปยังขดลวดคงที่อีกอันที่ไม่ได้เชื่อมต่อทางไฟฟ้ากับขดลวดแรก

การเชื่อมโยงที่ส่งพลังงานจากขดหนึ่งไปยังอีกขดหนึ่งคือฟลักซ์แม่เหล็ก ซึ่งประสานกับขดทั้งสองและมีการเปลี่ยนแปลงขนาดและทิศทางตลอดเวลา

ข้าว. 1.

ในรูป 1a แสดงหม้อแปลงที่ง่ายที่สุดซึ่งประกอบด้วยขดลวดสองเส้น / และ / / จัดเรียงแบบโคแอกเซียลเหนืออีกอันหนึ่ง ไปที่ขดลวด / ส่ง กระแสสลับ จากไดชาร์จ ง. ขดลวดนี้เรียกว่า ขดลวดปฐมภูมิ หรือ ขดลวดปฐมภูมิ ด้วยขดลวด // เรียกว่าขดลวดทุติยภูมิหรือขดลวดทุติยภูมิวงจรจะเชื่อมต่อผ่านตัวรับพลังงานไฟฟ้า

หลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า

การกระทำของหม้อแปลงมีดังนี้ เมื่อกระแสไหลในขดลวดปฐมภูมิ / มันถูกสร้างขึ้น สนามแม่เหล็กแนวของแรงที่เจาะไม่เพียง แต่เข้าไปในขดลวดที่สร้างพวกมัน แต่ยังบางส่วนเข้าไปในขดลวดทุติยภูมิ // ภาพโดยประมาณของการกระจายของเส้นแรงที่เกิดจากขดลวดปฐมภูมิแสดงอยู่ในรูปที่ 1b

ดังที่เห็นได้จากรูป เส้นแรงทั้งหมดถูกปิดรอบ ๆ ตัวนำของขดลวด / แต่บางส่วนอยู่ในรูป 1b สายไฟ 1, 2, 3, 4 จะถูกปิดรอบ ๆ สายไฟของขดลวด // ดังนั้น ขดลวด // จึงเป็นแม่เหล็กคู่กับขดลวด / โดยใช้เส้นสนามแม่เหล็ก

ระดับของการมีเพศสัมพันธ์แม่เหล็กของขดลวด / และ // กับการจัดเรียงโคแอกเชียลขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างพวกเขา: ยิ่งขดลวดอยู่ห่างจากกันมากเท่าไหร่ การมีเพศสัมพันธ์ของแม่เหล็กก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น คอยล์ /ติดกับคอยล์ //.

เนื่องจากขดลวด / ผ่านตามที่เราถือว่า กระแสสลับเฟสเดียวนั่นคือกระแสที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาตามกฎบางอย่าง ตัวอย่างเช่น ตามกฎของไซน์ สนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นก็จะเปลี่ยนไปตามเวลาตามกฎเดียวกัน

ตัวอย่างเช่น เมื่อกระแสในขดลวด / ผ่านค่าที่ใหญ่ที่สุด ฟลักซ์แม่เหล็กที่สร้างขึ้นก็จะผ่านค่าที่ใหญ่ที่สุดเช่นกัน เมื่อกระแสในขดลวด / ผ่านศูนย์ เปลี่ยนทิศทาง จากนั้นฟลักซ์แม่เหล็กก็ผ่านศูนย์เช่นกัน และเปลี่ยนทิศทางด้วย

อันเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงของกระแสในขดลวด / ทั้งขดลวด / และ // จะถูกแทรกซึมโดยฟลักซ์แม่เหล็ก ทำให้ค่าและทิศทางของมันเปลี่ยนไปตลอดเวลา ตามกฎพื้นฐานของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ทุกๆ การเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กที่ทะลุผ่านขดลวด จะเกิดกระแสสลับขึ้นในขดลวด แรงเคลื่อนไฟฟ้า… ในกรณีของเรา แรงเคลื่อนไฟฟ้าของการเหนี่ยวนำตัวเองถูกเหนี่ยวนำในขดลวด // และแรงเคลื่อนไฟฟ้าของการเหนี่ยวนำซึ่งกันและกันถูกเหนี่ยวนำในขดลวด //

หากปลายของขดลวด // เชื่อมต่อกับวงจรของตัวรับพลังงานไฟฟ้า (ดูรูปที่ 1a) กระแสจะปรากฏในวงจรนี้ ดังนั้นเครื่องรับจะได้รับพลังงานไฟฟ้า ในเวลาเดียวกัน พลังงานจะถูกส่งตรงไปยังขดลวด /จากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งเกือบจะเท่ากับพลังงานที่ขดลวด // มอบให้กับวงจร ด้วยวิธีนี้ พลังงานไฟฟ้าจากขดลวดหนึ่งจะถูกส่งไปยังวงจรของขดลวดที่สองซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับขดลวดแรกทางไฟฟ้า (โลหะ) โดยสิ้นเชิง ในกรณีนี้ วิธีการส่งพลังงานเป็นเพียงฟลักซ์แม่เหล็กสลับเท่านั้น

แสดงในรูป 1a, หม้อแปลงไม่สมบูรณ์มาก เนื่องจากมีการเชื่อมต่อแม่เหล็กเล็กน้อยระหว่างขดลวดปฐมภูมิ / และขดลวดทุติยภูมิ //

การมีเพศสัมพันธ์แบบแม่เหล็กของขดลวดสองขด โดยทั่วไปจะประมาณโดยอัตราส่วนของฟลักซ์แม่เหล็กที่ควบรวมขดลวดสองขดต่อฟลักซ์ที่สร้างขึ้นโดยขดลวดหนึ่งขด

รูปที่. 1b จะเห็นได้ว่ามีเพียงบางส่วนของเส้นสนามของขดลวด / ปิดรอบขดลวด // ส่วนอื่น ๆ ของสายไฟ (ในรูปที่ 1b - เส้นที่ 6, 7, 8) ปิดเฉพาะรอบ ๆ ขดลวด / สายไฟเหล่านี้ไม่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าจากขดลวดที่หนึ่งไปยังขดลวดที่สองเลย พวกมันก่อตัวเป็นสนามจรจัด

เพื่อเพิ่มการมีเพศสัมพันธ์แม่เหล็กระหว่างขดลวดหลักและขดลวดทุติยภูมิและในเวลาเดียวกันเพื่อลดความต้านทานแม่เหล็กสำหรับการผ่านของฟลักซ์แม่เหล็ก ขดลวดของหม้อแปลงทางเทคนิคจะถูกวางไว้บนแกนเหล็กที่ปิดสนิท

ตัวอย่างแรกของการใช้งานหม้อแปลงไฟฟ้าจะแสดงเป็นแผนผังในรูปที่ 2 หม้อแปลงไฟฟ้าเฟสเดียวของชนิดแท่งที่เรียกว่า ขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ c1 และ c2 อยู่บนแท่งเหล็ก a — a เชื่อมต่อที่ปลายด้วยแผ่นเหล็ก b — b เรียกว่าแอก ด้วยวิธีนี้ แท่งสองอัน a, a และสองแอก b, b ก่อตัวเป็นวงแหวนเหล็กปิด ซึ่งผ่านฟลักซ์แม่เหล็กที่ถูกปิดกั้นด้วยขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ วงแหวนเหล็กนี้เรียกว่าแกนของหม้อแปลง

ข้าว. 2.

รูปลักษณ์ที่สองของหม้อแปลงแสดงเป็นแผนผังในรูปที่ 3 หม้อแปลงเฟสเดียวของประเภทหุ้มเกราะที่เรียกว่า ในหม้อแปลงนี้ ขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ c ซึ่งแต่ละเส้นประกอบด้วยแถวของขดลวดแบน วางอยู่บนแกนกลางที่สร้างจากแท่งเหล็กสองเส้นของวงแหวน a และ b วงแหวน a และ b รอบ ๆ ขดลวดปกคลุมด้วยเกราะเกือบทั้งหมดดังนั้นหม้อแปลงที่อธิบายไว้จึงเรียกว่าหุ้มเกราะ ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านภายในขดลวด c แบ่งออกเป็นสองส่วนเท่าๆ กัน ซึ่งแต่ละส่วนจะอยู่ในวงแหวนเหล็กของมันเอง

ข้าว. 3

การใช้วงจรแม่เหล็กเหล็กแบบปิดในหม้อแปลงทำให้กระแสไฟรั่วลดลงอย่างมาก ในหม้อแปลงดังกล่าวฟลักซ์ที่เชื่อมต่อกับขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมินั้นเกือบจะเท่ากัน หากเราคิดว่าขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิถูกเจาะโดยฟลักซ์แม่เหล็กเดียวกัน เราสามารถเขียนนิพจน์ตามการเหนี่ยวนำไฟฟ้าทั้งหมดสำหรับค่าทันทีของแรงเคลื่อนไฟฟ้าของขดลวด:

ในนิพจน์เหล่านี้ w1 และ w2 คือจำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ และ dFt คือขนาดของการเปลี่ยนแปลงในขดลวดทะลุทะลวงของฟลักซ์แม่เหล็กต่อองค์ประกอบเวลา dt ดังนั้นจึงมีอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็ก . จากนิพจน์ล่าสุด สามารถรับความสัมพันธ์ต่อไปนี้:

เช่น. ระบุไว้ในขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ // และ // แรงเคลื่อนไฟฟ้าชั่วขณะสัมพันธ์กันในลักษณะเดียวกับจำนวนรอบของขดลวด ข้อสรุปสุดท้ายนั้นใช้ได้ไม่เพียง แต่เกี่ยวกับค่าที่เกิดขึ้นทันทีของแรงเคลื่อนไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังรวมถึงค่าที่ยิ่งใหญ่ที่สุดและมีประสิทธิภาพด้วย

แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำในขดลวดปฐมภูมิเนื่องจากแรงเคลื่อนไฟฟ้าของการเหนี่ยวนำตัวเองทำให้แรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับขดลวดเดียวกันสมดุลกันเกือบทั้งหมด หากโดย E1 และ U1 คุณระบุค่าที่มีประสิทธิภาพของแรงเคลื่อนไฟฟ้า ของขดลวดปฐมภูมิและแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ จากนั้นคุณสามารถเขียน:

แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำให้เกิดในขดลวดทุติยภูมิ ในกรณีที่อยู่ระหว่างการพิจารณา จะเท่ากับแรงดันไฟฟ้าที่ปลายของขดลวดนี้

หากเช่นเดียวกับก่อนหน้านี้ผ่าน E2 และ U2 คุณระบุค่าที่มีประสิทธิภาพของแรงเคลื่อนไฟฟ้าของขดลวดทุติยภูมิและแรงดันไฟฟ้าที่ปลาย คุณสามารถเขียน:

ดังนั้น เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้ากับขดลวดด้านหนึ่งของหม้อแปลง คุณจะได้รับแรงดันไฟฟ้าใดๆ ที่ปลายของขดลวดอีกอัน คุณเพียงแค่ต้องใช้อัตราส่วนที่เหมาะสมระหว่างจำนวนรอบของขดลวดเหล่านี้ นี่คือคุณสมบัติหลักของหม้อแปลงไฟฟ้า

อัตราส่วนของจำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิต่อจำนวนรอบของขดลวดทุติยภูมิเรียกว่า อัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงของหม้อแปลง... เราจะแสดงค่าสัมประสิทธิ์การแปลง kT

ดังนั้นจึงสามารถเขียน:

หม้อแปลงที่มีอัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงน้อยกว่าหนึ่งเรียกว่าหม้อแปลงแบบ step-up เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของขดลวดทุติยภูมิหรือที่เรียกว่าแรงดันไฟฟ้าทุติยภูมิมีค่ามากกว่าแรงดันไฟฟ้าของขดลวดปฐมภูมิหรือแรงดันไฟฟ้าหลักที่เรียกว่า . หม้อแปลงที่มีอัตราส่วนการแปลงมากกว่าหนึ่งเรียกว่าหม้อแปลงแบบ step-down เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าทุติยภูมิน้อยกว่าหลัก

การทำงานของหม้อแปลงเฟสเดียวภายใต้โหลด

ในช่วงเดินเบาของหม้อแปลง ฟลักซ์แม่เหล็กจะถูกสร้างขึ้นโดยกระแสลมปฐมภูมิหรือโดยแรงแม่เหล็กของขดลวดปฐมภูมิ เนื่องจากวงจรแม่เหล็กของหม้อแปลงทำจากเหล็ก ดังนั้นจึงมีความต้านทานแม่เหล็กต่ำ และโดยทั่วไปถือว่าจำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิมีขนาดใหญ่ กระแสไม่มีโหลดของหม้อแปลงจึงมีขนาดเล็ก เท่ากับ 5- 10% ของปกติ

หากคุณปิดขดลวดทุติยภูมิเพื่อต้านทานบางส่วน แรงแม่เหล็กของขดลวดนี้จะปรากฏขึ้นด้วยลักษณะของกระแสในขดลวดทุติยภูมิ

ตามกฎของเลนซ์ แรงแม่เหล็กของขดลวดทุติยภูมิกระทำกับแรงแม่เหล็กของขดลวดปฐมภูมิ

ดูเหมือนว่าฟลักซ์แม่เหล็กในกรณีนี้ควรลดลง แต่ถ้าใช้แรงดันไฟฟ้าคงที่กับขดลวดปฐมภูมิฟลักซ์แม่เหล็กจะแทบไม่ลดลงเลย

ในความเป็นจริง แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในขดลวดปฐมภูมิเมื่อโหลดหม้อแปลงมีค่าเกือบเท่ากับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ แรงเคลื่อนไฟฟ้านี้เป็นสัดส่วนกับฟลักซ์แม่เหล็กดังนั้นหากแรงดันไฟฟ้าปฐมภูมิมีขนาดคงที่ แรงเคลื่อนไฟฟ้าภายใต้โหลดควรจะคงเดิมเกือบเท่าเดิมระหว่างการทำงานที่ไม่มีโหลดของหม้อแปลง สถานการณ์นี้นำไปสู่ความคงตัวของฟลักซ์แม่เหล็กเกือบสมบูรณ์ภายใต้ภาระใด ๆ

ดังนั้น ที่ค่าคงที่ของแรงดันไฟฟ้าปฐมภูมิ ฟลักซ์แม่เหล็กของหม้อแปลงแทบจะไม่เปลี่ยนแปลงตามการเปลี่ยนแปลงของโหลด และสามารถสันนิษฐานได้ว่ามีค่าเท่ากับฟลักซ์แม่เหล็กระหว่างการทำงานที่ไม่มีโหลด

ฟลักซ์แม่เหล็กของหม้อแปลงสามารถคงค่าของมันไว้ได้ภายใต้ภาระเท่านั้น เนื่องจากเมื่อกระแสปรากฏในขดลวดทุติยภูมิ กระแสในขดลวดปฐมภูมิก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน มากจนทำให้เกิดความแตกต่างระหว่างแรงแม่เหล็กหรือรอบแอมแปร์ของขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ ขดลวดยังคงเกือบเท่ากับแรงแม่เหล็กหรือแอมแปร์เทิร์นในช่วงเดินเบา ... ดังนั้น การปรากฏตัวของแรงแม่เหล็กแม่เหล็กหรือแอมแปร์เทิร์นในขดลวดทุติยภูมิจะมาพร้อมกับแรงแม่เหล็กที่เพิ่มขึ้นโดยอัตโนมัติของขดลวดปฐมภูมิ

เนื่องจากดังที่กล่าวไว้ข้างต้น แรงแม่เหล็กขนาดเล็กจำเป็นต้องสร้างฟลักซ์แม่เหล็กของหม้อแปลง อาจกล่าวได้ว่าการเพิ่มขึ้นของแรงแม่เหล็กทุติยภูมิจะมาพร้อมกับการเพิ่มขึ้นของแรงแม่เหล็กหลักซึ่งมีขนาดเกือบเท่ากัน

ดังนั้นจึงสามารถเขียน:

จากความเท่าเทียมกันนี้ทำให้ได้คุณสมบัติหลักที่สองของหม้อแปลงคืออัตราส่วน:

โดยที่ kt คือปัจจัยการเปลี่ยนแปลง

ดังนั้นอัตราส่วนของกระแสของขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิของหม้อแปลงจึงเท่ากับหนึ่งหารด้วยอัตราส่วนการเปลี่ยนแปลง

ดังนั้น, ลักษณะสำคัญของหม้อแปลงไฟฟ้า มีความสัมพันธ์

และ

ถ้าเราคูณด้านซ้ายของความสัมพันธ์เข้าด้วยกัน และด้านขวาคูณกัน เราจะได้

และ

ความเท่าเทียมกันสุดท้ายให้ลักษณะที่สามของหม้อแปลงซึ่งสามารถแสดงด้วยคำพูดเช่นนี้: พลังงานที่ส่งโดยขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงในโวลต์แอมแปร์นั้นเกือบเท่ากับกำลังที่ส่งไปยังขดลวดปฐมภูมิเช่นกันในโวลต์แอมแปร์ .

หากเราเพิกเฉยต่อการสูญเสียพลังงานในทองแดงของขดลวดและในเหล็กของแกนหม้อแปลง เราสามารถพูดได้ว่าพลังงานทั้งหมดที่จ่ายให้กับขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงจากแหล่งพลังงานจะถูกถ่ายโอนไปยังขดลวดทุติยภูมิ และ เครื่องส่งสัญญาณเป็นฟลักซ์แม่เหล็ก