Transformatoriaus sandara. Neapkrauto įdealaus transformatoriaus atstojamoji schema

Transformatoriaus sandara. Neapkrauto įdealaus transformatoriaus atstojamoji schema. Transformatorius yra statinis elektromagnetinis įtaisas, skirtas kintamosios srovės elektros energijos parametrams keisti nekeičiant jos dažnio. Transformatoriaus veikimas yra pagrįstas jo dviejų ar daugiau apvijų abipusės indukcijos reiškiniu.

Sandara. Tai uždaras magnetolaidis, ant kurio užmautos dvi apvijos. Apvijos elektriškai nesusietos. Jas veria bendras magnetinis srautas Φ, todėl jų ryšys yra magnetinis. Transformatoriaus apvija, kuriai tiekiama elektros energija, yra vadinama pirmine. Apvija, kuri tiekia pakeist¹ elektros energij¹ imtuvui, yra vadinama antrine. Visus transformatoriaus įėjimo (pirminius) dydžius žymėsime indeksu „1“, o išėjimo (antrinius) – „2“.

Veikimo principas. Transformatoriaus veikimo principas pagrįstas jo apvijų abipusės indukcijos reiškiniu. Prijungus transfor­matoriaus pirminź apvij¹ (jos vijų skaičius N₁) prie kin­tamosios įtampos u₁ (t), apvija teka kintamoji srovė i₁ (t). Atsiradusi pirminė MVJ N₁i₁ sukuria magnetolaidyje kintam¹jį magnetinį sraut¹ Φ (t). Jis veria abi transformatoriaus apvijas ir indukuoja jose EVJ e₁ (t) ir e₂ (f). Jei antrinė grandinė atvira, transformatorius veikia tuščiosios eigos režimu. Sujungus jungiklį Q, transformatorius apkraunamas. Jo antrine apvija ir imtuvu teka srovė. Pirminė apvija transformatoriaus magnetolaidį įmagnetina, antrinė – išmagnetina.

Atstojamoji schema ir vektorinė diagrama. Pažymėsime visų elektrinių dydžių sutartines kryptis neapkrauto idealaus transformatoriaus atstojamojoje schemoje. Kai transformatorius neapkrautas, jo ant­rinė grandinė atvira, I₂ = 0 ir U E₂. Pirmine apvi­ja teka tuščiosios eigos srovė I₀, kuri esti daug silpnes­nė už pirminź vardinź srovź. Paprastai I₀ tesudaro ke­lis procentus I_1N vertės. Dėl to įtampos kritimas pir­minės apvijos aktyviojoje varžoje yra mažas, ir jo ga­lime nepaisyti. Taip pat galime nepaisyti ir pirminės apvijos sklaidos magnetinio srauto.

Transformatoriaus sandara. Apkrauto idealaus transformatoriaus atstojamoji schema (ir vektorinė diagrama).

I =U₂/Z₂; U₁=I₀+I₂/K.

Apkrauto realaus transformatoriaus atstojamoji schema ir vektorinė diagrama. Realiajame transformatoriuje dėl pirminės ir antrinės apvijos aktyviųjų varžų R₁ ir R₂ atsiranda įtampų kritimai transformatoriaus apvijose R₁I₁ ir R₂I₂. dėl apie apvijas susidariusių magnetinių sklaidos srautų Φ₁ ir Φ₂ abiejose apvijose indukuojamos EVJ, kurias galime pakeisti įtampų kritimais apvijose dėl sklaidos induktyviųjų varžų: jX₁I₁ ir jX₂I₂. Realiojo transformatoriaus atstojamojoje schemoje pavaizduoti nuosekliai sujungti aktyvieji ir induktyvieji elementai, kurių varžos yra R₁, X_d1 R₂, X_d2. Pritaikź II Kirkhofo dėsnį pirminei ir antrinei grandinei, tran­sformatoriaus pirminź ir antrinź įtamp¹ galime užrašy­ti šitaip:

1) U₁=E₁+R₁I₁+jX_d1I₁; 2) U₂=E₂-R₂I₂-jX_d2I₂.

Šios abi lygtys vadinamos transformatoriaus įtampų lygtimis. Fizine prasme jos yra kiek skirtingos. Pirmi­nė transformatoriaus apvija veikia kaip imtuvas, tu­rintis priešing¹ srovei EVJ. Šios EVJ ir įtampų kriti­mų dėl pirminės apvijos vidinių varžų suma yra lygi tinklo įtampai. Antrinė apvija veikia kaip šaltinis, to­dėl jos įtampa yra lygi antrinės EVJ ir įtampų kritimų dėl antrinės apvijos vidinių varžų skirtumui.

Apkrauto transformatoriaus vektorinź diagram¹ sudarysime braižydami jo srovių vektorinź diagram¹ ir grafiš­kai vaizduodami (1) kompleksines lygtis. Laikysime, kad transformatorius apkrautas aktyvaus-induktyvaus po­būdžio imtuvu: Z = Z e-' (9 = <p2 > 0). Įtampos kritimas R₁I₁ dėl aktyviosios pirminės apvijos varžos braižomas lygiagrečiai, o įtampos kritimas jX_d1I₁ dėl sklaidos induktyviosios varžos statmenai (pralenkia faze n/2 srovź) srovės I₁ vektoriui. Antrinės įtampos vektorius gaunamas, atimant iš E₂ du vektorius: R₂I₂ (lygiagretus srovei) ir jX_d2I₂ (statmenas srovei).

Redukuotasis transformatorius. Trumpo jungimo bandymas. Redukuo tasis transformatorius yra toks, kurio antrinė apvija pakeista laikant, kad N₁=N₂, bet kurio galia ir nuostoliai yra tokie pat kaip tiriamojo. Paprastai visi jo antrinės apvijos elektriniai dydžiai žymimi brūkšneliais: E'₂, U'₂, I'₂, Z'₂ ir t. t. Šiame paveikslėlyje pavaizduotos atstojamosios schemos kai redukuotasis transformatorius apkrautas ir supaprastinta atstojamoji schema.

Redukuotojo transformatoriaus EVJ ir įtampa (1): E'₂=E₁=KE₂; U'₂=KU₂.

Kadangi S₂=S'₂=U₂I₂=U'₂I'₂, gauname šitoki¹ redukuot¹ antrinź srovź (2): I'₂=I₂/K. Antrinėms apvijoms turi tikti šios lygtys: R₂I²₂=R'₂I'²₂; X_d2I²₂=X'_d2I'²₂; Z₂I²₂= Z'₂I'²₂; čia R₂, X_d2, Z₂, - tiriamojo ir R'₂, X'_d2, Z'₂ — redukuotojo transforma­toriaus antrinės apvijos varžos. Atsižvelgź į (2) lygtį, gauname: R'₂=R₂K²; X'_d2=X_d2K²; Z'₂I²₂= Z₂K². Redukuodami transformatorių, pakeitėme imtuvo, prijungto prie antrinės apvijos, srovź ir įtamp¹. Dėl to tenka redukuoti jo pilnutinź varž¹: Z'=U'₂/I'₂=KU₂/(I₂/K)=K²U₂/I₂=K²Z_. Imtuvo aktyvioji ir reaktyvioji galia neturi pakisti: RI²₂=R'I'²₂; XI²₂=X'I'²₂. Iš lygties išplaukia, kad: R'=K²R; X'=K²X.

Trumpojo jungimo bandymas. Jis atliekamas sujungiant antrinź transformatoriaus apvij¹ trumpai (arba prie jos prijungiant maž¹ varžos ampermetr¹). Pirminė apvija prijungiama prie tokios sumažintos įtampos, kad apvijomis tekėtų vardinės srovės. Trumpojo jungimo bandymo metu:U₁=U_k ir yra nedidelė, lyginant su vardine U_1N I₁=I_1N; I₂=I_2N; U₂=0. Santykinė trumpojo jungimo įtampa paprastai išreiš­kiama procentais pirminės vardinės įtampos atžvilgiu: U_k*=(U_k/U_1N)·100. Paprastai U_k*=(3-10)%. Ji apibūdina transformatoriaus apvijų varžas ir sklaidos srautus. Kuo didesnės apvijų aktyviosios ir sklaidos induktyviosios varžos (pastarosios proporcingos sklaidos srautams), tuo didesnė transformatoriaus santykinė trumpojo jungimo įtampa. Galingų transformatorių (S_N>6300 kV·A) sklaidos centrai didesni, nes jų apvijos talpinamos toliau viena nuo kitos, kad būtų geresnė izoliacija tarp jų, ir apvijų tūris yra didesnis. Dėl to didesnė ir tokių transformatorių U_k*=(5-10)%. Žemos įtampos ir mažesnės galios transformatorių U_k*=(3-5)%. Trumpojo jungimo bandymo metu S₂=0, P₂=0, todėl galia P_k yra transformatoriaus nuostolių galia.transformatoriaus pirminė įtampa maža, nedidelis ir magnetinis srautas, nes Φ~U₁. kadangi magnetiniai nuostoliai P_dm~Φ², tai trumpojo jungimo metu jų galime nepaisyti. Kai apvijų srovės yra vardinės, elektrinių nuostolių galia yra vardinė. Dėl to galime laikyti, kad vatmetras trumpojo jungimo bandymo metu rodo vardinź transformatoriaus elektrinių nuostolių gali¹: P_k≈P_deN. Iš trumpojo jungimo bandymų duomenų apskaičiuojamas transformatoriaus atstojamosios varžos, kurios vadinamos trumpojo jungimo varžomis: Z_k=U_k/I_1N; R_k=P_k/I²_1N; X_k=(Z²_k-R²_k)^1/2; taip pat trumpojo jungimo fazi skirtumas tarp pirminės įtampos ir srovės: φ_k=arcos(P_k/_kI_1N). 

Tuščiosios eigos bandymas. Jis atliekamas prijungus transformatoriaus pirminź apvij¹ prie vardinės įtampos U_1N, o antrinės apvijos grandinź paliekant atvir¹. Tuščiosios eigos metu U₁=U_1N, I₀ yra silpna, lyginant su I_1N verte, I₂=0, U₂₀=E₂. Santykinė tuščiosios eigos srovė išreiškiama proc. Pirminės vardinės srovės atžvilgiu: I_0*=(I₀/I_1N)*100. Tuščiosios eigos srovė tiesiog proporcinga transformatoriaus magnetolaidžio magnetinei varžai. Kuo geresmės magnetinės magnetolaidžio savybės ir kuo mažesni oro tarpai jo lakštų sandūrose, tuo silpnesnė transformatoriaus tuščiosios eigos srovė. Tuščiosios eigo aktyvioji galia P₀. Kadangi antrinė grandinė atjungta, transformatorius neperduoda energijos imtuvui: S₂=0, P₂=0, todėl galia P₀ yra jo nuostolių galia. Transf. Magnetinių ir elektrinių nuostolių galia: P_d=P_dm+P_de. Kadangi tuščiosios eigos metu U₁=U_1N, magnetinis srautas bei indukcija yra vardiniai, ir magnetinių nuostolių galia taip pat vardinė. Transformatoriaus aktyvioji galia, kuri¹ tuščiosios eigos bandymo metu rodo vatmetras, yra beveik lygi transformatoriaus magnetinių nuostolių vardinei galiai: P₀ P_dmN. Iš tuščiosios eigos bandymo rezultatų galima apsk. transformatoriaus tuščiosios eigos atstojamasias varžas: Z₀=U_1N/I₀; R₀=P₀/I₀²; X₀=(Z₀²-R₀²)^0.5. Tuščiosios eigos metu išmatavus transformatoriaus įtampas, galima nustatyti transformacijos koeficient¹.

Nuolatinės srovės mašinos veikimo principas, charakteristikos ir atstojamoji schema. Variklio modelis (1 pav) veikimo principui paaiškinti (variklio režimas): Tam, kad mašina dirbtų kaip variklis, reikia jos šepečių Air B išvadus prijungti prie nuolatinės įtampos (duotas pav.) Inkaro rėmeliu kryptimi abcd teka srovė i_a = Ia. Inkaro laidininkus veikia elektromagnetinės jėgos Fem, kurių kryptis pažymėta, pritaikius kairiosios rankos taisyklź. Šios jėgos sudaro elektromagnetini sukimo noment¹ Mem. Jei jis yra pakankamas, inkaras pradeda suktis kampiniu greičiu w. Polių magnetinė indukcija yra didžiausia ties polių vidu­riu, todėl inkar¹ veikia didžiausios jėgos, kai laidininkai yra ties poliais. Inkarui sukantis, laidininkai patenka į ma­žėjančios magnetinės indukcijos sritį, todėl juos veikiančios jėgos ir inkaro sukimo momentas mažėja. Kai inkaras pasi­suka 90° kampu, laidininkai atsiranda geometrinėje neutra­lėje. Tuo momentu B = 0, todėl išnyksta juos veikiančios jėgos. Inkaras toliau sukasi iš inercijos. Kartu su inkaru su­kasi ir kolektorius. Kai tik laidininkas ab patenka į 5 poliaus sritį, o laidi­ninkas cd į N, a pusžiedis yra perjungiamas prie šepečio B, o d pusžiedis — prie šepečio A. Inkaro laidais srovė teka kryptimi dcab, t. y. jos kryptis pasikeičia priešinga buvusiai: i_a=-I_a. Pritaikź kairiosios rankos taisyklź, matome, kad pusžiedžių ir kontaktinių šepečių dėka inkaro lai­dininkus veikia elektromagnetinės jėgos, kurios sudaro tos pačios krypties sukimo moment¹. Tuo būdu nuolatinės srovės variklyje kolektorius ir šepečiai yra mechaninis nuolatinės srovės krypties keitiklis. Kad sukimo momento pulsacija būtų mažesnė, inkaro apvija sudaroma iš daugelio tokių rėmelių — sekcijų, kurios yra prijungiamos prie didesnio segmentų skai­čiaus nei nagrinėto dviejų pusžiedžių kolektoriaus. Besisukančio inkaro laidininkuose indukuojama EVJ. Nustatź jos kryptį dešini¹ja ranka, pastebime, kad EVJ yra priešinga srovės laidininkuose krypčiai. Tai viena iš la­bai svarbių variklio ypatybių. Kuo sparčiau inkaras sukasi, tuo didesnė EVJ susikuria jo apvijoje. Tačiau, jeigu inkaro apvijos EVJ išaugtų iki prijungtos įtampos dydžio, tai ja srovė netekėtų ir išnyktų inkaro sukimo momentas. Taigi variklio indukuojama EVJ yra mažesnė už prijungt¹ įtamp¹.

Pagrindinės charakteristikos: 1)EVJ: E=C1 1 – induktoriuje;2)M=C2 Ia (Ia – inkaro srovė) – elektromagnetinis momentas; 3)Pem=EIa elektromagnetinė galia; 4)Peg=UIa – naudingoji generatoriaus elektrinė galia; 5)Pv= M=2 nM – naudingoji variklio mechaninė galia 6) =P2/P1=P2/(P2+Pe+Pm+Pmech).

Atstojamosios schemos. Inkaro grandinės atstojamoji schema (2 pav). Nuolatinės srovės mašinos inkaro apvija vaizduojama kaip elementas, kuriame yra elektrovaros jėga E ir kurio vidinė varža yra R_a Nuolatinės srovės variklio

Inkaro apvij¹galime laikyti imtuvu, kuriame yra priešinė EVJ E. Inkaro grandine teka srovė I_a kurios kryptis priklauso nuo tinklo įtampos U po­liarumo, o EVJ yra priešingos krypties negu srovė. Generatorius dirba šaltinio režimu, jo inkaro grandinėje yra įjungtas imtuvas, kurio varža R. Generatoriaus inkaro ir išorine grandine teka srovė I_a kurios kryptis yra tokia pat kaip EVJ. Pritaikź II Kirchhofo dėsnį inkaro grandinei (žr. pav.), galime parašyti a) varikliui U=E+R_aI_a; b) generatoriui: U=E-R_aI_a. Variklio U>E, generatoriaus U<E, nes yra įtampos kritimas dėl inkaro apvijos varžos. Praktiškai nuolatinės

srovės mašinos vardinė EVJ skiriasi nuo vardinės įtampos apie 5%.