ความต้านทานของขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้า หม้อแปลงไฟฟ้า
กระแสสลับ.
แผนผังของหม้อแปลงไฟฟ้าแสดงในรูปที่ 1 1.
ข้าว. 1. แผนผังของหม้อแปลงไฟฟ้า
ส่วนหลักของหม้อแปลง: แกนเหล็กปิด 1 และขดลวด 2 และ 3 วางอยู่บนแกนนี้ ขดลวดถูกแยกออกจากแกนเหล็กและจากกันนั่นคือ ขดลวดไม่ได้เชื่อมต่อทางไฟฟ้าถึงกัน
แกนหม้อแปลงทำจากแผ่นเหล็กพิเศษที่เรียกว่าเหล็กหม้อแปลงซึ่งมีความหนา 0.35 หรือ 0.5 มม.
แผ่นเหล็กหุ้มฉนวนจากกันด้วยกระดาษพิเศษหรือฉนวนเคลือบเงา
เหล็กหม้อแปลงมีความต้านทานไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับเหล็กธรรมดา ซึ่งช่วยลดกระแสไหลวนที่เกิดขึ้นในแกนกลางและการสูญเสียที่เกี่ยวข้อง เช่นเดียวกับปะเก็นและสารเคลือบเงา
ในเหล็กหม้อแปลงไฟฟ้า การสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับ มีค่าน้อยกว่าเหล็กประเภทอื่น
เรียกว่าขดลวดของหม้อแปลงไฟฟ้าที่จ่ายพลังงานไฟฟ้า ขดลวดปฐมภูมิอีกอันหนึ่งซึ่งเชื่อมต่อกับตัวรับพลังงาน - ขดลวดทุติยภูมิ.
ดังนั้น ปริมาณไฟฟ้าทั้งหมด (กำลัง แรงดันไฟฟ้า กระแส ความต้านทาน ฯลฯ) ที่เกี่ยวข้องกับวงจรไฟฟ้าของขดลวดปฐมภูมิเรียกว่าปฐมภูมิ และปริมาณไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับขดลวดทุติยภูมิเรียกว่าทุติยภูมิ
ขดลวดที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าเรียกว่าขดลวดไฟฟ้าแรงสูง (h.n.) ขดลวดที่เชื่อมต่อกับเครือข่ายที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าเรียกว่าขดลวดแรงดันต่ำ (l.n.)
หากแรงดันไฟฟ้าทุติยภูมิน้อยกว่าแรงดันไฟฟ้าหลัก หม้อแปลงจะเรียกว่าสเต็ปดาวน์ และหากมากกว่านั้นจะเรียกว่าสเต็ปอัพ
โหมดการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้าซึ่งขดลวดทุติยภูมิเปิดอยู่และแรงดันไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับเทอร์มินัลหลักเรียกว่า ไม่ได้ใช้งาน.
หากแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ U 1 ถูกจ่ายให้กับขั้วของขดลวดปฐมภูมิแล้ว ขดลวดปฐมภูมิกระแสจะไหลซึ่งจะสร้างฟลักซ์แม่เหล็กสลับ
ส่วนที่โดดเด่นของเส้นฟลักซ์แม่เหล็กจะปิดตามแนวแกนเหล็ก โดยเจาะทะลุเกลียวทั้งหมดของขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ ฟลักซ์แม่เหล็กส่วนนี้เรียกว่ากระแสหลักหรือการทำงาน สนามแม่เหล็กเอฟ ที.
อีกส่วนหนึ่งของฟลักซ์ซึ่งมักจะมีขนาดเล็กกว่ามากถูกปิดผ่านอากาศ โดยเจาะเข้าไปเฉพาะรอบของขดลวดปฐมภูมิ และเรียกว่า ฟลักซ์การรั่วไหลขดลวดปฐมภูมิ Ф s1 เมื่อวงจรทุติยภูมิเปิดอยู่ (วงจรที่ขับเคลื่อนด้วย ขดลวดทุติยภูมิ) ไม่มีกระแสอยู่ในนั้นและไม่มีสนามแม่เหล็กเกี่ยวข้องด้วย
เมื่อวงจรทุติยภูมิปิดอยู่จะมีกระแสไฟฟ้าปรากฏขึ้น สนามแม่เหล็กที่เกี่ยวข้องกับมันก่อให้เกิดฟลักซ์สองตัว: อันหนึ่งอยู่ในแกนกลาง, อีกอัน, ปิดผ่านอากาศ, Ф s2; ดังนั้นฟลักซ์การรั่วจึงถูกสร้างขึ้นใกล้กับขดลวดทุติยภูมิด้วย
ฟลักซ์รั่วไหลจะคล้ายกับฟลักซ์แม่เหล็กของการเหนี่ยวนำตัวเอง ซึ่งสร้างกระแสในตัวเหนี่ยวนำและสายไฟใดๆ กระแสเหล่านี้เป็นอันตราย
พลังงานที่ใช้เพื่อให้ความร้อนแก่แกนเหล็กเรียกว่า การสูญเสียในเหล็กและถูกกำหนดให้เป็น R st.
พลังงานที่ใช้ในการทำความร้อนขดลวดเรียกว่า การสูญเสียทองแดงและถูกกำหนดให้เป็น R m
อัตราส่วนของกำลัง P 2 ที่จ่ายให้กับขดลวดทุติยภูมิต่อผู้บริโภคปัจจุบัน (กำลังไฟสำรอง) ต่อกำลัง P 1 ที่จ่ายให้กับขดลวดปฐมภูมิ (กำลังหลัก) เรียกว่า ประสิทธิภาพ(ประสิทธิภาพ) ของหม้อแปลงไฟฟ้า:
- กำลังไฟฟ้าที่จ่ายจากหม้อแปลงไฟฟ้า
ประสิทธิภาพของหม้อแปลงถึงค่าที่สูงมาก ประสิทธิภาพของหม้อแปลงไฟฟ้าที่ทรงพลังบางตัวคือ 98-99%
หม้อแปลงไฟฟ้าที่มักใช้ในการติดตั้งบนบก จะถูกจุ่มลงในถังที่บรรจุน้ำมันหม้อแปลงชนิดพิเศษ น้ำมันมีความจุความร้อนมากกว่าอากาศ ระบายความร้อนได้ดีกว่าและเป็นวัสดุฉนวนที่ดี น้ำมันช่วยเพิ่มความแข็งแรงทางไฟฟ้าของฉนวนของขดลวดหม้อแปลง ดังนั้นหม้อแปลงน้ำมันจึงมีขนาดที่เล็กกว่าหม้อแปลงลมที่มีกำลังเท่ากันและมีแรงดันไฟฟ้าเท่ากัน ผนังถังทำจากเหล็กลูกฟูกเพื่อการถ่ายเทความร้อนที่ดีขึ้น บางครั้งมีการติดหม้อน้ำพิเศษเข้ากับถัง
เรียกว่าหม้อแปลงที่มีขดลวดเพียงเส้นเดียวซึ่งส่วนหนึ่งเป็นส่วนร่วมของวงจรหลักและวงจรทุติยภูมิ หม้อแปลงอัตโนมัติ(รูปที่ 3 ข)
ข้าว. 3.การแปลงอัตโนมัติ
ขดลวดปฐมภูมิ (รูปที่ 3, a) - หมุน w 1 (ส่วนที่คดเคี้ยว 1-3) และขดลวดทุติยภูมิ - หมุน w 2 (ส่วนที่คดเคี้ยว 1 "- 2")
ในส่วนทั่วไปของการม้วน 1-2 กระแสจะเท่ากับความแตกต่าง I 2 - I 1 เนื่องจากในหม้อแปลงไฟฟ้าอัตโนมัตินั้นขดลวดทุติยภูมิจะรวมกับขดลวดปฐมภูมิ
ทัศนคติ
เรียกว่าอัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงของหม้อแปลงอัตโนมัติ
ข้อดีของหม้อแปลงไฟฟ้าอัตโนมัติ (เมื่อเปรียบเทียบกับหม้อแปลงไฟฟ้า) คือการลดส่วนตัดขวางของส่วนทั่วไปของขดลวด ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น และน้ำหนักที่ลดลง
นอกจากข้อดีที่ระบุไว้แล้ว หม้อแปลงไฟฟ้าอัตโนมัติยังมีอีกด้วย ข้อเสียเปรียบที่สำคัญกล่าวคือ: ความเป็นไปได้ของการเจาะไฟฟ้าแรงสูงเข้าไปในเครือข่ายไฟฟ้าแรงต่ำเนื่องจากขดลวดปฐมภูมิมีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า ดังนั้นหม้อแปลงไฟฟ้าอัตโนมัติจึงใช้เป็นหลักในการติดตั้งไฟฟ้าแรงต่ำ
หม้อแปลงไฟฟ้าทางทะเล
หม้อแปลงไฟฟ้าที่มีไว้สำหรับการติดตั้งบนบกและในโรงงานอุตสาหกรรมทั่วไปแตกต่างจากหม้อแปลงในเรือ โดยทั่วไปแล้ว หม้อแปลงที่มีขนาดสูงกว่า 10 kVA ที่ใช้ในการติดตั้งบนบกจะถูกแช่อยู่ในถังที่เต็มไปด้วยน้ำมันหม้อแปลงชนิดพิเศษ
สำหรับการติดตั้งบนเรือ อุตสาหกรรมในประเทศจะผลิตหม้อแปลงไฟฟ้าสำหรับเรือชนิดพิเศษ - เฟสเดียวและสามเฟส หม้อแปลงไฟฟ้าของเรือทุกตัวระบายความร้อนด้วยอากาศตามธรรมชาติ แม้จะมีข้อดี แต่ก็ไม่ได้ใช้หม้อแปลงน้ำมันบนเรือเนื่องจากน้ำมันติดไฟได้และสามารถกระเด็นออกมาได้เมื่อโยก
หม้อแปลงไฟฟ้าแบบเฟสเดียวผลิตด้วยกำลังสูงถึง 10.5 kVA และสามเฟส - สูงถึง 50 kVA
แรงดันไฟฟ้าหลักคือ 400, 230 และ 133 V (อันหลังสำหรับหม้อแปลงเฟสเดียวเท่านั้น) และแรงดันไฟฟ้ารองคือ 230, 133, 115 และ 25 V
เพื่อให้สามารถควบคุมแรงดันไฟฟ้าทุติยภูมิได้ ขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้าจึงมีขั้วต่อหลายขั้ว สำหรับหม้อแปลงที่มีแรงดันไฟฟ้าหลักพิกัด 380 V เทอร์มินัลเหล่านี้สอดคล้องกับแรงดันไฟฟ้าเครือข่าย 400, 390, 380 และ 370 V และสำหรับหม้อแปลง 220 V - 230, 225, 220 และ 215 V
หากระดับแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าของขดลวดหลักเชื่อมต่ออยู่ที่แรงดันไฟฟ้าที่กำหนดของเครือข่ายหลัก (เช่น 400 หรือ 390 V ที่ค่าระบุ 380 V) จากนั้นที่ด้านทุติยภูมิของหม้อแปลงแรงดันไฟฟ้า จะต่ำกว่าที่ได้รับการจัดอันดับ หากเราเชื่อมต่อสเตจที่ต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดที่ด้านหลัก เราจะได้แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดที่ด้านทุติยภูมิ
หม้อแปลงไฟฟ้าสำหรับเดินทะเลมีจำหน่ายสำหรับการติดตั้งบนดาดฟ้าแบบเปิดและสำหรับการติดตั้งในพื้นที่ปิด
หม้อแปลงไฟฟ้าเป็นหนึ่งในอุปกรณ์ไฟฟ้าทั่วไปที่ใช้ในหลากหลายสาขา เช่น พลังงาน อุตสาหกรรม อิเล็กทรอนิกส์ และในชีวิตประจำวัน
วัตถุประสงค์ของหม้อแปลงสามารถอธิบายโดยย่อได้ดังนี้: เป็นอุปกรณ์ที่แปลงกระแสสลับของแรงดันไฟฟ้าหนึ่งเป็นกระแสสลับของแรงดันไฟฟ้าอื่น หม้อแปลงทั้งหมดได้รับการออกแบบให้ทำงานโดยใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเท่านั้น
ไม่สามารถเชื่อมต่อหม้อแปลงเข้ากับเครือข่าย DC ได้ เนื่องจากเมื่อหม้อแปลงเชื่อมต่อกับเครือข่าย DC ฟลักซ์แม่เหล็กในนั้นจะคงที่เมื่อเวลาผ่านไป ดังนั้น จะไม่ทำให้เกิด EMF ในขดลวด เป็นผลให้กระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ไหลในขดลวดปฐมภูมิเนื่องจากในกรณีที่ไม่มี EMF จะถูกจำกัดโดยความต้านทานแบบแอคทีฟที่ค่อนข้างเล็กของขดลวดเท่านั้น กระแสไฟฟ้านี้อาจทำให้เกิดความร้อนที่คดเคี้ยวและแม้กระทั่งความเหนื่อยหน่ายที่ยอมรับไม่ได้
มีหม้อแปลงแบบสเต็ปอัพและสเต็ปดาวน์ ในหม้อแปลงแบบสเต็ปอัพ ขดลวดปฐมภูมิมีแรงดันไฟฟ้าต่ำ จำนวนรอบในขดลวดทุติยภูมิมากกว่าในขดลวดปฐมภูมิ ในทางกลับกันในหม้อแปลงแบบสเต็ปดาวน์ ขดลวดทุติยภูมิมีแรงดันไฟฟ้าต่ำ และจำนวนรอบของขดลวดทุติยภูมิน้อยกว่าขดลวดปฐมภูมิ
อัตราส่วนของจำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิต่อจำนวนรอบของขดลวดทุติยภูมิเรียกว่าอัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงและถูกกำหนดโดยตัวอักษร ถึง:
ที่ไหน ยู1และ ยู2– นี่คือแรงดันไฟฟ้าที่อินพุตและเอาต์พุตของหม้อแปลง N1และ น2- จำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ I1และ I2– นี่คือกระแสของวงจรปฐมภูมิและวงจรทุติยภูมิ
หลักการทำงาน
หลักการทำงานของหม้อแปลงทั้งหมดสัมพันธ์กับปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า
หม้อแปลงประกอบด้วยแกนแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติก F ซึ่งประกอบจากแผ่นเหล็กไฟฟ้าแยกกันซึ่งมีขดลวดสองเส้น (1 - หลัก, 2 - รอง) ทำจากลวดหุ้มฉนวน
ขดลวดที่เชื่อมต่อกับแหล่งพลังงานมักเรียกว่าขดลวดหลัก และขดลวดที่ผู้บริโภคเชื่อมต่ออยู่เรียกว่าขดลวดรอง
เมื่อกระแสสลับไหลผ่านขดลวดปฐมภูมิ ฟลักซ์แม่เหล็กกระแสสลับจะปรากฏในแกนกลาง ซึ่งกระตุ้นแรงเคลื่อนไฟฟ้าในขดลวดทุติยภูมิ กระแสไฟฟ้าในขดลวดทุติยภูมิซึ่งไม่ได้เชื่อมต่อกับวงจรที่ใช้พลังงานเป็นศูนย์ หากเชื่อมต่อวงจรและใช้ไฟฟ้ากระแสไฟฟ้าในขดลวดปฐมภูมิจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน
ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงและการกระจายพลังงานไฟฟ้าจึงเกิดขึ้น
ประเภทของหม้อแปลงไฟฟ้า
หม้อแปลงไฟฟ้า— หม้อแปลงชนิดนี้ออกแบบมาเพื่อแปลงพลังงานไฟฟ้าในเครือข่ายไฟฟ้า จ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ และในวงจรไฟส่องสว่าง
ออโต้ทรานส์ฟอร์เมอร์— ในหม้อแปลงประเภทนี้ ขดลวดจะเชื่อมต่อกันทางไฟฟ้าระหว่างกัน หม้อแปลงอัตโนมัติส่วนใหญ่จะใช้เพื่อเปลี่ยนและควบคุมแรงดันไฟฟ้า
หม้อแปลงกระแส- หม้อแปลงไฟฟ้าที่ออกแบบมาเพื่อลดกระแสปฐมภูมิให้เป็นค่าที่ใช้ในการวัด การป้องกัน การควบคุม และวงจรส่งสัญญาณ ค่าพิกัดของขดลวดทุติยภูมิคือ 1A, 5A ขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงกระแสเชื่อมต่อกับวงจรด้วยกระแสสลับที่วัดได้ และเครื่องมือวัดเชื่อมต่อกับขดลวดทุติยภูมิ กระแสที่ไหลผ่านขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงกระแสเป็นสัดส่วนกับกระแสที่ไหลในขดลวดปฐมภูมิด้วยอัตราส่วนการเปลี่ยนแปลง
หม้อแปลงแยก- มีขดลวดปฐมภูมิที่ไม่ได้ต่อทางไฟฟ้าเข้ากับขดลวดทุติยภูมิ หม้อแปลงแยกกำลังทำหน้าที่เพิ่มความปลอดภัยในเครือข่ายไฟฟ้า หม้อแปลงแยกสัญญาณได้รับการออกแบบเพื่อให้มีการแยกกระแสไฟฟ้าของวงจรไฟฟ้า
ประกอบด้วยขดลวดสองเส้นแยกกันเรียกว่าขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ แรงดันไฟฟ้าอินพุต AC ใช้กับขดลวดปฐมภูมิและสร้างสนามแม่เหล็กที่แตกต่างกัน สนามแม่เหล็กนี้ทำปฏิกิริยากับขดลวดทุติยภูมิ ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ (อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น แรงเคลื่อนไฟฟ้า) ในนั้น แรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในขดลวดทุติยภูมิมีความถี่เดียวกันกับแรงดันไฟฟ้าขาเข้า แต่แอมพลิจูดถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของจำนวนรอบของขดลวดทุติยภูมิและขดลวดปฐมภูมิ
หากแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่ขั้วขดลวดปฐมภูมิ = V1
แรงดันเอาต์พุตที่เทอร์มินัลรอง = V2
จำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิ = T1
จำนวนรอบของขดลวดทุติยภูมิ = T2
ที่
นอกจากนี้ I1/ I2 = T1/ T2 โดยที่ I1 และ I2 เป็นกระแสของขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิตามลำดับ
ประสิทธิภาพของหม้อแปลงไฟฟ้า (ประสิทธิภาพ)
อัตราส่วนข้างต้นถือว่าหม้อแปลงมีประสิทธิภาพ 100% กล่าวคือ ไม่มีการสูญเสียพลังงานใดๆ ทั้งสิ้น เพราะฉะนั้น,
กำลังไฟฟ้าเข้า I1 V1 = กำลังไฟฟ้าเอาท์พุต I2 V2
ในทางปฏิบัติ หม้อแปลงไฟฟ้ามีประสิทธิภาพประมาณ 96-99% เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของหม้อแปลงไฟฟ้า ขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิจะถูกพันบนแกนแม่เหล็กเดียวกัน (รูปที่ 7.10)
หม้อแปลงแบบสเต็ปอัพและสเต็ปดาวน์
หม้อแปลงแบบสเต็ปอัพจะสร้างแรงดันไฟฟ้าที่เอาท์พุต (ในขดลวดทุติยภูมิ) ที่สูงกว่าที่ใช้ที่อินพุท (กับขดลวดปฐมภูมิ) ด้วยเหตุนี้จึงมีการสร้างจำนวนรอบของขดลวดทุติยภูมิ จำนวนมากขึ้นรอบของขดลวดปฐมภูมิ
หม้อแปลงแบบสเต็ปดาวน์สร้างแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตน้อยกว่าที่อินพุต เนื่องจากขดลวดทุติยภูมิมีรอบน้อยกว่าขดลวดหลัก
หม้อแปลงไฟฟ้าที่แสดงในรูปที่. ตามตาราง 7.11 มีตัวต้านทานโหลด r2 ในวงจรขดลวดทุติยภูมิ ความต้านทาน r2 สามารถคำนวณใหม่ได้หรือตามที่พวกเขาพูดลดลงเป็นขดลวดปฐมภูมินั่นคือความต้านทานของหม้อแปลง r1 จากด้านข้างของขดลวดปฐมภูมิ อัตราส่วน r1/r2 เรียกว่าสัมประสิทธิ์การลดความต้านทาน ค่าสัมประสิทธิ์นี้สามารถคำนวณได้ดังนี้ เนื่องจาก r1 = V1 / I1 และ r2 = V2 / I2 ดังนั้น
ข้าว. 7.10. หม้อแปลงไฟฟ้า
ข้าว. 7.11. ค่าสัมประสิทธิ์การลด
ความต้านทาน
r1/ r2 = Т12/ Т22 = n2.
ข้าว. 7.12. หม้อแปลงอัตโนมัติ
ข้าว. 7.13. หม้อแปลงอัตโนมัติด้วยการแตะหลายครั้ง
แต่ V1 / V2 = T1 / T2 = n และ I2 / I1 = T1 / T2 = n ดังนั้น
r1 / r2 = n2
ตัวอย่างเช่นหากความต้านทานโหลด r2 = 100 โอห์มและอัตราส่วนของจำนวนรอบของขดลวด (อัตราส่วนการเปลี่ยนแปลง) T1 / T2 = n = 2: 1 จากนั้นจากด้านข้างของขดลวดปฐมภูมิก็ถือว่าหม้อแปลงเป็นตัวต้านทาน โดยมีความต้านทาน r1 = 100 โอห์ม 22 = 100 4 = 400 โอห์ม
หม้อแปลงไฟฟ้าอาจมีขดลวดเดียวด้วยการแตะเพียงครั้งเดียวจากส่วนหนึ่งของการหมุนของขดลวดนี้ ดังแสดงในรูป 7.12. โดยที่ T1 คือจำนวนรอบของการพันขดลวดปฐมภูมิ และ T2 คือจำนวนรอบของการพันขดลวดทุติยภูมิ แรงดันไฟฟ้า กระแส ความต้านทาน และอัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงถูกกำหนดโดยสูตรเดียวกันกับที่ใช้กับหม้อแปลงทั่วไป
ในรูป รูปที่ 7.13 แสดงหม้อแปลงอีกตัวหนึ่งที่มีขดลวดเดี่ยวซึ่งมีก๊อกหลายอันทำจากขดลวดนี้ ความสัมพันธ์ทั้งหมดสำหรับแรงดัน กระแส และความต้านทานยังคงถูกกำหนดโดยอัตราส่วนการเปลี่ยนแปลง (V1/Va = T1/Ta, V1/Vb = T1/Tb ฯลฯ)
ในรูป รูปที่ 7.14 แสดงหม้อแปลงไฟฟ้าที่มีก๊อกจากตรงกลางของขดลวดทุติยภูมิ แรงดันไฟฟ้าเอาท์พุต Va และ Vb จะถูกลบออกจากครึ่งบนและล่างของขดลวดทุติยภูมิ อัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าขาเข้า (บนขดลวดปฐมภูมิ) ต่อแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตแต่ละอันจะถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของจำนวนรอบ และ
V1/Va = T1/Ta V1/Vb = T1/Tb
โดยที่ T1, Ta และ Tb คือจำนวนรอบของขดลวดหลัก รอง a และรอง b ตามลำดับ เนื่องจากก๊อกทำจากตรงกลางของขดลวดทุติยภูมิ แรงดันไฟฟ้า Va และ Vb จึงมีแอมพลิจูดเท่ากัน หากจุดกึ่งกลางต่อสายดิน ดังเช่นในวงจรในรูป ตามแผนภาพ 7.14 จากนั้นแรงดันไฟฟ้าด้านออกที่ถูกถอดออกจากขดลวดทุติยภูมิทั้งสองซีกจะอยู่ในแอนติเฟส
ตัวอย่าง
ลองหันไปที่รูป 7.15. (ก) จงคำนวณแรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้ว B และ C ของหม้อแปลงไฟฟ้า (ข) ถ้าเกิดรอยพันระหว่างขั้ว A และ B 30 รอบ ขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงมีกี่รอบ?
สารละลาย
ก) VBC = VAD – VAB – VCD = 36 V – 6 V – 12 V = 18 V.
จำนวนรอบระหว่าง A และ B
ข) VAB / VAD == ---------------
จำนวนรอบระหว่าง A และ D
ดังนั้น 6 V/36 V = 30/ TAD ดังนั้น TAD = 30 36/6 = 180 รอบ
ข้าว. 7.14. หม้อแปลงไฟฟ้าที่มีก๊อกจากจุดกึ่งกลางของขดลวดทุติยภูมิ
ข้าว. 7.15. VAD = 36 V, VAB = ข V,
วีซีดี = 12 โวลต์
วงจรแม่เหล็ก
กล่าวกันทั่วไปว่าในวงจรแม่เหล็ก ฟลักซ์แม่เหล็ก (หรือสนามแม่เหล็ก) ซึ่งวัดเป็นเทสลาส ถูกสร้างขึ้นโดยแรงที่เรียกว่าแรงแม่เหล็ก (MMF) โดยปกติแล้ววงจรแม่เหล็กจะถูกเปรียบเทียบกับวงจรไฟฟ้า โดยมีฟลักซ์แม่เหล็กเมื่อเปรียบเทียบกับกระแส และแรงจากสนามแม่เหล็กกับแรงเคลื่อนไฟฟ้า เช่นเดียวกับที่เราพูดถึงความต้านทาน R ของวงจรไฟฟ้า เราสามารถพูดถึงความต้านทานแม่เหล็ก S ของวงจรแม่เหล็กได้ แนวคิดเหล่านี้มีความหมายคล้ายกัน ตัวอย่างเช่น วัสดุแม่เหล็กอ่อน เช่น เหล็กดัด มีการฝืนแม่เหล็กต่ำ กล่าวคือ ความต้านทานต่อฟลักซ์แม่เหล็กต่ำ
การซึมผ่านของแม่เหล็ก
การซึมผ่านของแม่เหล็กของวัสดุเป็นการวัดความง่ายในการทำให้เกิดแม่เหล็ก ตัวอย่างเช่น เหล็กอ่อนและวัสดุแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆ เช่น เฟอร์ไรต์ มีความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กสูง วัสดุเหล่านี้ใช้ในหม้อแปลง ตัวเหนี่ยวนำ รีเลย์ และเสาอากาศเฟอร์ไรต์ ในทางตรงกันข้าม วัสดุที่ไม่ใช่แม่เหล็กจะมีความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กต่ำมาก โลหะผสมแม่เหล็ก เช่น เหล็กซิลิคอน มีความสามารถในการรักษาสถานะแม่เหล็กในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็ก ดังนั้นจึงใช้เป็นแม่เหล็กถาวรในลำโพง มิเตอร์แมกนีโตอิเล็กทริกคอยล์เคลื่อนที่ ฯลฯ
การป้องกัน
พิจารณาทรงกระบอกกลวงที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็ก (รูปที่ 7.16) หากกระบอกสูบนี้ทำจากวัสดุที่มีความต้านทานแม่เหล็กต่ำ (วัสดุแม่เหล็กอ่อน) สนามแม่เหล็กจะกระจุกตัวอยู่ที่ผนังของกระบอกสูบดังแสดงในรูปโดยไม่ต้องเข้าสู่บริเวณภายใน
ข้าว. 7.16. ป้องกันแม่เหล็ก
ข้าว. 7.17. การป้องกันไฟฟ้าสถิตในหม้อแปลงไฟฟ้า
ดังนั้นหากวางวัตถุใดไว้ในบริเวณนี้ วัตถุนั้นก็จะได้รับการป้องกัน (ป้องกัน) จากอิทธิพลของสนามแม่เหล็กในพื้นที่โดยรอบ การป้องกันนี้เรียกว่าการป้องกันแม่เหล็ก ใช้เพื่อปกป้องหลอดรังสีแคโทด มิเตอร์แมกนีโตอิเล็กทริกแบบคอยล์เคลื่อนที่ ตัวขับลำโพง ฯลฯ จากสนามแม่เหล็กภายนอก
หม้อแปลงบางครั้งใช้การป้องกันประเภทอื่นที่เรียกว่าการป้องกันไฟฟ้าสถิตหรือไฟฟ้า หน้าจอฟอยล์ทองแดงบางๆ วางอยู่ระหว่างขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้า ดังแสดงในรูปที่ 1 7.17. เมื่อตะแกรงดังกล่าวถูกต่อลงดิน อิทธิพลของความจุไฟฟ้าระหว่างขดลวดซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นระหว่างขดลวดเหล่านี้จะลดลงอย่างมาก การป้องกันไฟฟ้าสถิตยังใช้ในสายโคแอกเชียลและทุกที่ที่ตัวนำมีศักยภาพต่างกันและอยู่ใกล้กัน
วิดีโอนี้อธิบายว่าหม้อแปลงคืออะไร:
หม้อแปลงไฟฟ้า เป็นอุปกรณ์แม่เหล็กไฟฟ้าแบบคงที่ซึ่งมีขดลวดคู่แบบเหนี่ยวนำสองเส้น (หรือมากกว่า) และได้รับการออกแบบเพื่อแปลงสภาพโดยใช้ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ระบบไฟฟ้ากระแสสลับระบบหนึ่ง (หลัก) ไปเป็นระบบไฟฟ้ากระแสสลับอีกระบบหนึ่ง (ทุติยภูมิ)
โดยทั่วไป ระบบไฟฟ้ากระแสสลับทุติยภูมิอาจแตกต่างจากระบบหลักในพารามิเตอร์ใดๆ ได้แก่ ค่าแรงดันและกระแส จำนวนเฟส รูปร่างของเส้นโค้งแรงดันไฟฟ้า (กระแส) ความถี่ การใช้งานที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในการติดตั้งระบบไฟฟ้าตลอดจนในระบบส่งและจำหน่ายพลังงานคือหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังอเนกประสงค์ซึ่งค่าของแรงดันและกระแสสลับจะเปลี่ยนไป ในกรณีนี้ จำนวนเฟส รูปร่างของเส้นโค้งแรงดัน (กระแส) และความถี่ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง
ในการพิจารณาประเด็นต่างๆ ในการบรรยายครั้งนี้ เราจะคำนึงถึงหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังสำหรับการใช้งานทั่วไป
พิจารณาหลักการทำงานของหม้อแปลงเฟสเดียวที่ง่ายที่สุด หม้อแปลงไฟฟ้าเฟสเดียวที่ง่ายที่สุดประกอบด้วยแกนแม่เหล็ก (แกน) ที่ทำจากวัสดุเฟอร์โรแมกเนติก (โดยปกติจะเป็นเหล็กแผ่นไฟฟ้า) และขดลวดสองเส้นที่อยู่บนแกนของแกนแม่เหล็ก
เหตุใดแกนแม่เหล็กของหม้อแปลงจึงทำจากวัสดุเฟอร์โรแมกเนติก
ขดลวดอันหนึ่งเรียกว่า หลักเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายกระแสสลับที่แรงดันไฟฟ้า U 1 ถึงคดเคี้ยวอีกเรียกว่า รองเชื่อมต่อผู้บริโภค Zn แล้ว ขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้าไม่มีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างกัน และกำลังถูกถ่ายโอนจากขดลวดหนึ่งไปยังอีกขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า
วงจรแม่เหล็กของหม้อแปลงมีจุดประสงค์อะไร?
แกนแม่เหล็กซึ่งเป็นที่ตั้งของขดลวดเหล่านี้ทำหน้าที่เสริมการมีเพศสัมพันธ์แบบเหนี่ยวนำระหว่างขดลวด
การทำงานของหม้อแปลงขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า (รูปที่ 2)
ข้าว. 2. วงจรแม่เหล็กไฟฟ้าของหม้อแปลงไฟฟ้า
เมื่อเชื่อมต่อขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงเข้ากับเครือข่ายไฟฟ้ากระแสสลับที่มีแรงดันไฟฟ้า ยู 1 กระแสสลับจะเริ่มไหลผ่านขดลวด ฉัน 1 ซึ่งจะสร้างฟลักซ์แม่เหล็กสลับในวงจรแม่เหล็ก เอฟ . ฟลักซ์แม่เหล็กที่เจาะเข้าไปในรอบของขดลวดทุติยภูมิจะเหนี่ยวนำให้เกิด จ 2 , ซึ่งสามารถใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับโหลดได้ เมื่อปิดในวงจรแม่เหล็ก ฟลักซ์นี้จะจับคู่กับขดลวดทั้งสอง (หลักและรอง) และเหนี่ยวนำให้เกิด EMF ในขดลวดเหล่านั้น:
ใน EMF หลักของการเหนี่ยวนำตนเอง:
ใน EMF ทุติยภูมิของการเหนี่ยวนำร่วมกัน:
เมื่อเชื่อมต่อโหลด Zn เข้ากับขั้วของขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงภายใต้อิทธิพลของ EMF จ 2 กระแสจะถูกสร้างขึ้นในวงจรของขดลวดนี้ ฉัน 2 , และแรงดันไฟฟ้า U 2 ตั้งไว้ที่ขั้วของขดลวดทุติยภูมิ
หม้อแปลงไฟฟ้าทำงานด้วยไฟฟ้ากระแสตรงได้หรือไม่?
หม้อแปลงไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสสลับ หากขดลวดปฐมภูมิเชื่อมต่อกับแหล่งกำเนิดกระแสตรง ฟลักซ์แม่เหล็กในแกนแม่เหล็กของหม้อแปลงไฟฟ้าจะคงที่ทั้งขนาดและทิศทาง (dФ/dt = 0) ดังนั้น EMF ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าจะไม่ถูกเหนี่ยวนำ ในขดลวดของหม้อแปลง ดังนั้น พลังงานไฟฟ้าจากวงจรหลักจะไม่ถูกถ่ายโอนไปยังวงจรทุติยภูมิ
ปัญหาของการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าเช่นการเพิ่มบนขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงแก้ไขได้อย่างไร?
ปัญหาการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าแก้ไขได้ดังนี้ รอบใด ๆ ของขดลวดหม้อแปลงจะมีแรงดันไฟฟ้าเท่ากัน หากจำนวนรอบของขดลวดทุติยภูมิเพิ่มขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับขดลวดปฐมภูมิ เมื่อต่อวงจรกันเป็นอนุกรม แรงดันไฟฟ้าที่ได้รับในแต่ละรอบจะถูกรวมเข้าด้วยกัน ดังนั้นคุณสามารถเพิ่มหรือลดแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของหม้อแปลงได้โดยการเพิ่มหรือลดจำนวนรอบ
เนื่องจากขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้าถูกทะลุด้วยฟลักซ์แม่เหล็กเดียวกัน เอฟ นิพจน์สำหรับค่า EMF ที่มีประสิทธิผลสามารถเขียนได้ในรูปแบบ
ที่ไหน ฉ - ความถี่ไฟฟ้ากระแสสลับ; ว 1 และ ว 2 – จำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ
เมื่อหารความเท่าเทียมกันอย่างหนึ่งเราจะได้พารามิเตอร์ที่สำคัญของหม้อแปลง - อัตราส่วนการเปลี่ยนแปลง:
ที่ไหน เค – ค่าสัมประสิทธิ์การเปลี่ยนแปลง
หากวงจรของขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงเปิดอยู่ (โหมด ย้ายไม่ได้ใช้งาน) จากนั้นแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของขดลวดจะเท่ากับ EMF: ยู 2 = อี 2 , และแรงดันไฟฟ้าของแหล่งพลังงานเกือบจะสมดุลโดย EMF ของขดลวดปฐมภูมิ ยู 1 ≈ อี 1 . ดังนั้นเราจึงสามารถเขียนสิ่งนั้นได้
เมื่อพิจารณาถึงประสิทธิภาพสูงของหม้อแปลงไฟฟ้าเราสามารถสรุปได้ว่า ส 1 ≈ ส 2 , ที่ไหน ส 1 = ยู 1 ฉัน 1 - พลังงานที่ใช้จากเครือข่าย ส 2 = ยู 2 ฉัน 2 - กำลังไฟฟ้าที่จ่ายให้กับโหลด
ดังนั้น, ยู 1 ฉัน 1 ≈ ยู 2 ฉัน 2 , ที่ไหน
อัตราส่วนของกระแสของขดลวดทุติยภูมิและขดลวดปฐมภูมิจะเท่ากับอัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงโดยประมาณดังนั้นกระแสไฟฟ้า ฉัน 2 จำนวนครั้งที่เพิ่มขึ้น (ลดลง) และจำนวนครั้งที่ลดลง (เพิ่มขึ้น) ยู 2 .
ในหม้อแปลงแบบสเต็ปอัพ ยู 2 > ยู 1 ในการปรับลดรุ่น ยู 2 < ยู 1 . หม้อแปลงมีคุณสมบัติของการพลิกกลับได้ หม้อแปลงชนิดเดียวกันสามารถใช้เป็นหม้อแปลงแบบ step-up และ step-down แต่โดยปกติแล้วหม้อแปลงไฟฟ้าจะมีจุดประสงค์เฉพาะ: ไม่ว่าจะเป็นการก้าวขึ้นหรือลง ขดลวดหม้อแปลงที่เชื่อมต่อกับเครือข่ายที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าเรียกว่าขดลวดไฟฟ้าแรงสูง (HV) ขดลวดที่เชื่อมต่อกับเครือข่ายแรงดันไฟฟ้าต่ำเรียกว่าขดลวดแรงดันต่ำ (LV)
เหตุใดจึงใช้ไฟฟ้าแรงสูงในการส่งไฟฟ้า?
คำตอบนั้นง่าย - เพื่อลดการสูญเสียความร้อนของสายไฟระหว่างการส่งสัญญาณในระยะทางไกล การสูญเสียขึ้นอยู่กับปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านและเส้นผ่านศูนย์กลางของตัวนำ และไม่ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้
สมมติว่าจากโรงไฟฟ้าไปยังเมืองที่อยู่ห่างจากโรงไฟฟ้า 100 กม. จำเป็นต้องส่งไฟฟ้า 30 เมกะวัตต์ในหนึ่งบรรทัด เนื่องจากสายไฟมีความต้านทานไฟฟ้า กระแสจึงร้อนขึ้น ความร้อนนี้จะกระจายไปและไม่สามารถใช้งานได้ พลังงานที่ใช้ไปกับการให้ความร้อนแสดงถึงการสูญเสีย
เป็นไปไม่ได้ที่จะลดการสูญเสียให้เป็นศูนย์ แต่จำเป็นต้องจำกัดสิ่งเหล่านั้น ดังนั้นการสูญเสียที่อนุญาตจึงถูกทำให้เป็นมาตรฐานเช่น เมื่อคำนวณหน้าตัดของสายไฟและเลือกแรงดันไฟฟ้าจะถือว่าการสูญเสียไม่เกินเช่น 10% ของกำลังที่มีประโยชน์ที่ส่งไปตามเส้น
ในตัวอย่างของเราคือ 0.1x30 MW = 3 MW
หากไม่ได้ใช้การแปลงนั่นคือไฟฟ้าจะถูกส่งไปที่แรงดันไฟฟ้า 220 V ดังนั้นเพื่อลดการสูญเสียตามค่าที่กำหนดจะต้องเพิ่มหน้าตัดของสายไฟเป็นประมาณ 10 ม. 2 เส้นผ่านศูนย์กลางของ "ลวด" ดังกล่าวเกิน 3 ม. และมวลต่อช่วงคือหลายร้อยตัน
โดยการใช้การแปลง กล่าวคือ การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าในสายไฟแล้วลดแรงดันไฟฟ้าลงใกล้กับตำแหน่งของผู้บริโภค พวกเขาใช้วิธีอื่นในการลดการสูญเสีย: พวกเขาลดกระแสไฟฟ้าในสายไฟ
ความสัมพันธ์ระหว่างกำลังงานกับกระแสคืออะไร?
การสูญเสียการส่งผ่านไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของกระแสไฟฟ้า
อันที่จริงเมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า กระแสไฟฟ้าจะลดลงครึ่งหนึ่ง และความสูญเสียจะลดลง 4 เท่า หากแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น 100 เท่าการสูญเสียจะลดลง 100 2 เช่น 10,000 เท่า
ให้เราอธิบายนิพจน์นี้ด้วยตัวอย่างต่อไปนี้ รูปภาพแสดงแผนภาพการถ่ายโอนพลังงาน (รูปที่ 3) เครื่องกำเนิดไฟฟ้าซึ่งมีแรงดันไฟฟ้าเทอร์มินัลอยู่ที่ 6.3 kV เชื่อมต่อกับขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงแบบสเต็ปอัพ แรงดันไฟฟ้าที่ปลายขดลวดทุติยภูมิคือ 110 kV
ข้าว. 3. แผนภาพการส่งไฟฟ้า:
1 – เครื่องกำเนิด; 2 – หม้อแปลงแบบสเต็ปอัพ; 3 – สายไฟ;
4 – หม้อแปลงแบบสเต็ปดาวน์; 5 – ผู้บริโภค
ที่แรงดันไฟฟ้านี้ พลังงานจะถูกถ่ายโอนไปตามสายส่ง ให้กำลังส่งอยู่ที่ 10,000 kW โดยไม่มีการเปลี่ยนเฟสระหว่างกระแสและแรงดัน
เนื่องจากกำลังในขดลวดทั้งสองเท่ากัน กระแสในขดลวดปฐมภูมิจะเท่ากับ I=P/U=10000/6.3 = 1590 A และในขดลวดทุติยภูมิ 10000/110 = 91 A กระแสไฟฟ้าในเส้น สายจะมีการโอนค่าเท่ากัน
หลักการทำงานของหม้อแปลงสามารถแสดงให้เห็นได้จากภาพยนตร์การศึกษาต่อไปนี้: "หลักการทำงานของหม้อแปลงแบบ step-down", "การทำน้ำร้อนโดยใช้หม้อแปลงไฟฟ้า"
มารวบรวมเนื้อหาที่ครอบคลุมโดยตอบคำถามต่อไปนี้
หลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้าขึ้นอยู่กับ...
กฎของแอมแปร์
กฎของโอห์ม
กฎของเคอร์ชอฟฟ์
กฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า
หากจำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงคือ w1=100 และจำนวนรอบของขดลวดทุติยภูมิคือ w2=20 ให้กำหนดอัตราส่วนการเปลี่ยนแปลง
มีข้อมูลไม่เพียงพอที่จะตอบ
ค่าประสิทธิผลของ EMF ที่เกิดขึ้นในขดลวดของหม้อแปลงไฟฟ้าถูกกำหนดโดยสูตร
สรุปคำถามแรก:หลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้าขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้น หม้อแปลงไฟฟ้าจึงเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสสลับ การแปลงแรงดันไฟฟ้าในหม้อแปลงไฟฟ้าทำได้โดยการเปลี่ยนจำนวนรอบในขดลวดทุติยภูมิ วัตถุประสงค์หลักของหม้อแปลงไฟฟ้าคือเพื่อแปลงไฟฟ้าจากแรงดันไฟฟ้าหนึ่งเป็นไฟฟ้าของแรงดันไฟฟ้าอื่น เพื่อลดการลงทุนในการก่อสร้างและการทำงานของสายไฟ