1.Жүктемелі трансформатор.
Трансформатордың жұмыс тәртібі, жалпы алғанда, оның орамаларының бірін қалыпты кернеулі (немесе соған жуық) тоқ көзіне қосып, ал екінші ораманың қысқышына электр кедергісінің шамасы орамадағы тоқ күші қалыпты деңгейден асып кетпейтіндей етіп тұтынушылармен жалғастырылған жағдай.
Жұмысшы тәртібінде болатын (1.4-сурет) физикалық жағдай трансформаторлардың жүктеусіз істеп тұрған дағдыдан өзгеше (1.3-сурет). Мұнда екінші ораманың қысқыштарына тұтынушыларды қосқаннан кейін онда і2 пайда болады да, Ф2 магнит ағыны болатын аз магнит өрісін туғызады. Бірінші орамадағы сияқты оның бір бөлігі магнитөткізгіштермен тұйықталып, ал шашырау тоғы Ф2б ауа арқылы екінші орамның орамдарының айналасында тұйықталады. Негізгі магнит ағыны магнитөткізгіштермен тұйықталып, бірінші орамада тоқтан (1.3.1.) пайда болған магнит ағынымен өзара байланысқа түседі.
Ф2 магнит ағыны Ф1 магнит ағынының туындағандықтан, Ленц ережесіне сәйкес Ф1 магнит ағынының барлық өзгерістерде қарсыласатын болады. Егер процесті магнит ағынының әсер етуші мәні бойынша қарастыратын болсақ, Ф2 магнит ағыны Ф1 магнит ағынына қарсы бағытталатын болады. (1.3. -сурет).
1.4-сурет. Кернеу трансформаторының жүктемемен жұмысының негізгі телсімі.
Екі ораманың магнит өткізгіші ортақ болғандықтан онда бір магнит ағыны Фм орнығады, ал трансформатор орамаларының әрқайсысында туындаған магнит ағындарының векторлық қосындысына тең:
Ф = Ф1 + Ф2 (1.23)
Магнит ағынының қосындысыФ Ф1 мен Ф2 магнит ағындарының алгебралық қосындысына тең емес, себебі олар уақыт жағынан сәйкес келмейді.
Жұмыс жағдайында магнитөткізгіш қаныққан күйде болады да, Ф магнит ағынын, кейбір рухсат етілген ауытқу мен шамасы жағынан өзгеріссіз деп алуға болады.
Шын мәнінде екінші ораманы жүктеген соң тоқ пайда болады да Ф2 магнит ағынын туғызады.
Бұл магнит ағыны Ф1 магнит ағынын азайтуға тырысады және Ф1 магнит ағыны орныққан тепе-теңдікті сақтап қалу үшін, бірінші орамдағы І1 артуы себебінен соған пропорцианалды түрде Ф2 магнит ағынының өсімі шамасына көбейеді (артады). Сонымен жұмысшы аумағында жүктеменің өзгеруіне қарай екінші орамадағы тоқтың кезкелген өзгерісі, бірінші орамадағы тоқтың пропорцианалды түрде трансформация коэффицентіне сәйкес өзгеруіне әкеледі. Трансформатордың магнит ағынының қосындысы оның жүктемесіз істеген кездегі магнит ағынына тең, әрі тұрақты деп аламыз. Жүктемеген кезде Ф магнит ағыны Ф1 магнит ағынына тең.
Трансформатордың қорытынды магнит ағыны Ф (1.23.) мен екінші орамда индукцияланған Фб2 және бірінші орамдағы екі ЭҚК: негізгі магнит ағынынан туындаған ЭҚК:
e2 =-W2dф / d t (1.24)
шашыранды магнит ағынынан туындаған ЭҚК:
e2б =- L2бd і2 / d t (1.25)
мұндағы L2б–екінші орамадағы шашыранды ағынның индуктивтігі, ол оның темір өзекшесіз кезіндегі ағынына индуктивтігіне тең.
Жүктелген трансформатордың екінші орамасындағы электрлік тепе-теңдіктің өрнегі 1.18. өрнекке ұқсас өрнектеледі – магниттік мәндер үшін:
U2 =e2 +e2б — і2 r2 (1.26)
— әрекеттегі мәндер үшін, кешенді түрде:
U 2 = — Е2 + І2 j X2 – І2 r 2 (1.27)
мұндағы І2 łjX2 =—Е2б– трансформатордың екінші орамасында шашырау магнит ағынынан туындаған ЭҚК-нің әрекет етуші мәні, сандық шамасы бойынша оның шашыранды индукциялық кедергісіндегі кернеудің тусуіне тең; r2– трансформатордың екінші орамасындағы жалған активті кедергі; х2–трансформатордың екінші орамасындағы индуктивті кедергі, ол 2 t L2б –ге тең.
Трансформатордың электрлік тепе-теңдігі теңдеуінің жүйесін, (1.20) мен (1.27) ескере отырып былай жазуға болады.
U 1 = -Е1 + І1 JX1;
U 1 = E2 – І2 r2 — І2 j X2 (1.28)
Магнит ағынымен электрдің шығыны екі орамаға да бірдей болғандықтан болаттардың кедергісі логикалық жағынан тең бөлінуі қажет, былай айтқанда:
r 1 = R1 +0.5 Rcm
r 2 = R2 +0.5 Rcm (1.29)
мұндағы r1 мен r 2 –трансформатордың бірінші және екінші орамасындағы жалған активті кедергі, мұнда электр энергиясы жылуға айналады, ол ораманың өткізгіштерінде, болат магнит өткізгіштерде және трансформатордың басқа да болат құрылғы бөліктерінде бөлінген жылулардың қосындысына тең.
Жүйе теңдеуі (1.28) сан жағынан қарағанда электрлік процестерге сәйкес келеді. Электр желісі үшін бірінші орама электр энергиясын тұтынушы, демек берілген кернеу U 1 онда индуктивтендірілген ЭҚК–тен кедергілеріне түскен трансформатор орамаларының Е1 активті І1 r1 және U индуктивті І,ј х1 кедергілеріне түскен кернеу шамасына артық болуы тиіс:
U 1 = Е2 – І1 r 1 + І 1 j x1
Трансформатордың екінші орамасы оларға қосылатын тұтынушылар үшін электр энергиясының көзі болады. ЭТН курсынан белгілі болғандай электр энергиясы көздерінің қыспасындағы кернеу U2 ЭҚК Е2-ден трансформатор орамаларының ішкі активті І2 r2 және реактивті І2 j х2 кедергілеріне түскен кернеуден көп болу керек:
U 2 = E2 – І2 r2 – І2 j x2
жүйедегі теңдеулерде (1.28.) белгілесек
r1 + j x1 = Z1
r2 + j x2 = Z2 (1.30)
Трансформатордың электрлік тепе-теңдік теңдеуін мына түрде аламыз
U = -Е 1 + І 1 Z1
U = Е 2 — І 2 Z2 (1.31)
мұндағы Z1 мен Z2 трансформатордың бірінші, екінші орамасындағы кешенді түрде алынған электрлік толық кедергі. Электр тепе-теңдігінің теңдеулері (1.28) және (1.31) болаттағы құйынды тоқ пен гистерезис құбылысынан жоғалуын ескере отырып жасалған. Қазіргі трансформаторлардың магнит өткізгіштері электр лакпен оқшауландырылған жоғары сапалы, легирленген электротехникалық болаттан дайындалған жұқа қаңылтырлардан жиналады, ондағы шығын оның қуатының пайыздық үлесінің аз мөлшері ғана, сондықтан инженерлік есептеулерде көпшілік жағдайда r1 R1 және r1 R2 деп қабылдап алып ескере бермейді. Болаттағы шығынды есептеу қажет болған жағдайда мына өрнектерді пайдалануға болады:
Р2 = Р2G
Рвх = Рвх G (1.32)
мұндағы Р2 мен Рвх –гистерезис пен құйынды тоқтың меншікті шығыны Вт/кг; G – магнит өткізгіштің салмағы кг.
Меншікті шығындар болаттардың түріне байланысты, анықтамаларда беріледі немесе мына өрнектер арқылы анықталады.
pг = (4,4…2,4)B2 ( f/100);
pвх = (5,6…0,6)B2 ( f/100)2 (1.33)
мұндағы В–индукция, Тл; f -магнит ағынының өзгеру жиілігі Гц.
Өндірістік жиілік f = 50Гц үшін (1.33) өрнегін қарапайым түрге келтіреді.
Р2 = (2.2…1,2) В2
Рвх= (1.4…0,15)В2 (1.331)
неғұрлым қуаты жоғары болаттың легирлену деңгейі және қаңылтыр жұқа болса (1.32) мен (1.331) өрнектерді эмпериалық коэффицентінің сандық мәні соғырлым аз болады.
Қазіргі трансформаторлардағы гистерезистен болатын шығын, құйынды тоқта болатын шығыннан жоғары және барлық шығынның 85% құрайды: Р2 0,85 Рсm. Қалыңдығы 0,3 және 0,5мм электр техникалық болаттарда электр және магниттік өзіндік шығынның, құйынды ток пен гистерезистен болатын шығындардың мөлшері анықтамалық әдебиеттерде көрсетілген.