2.Бос жүріс және қысқа тұйықталған трансформаторлардың физикалық процестері.

Трансформациялау электромагниттік индукция заңдылығына негізделген: Өзгермелі магнит өрісіндегі кез- келген тоқ өткізіп денеде электр қозғаушы күш индукцияланады да, оны электр энергиясының көзіне айналдырады.

Төменде, 1.1 - суретте көрсетілгендей, бір фазалы трансформатормен кернеуді трансформациялауға мысал келтіреміз. Онда бірінші орамаға оралым саны w₁ және оралым саны w₂ екінші орамасы бар трансформатордың әр магнитөткізгіштің өзекшесінде болатын физикалық процесс көрсетілген.

Екінші орама ажыратулы турған кезде бірінші ораманы айнымалы кернеу U₁ желісіне қосады. Ом заңы бойынша бірінші орамада айнымалы тоқ І₁ пайда болады, ол Ф₁ магнит ағынын туғызады. Тоқ пен магнит ағыны, бірінші жуық мәнінде синусойдалы деп саналады. Пайда болған магнит ағынының негізгі бөлігі болат магнитөткізгіште тұйықталады.

1.1-сурет. Кернеу трансформаторының жүйемесіз жұмысының негізгі телсімі.

Бұл магнит ағыны негізгі магнит ағыны деп аталады да, Ф₁ арқылы таңбаланады. Оның басқа бөлігі магнит өткізгішке соқпастан өткізгіштің айналасындағы ауа бойынша тұйықталады, магнит ағынының бұл бөлігі шашыранды ағын деп аталып, Ф_1б арқылы таңбаланады.

Күш трансформаторларында негізгі магнит ағыны Ф₁, шашыранды магнит ағынынан әлдеқайда көп, себебі болаттың магнит өткізгіштігі, ауаныкінен әлдеқайда артық. Қазіргі трансформаторлардың шашыранды ағындары өте аз, ол негізгі ағынның 0,5 % - нен аспайды. Сондықтан трансформатордың жұмысын қарастырғанда шашырау ағынын елемеуге болады.

3. Эқк теңдеулері. Трансформациялық коэффициент.

Негізгі магнит ағыны уақытқа қарай өзгереді. (dф/dt) және Миткевич анықтаған ереже "Оң заңы" бойынша магнит өткізгіштің бойымен айнала отырып, екінші орамада электромагниттік индукция заңына сәйкес индукцияланады: ЭҚК:

е₂ = -w₂ d ф/dt (1.1.)

Тұрақты тоқтың ағыны уақытпен бірге өзгермейді (dф/d t=0), сондықтан ол электр қозғаушы күшті екінші орамада индукциялай алмайды (е₂=- w₂ Ł0=0).

Сөйтіп бірінші орамаға қосылған электр энергиясы өзара түрлену арқылы екінші орамада магниттік энергияға айналады. Трансформатордың екінші орамасы ажыратулы болғандықтан оның қоспаларындағы ЭҚК мен кернеу шама жағынан тең, бағыты бойынша қарама- қарсы. Демек бұл жағдайда:

е₂=U_2х (1.2.)

Бірінші орамадағы оралым санының екінші орамадағы оралым санына қатынасы трансформациялау коэффиценттерімен сипатталады:

w₁/w₂ = к _m (1.3)

бұл трансформатордың бірінші және екінші орамасындағы ЭҚК қатынасы болады бірінші орамадағы ЭҚК-ті өлшеу іс жүзінде мүмкін емес, ал көп жағдайда оралым саны көрсетілмегендіктен трансформациялау коэффиценті ретінде кернеудің немесе тоқтың негізі мәнін алады:

к_т  U₁/U₂  І₂/І₁. (1.4)

Екі орама бір магнитөткізгіште және магнит тасқынында орналасқан, уақытқа қарай синусойдалық заң бойынша өзгере отарып, Ф=Ф_m Sіnt, бұлардың әрқайсында ЭҚК индукцияланады:

e₁ = -w₁ dф/dt = w₁Ф_msіn(t -  /2);

e₂ = -w₂ dф/dt = w₂Ф_msіn(t -  /2). (1.5)

Алынған теңдеу е₁-және е₂-Ф магнит ағынынан/2 бұрышына кешігеді, ал соған сәйкес олардың амплитудалық мәндері,

E_1m = w₁Ф_m ;

E_2m=w₂Ф_m (1.6)

тең болады. Ораманың ЭҚК-нің әсер етуші мәні былай анықтайды.

E₁ = E_1m /2 = w₁Ф_m/2 = w₁fФ_m 2/ 2 = 4,44 w₁fФ_m

E₂ = E_2m / 2 = w₂Ф_m/ 2= w₂fФ_m2 / 2 = 4,44 w₂fФ_m . (1.7)

Трансформатор орамасындағы индукцияланған ЭҚК-тің шамасы (1.7.)-де көрсетілгендей оралым санына w, магнит тасқыны жиілігінің және оның амплитудасы Ф_m- нің өзгеруіне тәуелді.

Трансформатордың магнитөткізгіштері үшін магнит индукциясының шамасының шегі 1,0-ден 1,6 теслаға дейін болғандықтан жүйедегі (1.7.) теңдеудегі Ф_m магнит ағынын В_m индукция мен ауыстыру тиімдірек, онда:

E₁ = 4,44 w₁f B_mQ_c;

E₂ = 4,44 w₂f B_mQ_c,, (1.8)

мұндағы Q_с – трансформатордың магнитөткізгіш өзегінің қимасы.

Бұлай өзгерту трансформатордың бірінші және екінші орамасындағы ЭҚК-тің шамасын, сондай-ақ оның трансформация коэффицентін оңай есептеуге мүмкіндік береді:

к_т =E₁/E₂ =w₁/w₂ (1.9)

Трансформатордың бос жүріс кезіндегі орнықты жұмысының тәртібі бірінші ораманың электрлік тепе-теңдігімен өрнектеледі. Жалпы жағдайда трансформатор орамасына берілген кернеу онда негізгі ағыннан индукцияланған электрқозғаушы күш пен шашырау ағынынан, орамадағы тоқтан кернеудің азаюынан, магнитөткізгіш темірдегі құйынды тоқтан және гистерезис құбылысынан (темірдің артық магниттелуі) болатын магнит ағынындағы болаттың кедергісі арқылы кернеудің жалған құлдырауынан құралған магнит шығынына пропорционал.

Электромагниттік индукция заңына сәйкес трансформатордың бірінші орамасында екі ЭҚК индукцияланады:

• негізгі магнит ағынынан болатын ЭҚК

e₁ = -w₁dФ/dt (1.10)

• шашырау магнит ағынаынан болатын ЭҚК

e_1б = -L_1б dі₁ /dt₂ (1.11)

мұндағы L_Іб– трансформатордың бірінші орамасында шашырау ағынының индукциялығы, ол оның темір өзекшесі жоқ кездегі индукциялығына тең. Бірінші орамадығы тоқ оның омдық кедергісінде кернеуді төмендетеді, оның сандық мәні физика курсынан белгілі (R=l/ s немесе R=U/І) есептеу немесе экпременталды жолмен жеңіл анықталады.

Гистерезистік құбылысты ескере отырып болаттың электрлік кедергісін және соған сәйкес кернеудің түсуін анықтау, ферромагнитті денелердегі айнымалы электромагниттік өрісті зерттеу процесіне жататын теориялық күрделі мәселе. Электр желілері теория тұрғысынан алып қарағанда трансформатордың бос жүріс жұмыс тәртібі активті-индуктивтік жүктеме болып табылады, оның толық қуатының активті бөлігі мынадай өрнекпен анықталады:

P₁ = U₁ І₁ cosφ₁ = І₁² R_1экв . (1.12) Ол трансформатордың бірінші орамасы мен магнитөткізгіштің болатындығы жылу ретінде бөлінеді, демек

Р₁ = Р_м1 + Р_ст , (1.13)

мұндағы P_cm-трансформатордың магнитөткізгіштеріндегі электр және магнит шығындар:

P_cm = P_вх + P_гc (1.14)мұндағы P_вх мен P_гc-болаттағы құйынды тоқтар (фуко тоғы) мен гистерезис құбылысынан (болатың артық магниттелуі) болатын шығындар. Трансформаторда болатын физикалық нақтылы процесстерді абструкциялай отырып магнитөткізгіште құйынды тоқтар мен гистерезис құбылысынан шығындарды электрлік және магниттік шығындарға балап, эквивалентті электркедергісін (1.12.) теңдеудегі R_Іэкв–ді омдық кедергілердың R₁ және магнит өткізгіштегі жалған кедергінің R_cm жиынтығы ретінде қарастырып былай өрнектеуге болады:

R_1экв = R ₁ + R _cm (1.15)

R₁ мен R_cm активті қуат тұтынушы болғандықтан олардың жиынтық мәнін активті кедергі деп атайды, болған R әріпімен таңбаланатын омдық кедергіден ажырату үшін оны латынның r әріпімен таңбалайды:

R₁ + R_cm = r_Іх (1.16)

мұндағы R₁ – трансформатордың бірінші орамасындығы электр энергиясын жылуға айналдыратын омдық кедергі: R_cmбос жүріс режимдегі трансформатордың магнит өткізгішіндегі және басқа металқұрылғы бөлігіндегі жылуға пропроционалды жалған кедергі. r_Іх–трансформатордың бос жүріс режимдегі электр энергиясын бірнеше ораманың магнит өткізгіші мен конструкциялық басқа құрылғыларында бөлініп шыққан жылулардың қосындысына тең жылуға айналдыратын активті жалған кедергі.

r_Іх = P₁ / І²_іx (1.17)

Болаттың электр кедергісін анықтау әдістемесі төменде 1.5.2. тармағында баяндалған. Сонымен, трансформатордың бос жүріс режимде баяндалған электрлік тепе-теңдігінің лездік мәні былай жазылады:

• бірінші орамада:

u₁ =  e₁  e_1 + і₁r_1x (1.18)

• екінші орамада:

u_2х =e₂ (1.19)

ЭТН (электртехникасының теориялық негіздері) курсында айтылған синусоидалы өзгеретін кешенді амплитуда теориясы тұрғысынан қарасақ, тронсформатордың бос жүріс режимде электрлік тепе-теңдіктің әрекеттік мәні мына теңдеумен өрнектейді:

U = -Е ₁ + Lj х ₁+І ₁r ₁ U_2х = Е₂ (1.20)

мұндағы І₁ j х₁ = -Е_1б (1.21) Х₁ = 2 fL_1б (1.22

мұнда І₁Ł jł х₁= -Е_1б - трансформатордың бірінші орамасында шашыранды магнит ағынынан пайда болған ЭҚК әрекеттік мәні, оның сандық мәні кернеудің индуктивті шашыранды кедергісіне түсуіне тең. r₁-трансформатордың бірінші орамасындағы активті кедергі х₁-трансформатордың бірінші орамасындағы индуктивті шашыранды кедергі, f - қоректендіру көзіндегі тоқтың (кернеудің) жиілігі.