עקרון הפעולה והמכשיר של שנאי חד פאזי

שנאי חד פאזי ללא עומס

רובוטריקים בהנדסת חשמל נקראים מכשירים חשמליים כאלה שבהם אנרגיה חשמלית זרם חילופין מסליל תיל קבוע אחד מועברת לסליל תיל קבוע אחר שאינו מחובר חשמלית לראשון.

הקישור המעביר אנרגיה מסליל אחד לשני הוא השטף המגנטי, הנשתלב בשני הסלילים ומשתנה כל הזמן בגודלו ובכיווןו.

אורז. 1.

באיור. 1a מציג את השנאי הפשוט ביותר המורכב משתי פיתולים / ו / / מסודרים בקואקסי זה מעל זה. לסליל / נמסר זרם חליפין מהאלטרנטור D. פיתול זה נקרא פיתול ראשוני או פיתול ראשוני. עם פיתול // הנקרא פיתול משני או פיתול משני, מעגל מחובר דרך מקלטי אנרגיה חשמלית.

עקרון הפעולה של השנאי

פעולת השנאי היא כדלקמן. כאשר זורם זרם בפיתול הראשוני / הוא נוצר שדה מגנטי, שקווי הכוח שלהם חודרים לא רק לתוך הפיתול שיצר אותם, אלא גם חלקית לתוך הפיתול המשני //. תמונה משוערת של התפלגות קווי הכוח שנוצרו על ידי הפיתול הראשוני מוצגת באיור. 1ב.

כפי שניתן לראות מהאיור, כל קווי הכוח סגורים סביב מוליכים של הסליל /, אך חלקם באיור. 1b, חוטי החשמל 1, 2, 3, 4 סגורים גם הם סביב חוטי הסליל //. כך סליל // מקושר באופן מגנטי לסליל / באמצעות קווי שדה מגנטי.

מידת הצימוד המגנטי של הסלילים /ו//, עם סידורם הקואקסיאלי, תלויה במרחק ביניהם: ככל שהסלילים רחוקים יותר זה מזה, כך קטן הצימוד המגנטי ביניהם, מכיוון שככל שפחות קווי הכוח על הסלילים. סליל /נצמד לסליל //.

מכיוון שהסליל / עובר דרכו, כפי שאנו מניחים, זרם חילופין חד פאזי, כלומר זרם שמשתנה עם הזמן לפי חוק כלשהו, ​​למשל לפי חוק הסינוס, אז גם השדה המגנטי שנוצר ממנו ישתנה עם הזמן לפי אותו חוק.

לדוגמה, כאשר הזרם בסליל / עובר דרך הערך הגדול ביותר, אז השטף המגנטי שנוצר על ידו עובר גם דרך הערך הגדול ביותר; כאשר הזרם בסליל / עובר דרך אפס, משנה את הכיוון שלו, אז השטף המגנטי עובר גם דרך האפס, משנה גם את הכיוון שלו.

כתוצאה משינוי הזרם בסליל /, גם סלילים / ו // חודרים על ידי שטף מגנטי, המשנה כל הזמן את ערכו וכיוונו. על פי החוק הבסיסי של אינדוקציה אלקטרומגנטית, על כל שינוי בשטף המגנטי החודר לסליל, מושרה זרם חילופין בסליל כוח חשמלי... במקרה שלנו, הכוח האלקטרו-מוטיבי של ההשראה העצמית מושרה בסליל /, והכוח האלקטרו-מוטיבי של ההשראה ההדדית מושרה בסליל //.

אם קצוות הסליל // מחוברים למעגל של מקלטי אנרגיה חשמלית (ראה איור 1a), אז יופיע זרם במעגל זה; לכן המקלטים יקבלו חשמל. במקביל, תופנה אנרגיה אל הפיתול /מהגנרטור, כמעט שווה לאנרגיה שניתנת למעגל על ​​ידי הפיתול //. בדרך זו תועבר אנרגיה חשמלית מסליל אחד למעגל של הסליל השני, שאינו קשור לחלוטין לסליל הראשון מבחינה גלוונית (מתכתית), במקרה זה, אמצעי העברת האנרגיה הוא רק שטף מגנטי לסירוגין.

מוצג באיור. 1a, השנאי מאוד לא מושלם מכיוון שיש מעט צימוד מגנטי בין הפיתול הראשוני /לפיתול המשנית //.

הצימוד המגנטי של שני סלילים, באופן כללי, מוערך לפי היחס בין השטף המגנטי המצורף לשני הסלילים לבין השטף שנוצר על ידי סליל אחד.

תאנה. 1b, ניתן לראות שרק חלק מקווי השדה של הסליל /סגור סביב הסליל //. החלק השני של קווי החשמל (באיור 1b - קווים 6, 7, 8) סגור רק סביב הסליל /. קווי מתח אלה אינם מעורבים כלל בהעברת אנרגיה חשמלית מהסליל הראשון לשני, הם יוצרים את מה שנקרא שדה תועה.

על מנת להגביר את הצימוד המגנטי בין הפיתולים הראשוניים והמשניים ובמקביל להפחית את ההתנגדות המגנטית למעבר השטף המגנטי, הפיתולים של שנאים טכניים מונחים על ליבות ברזל סגורות לחלוטין.

הדוגמה הראשונה ליישום שנאים מוצגת באופן סכמטי באיור. שנאי 2 חד פאזי מהסוג שנקרא מוט. הסלילים הראשוניים והמשניים שלו c1 ו-c2 ממוקמים על מוטות ברזל a - a, המחוברים בקצותיהם עם לוחות ברזל b - b, הנקראים yokes. בדרך זו, שני מוטות a, a ושני עול b, b יוצרים טבעת ברזל סגורה, שבה עובר השטף המגנטי החסום עם הפיתולים הראשוניים והמשניים. טבעת ברזל זו נקראת הליבה של השנאי.

אורז. 2.

ההתגלמות השנייה של שנאים מוצגת באופן סכמטי באיור. שנאי 3 חד פאזי מהסוג הנקרא משוריין. בשנאי זה הפיתולים הראשוניים והמשניים c, שכל אחד מהם מורכב משורה של פיתולים שטוחים, מונחות על ליבה שנוצרה על ידי שני מוטות של שתי טבעות ברזל a ו-b. הטבעות a ו-b המקיפות את הפיתולים מכסות אותן כמעט במלואן בשריון, לכן השנאי המתואר נקרא משוריין. השטף המגנטי העובר בתוך הסלילים c מחולק לשני חלקים שווים, שכל אחד מהם סגור בטבעת ברזל משלו.

אורז. 3

השימוש במעגלים מגנטיים מברזל סגורים בשנאים משיג הפחתה משמעותית בזרם הדליפה. בשנאים כאלה, השטפים המחוברים לפיתולים הראשוניים והמשניים כמעט שווים זה לזה. אם נניח כי הפיתולים הראשוניים והמשניים חודרים על ידי אותו שטף מגנטי, נוכל לכתוב ביטויים המבוססים על סך ההלם המושרה עבור הערכים המיידיים של הכוחות האלקטרו-מוטיביים של הפיתולים:

בביטויים אלו, w1 ו-w2 - מספר הסיבובים של הפיתולים הראשוניים והמשניים, ו-dFt הוא גודל השינוי בפיתול החודר של השטף המגנטי לכל אלמנט זמן dt, לכן יש קצב שינוי של השטף המגנטי . מהביטויים האחרונים ניתן לקבל את הקשר הבא:

כְּלוֹמַר המצוינים בפיתולים הראשוניים והמשניים / ו // הכוחות האלקטרומוטיביים הרגעיים קשורים זה לזה באותו אופן כמו מספר הסיבובים של הסלילים. המסקנה האחרונה תקפה לא רק לגבי הערכים המיידיים של כוחות אלקטרו-מוטיבים, אלא גם לגבי הערכים הגדולים והיעילים ביותר שלהם.

הכוח האלקטרו-מוטיבי המושרה בפיתול הראשוני, ככוח אלקטרו-מוטיבי של אינדוקציה עצמית, מאזן כמעט לחלוטין את המתח המופעל על אותה פיתול... אם לפי E1 ו-U1 אתה מציין את הערכים האפקטיביים של הכוח האלקטרו-מוטיבי של הפיתול הראשוני והמתח המופעל עליו, אז אתה יכול לכתוב:

הכוח האלקטרו-מוטיבי המושרה בפיתול המשנית, במקרה הנדון, שווה למתח על פני קצוות הפיתול הזה.

אם, כמו הקודם, דרך E2 ו-U2 אתה מציין את הערכים האפקטיביים של הכוח האלקטרו-מוטורי של הפיתול המשנית והמתח בקצותיו, אז אתה יכול לכתוב:

לכן, על ידי הפעלת מתח מסוים על פיתול אחד של השנאי, אתה יכול לקבל כל מתח בקצוות של הסליל השני, אתה רק צריך לקחת יחס מתאים בין מספר הסיבובים של סלילים אלה. זה מה המאפיין העיקרי של השנאי.

היחס בין מספר הסיבובים של הפיתול הראשוני למספר הסיבובים של הפיתול המשני נקרא יחס טרנספורמציה של השנאי... נסמן את מקדם הטרנספורמציה kT.

לכן אפשר לכתוב:

שנאי שיחס הטרנספורמציה שלו קטן מאחד נקרא שנאי מדרגה, מכיוון שהמתח של הפיתול המשני, או המתח המשני כביכול, גדול מהמתח של הפיתול הראשוני, או מה שנקרא המתח הראשוני. . שנאי עם יחס טרנספורמציה גדול מאחד נקרא שנאי מטה, מכיוון שהמתח המשני שלו קטן מהמתח הראשוני.

הפעלת שנאי חד פאזי בעומס

במהלך סרק השנאי, השטף המגנטי נוצר על ידי זרם הפיתול הראשוני או ליתר דיוק על ידי הכוח המגנטו-מוטיבי של הפיתול הראשוני. מכיוון שהמעגל המגנטי של השנאי עשוי מברזל ולכן יש לו התנגדות מגנטית נמוכה, ובדרך כלל מניחים שמספר הסיבובים של הפיתול הראשי הוא גדול, זרם ללא עומס של השנאי קטן, הוא 5- 10% מהרגיל.

אם תסגור את הסליל המשני להתנגדות כלשהי, אז עם הופעת הזרם בסליל המשני, יופיע גם הכוח המגנטו-מוטיבי של סליל זה.

על פי חוק לנץ, הכוח המגנטו-מוטיבי של הסליל המשני פועל כנגד הכוח המגנטו-מוטיבי של הסליל הראשוני

נראה כי השטף המגנטי במקרה זה אמור לרדת, אך אם מופעל מתח קבוע על הפיתול הראשוני, אז כמעט לא תהיה ירידה בשטף המגנטי.

למעשה, הכוח האלקטרו-מוטורי המושרה בפיתול הראשוני כאשר השנאי טעון שווה כמעט למתח המופעל. כוח אלקטרו-מוטורי זה פרופורציונלי לשטף המגנטי.לכן, אם המתח הראשוני קבוע בגודלו, אזי הכוח האלקטרו-מוטיבי תחת עומס צריך להישאר כמעט זהה לזה שהיה במהלך פעולת השנאי ללא עומס. נסיבות אלו מובילות לעמידות כמעט מוחלטת של השטף המגנטי תחת כל עומס.

לפיכך, בערך קבוע של המתח הראשוני, השטף המגנטי של השנאי כמעט ולא משתנה עם שינוי העומס וניתן להניח שהוא שווה לשטף המגנטי בזמן פעולה ללא עומס.

השטף המגנטי של השנאי יכול לשמור על ערכו בעומס רק משום שכאשר מופיע זרם בפיתול המשנית, גם הזרם בפיתול הראשוני גדל, עד כדי כך שההבדל בין הכוחות המגנטו-מוטיבים או סיבובי האמפר של הראשוני והמשני. פיתולים נשארים כמעט שווים לכוח המגנטו-מוטיבי או סיבובי אמפר בזמן סרק... לפיכך, הופעת כוח מגנטו-מוטיב מבטל או סיבובי אמפר בפיתול המשנית מלווה בעלייה אוטומטית בכוח המגנטו-מוטיב של הפיתול הראשוני.

מכיוון שכפי שהוזכר לעיל, נדרש כוח מגנטו-מוטיב קטן ליצירת שטף מגנטי של שנאי, ניתן לומר שעלייה בכוח המגנטו-מוטיב המשני מלווה בעלייה בכוח המגנטו-מוטיב הראשוני, שכמעט זהה בגודלו.

לכן אפשר לכתוב:

משוויון זה מתקבל המאפיין העיקרי השני של השנאי, כלומר היחס:

כאשר kt הוא גורם הטרנספורמציה.

לכן, היחס בין הזרמים של הפיתולים הראשוניים והמשניים של השנאי שווה לאחד חלקי יחס הטרנספורמציה.

כך, המאפיינים העיקריים של השנאי יש מערכת יחסים

ו

אם נכפיל את הצדדים השמאליים של מערכת היחסים זה בזה ואת הצדדים הימניים זה בזה, נקבל

ו

השוויון האחרון נותן את המאפיין השלישי של השנאי, שניתן לבטא במילים כאלה: ההספק הנמסר על ידי הפיתול המשני של השנאי בוולט-אמפר כמעט שווה להספק הנמסר לפיתול הראשוני גם בוולט-אמפר. .

אם נתעלם מאובדני האנרגיה בנחושת של הפיתולים ובברזל של ליבת השנאי, אזי נוכל לומר שכל הכוח המסופק לליפוף הראשוני של השנאי ממקור הכוח מועבר לפיתול המשני שלו, וה- משדר הוא השטף המגנטי.