Трансформатор

Трансформатор (лат. transformare - хувиргах, шилжүүлэх, хувьсгах) буюу хувьсгуур нь цахилгаан техникийн нэгэн бүрэлдхүүн эд анги юм. Трансформатор нь ихэнхдээ хоёр болон түүнээс дээш ороомгоос бүрдэх бөгөөд энэхүү ороомог нь зэс утас байдаг ба ороомогууд нь нэгэн феррит- эсвэл төмрөн зүрхэвчин дээр хамтдаа байрлана. Трансформатор нь түүн рүү орж буй талын ороомогт ирэх хувьсах хүчдэлийг, гаргалтын хоёр дахь ороомгоор гаралтын хувьсах хүчдэл болгон хувиргах төхөөрөмж юм. Ингэж хувирахдаа оролт болон гаралтын хувьсах хүчдэлийн харьцаа нь хоёр ороомогийн ороодосын тооны харьцаатай ижил байдаг. Жишээ нь ороодосын харьцаа 20:1 гэсэн тохиолдолд оролтын 240 вольт хүчдэл нь гарахдаа гаралтын 12 вольтийн хүчдэл болон хувирна гэсэн үг юм. Тэгэхээр түүнийг хийцээр нь тухайн трансформаторын гаралт нь өндөр, нам эсвэл тэнцүү гаралттай байхыг шийдэх боломжтой.

Трансформаторыг эрчим хүчний нийлүүлэлтийн төхөөрөмжинд олон янзын хувилбараар хүчдэлийн хувьсгуур болгон ашиглахаас гадна техникийн хэрэгсэлд, ялангуяа бага хүчдэлийг бэлтгэх зорилгоор сүлжээний тэжээлийн блок болгон төрөл бүрийн цахилгаан болон электрон төхөөрөмжид ашиглана. Мөн түүнчлэн дохионы дамжуулалт болон хамгаалалтын таслуурт хэрэглэгдэнэ.

Түүх

Хэдийгээр индукцийн зарчим нь 1831 онд Майкл Фарадейн хийсэн нээлтээр мэдэгдэж байсан боловч түүнээс хойш 44 жилийн дараа анхны трансформаторыг зохион бүтээжээ. 1875 онд Павел Николаевич Яблочков нүүрсэн нуман гэрлийн сайжруулсан хэлбэрийг зохион бүтээсэн ба түүндээ индукцийн ороомгийг хэрэглэсэн нь трансформаторын үндсэн зарчим байв.^[1] Гэвч тэрээр энэ төхөөрөмжөө цааш нь хөгжүүлсэнгүй орхисон байна. 1881 онд Люсьен Гаулард болон Жон Диксон Гиббс нар Лондонд нэгэн трансформаторыг танилцуулсан ба тэдний бүтээлийг 1882 онд англид хүлээн зөвшөөрч 4362 дугаарт патентаар баталгаажуулав.^[2] Тухайн үед трансформатор гэсэн нэршил байгаагүй бөгөөд түүнийг "хоёрдогч генератор" хэмээн нэрийдэж байжээ.

Уильям Стенлийн 1886 онд патентлуулсан техникийн зураг

Хувьсах гүйдлийн систем болон түүнтэй хамт трансформатор түгэн дэлгэрэх үйл явцад америкийн инженер Жорж Вестингауз ихээхэн нөлөө үзүүлсэн. Тэрээр тухайн үед Томас Эдисоны сонгон ашиглаж байсан тогтмол гүйдлийн ашиггүй талыг олж харан түүний оронд хувьсах гүйдлийг эрчим хүчний түгээлтэнд хэрэглэх саналыг дэвшүүлсэн нь гүйдлийн дайн эхлэх үндэс болов. Жорж Вестингауз нь 1885 онд Гаулард болон Гибссийн хоёрдогч генераторын патентийн эрхийг худалдаж аваад тус генератор болон Сименсийн генератороос хэд хэдийг америк руу импортолсон аж. Ингээд Вестингауз Питтсбург хотын цахилгаан гэрэлтүүлэгт зориулан хувьсах гүйдлийн эрчим хүчний сүлжээг байгуулав. Вестингаузийн Питтсбургийн станцын ерөнхий инженер Уильям Стенли Гаулард болон Гибссийн төхөөрөмжинд чухал сайжруулалтыг хийсэн байна. Вестингауз Массачусеттс мужийн Их Баррингтонд хувьсах хүчдэлийн генераторыг угсран суурилуулсан бөгөөд энэ генератор нь 500 вольтийн хувьсах хүчдэлийг дамжуулахын тулд 3000 вольт болгон өсгөөд, цахилгаан гэрэлтүүлгийг холбосон түгээлтийн хэсэгт 100 вольт болгон бууруулж байжээ. Трансформаторын хэрэгцээ өссөн болон хувьсах гүйдлийн сүлжээг бий болгосоноор дэлхий даяар цахилгаанжилтийн процесс эрчимтэй хөгжих үндэс боллоо. 1890-ээд оны эхээр Берлиний AEG-д ажиллаж байсан цахилгааны инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский нь гурван фазын хувьсах гүйдлийн трансформаторыг хөгжүүлсэн бөгөөд эргэх гүйдэл гэсэн нэршилийг цахилгаан техникт оруулан хэрэглэж эхлэв.^[3]^[4]^[5] Түүний эргэх гүйдлийн трансформаторыг Оскар Миллер 1891 онд 176 км-ийн зайд гурван фазын хувьсах гүйдлийг дамжуулахаар хамгийн анх ашигласан юм. Энэ шугам нь Лауффен Неккараас эхлэн 175 км зайтай орших Майны Франкфурт руу тавигдан 1891 оны 8 сарын 24-нд ашиглалтанд оржээ. Тус хувьсгуураар усан цахилгаан станцаас гарч байгаа 50 вольтийн хүчдэлийг дамжуулахаар 15 кВ болгон өсгөхөд ашиглажээ.

Ерөнхий зарчим

Трансформаторын ажиллах зарчмын бүдүүвч зураг

Ачаалалгүй трансформатор нь соронзон цагираг буюу трансформаторын зүрхэвч болон хамгийн багадаа хоёр ороомогоос бүрдэнэ. Цахилгаан энергийн эх үүсвэртэй холбогдож байгаа ороомогтой талыг хүчний буюу анхдагч тал гэж нэрлэнэ. Цахилгааны ачаалал байгаа талыг нь намын буюу хоёрдогч тал гэж нэрлэдэг.

Ажиллах зарчим нь дараах байдлаар тодорхойлогдоно:

Трансформаторын анхдагч тал дээрх хувьсах хүчдэл нь индукцийн хуулийн дагуу зүрхэвчинд хувьсах соронзон урсгалаар нөлөөлнө. Энэ хувьсах соронзон урсгал нь эргээд трансформаторын хоёрдогч талын хүчдэлийг индукцлэнэ.
Хоёрдогч орооомог дээрх хувьсах гүйдэл нь Амперийн хуулийн дагуу анхдагч ороомогт хувьсах гүйдлээр нөлөөлнө.

Хувьсах гүйдлийн давтамж бага байх үед зүрхэвчийг ферро соронзон материалаар (ган) хийх ба түүний соронзон нэвчилт өндөр байдаг. Үүгээрээ ган зүрxэвчгүй трансформатороос хувьсах соронзон урсгалын нягт өндөртэй учир илүү өндөр ороомогийн хүчдэлийг гаргах боломжтой юм. Мөн түүнчлэн ороомогт үүсэх Омын эсэргүүцлийн алдагдал чадалтай харьцуулахад дамжуулах чадал нь хамаагүй их байна. Энгийн хэллэгээр, ган зүрхэвчгүй трансформаторыг, ган зүрxэвчтэй трансформатортай харьцуулахад хамаагүй цөөн ороодос шаардагдана гэсэн үг юм.

ОСО - орон нутгийн гэрэлтүүлгийн хуурай фазын нэг фазын трансформатор, байгалийн агаар хөргөлттэй, 50-60 Гц хүчин чадалтай AC сүлжээнд залгагдсан байдаг. Машины багаж хэрэгсэл, гагнуурын индүү, халаагч болон бусад цахилгаан төхөөрөмжийг орон нутгийн гэрэлтүүлэгт зориулж бага хүчдэлийн чийдэнг нийлүүлэх зориулалттай.^[6]

Ажиллагааны зарчим

Идеал трансформатор

Идеал трансформатор гэдэгт практикт хийх боломжгүй, алдагдал байхгүй трансформаторыг хэлдэг. Трансформаторын ажиллах зарчмыг дүрслэн харуулахын тулд ийм загвартай харьцуулах нь их нэмэртэй. Трансформаторын анхдагч талын N₁ ороодосын тоо бүхий ороомогт U₁ хувьсах хүчдэлийг өгөхөд I₀ хоосон явалтын гүйдэл түүгээр урсана. Энэ гүйдэл нь ган зүрхэвчинд хувьсах соронзон урсгал Φ-ийг үүсгэх ба үүссэн соронзон орон нь хоёрдогч ороомгийн N₂ ороодост U₂ хүчдэлийг индукцлэнэ. Энэ үед N₁ болон N₂-ийн нэгж ороодос бүр яг ижил хүчдэлтэй байх бөгөөд анхдагч талын эсрэг хүчдэл U₁ болон хоёрдогч талын U₂ хүчдэлүүд нь N₁ буюу N₂-ийн нэгж ороодосын хүчдэлийн нийлбэрийг илэрхийлнэ.^[7] Тиймээс идеал трансформаторт хүчдэлийн харьцаа нь дараах байдлаар тодорхойлогдоно:

{\frac {U_{2}}{U_{1}}}={\frac {N_{2}}{N_{1}}}

N1 болон N2 ороодосын тоог зөв сонгосоноор трансформатораар хувьсах хүчдэлийг өсгөx (N2-ын тоог N1-ээс илүү сонгох) эсвэл бууруулан (N2 ороодосын тоо нь N1 ороодосын тооноос багаар сонгоx) хувьсгах боломжтой.

Хэрэв хоёрдогч ороомогт хэрэглэгчийг холбовол хэрэглэгч нь хоёрдогч ороомгоос цахилгаан эрчим хүчийг хүлээж авна. Хүчдэлтэй харьцуулахад ороомгуудаар гүйх гүйдлүүд нь эсрэг чиглэлтэй байдаг. Хэрвээ анхдагч гүйдэл нь зүрхэвчээр баруун эргэн ороомогоор урсаж байхад хоёрдогч ороомгийн гүйдэл нь зүүн эргэн урсана. Үүнийг Ленцийн дүрэм гэнэ. Энэ эсрэг чиглэсэн гүйдлийн урсгалыг амперийн хуулиар тайлбарладаг.

I_{2}={\frac {N_{1}}{N_{2}}}\cdot I_{1}

.

Хүчдэл болон гүйдлийн хувьсалтын тэгшитгэлээс харахад идеал трансформатор анхдагч талд өгсөн энерги нь хоёрдогч талаас авсан энергитэй тэнцүү байна. Трансформатор нь энэ үед энергийг түр хадгалахгүй мөн дулааны алдагдал үүсгээгүй. Тиймээс чадал жишээ нь дараах томъёо хүчинтэй.

{U_{1}\cdot I_{1}}={U_{2}\cdot I_{2}}

Бодит трансформатор

Үндсэн өгүүлэл: Бодит трансформатор

Бодит трансформатор нь идеал трансформатороос дараах байдлаар ялгарна:

Ороомогууд нь цахилгаан эсэргүүцэл болон багтаамжтай
Ган зүрхэвчинд хуйларсан гүйдлийн алдагдал бий болно.
Зүрхэвчийн ферро соронзон нь энерги хэрэглэнэ
Анхдагч ороомгоор урсан өнгөрөх бүх соронзон урсгал Φ нь хоёрдогч ороомогоор урсахгүй, харин ихээхэн соронзон урсгалын алдагдал үүснэ.
Зүрхэвчийн соронзон нэвчилт нь давтамж болон соронзон урсгалын хүчнээс хамаарна

Эшлэл

↑ NATIONAL HIGH MAGNETIC FIELD LABORATORY USA – The Stanley Transformer – 1886 (Memento 11. Аравдугаар сар 2017 цахим архивт) (englisch)
↑ "VDE „Трансформаторын хөгжлийн он дараалал"". Эх хувилбараас архивласан: 2015-12-21. Татаж авсан: 2015-12-08.
↑ "VDE-Website". Эх хувилбараас архивласан: 2010-10-24. Татаж авсан: 2015-12-09.
↑ Gerhard Neidhöfer: Michael von Dolivo-Dobrowolsky und der Drehstrom. Anfänge der modernen Antriebstechnik und Stromversorgung. VDE-Buchreihe Geschichte der Elektrotechnik Band 9, 2. Auflage. VDE VERLAG, Berlin Offenbach, ISBN 978-3-8007-3115-2.
↑ "WEKA Media Lexikon". Эх хувилбараас архивласан: 2012-07-23. Татаж авсан: 2015-12-09.
↑ Хуурай трансформаторууд.
↑ Alfred Böge: Handbuch Maschinenbau. Grundlagen und Anwendungen der Maschinenbau-Technik. 20. Auflage, Vieweg Teubner Verlag, 2011, S. G36 - G Elektrotechnik

[NHM-1] NATIONAL HIGH MAGNETIC FIELD LABORATORY USA – The Stanley Transformer – 1886 (Memento 11. Аравдугаар сар 2017 цахим архивт) (englisch)

[VDE-2] "VDE „Трансформаторын хөгжлийн он дараалал"". Эх хувилбараас архивласан: 2015-12-21. Татаж авсан: 2015-12-08.

[3] "VDE-Website". Эх хувилбараас архивласан: 2010-10-24. Татаж авсан: 2015-12-09.

[4] Gerhard Neidhöfer: Michael von Dolivo-Dobrowolsky und der Drehstrom. Anfänge der modernen Antriebstechnik und Stromversorgung. VDE-Buchreihe Geschichte der Elektrotechnik Band 9, 2. Auflage. VDE VERLAG, Berlin Offenbach, ISBN 978-3-8007-3115-2.

[5] "WEKA Media Lexikon". Эх хувилбараас архивласан: 2012-07-23. Татаж авсан: 2015-12-09.

[6] Хуурай трансформаторууд.

[7] Alfred Böge: Handbuch Maschinenbau. Grundlagen und Anwendungen der Maschinenbau-Technik. 20. Auflage, Vieweg Teubner Verlag, 2011, S. G36 - G Elektrotechnik

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]