Назначение и принцип работы трансформатора: Силовые трансформаторы: определение, классификация и принцип работы

Содержание

Принцип работы | Трансформаторы и монтаж

При подключении трансформатора к источнику переменного тока (электрической сети) в витках его первичной обмотки протекает переменный ток i 1 , образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные Э.Д.С. е 1 и е 2 . Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием Э.Д.С. е 2 по ее цепи проходит ток i 2 .
Э.Д.С. [E, ( В )] , индуцированная в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока [B, ( Тл )] , пронизывающего виток [W] , частоты [f, ( Гц) ] и площади сечения магнит о провода [S, (мм 2) ] .

E=4.44*W*f*B*S

Отношение Э.Д.С. Е 2 обмотки высшего напряжения к Э.Д.С. E 1 обмотки низшего напряжения (или отношение чисел их витков) называется коэффициентом трансформации,

n = Е 1 / E 1\2 = W 1 / W 2

Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (в трансформаторах средней и большой мощности они не превышают обычно 2—5 % номинальных значений напряжений U 1 и U 2 ), то можно считать, что отношение напряжения U 1 первичной обмотки к напряжению U 2 вторичной обмотки приблизительно равно отношению чисел их витков , т. е.

U 1 /U 2 = W 1 / W 2

Таким образом, подбирая требуемое соотношение между числами витков первичной и вторичной обмоток, можно увеличивать или уменьшать напряжение на приемнике, подключенном к вторичной обмотке. Если необходимо на вторичной обмотке получить напряжение большее, чем подается на первичную, то применяют повышающие трансформаторы, у которых число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной.

Параметры трансформатора

Одним из наиболее важных параметров трансформатора является его мощность. Различают электромагнитную, полезную, расчётную и типовую мощности трансформатора.
Электромагнитной мощностью трансформатора называются мощность, передаваемая из первичной обмотки ко вторичную электромагнитным путём; она равна произведению действующей значению ЭДС этой обмотки на величину тока нагрузки, т. е.

Рэм=Е2I2, [ВА]

Полезной или отдаваемой мощностью трансформатора называется произведение действующего напряжения на зажимах вторичной обмотки на величину её нагрузочного тока, т.е.

Р2=U2I2, [ВА]

Расчётной мощностью трансформатора называется произведение действующего значения тока, протекающего по обмотке, на величину напряжения на её зажимах.

Р1=U1I1, [ВА]

Виды трансформаторов

С иловой трансформатор переменного тока — статическое электромагнитное устройство, использующееся для преобразования электрической энергии и её передачи из одних цепей в другие. Слово «силовой» отражает работу данного вида трансформаторов с большими мощностями.
Автотрансформатор — вид трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь и электрическую. Как правило автотрансформатор обладает высоким КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию. Основным отличием от трансформатора является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью.

Трансформатор тока — называется трансформатор, в котором при нормальных условиях применения вторичный ток практически пропорционален первичному току и при правильном включении сдвинут относительно его на угол, близкий к нулю. Первичная обмотка трансформатора тока включена в цепь последовательно (в рассечку токопровода), а вторичная обмотка замыкается на некоторую нагрузку (измерительные приборы и реле), обеспечивая прохождение по ней тока, пропорционального току первичной обмотке.

Импульсный трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока, имеющего вид импульсов.

Согласующий трансформатор — трансформатор, применяемый для согласования сопротивления различных частей электронных схем при минимальном искажении формы сигнала, обеспечивая создание гальванической развязки между участками схем.

Принцип действия трансформатора — устройство и назначение, схема конструкции

Трансформатор – это электрическая статическая машина, предназначаемая для изменения характеристик напряжения или тока. Название говорящее – трансформировать – значит преобразовывать. Впрочем, трансформации подвергаются только силовые характеристики тока, частота и форма при этом не изменяются.

Состоит эта машина из нескольких основных частей:

  1. Корпус или магнитопровод – представляет собой сердечник из металлических пластинок, плотно сжатых между собой, изготавливаются из мягкой трансформаторной стали, а в отдельных случаях, из специального состава ферромагнетика.
  2. Первичной обмотки – катушка, размещенная на магнитопроводе, по ней пропускается ток, характеристики которого нужно изменить;
  3. Вторичная обмотка – также катушка, но с проводами других характеристик, в которой индуцируется ток с другими, заранее рассчитанными параметрами.

Принцип работы и область применения

В электромагнитную схему трансформатора входят две обмотки и замкнутый сердечник, выполняемый из трансформаторных листовых материалов. Ток, проходящий по первичной катушке, возбуждает в сердечнике электромагнитную индукцию.

Пересекая провода вторичной катушки, она индуцирует в ней ток, соответствующий параметрам вторичной обмотки. Таких катушек может быть несколько с разными характеристиками (количество витков, сечение провода, материал), соответственно и результат индукции будет различным.

Трансформаторы используются в энергообеспечении народного хозяйства в различных областях:

  1. Для передачи и преобразования электроэнергии:
    • Передача электроэнергии на далекие расстояния и ее разделение между пользователями. Передача электричества по сетям непосредственно после генерации связана с большими его потерями. Генераторы дают напряжение 6-24 кВ, а передача, во избежание потерь, осуществляется при напряжении от 110 до 750 кВ. Для получения таких характеристик применяются повышающие трансформаторы.
    • Когда электроэнергия по ЛЭП доходит до потребителя, она поступает на понижающие трансформаторные станции, где производится понижение напряжения и мощности в соответствии с потребностями для группы потребителей, а затем распределяется на другие трансформаторные подстанции, например, районного значения. Дальнейшее распределение энергии зависит от потребности того или иного объекта или их группы.
  2. Для правильного включения вентилей в преобразователях, что позволяет согласовать величину напряжения на выходах и входах устройства. Их название – преобразовательные.
  3. Для выполнения различных операций технологических процессов, например – сварки, в электролизных производствах, в обеспечении работы электросталеплавильных агрегатов и других.
  4. Обеспечение работы схем и приборов радиоаппаратуры, электроники, средств связи, бытового электрооборудования и многого прочего.
  5. Для подключения электроизмерительных приборов и отдельных аппаратов (реле, коммандеры и др.) в цепи высокого напряжения для обеспечения измерений и электробезопасности объектов. Такие трансформаторы образуют отдельный класс – измерительные.

Устройство

Магнитная схема

Сердечник трансформатора

Конфигурация магнитной схемы разделяет эти устройства на три класса:

  • тороидальные;
  • броневые;
  • стержневые;

Стержень представляет собой ту часть магнитопровода, на которой размещены обмотки, остальная часть называется «ярмо». В виде стержневых изготавливаются трансформаторы большой и средней мощности.

Это связано также с более простой схемой охлаждения такой машины. Магнитопроводы обычно производятся из листовой электротехнической стали толщиной 0,25-0,5 мм. Листовые детали соединяются между собой электротехническим изолирующим лаком. Это делается для уменьшения влияния вихревых токов на работу магнитопровода.

Маломощные и микротрансформаторы обычно производят броневыми, поскольку они в изготовлении дешевле стержневых из-за меньшего числа катушек и технологичности изготовления.

Одним из преимуществ тороидальных трансформаторов является магнитная схема без зазоров. Этим обусловлено низкое магнитное сопротивление магнитопровода таких преобразователей.

Обмотки

Чем ближе расположены обмотки по отношению друг к другу, тем надежнее магнитная связь между ними. Поэтому их принято наматывать одну поверх другой. Такие катушки называются концентрическими.

В зависимости от конструкции, обмотки могут быть расположены последовательно. Эти называются дисковыми. Исполнение зависит от особенностей трансформатора и его назначения.

Мощные статические машины выделяют много тепла и нуждаются в интенсивном охлаждении.

Виды преобразователей

Силовой трансформатор

Предназначается для изменения параметров потока электричества в сетях, используемых для потребления. Необходимость их использования связана с потребностью понижения мощности (до 760 кВ) подводящих сетей в потребительскую мощность городского хозяйства (220/380 В). Силовой преобразователь переменного тока предназначается для изменения силы тока прямым воздействием в сети.

Автотрансформатор

Отличен от предыдущего тем, что обмотки в нем соединяются не только через индукционные потоки, но и непосредственно одна с другой. Вторичная обмотка имеет несколько выводов (но не менее трех), подключение к ним в различных комбинациях ведет к получению различного напряжения.

Преимуществом такой конструкции является повышенный КПД устройства, потому что изменению подвергается только часть энергии. Это эффективно при небольшом различии напряжений на входе и выходе.

Несовершенство этих устройств состоит в том, что между обмотками нет изоляции. Применение оправдано при надежном заземлении в сетях до 115 кВ и небольшим коэффициентом трансформации – в пределах 3-4 раз. Габаритные размеры магнитопровода и обмоток у таких машин меньше, следовательно, они экономичнее в производстве.

Трансформатор напряжения

Этот вид преобразователя питается от соответствующего источника. Применяется обычно для изменения высокого напряжения на пониженное в цепях автоматики или релейной защиты. Использование связано с необходимостью ограждения низковольтных участков схем от повышенного напряжения.

Трансформаторы тока

Здесь первичная катушка получает питание от источника тока. Применяется для понижения тока в устройствах релейной защиты и измерителях. Вместе с тем, производится гальваническая развязка. Как правило, ток на вторичной катушке составляет величину 1А или 5А.

Первичную катушку включают в одну цепь с нагружением, подлежащем контролю, а к вторичной катушке подключаются приборы контроля, либо релейные устройства. Идеальный режим работы вторичной обмотки близок к короткому замыканию. Если происходит замыкание вторичной катушки, возникающее напряжение настолько велико, что повреждает подключенные к ней элементы.

Разделительные трансформаторы

Обмотки таких машин не связаны между собой. Такие преобразователи применяются для улучшения условий безопасности функционирования сетей при замыкании, срабатывает гальваническая развязка.

Импульсные преобразователи

Предназначаются для реформирования сигналов в виде коротких (до 10 миллисекунд) импульсов с максимальным сохранением их формы. В основном применяется для передачи импульсов, характерных прямоугольной формой. Как правило, главное требование к этому преобразователю – передача кратковременного импульса в максимально сохраненной форме, при этом, изменение его амплитуды и полярности несущественно.

Согласующие трансформаторы

Используются при согласовании нагрузок различных участков с максимальным сохранением формы сигнала. Вместе с тем, использование такого преобразователя дает гальваническую развязку разных участков электронных схем.

Пик-трансформатор

Машина, обеспечивающая изменение синусоидальных напряжений в импульсные. При этом, происходит изменение полярности в каждом полупериоде.

Сдвоенный дроссель

Конструктивно выполняется в виде преобразователя с одинаковыми обмотками. Учитывая индуктивное влияние катушек друг на друга, он заметно эффективнее обычного дросселя. Распространены как входные фильтры БП блоков питания в звуковых схемах.

Статья была полезна?

0,00 (оценок: 0)

§63. Назначение и принцип действия трансформатора. Трансформаторы: их назначение и классификация

Может быть, кто-то думает, что трансформатор – это что-то среднее между трансформером и терминатором. Данная статья призвана разрушить подобные представления.

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного электрического тока одного напряжения и определенной частоты в электрический ток другого напряжения и той же частоты.

Работа любого трансформатора основана на явлении , открытой Фарадеем.

Назначение трансформаторов

Разные виды трансформаторов используются практически во всех схемах питания электрических приборов и при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Электростанции вырабатывают ток относительно небольшого напряжения – 220 , 380 , 660 В. Трансформаторы, повышая напряжение до значений порядка тысяч киловольт , позволяют существенно снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, а заодно и уменьшить площадь сечения проводов ЛЭП.

Непосредственно перед тем как попасть к потребителю (например, в обычную домашнюю розетку), ток проходит через понижающий трансформатор. Именно так мы получаем привычные нам 220 Вольт.

Самый распространенный вид трансформаторов – силовые трансформаторы . Они предназначены для преобразования напряжения в электрических цепях. Помимо силовых трансформаторов в различных электронных приборах применяются:

  • импульсные трансформаторы;
  • силовые трансформаторы;
  • трансформаторы тока.

Принцип работы трансформатора

Трансформаторы бывают однофазные и многофазные, с одной, двумя или большим количеством обмоток. Рассмотрим схему и принцип работы трансформатора на примере простейшего однофазного трансформатора.

Из чего состоит трансформатор? Во простейшем случае из одного металлического сердечника и двух обмоток . Обмотки электрически не связаны одна с другой и представляют собой изолированные провода.

Одна обмотка (ее называют первичной ) подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, называемая вторичной , подключается к конечному потребителю тока.


Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, в витках его первичной обмотки течет переменный ток величиной I1 . При этом образуется магнитный поток Ф , который пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС.

Бывает, что вторичная обмотка не находится под нагрузкой. Такой режимы работы трансформатора называется режимом холостого хода. Соответственно, если вторичная обмотка подключена к какому-либо потребителю, по ней течет ток

I2 , возникающий под действием ЭДС.

Величина ЭДС, возникающей в обмотках, напрямую зависит от числа витков каждой обмотки. Отношение ЭДС, индуцированных в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению количества витков соответствующих обмоток.

Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор – трансформатор, в котором отсутствуют потери энергии. В таком трансформаторе энергия тока в первичной обмотке полностью преобразуется сначала в энергию магнитного поля, а далее – в энергию вторичной обмотки.

Конечно, такого трансформатора не существует в природе. Тем не менее, в случае, когда теплопотерями можно пренебречь, в расчетах удобно пользоваться формулой для идеального трансформатора, согласно которой мощности тока в первичной и вторичной обмотках равны.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на

Потери энергии в трансформаторе

Коэффициент полезного действия трансформаторов достаточно высок. Тем не менее, в обмотке и сердечнике происходят потери энергии, приводящие к тому, что температура при работе трансформатора повышается. Для трансформаторов небольшой мощности это не представляет проблемы, и все тепло уходит в окружающую среду – используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.

В более мощных трансформаторах воздушного охлаждения оказывается недостаточно, и применяется охлаждение маслом. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В трансформаторах высоких мощностей дополнительно применяются выхлопные трубы – если масло закипает, образовавшимся газам нужен выход.


Конечно, трансформаторы не так просты, как может показаться на первый взгляд — ведь мы рассмотрели принцип действия трансформатора кратко. Контрольная по электротехнике с задачами на расчет трансформатора внезапно может стать настоящей проблемой. всегда готов оказать помощь в решении любых проблем с учебой! Обращайтесь в Zaochnik и учитесь легко!

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Трансформаторы широко используют для следующих целей.

    Для передачи и распределения электрической энергии. Обычно на электростанциях генераторы переменного тока вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6-24 кВ.

    Для питания различных цепей радио- и телевизионной аппаратуры; устройств связи, автоматики в телемеханики, электробытовых приборов; для разделения электрических цепей различных элементов этих устройств; для согласования напряжений

    Для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов, например реле, в электрические цепи высокого напряжения или в цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности. Трансформаторы, применяемые для этой цели, называют измерительными. Они имеют сравнительно небольшую мощность, определяемую мощностью, потребляемой электроизмерительными приборами, реле и др.

Принцип действия трансформатора

Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора состоит из двух обмоток (рис. 2.1), разме­щенных на замкнутом магнитопроводе, который выполнен из ферромагнитного материала. Применение ферромагнитного магнитопровода позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т. е. уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток машины. Первичную обмотку 1 подключают к источнику переменного тока — электрической сети с напряжением u 1

. Ко вторичной обмотке 2 присоединяют сопротивление нагрузки Z H .

Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а низкого напряжения — обмоткой низшего напряжения (НН). Начала и концы обмотки ВН обозначают буквами А и X; обмотки НН — буквами а и х.

При подключении к сети в первичной обмотке возникает переменный ток i 1 , который создает переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС — е 1 и е 2 , пропорциональные, согласно закону Максвелла, числам витков w 1 и w 2 соответствующей обмотки и скорости изменения потока d Ф/dt .

Таким образом, мгновенные значения ЭДС, индуцированные в каждой обмотке,

е 1 = — w 1 dФ/dt; е2= -w 2 dФ/dt .

Следовательно, отношение мгновенных и действующих ЭДС в обмотках определяется выражением

Следовательно, подбирая соответствующим образом числа витков обмоток, при заданном напряжении U 1 можно получить желаемое напряжение U 2 . Если необходимо повысить вторичное напряжение, то число витков w 2 берут больше числа w 1 ; такой трансформатор называют повышающим. Если требуется уменьшить напряжение U 2 , то число витков w 2 берут мень­шим w 1 ; такой трансформатор называют понижающим,

Отношение ЭДС Е ВН обмотки высшего напряжения к ЭДС Е НН обмотки низшего напряжения (или отношение их чисел витков) называют коэффициентом трансформации

k = Е ВН /Е НН = w ВН /w НН

Коэффициент k всегда больше единицы.

В системах передачи и распределения энергии в ряде слу­чаев применяют трехобмоточные трансформаторы, а в устрой­ствах радиоэлектроники и автоматики — многообмоточные трансформаторы. В таких трансформаторах на магнитопроводе размещают три или большее число изолированных друг от друга обмоток, что дает возможность при питании одной из обмоток получать два или большее число различных напряжений (U 2 , U 3 , U 4 и т.д.) для электроснабжения двух или большего числа групп потребителей. В трехобмоточных силовых трансформаторах различают обмотки высшего, низшего и среднего (СН) напряжений.

В трансформаторе преобразуются только напряжения и токи. Мощность же остается приблизительно постоянной (она несколько уменьшается из-за внутренних потерь энергии в трансформаторе). Следовательно,

I 1 /I 2 ≈ U 2 /U 1 ≈ w 2 /w 1 .

При увеличении вторичного напряжения трансформатора в k раз по сравнению с первичным, ток i 2 во вторичной обмотке соответственно уменьшается в k раз.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора под­ключить к источнику постоянного тока, то в его магнито-проводе образуется магнитный поток, постоянный во времени по величине и направлению. Поэтому в первичной и вторичной обмотках в установившемся режиме не индуцируются ЭДС, а следовательно, не передается электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Такой режим опасен для трансформатора, так как из-за отсутствия ЭДС E 1 первич­ной обмотке ток I 1 =U 1 R 1 весьма большой.

Важным свойством трансформатора, используемым в устройствах автоматики и радиоэлектроники, является способность его преобразовывать нагрузочное сопротивление. Если к источнику переменного тока подключить сопротивление R через трансформатор с коэффициентом трансформации к, то для цепи источника

= P 1 /I 1 2 ≈ P 2 /I 1 2 ≈ I 2 2 R/I 1 2 ≈ k 2 R

где Р 1 — мощность, потребляемая трансформатором от источ­ника переменного тока, Вт; Р 2 = I 2 2 R P 1 — мощность, по­требляемая сопротивлением R от трансформатора.

Таким образом, трансформатор изменяет значение сопро­тивления R в k 2 раз. Это свойство широко используют при разработке различных электрических схем для согласования сопротивлений нагрузки с внутренним сопротивлением источ­ников электрической энергии.

Принцип действия трансформатора основан на знаменитом законе взаимной индукции. Если включить в сеть первичную обмотку этой то по этой обмотке начнет течь переменный ток. Этот ток будет создавать в сердечнике переменный магнитный поток. Данный магнитный поток начнет пронизывать витки вторичной обмотки трансформатора. На этой обмотке будет индуцироваться переменная ЭДС (электродвижущая сила). Если подключить (замкнуть) вторичную обмотку к какому-то приемнику электрической энергии (например, к обычной лампе накаливания), то под воздействием индуктируемой электродвижущей силы по вторичной обмотке к приемнику будет течь электрический переменный ток.

Вместе с этим, по первичной обмотке будет протекать ток нагрузки. Это значит, что электроэнергия будет трансформироваться и передаваться из вторичной обмотки в первичную при том напряжении, на который рассчитана нагрузка (то есть приемник электроэнергии, подключенный ко вторичной сети). Принцип действия трансформатора и основан на этом простом взаимодействии.

Для улучшения передачи магнитного потока и усиления магнитной связи намотка трансформатора, как первичная, так и вторичная, помещается на специальный стальной магнитопровод. Обмотки изолированы и от магнитопровода, и друг от друга.

Принцип действия трансформатора различен по напряжению обмоток. Если напряжение вторичной и первичной обмоток будет одинаково, то будет равен единице, и тогда теряется сам смыл трансформатора как преобразователя напряжения в сети. Разделяют понижающие и повышающие трансформаторы. Если первичное напряжение будет меньше, чем вторичное, то такое электрическое устройство будет называться повышающим трансформатором. Если же вторичное меньше — то понижающим. Однако один и тот же трансформатор можно использовать и в качестве повышающего, и в качестве понижающего. Трансформатор повышающий используется для передачи энергии на различные расстояния, для транзита и прочего. Понижающие используют в основном для перераспределения электроэнергии между потребителями. Расчет обычно и производится с учетом его последующего применения в качестве понижающего напряжение или повышающего.

Как уже говорилось выше, принцип действия трансформатора довольно прост. Однако есть некоторые любопытные детали в его конструкции.

В трансформаторах трехобмоточных три изолированные обмотки помещены на магнитопровод. Такой трансформатор может получать два разных напряжения и передавать энергию сразу двум группам приемников электроэнергии. В таком случае говорят, что кроме обмоток низшего и у трехобмоточного трансформатора есть и обмотка среднего напряжения.

Обмотки трансформатора имеют цилиндрическую форму, и полностью изолируются друг от друга. При такой обмотке поперечное сечение стержня будет иметь круглую форму для уменьшения ненамагниченных промежутков. Чем меньше таких промежутков, тем меньше и масса меди, а, следовательно, масса и стоимость трансформатора.

Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:

1. Изменяющийся во времени электрический ток создаёт магнитное поле (электромагнетизм)

2. Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)

Протекающий в первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе, изменения которого в свою очередь, проходя через вторичную обмотку, создают в ней переменную ЭДС.

Рис. 1 Схематическое устройство трансформатора. 1 — первичная обмотка, 2 — вторичная

Закон Фарадея

ЭДС, создаваемая во вторичной обмотке, может быть вычислена по закону Фарадея, который гласит, что:

N2 — число витков во вторичной обмотке,

Φ — суммарный магнитный поток, через один виток обмотки. Если витки обмотки расположены перпендикулярно линиям магнитного поля, то поток будет пропорционален магнитному полю B и площади S через которую он проходит.

ЭДС, создаваемая в первичной обмотке, соответственно:

U1 — мгновенное значение напряжения на концах первичной обмотки,

N1 — число витков в первичной обмотке.

Поделив уравнение U2 на U1, получим отношение:

Уравнения идеального трансформатора

Если вторичную обмотку подключить к нагрузке, то электрическая энергия будет передаваться из первичной цепи во вторичную. В идеале трансформатор всю поступающую энергию из первичной цепи трансформирует в магнитное поле и, затем, в энергию вторичной цепи. В этом случае поступающая энергия, равна преобразованной энергии.

P1 — мгновенное значение поступающей на трансформатор мощности, поступающей из первичной цепи,

P2 — мгновенное значение преобразованной трансформатором мощности, поступающей во вторичную цепь.

Соединив это уравнение с отношение напряжений на концах обмоток, получим уравнение идеального трансформатора:

Таким образом получаем, что при увеличении напряжения наконцах вторичной обмотки U2, уменьшается ток вторичной цепи I2.

Для преобразования сопротивления одной цепи к сопротивлению другой, нужно умножить величину на квадрат отношения. Например, сопротивление Z2 подключено к концам вторичной обмотки, его приведённое значение к первичной цепи будет . Данное правило справедливо также и для вторичной цепи: .

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе, сдвинутый по фазе, при синусоидальном токе, на 90° по отношению к напряжению в первичной обмотке. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку. Когда вторичные обмотки ни к чему не подключены (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток через первичную обмотку невелик, и определяется в основном её индуктивным сопротивлением. Напряжение индукции на вторичных обмотках в режиме холостого хода определяется отношением числа витков соответствующей обмотки w2 к числу витков первичной обмотки w1:

При подключении вторичной обмотки к нагрузке, по ней начинает течь ток. Этот ток также создаёт магнитный поток в магнитопроводе, причём он направлен противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате, в первичной обмотке нарушается компенсация ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке, до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения. В этом режиме отношение токов первичной и вторичной обмотки равно обратному отношению числа витков обмоток

отношение напряжений в первом приближении также остаётся прежним. В результате, мощность, потребляемая от источника в цепи первичной обмотки практически полностью передаётся во вторичную.

Схематично, выше сказанное можно изобразить следующим образом:

U1 → I1 → I1w1 → Ф → ε2 → I2

Мгновенный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора определяется интегралом по времени от мгновенного значения ЭДС в первичной обмотке, и в случае синусоидального напряжения сдвинут по фазе на 90° по отношению к ЭДС. Наведенная во вторичных обмотках ЭДС пропорциональна первой производной от магнитного потока, и для любой формы тока совпадает по фазе и форме с ЭДС в первичной обмотке.

Содержание:

В электротехнике довольно часто возникает необходимость измерения величин с большими значениями. Для решения этой задачи применяются трансформаторы тока, назначение и принцип действия которых делает возможным проведение любых измерений. С этой целью выполняется последовательное включение первичной обмотки устройства в цепь с переменным током, значение которого необходимо измерить. Вторичная обмотка подключается к измерительным приборам. Между токами в первичной и вторичной обмотке существует определенная пропорция. Все трансформаторы этого типа отличаются высокой точностью. В их конструкцию входит две и более вторичных обмоток, к которым подключаются защитные устройства, измерительные средства и приборы учета.

Что такое трансформатор тока?

К трансформаторам тока относятся устройства, в которых вторичный ток, применяемый для измерений, находится в пропорциональном соотношении с первичным током, поступающим из электрической сети.

Включение в цепь первичной обмотки осуществляется последовательно с токопроводом. Подключение вторичной обмотки выполняется на какую-либо нагрузку в виде измерительных приборов и . Между токами обеих обмоток возникает пропорциональная зависимость, соответствующая количеству витков. В трансформаторных устройствах высокого напряжения выполняется изоляция между обмотками из расчета на полное рабочее напряжение. Как правило производится заземление одного из концов вторичной обмотки, поэтому потенциалы обмотки и земли будут примерно одинаковыми.

Все трансформаторы тока предназначены для выполнения двух основных функций: измерения и защиты. В некоторых устройствах обе функции могут совмещаться.

  • Измерительные трансформаторы передают полученную информацию к подключенным измерительным приборам. Они устанавливаются в цепях с высоким напряжением, в которые невозможно включить напрямую приборы для измерений. Поэтому только во вторичную обмотку трансформатора выполняется подключение , счетчиков, токовых обмоток ваттметров и прочих приборов учета. В результате, трансформатор преобразует переменный ток даже очень высокого значения, в переменный ток с показателями, наиболее приемлемыми для использования обычных измерительных приборов. Одновременно обеспечивается изоляция измерительных приборов от цепей с высоким напряжением, повышается электробезопасность обслуживающего персонала.
  • Защитные трансформаторные устройства в первую очередь передают полученную измерительную информацию на устройства управления и защиты. С помощью защитных трансформаторов, переменный ток любого значения преобразуется в переменный ток с наиболее подходящим значением, обеспечивающим питание устройств релейной защиты. Одновременно выполняется изоляция реле, к которых имеется доступ персонала, от цепей высокого напряжения.

Назначение трансформаторов

Трансформаторы тока относятся к категории специальных вспомогательных приборов, используемых совместно с различными измерительными устройствами и реле в цепях переменного тока. Главной функцией таких трансформаторов является преобразование любого значения тока до величин, наиболее удобных для проведения измерений, обеспечения питания отключающих устройств и обмоток реле. За счет изоляции приборов, обслуживающий персонал оказывается надежно защищен от поражения током высокого напряжения.

Измерительные трансформаторы тока предназначены для электрических цепей с высоким напряжением, когда отсутствует возможность прямого подключения измерительных приборов. Их основное назначение заключается в передаче полученных данных об электрическом токе на измерительные устройства, подключаемые к вторичной обмотке.

Немаловажной функцией трансформаторов является контроль над состоянием электрического тока в цепи, к которой они подключены. Во время подключения к силовому реле, выполняются постоянные проверки сетей, наличие и состояние заземления. Когда ток достигает аварийного значения, включается защита, отключающая все используемое оборудование.

Принцип работы

Принцип работы трансформаторов тока основан на . Напряжение из внешней сети поступает на силовую первичную обмотку с определенным количеством витков и преодолевает ее полное сопротивление. Это приводит к появлению вокруг катушки магнитного потока, улавливаемого магнитопроводом. Данный магнитный поток располагается перпендикулярно по отношению к направлению тока. За счет этого потери электрического тока в процессе преобразования будут минимальными.

При пересечении витков вторичной обмотки, расположенных перпендикулярно, происходит активация магнитным потоком электродвижущей силы. Под влиянием ЭДС появляется ток, который вынужден преодолевать полное сопротивление катушки и выходной нагрузки. Одновременно на выходе вторичной обмотки наблюдается падение напряжения.

Классификация трансформаторов тока

Все трансформаторы тока можно классифицировать, в зависимости от их особенностей и технических характеристик:

  1. По назначению. Устройства могут быть измерительными, защитными или промежуточными. Последний вариант используется при включении измерительных приборов в токовые цепи релейной защиты и других аналогичных схемах. Кроме того, существуют лабораторные трансформаторы тока, отличающиеся высокой точностью и множеством .
  2. По типу установки. Существуют трансформаторные устройства для наружной и внутренней установки, накладные и переносные. Некоторые виды приборов могут встраиваться в машины, электрические аппараты и другое оборудование.
  3. В соответствии с конструкцией первичной обмотки. Устройства разделяются на одновитковые или стержневые, многовитковые или катушечные, а также шинные, например, ТШ-0,66.
  4. Внутренняя и наружная установка трансформаторов предполагает проходные и опорные способы монтажа этих устройств.
  5. Изоляция трансформаторов бывает сухая, с применением бакелита, фарфора, и других материалов. Кроме того, применяется обычная и конденсаторная бумажно-масляная изоляция. В некоторых конструкциях используется заливка компаундом.
  6. По количеству ступеней трансформации, устройства могут быть одно- или двухступенчатыми, то есть, каскадными.
  7. Номинальное рабочее напряжение трансформаторов может быть до 1000 В или более 1000 В.

Все характерные классификационные признаки присутствуют в тока, состоят из определенных .

Параметры и характеристики

Каждый трансформатор тока обладает индивидуальными параметрами и техническими характеристиками, определяющими область применения этих устройств.

Номинальный ток . Позволяет устройству работать в течение длительного времени без перегрева. В таких трансформаторах имеется значительный запас по нагреву, а нормальная работа возможна при перегрузках до 20%.

Номинальное напряжение . Его значение должно обеспечивать нормальную работу трансформатора. Именно этот показатель влияет на качество изоляции между обмотками, одна из которых находится под высоким напряжением, а другая заземлена.

Коэффициент трансформации . Представляет собой отношение между токами в первичной и вторичной обмотке и определяется по специальной формуле. Его действительное значение будет отличаться от номинального в связи с определенными потерями в процессе трансформации.

Токовая погрешность . Возникает в трансформаторе под влиянием тока намагничивания. Абсолютное значение первичного и вторичного тока различается между собой как раз на эту величину. Ток намагничивания приводит к созданию в сердечнике магнитного потока. При его возрастании, токовая погрешность трансформатора также увеличивается.

. Определяет нормальную работу устройства в своем классе точности. Она измеряется в Омах и в некоторых случаях может заменяться таким понятием, как номинальная мощность. Значение тока является строго нормированным, поэтому значение мощности трансформатора полностью зависит лишь от нагрузки.

Номинальная предельная кратность . Представляет собой кратность первичного тока к его номинальному значению. Погрешность такой кратности может достигать до 10%. Во время расчетов сама нагрузка и ее коэффициенты мощности должны быть номинальными.

Максимальная кратность вторичного тока . Представлена в виде отношения максимального вторичного тока и его номинального значения, когда действующая вторичная нагрузка является номинальной. Максимальная кратность связана со степенью насыщения магнитопровода, при котором первичный ток продолжает увеличиваться, а значение вторичного тока не меняется.

Возможные неисправности трансформаторов тока

У трансформатора тока, включенного под нагрузку, иногда возникают неисправности и даже аварийные ситуации. Как правило, это связано с нарушениями электрического сопротивления изоляции обмоток, снижением их проводимости под влиянием повышенных температур. Негативное влияние оказывают случайные механические воздействия или некачественно выполненный монтаж.

В процессе работы оборудования наиболее часто происходит повреждение изоляции, вызывающее межвитковые замыкания обмоток, что существенно снижает передаваемую мощность. Токи утечки могут появиться в результате случайно созданных цепей, вплоть до возникновения короткого замыкания.

С целью предупреждения аварийных ситуаций, специалистами с помощью тепловизоров периодически проверяется вся действующая схема. Это позволяет своевременно устранить дефекты нарушения контактов, снижается перегрев оборудования. Наиболее сложные испытания и проверки проводятся в специальных лабораториях.

Принцип работы трансформатора КТПТО

Комплексная трансформаторная подстанция – это трехфазный трансформатор типа ТМТО-80/0,38-У1 или ТМТО-100-У-1 с тремя обмотками и масляным охлаждением, установленный вместе с панелью управления в стальной передвижной шкаф на салазках. Трансформатор для подогрева бетона преобразует входящее напряжение в необходимое для греющих элементов, внутреннее сопротивление которых превращает электрическую энергию в тепловую.

Комплектные трансформаторные подстанции для термической обработки бетона используются при возведении монолитных зданий и сооружений в зимних условиях для ускорения твердения бетона и обеспечения высокого качества их бетонных и железобетонных элементов. Чтобы обеспечить температурные условия, при которых такие неармированные конструкции как бетонные подготовки, монолитные фундаменты приобретут заданную критическую прочность за короткое время с минимальными затратами труда, применяется электротермообработка, в процессе которой бетонная смесь разогревается за счёт преобразования электроэнергии в тепловую при пропускании через неё переменного тока с помощью предварительно заложенных в конструкцию электродов.

Электрообогрев монолитных железобетонных сооружений осуществляется в результате распространения в толще бетона, отличающегося хорошей теплопроводностью, тепла, выделяемого предварительно заложенными в бетонную смесь проводами, под воздействием сильного тока разогретыми до температуры 80°C. Рассчитанный на присоединение нескольких отходящих линий распределительный щит КТПТО оснащён измерительной, защитной и коммутационной аппаратурой. Чем больше электрическая мощность подстанции, тем больше греющих элементов можно заложить в конструкцию, тем больший объём бетона она может прогреть. Оптимальный температурный режим обеспечивается соотношением низкого напряжения и высокой силы тока и поддерживается ручным или автоматическим способом с помощью изменения величины напряжения, которое подводится к электронагревательным элементам или электродам.

В условиях строительной площадки КТПТО-80 при напряжении 42 В также можно использовать как источник питания для временного подключения осветительных приборов и ручного электрооборудования, рассчитанного на трёхфазную сеть. КТПТО-100 можно подключать только к промышленным сетям. Комплектные трансформаторные подстанции предназначены для продолжительной работы на открытом воздухе при температуре от −45°C до +10°C при напоре ветра, не более 800 Па. Нельзя использовать КТПТО в агрессивных средах, подвергать ударам, тряске.

Рассмотрим устройство и принцип работы на примере российского трансформатора для прогрева бетона КТПТО-80, изготовленного компанией «Кавик». Комплексная трансформаторная подстанция состоит из размещённого в бескаркасном, выполненном в брызгозащищённом исполнении шкафу управления трансформатора с кожухом, предназначенным для защиты обслуживающего персонала от удара током при случайном контакте с токоведущими элементами. Под кожухом на крышке трансформатора расположен переключатель ступеней напряжения. Крышка самого кожуха изготовлена для облегчения доступа к переключателю открывающейся. Третья обмотка 80-киловаттного трёхобмоточного трансформатора ТМТО-80/0,38-У1 используется для запитывания временной линии для освещения и ручного трёхфазного электрооборудования.

Для удобства перемещения по строительной площадке КТПТО установлена на салазки. За дверью шкафа на петлях крепится закрывающаяся на защёлки панель управления, на которой размещены:

  • измерительное оборудование;
  • сигнальные лампы;
  • аппаратура управления.

В нижней части за дверью установлены ряды зажимов. К ним подключаются внешние цепи в зависимости от напряжения, которое необходимо обеспечить. К каждой фазе можно подключить три линии электропрогрева. Суммарная нагрузка в подключенных линиях электропрогрева не должна превышать 520 А (580 в 100-киловаттном трансформаторе этого же производителя). Кнопка аварийного отключения размещена снаружи шкафа управления на его правой боковой панели.

Сетевой ток каждой из трёх фаз поступает на первичную обмотку высокого напряжения, возбуждает небольшую по величине электродвижущую силу во вторичных обмотках с меньшим количеством витков низкого напряжения. Поскольку мощность сохраняется, увеличивается сила тока. Проходя через кабель с высоким сопротивлением, увеличившийся по силе ток разогревает его. Бетонная смесь нагревается, включаясь в цепь как сопротивление в результате контакта со стальными электродами переменного тока или получая тепло от греющихся проводов контактным способом за счёт высокой теплопроводности бетона.

Заданный температурный режим поддерживается отключением питания в момент, когда температура поднимается до необходимого уровня, и возобновлением подачи напряжения в случае снижения её ниже установленного задачей уровня или изменением величины напряжения в зависимости от степени прогрева бетонной смеси. Изменение напряжения может осуществляться как вручную, так и автоматически.

Прогрев бетона потребуется уже тогда, когда столбик термометра опустится до +5°C, поскольку в такое время могут периодически наступать заморозки. После того как будет выполнен монтаж опалубки делают каркас из арматуры, поверх которого укладывают нагревательный провод. Провода не должны контактировать с опалубкой, друг с другом или землёй, выходить за пределы обрабатываемой площадки. Каркас не даёт проводу касаться земли. Для подогрева обычно используют провода в ПВХ-изоляции с оцинкованной жилой из стальной проволоки диаметром 1,2–3 мм. Одна подстанция КТПТО при температуре воздуха до –30°C может обогреть около 30 м3 бетонной смеси, если проложить в ней 1800 м провода с диаметром жилы 1,2 мм из расчёта 60 м на каждый куб бетонной смеси.

Рекомендуемые товары

Опалубку заполняют раствором так, чтобы полностью покрыть провода. Для контроля прогрева выполняют скважины в виде отверстий с небольшим диаметром. Чтобы обеспечить равномерное распределение тепла по бетонной смеси, подготовленную площадку укрывают теплоизолирующим матом. Запитывать трансформаторную подстанцию имеет право лишь энергетик с допуском 1000 В. Провод, подключенный к подстанции с помощью холодных концов (алюминиевых проводов тонкого сечения), разогревают со скоростью не превышающей 10°C в час, постепенно повышая температуру до 80°C. После этого температуру снижают так же постепенно со скоростью до 5 °C в час.

Бетон греют до тех пор, пока он не наберёт заданную прочность. Ток на вторичной обмотке при этом равен 14–16 А. Как идёт застывание смеси можно сориентироваться по повышению сопротивления. Чтобы создать на объекте максимальную мощность в процесс иногда включаются несколько трансформаторных подстанций.

В случае применения электродного варианта подогрева электроды подключаются к подстанции с помощью специального кабеля. Струнные и стержневые электроды обычно располагаются внутри раствора, Нашивные, полосовые и пластичные электроды размещают на поверхности бетона. При наличии каркаса из металла на электроды подают напряжение 127 В. Если каркас отсутствует, подавать надо от 220 до 380 В.

Сделанный в России трансформатор для прогрева бетона с автоматическим управлением и масляным охлаждением КТПТО-80А Кавик предназначен для электродного прогрева и электрообогрева бетона и мёрзлого грунта с автоматическим способом контроля температурного режима, для подключения на напряжение 42 В трёхфазного ручного строительного электрооборудования и временного освещения. Мощность трансформаторной подстанции – 80 кВт. Внешние цепи подключаются на напряжение 380 В, 42 В, 55 В, 65 В, 75 В, 85 В, 95 В. Номинальный ток – 121,7 А. Частота 50 Гц. Габариты: 1150 мм × 820 мм ×1300 мм. Вес: 710 кг.

Белорусский трансформатор для прогрева бетона с автоматическим управлением и масляным охлаждением КТПТО-80 МЭТЗ используется для электрообогрева и электродного прогрева бетона и мёрзлого грунта с автоматической регулировкой температурного режима и для питания на напряжении 42 В временной электролинии и ручного трёхфазного электрооборудования. Мощность КТПТО 80 кВт. Модель имеет менее компактные, чем у предыдущей, габариты: 1470 мм × 1015 мм × 1210 мм, но при этом меньший вес – 600 кг. Внешние цепи подключаются на напряжение 380 В, 42 В, 55 В, 65 В, 75 В, 85 В, 95 В.

Русский трансформатор для прогрева бетона с ручным управлением и масляным охлаждением КТПТО-80 Кавик применяется для электродного прогрева и электрообогрева бетона и мёрзлого грунта с ручной регулировкой температурного режима и для подключения на напряжение 42 В трёхфазного ручного строительного электроинструмента и временного освещения. Мощность трансформаторной подстанции – 80 кВт. Внешние цепи подключаются на напряжение 380 В, 42 В, 55 В, 65 В, 75 В, 85 В, 95 В. Номинальный ток – 121,7 А. Частота 50 Гц. Как и у модели с автоматическим управлением температурным режимом мощностью 80 кВт, выпущенной этим же заводом, габариты: 1150 мм × 820 мм ×1300 мм и вес: 710 кг.

Русский трансформатор для прогрева бетона с автоматическим управлением и масляным охлаждением КТПТО-100А используется для электрообогрева и электродного прогрева бетона и мёрзлого грунта с автоматической регулировкой температурного режима. К КТПТО-100 нельзя подключить временную электролинию для освещения и ручной электроинструмент, рассчитанный на работу с трёхфазной сетью. Мощность трансформаторной подстанции – 100 кВт. Внешние цепи подключаются на напряжение 380 В, 55 В, 65 В, 75 В, 85 В, 95 В. Габариты такие же, как и у русской модели мощностью 80 кВт: 1150 мм × 820 мм ×1300 мм. Вес: 725 кг.

Выпущенный в России трансформатор для прогрева бетона с ручным управлением и масляным охлаждением КТПТО-100А предназначен для электродного прогрева и электрообогрева бетона и мёрзлого грунта с ручным способом контроля температурного режима. От КТПТО-100 нельзя запитывать временное освещение и ручное электрооборудование, рассчитанное на работу с трёхфазной сетью. Мощность трансформаторной подстанции – 100 кВт. Внешние цепи подключаются на напряжение 380 В, 55 В, 65 В, 75 В, 85 В, 95 В. Габариты такие же, как и у русских подстанций мощностью 80 кВт: 1150 мм × 820 мм ×1300 мм. Вес: 725 кг.

Разновидность используемых электродов, их количество, схема расположения в бетонной конструкции, режим, при котором происходит прогрев бетонной массы, мощность на каждом заданном отрезке времени определяются рекомендациями, приведёнными в типовых технологических картах и в руководстве по зимнему бетонированию.


Принцип работы трансформатора: этапы работы

Трансформатор – это регулирующее устройство, которое достаточно часто используется для того, чтобы повысить эффективность многих устройств. Эти устройства могут использоваться для повышения и понижения напряжения в сети. В этой статье вы узнаете принцип работу трансформатора тока.

Принцип работы трансформатора тока

Измерительные трансформаторы имеют достаточно простой принцип работы. Его работа подчиняется закону про электромагнитную индукцию. Если разобраться более детально, то взаимная индукция будет отвечать за действие преобразования напряжения. В соответствии с этим законом Фарадей гласит: «скорость изменения потокосцепления будет пропорциональной наведенной ЭДС в проводнике».

Основы теории трансформатора

Представьте, что у вас есть трансформатор с одной обмоткой, которая соединяется с электрическим током. Переменный ток будет производить меняющийся поток, который окружает катушку. Определенная ее часть может соединяться в том случае, если переменный ток постоянно будет проходить через обмотку. Этот поток может постоянно меняться в своем направлении.

Следуя из закона Фарадея у нас должно быть ЭДС, которое будет производить индукцию раз в секунду. Если в последней обмотке цепь будет закрыта, тогда через нее пройдет ток. Этот принцип работы трансформатора считается простейшим. Тороидальный трансформатор имеет немного другой принцип работы.

Когда вы будете использовать движение переменного тока к электрической катушке, поток энергии будет ее окружать. Поток будет неравномерным, а его скорость может изменяться. Это понятие считается фундаментальным в работе трансформатора. Обмотка, которую он содержит, будет принимать электрическую мощность от источника. Она дает выходное напряжение благодаря взаимной индукции.

Конструктивные части трансформатора

На сегодняшний день устройство трансформатора включает в себя три основные части, к которым относят:

  • Первичную обмотку. Когда подключается к источнику, она будет производить магнитный поток.
  • Магнитный сердечник. Магнитный поток будет создан в замкнутую цепь.
  • Вторичная обмотка. Ее необходимо наматывать на сердечник.

Это три основные части, из которых будет состоять силовой трансформатор.

Принцип работы трансформатора

Электрический силовой трансформатор является статистическим устройством. Принцип работы сварочного трансформатора заключается в том, что он будет преобразовывать энергию от схемы одного устройства к другому. Этот процесс проходит благодаря индукции между обмотками. Преобразование энергии будет происходить на основе изменения частоты. Он может работать в разных уровнях напряжения.

Работа однофазного трансформатора

Принцип работы однофазного трансформатора на сегодняшний день ничем не отличается от других устройств. Когда ток будет проходить по первичной обмотке, то будет создано магнитное поле. У него имеются мощные силовые линии. Первичную катушку они будут пронизывать полностью. Все линии являются замкнутыми между вокруг проводников катушек.

Закон про магнитную связь гласит о том, чем ближе расположены объекты, тем сильнее будет их связь. Вам следует знать, что в однофазном трансформаторе сила магнитного поля будет зависеть от напряжения. Именно поэтому скачки напряжения могут снизить силу МП. При соединении концов обмотки устройство начнет снабжаться электрическим током.

Принцип работы автотрансформатора

Здесь мы рассмотрим принцип работы автотрансформатора. Эти устройства можно отнести к трансформаторам, которые имеют специальное использование. Обмотки в этом устройстве связаны между собою не только магнитным полем, но и гальваническим.

При переключении обмоток можно получить как высокое, так и низкое напряжение. Переменное магнитное поле возникает в момент подключения переменного тока к сердечнику. Благодаря устройству сердечника небольшое напряжение способно создавать сильное МП. Автотрансформаторы довольно часто используют в областях, где существует незначительное изменение напряжения.

На сегодняшний день существуют также узкоспециализированные лабораторные трансформаторы. Они имеют другой принцип работы трансформатора.

Их обмотка должна выполняться из ферромагнитного материала. Она сводит резонансное движение к минимуму. К основным его отличиям относят:

  1. Кроме ферромагнетика используют медный провод.
  2. Он имеет низкие допустимые параметры.
  3. В нем работает система строчного ролика.

Эти трансформаторы также могут иметь недостатки, к которым относят:

  • Все цепи нужно изолировать, так как они имеют сильную связь.
  • Его нельзя использовать для защиты в мощных цепях.
  • Ремонт стоит достаточно дорого.

Работа гидротрансформатора

Наверное, каждый водитель бульдозера знает принцип работы гидротрансформатора. На самом деле прибор является муфтой, которая вращается два раза. Устанавливать его необходимо между двигателем. Это необходимо чтобы получить вращательное движение. Механизм напоминает бублик, но у него достаточно сложная конструкция:

  • По краям находятся специальные насосы. Передний прибор будет передавать жидкость на турбинное колесо.
  • Переднее колесо необходимо соединить с главным валом. Благодаря этому он будет передавать жидкость по механизму.

Как видите, принцип работы трансформатора у всех устройств практически одинаковый. Существуют некоторые особенности, но все зависит от его модели.

Вам будет интересно: типы трансформаторов тока.

§63. Назначение и принцип действия трансформатора

Может быть, кто-то думает, что трансформатор – это что-то среднее между трансформером и терминатором. Данная статья призвана разрушить подобные представления.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного электрического тока одного напряжения и определенной частоты в электрический ток другого напряжения и той же частоты.

Работа любого трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции, открытой Фарадеем.

Назначение трансформаторов

Разные виды трансформаторов используются практически во всех схемах питания электрических приборов и при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Электростанции вырабатывают ток относительно небольшого напряжения – 220, 380, 660В. Трансформаторы, повышая напряжение до значений порядка тысяч киловольт, позволяют существенно снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, а заодно и уменьшить площадь сечения проводов ЛЭП.

Непосредственно перед тем как попасть к потребителю (например, в обычную домашнюю розетку), ток проходит через понижающий трансформатор. Именно так мы получаем привычные нам 220 Вольт.

Самый распространенный вид трансформаторов – силовые трансформаторы. Они предназначены для преобразования напряжения в электрических цепях. Помимо силовых трансформаторов в различных электронных приборах применяются:

  • импульсные трансформаторы;
  • силовые трансформаторы;
  • трансформаторы тока.

Принцип работы трансформатора

Трансформаторы бывают однофазные и многофазные, с одной, двумя или большим количеством обмоток. Рассмотрим схему и принцип работы трансформатора на примере простейшего однофазного трансформатора.

Кстати, в других статьях можно почитать, что такое фаза и ноль в электричестве.

Из чего состоит трансформатор? Во простейшем случае из одного металлического сердечника и двух обмоток. Обмотки электрически не связаны одна с другой и представляют собой изолированные провода.

Одна обмотка (ее называют первичной) подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, называемая вторичной, подключается к конечному потребителю тока.

Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, в витках его первичной обмотки течет переменный ток величиной I1. При этом образуется магнитный поток Ф, который пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС.

Бывает, что вторичная обмотка не находится под нагрузкой. Такой режимы работы трансформатора называется режимом холостого хода. Соответственно, если вторичная обмотка подключена к какому-либо потребителю, по ней течет ток I2, возникающий под действием ЭДС.

Величина ЭДС, возникающей в обмотках, напрямую зависит от числа витков каждой обмотки. Отношение ЭДС, индуцированных в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению количества витков соответствующих обмоток.

Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки.

§63. Назначение и принцип действия трансформатора

Назначение трансформатора.

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Трансформаторы позволяют значительно повысить напряжение, вырабатываемое источниками переменного тока, установленными на электрических станциях, и осуществить передачу электроэнергии на дальние расстояния при высоких напряжениях (110, 220, 500, 750 и 1150 кВ). Благодаря этому сильно уменьшаются потери энергии в проводах и обеспечивается возможность значительного уменьшения площади сечения проводов линий электропередачи.

В местах потребления электроэнергии высокое напряжение, подаваемое от высоковольтных линий электропередачи, снова понижается трансформаторами до сравнительно небольших значений (127, 220, 380 и 660 В), при которых работают электрические потребители, установленные на фабриках, заводах, в депо и жилых домах. На э. п. с. переменного тока трансформаторы применяют для уменьшения напряжения, подаваемого из контактной сети к тяговым двигателям и вспомогательным цепям.

Кроме трансформаторов, применяемых в системах передачи и распределения электроэнергии, промышленностью выпускаются трансформаторы: тяговые (для э. п. с), для выпрямительных установок, лабораторные с регулированием напряжения, для питания радиоаппаратуры и др. Все эти трансформаторы называют силовыми.

Трансформаторы используют также для включения электроизмерительных приборов в цепи высокого напряжения (их называют измерительными), для электросварки и других целей. Трансформаторы бывают однофазные и трехфазные, двух- и многообмоточные.

Принцип действия трансформатора.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из стального магнитопровода 2 (рис. 212) и двух расположенных на нем обмоток 1 и 3.


Рис. 212. Схема включения однофазного трансформатора

Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны. К одной из обмоток подается электрическая энергия от источника переменного тока. Эту обмотку называют первичной. К другой обмотке, называемой вторичной, подключают потребители (непосредственно или через выпрямитель).

При подключении трансформатора к источнику переменного тока (электрической сети) в витках его первичной обмотки протекает переменный ток i1, образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные э. д. с. е1 и е2. Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием э. д. с. е2 по ее цепи проходит ток i2.

Э. д. с, индуцированная в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его изменения. Магнитный поток каждого трансформатора является определенной величиной, зависящей от напряжения и частоты изменения переменного тока в источнике, к которому подключен трансформатор. Постоянна также и скорость изменения магнитного потока, она определяется частотой изменения переменного тока.

Следовательно, в каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая э. д.с. В результате этого отношение действующих значений э. д. с. Е1 и E2, индуцированных в первичной и вторичной обмотках трансформатора, будет равно отношению чисел витков N1 и N2 этих обмоток, т. е.

E1/E2 = N1/ N2.

Отношение э. д. с. Евн обмотки высшего напряжения к э. д. с. Eнн обмотки низшего напряжения (или отношение чисел их витков) называется коэффициентом трансформации,

n = Евн / Eнн = Kвн / Kнн.

Коэффициент трансформации всегда больше единицы. Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (в трансформаторах средней и большой мощности они не превышают обычно 2—5 % номинальных значений напряжений U1 и U2), то можно считать, что отношение напряжения U1 первичной обмотки к напряжению U2 вторичной обмотки приблизительно равно отношению чисел их витков, т. е.

U1/U2 ≈ N1/ N2

Таким образом, подбирая требуемое соотношение между числами витков первичной и вторичной обмоток, можно увеличивать или уменьшать напряжение на приемнике, подключенном к вторичной обмотке. Если необходимо на вторичной обмотке получить напряжение большее, чем подается на первичную, то применяют повышающие трансформаторы, у которых число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной.

В понижающих трансформаторах, наоборот, число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной.

Трансформатор не может осуществить преобразование напряжения постоянного тока. При подключении его первичной обмотки к сети постоянного тока в трансформаторе создается постоянный по величине и направлению магнитный поток, который не может индуцировать э. д. с. в первичной и вторичной обмотках. Поэтому не будет происходить передачи электрической энергии из первичной обмотки во вторичную.

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока через эту обмотку проходит некоторый ток, называемый током холостого хода. При включении нагрузки по вторичной обмотке трансформатора начинает проходить ток, при этом увеличивается и ток, проходящий по первичной обмотке.

Чем больше нагрузка трансформатора, т. е. электрическая мощность и ток i2, отдаваемые его вторичной обмоткой подключенным к ней приемникам, тем больше электрическая мощность и ток i1, поступающие из сети в первичную обмотку.

Ввиду того что потери мощности в трансформаторе обычно малы, можно приближенно принять, что мощности в первичной и вторичной обмотках одинаковы. В этом случае можно считать, что токи в обмотках трансформатора приблизительно обратно пропорциональны напряжениям: I1/I2 ≠ U2/U1 или что токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числам витков первичной и вторичной обмоток: I1/I2 ≠ N2/N1.

Это означает, что в повышающем трансформаторе ток во вторичной обмотке меньше, чем в первичной (во столько раз, во сколько напряжение U2 больше напряжения U1), а в понижающем ток во вторичной обмотке больше, чем в первичной.

Поэтому в трансформаторах обмотки высшего напряжения выполняются из более тонких проводов, чем обмотки низшего напряжения.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор – трансформатор, в котором отсутствуют потери энергии. В таком трансформаторе энергия тока в первичной обмотке полностью преобразуется сначала в энергию магнитного поля, а далее – в энергию вторичной обмотки.

Конечно, такого трансформатора не существует в природе. Тем не менее, в случае, когда теплопотерями можно пренебречь, в расчетах удобно пользоваться формулой для идеального трансформатора, согласно которой мощности тока в первичной и вторичной обмотках равны.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Потери энергии в трансформаторе

Коэффициент полезного действия трансформаторов достаточно высок. Тем не менее, в обмотке и сердечнике происходят потери энергии, приводящие к тому, что температура при работе трансформатора повышается. Для трансформаторов небольшой мощности это не представляет проблемы, и все тепло уходит в окружающую среду – используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.

В более мощных трансформаторах воздушного охлаждения оказывается недостаточно, и применяется охлаждение маслом. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В трансформаторах высоких мощностей дополнительно применяются выхлопные трубы – если масло закипает, образовавшимся газам нужен выход.

Конечно, трансформаторы не так просты, как может показаться на первый взгляд — ведь мы рассмотрели принцип действия трансформатора кратко. Контрольная по электротехнике с задачами на расчет трансформатора внезапно может стать настоящей проблемой. Специальный студенческий сервис всегда готов оказать помощь в решении любых проблем с учебой! Обращайтесь в Zaochnik и учитесь легко!

Что такое силовой трансформатор

На замкнутый сердечник (магнитопровод), набранный из стальных листов, надевают две или больше, обмоток, одна из которых соединяется с источником переменного тока. Другая (или другие) обмотка соединяется с потребителем электрического тока – нагрузкой. Переменный ток, проходящий по первичной обмотке, создает в стальном сердечнике магнитный поток, который наводит в каждом витке обмотки – катушки переменное напряжение. Напряжения всех витков складываются в выходное напряжение трансформатора. Форма сердечника – магнитопровода, может быть Ш – образной, О – образной и тороидальной, в виде тора. Таким образом в силовом трансформаторе электрическая мощность из первичной обмотки передается во вторичную обмотку через магнитный поток в магнитопроводе.

Будет интересно➡ Что такое разделительные трансформаторы

Потребителей электрической энергии очень много: электрическое освещение, электронагреватели, радио и теле аппаратура, электродвигатели и многое другое. И все эти приборы требуют различные напряжения (переменные и постоянные) и разные мощности. Проблема эта легко решается с помощью трансформатора. Из бытовой сети с переменным напряжением 220 вольт можно получить переменное напряжение любой величины и , если необходимо, преобразовать его в постоянное напряжение.

Коэффициент полезного действия трансформатора довольно велик, от 0,9 до 0,98 и зависит от потерь в магнитопроводе и от магнитных полей рассеяния. От величины электрической мощности Р зависит площадь поперечного сечения магнитопровода S. По значению площади S определяется, при расчетах трансформатора, количество витков w на 1 вольт:

w = 50 / S.

Мощность трансформатора Рс выбирается из требуемой величины нагрузки Рн плюс величина потерь в сердечнике.

При расчете трансформатора с определенной степенью точности можно считать, что мощность нагрузки во вторичной обмотке Pн = Uн * Iн и мощность потребляемая из сети в первичной обмотке Pc = Uc * Ic приблизительно равны. Если потерями в сердечнике пренебречь, то получается равенство: k = Uс / Uн = Iн / Iс.


Трансформаторы и их применение/

принцип работы и типы приборов

Трансформатор — незаменимое устройство в электротехнике.

Без него энергосистема в ее нынешнем виде не могла бы существовать.

Присутствуют эти элементы и во многих электроприборах.

Желающим познакомиться с ними поближе предлагается данная статья, тема которой — трансформатор: принцип работы и виды приборов, а также их назначение.

 

Что такое трансформатор

Так называют устройство, изменяющее величину переменного электрического напряжения. Существуют разновидности, способные менять и его частоту.

Таким аппаратами оснащают многие приборы, также они применяются в самостоятельном виде.

Например, установки, повышающие напряжение для передачи тока по электромагистралям.

Генерируемое электростанцией напряжение они поднимают до 35 – 750 кВ, что дает двойную выгоду:

  • уменьшаются потери в проводах;
  • требуются провода меньшего сечения.
В городских электросетях напряжение снова уменьшается до величины в 6,1 кВ, опять же с использованием трансформатора. В распределительных сетях, раздающих электричество потребителям, напряжение понижают до 0,4 кВ (это привычные нам 380/220 В).

Принцип работы

Работа трансформаторного устройства основана на явлении электромагнитной индукции, состоящей в следующем: при изменении параметров магнитного поля, пересекающего проводник, в последнем возникает ЭДС (электродвижущая сила). Проводник в трансформаторе присутствует в форме катушки или обмотки, и общая ЭДС равна сумме ЭДС каждого витка.

Для нормальной работы требуется исключить электрический контакт между витками, потому используют провод в изолирующей оболочке. Эту катушку называют вторичной.

Магнитное поле, необходимое для генерации во вторичной катушке ЭДС, создается другой катушкой. Она подключается к источнику тока и называется первичной. Работа первичной катушки основана на том факте, что при протекании через проводник тока, вокруг него формируется электромагнитное поле, а если он смотан в катушку, оно усиливается.

Как работает трансформатор

При протекании через катушку постоянного тока параметры электромагнитного поля не меняются и оно неспособно вызвать ЭДС во вторичной катушке. Поэтому трансформаторы работают только с переменным напряжением.

На характер преобразования напряжения влияет соотношение количества витков в обмотках – первичной и вторичной. Его обозначают «Кт» – коэффициент трансформации. Действует закон:

Кт = W1 / W2 = U1 / U2,

где,

  • W1 и W2 — количество витков в первичной и вторичной обмотках;
  • U1 и U2 — напряжение на их выводах.

Следовательно, если в первичной катушке витков больше, то напряжение на выводах вторичной ниже. Такой аппарат называют понижающим, Кт у него больше единицы. Если витков больше во вторичной катушке — трансформатор напряжение повышает и называется повышающим. Его Кт меньше единицы.

Большой силовой трансформатор

Если пренебречь потерями (идеальный трансформатор), то из закона сохранения энергии следует:

P1 = P2,

где Р1 и Р2 — мощность тока в обмотках.

Поскольку P = U * I, получим:

  • U1 * I1 = U2 * I2;
  • I1 = I2 * (U2 / U1) = I2 / Кт.

Это означает:

  • в первичной катушке понижающего устройства (Кт > 1) протекает ток меньшей силы, чем в цепи вторичной;
  • с повышающими трансформаторами (Кт < 1) все наоборот: сила тока в первичной катушке выше, чем в цепи вторичной.

Данное обстоятельство учитывают при подборе сечения проводов для обмоток аппаратов.

Конструкция

Трансформаторные обмотки надевают на магнитопровод — деталь из ферромагнитной, трансформаторной или иной магнитомягкой стали. Он служит проводником электромагнитного поля от первичной катушки ко вторичной.

Под действием переменного магнитного поля в магнитопроводе также генерируются токи — они называются вихревыми. Эти токи приводят к потерям энергии и нагреву магнитопровода. Последний, с целью свести данное явление к минимуму, набирают из множества изолированных друг от друга пластин.

На магнитопроводе катушки располагают двояко:

  • рядом;
  • наматывают одну поверх другой.

Обмотки для микротрансформаторов изготавливают из фольги толщиной 20 – 30 мкм. Ее поверхность в результате окисления становится диэлектриком и играет роль изоляции.

Конструкция трансформатора

На практике добиться соотношения Р1 = Р2 невозможно из-за потерь трех видов:

  1. рассеивание магнитного поля;
  2. нагрев проводов и магнитопровода;
  3. гистерезис.

Потери на гистерезис — это затраты энергии на перемагничивание магнитопровода. Направление силовых линий электромагнитного поля постоянно меняется. Каждый раз приходится преодолевать сопротивление диполей в структуре магнитопровода, выстроившихся определенным образом в предыдущей фазе.

Потери на гистерезис стремятся уменьшить, применяя разные конструкции магнитопроводов.

Итак, в реальности величины Р1 и Р2 отличаются и соотношение Р2 / Р1 называют КПД устройства. Для его измерения используются следующие режимы работы трансформатора:

  • холостого хода;
  • короткозамкнутый;
  • с нагрузкой.

В некоторых разновидностях трансформаторов, работающих с напряжением высокой частоты, магнитопровод отсутствует.

Режим холостого хода

Первичная обмотка подключена к источнику тока, а цепь вторичной разомкнута. При таком подключении в катушке течет ток холостого хода, в основном представляющий реактивный ток намагничивания.

Такой режим позволяет определить:

  • КПД устройства;
  • коэффициент трансформации;
  • потери в магнитопроводе (на языке профессионалов — потери в стали).

Схема трансформатора в режиме холостого хода

Короткозамкнутый режим

Выводы вторичной обмотки замыкают без нагрузки (накоротко), так что ток в цепи ограничивается лишь ее сопротивлением. На контакты первичной подают такое напряжение, чтобы ток в цепи вторичной обмотки не превышал номинального.

Такое подключение позволяет определить потери на нагрев обмоток (потери в меди). Это необходимо при реализации схем с применением вместо реального трансформатора активного сопротивления.

Режим с нагрузкой

В этом состоянии к выводам вторичной обмотки подключен потребитель.

Охлаждение

В процессе работы трансформатор греется.

Применяют три способа охлаждения:

  1. естественное: для маломощных моделей;
  2. принудительное воздушное (обдув вентилятором): модели средней мощности;
  3. мощные трансформаторы охлаждаются при помощи жидкости (в основном используют масло).

Прибор с масляным охлаждением

Виды трансформаторов

Аппараты классифицируются по назначению, типу магнитопровода и мощности.

Силовые трансформаторы

Наиболее многочисленная группа. К ней относятся все трансформаторы, работающие в энергосети.

Автотрансформатор

У этой разновидности между первичной и вторичной обмотками имеется электрический контакт. При намотке провода делают несколько выводов — при переключении между ними задействуется разное число витков, отчего меняется коэффициент трансформации.

Достоинства автотрансформатора:

  • Повышенный КПД. Объясняется тем, что преобразованию подвергается только часть мощности. Это особенно важно при незначительной разнице между напряжением на входе и выходе.
  • Низкая стоимость. Это обусловлено меньшим расходом стали и меди (автотрансформатор имеет компактные размеры).

Эти устройства выгодно применять в сетях напряжением 110 кВ и более с эффективным заземлением при Кт не выше 3-4.

Трансформатор тока

Используется для снижения силы тока в подключенной к источнику питания первичной обмотке. Устройство находит применение в защитных, измерительных, сигнальных и управляющих системах. Преимущество в сравнении с шунтовыми схемами измерения, состоит в наличии гальванической развязки (отсутствие электроконтакта между обмотками).

Первичная катушка включается в цепь переменного тока – исследуемую или контролируемую –  с нагрузкой последовательно. К выводам вторичной обмотки подключают исполнительное индикаторное устройство, к примеру, реле, или прибор измерения.

Трансформатор тока

Допустимое сопротивление в цепи вторичной катушки ограничено мизерными значениями — почти короткое замыкание. У большинства токовых трансформаторов величина номинального тока в этой катушке составляет 1 или 5 А. При размыкании цепи в ней формируется высокое напряжение, способное пробить изоляцию и повредить подключенные приборы.

Импульсный трансформатор

Работает с короткими импульсами, продолжительность которых измеряется десятками микросекунд. Форма импульса практически не искажается. В основном используются в видеосистемах.

Сварочный трансформатор

Данное устройство:

  • понижает напряжение;
  • рассчитано на номинальный ток в цепи вторичной обмотки до тысяч ампер.

Регулировать сварочный ток можно изменением числа витков обмоток, задействованных в процессе (они имеют по нескольку выводов). При этом изменяется величина индуктивного сопротивления или вторичное напряжение холостого хода. Посредством дополнительных выводов обмотки разбиты на секции, потому регулировка сварочного тока осуществляется ступенчато.

Габариты трансформатора во многом зависят от частоты переменного тока. Чем она выше, тем более компактным получится устройство.

Сварочный трансформатор ТДМ 70-460

На этом принципе основано устройство современных инверторных сварочных аппаратов. В них переменный ток перед подачей на трансформатор подвергается обработке:

  • выпрямляется посредством диодного моста;
  • в инверторе — управляемом микропроцессором электронном узле с быстро переключающимися ключевыми транзисторами — снова становится переменным, но уже с частотой 60 – 80 кГц.

Потому эти сварочные аппараты такие легкие и небольшие.

Также устроены блоки питания импульсного типа, например, в ПК.

Разделительный трансформатор

В этом устройстве обязательно присутствует гальваническая развязка (нет электрического контакта между первичной и вторичной обмотками), а Кт равен единице. То есть разделительный трансформатор напряжение оставляет неизменным. Он необходим для повышения безопасности подключения.

Прикосновение к токоведущим элементам оборудования, подключенного к сети через такой трансформатор, к сильному удару током не приведет.

В быту такой способ подключения электроприборов уместен во влажных помещениях— в ванных и пр.

Кроме силовых трансформаторов, существуют сигнальные разделительные. Они устанавливаются в электроцепи для гальванической развязки.

Магнитопроводы

Бывают трех видов:

  1. Стержневые. Выполнены в виде стержня ступенчатого сечения. Характеристики оставляют желать лучшего, но зато просты в исполнении.
  2. Броневые. Лучше стержневых проводят магнитное поле и вдобавок защищают обмотки от механических воздействий. Недостаток: высокая стоимость (требуется много стали).
  3. Тороидальные. Наиболее эффективная разновидность: создают однородное сконцентрированное магнитное поле, чем способствуют уменьшению потерь. Трансформаторы с тороидальным магнитопроводом имеют наибольший КПД, но они дороги из-за сложности изготовления.

Мощность

Мощность трансформатора принято обозначать в вольт-амперах (ВА). По данному признаку устройства классифицируются так:
  • маломощные: менее 100 ВА;
  • средней мощности: несколько сотен ВА;

Существуют установки большой мощности, измеряемой в тысячах ВА.

Трансформаторы отличаются назначением и характеристиками, но принцип действия у них одинаков: переменное магнитное поле, генерируемое одной обмоткой, возбуждает во второй ЭДС, величина которого зависит от числа витков.

Необходимость в преобразовании напряжения возникает очень часто, потому трансформаторы получили самое широкое распространение. Данное устройство можно изготовить самостоятельно.

Основные принципы и принцип действия трансформатора

Векторные группы и заземление нейтрали

Три конфигурации, в которых три фазные обмотки трансформатора обычно соединены: треугольник, звезда или соединенная звезда (зигзаг). Конфигурации (схемы обмотки) показаны на рисунке 1 ниже.

Основные принципы и работа трансформатора (фото предоставлено Kazmi Electric Works)

Как сгруппированы векторы и как используется номенклатура соотношения фаз, определяются следующим образом:

  • Заглавные буквы для обозначения группы векторов первичной обмотки
  • Маленькие буквы для обозначения группы вторичной обмотки
  • D или d представляет собой первичную или вторичную обмотку треугольника
  • Y или y представляет собой первичную или вторичную обмотку звезды
  • Z или z представляет собой первичную или вторичную обмотку, соединенную звездой
  • N или n обозначает первичную или вторичную обмотку с заземлением в точке звезды

Числа представляют соотношение фаз между первичной и вторичной обмотками .

Углы смещения вторичного напряжения к первичному приведены в соответствии с положением «стрелок» на часах относительно полуденного или двенадцатичасового положения.

Это означает: 1 равно -30°, 3 равно -90°, 11 равно +30° и т. д. .

Рисунок 1 – Расположение обмоток

Пример определения векторной группировки Dy1 приведен на рисунке 1. В этом случае заметно, что напряжение вторичной звезды находится в положении на один час, что означает , что оно отстает от первичного треугольника вектор напряжения на 30° .

На рис. 2 ниже показан еще один пример , определяющий группу векторов Dyn5 .

Ясно, что вторичное напряжение звезды находится в положении «5 часов», а это означает, что оно отстает от первичного вектора дельта-напряжения на 5 × 30° = 150° .

Рисунок 2. Определение группировки векторов Dyn5

Как правило, разработчики системы сами решают, какая схема группировки векторов требуется для каждого уровня напряжения в сети, хотя на это решение влияет множество факторов.

Важные аспекты с точки зрения пользователя:

  1. Смещение вектора между системами, подключенными к каждой обмотке трансформатора, и возможность обеспечения параллельной работы
  2. Обеспечение точки или точек нейтрального заземления, к которым относится нейтраль на землю либо напрямую, либо через импеданс
  3. Практичность конструкции трансформатора и стоимость, связанная с требованиями к изоляции
  4. Обмотка Z уменьшает дисбаланс напряжения в системах, где нагрузка неравномерно распределена между фазами, и допускает нагрузку по току нейтрали с изначально низким нулевым последовательное сопротивление. Поэтому его часто используют для заземления трансформаторов.
Основные принципы работы трансформатора

Сопутствующий контент EEP со рекламными ссылками

Основы и принципы работы трансформатора | Основная теория переменного тока (AC)

Трансформатор является одним из наиболее важных компонентов во всех цепях переменного тока. В основном используемые для «перехода» между различными значениями переменного напряжения и тока в энергосистемах, трансформаторы находят применение во многих других типах цепей, включая электронные усилители (для согласования импеданса) и даже схемы датчиков (определение физического положения).

Основные принципы

Перед изучением работы трансформатора полезно рассмотреть работу простого индуктора, который представляет собой не что иное, как катушку провода, обычно намотанную на ферромагнитный материал сердечника:

Если мы применим переменное (AC) напряжение к этой катушке, она создаст переменное магнитное поле в сердечнике. То, какой магнитный поток (\(\phi\)) будет развиваться в сердечнике, зависит от того, какое напряжение мы прикладываем к катушке.Фундаментальное соотношение между напряжением и магнитным потоком для любой проводящей катушки определяется законом электромагнитной индукции Фарадея:

\[V = N {d \phi \over dt}\]

Где,

\(В\) = Напряжение, подаваемое на катушку или индуцированное катушкой (вольты)

\(N\) = количество витков провода

\(d \phi \over dt\) = скорость изменения магнитного потока (веберов в секунду)

Если приложенное напряжение является синусоидальным (т. е. имеет форму синусоиды), то величина магнитного потока во времени будет следовать косинусоидальной волне.Мы можем продемонстрировать это математически, подставив \(\sin \omega t\) (синус некоторой частоты \(\omega\) в любой конкретный момент времени \(t\)) вместо \(V\) в уравнении Фарадея и интегрирование:

\[V = N {d \phi \over dt}\]

\[\sin \omega t = N {d \phi \over dt}\]

\[\sin \omega t \> dt = N d \phi\]

\[\int \sin \omega t \> dt = \int N d \phi\]

\[\int \sin \omega t \> dt = N \int d \phi\]

\[- {1 \over \omega} \cos \omega t + \phi_0 = N \phi\]

\[\phi = — {1 \over N \omega} \cos \omega t + \phi_0\]

Таким образом, величина магнитного потока (\(\phi\)) в сердечнике в любой момент времени \(t\) пропорциональна косинусу частотно-временной функции \(\omega t\) плюс любая невязка магнетизм (\(\phi_0\)) сердечник начинался до того, как к катушке было приложено какое-либо напряжение.

Величина тока, потребляемого этим индуктором, зависит от сопротивления магнитной «цепи» сердечника и числа витков в катушке (\(N\)). Чем меньше сопротивление, создаваемое магнитным путем, тем меньший ток потребуется для создания необходимого магнитного поля, чтобы уравновесить приложенное напряжение. Если бы мы взяли две идеальные катушки индуктивности (т. е. без сопротивления проволоки) — одну с тяжелым железным сердечником и одну с легким железным сердечником (или даже с воздушным сердечником) — и приложили к ним одинаковое переменное напряжение, они оба генерировали бы точно такая же сила переменного магнитного поля, но индуктор с меньшим сердечником при этом будет потреблять больший ток от источника.Другими словами, последний индуктор будет иметь меньшее реактивное сопротивление (т.е. меньшее количество омов) для противодействия току.

Все становится интереснее, если мы намотаем второй виток провода на тот же сердечник, что и первый. Для анализа обозначим полярность напряжения на одном из пиков источника переменного тока:

В тот момент времени, когда верхний вывод источника положительный, а нижний вывод отрицательный, мы видим, что на первой катушке падает такое же напряжение (за счет самоиндукции), а на второй катушке падает такое же напряжение, как и на хорошо (за счет взаимной индукции ).Полярность напряжения обеих катушек идентична, потому что они намотаны в одном направлении вокруг сердечника, и обе испытывают одинаковый магнитный поток (\(\фи\)). Однако, когда мы исследуем направления тока через каждую катушку, мы видим, что они противоположны друг другу: левая катушка действует как нагрузка (получает энергию от источника переменного напряжения), а правая катушка действует как источник (обеспечивающий энергией резистивную нагрузку).

Здесь мы создали настоящий трансформатор : электромагнитный компонент, передающий энергию из электрической формы в магнитную и обратно в электрическую форму.Источник переменного напряжения может питать резистивную нагрузку без прямого проводящего соединения между ними, поскольку магнитный поток служит энергетической «связью» между двумя цепями.

Трансформаторы обычно представляют собой набор катушек с общим сердечником. Катушка, подключенная к электрическому источнику, называется первичной обмоткой , а катушка, подключенная к электрической нагрузке, называется вторичной обмоткой . Если сердечник ферромагнитный, то он изображается набором параллельных линий между витками:

Загрузка эффектов

Мы можем исследовать поведение трансформатора, наблюдая за эффектами питания одного от источника переменного тока постоянного напряжения и изменяя сопротивление нагрузки:

Обратите внимание, что напряжение на обеих катушках не зависит от нагрузки, а также то, как магнитный поток остается неизменным при различных условиях нагрузки.Вторичная катушка действует как источник напряжения для резистивной нагрузки, отражая характер поведения источника первичной катушки. Амплитуда магнитного потока не зависит от вторичной нагрузки, чтобы удовлетворять закону Кирхгофа о напряжении и закону Фарадея для первичной катушки: падение напряжения на катушке должно быть равно и противоположно приложенному напряжению источника, поэтому магнитный поток должен изменяться с той же скоростью. и достигают тех же пиков, пока напряжение первичного источника делает то же самое.

Продолжая изучение поведения трансформатора, мы теперь запитаем один от источника переменного тока постоянного тока и изменим сопротивление нагрузки:

Обратите внимание, что ток теперь не зависит от нагрузки, в то время как напряжение и магнитный поток зависят от нагрузки.Вторичная катушка теперь действует как источник тока для резистивной нагрузки, отражая характер поведения источника первичной катушки. При изменении сопротивления нагрузки пропорционально изменяется напряжение вторичной обмотки, что, в свою очередь, требует соответствующего изменения магнитного потока.

Передаточные числа

Трансформаторы

в основном используются для переключения между различными уровнями напряжения и тока. Это достигается построением трансформатора с первичной и вторичной обмотками, имеющими разное количество витков.Поскольку обе катушки разделяют один и тот же магнитный поток, количество витков будет пропорционально тому, сколько напряжения вырабатывается на каждой катушке. Мы можем доказать это математически с помощью закона Фарадея, используя \(d \phi \over dt\) как величину, разделяемую между первичной и вторичной обмотками:

\[V_P = N_P {d \phi \over dt} \hskip 50pt V_S = N_S {d \phi \over dt}\]

\[{V_P \over N_P} = {d \phi \over dt} \hskip 50pt {V_S \over N_S} = {d \phi \over dt}\]

\[{V_P \над N_P} = {V_S \над N_S}\]

\[{V_P \over V_S} = {N_P \over N_S}\]

То есть отношение первичного напряжения ко вторичному такое же, как отношение первичных и вторичных витков.Мы можем использовать этот принцип для создания трансформаторов, выдающих одинаковую мощность на две разные нагрузки от одного и того же источника питания, с той лишь разницей, что количество витков вторичной обмотки:

.

Каким бы способом трансформатор не повышал напряжение с первичной обмотки на вторичную, он должен изменять ток в обратном направлении.

Вот несколько количественных примеров для трансформаторов без потерь:

Обратите внимание, что первичная и вторичная мощности всегда равны друг другу для любой конфигурации трансформатора.Реальные трансформаторы подвержены некоторым внутренним потерям мощности, и поэтому уровень вторичной мощности будет немного меньше, чем первичный, но предположение о равенстве обеспечивает простой способ проверить наши расчеты отношения напряжения и тока.

Полное сопротивление трансформатора

Идеальный трансформатор работает без потерь и передает электроэнергию от подключенного источника (на первичной стороне) к подключенной нагрузке (на вторичной стороне) со 100-процентной эффективностью. Идеальные трансформаторы также не налагают ограничений на количество энергии, которую они могут передать от первичной обмотки к вторичной, другими словами, идеальный трансформатор не накладывает ограничений на пропускную способность.

Однако настоящие трансформаторы не работают без потерь и фактически действуют как токоограничивающие устройства. Механизмы для этого включают магнитные гистерезисные потери, сопротивление провода, индуктивность рассеяния и т. д.

Рассмотрим мысленный эксперимент, в котором мы замкнем накоротко вторичную обмотку идеального трансформатора, который питается от источника переменного напряжения бесконечной мощности (т. е. источник имеет нулевое полное сопротивление). Какой ток будет проходить через закороченную вторичную цепь?

На этот вопрос нет реалистичного ответа.Если источник 480 В переменного тока не имеет ограничения по току (т. е. способен подавать бесконечный ток на закороченную нагрузку), а трансформатор также не имеет вообще никаких ограничений по току, закороченная вторичная цепь также будет испытывать бесконечный ток, по крайней мере, в принципе.

Должно быть очевидно, что этот сценарий не может существовать в реальном мире. Даже при наличии источника бесконечного тока любой реалистичный трансформатор будет препятствовать току, подаваемому на короткое замыкание на вторичной стороне.Вопрос о том, «сколько тока пройдет через короткое замыкание», на самом деле зависит от того, какой импеданс обеспечивает трансформатор.

Рассмотрим другой мысленный эксперимент, на этот раз с использованием реального трансформатора с короткозамкнутой вторичной обмоткой, питаемого от переменного источника переменного напряжения:

Представьте себе постепенное увеличение напряжения источника до тех пор, пока амперметр вторичной цепи не зарегистрирует ток, равный номинальной нагрузке трансформатора.Для идеального трансформатора (идеальная силовая муфта) это произойдет при некотором очень небольшом количестве напряжения, применяемого к первичной обмотке. Однако из-за недостатков и потерь реальных трансформаторов, полный вторичный ток будет получен при первичном напряжении, равном некоторому небольшому проценту нормального (номинального) первичного напряжения. Предположим, например, наш гипотетический трансформатор с первичной обмочной рейтингом 480 В переменного тока выводит полный вторичный ток через короткое замыкание при приложенном исходном напряжении всего 22 вольт.22 вольт 4,58% от 480 вольт, и поэтому мы бы сказать, этот трансформатор имеет измеренный импеданс 4,58 процента.

Хотя вторичный сценарий короткозамкнутой обмоткой может показаться надуманным, он на самом деле является весьма актуальной в условиях реального мира. В электроэнергетических системах мы часто связаны с максимальным количеством тока, который будет течь в течение неисправности условий. Если два провода питания непосредственно соприкасается друг с другом, или если дуга низкого сопротивления развивается между ними по воздуху, эффект очень почти идеальное короткое замыкание.Это означает, что импеданс трансформатора будет доминирующим фактором в ограничении тока короткого замыкания: чем больше импеданс трансформатора, тем меньший ток короткого замыкания будет проявляться в условиях короткого замыкания.

Один из способов применить процентное значение импеданса силового трансформатора к сценарию неисправности — использовать его в качестве множителя для вторичного тока. Например, если максимальный номинальный вторичный ток силового трансформатора составляет 180 ампер, а номинальное полное сопротивление — 3,3 %, доступный вторичный ток при коротком замыкании с болтовым соединением будет равен: 90 005.

\[{180 \hbox{ A} \over 3.3\%} = 5454,5 \hbox{A}\]

Расчеты тока короткого замыкания с болтовым соединением очень полезны при прогнозировании количества энергии, выделяемой при взрыве дуги инциденте, который происходит, когда электрическая дуга возникает между двумя близко расположенными проводниками в мощной электроэнергетической системе. Дуга ведет себя как соединение между проводниками с чрезвычайно низким сопротивлением, что приводит к очень большим значениям тока и соответственно высоким температурам дуги.

Сопротивление трансформатора также полезно для расчета степени, в которой выходное напряжение силового трансформатора будет «проседать» ниже своего идеального значения при питании нагрузки.Предположим, у нас есть силовой трансформатор с соотношением витков 5:1, рассчитанный на получение 120 В переменного тока на его первичную обмотку и выходное напряжение 24 В переменного тока. В условиях холостого хода внутренний импеданс трансформатора не будет иметь значения, и на выходе трансформатора будет точно 24 В переменного тока. Однако, когда нагрузка подключена к клеммам вторичной обмотки и начинает течь ток для питания этой нагрузки, внутренний импеданс трансформатора приведет к небольшому снижению вторичного напряжения. Например, если этот трансформатор имеет импеданс 5.5%, это означает, что вторичное (выходное) напряжение упадет на 5,5% ниже 24 В переменного тока при полной нагрузке, при условии, что первичное напряжение поддерживается на стандартном уровне 120 В переменного тока. 5,5% от 24 вольт составляет 1,32 вольта, поэтому вторичное напряжение этого трансформатора будет «проседать» с 24 вольт до 22,68 вольт (т. е. на 1,32 вольта меньше, чем 24 вольта) при увеличении тока нагрузки от нуля до полного номинального значения.

Трансформатор — его работа, конструкция, типы и использование

Они являются неотъемлемой частью электрической системы, и их применение можно наблюдать практически во всех областях электротехники, начиная от систем электроснабжения и заканчивая обычными бытовыми приборами.

С развитием источников питания переменного тока возникла потребность в трансформаторах. Раньше передача электроэнергии постоянного тока осуществлялась, что приводило к большим потерям и низкой эффективности.

Мы только что запустили нашу серию Power Systems Engineering Vlog , и в этой серии мы собираемся рассказать о всевозможных исследованиях и комментариях по инженерным системам питания. Мы рассмотрим различные блоги, написанные AllumiaX. Это весело, живо, по сути это видеоблог, и мы надеемся, что вы присоединитесь к нам и получите от этого пользу.

​Однако, увеличив напряжение передачи с помощью трансформатора, эта проблема была решена. Увеличение напряжения сопровождается уменьшением тока, чтобы поддерживать постоянную мощность в трансформаторе.

А поскольку потери мощности прямо пропорциональны квадрату тока, это приводит к уменьшению тока в 10 раз, следовательно, потери в 100 раз. Действительно, без трансформаторов мы не смогли бы использовать электрические сила, которую мы используем сейчас.

Вот почему мы производим электроэнергию при напряжении от 11 до 25 кВ, а затем повышаем его до 132 220 или 500 кВ для передачи с минимальными потерями, а затем понижаем напряжение для безопасного бытового и коммерческого использования.

Строительство трансформатора

Трансформатор состоит в основном из сердечника, обмоток и бака, однако в некоторых трансформаторах также присутствуют втулки, сапуны, радиаторы и расширители.

Сердечник:  Сердечник трансформатора изготовлен из мягкого железа или кремнистой стали, что обеспечивает путь с низким магнитным сопротивлением (линии магнитного поля могут легко проходить через них).

Сердечники трансформаторов ламинированы для уменьшения потерь на вихревые токи, пластины обычно имеют толщину от 2,5 до 5 мм и изолированы друг от друга и обмоток оксидным, фосфатным или лаковым покрытием. Сердцевина состоит из пластин различной формы, таких как E, L, I, C и U.

В трансформаторах с кожухом сердечник окружает или покрывает обмотки, как оболочка.

В трансформаторах с сердечником обмотки наматываются вокруг двух ветвей или прямоугольников сердечника.

Обмотки:

Однофазный 2-обмоточный трансформатор обычно имеет 2 обмотки, первичную и вторичную обмотки, которые изготовлены из высококачественной многожильной меди. Обмотки намотаны вокруг сердечника и совершенно не имеют электрического контакта друг с другом.

Их также можно назвать обмотками высокого напряжения и обмотками низкого напряжения соответственно, при этом обмотка высокого напряжения имеет большую изоляцию, чем обмотка низкого напряжения.

Принцип работы:

Основным принципом работы трансформатора является работа взаимной индукции между первичной и вторичной обмотками, которые связаны общим магнитным потоком через сердечник трансформатора.Сердечник обеспечивает путь с низким сопротивлением для прохождения магнитного потока.

Трансформатор имеет первичную и вторичную обмотки, как описано выше. Обмотку, подключенную к источнику, можно рассматривать как первичную обмотку, а ток, который она несет, можно рассматривать как имеющую собственное магнитное поле.

Это магнитное поле создается поперек сердечника и меняет направление из-за переменного тока, и теперь согласно закону электромагнитной индукции Фарадея:

Скорость изменения потокосцепления во времени прямо пропорциональна ЭДС, индуцированной в проводнике или катушке

​Это изменение магнитного поля индуцирует напряжение на вторичной обмотке, которое пропорционально числу витков на обмотках.Это можно дополнительно понять с помощью следующего уравнения:

Коэффициент трансформации трансформатора:

Обе обмотки трансформатора Т.е. первичный и вторичный имеют определенное количество витков. Отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки называется коэффициентом витков.

Где:

N P =

витков первичной обмотки

N S =

витков вторичной обмотки

Идеальный трансформатор:

Идеальный трансформатор — это трансформатор, который дает выходную мощность, точно равную входной мощности.Это означает, что у него нет никаких потерь.

Идеальных трансформаторов не существует, они используются только для упрощения расчетов трансформаторов. Их отношение напряжений можно смоделировать с помощью этих простых уравнений:

Где:

В P = напряжение на первичной стороне

В S = напряжение на вторичной стороне

И власть дается:

И

или

Где:

Другими словами, идеальный трансформатор будет иметь КПД 100 % благодаря отсутствию потерь мощности.

Можно предположить, что идеальный трансформатор будет иметь нулевое сопротивление обмотки, поток рассеяния и потери в меди или сердечнике.

Эквивалентная схема идеального трансформатора:

Эквивалентная схема идеального трансформатора не будет моделировать ни сопротивление, ни реактивное сопротивление, потому что все типы присутствующих потерь считаются несуществующими. Итак, мы получаем очень упрощенную принципиальную схему.

Чем идеальный трансформер отличается от настоящего трансформера?

На самом деле у нас есть трансформаторы, которые состоят из некоторых потерь мощности; следовательно, выходная мощность никогда не равна входной мощности трансформатора.

Реальные трансформаторы будут иметь определенное значение сопротивления обмотки, поток рассеяния, а также потери в меди и сердечнике, которые мы обсудим ниже.

Ток намагничивания:

​Это ток, необходимый для создания потока в сердечнике трансформатора (или его намагничивания).

Можно заметить, что когда на трансформатор подается питание переменного тока при размыкании вторичной цепи, небольшой ток все равно будет протекать через первичную сторону.

​ Этот ток состоит из тока намагничивания (i m ) и тока потерь в сердечнике (i h+e ).

​Некоторые важные моменты о токе намагничивания:

  1. Он не является чистой синусоидой и будет иметь более высокие частотные составляющие, как только ядро ​​начнет насыщаться.​
  2. Как только сердечник достигает своего максимального потока, небольшое увеличение потока потребует очень высокого тока намагничивания.​

Ток потерь в сердечнике компенсирует потери на гистерезис и вихревые токи в сердечнике.​

Сумма тока намагничивания и тока потерь в сердечнике известна как ток возбуждения трансформатора.

Потери:

Трансформатор представляет собой статическое устройство и не имеет вращающихся частей, поэтому у него нет потерь при вращении. Однако он имеет следующие электрические потери:

  1. Потери в сердечнике или стали
  2. Медные потери

Потери в сердечнике:

Потери в сердечнике называются потерями в железе, потому что они связаны или являются следствием железного сердечника трансформатора.

Их можно разбить на 2 части.

  1. Потеря гистерезиса
  2. Потери на вихревые токи

Потеря гистерезиса:

Можно считать, что любой ферромагнитный материал имеет множество небольших магнитных доменов (маленьких постоянных магнитов), которые указывают в случайных направлениях. Когда к железу приложено внешнее магнитное поле, эти домены выстраиваются в направлении поля.

Однако, когда переменный ток меняет свое направление, магнитное поле также меняет свое направление, и магнитные домены также должны менять свое направление в соответствии с магнитным полем.

Некоторые магнитные домены выровняются, но некоторым потребуется дополнительная энергия для их выравнивания. Эта энергия, необходимая для переориентации магнитных доменов во время каждого цикла переменного тока, известна как гистерезисные потери.

Потери на вихревые токи:

Переменный поток в сердечнике трансформатора соединяется со вторичной обмоткой и индуцирует на ней напряжение в соответствии с законом Фарадея.

Также вероятно, что этот переменный поток будет связан с другими проводящими частями трансформатора, такими как железный сердечник и железный кожух или корпус.

Этот переменный поток будет индуцировать локальные напряжения в этих частях, что затем приведет к завихрениям тока, протекающим внутри них. Эти токи известны как вихревые токи.

Эти токи вызывают потери энергии из-за удельного сопротивления сердечника или проводящей части, на которой они возникают, поэтому энергия рассеивается в виде тепла.

Как гистерезис, так и потери на вихревые токи приводят к нагреву сердечника трансформатора.

Потери меди:

Первичная и вторичная обмотки трансформатора всегда будут иметь некоторое собственное сопротивление, и протекание тока через это сопротивление всегда будет приводить к потерям энергии.

Поскольку обмотки изготовлены из меди, потери энергии или тепла в них называются потерями в меди.

Потери меди можно получить по:

Итак, чем больше величина тока, тем больше будут потери в меди. Вот почему эти потери также известны как переменные потери, поскольку они зависят от нагрузки.

Реактивное сопротивление утечки:

Первичная и вторичная обмотки создают собственный поток, который связан друг с другом, это известно как взаимный поток.

Однако не весь магнитный поток между первичной и вторичной обмотками связан.

Некоторый поток, создаваемый первичной обмоткой, не будет связан со вторичной обмоткой, а некоторый поток, создаваемый вторичной обмоткой, не будет связан с первичной обмоткой.

Этот поток, который связан только с одной из обмоток, а не с обеими, известен как поток рассеяния.

Обмотки индуктивны по своей природе, поэтому этот поток рассеяния будет создавать собственное реактивное сопротивление или полное сопротивление в обмотках, известное как реактивное сопротивление рассеяния.

Это реактивное сопротивление утечки вызовет падение напряжения в первичной и вторичной обмотках.

Эквивалентная схема трансформатора:

Эквивалентная схема трансформатора представляет собой упрощенное представление трансформатора, состоящее из сопротивлений и реактивных сопротивлений.

Эквивалентная схема помогает нам выполнять расчеты трансформатора, поскольку базовый анализ схемы теперь можно применить к трансформатору.

Резистор R

P и Резистор R S :

​Эти резисторы моделируют резистивные потери в меди в трансформаторе и легко представляются.

Х М :

Как мы упоминали ранее, ток возбуждения или ток холостого хода равен сумме тока намагничивания и тока потерь в сердечнике.

Таким образом, ток намагничивания можно смоделировать реактивным сопротивлением X M , подключенным к первичному источнику напряжения.

Р С :

Потери в сердечнике, состоящие из потерь на вихревые токи и потерь на гистерезис, можно смоделировать сопротивлением R , подключенным к первичному источнику напряжения

Xm и Rc известны как ветвь возбуждения.

X P и X S :

X p — реактивное сопротивление рассеяния на первичной обмотке, а X S — реактивное сопротивление рассеяния на вторичной обмотке.

Относительно первичной и вторичной сторон:

Эквивалентная схема, показанная выше, является точным представлением трансформатора. Однако для решения практических схем трансформатора необходимо преобразовать всю схему в единый уровень напряжения.

Это делается путем обращения цепи к ее первичной или вторичной стороне.

На первичную сторону:

Чтобы сослаться или преобразовать схему в первичную сторону, мы сначала находим значение константы »a».

Где a  =  N p N s

Теперь, когда мы нашли «а», мы можем преобразовать сопротивление вторичной обмотки Rs и реактивное сопротивление Xs в первичную сторону, умножив их оба на a 2 .

R S = R S x a 2

X S = X S x a 2

Вторичное напряжение Vs умножается на «а», а вторичный ток Is делится на «а».

На вторичную сторону:

Учитывая значение константы «а», мы делим значения сопротивления первичной стороны и реактивного сопротивления на a 2 .

То же самое будет сделано для X и R C .

R P  =  R P a 2

X P  =  X P a 2

R C  =  R C a 2

X M  =  X M a 2

Первичный ток умножается на «а», а первичное напряжение делится на «а».

​После того, как мы отнесли наши значения к одной конкретной стороне, первичной или вторичной, мы можем затем переместить ветвь возбуждения вперед и последовательно добавить сопротивления и реактивные сопротивления, как показано на принципиальных схемах.

Эффективность:

КПД трансформатора — это отношение выходной мощности трансформатора к входной мощности.

Дано

η = P = P OUT P + P Потеря x 100%

Где:

​Поскольку выходная мощность всегда будет меньше входной мощности, КПД трансформатора всегда будет находиться в пределах 0-100%, в то время как идеальный трансформатор будет иметь КПД 100%.

Чтобы рассчитать КПД трансформатора из эквивалентной схемы, мы просто добавляем потери в меди и потери в сердечнике к уравнению КПД, чтобы получить следующее уравнение:

η = P = P OUT P + P CU + P Core x 100% x

Регулировка напряжения:

Также важно знать, что, поскольку внутри трансформатора есть последовательные импедансы, на них также будут падения напряжения.Это приведет к изменению выходного напряжения с переменной нагрузкой, даже если входное напряжение остается постоянным.

Величина, которая сравнивает выходное напряжение без нагрузки с выходным напряжением при полной нагрузке, называется регулированием напряжения.

Его можно рассчитать по следующему уравнению:

VR = V S.nl V S.FL V S.FL x 100%

Где:

В С.NL = выходное напряжение без нагрузки

В S.FL = Выходное напряжение при полной нагрузке

Следует отметить, что идеальный трансформатор будет иметь регулировку напряжения 0%.

Типы трансформаторов и их применение

Здравствуйте! На связанную тему мы ранее писали в блоге о типах трансформаторов.  Если это вас заинтересует, проверьте это и сообщите нам, что вы думаете

Повышающий трансформатор:

​Эти трансформаторы повышают более низкий уровень напряжения на первичной стороне до более высокого значения напряжения на вторичной стороне.При этом вторичная обмотка имеет большее число витков, чем первичная.

Они в основном используются на генерирующих станциях, где генерируемое напряжение около 11 кВ повышается до 132 кВ или более для передачи.

Понижающий трансформатор:

Понижающие трансформаторы снижают высокое напряжение на первичной стороне до более низкого значения напряжения на вторичной стороне. При этом первичная обмотка имеет большее число витков.

Понижающие трансформаторы используются на сетевых станциях для снижения высокого напряжения передачи до более низкого значения, подходящего для распределения и использования.Их также можно найти на наших мобильных зарядных устройствах.

Другие типы включают силовые трансформаторы, распределительные трансформаторы, трансформаторы с сердечником, однофазные и трехфазные трансформаторы, внутренние и наружные трансформаторы. Вы можете проверить наш предыдущий блог, посвященный типам трансформаторов и их применению.

Ограничения трансформатора:

Здесь также важно отметить, что трансформатор будет работать только в сети переменного тока. Это связано с тем, что постоянный ток (DC) будет создавать постоянное магнитное поле вместо изменяющегося магнитного поля, и, следовательно, во вторичной обмотке не будет индуцироваться ЭДС.

На этом мы заканчиваем тему трансформаторов. Мы надеемся, что этот блог был полезен и дал вам ценную информацию по этой теме. Не стесняйтесь предлагать или задавать любые вопросы, которые могут у вас возникнуть, в разделе комментариев ниже. Спасибо.

 

 

Трансформаторы — принцип работы

Трансформатор представляет собой устройство, которое соединяет две электрические цепи через общее магнитное поле. Трансформаторы используются для преобразования импеданса, преобразования уровня напряжения, изоляции цепей, преобразования между несимметричными и дифференциальными режимами сигнала и других приложений.В основе электромагнитного принципа лежит закон Фарадея (раздел 8.3), в частности, ЭДС трансформатора.

Основные характеристики трансформатора можно определить в результате простого эксперимента, показанного на рисунках 8.5.1 и 8.5.2. В этом опыте две катушки расположены вдоль общей оси. Шаг намотки мал, так что все силовые линии магнитного поля проходят по длине катушки, а между витками не проходят никакие линии. Для дальнейшего сдерживания магнитного поля мы предполагаем, что обе катушки намотаны на один и тот же сердечник, состоящий из материала, обладающего высокой магнитной проницаемостью.Верхняя катушка имеет

витка, а нижняя катушка имеет

витка.

В части I этого эксперимента (рис. 8.5.1) верхняя катушка подключена к источнику синусоидального напряжения

, в котором нижний индекс относится к катушке, а верхний индекс относится к «Части I» этого эксперимента. Источник напряжения создает ток в катушке, который, в свою очередь, создает переменное во времени магнитное поле

в сердечнике.

Рисунок 8.5.1: Часть I эксперимента, демонстрирующего соединение электрических цепей с помощью трансформатора.

Нижняя катушка имеет

витка, намотанных в направлении , противоположном , и имеет разомкнутую цепь. Учитывая близкое расположение витков и использование сердечника с высокой магнитной проницаемостью, примем, что магнитное поле в нижней катушке равно

, создаваемое в верхней катушке. Потенциал, наведенный в нижней катушке, равен

с опорной полярностью, указанной на рисунке. Из закона Фарадея имеем

(8.5.1)

, где

— поток через один виток нижней катушки.Таким образом:

(8.5.2)

Обратите внимание, что направление

определяется полярностью, которую мы выбрали для

.

Во второй части эксперимента (рис. 8.5.2) мы вносим следующие изменения. Подаем напряжение

на нижнюю катушку и размыкаем верхнюю катушку. Далее подгоняем

так, чтобы индукционная магнитная индукция снова была

– то есть равная полю в части I эксперимента.

Рисунок 8.5.2: Часть II эксперимента, демонстрирующего соединение электрических цепей с помощью трансформатора

(8.5.3)(8.5.4)

По причинам, которые вскоре станут очевидными, давайте перенесем первый знак минус в интеграл. Тогда мы имеем

Сравнивая это с уравнениями 8.5.1 и 8.5.2, мы видим, что мы можем переписать это в терминах потока в нижней катушке в части I эксперимента:

Фактически, мы можем выразить это в виде термины потенциала в части I эксперимента:

(8.5.7)

Мы обнаружили, что потенциал верхней катушки в части II простым образом связан с потенциалом нижней катушки в части I эксперимента. Если бы мы сначала выполнили Часть II, мы бы получили тот же результат, но с перестановкой верхних индексов. Следовательно, в целом должно быть верно — независимо от расположения оконечных устройств — что

(8.5.8)

Это выражение должно быть знакомо из теории элементарных цепей — за исключением, возможно, знака минус. Знак минус является следствием того, что витки намотаны в противоположных направлениях.Мы можем сделать приведенное выше выражение более общим:

(8.5.9)

, где

определяется как

, когда катушки намотаны в одном направлении, и

, когда катушки намотаны в противоположных направлениях. (Хорошее упражнение, чтобы подтвердить, что это верно, повторив приведенный выше анализ с изменением направления намотки либо для верхней, либо для нижней катушки, для которой

окажется тогда

.) Это «закон трансформатора» основ теории электрических цепей, из которых можно получить все остальные характеристики трансформаторов как устройств двухполюсной схемы (см. раздел 8.6 для последующих действий по этому поводу).

Обобщая:

Отношение напряжений катушек в идеальном трансформаторе равно отношению витков со знаком, определяемым относительным направлением обмоток, согласно уравнению 8.5.9.

Более знакомая конструкция трансформатора показана на рис. 8.5.3 — катушки намотаны на тороидальный сердечник, а не на цилиндрический. Зачем это делать? Такое расположение ограничивает магнитное поле, связывающее две катушки с сердечником, в отличие от того, что позволяет линиям поля выходить за пределы устройства.Это ограничение важно, чтобы поля, возникающие вне трансформатора, не мешали магнитному полю, связывающему катушки, что могло бы привести к электромагнитным помехам (EMI) и проблемам с электромагнитной совместимостью (EMC). Принцип работы во всем остальном тот же.

Рисунок 8.5.3: Трансформатор выполнен в виде катушек с общим тороидальным сердечником. Здесь

. Изображение использовано с разрешения (CC BY SA 3.0; Билл С).

Сноски

Дополнительное чтение

Используйте клавиши со стрелками влево и вправо для смены страниц. Проведите пальцем влево и вправо для смены страниц.

Теория работы однофазных трансформаторов

Определение трансформатора

Электрический силовой трансформатор представляет собой статическое устройство, которое преобразует электрическую энергию из одной цепи в другую без прямого электрического соединения. Он также выполняет это с помощью взаимной индукции между двумя обмотками.Он может преобразовывать мощность из одной цепи в другую без изменения частоты, но может иметь разные уровни напряжения в зависимости от необходимости.


Схема однофазного трансформатора


Символ трансформатора

Трансформатор Строительство

Три основные части трансформатора:

  • Первичная обмотка : Обмотка, потребляющая электроэнергию и создающая магнитный поток при подключении к источнику электроэнергии.
  • Магнитный сердечник : Относится к магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. Поток проходит через путь с низким сопротивлением, связанный со вторичной обмоткой, создавая замкнутую магнитную цепь.
  • Вторичная обмотка : Обмотка, которая обеспечивает требуемое выходное напряжение благодаря взаимной индукции в трансформаторе.

Принцип работы трансформаторов

Принцип работы однофазного трансформатора основан на законе электромагнитной индукции Фарадея.По сути, взаимная индукция между двумя или более обмотками отвечает за действие преобразования в электрическом трансформаторе.

Законы электромагнитной индукции Фарадея

Согласно закону Фарадея, «Скорость изменения потокосцепления во времени прямо пропорциональна индуцированной ЭДС в проводнике или катушке».

Базовая теория трансформатора

Первичная обмотка питается от источника переменного тока.Переменный ток через первичную обмотку создает переменный поток, который окружает обмотку. Другая обмотка, также известная как вторичная обмотка, подведена к первичной обмотке. В конце концов, некоторая часть потока в первичной обмотке будет связана со вторичной обмоткой. Поскольку этот поток постоянно меняется по амплитуде и направлению, во второй обмотке также происходит изменение потокосцепления. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, во вторичной обмотке индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), которая называется ЭДС индукции.Если цепь вторичной обмотки замкнута, по ней потечет индуцированный ток. Это простейшая форма преобразования электроэнергии; это самый основной принцип работы трансформатора.

Принцип работы трансформатора объясняется следующими простыми шагами:

  • Как только первичная обмотка подключается к однофазной сети, через нее начинает протекать переменный ток.
  • Переменный поток создается в сердечнике первичным переменным током.
  • Переменный поток связывается со вторичной обмоткой через сердечник.
  • Теперь, в соответствии с законами электромагнитной индукции Фарадея, этот переменный поток будет наводить напряжение во вторичной обмотке.

Сопутствующие товары

Вышеупомянутый тип трансформатора теоретически возможен, но практически невозможен, так как существуют потери, связанные с работой трансформаторов.

Принцип работы трансформатора

Трансформатор представляет собой статическое оборудование, используемое для повышения или понижения напряжения переменного тока с соответствующим уменьшением или увеличением тока. По сути, он состоит из двух обмоток на общем многослойном магнитопроводе.

Переменное напряжение В 1 , величина которого должна быть изменена, подается на первичку. В зависимости от количества витков первичной (N 1 ) и вторичной (N 2 ) чередующихся эл.м.ф. E 2 индуцируется во вторичной обмотке.

Э.Д.С. E 2  во вторичной обмотке вызывает вторичный ток I 2 . Следовательно, на нагрузке появится напряжение на клеммах V 2 .

Работа трансформатора
  • Если V 2  > V , то он называется повышающим трансформатором.
  • Если V 2  < V , он называется понижающим трансформатором.

При подаче на первичную обмотку переменного напряжения В 1 в сердечнике создается переменный поток φ.Этот переменный поток связывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС E 1 и E 2 в соответствии с законами электромагнитной индукции Фарадея. ЭДС E 1  называется первичной Э.Д.С. и э.д.с. E 2  называется вторичной Э.Д.С.

E 1  = –N 1  (dφ/dt)

E 2  = –N 2  (dφ/dt)

∴ E 2 /E 1  = N 2 /N 1

Обратите внимание, что величины E 2 и E 1 зависят от количества витков вторичной и первичной обмотки соответственно.

Если N 2 > N 1 , то E 2 > E 1 (или V 2 > V 1 ) и получаем повышающий трансформатор.

С другой стороны, если N2 < N1, то E 2  < E 1  (или V 2  < V 1 ) и мы получаем понижающий трансформатор.

 

Если нагрузка подключена через вторичную обмотку, вторичная э.м.ф. E 2 вызовет ток I 2 , протекающий через нагрузку. Таким образом, трансформатор позволяет нам передавать переменный ток. питание от одной цепи к другой с изменением уровня напряжения.

Следует обратить внимание на следующие моменты:

  • Действие трансформатора основано на законах электромагнитной индукции.
  • Нет электрического соединения между первичной и вторичной обмотками. переменный ток мощность передается от первичной обмотки к вторичной через магнитный поток.
  • Частота не изменяется, т. е. выходная мощность имеет ту же частоту, что и входная мощность.

Потери в трансформаторе:

  1. потери в сердечнике – вихревые токи и потери на гистерезис
  2. потери в меди — в сопротивлении обмоток

На практике эти потери очень малы, так что выходная мощность почти равна входной первичной мощности. Другими словами, трансформатор имеет очень высокий КПД.

Оборудование для испытаний трансформаторов | Переключатели ответвлений

Переключатель ответвлений предназначен для регулирования выходного напряжения трансформатора.Это достигается за счет изменения числа витков в одной обмотке и, таким образом, изменения коэффициента трансформации трансформатора. Существует два типа трансформаторных переключателей ответвлений: переключатель ответвлений под нагрузкой (РПН) и переключатель ответвлений без напряжения (DETC). Обратите внимание, что не все трансформаторы имеют переключатели ответвлений.

Устройство РПН изменяет коэффициент трансформации, когда трансформатор находится под напряжением и несет нагрузку. Принцип переключения использует концепцию контакта «замыкание перед размыканием». Соседний ответвитель шунтируется перед разрывом контакта с ответвлением, несущим нагрузку, с целью передачи нагрузки от одного ответвления к другому без прерывания или заметного изменения тока нагрузки.В шунтирующем положении (т. е. контакт осуществляется двумя ответвлениями) присутствует некоторое сопротивление (резистивное или реактивное) для ограничения циркулирующего тока. Высокоскоростное устройство РПН резистивного типа использует пару резисторов для поглощения энергии и не использует положение перемычки в качестве рабочего положения. В РПН реактивного типа используется реактор, рассчитанный на непрерывную нагрузку, например, превентивный автотрансформатор, и поэтому шунтирующее положение используется в качестве рабочего положения.

Существует две основные конструкции устройств РПН.Конструкция дивертера, используемая для более высоких напряжений и мощностей, имеет как избиратель ответвлений, так и отдельный дивертерный переключатель (также называемый дугогасительным переключателем). Дуга переключения может возникать в масле или может находиться в вакуумном баллоне. В конструкции без дивертора, используемой для более низких номинальных напряжений, просто используется так называемый селекторный переключатель (также называемый дугогасительным переключателем отводов), который сочетает в себе функции дивертерного переключателя и избирателя ответвлений.

DETC — это переключатель ответвлений, который нельзя перемещать, пока трансформатор находится под напряжением.Часто имеет 5 позиций (A,B,C,D,E или 1,2,3,4,5). Если DETC не используется на регулярной основе, существует повышенный риск того, что DETC не сработает должным образом при следующем перемещении.

Переключатели ответвлений исторически были одной из основных причин отказов трансформаторов (Cigre_WG 12-05 «Международный обзор отказов больших силовых трансформаторов в эксплуатации», Electra No. 88, 1983 г., и ANSI/IEEE, 1985 г.). Неисправности в устройствах РПН могут быть классифицированы как диэлектрические неисправности (связанные с качеством масла или зазором), тепловые неисправности (из-за проблем с закоксовыванием или обжимом) или механические неисправности (износ и смещение контактов, концевые выключатели, срезанные штифты на рычажном механизме, приводящем в действие реверсивный переключатель). , проблемы со смазкой и т.д.).Следующие электрические полевые испытания предоставляют информацию о целостности устройства РПН трансформатора.

 

Диагностика устройства РПН

Электрические полевые испытания:

  • Возбуждающий ток ; тесты возбуждающего тока позволяют обнаружить множество проблем переключателей ответвлений трансформатора (DETC и OLTC), в том числе: несоосность, закоксовывание и износ контактов, незакрепленные подвижные контакты, неправильную проводку от ответвительной обмотки к РПН, неправильное подключение к предупредительной автотрансформатор (PA) РПН, разомкнутые или короткозамкнутые витки или высокоомные соединения в РПН PA, последовательный автотрансформатор или последовательный трансформатор и многое другое.
  • Сопротивление обмотки постоянного тока ; испытание сопротивления обмотки постоянному току используется для обнаружения любой проблемы, влияющей на целостность пути прохождения тока между выводами обмотки, включая переключатель ответвлений. Он особенно удобен для определения состояний частичного разомкнутого контура.
  • Динамическое сопротивление обмотки ; испытание динамического сопротивления обмотки — это измерение постоянного тока и сопротивления (в зависимости от времени), когда устройство РПН изменяет положение отвода.Он особенно эффективен при выявлении проблем с дивертерным переключателем, контактами дивертерного переключателя и токоограничивающими резисторами устройств РПН резистивного типа. Как правило, испытание оценивает целостность любого компонента, который создает, проводит или отключает ток во время работы устройства РПН.
  • Анализ частотной характеристики с разверткой (SFRA) ; механическая целостность ответвительных обмоток и их выводов оценивается в диапазоне средних и высоких частот FRA-испытания на трансформаторе

 

Тесты масла:

  • ДГА ; нормальные схемы газообразования (возникающие по мере износа изоляционных материалов) различаются для каждого семейства устройств РПН.DGA образца масла из РПН является эффективным инструментом для выявления таких проблем, как локальный перегрев или чрезмерное искрение, которые приводят к изменению типичного режима газообразования РПН (например, изменение соотношения углеводородных газов).
  • Диэлектрическая прочность ; проверяет, превышает ли минимальное пороговое значение напряжение пробоя диэлектрика масла в устройстве РПН. На это влияет относительная насыщенность масла водой и наличие проводящих частиц (количество и размер).
  • Влага ; испытание на избыток воды в устройстве РПН, что снижает диэлектрическую прочность масла на пробой и может ускорить старение контактов

 

Другие тесты:

  • Инфракрасный; проверяет разницу температур между основным баком трансформатора и отсеком крана; нетипично, чтобы отделение для крана было таким же горячим или даже более горячим, чем основной бак,
  • Акустика
  • Осмотр
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *