Трансформатор принцип действия кратко. Трансформаторы: принцип действия, устройство и классификация

Как работает трансформатор. Какие бывают виды трансформаторов. Из каких основных частей состоит трансформатор. Какие физические явления лежат в основе работы трансформатора. Каковы области применения трансформаторов.

Принцип действия и устройство трансформатора

Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции, открытом Майклом Фарадеем в 1831 году.

Основные части трансформатора:

• Магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного материала
• Первичная обмотка
• Вторичная обмотка
• Система охлаждения (у мощных трансформаторов)

Как работает трансформатор? При подаче переменного напряжения на первичную обмотку в ней возникает переменный ток. Этот ток создает в магнитопроводе переменный магнитный поток. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней ЭДС. При подключении нагрузки ко вторичной обмотке в ней возникает ток.

Классификация трансформаторов

Трансформаторы классифицируют по различным признакам:

По назначению:

• Силовые — для передачи и распределения электроэнергии
• Специальные — для питания сварочных аппаратов, электропечей и др.
• Измерительные — для подключения измерительных приборов

По числу фаз:

• Однофазные
• Трехфазные

По способу охлаждения:

• Сухие — с воздушным охлаждением
• Масляные — с охлаждением трансформаторным маслом

По количеству обмоток:

• Двухобмоточные
• Трехобмоточные
• Многообмоточные

Физические явления в основе работы трансформатора

Работа трансформатора основана на двух ключевых физических явлениях:

1. Электромагнетизм — переменный электрический ток создает переменное магнитное поле
2. Электромагнитная индукция — изменяющееся магнитное поле наводит ЭДС в проводнике

Когда переменный ток проходит через первичную обмотку, он создает переменное магнитное поле в сердечнике. Это изменяющееся магнитное поле индуцирует ЭДС во вторичной обмотке. Величина наведенной ЭДС зависит от числа витков обмотки.

Области применения трансформаторов

Трансформаторы находят широкое применение в различных областях:

• Передача и распределение электроэнергии
• Электросварка
• Электрометаллургия
• Радиотехника и связь
• Бытовая электротехника
• Измерительная техника

Какую роль играют трансформаторы в системе передачи электроэнергии? На электростанциях с помощью повышающих трансформаторов напряжение увеличивают до сотен киловольт для передачи на большие расстояния. Вблизи потребителей напряжение понижают с помощью понижающих трансформаторов.

Коэффициент трансформации

Коэффициент трансформации — это отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки. Он определяет, во сколько раз изменяется напряжение:

k = w1 / w2 = U1 / U2

где w1, w2 — число витков первичной и вторичной обмоток, U1, U2 — напряжения на первичной и вторичной обмотках.

Какие бывают виды трансформаторов по коэффициенту трансформации?

• Понижающие (k > 1) — снижают напряжение
• Повышающие (k < 1) - повышают напряжение
• Разделительные (k ≈ 1) — для гальванической развязки цепей

Режимы работы трансформатора

Различают три основных режима работы трансформатора:

1. Режим холостого хода — вторичная обмотка разомкнута
2. Режим нагрузки — ко вторичной обмотке подключена нагрузка
3. Режим короткого замыкания — вторичная обмотка замкнута накоротко

Как изменяются параметры трансформатора в разных режимах работы? В режиме холостого хода ток в первичной обмотке минимален. При увеличении нагрузки растет ток во вторичной обмотке и соответственно в первичной. В режиме короткого замыкания ток многократно превышает номинальный.

Потери энергии в трансформаторе

В трансформаторе происходят следующие виды потерь энергии:

• Потери в обмотках (потери в меди) — вызваны нагревом проводов обмоток
• Потери в магнитопроводе (потери в стали) — вызваны перемагничиванием и вихревыми токами
• Потери от рассеяния магнитного потока
• Потери в системе охлаждения (у мощных трансформаторов)

Как можно снизить потери в трансформаторе? Основные способы:

• Использование проводов большего сечения для обмоток
• Применение магнитопроводов из современных материалов
• Оптимизация конструкции для уменьшения потоков рассеяния

Современные тенденции в трансформаторостроении

Основные направления развития трансформаторов:

• Повышение энергоэффективности
• Уменьшение массогабаритных показателей
• Применение новых магнитных и изоляционных материалов
• Создание «умных» трансформаторов с системами мониторинга
• Разработка сухих трансформаторов большой мощности
• Исследования в области сверхпроводящих трансформаторов

Какие инновации ожидаются в трансформаторостроении? Перспективными направлениями являются применение аморфных сплавов для магнитопроводов, разработка элегазовых трансформаторов, создание твердотельных трансформаторов на основе силовой электроники.

Лекция «Назначение, области применения, классификация трансформаторов»

МДК 01.01 Электрические машины — 4

 

Задание для обучающихся с применением дистанционных образовательных технологий и электронного обучения

 

Дата 19.01

Группа Э-19

Междисциплинарный курс: МДК.01.01 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Тема занятия:      Назначение, области применения, классификация трансформаторов

Форма: лекция

 

Задание:

— Просмотреть видеоролик «Трансформаторы, принцип действия, конструкция, классификация»

— Проработать материал лекции и составить краткий конспект лекции

— Расшифровать обозначения трансформаторов (любой столбец на с. 5)

— — Готовое практическое задание сфотографировать и прикрепить все фотографии в разделе «Моя работа» в Google Классе и нажать кнопку «Сдать»

 

ПЛАН

1 Назначение, области применения, классификация трансформаторов

2 Физические явления, лежащие в основе работы трансформаторов

3 Устройство и рабочий процесс однофазного трансформатора

4 Приведение параметров вторичной обмотки трансформатора к первичной. Схема замещения и векторная диаграмма приведенного трансформатора

 

ЛЕКЦИЯ

 

1 Назначение, области применения, классификация трансформаторов

 

1.1 Назначение трансформаторов

 

Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии одного напряжения и одной частоты в электрическую энергию другого напряжения той же частоты.

Такое преобразование необходимо во всех отраслях промышленности. В частности, в энергетике применение трансформаторов обеспечивает основное преимущество электрической энергии – возможность передачи ее на большие расстояния с минимальными потерями.

При передаче электроэнергии в линии электропередачи возникают потери энергии. Эти потери определяются по формуле

 

                                              (4.1)

 

где  — ток в линии передачи;

 — сопротивление проводов линии передачи

 

Мощность, передаваемая в линии передачи, определяется током и напряжением в ЛЭП

 

                                                 (4. 2)

 

При относительно низком напряжении  ток в линии может быть весьма большим. Большой ток в проводах линии электропередачи в соответствии с (4.1) обусловливает значительные потери. Для уменьшении этих потерь при той же передаваемой мощности необходимо уменьшить ток в линии электропередачи. Для этого напряжение в ЛЭП должно быть повышено. Эта задача решается с помощью трансформатора (рис.4.2). Поэтому силовые трансформаторы являются необходимым элементом промышленных электрических сетей. В начале линии передачи со стороны генератора устанавливается повышающий трансформатор, который увеличивает напряжение в десятки раз, а в конце ЛЭП со стороны потребителей устанавливается понижающий трансформатор, который уменьшает напряжение до номинального напряжения потребителя.

Основное назначение трансформаторов — изменять напряжение переменного тока.

 

Рисунок 4.2 – Передача и использование электрической энергии

 

1. 2 Области применения трансформаторов

 

В электротехнологии используются сварочные и печные трансформаторы.

Печные трансформаторы обеспечивают напряжение, необходимое для питания электродуговых и индукционных печей; сварочный трансформатор создает напряжение, необходимое для горения электрической дуги в процессе электрической сварки.

Кроме того, трансформаторы разных типов широко применяются в различных областях электротехники, электроники, электротехнологии, в устройствах измерения и контроля, автоматического управления и др.

Трансформаторы разных типов имеет разные особенности конструкции и обладают разными характеристиками. Однако в основе работы всех трансформаторов лежит один принцип – индукционное действие магнитного поля (явление электромагнитной индукции).

Трансформаторы применяются также для преобразования числа фаз и частоты. Силовые трансформаторы в выпускаются в основном на частоту 50 Гц.

 

1.3 Классификация трансформаторов

 

Трансформаторы классифицируют по нескольким признакам:

-· по назначению: силовые общего и специального назначения, импульсные, для преобразования частоты и т. д.

-· по числу трансформируемых фаз: однофазные и трехфазные;

-· по виду охлаждения: с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением;

-· по форме магнитопровода- стержневые, броневые, бронестержневые, тороидальные;

-· по числу обмоток на фазу: двухобмоточные, многообмоточные

 

Классификация трансформаторов может быть представлена схематично

 

 

В соответствии с нормативными документами особенности конструкции трансформатора отражаются в обозначении его типа и систем охлаждения.

Тип трансформатора:

— Автотрансформатор (для однофазных О, для трехфазных Т) — А

— Расщепленная обмотка низшего напряжения — Р

— Защита жидкого диэлектрика с помощью азотной подушки без расширителя — З

— Исполнение с литой изоляцией — Л

— Трех обмоточный трансформатор — Т

— Трансформатор с РПН — Н

— Сухой трансформатор с естественным воздушным охлаждением (обычно вторая буква в обозначении типа), либо исполнение для собственных нужд электростанций (обычно последняя буква в обозначении типа) — С

— Кабельный ввод — К

— Фланцевый ввод (для комплектных ТП) – Ф

 

Системы охлаждения сухих трансформаторов:

— Естественное воздушное при открытом исполнении — С

— Естественное воздушное при защищенном исполнении — СЗ

— Естественное воздушное при герметичном исполнении — СГ

— Воздушное с принудительной циркуляцией воздуха — СД

 

Системы охлаждения масляных трансформаторов:

— Естественная циркуляция воздуха и масла — М

— Принудительная циркуляция воздуха и естественная циркуляция масла — Д

— Естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла с ненаправленным потоком масла — МЦ

— Естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла с направленным потоком масла — НМЦ

— Принудительная циркуляция воздуха и масла с ненаправленным потоком масла — ДЦ

— Принудительная циркуляция воздуха и масла с направленным потоком масла — НДЦ

— Принудительная циркуляция воды и масла с ненаправленным потоком масла — Ц

— Принудительная циркуляция воды и масла с направленным потоком масла — НЦ

 

Рисунок 4. 1 — Силовой масляный трансформатор ТМ-160 (250) кВА

 

Системы охлаждения трансформаторов с негорючим жидким диэлектриком:

— Охлаждение жидким диэлектриком с принудительной циркуляцией воздуха — НД

— Охлаждение негорючим жидким диэлектриком с принудительной циркуляцией воздуха и с направленным потоком жидкого диэлектрика — ННД

 

Буквы и цифры в обозначениях типа трансформатора

 

I — А – автотрансформатор (трансформатор не имеет обозначения)

II — Т – трехфазный; О – однофазный; Р – наличие расщепленной обмотки НН

III — С – естественное воздушное при открытом исполнении; СЗ – естественное воздушное при защищенном исполнении; М – естественная циркуляция масла и воздуха и т.д.

IV — Т – трехобмоточный

V — Н – выполнение одной из обмоток с устройством РПН.

VI — В числителе дроби после буквенного обозначения типа указывается номинальная мощность трансформатора в кВА.

VII — В знаменателе указывается  номинальное напряжения обмотки ВН в кВ.

 

Расшифруйте тип трансформатора:

 

 ТМ – 250/10;                                        ТД – 10 000/35;

 ТДЦ – 80 000/35;                                 ТМТН – 6 300/35;

 ТДТН – 100 000/35;                            ТМН – 2 500/110;

 ТДН – 10 000/110;                              ТРДН – 25 000/110;

 ТРДЦН – 630 000/110                        ТЦ — 630 000/220;

ОРДЦ – 333 000/500;                          ОРЦ – 53 300/500;

АТДТН – 32 000/220;                         АТДЦТН – 125 000/220;

АОДЦТН – 167 000/500;                    ТСЗ – 10/0,66

 

2 Физические явления, лежащие в основе работы трансформаторов

 

Однофазный трансформатор работает на определённом законе, ввиду которого идущее в витке переменное электромагнитное поле наводит электродвижущую силу в расположенном рядом проводнике. Действие названо законом электромагнитной индукции, которое было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году. В результате обоснования закона учёный создал общую теорию, используемую в работе огромного числа современных электрических приборов.

Иными словами, работа трансформатора основана на двух базовых принципах:

·                     Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм)

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

На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток намагничивания создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. 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.

В некоторых трансформаторах, работающих на высоких или сверхвысоких частотах, магнитопровод может отсутствовать.

Форма напряжения во вторичной обмотке связана с формой напряжения в первичной обмотке довольно сложным образом. Благодаря этой сложности удалось создать целый ряд специальных трансформаторов, которые могут выполнять роль усилителей тока, умножителей частоты, генераторов сигналов и т.д.

Исключение — силовой трансформатор. В случае классического трансформатора переменного тока, предложенного П. Яблочковым, он преобразует синусоиду входного напряжения в такое же синусоидальное напряжение на выходе вторичной обмотки.

В случае силового трансформатора, работающего в схеме Преобразователя Мотовилова, он преобразует постоянный силовой ток первичной обмотки в постоянный силовой ток вторичной обмотки при прямоугольном переменном напряжении на обеих обмотках. Последнее выпрямляется в постоянное напряжение так, что на входе и выходе схемы Мотовилова действуют постоянные токи при постоянном напряжении.

 

3 Устройство и рабочий процесс однофазного трансформатора

 

3.1 Конструкция однофазного трансформатора

 

Любой однофазный трансформатор может работать только в цепях переменного тока. За счёт него полученное электрическое напряжение изменяется в нужную величину. Ток, полученный таким способом, повышается, в результате того, что мощность отдаётся в действительности без потерь. С этого и следует вывод, что основное использование такого прибора – вывести необходимое для решения задачи напряжение, после чего можно применять в определённых целях.

Вникнуть в работу прибора поможет детальный разбор конструкции трансформатора. Состоит он из следующих основных частей:

• Сердечник, состоящий из материалов с ферромагнитными свойствами;
• Две катушки, вторая находится на отдельном каркасе;
• Защитный чехол (имеется не у всех моделей).

Конструкция однофазного трансформатора представлена на рисунке 4. 3

Рисунок 4.3 — Конструкция однофазного трансформатора

 

3.2 Рабочий процесс однофазного трансформатора

 

Электромагнитная схема простейшего идеального трансформатора показана на рис. 4.4. В таком трансформаторе магнитопроводом может быть прямоугольный ферромагнитный сердечник, на котором размещены две электрические обмотки. Каждая из обмоток имеет определенное количество витков ( и ), охватывающих стержни магнитопровода.

Рисунок 4.4 — Электромагнитная схема простейшего идеального трансформатора

Обмотка с числом витков  называется первичной обмоткой и подключается к зажимам фаза А – ноль N источника электроэнергии переменного напряжения .

Обмотка с числом витков w₂ называется вторичной. К зажимам вторичной обмотки подключается приемник электроэнергии с сопротивлением .

Под действием переменного напряжения  источника в первичной обмотке возникает первичный ток  . Этот ток, замыкаясь по виткам первичной обмотки, создает переменную магнитодвижущую силу (МДС) в магнитной цепи трансформатора. Под действием МДС возникает переменное магнитное поле.

При этом магнитный поток , замыкаясь по ферромагнитному сердечнику, пронизывает все витки обеих обмоток. Согласно закону электромагнитной индукции переменный магнитный поток  , пронизывая витки обмоток, индуктирует в каждом из них ЭДС индукции е. Положительное направление ЭДС одного витка е соотносится с направлением магнитного потока как обозначено на рис. 4.4 . При этом ее величина определяется скоростью изменения магнитного потока

 

Тогда в первичной обмотке с числом витков w₁ создается ЭДС индукции , пропорциональная числу витков :

 

                                                 (4.4)

 

а во вторичной обмотке с числом витков w₂ создается ЭДС , пропорциональная числу витков :

 

                                                     (4. 5)

 

Вторичная ЭДС  определяет напряжение на зажимах вторичной обмотки , к которой подключен приемник, и ток приемника (вторичный ток)  .

Таким образом, приемник потребляет от трансформатора электрическую энергию.

Соотношение по величине между первичным и вторичным напряжениями называется коэффициентом трансформации:

 

 

Для того, чтобы определить это соотношение запишем уравнения по II закону Кирхгофа для электрических контуров первичной и вторичной цепей.

 

                                                             (4.7)

                                                             (4.8)

 

Уравнения (4.7), (4.8) называют уравнениями электрического состояния идеального трансформатора. Исходя из этих уравнений и с учетом (4.4), (4.5), коэффициент трансформации

 

 

т.е. коэффициент трансформации определяется соотношением числа витков первичной и вторичной обмоток.

Если число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной (< ), вторичное напряжение меньше первичного ( < ) , коэффициент трансформации  > 1, и такой трансформатор называют понижающим трансформатором.

Если число витков вторичной обмотки больше, чем в первичной ( > ), вторичное напряжение больше первичного ( > ) , коэффициент трансформации  < 1, и такой трансформатор называют повышающим трансформатором.

Трансформатор с одинаковым числом витков в обеих обмотках обладает коэффициентом трансформации . Такой трансформатор называют разделительным.

Таким образом, трансформатор посредством магнитной связи двух обмоток в магнитной цепи преобразует электрическую энергию источника с напряжением  в электрическую энергию, отдаваемую приемнику с напряжением . При этом вторичное напряжение

 

                                                       (4.10)

 

Например, трансформатор, имеющий номинальное первичное напряжение , число витков первичной обмотки  витков и число витков вторичной обмотки  витков, обладает коэффициентом трансформации

 

 

(понижающий трансформатор) и создает вторичное напряжение

 

 

Для обозначения трансформатора в электрических схемах используют его условное графическое обозначение, показанное на рис. 4.5 .

Рисунок 4.5 — Условное графическое обозначение трансформатора в схемах электрических цепей (а – развернутое, б – упрощенное)

 

4 Приведение параметров вторичной обмотки трансформатора к первичной. Схема замещения и векторная диаграмма приведенного трансформатора

 

В общем случае параметры первичной обмотки трансформатора отличаются от параметров вторичной обмотки. Эта разница наиболее ощутима при больших коэффициентах трансформации, что затрудняет расчеты и построение векторных диаграмм, так как в этом случае векторы электрических величин первичной обмотки значительно отличаются по своей длине от одноименных векторов вторичной обмотки. Указанные затруднения устраняются приведением всех параметров трансформатора к одинаковому числу витков, обычно к числу витков первичной обмотки w₁. С этой целью все величины, характеризующие вторичную цепь трансформатора, — ЭДС, напряжение, ток и сопротивления — пересчитывают на число витков w₁ первичной обмотки.

Таким образом, вместо реального трансформатора с коэффициентом трансформации k = w₁/w₂ получают эквивалентный трансформатор с k=w₁/w’₂=1, где w’₂=w₁. Такой трансформатор называют приведенным. Однако приведение вторичных параметров трансформатора не должно отразиться на его энергетических показателях: все мощности и фазовые сдвиги во вторичной обмотке приведенного трансформатора должны остаться такими, как и в реальном трансформаторе.

Так, электромагнитная мощность вторичной обмотки реального трансформатора Е₂I₂ должна быть равна электромагнитной мощности вторичной обмотки приведенного трансформатора

 

                                           (4.11)

 

Подставив значение приведенного тока вторичной обмотки I₂= I₂(w₂/w₁,) в (4. 11), получим формулу приведенной вторичной ЭДС:

 

                     (4.12)

 

Так как , то приведенное напряжение вторичной обмотки

 

 

Из условия равенства потерь в активном сопротивлении вторичной обмотки имеем  . Определим приведенное активное сопротивление:

 

                                                   (4.14)

 

Приведенное индуктивное сопротивление рассеяния вторичной обмотки определяют из условия равенства реактивных мощностей ,откуда

 

                                               (4.15)

 

Приведенное полное сопротивление вторичной обмотки трансформатора

 

                 (4.16)

 

Приведенное полное сопротивление нагрузки, подключенной на выводы вторичной обмотки, определим по аналогии с (4.16):

 

                                              (4.17)

Уравнения напряжений и токов для приведенного трансформатора имеют вид

 

 

 

                                           (4. 18)

 

Эти уравнения устанавливают аналитическую связь между параметрами трансформатора во всем диапазоне нагрузок от режима х.х. до номинальной.

Еще одним средством, облегчающим исследование электромагнитных процессов и расчет трансформаторов, является применение электрической схемы замещения приведенного трансформатора. На рис. 4.6,а представлена эквивалентная схема приведенного трансформатора, на которой сопротивления r и х условно вынесены из соответствующих обмоток и включены последовательно им. Как было установлено ранее, в приведенном трансформаторе k = 1, а поэтому . В результате точки А и а, а также точки X и х на схеме имеют одинаковые потенциалы, что позволяет электрически соединить указанные точки, получив Т–образную схему замещения приведенного трансформатора (рис. 4.6, б). В электрической схеме замещения трансформатора магнитная связь между цепями заменена электрической.

 

Рисунок 4. 6 — Эквивалентная схема (а) и схема замещения (б) приведенного трансформатора

 

Схема замещения приведенного трансформатора удовлетворяет всем уравнениям ЭДС и токов приведенного трансформатора (4.16) и представляет собой совокупность трех ветвей: первичной — сопротивлением Z₁ = r₁ + jx₁ и током ; намагничивающей — сопротивлением Z_m=r_m+jx_m и током ; вторичной — с двумя сопротивлениями: сопротивлением собственно вторичной ветви Z’₂ = r’₂ + jx’₂ и сопротивлением нагрузки Z’_H = r_н‘ ± jx’_H и током . Изменением сопротивления нагрузки Z’_H на схеме замещения могут быть воспроизведены все режимы работы трансформатора.

Параметры ветви намагничивания Z_m = r_m + jx_m определяются током х.х. Наличие в этой ветви активной составляющей r_m обусловлено магнитными потерями в трансформаторе.

Все параметры схемы замещения, за исключением Z’_H, являются постоянными для данного трансформатора и могут быть определены из опыта х.х. и опыта к.з.

 

Форма отчета: фото выполненной работы

 

Срок выполнения задания 19.01

 

Получатель отчета: Код курса y4k6gc2

 

 

Принцип действия трансформатора — Рамблер/новости

26 марта 2018

TechCult

С открытием и началом промышленного использования электричества возникла необходимость создания системы его доставки к потребителям. Так появились трансформаторы, о принципе действия которых и пойдет речь. Появлению их на свет предшествовало открытие явления электромагнитной индукции великим английским физиком Майклом Фарадеем почти 200 лет назад. Позже он и его американский коллега Д. Генри нарисовали схему будущего трансформатора.

Фото: TechCultTechCult

Первое воплощение идеи в железо состоялось в 1848 году с создания индукционной катушки французским механиком Г. Румкорфом. Свою лепту внесли и российские ученые. В 1872 году профессор Московского университета А. Г. Столетов открыл петлю гистерезиса и описал структуру ферромагнетика, а 4 года спустя, выдающийся российский изобретатель П. Н. Яблочков получил патент на изобретение первого трансформатора переменного тока.

Видео дня

Как устроен и как работает трансформатор

Трансформаторы – это название огромного «семейства», куда входят однофазные, трехфазные, понижающие, повышающие, измерительные и множество других типов трансформаторов. Основное их назначение – преобразование одного или нескольких напряжений переменного тока в другое на основе электромагнитной индукции при неизменной частоте.

Итак, кратко, как работает простейший однофазный трансформатор. Он состоит из трех основных элементов – первичной и вторичной обмоток и объединяющего их в единое целое магнитопровода, на который они как бы нанизаны. Источник подключается исключительно к первичной обмотке, в то время, как вторичная снимает и передает уже измененное напряжение потребителю.

Подключенная к сети первичная обмотка создает в магнитопроводе переменное электромагнитное поле и формирует магнитный поток, который начинает циркулировать между обмотками, индуцируя в них электродвижущую силу (ЭДС). Ее величина зависит от числа витков в обмотках. К примеру, для понижения напряжения необходимо, чтобы в первичной обмотке витков было больше, чем во вторичной. Именно по такому принципу работают понижающие и повышающие трансформаторы.

Важная особенность конструкции трансформатора состоит в том, что магнитопровод имеет стальную структуру, а обмотки, как правило имеющие форму цилиндра, изолированы от него, непосредственно не связаны друг с другом и имеют свою маркировку.

Трансформаторы напряжения

Это, пожалуй, наиболее многочисленная разновидность семейства трансформаторов. В двух словах, их основная функция – сделать произведенную на электростанциях энергию доступной для потребления различными устройствами. Для этого существует система передачи электроэнергии, состоящая из повышающих и понижающих трансформаторных подстанций и линий электропередач.

Вначале электроэнергия, произведенная электростанцией, подается на повышающую трансформаторную подстанцию (к примеру, с 12 до 500 кВ). Это необходимо для того, чтобы компенсировать неизбежные потери электроэнергии при передаче на большие расстояния.

Следующий этап – понижающая трансформаторная подстанция, откуда электроэнергия уже по низковольтной линии подается на понижающий трансформатор и далее к потребителю в виде напряжения 220 в.

Но на этом работа трансформаторов не заканчивается. В большинстве окружающих нас бытовых электроприборов — в ПК, телевизорах, принтерах, стиральных машинах-автоматах, холодильниках, микроволновых печах, DVD и даже в энергосберегающих лампочках установлены понижающие трансформаторы. Пример индивидуального «карманного» трансформатора – зарядное устройство мобильного телефона (смартфона).

Гигантскому разнообразию современных электронных устройств и выполняемых ими функций соответствует множество различных типов трансформаторов. Это далеко не полный их список: силовые, импульсные, сварочные, разделительные, согласующие, вращающиеся, трехфазные, пик-трансформаторы, трансформаторы тока, тороидальные, стержневые и броневые.

Какие они, трансформаторы будущего

Считается, что трансформаторная отрасль весьма консервативна. Тем не менее, и ей приходится считаться с революционными изменениями в области электротехники, где все громче о себе заявляют нанотехнологии. Как и множество других устройств, они постепенно «умнеют».

Активно ведется поиск новых конструкционных материалов – изоляционных и магнитных, способных обеспечить более высокую надежность трансформаторного оборудования. Одним из направлений может стать использование аморфных материалов, что значительно повысит его пожарную безопасность и надежность.

Появятся взрыво- и пожаробезопасные трансформаторы, в которых хлордифенилы, используемые для пропитки электроизоляционных материалов, будут заменены нетоксичными жидкими, экологически безопасными диэлектриками.

Примером тому — элегазовые силовые трансформаторы, где функцию хладагента выполняет негорючий элегаз гексафторид серы, вместо далеко не безопасного трансформаторного масла.

Вопрос времени – создание «умных» электросетей, оснащенных полупроводниковыми твердотельными трансформаторами с компьютерными чипами, с помощью которых появится возможность регулировать напряжение в зависимости от потребностей потребителей, в частности, подключать к домашней сети возобновляемые и промышленные источники питания, или наоборот отключать лишние, когда в них нет необходимости.

Еще одно перспективное направление – низкотемпературные сверхпроводимые трансформаторы. Работа по их созданию началась еще в 60-е годы. Главная проблема, с которой столкнулись ученые – огромные размеры криогенных систем, необходимых для изготовления жидкого гелия. Все изменилось в 1986 году, когда были открыты сверхпроводниковые высокотемпературные материалы. Благодаря им, появилась возможность отказаться от громоздких охлаждающих устройств.

Сверхпроводимые трансформаторы обладают уникальным качеством: при высокой плотности тока потери в них минимальны, зато, когда ток достигает критических значений, сопротивление от нулевого уровня резко увеличивается.

Другое,МГУ,

Однофазный трансформатор

— как это работает? [Примечания GATE]

Test Series

Автор: Aina Parasher|Обновлено: 26 августа 2022 г. изменение частоты. Взаимная индукция — это принцип работы однофазных или трехфазных трансформаторов. В конструкции однофазного трансформатора ярмо и стержень несут поток, и они спроектированы таким образом, чтобы нести максимальный поток.

Как правило, конструкция однофазного трансформатора состоит из двух основных частей, т. е. сердечника и обмотки. Сердечник обычно изготавливается из материала с низким магнитным сопротивлением и высокой проницаемостью, чтобы обеспечить прохождение через него максимального потока. Вертикальная часть сердечника, на которую намотана катушка в конструкции однофазного трансформатора, называется ветвью, а горизонтальная — ярмом. Давайте обсудим однофазный трансформатор, а также его принцип работы, эффективность, конструкцию, детали и схему однофазного трансформатора в следующих разделах.

Загрузить полные примечания к формуле аналоговой схемы в формате PDF

Содержание

• 1. Что такое однофазный трансформатор?
• 2. Принцип работы однофазного трансформатора.

  Однофазный трансформатор — это тип трансформатора, который работает только с однофазным питанием. Это устройство представляет собой пассивное электрическое устройство, использующее электромагнитную индукцию для передачи электроэнергии из одной цепи в другую. Он обычно используется для снижения («понижение») или повышения («повышение») уровней напряжения между цепями.

  Магнитный железный сердечник служит магнитным компонентом, а медная обмотка служит электрическим компонентом в однофазном трансформаторе. Посмотрите на схему однофазного трансформатора, показанную ниже:

  Рис. Схема однофазного трансформатора

  Однофазные трансформаторы основаны на принципе «взаимной индукции». При протекании тока по проводу создается магнитное поле. Когда проводник проходит через магнитное поле, по проводу индуцируется ток. Способ передачи электрической энергии трансформатором осуществляется косвенно. Электрическая энергия сначала преобразуется в магнитную энергию, а затем снова преобразуется в электрическую энергию с другим напряжением и силой тока. Магнетизм и электричество тесно связаны.

  • Изменяя количество обмоток на первичной и вторичной обмотках, мы можем изменить количество вольт и ампер между источником и нагрузкой.
  • Ток во вторичной обмотке всегда изменяется обратно пропорционально изменению напряжения.
  • Если трансформатор повысит напряжение в n раз по сравнению с его первоначальным значением, ток во вторичной обмотке уменьшится до n ^th значения тока в первичной обмотке.

  Формулы для электроники и техники связи GATE — Сигнальные системы

  КПД трансформатора обычно составляет от 95 до 99%, поскольку конструкция однофазного трансформатора не включает вращающихся частей. Следовательно, мы говорим, что трансформатор является статическим устройством. Соединяя две магнитные катушки вместе в конструкции однофазного трансформатора, можно повысить эффективность однофазного трансформатора.

  Трансформаторы, как правило, представляют собой однофазные трансформаторы и трехфазные конструкции. Трехфазные трансформаторы могут быть дополнительно сконструированы двумя способами.

  • Блок из трех однофазных трансформаторов.
  • От индивидуального трехфазного трансформатора.

  Формулы для GATE Electronics & Communication Engineering – Системы связи

  Как правило, трансформатор состоит из двух основных частей: сердечника и обмотки. В конструкции однофазного трансформатора есть много других частей. Но сердечник и обмотки являются ключевыми частями конструкции однофазного трансформатора. Используя сердечник и обмотку, а также изоляцию, мы можем построить однофазный трансформатор своими руками.

  Сердечник трансформатора

  Сердечник трансформатора обычно изготавливается из двух материалов. Первый материал — кремнистая сталь. Кремниевая сталь используется для уменьшения гистерезисных потерь. Добавляется от 4 до 5% кремния для увеличения удельного сопротивления материала и, таким образом, для уменьшения потерь на вихревые токи.

  Вт _ч = ηB ^x _max fV

  где,

  • η = коэффициент гистерезиса Штейнмеца0020
  • V = объем материала

  Здесь x варьируется от 1,2 до 1,6 в материале из кремнистой стали

  Кроме того, структура кремнистой стали представляет собой объемно-центрированную кубическую (ОЦК) структуру. Проницаемость будет максимальной по краям и минимальной по диагоналям куба.

  Другим материалом для трансформаторов является холоднокатаная сталь с ориентированным зерном (CRGO). В упомянутом выше уравнении гистерезисных потерь значение x для CRGO будет равно 1,8. Следовательно, мы можем сделать вывод, что максимальные плотности потока могут быть достигнуты с помощью CRGO, что уменьшает размер и стоимость машины. Практически трансформатор изготавливается из стали CRGO.

  Из какого бы материала ни был сердечник, его ламинируют, чтобы свести к минимуму потери на вихревые токи. Поскольку потери на вихревые токи прямо пропорциональны квадрату толщины, если уменьшить толщину, мы можем увидеть значительное снижение потерь на вихревые токи, что приводит к уменьшению потерь в сердечнике и, в свою очередь, к повышению эффективности. Потери на вихревые токи также можно свести к минимуму за счет увеличения удельного сопротивления материала (корпус из кремниевой стали).

  Таким образом, можно сказать, что во время самого строительства сердечник трансформатора ламинируется в тонкие пластины, а между ними помещаются изоляционные материалы, такие как лак и пропитанная бумага, чтобы избежать ситуаций короткого замыкания. Этот процесс группирования пластин сердцевины называется смещением сердцевины. Если мы внимательно посмотрим, это соединение будет похоже на соединение конденсатора, то есть две проводящие пластины, разделенные изолятором. Таким образом, мы также можем испытывать диэлектрические потери в трансформаторе. Но мы ими пренебрегаем, так как их не так много.

  Сердечник обычно обеспечивает путь с низким магнитным сопротивлением для потока магнитного потока в цепи. Этот сердечник обычно бывает следующих двух типов в однофазном трансформаторе.

  • Тип сердечника: В этом типе обмотки окружают сердечник. Он обычно используется для трансформаторов высокого напряжения и низкого КВА. Также подходит для передачи электроэнергии высокого напряжения.
  • Тип оболочки: Здесь обмотки окружены сердечником. Обычно они используются для трансформаторов низкого напряжения с большими кВА. Также подходит для передачи электроэнергии низкого напряжения.

  Обмотки трансформатора

  Второй по важности частью конструкции однофазного трансформатора является обмотка. Как правило, для трансформатора предпочтительна медная обмотка. Эта обмотка намотана как на первичную, так и на вторичную. Обмотка, подключенная к источнику питания, называется первичной обмоткой, а обмотка, подключенная к нагрузке, называется вторичной обмоткой.

  Поскольку медь является проводящим материалом и имеет определенное сопротивление, мы можем сказать о потерях в меди как в однофазных, так и в трехфазных трансформаторах. Эти две обмотки, то есть первичная и вторичная, намотаны на общий сердечник. Обе обмотки в совокупности испытывают потери в меди.

  В конструкции однофазного трансформатора есть много других важных деталей. Это трансформаторное масло, расширительный бак, втулки, реле Бухгольца, взрывозащитный клапан, сапун устройства РПН с кристаллами силикагеля и т. д.

  • Трансформаторное масло: В качестве трансформаторного масла используется минеральное или растительное масло. Это масло служит двум целям: оно действует как охлаждающая жидкость и как изолирующая среда между баком трансформатора и сердечником. Цвет свежего диэлектрического масла бледно-желтый, после интенсивного использования он становится черным (утильное масло).
  • Расширительный бак: Это воздухонепроницаемая цилиндрическая металлическая бочка, предназначенная только для временного хранения масла и позволяющая трансформатору расширяться и сжиматься, т. е. для удобного дыхания при колебаниях температуры.
  • Реле Бухгольца: Это газовое реле, которое используется для защиты от всех внутренних и зарождающихся неисправностей в трансформаторе. Обычно он устанавливается между основным баком и расширительным баком.
  • Сапун: При дыхании трансформатора в резервуар будет попадать определенная влага. Эта влага поглощается кристаллами силикагеля, присутствующими в сапуне. Цвет свежего силикагеля синий, а после интенсивного использования он становится бледно-розовым. Цвет свежего силикагеля синий и в хорошем состоянии. Через некоторое время он оказывается фиолетовым, а после окончательного экстремального состояния становится бледно-розовым. Тогда можно сделать вывод, что кристаллы силикагеля необходимо заменить на новые для дальнейших операций.
  • Втулки: Втулки используются только для вывода через них обмоток ВН и НН. Мы можем выбрать обмотки НН и ВН в зависимости от длины вводов. Более длинная втулка указывает на обмотку ВН, тогда как более короткая втулка указывает на обмотку НН.
  • Устройство РПН: Внутри трансформатора все колебания или изменения напряжения компенсируются с помощью РПН. Они бывают двух типов – переключатели ответвлений под нагрузкой и без нагрузки. Если отводы меняются без отключения трансформатора от источника питания, это устройство РПН и наоборот называется устройством РПН без нагрузки.
  • Взрывоотвод: При внутренних неисправностях трансформатор иногда взрывается из-за чрезмерного потока горячего масла. Этого можно избежать с помощью взрывоотвода. При возникновении внутренней неисправности кипящее горячее масло выбрасывается наружу через взрывозащитный клапан, что позволяет избежать взрыва трансформатора.

  Однофазные трансформаторы обычно используются в качестве электронных компонентов в низковольтных коммерческих устройствах. Они работают как понижающий трансформатор напряжения, понижая бытовое напряжение до уровня, подходящего для питания устройств. Ниже приведены области применения однофазного трансформатора.

  • Для регулировки напряжения в телевизорах.
  • Инверторы используются для повышения энергии в домах.
  • Для обеспечения электроэнергией пригородных районов.

  Часто задаваемые вопросы об однофазном трансформаторе

  • Что такое однофазный трансформатор?

    Трансформатор представляет собой электромагнитное энергетическое устройство, которое передает электрическую энергию от одной цепи к другой без изменения частоты. В трансформаторе две цепи. Это первичный контур и вторичный контур. Трансформатор работает по принципу взаимной индукции, а ЭДС индуцируется по законам электромагнитной индукции Фарадея.

  • Какого цвета свежий силикагель в однофазном трансформаторе?

    Обычно трансформаторы дышат. Они расширяются и сжимаются в зависимости от изменения нагрузки. При этом они впитывают в бак некоторое количество атмосферной влаги. Такое содержание влаги в резервуаре очень опасно и имеет серьезные последствия. Так, для удаления влаги используется бризер с кристаллами силикагеля. Цвет свежего силикагеля синий, затем фиолетовый и, наконец, становится бледно-розовым. После превращения в бледно-розовые кристаллы силикагеля необходимо заменить новыми.

  • Что такое первичная и вторичная обмотки однофазного трансформатора?

    Основными частями однофазного трансформатора являются сердечник и обмотки. Обмотка, подключенная к источнику питания, является первичной, а обмотка, подключенная к нагрузке, называется вторичной обмоткой. Эти две обмотки намотаны на общий сердечник, и магнитный поток будет основным источником для передачи мощности от первичной обмотки к вторичной, поскольку сердечник обеспечивает путь с низким магнитным сопротивлением.

  • Есть ли в однофазном трансформаторе диэлектрические потери?

    Однофазный трансформатор имеет диэлектрические потери. Как правило, сердечник трансформатора ламинируется для уменьшения потерь на вихревые токи. Все слои сердцевины сгруппированы вместе, и этот процесс называется смещением сердцевины. Неправильное расположение сердечника приводит к гудению как в однофазных, так и в трехфазных трансформаторах.

  • Как идентифицировать обмотки ВН и НН в однофазном трансформаторе, не открывая бак, т. е. просто глядя снаружи?

    Не открывая бак трансформатора, мы можем найти обмотки высокого и низкого напряжения, просто взглянув на вводы. Мы видим втулки, которые выглядят как изоляционные диски на однофазном трансформаторе. Более длинная втулка указывает на обмотку ВН и наоборот указывает на обмотку НН.

  • Какие основные части входят в конструкцию однофазного трансформатора?

    В конструкции однофазного трансформатора задействованы в основном две ключевые детали. Это сердечник и обмотки. Сердечник обычно ламинирован, а между слоями будет изоляция. Каждая пластина будет иметь толщину от 0,25 до 0,35 мм. Другими важными деталями конструкции однофазного трансформатора являются вводы, расширительный бак, сапун, взрывозащитный клапан и т. д.

  ESE & GATE CE

  CIVICG.Gategate CEESE CEESEBARC CEAFCAT CE

  Избранные статьи

  Следуйте за последними обновлениями.

GradeStack Learning Pvt. Ltd.Windsor IT Park, Tower — A, 2-й этаж,

Sector 125, Noida,

Uttar Pradesh 201303

[email protected]

Трансформаторные переключатели ответвлений: объяснение основных принципов и испытаний — статьи

Электрическая энергия уникальна тем, что она должна постоянно производиться со скоростью, которая удовлетворяет мгновенный спрос. В результате трансформаторы должны адаптироваться к быстро меняющимся условиям в электрических сетях, регулируя выходное напряжение.

Трансформаторы эффективно передают электрическую энергию от одной цепи к другой посредством магнитной индукции. Каждая фаза трансформатора состоит из двух отдельных катушек, намотанных на общий сердечник.

Самый простой способ изменить выходную мощность трансформатора — либо изменить его входное напряжение, либо изменить количество витков в обмотках. Переключатели ответвлений обеспечивают внешнее средство для выполнения этой регулировки напряжения.

Устройство РПН без напряжения (DETC)

Многие электрические трансформаторы оснащены переключателем РПН с ручным управлением на обмотке высокого напряжения, известным как DETC или устройство РПН без напряжения. Этот переключатель позволяет операторам изменять количество витков в обмотке высокого напряжения в зависимости от подключенного системного входа.

Трансформатор обесточен, переключатель РПН Пример. Фото: ИТОН.

Как следует из названия в обесточенном состоянии, эти регулировки напряжения могут выполняться только при изолированных обмотках трансформатора, поскольку переключатель не предназначен и не рассчитан на прерывание электрических нагрузок высокого напряжения. Регулировки DETC обычно вносятся только в связи с сезонными изменениями погоды и требуют отключения электроэнергии.

Устройство РПН без напряжения или без нагрузки обычно монтируется на баке основного трансформатора и настраивается в соответствии с сетью высокого напряжения, питающей трансформатор. 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 контакты переключателя не сработают должным образом при следующем перемещении.

Устройство РПН (LTC)

Чтобы трансформатор мог работать в различных условиях в любой момент времени, требуется конструкция устройства РПН другого типа. Устройство РПН (РПН или LTC) предназначено для изменения положения несколько раз в день, чтобы компенсировать ежедневные сдвиги в условиях нагрузки без прерывания номинальной выходной мощности.

Пример устройства РПН трансформатора. Фото: АББ.

LTC могут располагаться внутри основного бака или содержаться в отдельном герметичном отсеке, заполненном жидкостью, с подачей через крановые соединения, расположенные на задней панели. Устанавливаемые снаружи переключатели ответвлений обычно привариваются вокруг выреза в баке трансформатора, где отводы соединяются с обмоткой регулятора, которая соединена последовательно с обмоткой низкого напряжения трансформатора.

Схема управления позволяет операторам определять необходимость переключения на повышение или понижение для поддержания выходного напряжения. Селекторные переключатели позволяют изменить физическое положение ответвлений на регулирующих обмотках трансформатора, но они не включают и не отключают ток нагрузки цепи.

Переключатели ответвлений под нагрузкой в ​​целом могут быть классифицированы как механические, с электронным управлением или полностью электронные.

Трансформатор РПН. Фото: Ниагарский силовой трансформатор.

Механический переключатель ответвлений физически устанавливает новое соединение перед разъединением предыдущего с помощью нескольких переключателей ответвлений. Высоких циркулирующих токов можно избежать с помощью дивертерного переключателя, который временно включает большой импеданс последовательно с короткозамкнутыми витками.

Высокоскоростное резистивное устройство РПН типа использует пару резисторов для поглощения энергии и не использует положение перемычки в качестве рабочего положения. В переключателе отводов резистивного типа переход на другой отвод должен производиться быстро, чтобы избежать перегрева цепи отводного устройства.

В переключателе ответвлений типа с реактивным сопротивлением используется специальный превентивный автотрансформатор ¶ обмотка для работы в качестве импеданса отводного устройства. Превентивный автотрансформатор служит в качестве устройства ограничения тока, когда LTC находится в положении шунтирующего отвода или проходит через него.

32-ступенчатые и 4-ступенчатые регуляторы напряжения. Фото: Макгроу-Эдисон.

Операция переключателя отводов нагрузки

Поскольку ток нагрузки никогда не должен прерываться во время переключения отводов, существует интервал, в течение которого перекрываются два отвода напряжения. УМ (также известный как шунтирование реактора) используется в цепи для увеличения импеданса цепи селектора и ограничения величины тока, циркулирующего из-за этой разницы напряжений.

Привод большинства устройств РПН приводится в действие двигателем, но в случае отказа двигателя можно использовать ручное управление. Последовательность операций механически заблокирована, чтобы гарантировать, что все контакты всегда будут работать в правильном порядке. Любой отказ рабочего механизма может привести к серьезному повреждению трансформатора и переключателя ответвлений.

Стандартный 32-шаговый LTC состоит из 16 положений повышения и 16 положений понижения. Физические отводы расположены на регулирующей обмотке внутри бака главного трансформатора, которая последовательно соединена с основной обмоткой через реверсивный переключатель.

Напряжение увеличивается или уменьшается с помощью подвижных контактов, которые используют «шаговое» действие для перехода от одного соединения к другому для добавления или вычитания витков на регулировочной обмотке. Режим повышения или понижения зависит от полярности подключения через переключатель.

Нейтральное положение является нормальным положением, когда LTC не повышает и не понижает напряжение и/или когда ответвительные обмотки не включены в цепь. Нейтральное положение — это единственное положение, при котором на реверсивный переключатель не подается ток.

Тестирование переключателя ответвлений трансформатора

Переключатели ответвлений исторически были одной из основных причин отказов трансформаторов. Неисправности в устройствах РПН можно классифицировать как диэлектрические неисправности (связанные с качеством масла или изоляцией), тепловые неисправности (из-за некачественных выводов) или механические неисправности (износ контактов, несоосность, срезание рычажного механизма, проблемы со смазкой и т. д.).

Регулярный осмотр и техническое обслуживание переключателей ответвлений нагрузки — лучшая защита от преждевременного выхода из строя, если они выполняются через регулярные промежутки времени. Анализ изоляционной жидкости устройства РПН может помочь обнаружить перегрев и чрезмерное искрение без необходимости внутреннего осмотра.

Оборудование для испытаний трансформаторов. Фото: TestGuy.

Электрические испытания компонентов переключателя ответвлений могут быть выполнены в дополнение к анализу масла и дальнейшему выявлению проблем, которые могут не проявиться при простом тесте масла.

Испытания током возбуждения позволяют обнаружить большое количество проблем с переключателями ответвлений трансформатора как в обесточенном, так и в переключателе ответвлений под нагрузкой. Механические проблемы, такие как несоосность, износ контактов, ослабление соединений, разомкнутые или короткозамкнутые витки и многое другое.

Сопротивление обмотки постоянному току — полезный тест для выявления потенциальных проблем с токоведущим звеном цепи трансформатора. Он может находить ослабленные электрические соединения и определять условия частичного разомкнутой цепи, просто подавая известный постоянный ток и измеряя падение напряжения между каждой контрольной точкой.

Динамическое сопротивление обмотки — это еще один тест, который измеряет постоянный ток и сопротивление в зависимости от времени, когда устройство РПН изменяет положение РПН. Этот тест лучше всего использовать для выявления потенциальных проблем с схемой дивертора или токоограничивающими резисторами устройства РПН во время работы.

Соотношение витков каждого ответвления следует также проверять при измерении соотношения обмоток основного трансформатора. При выполнении анализа частотной характеристики с разверткой (SFRA) трансформаторов механическая целостность ступенчатых обмоток и их выводов учитывается в диапазоне средних и высоких частот.