Трансформаторы электротехника. Трансформаторы электротехники: устройство, принцип работы и применение

Что такое трансформатор в электротехнике. Как устроен и работает трансформатор. Какие виды трансформаторов существуют. Для чего применяются трансформаторы в энергетике и технике.

Что такое трансформатор и зачем он нужен

Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Основные функции трансформаторов:

• Повышение напряжения для передачи электроэнергии на большие расстояния
• Понижение высокого напряжения до уровня, пригодного для питания потребителей
• Гальваническая развязка электрических цепей
• Согласование напряжений и токов в различных цепях

Трансформаторы являются одним из важнейших элементов современных систем производства, передачи и распределения электроэнергии. Без них было бы невозможно эффективно передавать электричество на большие расстояния.

Устройство и принцип действия трансформатора

Конструктивно трансформатор состоит из следующих основных частей:

• Магнитопровод — замкнутый сердечник из ферромагнитного материала (обычно электротехнической стали)
• Первичная обмотка — подключается к источнику переменного тока
• Вторичная обмотка — к ней подключается нагрузка
• Изоляция между обмотками и магнитопроводом
• Система охлаждения (для мощных трансформаторов)

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. При подаче переменного напряжения на первичную обмотку в ней возникает переменный ток, создающий в магнитопроводе переменный магнитный поток. Этот поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней ЭДС. Величина наведенной ЭДС зависит от числа витков обмотки.

Коэффициент трансформации

Важнейшей характеристикой трансформатора является коэффициент трансформации, который показывает, во сколько раз изменяется напряжение:

k = U1 / U2 = w1 / w2

Где:

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

При k > 1 трансформатор является понижающим, при k < 1 - повышающим. Коэффициент трансформации может достигать очень больших значений - от долей единицы до тысяч.

Виды трансформаторов

По конструкции магнитопровода трансформаторы делятся на:

• Стержневые — обмотки расположены на стержнях прямоугольного магнитопровода
• Броневые — обмотки охвачены магнитопроводом в виде «брони»
• Тороидальные — обмотки намотаны на кольцевой магнитопровод

По числу фаз различают:

• Однофазные трансформаторы
• Трехфазные трансформаторы
• Многофазные трансформаторы специального назначения

По назначению выделяют:

• Силовые трансформаторы — для передачи и распределения электроэнергии
• Измерительные трансформаторы — для подключения измерительных приборов
• Специальные трансформаторы — сварочные, печные, преобразовательные и др.

Применение трансформаторов в энергетике

Силовые трансформаторы играют ключевую роль в передаче и распределении электроэнергии:

• На электростанциях повышающие трансформаторы увеличивают напряжение с генераторного (6-24 кВ) до линейного (110-750 кВ)
• На подстанциях понижающие трансформаторы снижают напряжение до уровня распределительных сетей (6-35 кВ)
• Трансформаторы в распределительных сетях понижают напряжение до 0,4 кВ для конечных потребителей

Применение высоких напряжений позволяет передавать большие мощности на сотни и тысячи километров с минимальными потерями. Без трансформаторов это было бы невозможно.

Особенности конструкции силовых трансформаторов

Мощные силовые трансформаторы имеют ряд конструктивных особенностей:

• Масляное охлаждение — обмотки и магнитопровод погружены в трансформаторное масло
• Расширительный бак — для компенсации температурного расширения масла
• Радиаторы — для отвода тепла от масла
• Система защиты — газовое реле, термометры, указатели уровня масла
• Высоковольтные вводы — для подключения к ЛЭП
• Устройство РПН — для регулирования напряжения под нагрузкой

Конструкция обеспечивает надежную работу трансформатора в течение десятков лет в любых климатических условиях.

Трансформаторы в электронике и бытовой технике

Помимо мощных силовых трансформаторов, широко применяются маломощные трансформаторы в электронной аппаратуре и бытовой технике:

• В блоках питания для понижения сетевого напряжения
• В зарядных устройствах для мобильных телефонов и ноутбуков
• В системах управления и автоматики
• В усилителях звуковой частоты
• В сварочных аппаратах
• В печных и индукционных нагревателях

Такие трансформаторы обычно имеют небольшие размеры и мощность до нескольких сотен ватт. Часто применяются тороидальные трансформаторы, обладающие малыми габаритами и потерями.

Преимущества и недостатки трансформаторов

Основные преимущества трансформаторов:

• Высокий КПД (до 99% у мощных трансформаторов)
• Отсутствие подвижных частей
• Простота конструкции и надежность
• Возможность трансформации напряжения в широких пределах
• Гальваническая развязка цепей

К недостаткам можно отнести:

• Работа только на переменном токе
• Намагничивание сердечника и потери в стали
• Большой вес и габариты мощных трансформаторов
• Чувствительность к перегрузкам и коротким замыканиям

Однако достоинства трансформаторов значительно перевешивают их недостатки, что обусловило их широчайшее применение в энергетике и технике.

Заключение

Трансформаторы играют ключевую роль в современных системах производства, передачи и распределения электроэнергии. Они позволяют эффективно передавать большие мощности на дальние расстояния, согласовывать напряжения источников и потребителей, обеспечивать электробезопасность. Развитие трансформаторостроения идет по пути повышения мощности, КПД и надежности трансформаторов, снижения их массы и габаритов. Появляются новые типы трансформаторов, например, сверхпроводящие. Совершенствование трансформаторов вносит важный вклад в развитие всей электроэнергетики.

§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. Е_вн обмотки высшего напряжения к э. д. с. E_нн обмотки низшего напряжения (или отношение чисел их витков) называется коэффициентом трансформации,

n = Е_вн / E_нн = K_вн / K_нн.

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 U

1 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.

Трансформаторы | Электротехника и электрооборудование

Страница 16 из 39

ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
ТРАНСФОРМАТОРЫ

§ 9.1. Общие сведения

Трансформаторами называют аппараты, работающие на переменном токе, предназначенные для преобразования электрической энергии одного напряжения в энергию другого напряжения. Те из них, которые преобразуют низшее напряжение в высшее, называются повысительными, а осуществляющие обратный процесс, т. е. понижающие напряжение электроэнергии, — понизительными. Трансформаторы могут иметь различные назначения. Так, в условиях строительства трансформаторы применяются: для передачи электроэнергии, сварочных работ, электропрогрева бетона, работы электроинструментов и в измерительных целях. Трансформаторы для передачи электроэнергии называют силовыми.
Силовые трансформаторы играют существенную роль в энергетическом хозяйстве страны. Без них была бы невозможной передача электроэнергии на сколько-нибудь значительные расстояния. Известно, что мощность электрического тока — постоянного и переменного — пропорциональна произведению напряжения на ток. Известно также, что выбор сечения проводов при передаче электрической энергии зависит от тока, проходящего по проводам; чем больше ток, тем с большим сечением приходится выбирать провода во избежание чрезмерных потерь в них напряжения и энергии.
Отсюда следует, что при передаче электрической энергии необходимо, чтобы ток получился возможно меньшим, а это может быть достигнуто лишь за счет повышения напряжения. Положим, требуется передать электроэнергию для питания участка строительства, где общая мощность трехфазных электродвигателей составляет 320 кВт при коэффициенте мощности cos φ, равном 0,8. Величина тока для передачи указанной мощности будет равна:
а) при напряжении 380 В:

б) при напряжении 10 000 В (10 кВ):

Из сравнения полученных результатов вытекает вывод, что при напряжении 380 В передача заданной электрической мощности даже на небольшое расстояние порядка 1—2 км технически трудно осуществима, так как при токе 610 А сечения проводов для такой передачи оказались бы чрезвычайно большими. При напряжении же 10 кВ (именно на таком напряжении организуются магистральные электрические сети на
стройках), при токе 23 А, передачу необходимой мощности можно осуществить просто и экономично небольшим сечением проводов.
Чем больше передаваемая мощность и чем на большее расстояние необходимо се передать, тем выше требуется напряжение электропередачи. Расчеты показывают, что повышение напряжения в п раз увеличивает возможности передачи электроэнергии в п 2 раза.
Генераторы районных электростанций вырабатывают электроэнергию при напряжении порядка 10 000 В (10 кВ). А дальше у электроэнергии может быть два пути. Близлежащие к электростанции районы снабжаются энергией при данном генераторном напряжении. На месте потребления это напряжение преобразуется при помощи понизительных трансформаторов в напряжение 380 и 220 В. Для передачи электроэнергии к промышленным предприятиям и городам, расположенным на далеком расстоянии от электростанции, напряжение энергии предварительно повышается на повысительных трансформаторах до 110, 220, 330, 500 кВ. В районах использования электроэнергия высокого напряжения снова преобразуется. Посредством понизительных трансформаторов напряжение обычно понижается два раза: сначала до 35, 10 или 6 кВ для местных электросетей, а затем уже на месте потребления — до 380 или 220 В.
Таким образом, силовые трансформаторы многократно участвуют в передаче потока электроэнергии по стране.
Государственным стандартом (ГОСТом) установлены линейные напряжения трехфазного переменного тока для электроприемников до 1000 В: 220, 380 и 660 В. Учитывая потерю напряжения в сетях до электроприемников, понизительные трансформаторы по ГОСТу должны иметь номинальные напряжения (на низшей стороне) соответственно 230, 400 и 690 В. Далее ГОСТ предусматривает напряжения свыше 1000 В: 3, 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500 и 750 кВ*.
На строительных площадках сравнительно редко приходится иметь дело с установками напряжением выше 10 кВ. Поэтому в дальнейшем изложении будут описаны трансформаторы, работающие при напряжении до 10 кВ включительно.

§ 9.2. Принципиальное устройство трансформаторов

Трансформаторы могут быть однофазными и трехфазными. Для специальных целей изготовляют также многофазные трансформаторы.
Принцип действия трансформаторов основан на явлении взаимной индукции, сходном с явлением электромагнитной индукции.
На замкнутом стальном сердечнике (рис. 9.1) имеются две обмотки: АВ — с одним количеством и CD — с другим количеством витков. Если первую обмотку присоединить к цепи переменного тока с напряжением 1/ь то по проводам обмотки будет протекать переменный электрический ток, который создаст в сердечнике переменный магнитный поток.  Под воздействием этого потока во второй обмотке CD будет наводиться переменная э. д. с. той же частоты, что и в первой обмотке АВ. Если концы обмотки CD соединить проводом, то по образованной замкнутой цепи будет протекать переменный электрический ток.
Обмотка АВ называется первичной обмоткой трансформатора, а обмотка CD — вторичной.
Работу трансформатора при разомкнутой вторичной обмотке называют холостым ходом. Переменный магнитный поток, создаваемый током I1х (индекс х — холостой ход), протекающим по первичной обмотке, пронизывает обе обмотки: и первичную и вторичную. Следовательно, он наводит в обеих обмотках электродвижущие силы, эффективные значения которых Е2 и Ε1 согласно закону электромагнитной индукции по величине прямо пропорциональны количеству витков в обмотках (соответственно — w2 и w1). Отсюда вытекает соотношение:
(9.1)
Электродвижущая сила Е2 при разомкнутой вторичной обмотке (т. е. при отсутствии в ней тока и падения напряжения) равна напряжению на концах обмотки U2.
Электродвижущая сила Е1 является по существу известной э. д. с. самоиндукции. При незначительном активном сопротивлении первичной обмотки эта э. д. с. практически равна подведенному к обмотке напряжению UY (отличается от него на малую величину падения напряжения в активном сопротивлении обмотки).
Таким образом, приближенно можно считать, что при холостом ходе трансформатора электродвижущие силы Е2 и Е1 соответственно равны напряжениям U2 и U1. Отсюда отношение Е21Е1 в формуле (9.1) может быть заменено отношением U2IUX. После такой подстановки получается
(9-2)
Следовательно, напряжение U2, действующее между концами вторичной обмотки трансформатора при его холостом ходе, будет во столько раз больше или меньше напряжения, подведенного к первичной обмотке, во сколько раз число витков вторичной обмотки больше или меньше числа витков первичной обмотки.
Обмотка понизительного трансформатора с большей величиной напряжения называется обмоткой высшего напряжения или первичной обмоткой и обозначается буквами ВН, а обмотка с меньшей величиной напряжения — обмоткой низшего напряжения или вторичной обмоткой — НН. Отношение первичного напряжения к вторичному приблизительно равно отношению числа витков первичной обмотки w1 к числу витков вторичной обмотки w2 и называется коэффициентом трансформации.  

Рис. 9.1. Принцип действия трансформатора
В каталогах трансформаторов коэффициент трансформации обозначается дробью: в числителе — высшее напряжение (в кВ), а в знаменателе — низшее (тоже в кВ). Например, 6/0,4; 10/0,23 и т. д.
При подключении к вторичной обмотке трансформатора того или иного сопротивления Ζ (какого-либо электроприемника) трансформатор начинает работать под нагрузкой. Каково же будет соотношение токов во вторичной и первичной обмотках?
Трансформаторы являются весьма экономичными аппаратами. При их работе имеются, как у всякой электрической машины, потери энергии, а именно, потери на нагревание проводов обмоток и потери в стали сердечника, но потери эти невелики — порядка 2— 3% от мощности трансформатора. Поэтому с некоторым приближением можно считать, что мощности, развиваемые током во вторичной и первичной обмотках трансформатора, равны между собой. А отсюда следует:

* Напряжения 660 (690) В и 20 кВ, введенные ГОСТом, пока еще мало применяют.

(9-3)
Из равенств (9.3) и (9.2) следует соотношение:

(9.4)
Таким образом, токи в обмотках нагруженного трансформатора обратно пропорциональны числу витков в них.
Мы рассмотрели принципиальное устройство однофазного трансформатора. В настоящее время силовые трансформаторы, работающие при напряжениях до 10 кВ, изготовляют, как правило, трехфазными. По принципу действия они не отличаются от однофазных. Магнитопровод трехфазного трансформатора имеет три стержня, на каждый из которых надевают катушки обмоток одной фазы низшего и высшего напряжения. Фазы обмоток высшего и низшего напряжений могут быть соединены по-разному. Нормальным соединением обмоток понизительных трансформаторов с высшим напряжением 10 или 6 кВ и низшим напряжением 400 или 230 В, выпускаемых нашей промышленностью, является звезда — на высшем напряжении и звезда с выведенной нейтральной точкой — на низшем напряжении. Могут быть также изготовлены трансформаторы с соединением обмоток ВН — звезда и обмоток НН — треугольник.
Соединение звезда — звезда с выведенной нейтралью обозначается У/Уо, соединение звезда — треугольник — У/А.

Электротехника. Трансформаторы — презентация онлайн

1. Трансформаторы

Электротехника

2. Трансформатор – это статический электромагнитный аппарат, преобразующий величину переменного напряжения при неизменной частоте.

Классификация трансформаторов:
По количеству фаз: однофазные и трехфазные
По виду магнитопровода: стержневые, броневые,
тороидальные
По назначению: силовые (питающие),
измерительные (расширяют пределы измерения
приборов) и специальные (например сварочные)
По значению выходного напряжения: понижающие
и повышающие

3. Виды однофазных трансформаторов

а) – стержневой трансформатор (обмотки
разнесены на два стержня)
б) – броневой трансформатор (обмотки
наматываются одна поверх другой, обмотка
высшего напряжения находится на обмотке
низшего напряжения)

4. Устройство однофазного трансформатора

Замкнутый магнитопровод (шихтован) набран из
листов электротехнической стали толщиной 0,35-0,5 мм,
изолированных лаком (для уменьшения потерь на
вихревые токи). Верхняя часть магнитопровода – ярмо, там
где одеты обмотки – стержень.
Обмотки из медного провода располагаются на стержнях,
изолированы от них. Первичная обмотка запитывается от
сети, а к вторичной присоединяют нагрузку.

5. Принцип работы однофазного трансформатора основан на явлении взаимоиндукции и законе электромагнитной индукции

При подключении первичной
обмотки трансформатора в сеть по
обмотке протекает переменный
ток, который создает в
магнитопроводе переменный
магнитный поток Ф , он
замыкается, пронизывая витки
вторичной обмотки, и наводит там
по закону электромагнитной
индукции ЭДС. Эту ЭДС и
используют для питания нагрузки.
Преобразование напряжения
достигается за счет разного
количества витков обмоток.

6. Коэффициент трансформации показывает во сколько раз происходит изменение переменного напряжения

Ê òð
U1 W1 I 2
U 2 W2 I1
E1 4.44 f W1 Ô
E2 4.44 f W2 Ô
Формула трансформаторной ЭДС:
W – количество витков
Ф – магнитный поток (Вб)
f — частота переменного тока (Гц)

7. Режим холостого хода – к первичной обмотке подведено номинальное напряжение, в ней протекает минимальный ток, а вторичная

обмотка разомкнута.
*
*
W
~U1
~U2
Ваттметр включенный
в цепь первичной
обмотки измерит
потери холостого
хода, которые идут
на перемагничивание
железа (МАГНИТНЫЕ
ПОТЕРИ)

8. Режим короткого замыкания – к первичной обмотке подведено 5-10% от номинального напряжения, а вторичная обмотка замкнута, в ней

протекает максимальный ток.
*
~5-10% U1
*W
Ваттметр включенный
в цепь первичной
обмотки измерит
потери короткого
замыкания, которые
идут на нагрев
проводников обмотки
(ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ПОТЕРИ)

9. Коэффициент полезного действия трансформатора

P2
100
P1
Р1 = U · I
– потребляемая из сети мощность
Р2 = Р1 — (Рэл+Рм)
– полезная мощность,
отдаваемая нагрузке
Рэл+Рм
мощности
– электрические и магнитные потери

10. Трехфазные трансформаторы

11. В ЛЭП используют мощные трехфазные силовые трансформаторы.

Магнитопровод
имеет три
стержня, на
каждом
расположено по
две обмотки
каждой фазы
концентрично.

12. Принципиальная схема трехфазного трансформатора 1 – магнитопровод 2- первичная обмотка 3 – вторичная обмотка

13. Трехфазный силовой трансформатор

1 – переключатель (изменяет
коэффициент трансформации на
5%)
2- изоляторы выводов обмотки
высшего напряжения
3 – изоляторы обмотки низшего
напряжения
4 – маслоуказатель
5 – расширительный бак
6 – теплообменные трубы
7 – бак с трансформаторным
маслом
8 — стержень магнитопровода
9 – обмотка низшего
напряжения
10 – обмотка высшего
напряжения

14. Для подключения трансформатора к ЛЭП на крышке бака есть выводы- фарфоровые изоляторы с медными стержнями.

А В С – выводы высшего напряжения
а в с – выводы низшего напряжения
О – вывод нулевого провода

15. Коэффициент трансформации трехфазного трансформатора зависит от способа включения обмоток и может изменяться в 1,7 раз

а)Ктр =Uл1/Uл2= Uф1/ Uф2
б)Ктр =Uл1/Uл2= 1,7·Uф1/ Uф2
В)
Ктр =Uл1/Uл2= Uф1 / 1,7· Uф2

17. Специальные трансформаторы

18. Автотрансформатор – это трансформатор, часть первичной обмотки которого принадлежит вторичной, поэтому у него можно плавно

изменять коэффициент трансформации, т.е. напряжение на выходе
варьируется.
1 – регулятор
2 – бегунок (перемещается
по виткам обмотки)
3 – тороидальный
магнитопровод с
намотанной на него медной
обмоткой

19. Принцип работы автотрансформатора

Бегунок, перемещаясь
по виткам первичной
обмотки, отделяет их
часть для вторичной,
отдавая напряжение на
нагрузку, чем больше
витков, тем больше
напряжение на
нагрузке.
Применяется регулятор переменного
напряжения (ЛАТР) для
запуска асинхронных
машин.

20. Измерительные трансформаторы – расширяют пределы измерения приборов на переменном токе за счет разницы количества витков

первичной и вторичной
обмоток.
Измерительный
трансформатор
тока работает в
режиме короткого
замыкания, через
него можно
включить
амперметр и
токовую катушку
ваттметра.
Измерительный
трансформатор
напряжения
работает в режиме
холостого хода,
через него можно
включить
вольтметр,
герцметр и
вольтметровую
катушку ваттметра.

22. Сварочный трансформатор используется для получения электрической дуги, используемой для сварки.

Трансформатор должен легко переходить из режима
холостого хода в режим короткого замыкания. Для
этого у него увеличивают поток рассеивания, чтобы
получить падающую внешнюю характеристику.

23. Сварочный трансформатор типа ТСК с раздвижными обмотками

3 – стальной
сердечник
4 – рукоять для
раздвижения
обмоток
5и6–
раздвижные
обмотки

24. Сварочные трансформаторы типа СТН– с дроссельными катушками, которые увеличивающими поток рассеивания, служат для регулирования

сварочного тока.
1 – трансформатор
2 – регулятор
3 – сварочный
электрод
4 — плита

Понижающие трансформаторы. Виды и работа. Особенности

Большинство электрических бытовых устройств работает от сети питания 220 В. Иногда необходимо понизить это напряжение до определенного значения, чтобы подключить низковольтные потребители нагрузки. Такими потребителями могут быть галогенные светильники, низковольтные нагреватели, светодиодные ленты и множество других.

Такое снижение напряжение могут выполнить понижающие трансформаторы, которые приобретают в магазине, или изготавливают самостоятельно. Такие трансформаторы популярны в электротехнике и радиоэлектронике, а также в бытовых условиях.

Особенности конструкции

Основной частью трансформатора выступает ферромагнитный сердечник, на котором расположены две обмотки, намотанные медным проводником. Эти обмотки разделяют на первичную и вторичную, в зависимости от принципа действия. На первичную обмотку подается сетевое напряжение, а с вторичной – снимается пониженное напряжение для потребителей нагрузки.

Обмотки связаны между собой переменным магнитным потоком, который наводится в ферромагнитном сердечнике. Между обмотками нет электрического контакта. Первичная обмотка имеет большее количество витков, чем вторичная. Поэтому напряжение на выходе понижено.

Обычно понижающие трансформаторы со всеми элементами находятся в корпусе. Однако не все модели его имеют. Это зависит от фирмы изготовителя, а также назначения трансформатора.

Обозначение на схеме

Принцип действия

Работу понижающего трансформатора можно описать следующим образом. Действие трансформатора основывается на принципе электромагнитной индукции. Напряжение, подключенное на первичную обмотку, образует в ней магнитное поле, которое пересекает витки вторичной обмотки. В ней образуется электродвижущая сила, под действием которой возникает напряжение, отличное от входного напряжения.

Разница в количестве витков первичной и вторичной обмоток определяет разницу между входным и выходным напряжением понижающего трансформатора. В процессе функционирования трансформатора возникают некоторые потери электроэнергии, которые неизбежны, и составляют около 3% мощности.

Чтобы вычислить точные величины параметров трансформатора, нужно сделать определенные расчеты его конструкции. Электродвижущая сила может возникать при подключении трансформатора только к переменному току. Поэтому большинство бытовых электрических устройств работает от сети переменного тока.

Понижающие трансформаторы входят в состав многих блоков питания, стабилизаторов и других подобных устройств. Некоторые модели трансформаторов могут содержать несколько выводов на вторичной обмотке для разных групп соединений. Такие виды приборов стали популярными, так как являются универсальными, и обладают многофункциональностью.

Разновидности

Понижающие трансформаторы имеют различные исполнения, в зависимости от конструкции и принципа действия:

• Тороидальные. Такой вариант модели трансформатора (рисунок «а») также применяется для незначительных мощностей, имеет сердечник формы в виде тора. Он отличается от других моделей малым весом и габаритами. Применяется в радиоэлектронных устройствах. Его конструкция позволяет достичь более высокой плотности тока, так как обмотка хорошо охлаждается на всем сердечнике, показатели тока намагничивания самые низкие.
• Стержневые. На рисунке «б» изображен стержневой вид трансформатора, в конструкции которого обмотки охватывают сердечники магнитопровода. Такие модели чаще всего выполняют для средней и большой мощности приборов. Их устройство довольно простое и дает возможность легче изолировать и ремонтировать обмотки. Их преимуществом является хорошее охлаждение, вследствие чего требуется меньше проводников для обмоток.
• Броневые. В этом виде трансформатора (рисунок «в») магнитопровод охватывает обмотки в виде брони. Остальные параметры идентичны стержневому виду, за исключением того, что броневые трансформаторы в основном выполняют маломощными, так как они имеют меньший вес и цену в сравнении с предыдущим вариантом, из-за простой сборки и меньшего количества катушек.
• Многообмоточные. Наиболее популярными являются двухобмоточные 1-фазные понижающие трансформаторы.

Для получения нескольких различных величин напряжений от одного трансформатора применяют несколько вторичных обмоток на сердечнике. Эти обмотки разные по числу витков и выдаваемому напряжению.

• Трехфазные. Такая модель применяется для понижения напряжения трехфазной сети. Такие понижающие трансформаторы применяются не только в промышленности, но и для бытовых нужд.

Они могут быть изготовлены из 3-х однофазных трансформаторов на общем сердечнике. Магнитные потоки всех фаз в сумме равны нулю. Промышленные образцы проходят испытания по определенным параметрам. Результаты испытаний сравнивают с документацией. Если нет соответствия, то трансформатор подлежит выбраковке. 3-фазный трансформатор имеет соединение обмоток по схеме треугольника или звезды. Схема звезды характерна общим узлом выводов всех фаз. Соединение треугольником выполняется последовательной схемой фаз в кольцо.

• Однофазные. Такие трансформаторы имеют подключение питания от однофазной сети, фаза и ноль поступают на одну первичную обмотку. Принцип их работы аналогичен всем остальным видам трансформаторов. Это наиболее популярный вид устройств.

Основные свойства

Маркировка трансформаторов зависит от его свойств. Основными свойствами понижающих трансформаторов являются:

• Мощность.
• Напряжение выхода.
• Частота.
• Габаритные размеры.
• Масса.

Частота тока для разных моделей трансформаторов будет одинаковой, в отличие от других перечисленных характеристик. Габаритные размеры и масса будут больше при повышении мощности модели. Максимальная величина мощности у промышленных образцов понижающих трансформаторов, так же как габаритные размеры и масса.

Напряжение на выходе вторичных обмоток может быть различным, и зависит от назначения прибора. Модели трансформаторов для бытовых нужд имеют малые габариты и вес. Их легко устанавливать и перевозить.

Обмотки трансформатора

Обмотки находятся на магнитопроводе прибора. Ближе к сердечнику располагают низковольтную обмотку, так как ее легче изолировать. Между обмотками укладывают изоляционные прокладки и другие диэлектрики, например электротехнический картон.

Первичная обмотка соединяется с сетью питания переменного напряжения. Вторичная обмотка выдает низкое напряжение и подключается к потребителям электроэнергии.  К одному трансформатору можно подключать сразу несколько бытовых устройств.

Для намотки катушек применяют изолированные провода, с изоляцией каждого слоя кабельной бумагой. Проводники бывают различных форм сечения:

• Круглая.
• Прямоугольная (шина).

По способу намотки обмотки делят:

• Концентрические, на стержне.
• Дисковые, намотанные чередованием.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Применение понижающих трансформаторов, как в промышленности, так и в домашних условиях можно объяснить необходимостью уменьшения рабочего напряжения до 12 вольт для создания безопасности человека.
• Другой причиной применения низкого напряжения является нетребовательность трансформаторов к значению входного напряжения, так как они могут функционировать, например, при 110 В, при этом обеспечивая стабильное напряжение на выходе.
• Компактные размеры.
• Малая масса.
• Удобство транспортировки и монтажа.
• Отсутствие помех.
• Плавная регулировка напряжения.
• Незначительный нагрев.

Недостатки

• Недолгий срок службы.
• Незначительная мощность.
• Высокая цена.

Как выбрать понижающие трансформаторы

При выборе конкретного устройства, рекомендуется воспользоваться следующими критериями выбора:

• Величина напряжения на входе. На корпусе устройства обычно есть маркировка входного напряжения 220, либо 380 вольт. Для бытовой сети подходит модель на 220 В.
• Величина напряжения выхода. Зависит от назначения и применения устройства. Обычно это 12 или 36 вольт, о чем также должна быть маркировка.
• Мощность устройства. Чтобы правильно подобрать стабилизатор по мощности, нужно сложить мощности всех планируемых к подключению потребителей, и добавить резервное значение 20%.

Эксплуатация и ремонт

Основным условием правильной и надежной эксплуатации понижающего трансформатора является специально оборудованное место для его монтажа и функционирования.

Понижающие трансформаторы необходимо содержать в чистоте, сухом виде, защищать от пыли и влаги. В домашних бытовых условиях для трансформатора используют специальный шкаф или металлический корпус. Заземление для понижающего трансформатора является обязательным условием.

Трансформатор требует периодического обслуживания и ухода, в зависимости от выполняемых им задач и условий эксплуатации.

Чаще всего обслуживание включает в себя следующие работы:

• Наружный осмотр, очистка от пыли и грязи.
• Осмотр деталей уплотнения, колец, прокладок, подтяжка клемм.
• Проверка изоляции на пробой.

В трансформаторе могут появиться неисправности и повреждения обмоток в виде трещин секций катушек. При этом не требуется демонтировать трансформатор. На поврежденную изоляцию накладывают лакоткань. При серьезных неисправностях, связанных с обрывом или коротким замыканием, осуществляют снятие трансформатора и его ремонт в электромастерской.

Похожие темы:

Готовый кроссворд по электротехнике — на тему «Трансформатор»

По горизонтали
2. Непосредственно на нем располагаются обмотки трансформатора
3. Ему принадлежит открытие трансформатора
5. Различие величины одного и того же параметра при прохождении в разных направлениях через материал
8. Обмотка, соединенная с нагрузкой
9. Режим для определения электрических потерь в трансформаторе
10. Какой ток протекает на первичной обмотке
11. Явление, на котором основана работа трансформатора
13. Аппарат для изменения величины напряжения
14. Режим для эксперементального определения магнитных потерь в трансфоматоре
15. Режим работы трансформатора, когда первичная обмотка включена под номинальное напряжение, а в цепь вторичной обмотки включена нагрузка
По вертикали
1. Обмотка, соединенная с источником энергии
2. Какие трансформаторы используются для питание электроэнергией жилых помещений
4. Как называется трансформатор, если его k>1
6. Сосуд, цилиндрической формы, установленный на крышке бака с маслом и сообщающийся с ним
7. Трансформатор, у которого конец одной обмотки электрически соединен с началом другой
12. Его собирают из листов электротехнической стали толщиной 0, 32 – 0, 5 мм

ГЛАВА 7 Трансформатор – важнейший элемент электротехнического оборудования

ГЛАВА 7 Трансформатор – важнейший элемент электротехнического оборудования

Введение

Трансформатор уже более 130 лет является важнейшим элементом современных систем электроснабжения. Генерируемая на электростанциях электроэнергия подвергается многократной трансформации для распределения энергии между потребителями. Поэтому количество трансформаторов и их суммарная мощность в 7-8 раз превышает число и мощность генераторов. На каждый киловатт генераторной мощности приходится 7-8 кВ · А трансформаторной мощности.

На подстанциях 35-750 кВ энергосистем России работает более 2500 силовых трансформаторов и автотрансформаторов общей мощностью около 600 тыс. МВ· А, что почти втрое больше установленной мощности электростанций.

Как уже отмечалось (см. гл. 5), прообразом первого трансформатора с замкнутым магнитопроводом явилась схема М. Фарадея (1831 г.)

Индукционная катушка – простейший трансформатор с разомкнутым магнитопроводом

В 30-40 гг. XIX в. было создано несколько типов индукционных катушек, представляющих собой изолированный железный цилиндр или изолированный пучок железных проволок, на которые наматывали две спирали – одну из толстой проволоки, другую из тонкой, изолированных друг от друга. Катушки предназначались для получения искрового разряда во вторичной обмотке при прерывании с помощью прерывателя тока в первичной, включенной в цепь батарей.

В создании индукционных катушек принимало участие много ученых и инженеров, например в Англии за 22 года было выдано 19 патентов на изобретения. Среди многих изобретателей наибольшую известность получил немецкий механик Генрих Румкорф (1803-1877), создавший в 1848 г. более совершенную катушку, которая долго время называлась «индукционной катушкой Румкорфа».

Впервые на практике катушку Румкорфа применил Б.С. Якоби для дистанционного взрывания электрических мин. Позднее катушки получили широкое применение в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания.

В 1876 г. П.Н. Яблочков впервые включил индукционные катушки в цепь переменного тока в созданной им «системе дробления электрической энергии» для питания дуговых ламп. Дело в том, что при последовательном соединении нескольких дуговых свечей выход из строя одной вызывал погасание всех других. Яблочков предложил включать свечи во вторичные обмотки индукционных катушек, первичные обмотки которых соединялись последовательно (рис. 7.1). Поэтому режим работы свечей не зависел друг от друга (напомним, что это могло быть только в случае разомкнутого магнитопровода катушек). Как уже отмечалось, в схеме Яблочкова индукционная катушка впервые работала в режиме трансформатора. В системе Яблочкова впервые получила оформление электрическая сеть с ее основными элементами: первичный двигатель – генератор – линия передачи – трансформатор – приемник.

Рис. 7.1. Схема распределения энергии с помощью индукционных катушек (трансформаторов) П.Н. Яблочкова:

1 – прерыватель; 2 – индукционная катушка; 3 – электросвечи

На Второй петербургской электротехнической выставке в 1882 г. всю систему «дробления энергии» смонтировал и демонстрировал препаратор Московского университета И.Ф. Усагин, катушки (или «бобины», как их называли, имели одинаковое число витков в обеих обмотках). И.Ф. Усагин наглядно доказал универсальность применения переменного тока, впервые изготовив собственную установку (рис. 7.2), включив во вторичные обмотки катушек кроме свечей и другие приемники: электродвигатель, нагревательную проволочную спираль, дуговую лампу с регулятором. Усагин продемонстрировал возможность отключения любого приемника, не нарушая работы других, что «произвело на зрителей большое впечатление» и вызвало аплодисменты. За свое изобретение И.Ф. Усагин был награжден почетной медалью.

Рис. 7.2. Система «дробления» энергии И.Ф. Усагина

Рис. 7.3. Трансформатор Голяра и Гиббса:

1 – индукционная катушка; 2 – выдвижные сердечники

В последующие годы усилиями ученых и инженеров разных стран конструкция трансформатора с разомкнутым магнито- проводом получила дальнейшее усовершенствование. В 1882 г. была запатентована во Франции система «распределения света и двигательной силы», предложенная английским электротехником Дж. Д. Голяром (1850-1888) и французским электротехником Люстеном Гиббсом (умер в 1912 г.). Отличительной особенностью этих трансформаторов (рис. 7.3) была возможность преобразования напряжения на вторичной обмотке (т.е. коэффициент трансформации уже отличался от единицы). Изобретатели назвали свой трансформатор «вторичным генератором»: на деревянной подставке укреплялось несколько индукционных катушек, первичные обмотки которых включались последовательно, а вторичные были секционированы, и каждая секция имела два вывода для подключения приемников. Изобретатели впервые сделали сердечники катушек выдвижными 2, с помощью рукоятки могло регулироваться напряжение на вторичных обмотках. Такие трансформаторы были установлены в 1883 г. на четырех подстанциях Лондонского метрополитена, а в 1884 г. на выставке в Турине (Италия), где линия передачи составляла 40 км при напряжении 2000 В.

Создание трансформаторов с замкнутым магнитопроводом

Как известно, современные трансформаторы имеют замкнутый магнитопровод, а их первичные обмотки включаются в сеть параллельно. В системе Яблочкова магнитопровод трансформатора был разомкнутым, и поэтому при последовательном включении первичных обмоток включение и выключение свечей во вторичных обмотках не оказывало существенного влияния на работу приемников. Но по мере эксплуатации трансформаторов было установлено, что замкнутый магнитопровод уменьшает потери энергии и повышает КПД.

Первые трансформаторы с замкнутым магнитопроводом были созданы английскими инженерами братьями Джоном и Эдвардом Гопкинсонами в 1884 г. Магнитопровод 1 был набран из стальных полос, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери на вихревые токи. Первичные 2 и вторичные 3 катушки (соответственно высшего и низшего напряжений) размещались на магнитопроводе, чередуясь между собой, что уменьшало магнитное рассеяние (рис. 7.4).

К середине 80-х гг. XIX в. в связи с бурным развитием промышленности, торговли и транспорта все более остро возникает потребность в решении проблемы экономичной передачи электроэнергии на значительные расстояния. Исследования ученых и инженеров показали, что наиболее эффективный путь – в использовании переменного тока высокого напряжения.

Рис. 7.4. Трансформатор братьев Гопкинсонов

Рис. 7.5. Первые трансформаторы Будапештского завода фирмы «Ганц и К°»: а – кольцевой; б – броневой; в – серийный стержневой

Выдающийся вклад в создание однофазного трансформатора с замкнутой магнитной системой и более высокими эксплуатационными характеристиками был сделан в 1884-1885 гг. талантливыми венгерскими инженерами Миклошем Дери (1854-1934), Отто Блати (1860-1938) и Кароем Циперновским (1853 – 1942), работавшими на электромашиностроительном заводе фирмы «Ганц и К°» в Будапеште. Ими было предложено три модификации трансформатора: кольцевой, броневой и серийный стержневой (рис. 7.5), содержавшие все основные элементы современных конструкций трансформаторов. Важно, что изобретатели в патентной заявке (1885 г.) отметили большое значение замкнутого шихтованного магнитопровода, особенно для мощных трансформаторов. Ими впервые был предложен сам термин «трансформатор». Кольцевой трансформатор представлял собой кольцеобразный сердечник, состоящий из согнутых в кольцо изолированных железных проволок. Это кольцо было обмотано изолированной медной проволокой, образующей первичную и вторичную обмотки.

Второй – броневой трансформатор: у него внутри были уложены две кольцеобразные медные обмотки из изолированной медной проволоки, а на них намотана железная проволока. Такой трансформатор отличался меньшими потерями в железе и применялся для изготовления измерительных трансформаторов.

В стержневом трансформаторе сердечник состоял из отдельных листков стали, изолированных друг от друга лаком или олифой. На вертикальных стержнях размещались на одном – первичная, на другом – вторичная обмотки. Фирма «Ганц и К°» до конца 1887 г. построила 24 установки с однофазными трансформаторами Дери, Блати и Циперновского на общую мощность около 3000 кВт. На территории завода «Ганц и К°» был построен музей, где подробно отражена история создания первых трансформаторов с замкнутым магнитопроводом.

Создание трехсразного трансформатора – один из важнейших этапов в становлении современной системы электроснабжения

Как и следовало ожидать, первые системы электроснабжения переменным током рождались в жесткой конкурентной борьбе многочисленных электротехнических фирм. Достаточно напомнить, что непримиримым борцом против переменного тока в 80-х гг. выступил уже известный во всем мире Эдисон. В связи с этим была опубликована интересная статья нашего знаменитого физика А.Г. Столетова в журнале «Электричество» в 1889 г. «Невольно вспоминается, – писал Столетов, – та травля, которой подвергались трансформаторы в нашем отечестве, по поводу недавнего проекта фирмы «Ганц и К°» осветить часть Москвы. И в ученых докладах и в газетных статьях система обличалась, как нечто еретическое, ненациональное и безусловно гибельное; доказывалось, что трансформаторы начисто запрещены во всех порядочных государствах Запада и терпятся ради какой-нибудь Италии, падкой на дешевизну. Защитники «национальности в электричестве» забывали, что первую идею о трансформации тока в технике сами иностранцы приписывают Яблочкову… что на Всероссийской выставке 1882 г. в Москве ранее Годдарда, Гиббса и др., весьма определенно демонстрировал г. Усагин, за что награжден медалью».

После убедительной демонстрации трехфазных систем использование трансформаторов вначале предполагало установку в линии передачи трех однофазных трансформаторов. Но такое решение было экономически не выгодным, и, естественно, вызвало необходимость создания одного аппарата вместо трех – т.е. трехфазного трансформатора.

Рис. 7.6. Трехфазный трансформатор Доливо-Добровольского с радиальным расположением магнитопроводов

Такой трансформатор впервые был изобретен в 1889 г. М.О. Доливо-Добровольским. Интересна инженерная логика создания трехфазного трансформатора, которую продемонстрировал изобретатель. Доливо-Добровольский впервые обратил внимание на то, что заторможенный асинхронный двигатель представляет собой трехфазный трансформатор. Чтобы магнитная система трансформатора была симметричной, она должна иметь пространственную форму с тремя стержнями, на которых расположены обмотки. Вначале его конструкция напоминала машину с выступающими полюсами, в которой был устранен воздушный зазор, а обмотки ротора перенесены на стержни (рис. 7.6) – можно сказать, что это был трансформатор с радиальным расположением магнитопроводов. Продолжая усовершенствовать конструкцию, Доливо-Добровольский предложил несколько типов так называемых «призматических» трансформаторов с более компактной формой магнито- провода (рис. 7.7).

На рис. 7.8 показана эволюция магнитопровода стержневого типа. При соединении в одну конструкцию трех однофазных магнитопроводов получалась довольно сложная пространственная схема магнитопровода, технология изготовления которой оказалась весьма сложной, при этом возрастали отходы трансформаторной стали при штамповке отдельных листов. Это заставило Доливо-Добровольского упростить конструкцию и создать трехфазный трансформатор с параллельным расположением трех стержней в одной плоскости (рис. 7.9). О том, насколько продуманный и совершенной была такая конструкция, можно судить по тому, что она сохранилась до наших дней.

Рис. 7.7. Трехфазный трансформатор призматического типа

Рис. 7.8. Эволюция магнитопровода стержневого типа: Фд, Фд, Ф_с – магнитные потоки в фазах А, В, С

Рис. 7.9. Трансформатор с параллельным расположением трех стержней

Трансформатор | Устройство, виды, принцип работы

Слово “трансформатор” образуется от английского слова “transform”  – преобразовывать, изменяться. Но дело в том, что сам трансформатор не может как-либо измениться либо поменять форму и так далее. Он обладает еще более удивительный свойством – преобразует переменное напряжение одного значения в переменное напряжение другого значения. Ну разве это не чудо? В этой статье мы будем рассматривать именно трансформаторы напряжения.

Трансформатор напряжения

Трансформатор напряжения можно отнести больше к электротехнике, чем к электронике. Самый обыкновенный однофазный трансформатор напряжения выглядит вот так.

Если откинуть верхнюю защиту трансформатора, то мы можем четко увидеть, то он состоит из какого-то железного каркаса, который собран из металлических пластин, а также из двух катушек, которые намотаны на этот железный каркас. Здесь мы видим, что из одной катушки выходит два черных провода

а с другой катушки два красных провода

Эти обе катушки одеваются на сердечник трансформатора. То есть в результате мы получаем что-то типа этого

Ничего сложного, правда ведь?

Но дальше самое интересное. Если подать на одну из этих катушек переменное напряжение, то в другой катушке тоже появляется переменное напряжение. Но как же так возможно? Ведь эти обмотки абсолютно не касаются друг друга и они изолированы друг от друга. Во чудеса! Все дело, в так называемой электромагнитной индукции.

Если объяснить простым языком, то когда на первичную обмотку подают переменное напряжение, то в сердечнике возникнет переменное магнитное поле с такой же частой. Вторая катушка улавливает это переменное магнитное поле и уже выдает переменное напряжение на своих концах.

Обмотки трансформатора

Эти самые катушки с проводом в трансформаторе называются обмотками. В основном обмотки состоят из медного лакированного провода. Такой провод находится в лаковой изоляции, поэтому, провод в обмотке не коротит друг с другом. Выглядит такой обмоточный трансформаторный провод примерно вот так.

Он может быть разного диаметра. Все зависит от того, на какую нагрузку рассчитан тот или иной трансформатор.

У самого простого однофазного трансформатора можно увидеть две такие обмотки.

Обмотка, на которую подают напряжение называется первичной. В народе ее еще называют “первичка”. Обмотка, с которой уже снимают напряжение называется вторичной или “вторичка”.

Для того, чтобы узнать, где первичная обмотка, а где вторичная, достаточно посмотреть на шильдик трансформатора.

I/P: 220М50Hz (RED-RED) – это говорит нам о том, что два красных провода – это первичная обмотка трансформатора, на которую мы подаем сетевое напряжение 220 Вольт. Почему я думаю, что это первичка? I/P – значит InPut, что в переводе “входной”.

O/P: 12V 0,4A (BLACK, BLACK) – вторичная обмотка трансформатора с выходным напряжением в 12 Вольт (OutPut). Максимальная сила тока, которую может выдать в нагрузку этот трансформатор – это 0,4 Ампера или 400 мА.

 

Как работает трансформатор

Чтобы разобраться с принципом работы, давайте рассмотрим рисунок.

Здесь мы видим простую модель трансформатора. Подавая на вход переменное напряжение U₁ в первичной обмотке возникает ток I₁ . Так как первичная обмотка намотана на замкнутый магнитопровод, то в нем начинает возникать магнитный поток, который возбуждает во вторичной обмотке напряжение U₂ и ток I₂ . Как вы можете заметить, между первичной и вторичной обмотками трансформатора нет электрического контакта. В электронике это называется гальванически развязаны.

Формула трансформатора

Главная формула трансформатора выглядит так.

где

U₂  – напряжение на вторичной обмотке

U₁ – напряжение на первичной обмотке

N₁ – количество витков первичной обмотки

N₂ – количество витков вторичной обмотки

k – коэффициент трансформации

В трансформаторе соблюдается также закон сохранения энергии, то есть какая мощность заходит в трансформатор, такая мощность выходит из трансформатора:

Эта формула справедлива для идеального трансформатора. Реальный же трансформатор будет выдавать на выходе чуть меньше мощности, чем на его входе. КПД трансформаторов очень высок и порой составляет даже 98%.

Типы трансформаторов по конструкции

Однофазные трансформаторы

Это трансформаторы, которые преобразуют однофазное переменное напряжение одного значения в однофазное переменное напряжение другого значения.

В основном однофазные трансформаторы имеют две обмотки, первичную и вторичную. На первичную обмотку подают одно значение напряжения, а со вторичной снимают нужное нам напряжение. Чаще всего в повседневной жизни можно увидеть так называемые сетевые трансформаторы, у которых первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение, то есть 220 В.

На схемах однофазный трансформатор обозначается так:

Первичная обмотка слева, а вторичная – справа.

Иногда требуется множество различных напряжений для питания различных приборов. Зачем ставить на каждый прибор свой трансформатор, если можно с одного трансформатора получить сразу несколько напряжений? Поэтому, иногда вторичных обмоток бывает несколько пар, а иногда даже некоторые обмотки выводят прямо из имеющихся вторичных обмоток. Такой трансформатор называется трансформатором со множеством вторичных обмоток. На схемах можно увидеть что-то подобное:

Трехфазные трансформаторы

Эти трансформаторы в основном используются в промышленности и чаще всего превосходят по габаритам простые однофазные трансформаторы. Почти все трехфазные трансформаторы считаются силовыми. То есть они используются в цепях, где нужно питать мощные нагрузки. Это могут быть станки ЧПУ и другое промышленное оборудование.

На схемах трехфазные трансформаторы обозначаются вот так:

Первичные обмотки обозначаются заглавными буквами, а вторичные обмотки – маленькими буквами.

Здесь мы видим три типа соединения обмоток (слева-направо)

• звезда-звезда
• звезда-треугольник
• треугольник-звезда

В 90% случаев используется именно звезда-звезда.

Типы трансформаторов по напряжению

Понижающий трансформатор

Это трансформатор, которые понижает напряжение. Допустим, на первичную обмотку мы подаем 220 Вольт, а снимаем 12 Вольт. В этом случае коэффициент трансформации (k) будет больше 1.

Повышающий трансформатор

Это трансформатор, который  повышает напряжение. Допустим,  на первичную обмотку мы подаем 10 Вольт, а со вторичной снимаем уже 110 В. То есть мы повысили наше напряжение 11 раз. У повышающих трансформаторов коэффициент трансформации меньше 1.

Разделительный или развязывающий трансформатор

Такой трансформатор используется в целях электробезопасности. В основном это трансформатор с одинаковым числом обмоток на входе и выходе, то есть его напряжение на первичной обмотке будет равняться напряжению на вторичной обмотке. Нулевой вывод вторичной обмотки такого трансформатора не заземлен. Поэтому, при касании фазы на таком трансформаторе вас не ударит электрическим током. Про его использование можете прочесть в статье про ЛАТР. У развязывающих трансформаторов коэффициент трансформации равен 1.

Согласующий трансформатор

Такой трансформатор используется для согласования входного и выходного сопротивления между каскадами схем.

Работа понижающего трансформатора на практике

Понижающий трансформатор – это такой трансформатор, который выдает на выходе напряжение меньше, чем на входе. Коэффициент трансформации (k) у таких трансформаторов больше 1 . Понижающие трансформаторы – это самый распространенный класс трансформаторов в электротехнике и электронике. Давайте же рассмотрим, как он работает на примере трансформатора 220 В —> 12 В .

Итак, имеем простой однофазный понижающий трансформатор.

Именно на нем мы будем проводить различные опыты.

Подключаем красную первичную обмотку к сети 220 Вольт и замеряем напряжение на вторичной обмотке трансформатора без нагрузки. 13, 21 Вольт, хотя на трансформаторе написано, что он должен выдавать 12 Вольт.

Теперь подключаем нагрузку на вторичную обмотку и видим, что напряжение просело.

Интересно, какую силу тока кушает наша лампа накаливания? Вставляем мультиметр в разрыв цепи и замеряем.

Если судить по шильдику, то на нем написано, что он может выдать в нагрузку 400 мА и напряжение будет 12 Вольт, но как вы видите, при нагрузку близкой к 400 мА у нас напряжение просело почти до 11 Вольт. Вот тебе и китайский трансформатор. Нагружать более, чем 400 мА его не следует. В этом случае напряжение просядет еще больше, и трансформатор будет греться, как утюг.

Как проверить трансформатор

Как проверить на короткое замыкание обмоток

Хотя обмотки  прилегают очень плотно к друг другу, их разделяет лаковый диэлектрик, которым покрываются и первичная и вторичная обмотка. Если где-то возникло короткое замыкание между проводами, то трансформатор будет сильно греться или издавать сильный гул при работе. Также он будет пахнуть горелым лаком. В этом случае стоит замерить напряжение на вторичной обмотке и сравнить, чтобы оно совпадало с паспортным значением.

Проверка на обрыв обмоток

При  обрыве все намного проще. Для этого с помощью мультиметра мы проверяем целостность первичной и вторичной обмотки. Итак, сопротивление первичной обмотки нашего трансформатора чуть более 1 КОм. Значит обмотка целая.

Таким же образом проверяем и вторичную обмотку.

Отсюда делаем вывод, что наш трансформатор жив и здоров.

Похожие статьи по теме “трансформатор”

Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР)

Программа для расчета трансформатора

Как получить постоянное напряжение из переменного

Трансформатор

— Energy Education

Рис. 1. Трансформатор, устанавливаемый на площадку для распределения электроэнергии. ^[1]

Трансформатор — электрическое устройство, которое использует электромагнитную индукцию для передачи сигнала переменного тока от одной электрической цепи к другой, часто изменяя (или «преобразуя») напряжение и электрический ток. Трансформаторы не пропускают постоянный ток (DC) и могут использоваться для снятия постоянного напряжения (постоянного напряжения) из сигнала, сохраняя при этом изменяющуюся часть (переменное напряжение).В электрической сети трансформаторы играют ключевую роль в изменении напряжения, чтобы уменьшить потери энергии при передаче электроэнергии.

Трансформаторы изменяют напряжение электрического сигнала, исходящего от электростанции, обычно увеличивая (также называемое «повышением») напряжение. Трансформаторы также снижают («понижают») напряжение на подстанциях, а также в распределительных трансформаторах. ^[2] Трансформаторы также используются в составе устройств, как трансформаторы тока.

Как работают трансформаторы

Часто кажется удивительным, что трансформатор сохраняет общую мощность неизменной при повышении или понижении напряжения.Следует иметь в виду, что при повышении напряжения ток падает:

[математика] P = I_1 V_1 = I_2 V_2 [/ математика]

Трансформаторы используют электромагнитную индукцию для изменения напряжения и тока. Это изменение называется действием трансформатора и описывает, как трансформатор изменяет сигнал переменного тока с его первичной на вторичную составляющую (как в приведенном выше уравнении). Когда на первичную катушку подается сигнал переменного тока, изменяющийся ток вызывает изменение магнитного поля (становится больше или меньше).Это изменяющееся магнитное поле (и связанный с ним магнитный поток) будет проходить через вторичную катушку, индуцируя напряжение на вторичной катушке, тем самым эффективно связывая вход переменного тока от первичного ко вторичному компоненту трансформатора. Напряжение, приложенное к первичному компоненту, также будет присутствовать во вторичном компоненте.

Как упоминалось ранее, трансформаторы не пропускают вход постоянного тока. Это известно как изоляция постоянного тока. ^[2] Это связано с тем, что изменение тока не может быть вызвано постоянным током; Это означает, что нет изменяющегося магнитного поля, индуцирующего напряжение на вторичном компоненте.

Рисунок 1. Простой рабочий трансформатор. ^[3] Ток [math] I_p [/ math] поступает с напряжением [math] V_p [/ math]. Ток проходит через [math] N_p [/ math] обмотки, создавая магнитный поток в железном сердечнике. Этот поток проходит через [math] N_s [/ math] витков провода на другом контуре. Это создает ток [math] I_s [/ math] и разность напряжений во второй цепи [math] V_s [/ math]. Электроэнергия ([математика] V \ умноженная на I [/ математика]) остается прежней.

Основным принципом, который позволяет трансформаторам изменять напряжение переменного тока, является прямая зависимость между соотношением витков провода в первичной обмотке и вторичной обмотке и отношением первичного напряжения к выходному напряжению.Отношение числа витков (или петель) первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки известно как отношение витков . Соотношение витков устанавливает следующее соотношение с напряжением:

[математика] \ frac {N_p} {N_s} = \ frac {V_p} {V_s} = \ frac {I_s} {I_p} [/ math]

• [math] N_p [/ math] = Количество витков в первичной катушке
• [math] N_s [/ math] = Количество витков вторичной катушки
• [math] V_p [/ math] = напряжение на первичной обмотке
• [math] V_s [/ math] = Напряжение на вторичной обмотке
• [math] I_p [/ math] = Ток через первичный
• [math] I_s [/ math] = Ток через вторичную обмотку
  

Из этого уравнения, если количество витков в первичной обмотке больше, чем количество витков во вторичной обмотке ([math] N_p \ gt N_s [/ math]), то напряжение на вторичной обмотке будет на меньше, чем на первичной обмотке.Это известно как понижающий трансформатор, потому что он понижает или понижает напряжение. В таблице ниже показаны распространенные типы трансформаторов, используемых в электрической сети.

Тип трансформатора	Напряжение	Передаточное число	Текущий	Мощность
Понизить	входное (первичное) напряжение> выходное (вторичное) напряжение	[math] N [/ math] p > [math] N [/ math] s	[math] I [/ math] p <[math] I [/ math] s	[math] P [/ math] p = [math] P [/ math] s
Шаг вверх	входное (первичное) напряжение <выходное (вторичное) напряжение	[math] N [/ math] p <[math] N [/ math] s	[math] I [/ math] p > [math] I [/ math] s	[math] P [/ math] p = [math] P [/ math] s
Один к одному	входное (первичное) напряжение = выходное (вторичное) напряжение	[math] N [/ math] p = [math] N [/ math] s	[math] I [/ math] p = [math] I [/ math] s	[math] P [/ math] p = [math] P [/ math] s

Преобразователь один к одному будет иметь равных значений для всего и используется в основном для цель обеспечения изоляции постоянного тока.

Понижающий трансформатор будет иметь на более высокое первичное напряжение на , чем вторичное напряжение, но на более низкое значение первичного тока на , чем его вторичный компонент.

В случае повышающего трансформатора , первичное напряжение будет ниже на , чем вторичное напряжение, что означает на больший первичный ток , чем вторичный компонент.

КПД

В идеальных условиях напряжение и ток изменяются с одинаковым коэффициентом для любого трансформатора, что объясняет, почему значение первичной мощности равно значению вторичной мощности для каждого случая в приведенной выше таблице.По мере того, как одно значение уменьшается, другое увеличивается, чтобы поддерживать постоянный равновесный уровень мощности. ^[2]

Трансформаторы могут быть чрезвычайно эффективными. Трансформаторы большой мощности могут достигать отметки КПД 99% в результате успехов в минимизации потерь в трансформаторе. Однако трансформатор всегда будет выдавать немного меньшую мощность, чем его входная мощность, поскольку полностью исключить потери невозможно. Есть некоторое сопротивление трансформатора.

Чтобы узнать больше о трансформаторах, см. Гиперфизику.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

Силовые трансформаторы | Трансформаторы силовые электрические | Arrow.com

Приобретайте на сайте Arrow.com новые и популярные силовые трансформаторы, в том числе силовые трансформаторы SMD, маломощные и силовые трансформаторы высокого напряжения от ведущих производителей, таких как ABB Embedded Power, Hammond Manufacturing и других.

Что такое силовой трансформатор?

Силовой трансформатор — это пассивное электромагнитное устройство, которое передает энергию от одной цепи к другой посредством индуктивной связи.Силовые трансформаторы отличаются от трансформаторов других типов тем, что они спроектированы в соответствии с нормативными требованиями к подключению к сети, работая при напряжении сети и относительно высоких токах. Наиболее важной характеристикой силового трансформатора является гальваническая развязка между первичной и вторичной обмотками трансформатора, которая обычно указывается в кВ. Это фундаментальный аспект безопасности при защите людей от потенциально смертельных замыканий на землю.

Конструкция обмотки силового трансформатора

Силовые трансформаторы обычно имеют одну первичную (со стороны сети) обмотку и одну или несколько вторичных обмоток.Вторичная обмотка может иметь ответвления в разных точках для генерации нескольких выходных напряжений. Силовой трансформатор работает по закону индукции Фарадея. Напряжение вторичной обмотки трансформатора равно отрицательной скорости изменения магнитного потока, окружающего цепь. Магнитный поток, окружающий вторичный контур, создается переменным током, протекающим в первичной обмотке. Этот переменный ток генерирует изменяющийся поток, который проходит через общий сердечник во вторичную обмотку. Коэффициент напряжения эквивалентен коэффициенту поворота обмотки.Трансформаторы чрезвычайно эффективны при работе в рамках своих проектных спецификаций.

Типы сердечников силовых трансформаторов

Тип сердечника является важным фактором. Типичные источники питания силовых трансформаторов включают: многослойный сердечник, полутороидальный и тороидальный. Ламинирование может иметь важное значение, поскольку оно помогает предотвратить протекание вихревых токов в сердечнике, вызывающих потерю эффективности. Максимальный выходной ток указывается в точке насыщения сердечника или превышения номинального тока обмоток.Существует множество вариантов монтажа, включая монтаж на шасси, DIN-рейку, настенное крепление и крепление на печатной плате. Концевой заделкой могут быть наконечники для пайки, выводы проводов и клеммные колодки. Гальваническая развязка обычно составляет от 1,5 кВ до 5 кВ.

Силовые трансформаторы можно найти в любом приложении, где требуется питание от сети. Они также используются в качестве разделительных трансформаторов 1: 1 для обеспечения безопасности оборудования. Трансформаторы 120–240 В также доступны для преобразования между стандартами сети. Прочитайте больше Читать меньше

Производители электрических трансформаторов | Поставщик электрических трансформаторов

Список производителей электрических трансформаторов

Приложения

Электротрансформаторы имеют несколько различных применений.Одна из общих целей электрических трансформаторов — обеспечить безопасное соответствие напряжения требованиям оборудования. Другой — хранение и транспортировка в электрических сетях и по линиям электропередач.

Электронное преобразование — это необходимый процесс для самых разных приложений. Примеры оборудования и систем, в которых используются электрические трансформаторы, включают электрические схемы, линии электропередач, фонари, автомобильные стартеры, ПК, солнечные преобразователи, электрические приводы и персональную электронику.

История электрических трансформаторов

История электрических трансформаторов начинается с открытия индукции в 1830-х годах, когда английский ученый Майкл Фарадей и американский ученый Джозеф Генри независимо друг от друга изучали электромагниты. Благодаря своим исследованиям, с интервалом в один год, не говоря ни слова, они оба открыли свойство индукции.

Одним из способов, которыми Фарадей это делал, была попытка продемонстрировать, как электромагнитные поля обеспечивают энергию.Для этого он намотал две катушки на противоположные стороны кольца, соединив одну с батареей, а другую с гальванометром. При подключении к батарее одна катушка будет получать питание, а затем передавать эту мощность на другую катушку, что подтверждает его теорию. Он также узнал, что ток по-прежнему течет к гальванометру и питает его даже после отключения от батареи.

Электрический трансформатор — Johnson Electric Coil Company

Фарадей разработал закон Фарадея в 1831 году. Закон Фарадея гласит, что индуцированная электродвижущая сила в любой замкнутой цепи равна отрицательной скорости изменения магнитного потока, заключенного в цепи.Его закон помог многим ученым и инженерам на протяжении девятнадцатого века, когда они экспериментировали с трансформаторами и распределением энергии.

В 1836 году ирландский преподобный, работавший в колледже Мэйнут, преподобный Николас Каллан изобрел индукционную катушку. Его индукционная катушка позволяла людям получать высокое напряжение от батарей. Преподобный Каллан основал свое изобретение на своем понимании того, что по отношению к первичной обмотке, чем больше витков испытывает вторичная обмотка, тем больше результирующая ЭДС (т.е.г. вольт на виток: если первичная обмотка имеет 1000 витков, а вторичная обмотка — 1000 витков, то их соотношение витков составляет 10: 1. Итак, если первичная обмотка выдает 100 вольт, вторичная будет производить 10.)

В 1886 году, после покупки патента у Джона Диксона Гиббса и Люсьена Голлара, компания Westinghouse начала коммерческое производство трансформаторов с открытыми железными сердечниками. Гиббс и Голлар назвали их «вторичными генераторами». В том году они использовали трансформаторы, чтобы обеспечить электричеством весь город Грейт-Баррингтон, штат Массачусетс.

Между тем, на территории нынешнего Будапешта, Венгрия, ученые Отто Блати, Микса Дери и Кароли Зиперновски уже переходили от трансформаторов с открытым сердечником, считая их ненадежными. В 1884 году они разработали первый высокоэффективный трансформатор переменного тока. Они использовали их для питания систем освещения лампами накаливания переменного тока. В 1885 году они подали совместные патентные заявки на трансформаторы с двумя различными конфигурациями замкнутой цепи. Их трансформаторов было 3.В 4 раза эффективнее, чем у Westinghouse. Из них мы получили две основные конструкции трансформатора, которые мы используем до сих пор: тип сердечника и тип оболочки.

Несколько лет спустя, работая в компании в Германии, русский инженер Михаил Доливо-Добровольский сконструировал первый трехфазный трансформатор. Независимо в 1880-х годах несколько других изобретателей также придумали системы питания, основанные на нескольких фазах. Среди этих изобретателей — Йонас Венстрём, Михаил Доливо-Добровольский, Джон Хопкинсон, Галилео Феррарис и Никола Тесла.Никола Тесла продолжил это в 1891 году, выпустив первый трансформатор с воздушным сердечником, названный катушкой Тесла. Катушка Тесла была известна своей способностью генерировать исключительно высокие напряжения на высоких частотах.

С тех пор эти блоки питания эволюционировали для обслуживания всех типов приложений. Их легче контролировать, они разнообразнее по размеру, сильнее и эффективнее. Со временем можно ожидать, что эта тенденция сохранится.

Конструкция

Производители изготавливают электротрансформаторы с сердечником и обмотками.Некоторые из них оснащены механизмами охлаждения, а другие — изоляцией.

Производители могут изготавливать сердечники из различных материалов, включая многослойную сталь (также известную как кремнистая сталь, кремнистая электротехническая сталь, релейная сталь или трансформаторная сталь), порошковое железо или ферриты. Сердечники также могут быть пустыми пространствами, называемыми «воздушными змеевиками».

Обмотки представляют собой провода с различным количеством жил. Они изготовлены из токопроводящих проводов, таких как алюминий, медь, эмалированная магнитная проволока или кремнистая сталь с ориентированной зеренной структурой.

Соображения и настройки
Производители могут изготавливать электрические трансформаторы в широком диапазоне конфигураций, чтобы эффективно работать со всеми типами приложений электрического преобразования. Трансформаторы бывают разных размеров — от трансформатора размером с большой палец в лампе или микрофоне до большого трансформатора на электростанции.

При проектировании трансформатора поставщики думают о технических характеристиках приложения, таких как требуемое количество напряжения, размер устройства или системы, максимальная температура, которую могут достичь ваши провода и система, стандартные требования и ваш бюджет.Производители основывают количество обмоток, которые они устанавливают, исходя из желаемого напряжения, потому что количество обмоток напрямую определяет напряжение, которое передается через магнитное поле. Уровень напряжения зависит от соотношения обмоток первичной обмотки и вторичной обмотки. Например, понижающий трансформатор будет иметь меньше обмоток во вторичной обмотке, чем в первичной, в то время как повышающий трансформатор будет иметь меньше обмоток в первичной обмотке, чем во вторичной. Кроме того, производители думают о количестве первичных обмоток, поскольку количество трансформаторов определяет его размер и стоимость.

Характеристики

Электротрансформаторы состоят из двух наборов обмоток, соединенных магнитным полем. В основе трансформатора лежит соединение, состоящее из феррита или железа, или многослойный сердечник, окруженный медными катушками. Обе катушки известны как первичная и вторичная катушки, обе из которых служат проводниками.

Первичная катушка создает магнитное поле вокруг проводника при получении переменного напряжения. Затем магнитное поле активирует вторичную катушку, которая изменяет напряжение и передает электричество.Наконец, вновь преобразованная электрическая энергия перемещается в центр нагрузки, где выполняется остальная часть электрического процесса.

Типы

Электротрансформаторы доступны в бесчисленных конфигурациях. Несколько примеров этих конфигураций включают импульсные трансформаторы, зигзагообразные трансформаторы, тороидальные трансформаторы, понижающие трансформаторы, повышающие трансформаторы, автотрансформаторы, низковольтные трансформаторы, высоковольтные трансформаторы, трехфазные трансформаторы, измерительные трансформаторы, изолирующие трансформаторы и инверторы.

Преобразователи импульсов используются для создания электрических скачков или импульсов, которые используются в таких приложениях, как радиолокационная связь, ускорение частиц и вспышки камеры.

Зигзагообразные трансформаторы — это трехфазные трансформаторы, которые используются для определенных целей, например, для регулирования гармонических токов и обеспечения заземления незаземленных электрических систем.

Тороидальные трансформаторы имеют форму кольца и известны своей компактностью и способностью уменьшать электромагнитные помехи.Его индукторы регулируют количество переменного тока, поступающего в электрическое устройство, а также снижают высокочастотный шум.

Понижающие трансформаторы имеют меньшее количество вторичных обмоток и преобразуют высокое напряжение в низкое.

Повышающие трансформаторы работают наоборот, поскольку они имеют большее количество обмоток во вторичных обмотках.

Автотрансформаторы передают электричество через проводники, которые контактируют друг с другом и поэтому не изолированы ни от цепи нагрузки, ни от источника.

Трансформаторы низкого напряжения преобразуют электрический ток в напряжение, подходящее для таких устройств, как небольшие электронные устройства и диммеры.

Трансформаторы высокого напряжения , с другой стороны, используются в таких приложениях, как передача электроэнергии от одного энергообъекта к другому, а также в точках его потребления.

Трехфазные трансформаторы используют три фазы для преобразования электроэнергии.

Измерительные трансформаторы , в дополнение к трансформаторам тока, способны точно измерять и контролировать уровни напряжения, когда электричество передается через первичную и вторичную обмотки трансформатора.

Изолирующие трансформаторы имеют отключенные первичные и вторичные обмотки. Они отключают две цепи и позволяют питанию переменного тока перемещаться между двумя устройствами, в то время как две цепи остаются разделенными. Большинство конфигураций трансформаторов можно классифицировать как изолирующие трансформаторы из-за их способности регулировать электрическую передачу посредством индукции.

Инверторы могут преобразовывать постоянное напряжение или напряжение постоянного тока в переменный или переменный ток.

Преимущества электрических трансформаторов

Одним из самых больших преимуществ электрических трансформаторов является то, что они являются самым безопасным средством для проведения электричества между цепями. Кроме того, электрические трансформаторы настолько эффективны и мощны, что питают все, от электробритвы до кваса для целых сообществ. Они также универсальны по физическим размерам и могут быть достаточно маленькими, чтобы поместиться в бытовой электроприбор, или достаточно большими, чтобы их можно было ограждать на всем энергообъекте.

Кроме того, электрические трансформаторы могут не только изменять напряжение электрических токов, но и изолировать различные части тока.

Когда есть разница в напряжении между источником питания и электрическим устройством, необходимы электрические трансформаторы. Если напряжение слишком высокое или слишком низкое, это может привести к серьезным проблемам. Использование слишком высокого напряжения может привести к выходу устройства из строя, если не полностью разрушить его. Более серьезные последствия чрезмерного напряжения включают возгорание или поражение электрическим током.Также устройства могут выйти из строя из-за недостатка напряжения.

Принадлежности

Существует множество принадлежностей, которые могут помочь в применении вашего электрического трансформатора. Примеры включают коробки предохранителей, крышки отсеков предохранителей, держатели предохранителей, зажимы предохранителей, перемычки, съемники предохранителей, крышки клемм, комплекты наконечников, погодозащитные экраны и многое другое. Чтобы узнать, какие аксессуары могут вам подойти, поговорите со своим поставщиком.

Стандарты

Некоторые из стандартов организаций / ассоциаций, которым, возможно, придется придерживаться ваших электрических трансформаторов, включают стандарты, разработанные NEMA (Национальная ассоциация производителей электрооборудования), IEEE (Институт инженеров по электротехнике и электронике), ASTM International, ANSI (Американский национальный институт стандартов) и ISO (Международный институт стандартов).

Кроме того, во многих отраслях промышленности применяются стандарты, основанные на тех или иных стандартах. Примеры этих отраслей включают военную и оборонную промышленность (Mil-Specs), здравоохранение (FDA), автомобилестроение, транспорт (DOT) и другие. Узнайте, какие технические характеристики требует и / или рекомендует ваша отрасль, поговорив с руководителями отрасли и соответствующими государственными учреждениями.

На что следует обратить внимание

Перед покупкой электрического трансформатора необходимо найти производителя.Найти подходящего производителя не всегда легко, так как существует множество вариантов. Чтобы помочь вам разобраться, мы собрали список лучших представителей бизнеса и предоставили их контактную информацию на этой странице. Прежде чем их просмотреть, если вы еще этого не сделали, составьте список своих спецификаций, требований, вопросов и проблем. Не забудьте записать такую ​​информацию, как ваш бюджет, срок, ваши предпочтения по доставке и поддержка после доставки. После того, как вы составите свой список, вы можете начать просматривать поставщиков электрических трансформаторов, которые мы вам предоставили.По мере того, как вы просматриваете, сравнивайте и сопоставляйте их услуги и продукты с вашими потребностями. Выберите трех или четырех и позвоните им. После того, как вы обсудите свое приложение с каждым из них, посмотрите на их предложения услуг, продукты, цены и обслуживание клиентов. Затем выберите подходящий и приступайте к работе. Удачи!

Информационное видео по электрическому трансформатору

Для чего нужен электрический трансформатор?

Трансформатор — это электрическое устройство, разработанное и изготовленное для повышения или понижения напряжения.Электрические трансформаторы работают по принципу магнитной индукции и не имеют движущихся частей. Поскольку трансформатор преобразует напряжение на входе в напряжение, необходимое для устройства или оборудования, подключенного к выходу, он обратно увеличивает или уменьшает ток, протекающий между различными уровнями напряжения. Электрический трансформатор является примером закона сохранения энергии, который гласит, что энергия не может быть ни создана, ни разрушена, а только преобразована!

Основная конструкция электрического трансформатора

Электрические трансформаторы, не имеющие движущихся частей или высокочувствительных основных компонентов или материалов, по своей природе являются исключительно надежными и долговечными элементами оборудования.От хорошо спроектированного и качественно изготовленного трансформатора можно ожидать, что он будет работать непрерывно и без сбоев в течение многих лет при номинальных условиях эксплуатации. В своей основной форме электрический трансформатор состоит из двух катушек или обмоток — входной и выходной — из электропроводящего провода, намотанного на сердечник из электротехнической стали.

Основная функция электрического трансформатора

Когда первичная катушка, принимающая напряжение (вход), находится под напряжением, сердечник намагничивается, и напряжение впоследствии индуцируется или стимулируется в выходной или вторичной катушке.Изменение напряжения (отношения напряжений) между первичной и вторичной обмотками зависит от соотношения витков катушек. Когда трансформатор нагружен, то есть когда устройство или оборудование, для питания которого предназначен трансформатор, подключено и трансформатор находится под напряжением, «нагрузка» начинает потреблять ток (выраженный в амперах или амперах) при напряжении, при котором трансформатор был разработан, чтобы доставить.

В Johnson Electric Coil Company мы предлагаем комплексные услуги по проектированию, проектированию и производству для поставки высокоэффективных электрических трансформаторов и индукторов на заказ.Предлагаемые нами услуги по проектированию и производству являются одними из самых разнообразных в отрасли.

Если вы ищете индивидуальный электрический трансформатор или индуктор, наша команда Johnson Electric Coil Company может вам помочь. Наш опыт в отрасли насчитывает более восьми десятилетий, и мы здесь, чтобы удовлетворить все ваши потребности в электрических трансформаторах на протяжении десятилетий.

Чтобы узнать больше о наших трансформаторах и возможностях, связанных с вашими приложениями, позвоните нам сегодня по телефону 800.826.9741 или заполните нашу контактную форму.

Умные трансформаторы

сделают сеть более чистой и гибкой

Трудно переоценить важность трансформаторов в наших электрических сетях. Они буквально везде: на столбах и площадках, на подстанциях и в частной собственности, на земле и под ней. В одном только вашем районе их, наверное, десятки. Без них сложно представить мир. Но мы с коллегами именно этим и занимаемся.

В распределительной системе трансформаторы обычно принимают средние или «первичные» напряжения, измеряемые в тысячах вольт, и преобразуют их во вторичные напряжения, такие как 120, 240 или 480 вольт, которые могут быть безопасно доставлены в дома и на предприятия. по всему миру.Этот подход использовался еще до того, как переменный ток выиграл войну токов в 1892 году. Трудно назвать другую электротехнологию, которая выжила бы так долго.

Тем не менее, пора начать думать за пределами обычного трансформатора. Во-первых, трансформаторы громоздкие. Они часто охлаждаются маслом, которое может протекать и его трудно утилизировать безопасным образом. Что особенно важно, трансформаторы — это пассивные инструменты с односторонним движением. Они не предназначены для адаптации к быстро меняющимся нагрузкам.Этот недостаток быстро станет недопустимым, поскольку распределенные источники энергии, такие как ветряные турбины, солнечные панели и батареи электромобилей, подают все больше и больше энергии в сеть.

К счастью, исследования нового типа технологии, способной устранить все эти ограничения, достигли значительных успехов. Благодаря последним достижениям в области силовой электроники мы теперь можем задуматься о создании интеллектуальных, эффективных «твердотельных трансформаторов» или SST. Они обещают справиться с задачами, которые сложно, если вообще возможно, выполнить с помощью обычного трансформатора, например, управлять очень изменчивым двусторонним потоком электроэнергии между, скажем, микросетью и основной сетью.Более того, эти интеллектуальные трансформаторы могут быть модульными, что упрощает их транспортировку и установку. И они могут быть значительно меньше, чем аналогичный обычный трансформатор — примерно вдвое меньше по весу и втрое меньше по объему.

В ближайшем будущем SST могут стать благом для аварийного восстановления в местах с поврежденной электрической инфраструктурой и для таких условий, как военно-морские суда, где объем и вес имеют большое значение. Кроме того, в будущем они могут переопределить электрическую сеть, создав распределительные системы, способные принимать большой приток возобновляемой и накопленной энергии, резко повышая стабильность и энергоэффективность процесса.

Сети переменного тока полагаются на напряжения в сотни тысяч вольт для передачи энергии на большие расстояния. Но по мере того, как ток приближается к нагрузке, напряжение должно снова упасть. Таким образом, трансформаторы используются по всей сети, чтобы повысить электрическое напряжение, выходящее с электростанции, до высокого напряжения, чтобы его можно было передавать с большой эффективностью, и понизить его на стороне распределения до уровней, подходящих для электростанций и предприятий. , и дома.

Несмотря на то, что трансформатор много раз совершенствовался на протяжении многих лет, по сути, это технология 19-го века, в которой используются простые принципы электромагнетизма. В самом базовом варианте на магнитопровод намотаны две катушки. Поскольку переменный ток, проходящий через одну катушку провода — первичную — изменяется со временем, он создает магнитное поле в сердечнике, которое также изменяется во времени. Это изменяющееся магнитное поле, в свою очередь, индуцирует переменный ток и напряжение в другой катушке — вторичной.Отношение входного или первичного напряжения к выходному или вторичному напряжению определяется соотношением витков в первичной и вторичной катушках.

Трансформаторы обладают рядом замечательных свойств. Они эффективны и надежны, а также обладают очень полезной функцией, называемой гальванической развязкой. Поскольку входная и выходная стороны трансформатора связаны только магнитными полями, ток не может протекать напрямую через устройство от первичной к вторичной стороне.Эта изоляция является важной функцией безопасности, которая помогает предотвратить попадание электричества высокого напряжения в места, куда оно не должно попадать.

Некоторые трансформаторы способны выдерживать определенную изменчивость. Распределительные трансформаторы могут быть оснащены переключателем ответвлений, который механически переключает различные части катушки, уменьшая или увеличивая количество витков, чтобы уменьшить или увеличить напряжение в ответ на большие изменения нагрузки.

Но эти трансформаторы с отводами не подходят для частых и больших перепадов напряжения, которые могут возникать в настоящее время.Вместо того, чтобы менять один или два раза в день, как это было много лет назад, переключатели ответвлений теперь могут легко менять положение более десятка раз, что приводит к значительному износу.

Если бы мы могли спроектировать трансформатор, который не нуждался бы в механическом инструменте для регулировки его напряжения, мы могли бы устранить значительные расходы на распределительную инфраструктуру. Естественным решением, конечно же, является применение наиболее подходящей технологии, а именно силовой электроники.

И действительно, ряд инженеров изучают идею «гибридного трансформатора», который добавляет силовую электронику для помощи в управлении напряжением.Но новые высоковольтные полупроводниковые устройства необходимы, если мы хотим создать более мощные электронные распределительные трансформаторы. И до недавнего времени не было переключателей со всеми нужными свойствами.

Например, тиристоры

можно использовать для создания преобразователей, которые можно подключать к высоковольтным линиям. Но конвертеры занимали бы много места. Это потому, что тиристоры не предназначены для работы на высоких частотах. Чем ниже частота, тем больше должны быть пассивные элементы системы, в частности, катушки индуктивности и конденсаторы.Вы можете думать об этих компонентах как об устройствах для хранения заряда; чем ниже частота, тем больше времени им нужно, чтобы выдерживать протекающие через них заряды, а это значит, что они должны быть довольно большими.

Рабочий переключатель силовой электроники, кремниевый биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) лучше подходит. Эти устройства использовались для создания SST для железнодорожных приложений в Европе. И они конечно быстрее. Но самые строгие коммерческие устройства могут выдерживать напряжение до 6.5 киловольт. Хотя это напряжение пробоя идеально подходит для ряда энергетических приложений, его недостаточно для обработки электричества, протекающего через распределительные трансформаторы; в Соединенных Штатах типичное напряжение в нижней части спектра составляет 7,2 кВ.

Конечно, если несколько из этих IGBT будут подключены последовательно, их можно будет использовать для создания SST, способного выдерживать напряжение. Но небольшие производственные изменения означают, что каждый IGBT будет переключаться при немного другом напряжении, а это означает, что некоторые транзисторы переключаются раньше, чем другие, неся большую нагрузку.Конденсаторы могут помочь уравновесить напряжения, но в результате они будут громоздкими, неэффективными, менее надежными и более дорогими.

К счастью, кремний — не единственный вариант. За последние 10 лет были достигнуты большие успехи в разработке переключателей на основе сложных полупроводников, в частности карбида кремния. Карбид кремния обладает рядом привлекательных свойств, которые проистекают из его большой запрещенной зоны — энергетического барьера, который необходимо преодолеть, чтобы переключиться с изолятора на проводник. Ширина запрещенной зоны карбида кремния равна 3.26 электрон-вольт до 1,1 эВ кремния, что означает, что материал может подвергаться воздействию значительно более высоких электрических полей и температур, чем кремний, без разрушения. А поскольку этот составной полупроводник может выдерживать гораздо более высокие напряжения, силовые транзисторы, построенные из него, можно сделать более компактными, что, в свою очередь, позволяет им переключаться намного быстрее, чем их аналоги на основе кремния. Более высокая скорость переключения также снижает потери энергии, поэтому транзисторы из карбида кремния могут пропускать больший ток при заданном тепловом балансе.

Уменьшение: на этих полках в Системном центре FREEDM находится часть TIPS, трехфазного твердотельного трансформатора. Обычный трансформаторный компонент TIPS (серые прямоугольники внизу) может быть небольшим благодаря силовой электронике, преобразующей электричество в высокочастотный. Фото: Субхашиш Бхаттачарья / NCSU

Вдохновленные разработками в устройствах из карбида кремния и соответствующими исследованиями, финансируемыми Исследовательским институтом электроэнергетики в США, наша группа из Университета штата Северная Каролина в 2007 году подала заявку на получение гранта от Университета штата Северная Каролина.S. Национальный научный фонд. Мы использовали грант для открытия Центра систем доставки и управления будущей возобновляемой электроэнергией (FREEDM) с целью развития технологий, которые потребуются нам для модернизации электрической сети, чтобы сделать ее более безопасной, надежной и экологически устойчивой.

SST

были большим приоритетом для центра, и мы стремились решить проблему как однофазных, так и трехфазных распределительных трансформаторов. Чтобы понять разницу, вот небольшая предыстория. Энергия, вытекающая из подстанций, обычно передается по трем проводам, по каждому из которых протекает переменный ток, сдвинутый по фазе на 120 градусов по отношению к двум другим.Эти линии могут быть разделены и пропущены по отдельности (вместе с нейтральной линией) через однофазный трансформатор, например, для подачи электроэнергии низкого напряжения в жилые кварталы. Или линии могут быть проведены вместе в трехфазном фидере в места с повышенным энергопотреблением, такие как центры обработки данных, фабрики, коммерческие здания и торговые комплексы.

В FREEDM мы начали с работы над SST, предназначенными для обслуживания однофазных сетей с низким напряжением. Трансформаторы в некоторых отношениях похожи на импульсные блоки питания, которые теперь повсеместно используются в качестве источников питания для портативных компьютеров и других устройств.

Наш подход заключался в создании SST из трех модулей. Первый, называемый входным преобразователем, принимает входящий переменный ток, скажем, 7,2 кВ, и преобразует его в постоянный ток (из-за особенностей нашей конструкции этот постоянный ток имеет несколько более высокое напряжение). Преобразование переменного тока в постоянное выполняется с помощью набора силовых транзисторов. В первом воплощении это было сделано с помощью кремниевых IGBT, а во втором SST мы сделали это с помощью одного из первых переключателей из карбида кремния: полевого транзистора из карбида кремния, металл-оксид-полупроводник, или MOSFET.

Чтобы преобразовать поступающее электричество, которое колеблется с частотой 60 Гц в США, в постоянный ток, требуются два дополнительных набора транзисторов. Один набор работает, когда поступающее электричество переменного тока имеет положительное напряжение, а другой набор работает, когда он имеет отрицательное напряжение. Благодаря способу подключения транзисторов, независимо от напряжения поступающего электричества, заряд накапливается на конденсаторе, который постоянно разряжается, создавая постоянный ток. Мы используем транзисторы для выполнения этого процесса выпрямления вместо традиционных диодов, потому что мы можем запускать их на частоте, во много раз превышающей входную частоту.Это позволяет нам очень точно нарезать синусоидальный входящий ток, чтобы не вносить шум и нежелательные гармоники в восходящем направлении. Это приведет к отклонениям от четких синусоидальных волн в напряжении и токе и, следовательно, к непригодной для использования энергии, которая будет потеряна на тепло.

Во втором модуле другой набор транзисторов преобразует поступающий постоянный ток в переменный ток с частотой, измеряемой в килогерцах. Затем этот ток пропускается через обычный, хотя и высокочастотный, трансформатор для преобразования напряжения, скажем, до 800 В.

Почему высокая частота? По сути, размер трансформатора обратно пропорционален частоте напряжения, которое он должен преобразовывать. Чем выше частота, тем меньше трансформатор и, в качестве бонуса, он будет эффективнее. После того, как напряжение снижается, набор устройств с более низким напряжением преобразует этот все еще высокочастотный переменный ток обратно в постоянный ток.

Третий модуль представляет собой инвертор, который использует еще один набор транзисторов для преобразования электроэнергии постоянного тока обратно в переменный ток с частотой сети, после чего его можно безопасно поставлять конечным пользователям.

Первая однофазная SST, созданная нами, была разработана для изучения ограничений кремния; второй позволил нам испытать устройства из карбида кремния. И если есть какие-либо сомнения в преимуществах карбида кремния по сравнению с кремнием, их можно решить, сравнив эти два SST. Нашему кремниевому трансформатору потребовалось три набора кремниевых IGBT, расположенных последовательно, для преобразования входящей электроэнергии 7,2 кВ в стандартное выходное напряжение 120 и 240 В, и он мог работать только на частоте до 3 кГц. На этой частоте обычный трансформатор был меньше, но нам понадобилось их три.Версия из карбида кремния могла выполнять ту же задачу с одним набором транзисторов, и она могла работать на частоте 20 кГц — частота, которая позволила нам использовать трансформатор во втором модуле, который был всего на 20 процентов от размера обычного трансформатора на 60 Гц. . В целом, наш однофазный карбид кремния SST был втрое меньше своего обычного аналога.

Итак, в конце концов, мы просто взяли один большой трансформатор и заменили его меньшим с большим количеством дорогостоящей электроники? Не совсем.Подобно гибридному трансформатору, созданный нами трансформатор может автоматически и быстро адаптироваться к изменениям напряжения в широком диапазоне, устраняя необходимость в механических переключателях ответвлений. Но это также интеллектуальное устройство управления энергией, которое может обрабатывать широкий спектр нагрузок и источников, обеспечивая гораздо лучшую гибкость и отказоустойчивость, чем обычный или гибридный трансформатор.

При трехмодульном подходе батареи и возобновляемые источники энергии могут подключаться непосредственно к одной стороне центрального модуля SST.В результате эти источники энергии могут иметь прямой интерфейс постоянного тока с сетью. Такое расположение значительно уменьшит потери энергии, когда солнечные панели, ветряные турбины и т.п. перекачивают энергию обратно в сеть, поскольку вырабатываемая ими электроэнергия не нуждается в преобразовании в переменный ток, чтобы проходить через близлежащие трансформаторы. .

Наша работа над однофазными SST побудила нас расширить наши усилия по созданию трехфазных SST. Это означало бы создание трансформатора, который мог бы обслуживать все три линии, которые выходят из подстанции или проходят по распределительной фидерной цепи.Обычное входное напряжение составляет 13,8 кВ, которое преобразуется в 480 В для промышленного и коммерческого использования.

Здесь, при таком относительно высоком напряжении, полевые МОП-транзисторы из карбида кремния были не лучшим выбором; они теряют много энергии, когда через них протекает ток, и потери тем больше, чем выше напряжение и температура. К счастью, корпоративный партнер недалеко от университета, Кри, работал над карбидокремниевыми IGBT. Они теряют больше энергии, чем полевые МОП-транзисторы, при переключении, но они могут пропускать больше тока через ту же область и поэтому быть еще более компактными.

В 2010 году Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США выделило нашей команде 4,2 миллиона долларов США на создание трехфазной ТПМ из этих устройств. Мы назвали этот проект Бестрансформаторной интеллектуальной подстанцией или TIPS. Признаюсь, это прозвище несколько странное: TIPS — это не подстанция, и в ней нет трансформатора. Но часть названия «подстанция» возникла потому, что мы хотели подчеркнуть, насколько умной и производительной может быть SST. А «бестрансформаторный» на самом деле относится к идее использования меньшего количества традиционных трансформаторных технологий за счет работы на довольно высокой частоте.

Фото: Кри Преобразование в трех частях: Бестрансформаторная интеллектуальная подстанция была завершена в 2015 году и стала первым трехфазным трансформатором, изготовленным на твердотельных устройствах. Трансформатор состоит из трех модулей и включает в себя небольшие обычные однофазные трансформаторы, работающие на высокой частоте.

При таком большом количестве различных шагов преобразования можно подумать, что SST, такие как TIPS, значительно менее эффективны, чем обычные трансформаторы.Но на самом деле они неплохо справляются. Сегодня трансформаторы имеют КПД более 99 процентов, когда они работают на полную мощность, при этом менее 1 процента электроэнергии теряется на тепло. Но КПД падает до 95 процентов для трансформатора, работающего на 30–50 процентов мощности. Для сравнения, мы ожидаем, что SST, такие как TIPS, будут иметь эффективность 98 процентов, независимо от нагрузки. Более того, плавно регулируя напряжение, SST может снизить зависимость от повышающего тока — крайне неэффективное средство, которое используется сегодня, чтобы гарантировать, что потребителю поступает достаточно энергии, даже если напряжение в линии падает.

Наша команда не единственная , которая построила SST. Но с помощью TIPS мы смогли продемонстрировать, что могут предложить карбидокремниевые IGBT: новый класс трехфазных трансформаторов, одновременно компактных и сверхмощных.

Есть все еще препятствия для широкого внедрения. Один из них — способность противостоять экстремальным условиям. Традиционные трансформаторы могут выдерживать удары молнии и скачки напряжения, безотказно перегреваясь. Но силовая электроника гораздо менее снисходительна; Транзисторы маленькие и имеют небольшую тепловую инерцию, что означает, что они нагреваются почти мгновенно.Зависящие от напряжения резисторы и ограничители перенапряжения, установленные на стороне высокого напряжения SST, могут помочь компенсировать это ограничение.

Еще одно препятствие — это стоимость. IGBT-транзисторы из карбида кремния, которые мы использовали для изготовления TIPS, были экспериментальными устройствами, коммерчески недоступными. Такие компании, как Cree, General Electric, Infineon, Mitsubishi и Rohm, продолжают разрабатывать эти устройства. И с тех пор Cree продолжила строить версии на 20 и 24 кВ. Эти более высокие значения напряжения могут привести к SST, для которых потребуется значительно меньше устройств, что приведет к экономии средств и места.Но карбидокремниевые IGBT все еще находятся на ранней стадии разработки, и их коммерциализация будет частично зависеть от практических аспектов, таких как способность производить их с меньшим количеством дефектов. Может пройти несколько лет, прежде чем карбидокремниевые IGBT станут зрелыми и, следовательно, достаточно дешевыми, чтобы производить SST, которые можно было бы предлагать по конкурентоспособной цене.

Тем временем наша команда получила значительную поддержку в исследовании создания SST с использованием более совершенных полевых МОП-транзисторов из карбида кремния 10 кВ.Эти транзисторы должны быть соединены последовательно, чтобы выдерживать трехфазные распределительные напряжения, и они не будут такими же эффективными, как IGBT. Но они по-прежнему могут предложить путь к созданию трансформаторов меньшего размера, чем у нас сегодня, со всеми продемонстрированными нами интеллектуальными возможностями и функциональностью SST.

Возможно, вы заметили, что если вы отключите внешние модули TIPS, вы получите преобразователь постоянного тока в постоянный. Если бы у нас были такие преобразователи на заре электричества, мы вполне могли бы видеть, как схема распределения постоянного тока Томаса Эдисона до сих пор конкурирует с подходом Николы Теслы к переменному току.В последние несколько лет это давнее соперничество снова вышло на первый план. Передача постоянного тока обещает меньшие потери на большие расстояния. И инженеры рассматривают микросети постоянного тока, чтобы более эффективно питать наши устройства, зависимые от постоянного тока, и повседневные гаджеты. Теперь мы можем делать преобразователи постоянного тока из кремниевой силовой электроники, достаточно эффективные для использования в таких микросетях; Версии из карбида кремния могут иметь более высокий КПД и более широкое применение.

Некоторые из этих идей являются новыми. Но они приобретают новую актуальность, поскольку мы стремимся максимально использовать наши энергетические ресурсы.SST предлагают способ кардинально изменить то, как власть доходит до нас. Изменения, которые они произведут, не будут такими гламурными и заметными, как огромные скачки в электронике, которые за последние 50 лет произвели революцию в нашей повседневной жизни. Но они окажут глубокое влияние на стабильность и эффективность нашей электрической инфраструктуры, в конечном итоге приведя ее — в конце концов — в эпоху электроники.

Эта статья опубликована в июльском выпуске печати за 2017 год как «Преобразование трансформатора».

Об авторе

Субхашиш Бхаттачарья — профессор электротехники и вычислительной техники в Университете штата Северная Каролина.

Общие сведения об электрических трансформаторах | Глава 5 — Согласование импеданса и передача мощности

В электрических системах

переменного тока широко используются трансформаторы. Трансформатор эквивалентен двум катушкам индуктивности, расположенным таким образом, чтобы усилить магнитную связь. Сильная магнитная связь между этими двумя индукторами позволяет передавать электрическую энергию от одного к другому без физического проводящего соединения. Другими словами, нормальный электрический ток не может течь от одной стороны трансформатора к другой, но, эффективно передавая электрическую энергию посредством изменяющегося во времени магнитного поля, устройство действует так, как если бы оно позволяло течь переменному току.

Рисунок 1. Трансформатор

Две катушки индуктивности в трансформаторе называются обмотками . Первичная обмотка принимает входной сигнал, а вторичная обмотка генерирует выходной сигнал. Как показано на рисунке 1, когда мы рисуем катушку индуктивности, первичная обмотка находится слева, а вторичная обмотка — справа. Вертикальные линии в символе обозначают использование основного материала; наматывание провода вокруг магнитного сердечника (вместо воздуха) приводит к более сильному магнитному полю.

Передаточное число

Как указано выше, трансформатор обеспечивает электрическую изоляцию между двумя частями системы: отсутствие физического проводящего соединения означает, что трансформатор будет блокировать постоянное напряжение и ток. Изоляция — важная особенность в определенных ситуациях, но оказывается, что трансформаторы обеспечивают дополнительную функциональность, которая является важным аспектом распределения электроэнергии: они могут «преобразовывать» напряжение переменного тока и амплитуды тока.

Преобразование напряжения и тока достигается путем создания трансформатора с обмотками, имеющими неравное количество «витков» — один виток соответствует намотке провода на сердечник один раз. Более конкретно, изменение напряжения или амплитуды тока определяется отношением числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки. Если число витков вторичной обмотки обозначено n2, а число витков первичной обмотки обозначено n1, коэффициент витков (N) рассчитывается следующим образом:

Если мы знаем напряжение на первичной обмотке (В ₁ ) и ток, протекающий через первичную обмотку (I ₁ ), все, что нам нужно, это соотношение витков, чтобы рассчитать напряжение, генерируемое вторичной обмоткой ( V ₂ ) и ток, протекающий через вторичную обмотку (I ₂ ):

Рисунок 2.Коэффициент трансформации устанавливает соотношение между входным и выходным напряжением трансформатора.

Обратите внимание, что N может быть больше или меньше единицы, то есть трансформатор может использоваться для создания вторичного напряжения, которое выше или ниже первичного напряжения.

Типы трансформаторов

Трансформатор, который предназначен для генерации выходного напряжения, превышающего входное, называется повышающим трансформатором .Важным применением повышающих трансформаторов является значительное увеличение напряжения, генерируемого электростанцией, так что электрическая энергия может эффективно передаваться на большие расстояния.

Трансформатор, который генерирует выходное напряжение ниже входного, — это понижающий трансформатор . В электросети используются понижающие трансформаторы для снижения чрезвычайно высокого напряжения передачи до амплитуд, подходящих для промышленного и бытового использования.

Если трансформатор имеет коэффициент трансформации 1, он называется изолирующим трансформатором , потому что нет изменения амплитуды напряжения и, таким образом, он обеспечивает только электрическую изоляцию.

Трансформатор с центральным отводом имеет вывод, подключенный к центру вторичной обмотки. Это позволяет одному трансформатору генерировать два выходных напряжения, которые имеют половину амплитуды, возникающей во всей вторичной обмотке. В бытовых электрических системах США используется трансформатор с центральным ответвлением, обеспечивающий как 115 В _RMS для маломощных устройств, так и 230 В _RMS для мощных приборов, таких как кондиционеры и водонагреватели.

Рис. 3. Пример использования трансформатора с центральным отводом.

Преобразование импеданса

Мы закончим эту страницу обсуждением интересного способа, которым трансформатор влияет на поведение схемы. Эффект называется отражением импеданса .

Если источник напряжения подключен к нагрузке, импеданс, «видимый» источником, является просто импедансом нагрузки.Это использование глагола «видеть» является попыткой кратко передать технику анализа подсхемы с точки зрения отдельной подсхемы. В случае источника и резистивной нагрузки, например, компонент нагрузки имеет физическое значение, скажем, 100 Ом, но эффект компонента, испытываемый источником, может соответствовать другому сопротивлению.

Рис. 4. Отражение импеданса

Наличие трансформатора может изменить импеданс источника напряжения.Это неудивительно, если учесть, что импеданс связан с напряжением и током и что трансформатор с N 1 изменяет напряжение и ток через компонент нагрузки на вторичной стороне. Оказывается, источник напряжения на первичной стороне трансформатора видит импеданс Z, деленный на N ² на вторичной стороне, где Z — физический импеданс компонента нагрузки, а N — отношение витков.

Обзор трансформаторов

Мы обсудили некоторую основную информацию, касающуюся трансформаторов.На этой странице также был представлен феномен отражения импеданса трансформатора, но не объяснялось значение отражения импеданса в контексте проектирования схем. Мы рассмотрим этот вопрос на следующей странице, где представлена ​​концепция максимальной передачи мощности.

ТРАНСФОРМАТОРЫ — прикладное промышленное электричество

Что такое повышающие и понижающие трансформаторы

Это действительно очень полезное устройство. С его помощью мы можем легко умножить или разделить напряжение и ток в цепях переменного тока.Действительно, трансформатор сделал передачу электроэнергии на большие расстояния реальностью, поскольку напряжение переменного тока может быть «повышено», а ток «понижен» для снижения потерь мощности сопротивления проводов вдоль линий электропередач, соединяющих генерирующие станции с нагрузками. На обоих концах (как на генераторе, так и на нагрузках) уровни напряжения снижаются трансформаторами для более безопасной работы и менее дорогого оборудования.

Трансформатор, который увеличивает напряжение от первичной к вторичной (больше витков вторичной обмотки, чем витков первичной обмотки), называется повышающим трансформатором .

И наоборот, трансформатор, предназначенный для работы с точностью до наоборот, называется понижающим трансформатором .

Давайте еще раз рассмотрим фотографию, показанную в предыдущем разделе:

Рис. 8.1. Поперечное сечение трансформатора, показывающее первичную и вторичную обмотки, имеет высоту несколько дюймов (приблизительно 10 см).

Это понижающий трансформатор, что подтверждается большим числом витков первичной обмотки и малым числом витков вторичной обмотки. В качестве понижающего блока этот трансформатор преобразует низковольтную слаботочную мощность в низковольтную сильноточную мощность.Провод большего сечения, используемый во вторичной обмотке, необходим из-за увеличения тока. Первичная обмотка, которая не должна проводить такой большой ток, может быть сделана из провода меньшего сечения.

Обратимость работы трансформатора

Если вам интересно, — можно использовать любой из этих типов трансформаторов в обратном направлении (питание вторичной обмотки от источника переменного тока и обеспечение питания нагрузки первичной обмоткой) для выполнения противоположной функции: может функционировать повышающий как понижение и виза-верса.

Однако, как мы видели в первом разделе этой главы, эффективная работа трансформатора требует, чтобы индуктивности отдельных обмоток были спроектированы для определенных рабочих диапазонов напряжения и тока, поэтому, если трансформатор должен использоваться «в обратном направлении», как это, должны использоваться в пределах исходных проектных параметров напряжения и тока для каждой обмотки, чтобы они не оказались неэффективными (или не повредили чрезмерным напряжением или током!).

Строительные этикетки трансформатора

Трансформаторы

часто конструируются таким образом, что не очевидно, какие провода ведут к первичной обмотке, а какие — к вторичной.В электроэнергетике, чтобы избежать путаницы, в электроэнергетике используется обозначение «H» для обмотки более высокого напряжения (первичная обмотка в понижающем блоке; вторичная обмотка в повышающем) и «X». обозначения низковольтной обмотки. Следовательно, у простого силового трансформатора будут провода с маркировкой «H ₁ », «H ₂ », «X ₁ » и «X ₂ ». Обычно это имеет значение для нумерации проводов (H ₁ по сравнению с H ₂ и т. Д.), который мы рассмотрим немного позже в этой главе.

Практическое значение повышающих и понижающих трансформаторов

Тот факт, что напряжение и ток «скачкообразно изменяются» в противоположных направлениях (одно вверх, другое вниз), имеет смысл, если вы вспомните, что мощность равна напряжению, умноженному на ток, и поймете, что трансформаторы не могут производить мощность , а только преобразовывают ее. . Любое устройство, которое могло бы выдавать больше энергии, чем потребляло бы, нарушило бы закон сохранения энергии в физике, а именно, что энергия не может быть создана или уничтожена, а только преобразована.Как и в случае с первым рассмотренным нами примером трансформатора, эффективность передачи энергии от первичной к вторичной стороне устройства очень хорошая.

Практическое значение этого становится более очевидным, когда рассматривается альтернатива: до появления эффективных трансформаторов преобразование уровня напряжения / тока могло быть достигнуто только за счет использования двигателей / генераторных установок. Чертеж моторно-генераторной установки показывает основной принцип работы: (Рисунок ниже)

Рисунок 8.2 Мотор-генератор иллюстрирует основной принцип работы трансформатора.

В такой машине двигатель механически соединен с генератором, который предназначен для выработки требуемых уровней напряжения и тока при скорости вращения двигателя. Хотя и двигатели, и генераторы являются довольно эффективными устройствами, использование обоих таким образом усугубляет их неэффективность, так что общий КПД находится в диапазоне 90% или меньше. Кроме того, поскольку для двигателей / генераторных установок, очевидно, требуются движущиеся части, механический износ и балансировка являются факторами, влияющими как на срок службы, так и на производительность.С другой стороны, трансформаторы способны преобразовывать уровни переменного напряжения и тока с очень высоким КПД без движущихся частей, что делает возможным широкое распространение и использование электроэнергии, которую мы считаем само собой разумеющимся.

Справедливости ради следует отметить, что моторные / генераторные установки не обязательно были заменены трансформаторами для всех приложений . Хотя трансформаторы явно превосходят мотор-генераторные установки для преобразования переменного напряжения и уровня тока, они не могут преобразовывать одну частоту переменного тока в другую или (сами по себе) преобразовывать постоянный ток в переменный или наоборот.Электродвигатели / генераторные установки могут выполнять все эти задачи с относительной простотой, хотя и с уже описанными ограничениями эффективности и механических факторов.

Электродвигатели / генераторные установки также обладают уникальным свойством аккумулирования кинетической энергии: то есть, если подача питания двигателя на мгновение прерывается по какой-либо причине, его угловой момент (инерция этой вращающейся массы) будет поддерживать вращение генератора на короткое время. 2µA} {I} [/ латекс]

Где,

[латекс] L = \ text {индуктивность катушки Генри} [/ латекс]

[латекс] N = \ text {Количество витков в катушке провода (прямой провод = 1)} [/ латекс]

[латекс] \ mu = \ text {Проницаемость основных материалов (абсолютная, а не относительная)} [/ латекс]

[латекс] A = \ text {Площадь рулона в квадратных метрах} [/ латекс]

[латекс] I = \ text {Среднее значение рулона в метрах} [/ латекс]

Итак, должно быть очевидно, что наши две катушки индуктивности должны иметь отношение витков катушки 10: 1, поскольку 10 в квадрате равно 100.Это похоже на то же соотношение, которое мы обнаружили между первичным и вторичным напряжениями и токами (10: 1), поэтому мы можем, как правило, сказать, что коэффициент трансформации напряжения и тока равен отношению витков обмотки между первичной и вторичной обмотками.

Рисунок 8.3 Пример понижающего трансформатора.

Понижающий трансформатор: (много витков: несколько витков).

Повышающий / понижающий эффект отношения витков катушки в трансформаторе аналогичен соотношению зубьев шестерни в механических зубчатых передачах, преобразуя значения скорости и крутящего момента почти таким же образом:

Рисунок 8.4 Редукторная передача снижает крутящий момент, одновременно увеличивая скорость.

Повышающие и понижающие трансформаторы для целей распределения энергии могут быть гигантскими по сравнению с показанными ранее силовыми трансформаторами, причем некоторые блоки имеют высоту дома. На следующей фотографии показан трансформатор подстанции высотой около двенадцати футов:

Рисунок 8.5 Трансформатор подстанции.

Существуют приложения, в которых необходима гальваническая развязка между двумя цепями переменного тока без какого-либо преобразования уровней напряжения или тока.В этих случаях используются трансформаторы под названием изолирующие трансформаторы с коэффициентами трансформации 1: 1. Настольный изолирующий трансформатор показан на рисунке ниже.

Рисунок 8.6 Изолирующий трансформатор изолирует питание от линии питания.

Поскольку трансформаторы по сути являются устройствами переменного тока, нам необходимо знать фазовые соотношения между первичной и вторичной цепями. Мы можем изобразить формы волны для первичной и вторичной цепей и увидеть фазовые соотношения.

Рисунок 8.7 Вторичное напряжение V (3,5) синфазно с первичным напряжением V (2) и понижено в десять раз.

Вторичное напряжение V (3,5) синфазно с первичным напряжением V (2) и понижено в десять раз.

При переходе от первичной, В (2), к вторичной, В (3,5), напряжение снижалось в десять раз, а ток повышался в десять раз. Формы сигналов как тока, так и напряжения являются синфазно при переходе от первичного к вторичному.

Рисунок 8.8 Первичный и вторичный токи синфазны. Вторичный ток увеличивается в десять раз.

Обозначения трансформатора

Похоже, что напряжение и ток двух обмоток трансформатора синфазны, по крайней мере, для нашей резистивной нагрузки. Это достаточно просто, но было бы неплохо узнать , каким образом мы должны подключить трансформатор, чтобы обеспечить правильное соотношение фаз. В конце концов, трансформатор — это не что иное, как набор индукторов с магнитной связью, а на индукторах обычно нет какой-либо маркировки полярности.Если бы мы посмотрели на трансформатор без маркировки, у нас не было бы возможности узнать, каким образом подключить его к цепи, чтобы получить синфазное (или не синфазное на 180 °) напряжение и ток:

Рисунок 8.9 На практике полярность трансформатора может быть неоднозначной.

Поскольку это практическая проблема, производители трансформаторов разработали своего рода стандарт маркировки полярности для обозначения фазовых соотношений. Он называется условным обозначением точек и представляет собой не что иное, как точку, помещенную рядом с каждым соответствующим плечом обмотки трансформатора:

Рисунок 8.10 Пара точек указывает полярность.

Обычно трансформатор поставляется с какой-то схематической диаграммой, на которой отмечены выводы проводов для первичной и вторичной обмоток. На схеме будет пара точек, похожая на то, что видно выше. Иногда точки будут опускаться, но когда метки «H» и «X» используются для обозначения проводов обмотки трансформатора, предполагается, что нижние индексы обозначают полярность обмотки. Провода «1» (H ₁ и X ₁ ) показывают, где обычно размещаются точки маркировки полярности.

Подобное расположение этих точек рядом с верхними концами первичной и вторичной обмоток говорит нам о том, что любая мгновенная полярность напряжения, наблюдаемая на первичной обмотке, будет такой же, как и на вторичной обмотке. Другими словами, фазовый сдвиг от первичного к вторичному будет равен нулю градусов.

С другой стороны, если точки на каждой обмотке трансформатора не совпадают, , а не , фазовый сдвиг будет 180 ° между первичной и вторичной обмотками, например:

Рисунок 8.11 Не в фазе: основной красный — точка, дополнительный черный — точка.

Конечно, условное обозначение точек указывает только на то, какой конец каждой обмотки является каким относительно другой обмотки (ей). Если вы хотите самостоятельно изменить соотношение фаз, все, что вам нужно сделать, это поменять местами соединения обмотки следующим образом:

Рисунок 8.12 В фазе: основной красный — точка, дополнительный красный — точка.

Трансформаторы «повышают» или «понижают» напряжение в соответствии с соотношением витков первичной и вторичной обмоток.

[латекс] \ text {Коэффициент передачи напряжения} = \ frac {N_ {вторичный}} {N_ {primary}} [/ latex]

[латекс] \ text {Текущий коэффициент передачи} = \ frac {N_ {первичный}} {N_ {вторичный}} [/ latex]

Где,

[латекс] N = \ text {Количество витков в обмотке} [/ латекс]

• Трансформатор, предназначенный для увеличения напряжения от первичной до вторичной, называется повышающим трансформатором .Трансформатор, предназначенный для понижения напряжения с первичной обмотки на вторичную, называется понижающим трансформатором .
• Коэффициент трансформации трансформатора будет равен квадратному корню из отношения его первичной индуктивности к вторичной индуктивности (L).

[латекс] \ text {Коэффициент передачи напряжения} = \ sqrt {\ frac {L_ {вторичный}} {L_ {первичный}}} [/ латекс]

• Имея возможность передавать мощность от одной цепи к другой без использования соединительных проводов между двумя цепями, трансформаторы обеспечивают полезную функцию гальванической развязки .
• Трансформаторы, предназначенные для обеспечения гальванической развязки без скачков напряжения и тока вверх или вниз, называются изолирующими трансформаторами .
• Фазовое соотношение напряжения и тока между первичной и вторичной цепями трансформатора прямое: в идеале нулевой сдвиг фазы.
• Условное обозначение точек — это тип маркировки полярности для обмоток трансформатора, показывающий, какой конец обмотки является каким относительно других обмоток.

Трансформаторы с несколькими вторичными обмотками

Трансформаторы — очень универсальные устройства. Базовая концепция передачи энергии между взаимными индукторами достаточно полезна между одной первичной и одной вторичной обмотками, но трансформаторы не обязательно должны быть сделаны с двумя наборами обмоток. Рассмотрим схему трансформатора:

Рисунок 8.13. Трансформатор с несколькими вторичными обмотками обеспечивает несколько выходных напряжений.

Здесь три катушки индуктивности имеют общий магнитный сердечник, магнитно «связывая» или «связывая» их вместе.Связь между коэффициентами витков обмотки и отношениями напряжений, наблюдаемая с одной парой взаимных индукторов, все еще сохраняется здесь для нескольких пар катушек.

Вполне возможно собрать трансформатор, подобный приведенному выше (одна первичная обмотка, две вторичные обмотки), в котором одна вторичная обмотка является понижающей, а другая — повышающей. Фактически, такая конструкция трансформатора была довольно распространена в цепях питания вакуумных ламп, которые требовались для подачи низкого напряжения на нити ламп (обычно 6 или 12 вольт) и высокого напряжения для пластин ламп (несколько сотен вольт) от источника питания. номинальное первичное напряжение 110 вольт переменного тока.

С таким трансформатором возможны не только напряжения и токи совершенно разных величин, но все цепи электрически изолированы друг от друга.

Рисунок 8.14 Фотография многообмоточного трансформатора с шестью обмотками, первичной и пятью вторичными обмотками.

Трансформатор на рисунке выше предназначен для обеспечения как высокого, так и низкого напряжения, необходимого в электронной системе с использованием электронных ламп. Низкое напряжение требуется для питания нитей вакуумных трубок, в то время как высокое напряжение требуется для создания разности потенциалов между пластиной и катодными элементами каждой трубки.Одного трансформатора с несколькими обмотками достаточно, чтобы обеспечить все необходимые уровни напряжения от одного источника 115 В. Провода для этого трансформатора (их 15!) На фотографии не показаны, они скрыты от глаз.

Если электрическая изоляция между вторичными цепями не имеет большого значения, аналогичный эффект может быть получен путем «постукивания» одной вторичной обмотки в нескольких точках по ее длине, как показано на рисунке ниже.

Рис. 8.15. Вторичная обмотка с одним ответвлением обеспечивает несколько напряжений.

Многополюсный коммутирующий трансформатор

Ответвитель — это не что иное, как соединение проводов, сделанное в некоторой точке обмотки между концами. Неудивительно, что соотношение витков обмотки / величины напряжения обычного трансформатора сохраняется для всех сегментов обмотки с ответвлениями. Этот факт можно использовать для производства трансформатора с несколькими передаточными числами:

Рис. 8.16. Вторичная обмотка с ответвлениями, использующая переключатель для выбора одного из многих возможных напряжений.

Переменный трансформатор

Продолжая концепцию отводов обмотки, мы получаем «переменный трансформатор», в котором скользящий контакт перемещается по длине открытой вторичной обмотки и может соединяться с ней в любой точке по ее длине.Эффект эквивалентен наличию отвода обмотки на каждом витке обмотки и переключателя с полюсами на каждом положении отвода:

Рисунок 8.17 Скользящий контакт на вторичной обмотке непрерывно изменяет вторичное напряжение.

Одно из применений переменного трансформатора для потребителей — это регуляторы скорости для модельных поездов, особенно поездов 1950-х и 1960-х годов. Эти трансформаторы были по существу понижающими блоками, причем максимальное напряжение, получаемое от вторичной обмотки, было существенно меньше, чем первичное напряжение от 110 до 120 вольт переменного тока.Контакт с регулируемой разверткой обеспечивает простое средство управления напряжением с небольшими потерями энергии, намного более эффективное, чем управление с использованием переменного резистора!

Подвижно-скользящие контакты слишком непрактичны для использования в крупных промышленных силовых трансформаторах, но многополюсные переключатели и отводы обмотки являются обычным явлением для регулировки напряжения. В энергосистемах необходимо периодически вносить корректировки, чтобы приспособиться к изменениям нагрузок в течение месяцев или лет во времени, и эти схемы переключения обеспечивают удобное средство.Как правило, такие «переключатели ответвлений» не предназначены для работы с током полной нагрузки, а должны срабатывать только тогда, когда трансформатор обесточен (отсутствует питание).

Автотрансформатор

Видя, как мы можем отвести любую обмотку трансформатора, чтобы получить эквивалент нескольких обмоток (хотя и с потерей гальванической развязки между ними), имеет смысл полностью отказаться от электрической изоляции и построить трансформатор из одной обмотки. Действительно, это возможно, и получившееся устройство называется автотрансформатором :

. Рисунок 8.18 Этот автотрансформатор повышает напряжение с помощью одинарной ответвленной обмотки, экономя медь и жертвуя изоляцией.

Автотрансформатор, изображенный выше, выполняет функцию повышения напряжения. Понижающий автотрансформатор будет выглядеть примерно так, как показано на рисунке ниже.

Рисунок 8.19. Этот автотрансформатор понижает напряжение с помощью одной обмотки с ответвлениями для экономии меди. Автотрансформаторы

находят широкое применение в приложениях, требующих небольшого повышения или понижения напряжения на нагрузке. Альтернативой обычному (изолированному) трансформатору было бы либо иметь правильное соотношение первичной / вторичной обмоток, предназначенное для работы, либо использовать понижающую конфигурацию с вторичной обмоткой, подключенной последовательно («повышающий») или последовательно. противодействующая («вздергивающая») мода.Для иллюстрации того, как это будет работать, приведены первичные, вторичные напряжения и напряжения нагрузки.

Конфигурации автотрансформатора

Во-первых, «повышающая» конфигурация. На рисунке ниже полярность вторичной катушки ориентирована так, что ее напряжение напрямую складывается с первичным напряжением.

Рисунок 8.20. Обычный трансформатор, подключенный как автотрансформатор для повышения сетевого напряжения.

Далее, «раскладывающаяся» конфигурация. На рисунке ниже полярность вторичной катушки ориентирована так, что ее напряжение напрямую вычитается из первичного напряжения:

Рисунок 8.21 Обычный трансформатор, подключенный как автотрансформатор для понижения напряжения в сети.

Основным преимуществом автотрансформатора является то, что та же функция повышения или понижения достигается только с одной обмоткой, что делает его более дешевым и легким в производстве, чем обычный (изолирующий) трансформатор, имеющий как первичную, так и вторичную обмотки.

Автотрансформатор с вариатором

Как и у обычных трансформаторов, обмотки автотрансформатора могут иметь ответвления для изменения передаточного числа.Кроме того, их можно сделать бесступенчато регулируемыми с помощью скользящего контакта, чтобы постучать по обмотке в любой точке по ее длине. Последняя конфигурация достаточно популярна, чтобы заслужить собственное имя: Variac . (рисунок ниже)

Рис. 8.22. Вариак — это автотрансформатор со скользящим ответвлением.

Маленькие вариаторы для настольного использования — это популярное оборудование для экспериментаторов в области электроники, поскольку они могут понижать (а иногда и повышать) напряжение переменного тока в домашних условиях с широким и точным диапазоном регулировки простым поворотом ручки.

• Трансформаторы могут быть оснащены более чем одной парой первичной и одной вторичной обмоток. Это позволяет использовать несколько коэффициентов повышения и / или понижения в одном устройстве.
• Обмотки трансформатора также могут иметь «ответвления»: то есть пересекаться во многих точках для разделения одной обмотки на секции.
• Переменные трансформаторы могут быть изготовлены с помощью подвижного плеча, который перемещается по длине обмотки, контактируя с обмоткой в ​​любой точке по ее длине.Обмотка, конечно же, должна быть оголенной (без изоляции) в области движения плеча.
• Автотрансформатор — это одинарная катушка индуктивности с ответвлениями, используемая для повышения или понижения напряжения, как трансформатор, за исключением гальванической развязки.
• A Variac — регулируемый автотрансформатор.

Поскольку трехфазные сети так часто используются в системах распределения электроэнергии, вполне логично, что нам потребуются трехфазные трансформаторы, чтобы иметь возможность повышать или понижать напряжение.Это верно лишь частично, поскольку обычные однофазные трансформаторы могут быть объединены вместе для преобразования мощности между двумя трехфазными системами в различных конфигурациях, устраняя необходимость в специальном трехфазном трансформаторе. Однако для этих задач созданы специальные трехфазные трансформаторы, которые могут работать с меньшими требованиями к материалам, меньшими размерами и меньшим весом, чем их модульные аналоги.

Обмотки и соединения трехфазного трансформатора

Трехфазный трансформатор состоит из трех наборов первичной и вторичной обмоток, каждый набор намотан на одну ногу узла железного сердечника.По сути, это выглядит как три однофазных трансформатора, совместно использующих объединенный сердечник, как показано на рисунке ниже.

Рисунок 8.23 ​​Сердечник трехфазного трансформатора имеет три набора обмоток.

Эти наборы первичной и вторичной обмоток будут соединены в конфигурации Δ или Y, чтобы сформировать единый блок. Различные комбинации способов, которыми эти обмотки могут быть соединены вместе, будут в центре внимания этого раздела.

Независимо от того, используются ли наборы обмоток с общим сердечником или каждая пара обмоток представляет собой отдельный трансформатор, варианты соединения обмоток одинаковы:

Первичная — Вторичная

• Y — Y
• Y — Δ
• Δ — Y
• Δ — Δ

Причины выбора конфигурации Y или Δ для соединений обмоток трансформатора те же, что и для любого другого трехфазного приложения: соединения Y обеспечивают возможность нескольких напряжений, в то время как соединения Δ имеют более высокий уровень надежности (если одна обмотка выходит из строя в открытом состоянии, два других могут поддерживать полное линейное напряжение нагрузки).

Вероятно, наиболее важным аспектом соединения трех наборов первичной и вторичной обмоток для формирования трехфазного трансформатора является уделение внимания правильному фазированию обмоток (точки, используемые для обозначения «полярности» обмоток). Помните правильное соотношение фаз между фазными обмотками Δ и Y: (рисунок ниже)

Рисунок 8.24 (Y) Центральная точка «Y» должна связывать либо все «-», либо все «+» точки намотки вместе. (Δ) Полярности обмоток должны складываться вместе (от + до -).

Правильная синхронизация фаз, когда обмотки не показаны в стандартной конфигурации Y или Δ, может быть непростой задачей. Позвольте мне проиллюстрировать это, начиная с рисунка ниже.

Рис. 8.23. Входы A1, A2, A3 могут быть соединены как «Δ», так и «Y», как и выходы B1, B2, B3.

Разводка фаз для трансформатора «Y-Y»

Три отдельных трансформатора должны быть соединены вместе для преобразования энергии из одной трехфазной системы в другую. Сначала я покажу электрические соединения для конфигурации Y-Y:

Рисунок 8.25 Фазовая разводка для трансформатора «Y-Y».

Обратите внимание на рисунок выше, как все концы обмотки, отмеченные точками, подключены к своим соответствующим фазам A, B и C, в то время как концы без точек соединены вместе, образуя центры каждой буквы «Y». Соединение первичной и вторичной обмоток по схеме «Y» позволяет использовать нейтральные проводники (N ₁ и N ₂ ) в каждой энергосистеме.

Фазовая разводка трансформатора «Y-Δ»

Теперь посмотрим на конфигурацию Y-Δ:

Рисунок 8.26 Подключение фаз для трансформатора «Y-Δ».

Обратите внимание на то, как вторичные обмотки (нижний набор, рисунок выше) соединены в цепочку, причем сторона с «точкой» одной обмотки соединена со стороной «без точки» следующей, образуя петлю Δ. В каждой точке соединения между парами обмоток выполняется подключение к линии второй энергосистемы (A, B и C).

Фазовая проводка для трансформатора «Δ-Y»

Теперь давайте рассмотрим систему Δ-Y на рисунке ниже.

Рисунок 8.27. Подключение фаз для трансформатора «Δ-Y».

Такая конфигурация (рисунок выше) позволит обеспечить несколько напряжений (между фазой или между фазой и нейтралью) во второй энергосистеме от исходной энергосистемы, не имеющей нейтрали.

Фазовая проводка для трансформатора «Δ-Δ»

И, наконец, перейдем к конфигурации Δ-Δ:

Рисунок 8.28. Схема подключения фаз для трансформатора «Δ-Δ».

Когда нет необходимости в нейтральном проводе во вторичной энергосистеме, предпочтительны схемы подключения Δ-Δ (рисунок выше) из-за присущей надежности конфигурации Δ.

Фазовая проводка для трансформатора «V» или «открытый Δ»

Учитывая, что Δ-конфигурация может удовлетворительно работать без одной обмотки, некоторые проектировщики энергосистем предпочитают создавать батарею трехфазных трансформаторов только с двумя трансформаторами, представляя конфигурацию Δ-Δ с отсутствующей обмоткой как на первичной, так и на вторичной стороне:

Рисунок 8.29 «V» или «разомкнутый Δ» обеспечивает питание 2-φ только с двумя трансформаторами.

Эта конфигурация называется «V» или «Open-Δ». Конечно, каждый из двух трансформаторов должен быть большего размера, чтобы выдерживать такое же количество мощности, как три в стандартной Δ-конфигурации, но общие размеры, вес и стоимость часто того стоят.Однако следует иметь в виду, что при отсутствии одного набора обмоток в форме Δ эта система больше не обеспечивает отказоустойчивость нормальной системы Δ-Δ. Если один из двух трансформаторов выйдет из строя, это определенно повлияет на напряжение и ток нагрузки.

Пример из реальной жизни

На следующей фотографии (рисунок ниже) показан блок повышающих трансформаторов на плотине гидроэлектростанции Гранд-Кули в штате Вашингтон. С этой точки зрения можно увидеть несколько трансформаторов (зеленого цвета), которые сгруппированы по три: по три трансформатора на гидроэлектрический генератор, соединенные вместе проводом в той или иной форме трехфазной конфигурации.

На фотографии не показаны соединения первичной обмотки, но кажется, что вторичные обмотки соединены по Y-образной схеме, так как из каждого трансформатора выступает только один большой высоковольтный изолятор. Это говорит о том, что другая сторона вторичной обмотки каждого трансформатора имеет потенциал земли или близок к нему, что может быть верно только в системе Y. В здании слева находится электростанция, в которой размещены генераторы и турбины. Справа наклонная бетонная стена — нижняя поверхность плотины:

Рисунок 8.Плотина гидроэлектростанции Гранд-Кули, 30

Мощность

Как уже отмечалось, трансформаторы должны быть хорошо спроектированы, чтобы обеспечить приемлемую связь по мощности, точное регулирование напряжения и низкие искажения тока возбуждения. Кроме того, трансформаторы должны быть спроектированы так, чтобы без проблем передавать ожидаемые значения тока первичной и вторичной обмоток. Это означает, что проводники обмотки должны быть изготовлены из проволоки соответствующего калибра, чтобы избежать проблем с нагревом.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор должен иметь идеальную связь (без индуктивности рассеяния), идеальное регулирование напряжения, идеально синусоидальный ток возбуждения, отсутствие гистерезиса или потерь на вихревые токи и достаточно толстый провод, чтобы выдерживать любой ток.К сожалению, идеальный трансформатор должен быть бесконечно большим и тяжелым, чтобы соответствовать этим целям проектирования. Таким образом, при разработке практического трансформатора необходимо идти на компромиссы.

Кроме того, изоляция проводов обмотки является проблемой там, где встречаются высокие напряжения, как это часто бывает в повышающих и понижающих распределительных трансформаторах. Обмотки должны быть не только хорошо изолированы от стального сердечника, но и каждая обмотка должна быть достаточно изолирована от другой, чтобы поддерживать электрическую изоляцию между обмотками.

Номинальные характеристики трансформатора

С учетом этих ограничений трансформаторы рассчитаны на определенные уровни напряжения и тока первичной и вторичной обмоток, хотя номинальный ток обычно выводится из номинального значения вольт-ампер (ВА), присвоенного трансформатору. Например, возьмем понижающий трансформатор с номинальным напряжением первичной обмотки 120 В, номинальным напряжением вторичной обмотки 48 В и номинальной мощностью 1 кВА (1000 ВА) в ВА. Максимальные токи обмотки можно определить как таковые: кВА (1000 ВА).Максимальные токи обмоток можно определить как таковые:

[латекс] \ text {Максимальный ток обмотки} [/ латекс]

[латекс] \ tag {8.1} I_ {Max} = \ frac {S} {E} [/ latex]

Иногда обмотки имеют номинальный ток в амперах, но это обычно наблюдается на небольших трансформаторах. Большие трансформаторы почти всегда имеют номинальное напряжение на обмотке и

ВА или кВА.

Потери энергии

Трансформаторы передают мощность с минимальными потерями.Как было сказано ранее, КПД современных силовых трансформаторов обычно превышает 95%. Однако хорошо знать, куда уходит часть этой утраченной силы и что вызывает ее потерю.

Конечно, возможны потери мощности из-за сопротивления обмоток проводов. Если не используются сверхпроводящие провода, всегда будет рассеиваться мощность в виде тепла через сопротивление проводников с током. Поскольку трансформаторы требуют таких длинных проводов, эти потери могут быть существенным фактором.Увеличение диаметра обмоточного провода — один из способов минимизировать эти потери, но только при значительном увеличении стоимости, размера и веса.

Вихретоковые потери

Помимо резистивных потерь, большая часть потерь мощности трансформатора происходит из-за магнитных эффектов в сердечнике. Возможно, наиболее значительным из этих «потерь в сердечнике» являются потери на вихревые токи , которые представляют собой рассеивание резистивной мощности из-за прохождения индуцированных токов через железо сердечника. Поскольку железо является проводником электричества, а также отличным «проводником» магнитного потока, в железе будут индуцироваться токи, точно так же, как есть токи, индуцированные во вторичных обмотках из-за переменного магнитного поля.Эти индуцированные токи — как описано в пункте о перпендикулярности закона Фарадея — стремятся проходить через поперечное сечение сердечника перпендикулярно виткам первичной обмотки. Их круговое движение дало им необычное название: как водовороты в потоке воды, которые циркулируют, а не движутся по прямым линиям.

Железо является хорошим проводником электричества, но не так хорошо, как медь или алюминий, из которых обычно изготавливаются проволочные обмотки. Следовательно, эти «вихревые токи» должны преодолевать значительное электрическое сопротивление, поскольку они циркулируют по сердечнику.Преодолевая сопротивление утюга, они рассеивают энергию в виде тепла. Следовательно, у нас есть источник неэффективности трансформатора, который трудно устранить.

Индукционный нагрев

Это явление настолько выражено, что его часто используют как средство нагрева черных (железосодержащих) материалов. На фотографии ниже показан блок «индукционного нагрева», повышающий температуру большого участка трубы. Петли из проволоки, покрытые высокотемпературной изоляцией, охватывают окружность трубы, вызывая вихревые токи внутри стенки трубы за счет электромагнитной индукции.Чтобы максимизировать эффект вихревых токов, используется высокочастотный переменный ток, а не частота линии электропередачи (60 Гц). Блоки в правой части изображения вырабатывают высокочастотный переменный ток и регулируют величину тока в проводах, чтобы стабилизировать температуру трубы на заранее определенном «заданном уровне».

Рисунок 8.31 Индукционный нагрев: Первичная изолированная обмотка наводит ток во вторичную железную трубу с потерями.

Снижение вихревых токов

Основная стратегия смягчения этих расточительных вихревых токов в сердечниках трансформаторов состоит в том, чтобы сформировать железный сердечник в виде листов, каждый из которых покрыт изолирующим лаком, чтобы сердечник был разделен на тонкие пластинки.В результате ширина сердечника очень мала для циркуляции вихревых токов:

Рисунок 8.32 Разделение стального сердечника на тонкие изолированные пластинки сводит к минимуму потери на вихревые токи.

Ламинированные сердечники , подобные показанному здесь, входят в стандартную комплектацию почти всех низкочастотных трансформаторов. Напомним, что на фотографии трансформатора, разрезанного пополам, железный сердечник состоял из множества тонких листов, а не из одной цельной детали. Потери на вихревые токи увеличиваются с увеличением частоты, поэтому трансформаторы, предназначенные для работы от высокочастотной энергии (например, 400 Гц, используемой во многих военных и авиационных приложениях), должны использовать более тонкие пластины, чтобы снизить потери до приемлемого минимума.Это имеет нежелательный эффект увеличения стоимости изготовления трансформатора.

Другой аналогичный метод минимизации потерь на вихревые токи, который лучше подходит для высокочастотных приложений, состоит в том, чтобы сделать сердечник из железного порошка, а не из тонких листов железа. Подобно ламинированным листам, эти гранулы железа по отдельности покрыты электроизоляционным материалом, который делает сердечник непроводящим, за исключением ширины каждой гранулы. Сердечники из порошкового железа часто используются в трансформаторах, работающих с радиочастотными токами.

Магнитный гистерезис

Еще одна «потеря в сердечнике» — это магнитный гистерезис . Все ферромагнитные материалы имеют тенденцию сохранять некоторую степень намагниченности после воздействия внешнего магнитного поля. Эта тенденция оставаться намагниченным называется «гистерезисом», и требуются определенные затраты энергии, чтобы преодолеть это противодействие, изменяющееся каждый раз, когда магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой, меняет полярность (дважды за цикл переменного тока).

Этот тип потерь может быть уменьшен за счет правильного выбора материала сердечника (выбор сплава сердечника с низким гистерезисом, о чем свидетельствует «тонкая» гистерезисная кривая B / H) и проектирования сердечника с минимальной магнитной индукцией (большая площадь поперечного сечения ).

Скин-эффект на высоких частотах

Потери энергии в трансформаторе увеличиваются с увеличением частоты. Скин-эффект внутри проводников обмотки уменьшает доступную площадь поперечного сечения для потока электрического заряда, тем самым увеличивая эффективное сопротивление при повышении частоты и создавая больше мощности, теряемой из-за резистивной диссипации. Потери в магнитном сердечнике также увеличиваются из-за более высоких частот, вихревых токов и эффектов гистерезиса. По этой причине трансформаторы значительных размеров предназначены для эффективной работы в ограниченном диапазоне частот.

В большинстве систем распределения электроэнергии, где частота сети очень стабильна, можно подумать, что чрезмерная частота никогда не будет проблемой. К сожалению, это происходит в виде гармоник, создаваемых нелинейными нагрузками.

Как мы видели в предыдущих главах, несинусоидальные сигналы эквивалентны аддитивным сериям нескольких синусоидальных сигналов с разными амплитудами и частотами. В энергосистемах эти другие частоты являются целыми числами, кратными основной (линейной) частоте, что означает, что они всегда будут выше, а не ниже проектной частоты трансформатора.В значительной степени они могут вызвать серьезный перегрев трансформатора. Силовые трансформаторы могут быть спроектированы для обработки определенных уровней гармоник энергосистемы, и эта способность иногда обозначается рейтингом «K-фактор».

Паразитная емкость и индуктивность

Помимо номинальной мощности и потерь мощности, трансформаторы часто имеют другие нежелательные ограничения, о которых следует знать разработчикам схем. Подобно их более простым аналогам — индукторам — трансформаторы обладают емкостью из-за изоляционного диэлектрика между проводниками: от обмотки к обмотке, от витка к витку (в одной обмотке) и от обмотки к сердечнику.

Частота резонанса трансформатора

Обычно эта емкость не имеет значения в силовых приложениях, но приложения с малым сигналом (особенно высокочастотные) могут плохо переносить эту причуду. Кроме того, эффект наличия емкости наряду с расчетной индуктивностью обмоток дает трансформаторам способность резонировать с на определенной частоте, что определенно является проблемой проектирования в приложениях с сигналами, где приложенная частота может достигать этой точки (обычно резонансная частота мощности трансформатор находится далеко за пределами частоты переменного тока, для которой он был разработан).

Удерживание флюса

Сдерживание потока (обеспечение того, чтобы магнитный поток трансформатора не ускользнул, чтобы создать помехи другому устройству, и убедиться, что магнитный поток других устройств экранирован от сердечника трансформатора) — еще одна проблема, которую разделяют как индукторы, так и трансформаторы.

Индуктивность утечки

Тесно связана с проблемой сдерживания флюса индуктивность рассеяния. Поскольку индуктивность рассеяния эквивалентна индуктивности, последовательно соединенной с обмоткой трансформатора, она проявляется как последовательное сопротивление с нагрузкой.Таким образом, чем больше ток потребляет нагрузка, тем меньше напряжения на выводах вторичной обмотки. Обычно при проектировании трансформатора требуется хорошее регулирование напряжения, но существуют и исключительные области применения. Как указывалось ранее, для схем разрядного освещения требуется повышающий трансформатор с «слабым» (плохим) регулированием напряжения для обеспечения пониженного напряжения после возникновения дуги в лампе. Один из способов удовлетворить этот критерий проектирования — спроектировать трансформатор с путями рассеяния магнитного потока в обход вторичной (ых) обмотки (ов).Результирующий поток рассеяния будет создавать индуктивность рассеяния, которая, в свою очередь, приведет к плохому регулированию, необходимому для разрядного освещения.

Насыщенность ядра

Трансформаторы

также ограничены в своей работе из-за ограничений магнитного потока сердечника. Для трансформаторов с ферромагнитным сердечником необходимо учитывать пределы насыщения сердечника. Помните, что ферромагнитные материалы не могут поддерживать бесконечную плотность магнитного потока: они имеют тенденцию «насыщаться» на определенном уровне (продиктованном материалом и размерами сердечника), а это означает, что дальнейшее увеличение силы магнитного поля (ммс) не приводит к пропорциональному увеличению магнитного поля. поток поля (Φ).

Когда первичная обмотка трансформатора перегружается из-за чрезмерно приложенного напряжения, магнитный поток сердечника может достигать уровней насыщения в пиковые моменты цикла синусоидальной волны переменного тока. Если это произойдет, напряжение, индуцированное во вторичной обмотке, больше не будет соответствовать форме волны, как напряжение, питающее первичную катушку. Другими словами, перегруженный трансформатор будет искажать форму волны от первичной до вторичной обмоток, создавая гармоники на выходе вторичной обмотки. Как мы обсуждали ранее, содержание гармоник в энергосистемах переменного тока обычно вызывает проблемы.

Пиковые трансформаторы

Специальные трансформаторы, известные как трансформаторы максимального напряжения , используют этот принцип для создания коротких импульсов напряжения вблизи пиков формы волны напряжения источника. Ядро рассчитано на быстрое и резкое насыщение при уровнях напряжения значительно ниже пикового. Это приводит к сильно обрезанной форме волны синусоидального потока и импульсы вторичного напряжения только при изменении потока (ниже уровней насыщения):

Рис. 8.33. Осциллограммы напряжения и магнитного потока для пикового трансформатора.

Работа на частотах ниже нормы

Другой причиной ненормального насыщения сердечника трансформатора является работа на частотах ниже нормы. Например, если силовой трансформатор, предназначенный для работы на частоте 60 Гц, вместо этого вынужден работать на частоте 50 Гц, магнитный поток должен достичь более высоких пиковых уровней, чем раньше, чтобы создать такое же противодействующее напряжение, необходимое для балансировки с напряжением источника. Это верно, даже если напряжение источника такое же, как и раньше.

Рис. 8.34. Магнитный поток выше в сердечнике трансформатора, работающем на 50 Гц, по сравнению с 60 Гц для того же напряжения.

Поскольку мгновенное напряжение обмотки пропорционально скорости изменения мгновенного магнитного потока в трансформаторе, форма волны напряжения, достигающая того же пикового значения, но требующая больше времени для завершения каждого полупериода, требует, чтобы магнитный поток поддерживал та же скорость изменения, что и раньше, но на более длительные периоды времени. Таким образом, если поток должен расти с той же скоростью, что и раньше, но в течение более длительных периодов времени, он поднимется до более высокого пикового значения.

С математической точки зрения, это еще один пример исчисления в действии.Поскольку напряжение пропорционально скорости изменения потока, мы говорим, что форма волны напряжения — это производная формы волны потока, «производная» — это операция вычисления, определяющая одну математическую функцию (форму волны) с точки зрения скорости: из-за смены другого. Однако если мы возьмем противоположную точку зрения и свяжем исходную форму волны с ее производной, мы можем назвать исходную форму волны интегралом производной формы волны. В этом случае форма волны напряжения является производной формы волны магнитного потока, а форма волны магнитного потока является интегралом формы волны напряжения.

Интеграл любой математической функции пропорционален площади, накопленной под кривой этой функции. Поскольку каждый полупериод сигнала 50 Гц накапливает большую площадь между ним и нулевой линией графика, чем будет форма сигнала 60 Гц — а мы знаем, что магнитный поток является интегралом напряжения, — поток будет достигать более высоких значений в рисунок ниже.

Рис. 8.35. Изменение потока с той же скоростью возрастает до более высокого уровня при 50 Гц, чем при 60 Гц.

Еще одна причина насыщения трансформатора — наличие постоянного тока в первичной обмотке.Любая величина постоянного напряжения, падающего на первичную обмотку трансформатора, вызовет дополнительный магнитный поток в сердечнике. Это дополнительное «смещение» или «смещение» потока будет подталкивать форму волны переменного магнитного потока ближе к насыщению в одном полупериоде, чем в другом.

Рис. 8.36. Постоянный ток в первичной обмотке смещает пики формы сигнала в сторону верхнего предела насыщения.

Для большинства трансформаторов насыщение сердечника является очень нежелательным эффектом, и его можно избежать за счет хорошей конструкции: конструирования обмоток и сердечника таким образом, чтобы плотности магнитного потока оставались значительно ниже уровней насыщения.Это гарантирует, что соотношение между mmf и Φ будет более линейным на протяжении всего цикла потока, что хорошо, поскольку способствует меньшим искажениям в форме волны тока намагничивания. Кроме того, проектирование сердечника для низких плотностей магнитного потока обеспечивает безопасный запас между нормальными пиками магнитного потока и пределами насыщения сердечника, чтобы приспособиться к случайным, ненормальным условиям, таким как изменение частоты и смещение постоянного тока.

Пусковой ток

Когда трансформатор первоначально подключен к источнику переменного напряжения, может возникнуть значительный скачок тока через первичную обмотку, называемый пусковым током .Это аналогично пусковому току электродвигателя, который запускается при внезапном подключении к источнику питания, хотя броски тока трансформатора вызваны другим явлением.

Мы знаем, что скорость изменения мгновенного потока в сердечнике трансформатора пропорциональна мгновенному падению напряжения на первичной обмотке. Или, как указывалось ранее, форма волны напряжения является производной формы волны магнитного потока, а форма волны магнитного потока является интегралом формы волны напряжения.В непрерывно работающем трансформаторе эти две формы сигнала сдвинуты по фазе на 90 °. Поскольку поток (Φ) пропорционален магнитодвижущей силе (mmf) в сердечнике, а mmf пропорционален току обмотки, форма волны тока будет синфазной с формой волны магнитного потока, и оба будут отстать от формы волны напряжения на 90 °:

Рисунок 8.37. Непрерывный установившийся режим: магнитный поток, как и ток, отстает от приложенного напряжения на 90 °.

Предположим, что первичная обмотка трансформатора внезапно подключается к источнику переменного напряжения в точный момент времени, когда мгновенное напряжение достигает своего положительного пикового значения.Чтобы трансформатор создавал противоположное падение напряжения, чтобы уравновеситься с этим приложенным напряжением источника, должен создаваться магнитный поток быстро возрастающей величины. В результате ток в обмотке увеличивается быстро, но на самом деле не быстрее, чем при нормальных условиях:

Рисунок 8.38. Подключение трансформатора к сети при пиковом напряжении переменного тока: поток быстро увеличивается от нуля, как и в установившемся режиме.

И магнитный поток сердечника, и ток катушки начинаются с нуля и достигают тех же пиковых значений, которые наблюдаются при непрерывной работе.Таким образом, в этом сценарии нет «всплеска», «броска тока» или «тока».

В качестве альтернативы, давайте рассмотрим, что произойдет, если подключение трансформатора к источнику переменного напряжения произойдет в точный момент времени, когда мгновенное напряжение равно нулю. Во время непрерывной работы (когда трансформатор был запитан в течение некоторого времени) это момент времени, когда и магнитный поток, и ток обмотки достигают своих отрицательных пиков, испытывая нулевую скорость изменения (dΦ / dt = 0 и di / dt = 0). По мере того, как напряжение достигает своего положительного пика, формы волны магнитного потока и тока нарастают до своих максимальных положительных скоростей изменения и повышаются до своих положительных пиков по мере того, как напряжение опускается до нулевого уровня:

Рисунок 8.39 Запуск при e = 0 В — это не то же самое, что непрерывный запуск на рисунке выше. Эти ожидаемые формы сигналов неверны — Φ и i должны начинаться с нуля.

Однако существует значительная разница между работой в непрерывном режиме и условием внезапного пуска, предполагаемым в этом сценарии: во время непрерывной работы уровни магнитного потока и тока были на своих отрицательных пиках, когда напряжение было в нулевых точках; Однако в трансформаторе, который простаивает, и магнитный поток, и ток обмотки должны начинаться с нуля .

Когда магнитный поток увеличивается в ответ на повышение напряжения, он будет увеличиваться от нуля вверх, а не от ранее отрицательного (намагниченного) состояния, как мы обычно имели бы в трансформаторе, который какое-то время находится под напряжением. Таким образом, в трансформаторе, который только что «запускается», магнитный поток будет примерно в два раза превышать нормальную пиковую величину, поскольку он «интегрирует» область под первым полупериодом формы волны напряжения:

Рис. 8.40. Начиная с e = 0 В, Φ начинается с начального состояния Φ = 0, увеличиваясь в два раза по сравнению с нормальным значением, если предположить, что это не насыщает активную зону.

Начиная с e = 0 В, Φ начинается с начального состояния Φ = 0, увеличиваясь в два раза по сравнению с нормальным значением, если предположить, что это не насыщает сердечник.

В идеальном трансформаторе ток намагничивания также увеличился бы примерно в два раза по сравнению с нормальным пиковым значением, генерируя необходимый mmf для создания этого потока, превышающего нормальный. Однако большинство трансформаторов не спроектированы с достаточным запасом между нормальными пиками магнитного потока и пределами насыщения, чтобы избежать насыщения в таких условиях, и поэтому сердечник почти наверняка будет насыщаться в течение этого первого полупериода напряжения.Во время насыщения для генерации магнитного потока необходимо непропорционально большое количество ммс. Это означает, что ток обмотки, который создает МДС, вызывающую магнитный поток в сердечнике, непропорционально возрастет до значения , легко превышающего , в два раза превышающего нормальный пик:

Рис. 8.41 Начиная с e = 0 В, ток также увеличивается в два раза по сравнению с нормальным значением для ненасыщенного сердечника или значительно выше в случае (рассчитанном на) насыщение.

Это механизм, вызывающий пусковой ток в первичной обмотке трансформатора при подключении к источнику переменного напряжения.Как видите, величина пускового тока сильно зависит от точного времени, когда электрическое подключение к источнику выполнено. Если трансформатор имеет некоторый остаточный магнетизм в его сердечнике в момент подключения к источнику, бросок тока может быть еще более серьезным. Из-за этого устройства максимальной токовой защиты трансформатора обычно относятся к типу «медленно действующих», чтобы выдерживать такие скачки тока без размыкания цепи.

Тепло и шум

Помимо нежелательных электрических эффектов, трансформаторы могут также проявлять нежелательные физические эффекты, наиболее заметными из которых являются выделение тепла и шума.Шум — это в первую очередь неприятный эффект, но нагрев — потенциально серьезная проблема, поскольку изоляция обмотки будет повреждена, если будет допущен перегрев. Нагрев можно свести к минимуму за счет хорошей конструкции, гарантирующей, что сердечник не приближается к уровням насыщения, что вихревые токи сведены к минимуму, и что обмотки не будут перегружены или работают слишком близко к максимальной допустимой нагрузке.

Силовые трансформаторы большой мощности имеют сердечник и обмотки, погруженные в масляную ванну для передачи тепла и глушения шума, а также для вытеснения влаги, которая в противном случае может нарушить целостность изоляции обмотки.Теплоотводящие «радиаторные» трубки на внешней стороне корпуса трансформатора обеспечивают конвективный путь потока масла для передачи тепла от сердечника трансформатора к окружающему воздуху:

Рис. 8.42. Большие силовые трансформаторы погружены в теплоизолирующее масло.

Безмасляные или «сухие» трансформаторы часто оцениваются с точки зрения максимального «повышения» рабочей температуры (превышения температуры окружающей среды) в соответствии с системой буквенных классов: A, B, F или H. Эти буквенные коды: расположены в порядке от наименьшей термостойкости к высшей:

• Класс A: Повышение температуры обмотки не более чем на 55 ° Цельсия при температуре окружающего воздуха 40 ° Цельсия (максимальной).
• Класс B: Повышение температуры обмотки не более чем на 80 ° Цельсия при температуре окружающего воздуха 40 ° Цельсия (максимальной).
• Класс F: Повышение температуры обмотки не более чем на 115 ° Цельсия при температуре окружающего воздуха 40 ° Цельсия (максимальной).
• Класс H: Повышение температуры обмотки не более чем на 150 ° C при температуре окружающего воздуха 40 ° C (максимум).

Слышимый шум — это эффект, в основном возникающий из явления магнитострикции : небольшое изменение длины, проявляемое ферромагнитным объектом при намагничивании.Знакомый «гул», слышимый вокруг больших силовых трансформаторов, — это звук расширения и сжатия железного сердечника с частотой 120 Гц (в два раза выше частоты системы, которая в США составляет 60 Гц) — один цикл сжатия и расширения сердечника для каждого пика напряжения. форма волны магнитного потока плюс шум, создаваемый механическими силами между первичной и вторичной обмотками. Опять же, поддержание низких уровней магнитного потока в сердечнике является ключом к минимизации этого эффекта, что объясняет, почему феррорезонансные трансформаторы, которые должны работать в режиме насыщения для большей части формы волны тока, работают как в горячем состоянии, так и с шумом.

Потери из-за наматывающих магнитных сил

Еще одно шумовое явление в силовых трансформаторах — это физическая сила реакции между первичной и вторичной обмотками при большой нагрузке. Если вторичная обмотка разомкнута, через нее не будет тока и, следовательно, не будет создаваемой ею магнитодвижущей силы (ммс). Однако, когда вторичная обмотка «загружена» (в настоящее время подается на нагрузку), обмотка генерирует МДС, которой противодействует «отраженная» МДС в первичной обмотке, чтобы предотвратить изменение уровней магнитного потока сердечника.Эти противоположные МДС, возникающие между первичной и вторичной обмотками в результате вторичного (нагрузочного) тока, создают физическую силу отталкивания между обмотками, которая заставляет их вибрировать. Конструкторы трансформаторов должны учитывать эти физические силы при конструкции катушек обмотки, чтобы обеспечить адекватную механическую опору для выдерживания напряжений. Однако в условиях большой нагрузки (высокого тока) эти напряжения могут быть достаточно большими, чтобы вызвать слышимый шум, исходящий от трансформатора.

• Силовые трансформаторы ограничены по количеству мощности, которую они могут передавать от первичной обмотки (обмоток) ко вторичной. Большие блоки обычно имеют номинальные значения в ВА (вольт-амперы) или кВА (киловольт-амперы).
• Сопротивление в обмотках трансформатора снижает эффективность, поскольку ток рассеивает тепло, тратя энергию.
• Магнитные эффекты в железном сердечнике трансформатора также способствуют снижению эффективности. Среди эффектов — вихревые токи , (циркулирующие индукционные токи в железном сердечнике) и гистерезис , (потеря мощности из-за преодоления тенденции железа к намагничиванию в определенном направлении).
• Повышенная частота приводит к увеличению потерь мощности в силовом трансформаторе. Присутствие гармоник в энергосистеме является источником частот, значительно превышающих нормальные, что может вызвать перегрев больших трансформаторов.
• Как трансформаторы, так и катушки индуктивности обладают определенной неизбежной емкостью из-за изоляции проводов (диэлектрика), отделяющей витки обмотки от стального сердечника и друг от друга. Эта емкость может быть достаточно значительной, чтобы дать трансформатору естественную резонансную частоту , что может быть проблематичным в сигнальных приложениях.
• Индуктивность утечки возникает из-за того, что магнитный поток не на 100% связан между обмотками трансформатора. Любой поток, не связанный с , передающий энергию от одной обмотки к другой, будет накапливать и выделять энергию, как работает (само) индуктивность. Индуктивность утечки имеет тенденцию ухудшать регулировку напряжения трансформатора (вторичное напряжение «проседает» больше при заданной величине тока нагрузки).
• Магнитное насыщение сердечника трансформатора может быть вызвано чрезмерным первичным напряжением, работой на слишком низкой частоте и / или наличием постоянного тока в любой из обмоток.Насыщение можно минимизировать или избежать с помощью консервативной конструкции, которая обеспечивает достаточный запас прочности между пиковыми значениями плотности магнитного потока и пределами насыщения сердечника.
• Трансформаторы часто испытывают значительные пусковые токи при первоначальном подключении к источнику переменного напряжения. Пусковой ток является наиболее значительным, когда подключение к источнику переменного тока выполняется в момент, когда мгновенное напряжение источника равно нулю.
• Шум — обычное явление, проявляемое трансформаторами, особенно силовыми трансформаторами, и в первую очередь вызвано магнитострикцией сердечника.Физические силы, вызывающие вибрацию обмотки, также могут создавать шум в условиях большой (сильноточной) нагрузки вторичной обмотки.

.