Что такое трансформатор и как он работает. Как устроен трансформатор. Для чего применяются трансформаторы. Какие бывают виды трансформаторов. Как проводятся испытания трансформаторов.
Что такое трансформатор и его основные функции
Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Основные функции трансформатора:
- Повышение или понижение напряжения переменного тока
- Преобразование импеданса электрической цепи
- Гальваническая развязка электрических цепей
- Преобразование числа фаз многофазных систем переменного тока
Трансформаторы позволяют передавать электроэнергию на большие расстояния с минимальными потерями, а также получать нужные значения напряжения для различных потребителей.
Устройство и конструкция трансформатора
Основными конструктивными элементами трансформатора являются:
- Магнитопровод — замкнутый магнитный сердечник из электротехнической стали
- Обмотки — первичная и вторичная, намотанные на магнитопровод
- Изоляция — между обмотками и магнитопроводом
- Система охлаждения — для отвода тепла
- Вводы — для подключения обмоток к внешним цепям
Существуют различные конструкции магнитопровода — стержневые, броневые, тороидальные. Обмотки могут располагаться концентрически или чередоваться по стержням. Охлаждение может быть естественным воздушным, масляным или принудительным.
Принцип действия трансформатора
Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного напряжения в ней возникает переменный ток, создающий переменный магнитный поток в магнитопроводе. Этот поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней ЭДС.
Соотношение числа витков первичной и вторичной обмоток определяет коэффициент трансформации:
K = U1/U2 = w1/w2
где U1, U2 — напряжения на обмотках, w1, w2 — число витков обмоток.
Основные виды и классификация трансформаторов
Трансформаторы классифицируются по различным признакам:
- По назначению: силовые, измерительные, специальные
- По числу фаз: однофазные, трехфазные, многофазные
- По способу охлаждения: сухие, масляные
- По конструкции магнитопровода: стержневые, броневые, тороидальные
- По числу обмоток: двухобмоточные, многообмоточные
Основными видами трансформаторов являются:
- Силовые — для передачи и распределения электроэнергии
- Измерительные — трансформаторы тока и напряжения
- Автотрансформаторы — с общей частью обмотки
- Сварочные — для электродуговой сварки
- Импульсные — для преобразования импульсных сигналов
Применение трансформаторов в энергетике и промышленности
Трансформаторы имеют широчайшее применение в различных отраслях:
- В системах передачи и распределения электроэнергии
- На электрических подстанциях для преобразования напряжений
- В электроприводах для питания электродвигателей
- В электротехнологических установках (печи, сварка)
- В системах электроснабжения промышленных предприятий
- В бытовой и офисной технике (блоки питания)
- В радиоэлектронной аппаратуре
- В системах автоматики и телемеханики
Трансформаторы являются одним из важнейших элементов современной электроэнергетики и электротехники.
Испытания и эксплуатация трансформаторов
Для определения параметров и проверки работоспособности трансформаторов проводят различные испытания:
- Опыт холостого хода — для определения потерь в стали и тока холостого хода
- Опыт короткого замыкания — для определения потерь в обмотках и напряжения короткого замыкания
- Испытание изоляции повышенным напряжением
- Измерение сопротивления обмоток постоянному току
- Проверка коэффициента трансформации
- Тепловые испытания
При эксплуатации трансформаторов необходимо контролировать нагрузку, температуру, уровень изоляции, периодически проводить техническое обслуживание. Правильная эксплуатация обеспечивает длительный срок службы трансформаторов.
Современные тенденции в развитии трансформаторостроения
Основными направлениями совершенствования трансформаторов являются:
- Применение новых электротехнических материалов (аморфные сплавы)
- Снижение потерь холостого хода и короткого замыкания
- Уменьшение массогабаритных показателей
- Повышение надежности и срока службы
- Создание «умных» трансформаторов с системами мониторинга
- Разработка трансформаторов на сверхпроводниках
- Применение экологичных диэлектриков вместо трансформаторного масла
Развитие трансформаторостроения направлено на повышение энергоэффективности и надежности электроснабжения.
Открытый урок по теме Устройство и принцип действия трансформаторов
Открытый урок по теме «Устройство и принцип действия трансформаторов и генераторов»
Тема урока: «Устройство и принцип действия трансформаторов».
Цели урока:
познакомить учащихся с устройством и принципом действия трансформаторов;
развивать навыки самостоятельной работы, логическое мышление, внимание;
воспитывать умение общаться в коллективе, культуру речи.
Тип урока: изучение нового материала.
Метод урока: комбинированный, репродуктивный.
Оборудование: таблицы, трансформаторы.
Межпредметные связи: физика, устройство и ремонт тепловоза, математика.
ХОД УРОКА
I. Организационный момент
В начале урока учащиеся и учитель приветствуют друг друга, в журнале отмечаются отсутствующие.
II. Актуализация прежних знаний.
Повторение
явления электромагнитной индукции, формулы закона электромагнитной индукции.
.
Проводится фронтальный опрос. За каждый правильный ответ учащиеся получают жетон, как во время фронтального опроса, так и во время всего урока. Набравшие 6 и более жетонов получают оценку «5», 4–5 – «4», 3 – «3».
Учащимся предлагается ответить на вопросы:
Как называется явление возникновения эдс в проводниках при изменении магнитного поля?
Вспомните формулу электромагнитной индукции.
Возможно ли возникновение эдс при постоянном магнитном потоке?
Может ли возникнуть ток в разомкнутом контуре?
Какие существуют способы усиления магнитных полей?
Что представляют собой вихревые токи?
В чём заключается их вредное действие?
Какие способы уменьшения вихревых токов?
III. Формирование новых понятий и способов действий.
Называю тему урока. Начинаю объяснять в форме лекции.
Трансформатором
называется статический электромагнитный прибор, преобразующий переменный ток
одного напряжения в переменный ток другого напряжения без изменения частоты.
Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, при распределении её между приемниками, а также на выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах. Когда же и кто сконструировал это устройство?
Ученик делает небольшое сообщение:
«»Днем
рождения» трансформаторов считают 30 ноября 1876 года, когда выдающийся
русский электротехник и изобретатель Павел Николаевич Яблочков получил
французский патент, в котором был описан принцип действия и способ применения
трансформатора.Это открытие базировалось на достижениях и открытиях других
русских ученых-электротехников: В. Петрова (1761-1834 гг.), Э. Ленца (1804-1865
гг.), Якоби Б.С. (1801-1874 гг.).В развитие и совершенствование конструкции трансформатора,
предложенного П. Яблочковым, внесли вклад: русский инженер И. Усагин (1882 г.),
англичане Горяр и Гиббс (1885 г.), венгерские инженеры Циперновский, Дери и
Блати (1885 г.).Русский электротехник, создатель техники трехфазного тока М.
После войны были построены новые предприятия и, прежде всего, Запорожский трансформаторный завод, Тольяттинский электротехнический завод и др. Вскоре эти два завода приняли на себя основную нагрузку по производству высоковольтных силовых трансформаторов для энергетики. Московский электрозавод стал все больше специализироваться на изготовлении силовых трансформаторов для электрических печей, шунтирующих реакторов всех классов напряжения, измерительных трансформаторов напряжения, регулировочных трансформаторов и др.
Изготовление силовых трансформаторов предельных мощностей постепенно сосредотачивалось на Запорожском трансформаторном заводе, а выпуск значительного количества трансформаторов небольшой мощности (до напряжения 20 кВ) — на Минском электротехническом заводе, построенном в конце 50-х годов.
После
распада СССР значительное количество трансформаторных мощностей оказалось за
пределами России.
Продолжаю объяснять.
На плакате изображена принципиальная схема трансформатора. Каждая обмотка трансформатора размещается на обоих стержнях сердечника так, что половины двух обмоток находятся на левом, а вторые половины – на правом стержне сердечника. При таком расположении обмоток достигается лучшая магнитная связь между ними, благодаря чему снижаются потоки рассеяния, которые не участвуют в процессе трансформирования энергии.
Обмотка, включенная в сеть источника электрической энергии, называется первичной; обмотка, от которой энергия подается к приемнику, – вторичной.
Трансформаторы по своей конструкции бывают: стержневые, броневые, тороидальные, автотрансформаторы.
Обычно напряжения первичной и вторичной обмоток неодинаковы.
Если
первичное напряжение меньше вторичного, трансформатор называется повышающим,
если первичное напряжение больше вторичного – понижающим. Любой трансформатор
может быть использован и как повышающий, и как понижающий.
коэффициент трансформации, он определяет тип трансформатора.
Если k < 1 – трансформатор повышающий;
k > 1 – трансформатор понижающий.
Действующее значение эдс, возникающее в обмотках трансформатора равноE = 4,44fnФm.
Эта формула действительна как для первичной, так и для вторичной обмотки.
E1 = 4,44fn1Фm; E2 = 4,44fn2Фm.
Вопрос к учащимся: как можно визуально определить обмотку высшего и низшего напряжения?
ГЕНЕРИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Электрический ток вырабатывается в генераторах — устройствах, преобразующих энергию того или иного вида в электрическую энергию. К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи1, солнечные батареи и т. п. Исследуются возможности создания принципиально новых типов генераторов.
1
В термобатареях используется свойство двух контактов разнородных материалов
создавать ЭДС за счет разности температур контактов.
Напримep, разрабатываются так называемые топливные элементы, в которых энергия, освобождающаяся в результате реакции водорода с кислородом, непосредственно прекращается в электрическую.
Область применения каждого из перечисленных типов генераторов электроэнергии определяется их характеристиками. Так, электростатические машины создают высокую разность потенциалов, но не способны создать в цепи сколько-нибудь значительную силу тока. Гальванические элементы могут дать большой ток, но продолжительность их действия невелика.
Основную роль в наше время выполняют электромеханические индукционные генераторы переменного тока. В этих генераторах механическая энергия превращается в электрическую. Их действие основано на явлении электромагнитной индукции. Такие генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении.
В
дальнейшем, говоря о генераторах, мы будем иметь в виду именно индукционные
электромеханические генераторы.
Генератор переменного тока. Принцип действия генератора переменного тока уже был рассмотрен в § 31.
В настоящее время имеется много различных типов индукционных генераторов. Но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС (в рассмотренной модели генератора это вращающаяся рамка). Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу ее витков. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока (Фm = BS) через каждый виток (см. § 31).
Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, изготовленных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле,
размещены в назах одного из сердечников, а
обмотки, в которых индуцируется ЭДС, — в пазах другого.
Один из сердечников
(обычно внутренний) вместе с обмоткой вращается вокруг горизонтальной или
вертикальной оси. Поэтому он называется ротором. Неподвижный сердечник с обмоткой
называют статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно
меньшсим для увеличения потока вектора магнитной индукции.
В изображенной на рисунке 5.1 модели генератора вращается проволочная рамка, которая является ротором (по без железного сердечника). Магнитное поле создает неподвижный постоянный магнит. Разумеется, можно бьию бы поступить и наоборот: вращать магнит, а рамку оставить неподвижной.
В
больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит, являющийся
ротором, а обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в назах статора и остаются
неподвижными. Дело в том, что подводить ток к ротору или отводить его из
обмотки ротора во внешнюю цепь приходится при помощи скользящих контактов. Для
этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его
обмотки (рис.
5.2). Неподвижные пластины — щетки — прижаты к кольцам и
осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках
электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого
генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с
неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый
ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным
генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным па том же валу.
В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны.
Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.
Современный
генератор электрического тока — это внушительное сооружение из медных проводов,
изоляционных материалов и стальных конструкций. При размерах в несколько метров
важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью до миллиметра.
Нигде в
природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать
электрическую энергию столь же непрерывно и экономично.
IV. Закрепление
Чтобы закрепить полученные знания решаем задачи. К доске по желанию выходит ученик и решает предложенную задачу:
№1. Сколько витков во вторичной обмотке трансформатора 10000/100, если число витков первичной обмотки равно 21000? Определить коэффициент трансформации.
Дано: Решение:
U1=10000 B =210 В =100
U2=100 B
n1=21000 Ответ: 100, 210B.
n2=?k=?
№2. Измерительный трансформатор напряжения
имеет обмотки с числом витков n1 = 10000 и n2 = 200.К вторичной обмотке
присоединен вольтметр с номинальным напряжением 150В. Определить коэффициент
трансформации и предельное напряжение, которое можно измерить.
№3. Определить число витков вторичной обмотки трансформатора, если при магнитном потоке в магнитопроводе 10-3 Вб наведенная в ней эдс равна 220В при частоте 50Гц.
Вторая и третья задачи решаются учащимися самостоятельно (первые три человека, правильно решившие задачу, получают дополнительно жетон).
V. Домашнее задание
§37, 38. Подготовить рефераты о новых типах генераторов (инверторные, сварочные, с детонационным сгоранием топлива).
VI. Подведение итогов
В заключение характеризую работу группы, отмечаю отличившихся учащихся, выставляю оценки.
Общие сведения о трансформаторах, принцип работы, описание
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.
Принцип работы трансформатора связан с принципом электромагнитной индукции.
Ток поступающий на первичную обмотку создает в магнитопроводе магнитный поток.
Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе, сдвинутый по фазе, при синусоидальном токе, на 90° по отношению к току в первичной обмотке. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° по отношению к магнитному потоку. Когда вторичные обмотки ни к чему не подключены (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток через первичную обмотку невелик, и определяется в основном её индуктивным сопротивлением. Напряжение индукции на вторичных обмотках в режиме холостого хода определяется отношением числа витков соответствующей обмотки w2 к числу витков первичной обмотки w1:
U2=U1w2/w1.
При подключении вторичной обмотки к нагрузке, по ней начинает течь ток. Этот ток также создаёт магнитный поток в магнитопроводе, причём он направлен противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате, в первичной обмотке нарушается компенсация ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке, до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения. В этом режиме отношение токов первичной и вторичной обмотки равно обратному отношению числа витков обмоток (I1=I2w2/w1,) отношение напряжений в первом приближении также остаётся прежним.
Магнитный поток в магнитопроводе трансформатора сдвинут по фазе по отношению к току в первичной обмотке на 90°. ЭДС во вторичной обмотке пропорциональна первой производной от магнитного потока. Для синусоидальных сигналов первой производной от синуса является косинус, сдвиг фазы между синусом и косинусом составляет 90°. В результате, при согласном включении обмоток, трансформатор сдвигает фазу приблизительно на 180°.
При встречном включении обмоток прибавляется дополнительный сдвиг фазы на 180° и суммарный сдвиг фазы трансформатором составляет приблизительно 360°.
Опыт холостого хода трансформатора
Для испытания трансформатора служит опыт холостого хода и опыт короткого замыкания. При опыте холостого хода трансформатора его вторичная обмотка разомкнута и тока в этой обмотке нет (/2—0).
Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника электрической энергии переменного тока, то в этой обмотке будет протекать ток холостого хода I0, который представляет собой малую величину по сравнению с номинальным током трансформатора. В трансформаторах больших мощностей ток холостого хода может достигать значений порядка 5— 10% номинального тока. В трансформаторах малых мощностей этот ток достигает значения 25—30% номинального тока. Ток холостого хода I0 создает магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. Для возбуждения магнитного потока трансформатор потребляет реактивную мощность из сети.
Что же касается активной мощности, потребляемой трансформатором при холостом ходе, то она расходуется на покрытие потерь мощности в магнитопроводе, обусловленных гистерезисом и вихревыми токами.
Так как реактивная мощность при холостом ходе трансформатора значительно больше активной мощности, то коэффициент мощности cos φ его весьма мал и обычно равен 0,2-0,3. По данным опыта холостого хода трансформатора определяется сила тока холостого хода I0, потери в стали сердечника Рст и коэффициент трансформации К. Силу тока холостого хода I0 измеряет амперметр, включенный в цепь первичной обмотки трансформатора. При испытании трехфазного трансформатора определяется фазный ток холостого хода.О потерях в стали сердечника Pст судят по показаниям ваттметра, включенного в цепь первичной обмотки трансформатора.
Коэффициент трансформации трансформатора равен отношению показаний вольтметров, включенных в цепь первичной и вторичной обмоток.
Холостым ходом трансформатора называется режим работы, когда к первичной обмотки трансформатора приложено напряжение, а вторичная обмотка находится в разомкнутом состоянии, следовательно, ток в первичной обмотке является намагничивающим, при этом величина его незначительна и составляет 5–8% от величины номинального тока.
При холостом ходе трансформатора, не обращая внимания на падение напряжения в первичной обмотке трансформатора I01·z1, можно принять, что э.д.с. в обеих обмотках трансформатора численно равны напряжениям на их зажимах:
E1 ≈ U01 и E2 ≈ U02.
Разделим э.д.с. первичной обмотки на э.д.с. вторичной обмотки, получим:
E1/E2=W1/W2, следовательно, э.д.с., индуктируемые в обмотках трансформатора, пропорциональны числам витков обмоток.
Так как при холостом ходе E1 ≈ U01 и E2 ≈ U02, то можно записать:
E1/E2 ≈ U01/U02=W1/W2.
Значит, и напряжение на первичной стороне U1, а также и на вторичной стороне U2 трансформатора пропорциональны числам витков обмоток трансформатора.
Опыт холостого короткого замыкания трансформатора
При коротком замыкании вторичной обмотки сопротивление трансформатора очень мало и ток короткого замыкания во много раз больше номинального. Такой большой ток вызывает сильный нагрев обмоток трансформатора и приводит к выходу его из строя.
Поэтому трансформаторы снабжаются защитой, отключающей его при коротких замыканиях.
При опыте короткого замыкания вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко, т. е. напряжение на зажимах вторичной обмотки равно нулю. Первичная обмотка включается в сеть с таким пониженным напряжением, при котором токи в обмотках равны номинальным. Такое пониженное напряжение называется напряжением короткого замыкания и обычно равно 5,5% от номинального значения.
По данным опыта короткого замыкания определяют величину потерь в меди Ям, т. е. потерь на нагрев обмоток. Чаще проводят опыт трехфазного короткого замыкания, при котором подводимое напряжение снижается до 10—20% от U ном для электродвигателей с фазным ротором и до 20—30% для электродвигателей с коротко- замкнутым ротором. Можно также проводить опыт короткого замыкания при однофазном токе, подводя напряжение поочередно к двум выводам статорной обмотки (ротор заторможен).
При проведении опыта однофазного короткого замыкания у фазных двигателей ротор их замыкают накоротко и затормаживают, а к двум фазам статора подводят напряжение, равное 50—60% от номинального.
Величина подводимого напряжения во всех случаях проведения опыта короткого замыкания должна быть такой, чтобы ток в обмотках двигателя был номинальный. Продолжительность опыта короткого замыкания нужно сокращать до минимума.
Из данных опытов холостого хода и короткого замыкания определяют номинальный кпд.
8.5: Трансформаторы — принцип работы
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 3948
- Стивен В. Эллингсон
- Политехнический институт Вирджинии и Государственный университет через Инициативу открытого образования Технологических библиотек Вирджинии
Трансформатор — это устройство, которое соединяет две электрические цепи через общее магнитное поле.
Трансформаторы используются для преобразования импеданса, преобразования уровня напряжения, изоляции цепей, преобразования между несимметричными и дифференциальными режимами сигнала и других приложений. 1 В основе электромагнитного принципа лежит закон Фарадея, в частности, ЭДС трансформатора.
Основные характеристики трансформатора можно вывести из простого эксперимента, показанного на рисунках \(\PageIndex{1}\) и \(\PageIndex{2}\). В этом опыте две катушки расположены вдоль общей оси. Шаг намотки мал, так что все силовые линии магнитного поля проходят по длине катушки, а между витками не проходят никакие линии. Для дальнейшего сдерживания магнитного поля мы предполагаем, что обе катушки намотаны на один и тот же сердечник, состоящий из материала, обладающего высокой магнитной проницаемостью. В верхней катушке \(N_1\) витков, а в нижней катушке \(N_2\) витков. 9{(1)}\), в котором нижний индекс относится к катушке, а верхний индекс относится к «Части I» этого эксперимента.
{(1)}\) с опорной полярностью, указанной на рисунке. По закону Фарадея имеем 9{(1)} \end{align} \nonumber \]
Мы обнаружили, что потенциал верхней катушки в части II простым образом связан с потенциалом нижней катушки в части I эксперимента. Если бы мы сначала выполнили Часть II, мы бы получили тот же результат, но с перестановкой верхних индексов. Таким образом, в целом должно быть верно, независимо от расположения выводов, что
\[V_1 = -\frac{N_1}{N_2}V_2 \номер\]
Это выражение должно быть знакомо из теории элементарных цепей, за исключением, возможно, знака минус. Знак минус является следствием того, что витки намотаны в противоположных направлениях. Мы можем сделать приведенное выше выражение немного более общим следующим образом: определяется как \(+1\), когда катушки намотаны в одном направлении, и \(-1\), когда катушки наматываются в противоположных направлениях. (Это отличное упражнение, чтобы подтвердить, что это верно, повторив приведенный выше анализ с изменением направления намотки либо для верхней, либо для нижней катушки, для которой тогда \(p\) окажется равным \(+1\).
) Это «закон трансформатора» базовой теории электрических цепей, из которого могут быть получены все другие характеристики трансформаторов как устройств с двухполюсной схемой (см. раздел 8.6 для дальнейшего развития). Итого:
Отношение напряжений катушек в идеальном трансформаторе равно отношению витков со знаком, определяемым относительным направлением обмоток, согласно уравнению \ref{m0031_eTL}.
На рисунке \(\PageIndex{3}\) показана более знакомая конструкция трансформатора – катушки намотаны на тороидальный сердечник, а не на цилиндрический сердечник. Зачем это делать? Такое расположение ограничивает магнитное поле, связывающее две катушки с сердечником, в отличие от того, что позволяет линиям поля выходить за пределы устройства. Это ограничение важно, чтобы поля, возникающие вне трансформатора, не мешали магнитному полю, связывающему катушки, что могло бы привести к электромагнитным помехам (EMI) и проблемам с электромагнитной совместимостью (EMC). Принцип работы во всем остальном тот же.
- Дополнительные сведения об этих приложениях см. в разделе «Дополнительная литература» в конце этого раздела.↩
Эта страница под заголовком 8.5: Transformers — Principle of Operation используется в соответствии с лицензией CC BY-SA 4.0, автором, ремиксом и/или куратором выступил Стивен У. Эллингсон (Инициатива открытого образования технических библиотек Вирджинии) через исходный контент. это было отредактировано в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.
- Наверх
- Была ли эта статья полезной?
- Тип изделия
- Раздел или Страница
- Автор
- Стивен В.
Эллингсон
- Лицензия
- CC BY-SA
- Версия лицензии
- 4,0
- Программа OER или Publisher
- Инициатива открытого образования технических библиотек Вирджинии
- Показать оглавление
- нет
- Теги
- источник@https://doi.org/10.21061/electromagnetics-vol-1
- Трансформатор
ЭллингсонЭлектрический трансформатор: как это работает?
Уже более века трансформатор (TF) служит важным элементом в системах распределения электроэнергии, как для промышленности и предприятий, так и для жилых домов.
Если бы не трансформатор, необходимо было бы сократить расстояние между электростанциями и различными типами потребителей , поэтому можно сказать, что это устройство действительно делает распределение электроэнергии более эффективным.
Сегодня вы узнаете немного больше о том, что такое трансформатор, о принципе работы и доступных на рынке типах, а также об их важности и пользе. Давайте начнем.
Что делает трансформатор?
Трансформатор — это машина, работающая по принципу электромагнитной индукции.
В основном это устройство позволяет увеличивать или уменьшать напряжение и силу электрического тока (переменного), но сохраняя мощность постоянной.
Эти машины вносят большой вклад в безопасность и эффективность систем распределения электроэнергии на большие расстояния, поскольку лучший способ передачи электрического тока от электростанции — это высокое напряжение.
Проблема в том, что этот ток высокого напряжения не может попасть в дома таким образом, так как он может повредить всю электроустановку и подключенные к ней приборы, поэтому его необходимо снизить до допустимых пределов, чтобы использовать в домах и на предприятиях.
безопасным способом.
Таким образом, трансформаторы выполняют не только распределительную работу, но и защищают электроустановки.
Как работает трансформатор?
Три основных компонента трансформатора: магнитопровод, первичная обмотка и вторичная обмотка.
С точки зрения физики, работа TF основана на Законе электромагнитной индукции Фарадея :
«Скорость изменения потокосцепления во времени прямо пропорциональна индуцированному электромагнитному полю в катушке или проводнике ».
Итак, работа ТП заключается во взаимной электромагнитной индукции между двумя цепями, связанными общей магнитной связью. Эта взаимная индукция, которая происходит между этими цепями, помогает передавать энергию из одной точки в другую.
Основная обмотка – та, которая подключена к источнику электричества, от которого создается начальный магнитный поток.
Обе катушки изолированы друг от друга. Первоначальный электрический поток индуцируется в основной обмотке, откуда проходит магнитопровод и соединяется со вторичной по малому магнитному сопротивлению; это помогает максимизировать соединение или ссылку.
Что на самом деле делает сердечник, так это функционирует как мост, ретранслируя электрический поток на вторичную обмотку, чтобы создать магнитную цепь, которая завершает ток.
Также обратите внимание, что в некоторых типах ТФ вторичная обмотка может достигать импульса, когда обе обмотки намотаны на один и тот же сердечник, что позволяет генерируемому магнитному полю производить движение.
Технически все типы трансформаторов имеют магнитопровод, собранный из стальных листов, с минимальным воздушным зазором, необходимым для обеспечения непрерывности магнитного пути.
Первичная обмотка — это то, что создает переменный поток в сердечнике, и это способ, которым TF передает энергию переменного тока из одной цепи в другую, преобразуя электрическую энергию из одного значения в другое, изменяя напряжение, но сохраняя частоту .
Различные типы трансформаторов
Существуют различные типы трансформаторов, которые, в свою очередь, относятся к разным классификациям, среди прочего, по функциональности или применению.
Мы не будем перечислять все типы существующих трансформаторов, так как их много, и это не является целью данной статьи, но мы немного поговорим о некоторых из наиболее актуальных.
Силовой трансформатор
Силовой трансформатор является одной из основных и наиболее распространенных классификаций ТП и широко применяется для повышения и понижения напряжения на электростанции и на подстанциях.
Как правило, они работают при полной нагрузке и под высоким напряжением, потому что они предназначены для этого, а также они большие и тяжелые из-за высокого уровня внутренней изоляции, которую они имеют.
Как правило, они не связаны напрямую с домами и/или предприятиями.
В этой классификации мы можем найти несколько типов трансформаторов:
- Пластинчатый сердечник
- Тороидальный
- Автотрансформатор
- Индукционный регулятор
Распределительный трансформатор
Распределительные трансформаторы также называются сервисными трансформаторами и представляют собой тип силовых ТФ, обеспечивающих конечное напряжение в системе распределения электроэнергии.
Короче говоря, они преобразуют и доставляют ток конечному потребителю, будь то дома, предприятия и т. д.
Их также можно классифицировать следующим образом:
- Класс напряжения
- Место установки – опора или подземное хранилище
- Жидкая или сухая изоляция
- Однофазная или трехфазная
Тяговый трансформатор
Тяговые ТФ специально используются для преобразования электроэнергии, вырабатываемой за счет тягового эффекта при движении поездов. Затем эта энергия передается электродвигателям.
Этот тип TF может работать на более низких частотах, вплоть до 16,67 Гц, в то время как обычные TF обычно работают на 50 или 60 Гц.
Приборный трансформатор
В этой классификации мы можем найти:
Трансформатор напряжения или напряжения
Этот тип TF может понизить напряжение от цепи высокого напряжения до цепи низкого напряжения с целью измерения падения напряжения.
Этот тип TF подключается поперек или параллельно линиям, которые необходимы для различных задач измерения, таких как, например, запись фазовых ошибок.
В эту категорию входят ТФ электромагнитного, конденсаторного и оптического типов.
Трансформатор тока
Трансформатор тока — это еще один тип измерительного и защитного TF, который используется аналогично трансформатору напряжения, только для этого они обычно соединяются последовательно, обеспечивая более высокий уровень точности. Они могут обеспечить поток во вторичной обмотке, аналогичный потоку в первичной обмотке.
Другие типы трансформаторов включают:
- Импульсные трансформаторы
- ВЧ-трансформаторы
- ПЧ-трансформаторы
- Аудиотрансформаторы
Советы по безопасности, которые необходимо учитывать при работе с трансформаторами
Поскольку трансформаторы тока являются устройствами, которые могут работать с высоким напряжением, жизненно важно соблюдать ряд мер безопасности, которые необходимо соблюдать, когда необходимо непосредственное обращение, и все это с целью предотвращения несчастных случаев.
Во-первых, они должны соответствовать требованиям ISO 9001. Но в любом случае, когда вы заметили, что ваш трансформатор работает странно, лучше всего удалить его из системы, чтобы выполнить соответствующие работы по проверке и техническому обслуживанию.
- Выполните осмотр перед установкой и убедитесь в отсутствии запаха гари или любых поврежденных или неправильно установленных деталей.
- Держите токовый вход отключенным при работе с трансформаторами.
- Всегда носите соответствующее защитное снаряжение и внимательно следите за индикацией выходного напряжения оборудования.
- Убедитесь, что вы знаете максимальное напряжение ваших трансформаторов. Помните также, что несколько трансформаторов помогают сбалансировать нагрузку.
- Всегда держите мелкие металлические предметы, такие как гайки и болты, подальше от трансформаторов.
- Убедитесь, что ваш трансформатор заземлен во избежание статического электричества.
- Всегда защищайте трансформаторы и компоненты от контакта с водой или другими жидкостями.
