Устройство трансформатора кратко: Силовые трансформаторы: определение, классификация и принцип работы

Трансформатор — урок. Физика, 9 класс.

В цепи переменного тока возможно изменять в широком диапазоне напряжение.

Достигается это посредством несложного устройства — трансформатора, созданного в \(1876\) году русским учёным Павлом Николаевичем Яблочковым. 

Трансформатор — устройство, осуществляющее повышение и понижение напряжения переменного тока при неизменной частоте и незначительных потерях мощности.

Простейший трансформатор состоит из двух катушек изолированного провода и замкнутого стального сердечника, проходящего сквозь обе катушки. Катушки изолированы друг от друга и от сердечника. Одна из катушек, называемая первичной, включается в сеть переменного тока. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Магнитное поле первичной катушки — переменное и меняется с той же частотой, что и ток в первичной катушке. Переменный ток в первой катушке создаёт в стальном сердечнике переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле пронизывает другую катушку, называемую вторичной, и создаёт в ней переменный индукционный ток.

 

 

Допустим, что первичная катушка имеет w1 витков, и по ней проходит переменный ток при напряжении U1. Вторичная обмотка имеет w2 витков, и в ней индуцируется переменный ток при напряжении U2.

Опыт показывает, что во сколько раз число витков вторичной катушки больше (или меньше) числа витков на первичной катушке, во столько же раз напряжение на вторичной катушке больше (или меньше) напряжения на первичной катушке:

 

U2U1=w2w1=k.

Величина \(k\) называется коэффициентом трансформации. Коэффициент равен отношению числа витков первичной обмотки к числу витков во вторичной обмотке.

Во сколько раз увеличивается напряжение на вторичной обмотке трансформатора, примерно во столько же раз уменьшается в ней сила тока при работе нагруженного трансформатора.

В результате мощность тока в первичной и вторичной обмотках трансформатора почти одинакова, поэтому коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора близок к единице. КПД у мощных трансформаторов достигает \(99,5\) %.

 

Трансформаторы: устройство и работа трансформаторов

 

Генераторы, которые стоят на электростанциях, вырабатывают очень мощное ЭДС. На практике такое напряжения редко когда бывает нужно. Поэтому такое напряжение необходимо преобразовывать.

Трансформаторы

Для преобразования напряжения используются устройства, называемы трансформаторами. Трансформаторы могут как и повысить напряжение, так и понизить его. Существуют также стабилизирующие трансформаторы, которые не повышают и не понижают напряжение.

Рассмотрим устройство трансформатора на следующем рисунке.

картинка

Устройство и работа трансформатора

Трансформатор состоит из двух катушек с проволочными обмотками. Эти катушки надевают на стальной сердечник. Сердечник не является монолитным, а собирается из тонких пластин.

Одна из обмоток называется первичной. К этой обмотке подсоединяют переменное напряжение, которое идет от генератора, и которое нужно преобразовать. Другая обмотка называется вторичной. К ней подсоединяют нагрузку. Нагрузка это все приборы и устройства, которые потребляют энергию. 

На следующем рисунке представлено условное обозначение трансформатора.

картинка

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. Когда через первичную обмотку проходит переменный ток, в сердечнике возникает переменный магнитный поток. А так как сердечник общий, магнитный поток индуцирует ток и в другой катушке.

В первичной обмотке трансформатора имеется N1 витков, её полная ЭДС индукции равняется e1 = N1*e, где е – мгновенное значение ЭДС индукции во всех витках. е одинаково для всех витков обоих катушек.

Во вторичной обмотке имеется N2 витков. В ней индуцируется ЭДС e2 = N2*e.

Следовательно: 

e1/e2 = N1/N2.

Сопротивлением обмоток пренебрегаем. Следовательно, значения ЭДС индукции и напряжения будут приблизительно равны по модулю:

|u1|≈|e1|.

При разомкнутой цепи вторичной обмотки в ней не идет ток, следовательно:

|u2|=|e2|.

Мгновенные значения ЭДС e1, e2 колеблются в одной фазе. Их отношение можно заменить отношением значений действующих ЭДС: E1 и E2. А отношение мгновенных значений напряжения заменим действующими значениями напряжения. Получим:

E1/E2 ≈U1/U2 ≈N1/N2 = K

К – коэффициент трансформации. При K>0 трансформатор повышает напряжение, при K<0 – трансформатор понижает напряжение. Если же к концам вторичной обмотки подключить нагрузку, то во второй цепи появится переменный ток, который вызовет появление в сердечнике еще одного магнитного потока.

Это магнитный поток будет уменьшать изменение магнитного потока сердечника. Для нагруженного трансформатора будет справедлива следующая формула:

U1/U2 ≈ I2/I1.

То есть при повышении напряжения в несколько раз, мы во столько же раз уменьшим силу тока.

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Генерирование электрической энергии: принцип действия генераторов
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspПроизводство и использование электрической энергии: передача электроэнергии

назначение, устройство и принцип действия

Силовые трансформаторы представляют собой устройства, работа которых основана на принципе электромагнитной индукции. Агрегат способен преобразовать напряжение переменного тока, сохранив при этом значение его частоты. Особенности прибора позволяют сохранить мощность, а также поменять систему сети (однофазная, трехфазная). Чтобы понять, что такое силовые трансформаторы, необходимо рассмотреть их устройство и принцип действия.

Область применения

Устройство трансформатора силового позволяет транспортировать электричество на большие расстояния. От объекта, который его вырабатывает, до конечного потребителя расстояние может насчитывать тысячи километров. Рассказать кратко о силовых трансформаторах позволяет схема перемещения электричества. Чтобы избежать его искажений и потерь применяется принцип трансформации. Генераторы вырабатывают электричество и передают его на подстанцию. Здесь повышается напряжение, и ток с требуемыми характеристиками передается в линии электропередач.

На другой стороне ЛЭП подводится к удаленной подстанции. Через этот объект осуществляется распределение тока между всеми потребителями. Для этого напряжение понижается. Чтобы преобразовывать электричество большой мощности на обеих подстанциях функционируют представленные устройства. Это трансформаторы и автотрансформаторы. Технические характеристики этих устройств практически идентичны. Отличается их принцип функционирования.

Первый повышающий силовой трансформатор находится непосредственно возле ЛЭП электростанции. Последующие первичные агрегаты в сети также работают для повышения напряжения. Это позволяет избежать потери в линии. На пути к потребителю устанавливается определенное количество понижающей аппаратуры. В обеспечении полноценного функционирования всей системы заключается назначение всех силовых трансформаторов.

Функционирование системы

Принцип работы силового трансформатора основан на электродвижущей силе, которая движется по обмоткам. Данные устройства функционируют исключительно на переменном токе. Если его подключить к обмотке, будет создаваться магнитный поток. Он замыкается в магнитоприводе. В этот момент возникает электродвижущая сила во второй обмотке. Все катушки связаны в системе магнитной связью. Показатель ЭДС будет пропорционален количеству витков в обмотке.

Принцип действия понижающего или повышающего силового трансформатора включает в себя несколько режимов. Для каждого из них предусмотрены свои особенности.

В рабочем режиме к первичной обмотке подводится напряжение, а к вторичной – нагрузка. В таком положении установка способна длительное время обеспечивать подключенные к нему потребители электричеством. Рабочий режим может осуществляться при холостом ходе и опыте короткого замыкания.

Холостой ход наступает при размыкании вторичной обмотки. В этот период исключается протекание по ней тока. Этот режим позволяет определить КПД прибора, потери при намагничивании сердечника и коэффициент трансформации.

Опыт короткого замыкания происходит при коротком шунтировании выводов вторичной катушки. При этом сила тока на входе должна быть занижена на входе. На этом уровне создается вторичный ток без превышения. Представленную методику применяют для определения уровня потерь в меди.

Аварийный режим определяется при нарушениях в работе системы. Рабочие параметры отклоняются от допустимых значений. Наиболее опасным состоянием считается короткое замыкание внутри обмоток. При этом возможно возникновение пожара, причинение большого ущерба системе энергоснабжения. Чтобы предупредить возникновение аварии, применяются различные автоматические системы защиты, сигнализации и отключения оборудования.

Разновидности

Производство конструкций силовых трансформаторов предполагает применение различных технологий. В процессе создания представленной аппаратуры применяются разные диэлектрические компоненты. Определенные части оборудования способствуют охлаждению и обеспечивают электрическую защиту.

Для маломощных разновидностей применяется диэлектрический компаунд или специальная бумага, электротехническое лаковое покрытие. Средние и мощные агрегаты имеют в своем составе такие основные части, как масло, элегаз. Производство подобного оборудования предполагает выполнять особую изоляцию обмоток.

Помимо вышеприведенной классификации выделяют еще несколько основных категорий объектов:

• Количество фаз. Бывает трёхфазный и однофазный тип приборов.
• Тип исполнения. Применяются масляные, сухие и приборы с жидким диэлектрическим веществом.
• Климатическое исполнение. Наружные и внутренние установки.
• Число обмоток. Встречаются конструкции с двумя и более катушками.
• Предназначение. Для понижения или повышения напряжения.
• Возможность регулировки напряжения. Применяются аппараты с регулировкой и без нее.

Производство подобной аппаратуры позволяет создавать установки мощностью от 4 кВА до 200 тыс. кВА (и выше). При этом достигается уровень напряжения на обмотках более 330 кВ.

Всего существует девять групп оборудования. В первую из них входят приборы с напряжением не выше 35 кВ и мощностью 4-100 кВА. К восьмой отнесены аппараты с мощностью выше 200 тыс. кВА и напряжением 35-330 кВ. Существуют и более мощное оборудование. Оно относится к девятой категории.

Особенности и основные параметры

Устройство и монтаж силовых трансформаторов предполагает размещение станции на стационарной, специально подготовленной площадке. Фундамент сооружения должен быть прочным. На грунте при этом могут монтироваться катки и рельсы.

Внутри металлического корпуса располагаются электрические установки. Он выполнен в виде герметичного бака. Внутренние системы закрывает крышка. Чаще всего применяются масляные разновидности. Они имеют особые технические характеристики. Внутри короба такого агрегата находится масло специального типа. Оно обладает особыми диэлектрическими качествами. Масло отводит излишнее тепло от деталей системы в процессе повышенной токовой нагрузки. Однако есть и другие варианты охладительных систем.

Основными характеристиками, влияющими на функционирование установки, являются:

• Количество катушек и тип их соединения.
• Мощность.
• Значение напряжения обмоток.

Сегодня в системах обеспечения электричеством различных объектов чаще встречаются агрегаты с двумя трехфазными обмотки. Только для бытовой сети применяются однофазные установки. Трехфазный силовой трансформатор распространен больше в сетях электрокоммуникаций.

Система регулировки бывает двух типов. В первом случае необходимо отключать питание перед проведением настройки, а во втором – нет. Регулировка выполняется со стороны обмотки высоковольтного типа. По ней движется меньший ток. Такой тип регулировки позволяет выполнять точную настройку.

Конструкция, предполагающая отключение нагрузки, проще. Однако ее предел изменения небольшой. Регулировка требует полного отключения прибора от сети.

Схема

Схема силового трансформатора включает в себя несколько основных элементов. К ним относятся:

• Сердечник (магнитопривод).
• Остов с балками (нижняя и верхняя).
• Низковольтная и высоковольтная обмотки.
• Отводы.
• Регулировочные ответвления.
• Нижняя часть вводов.

На основе с балками закрепляются все составные детали. Магнитопривод необходим для снижения потерь при прохождении магнитного потока через контуры. Он изготавливается из электротехнической стали.

В сердечнике магнитопривода листы металла собирают по определенной схеме. Стержни с обмотками должны приближаться по форме к кругу. Подобная конфигурация позволяет облегчить намотку проводников. Стыки между отдельными пластинами сердечника перекрываются цельными листами.

Обмотка выполняется из проводов круглой или прямоугольной формы сечения. Между слоями и самими обмотками оставляются зазоры для циркуляции охладительного компонента.

Особенности выбора

Силовые трансформаторы требуют при выборе учитывать требования потребителей электроэнергии. При монтаже оборудования энергоснабжения, необходимо рассчитать правильно мощность оборудования. Если применяется несколько агрегатов, при аварийном отключении один из них должен полностью компенсировать работу другого прибора.

Также важно уделять внимание качеству системы защиты. Она должна срабатывать при перегрузках, внутренних повреждений элементов конструкции. К их числу относятся приборы по контролю уровня давления масла, температуры сердечника, обмотки, образование газов.

Обслуживание и ремонт

Работа аппаратов связана с высокими значениями мощностей. Поэтому их обслуживанию уделяется повышенное внимание. Ежедневно обслуживающий персонал совершает осмотры, контролирует показания измерительных приборов.

В процессе техобслуживания оцениваются следующие показатели:

1. Степень истощения прибора, поглощающего влагу.
2. Количество масла.
3. Износ механизмов регенерации масла.
4. Наличие подтекания, механических повреждений трубопроводов радиаторов, корпуса.

Если на объекте не предусмотрено круглосуточное дежурство персонала, периодическая ревизия производится раз в месяц. На трансформаторных пунктах осмотр выполняют раз в 6 месяцев.

При необходимости меняют или доливают масло. Его цвет контролируется при визуальном осмотре. Если оно стало темным, его меняют. Раз в год и при проведении капитального ремонта выполняют лабораторное исследование состава масла.

Для разрушения пленки окислов на медных и латунных элементах раз в 6 месяцев отключают установку от питания. Переключатель переводят через все положения несколько раз. Такую процедуру проводят перед сезонными колебаниями нагрузки.

Силовая аппаратура является важным элементом сети энергоснабжения. Они функционируют круглосуточно, поэтому важно уделять внимание особенностям их выбора и обслуживанию. Это одно из сложнейших, но крайне важных устройств.

Принцип работы трансформатора, устройство понижающего и повышающего трансформатора, виды и типы, формула КПД, напряжение короткого замыкания трансформатора, схема замещения

Принцип работы трансформатора должен знать каждый человек, который хочет более осознанно смотреть на используемую в быту и промышленности технику и понимать основы ее функционирования. Трансформатор относится к одному из самых универсальных и широко используемых устройств, которое в той или иной форме можно встретить практически везде.

С помощью этого аппарата происходит преобразование изначального напряжения электрического сигнала в более высокое или низкое, в зависимости от поставленных задач. Есть как непосредственно трансформаторы, которые изначально запрограммированы выполнять только одну функцию, так и так называемые латеры – аппараты, в которых рабочее напряжение можно менять прямо во время эксплуатации оборудования.

Без трансформатора невозможно представить себе нашу привычную жизнь. Перед тем, как электрический сигнал попадает в дом, происходит понижение его напряжения на специальных трансформаторных станциях.

Передача электрической энергии на большие расстояния по проводам происходят наоборот, благодаря повышению напряжения с привычных 220-380 В до нескольких десятков кВ. Любая бытовая техника, даже самый примитивный блок питания, также выполняют задачи трансформатора.

Именно поэтому очень важно хотя бы в общих чертах понимать, как работает данное устройство.

Трансформатор что это такое

Само название данного технического приспособления пошло от латинского термина transformare, что означает – преобразовывать, изменять, превращать. Трансформатором называется устройство статического электромагнитного типа, которое выполняет задачу преобразования напряжения переменного типа, а также служит для осуществления гальванической развязки в электрических схемах.

В последнем случае имеется ввиду такой тип передачи электрической энергии или информационного сигнала, при котором между контактирующими деталями нет непосредственного электрического контакта.

Трансформатор может быть однофазным или же трехфазным, хотя по особенностям конструкции они и не слишком сильно отличаются.

Данное устройство было изобретено, основываясь на работах великого ученого Фарадея (по другим версиям – он его и изобрел), который открыл явление электромагнитной индукции. В 1831 году М. Фарадей и другой ученый Д. Генри разработали первое схематическое изображение рассматриваемого прибора.

Позже, в 1876 году, русский изобретатель П. Н. Яблочков запатентовал первый трансформатор переменного тока.

Виды и типы

С тех пор, когда Фарадей и Генри впервые изобразили на схеме рассматриваемое приспособление, прошло немало времени. И сейчас количество разнообразных преобразующих ток устройств пошло на десятки.

Бывают такие основные виды трансформаторов, которые активно используются практически во всех сферах деятельности человека:

1. Автотрансформатор устройство, в котором первичная и вторичная обмотки соединены не только магнитным, но и непосредственно электрическим контактами.
2. Силовой применяется в сетях с большими напряжениями электрического тока, измеряемыми киловольтами. Чаще всего работают при ЛЭП, небольших электростанциях, а также в домах конечных пользователей.
3. Трансформатор тока. Ток первичной обмотки, который поступает напрямую с его источника, здесь понижается до пределов, требуемых для бесперебойной работы определенных типов техники.
4. Трансформатор напряжения. В отличие от предыдущего случая, питается не источником тока, а источником напряжения. Чаще всего здесь высокое напряжение трансформируется в более низкое.
5. Импульсивный отличается тем, что обрабатывает электрические сигналы длительностью в миллисекунды.
6. Сварочный преобразует напряжение в более низкое, а ток – в значительно более высокий, требуемый для задач сварки.
7. Разделительный, в котором первичная обмотка электрически не привязана к вторичной. Необходим для обеспечения большего уровня безопасности при работе с электросетями.

Также есть еще согласующий, пик-трансформатор, сдвоенный дроссель, вращающий и другие типы рассматриваемого устройства, предназначенные для решения конкретных технических задач.

Общее устройство

Конструкция изделия в общем виде выглядит достаточно просто.

Основу устройства составляют такие важнейшие его элементы:

1. Первичная обмотка катушка, на которую намотано N количество витков проводника. Два электрических контакта позволяют подключать к ней источники постоянного тока или напряжения.
2. Вторичная обмотка по типу конструкции полностью повторяет первичную, но имеет отличное от нее количество витков проводника M. Также здесь расположены контакты для вывода электрического сигнала на следующего или конечного потребителя тока или напряжения.
3. Магнитный стержень, обычно прямоугольной формы, на который по его сторонам надеты в плотном контакте к основе упомянутые выше катушки. Предназначен для того, чтобы передавать возникшее в результате действия электромагнитной индукции магнитное поле с первой на вторую катушку и возбуждать в нем пропорциональный электрический сигнал.

Все указанные элементы могут находиться в корпусе, который иногда бывает заполнен специальным трансформаторным маслом. Устроен прибор просто, и даже самая примитивная схема замещения легко объясняет его принципы работы.

Принцип действия

Самое главное в изучении прибора состоит в том, чтобы разобраться на каком физическом явлении основана работа трансформатора? Как уже вкратце упоминалось выше, в основе функционирования устройства лежит открытая Майклом Фарадеем электромагнитная индукция.

Ее суть заключается в следующем – переменное магнитное поле генерирует электрический ток в находящихся рядом проводниках. В школе все должны были видеть эксперимент, который это демонстрирует – в контур из проволоки вставляется и вытаскивается магнит, а на подключенном к проволоке амперметре можно наблюдать появление тока.

Формула, представленная Фарадеем, который открыл закон возникновения ЭДС, показывает, что возникающая электродвижущая сила пропорциональна магнитному потоку через данный контур.

Кратко говоря, суть работы трансформатора следующая – когда на первичную обмотку подается напряжение и по ней течет ток, возникает магнитное поле определенной величины. Оно распространяется по магнитопроводу или магнитному сердечнику, и генерирует во второй обмотке электрический ток, который пропорционален как величине магнитного поля, так и количеству витков проводника на второй обмотке. Главная характеристика устройства – его КПД.

Зависимость напряжения от количества витков

Возникающее напряжение и КПД в устройстве на второй обмотке напрямую зависит от количества витков на ней.

Рассмотрим наиболее распространенные разновидности, касающиеся этого вопроса:

1. Разделительный трансформатор. Здесь электрическое соединение обмоток отсутствует, а количество витков на второй из них равно первой. То есть, n1 / n2 = 1.
2. Понижающий. В этом случае на вторичной обмотке находится меньше витков проводника, чем на первичной, или n1 / n2 ˃ 1.
3. Повышающий трансформатор. Здесь ситуация прямо противоположна предыдущему случаю на вторичной обмотке витков больше, чем на первичной n1 / n2 ˂ 1.

В некоторых устройствах есть возможность изменять режим работы и параметр n2 в зависимости от потребностей конечного потребителя и изменяющихся условий эксплуатации.

Из чего состоит трансформатор

Строение рассматриваемого технического приспособления уже было рассмотрено выше. Но возникает вопрос: а какие магнитные материалы применяются для обеспечения его бесперебойной работы?

Магнитные материалы

Магнитная система трансформаторов обычно делается из специальной электротехнической стали высокой степени чистоты. Используется она по той причине, что позволяет добиться максимальной передачи магнитного сигнала без больших потерь и увеличивает КПД устройства.

Также к популярным магнитным материалам относятся всевозможные сплавы с применением в их составе углерода и кремния, который позволяет значительно увеличить магнитную проницаемость материала.

Магнитопровод и его типы

Что касается магнитопровода, то он обычно делится на типы:

1. Стержневой тип. Отличается ступенчатым сечением вертикального стержня, вписывающегося в окружность. На самих вертикальных элементах располагаются обмотки.
2. Броневой тип. Здесь каждый стержень имеет прямоугольную форму в поперечном сечении и это же касается обмоток – они также прямоугольные. Производство таких элементов достаточно затруднено.
3. Тороидальный тип. Отличается круглой формой и требует минимальное количество материала для изготовления. Сечение здесь круглое, а обмотка наматывается перпендикулярно направлению линий круга.

Есть и более углубленные классификации, но они представляют интерес больше для специалистов. Параметры разных типов магнитопроводов могут значительно отличаться.

Буквенные и схематические обозначения трансформатора

На всех электрических схемах трансформатор, равно как и его мощность и другие параметры, изображаются специальными символами и буквами. Само устройство изображается в виде двух проводков с несколькими витками, между которыми находится стержень в виде вертикальной линии.

Условные графические обозначения трансформаторов.

а – трансформатор без магнитопровода с постоянной связью,

б – трансформатор без магнитопровода с переменной связью,

в – трансформатор с магнитодиэлектрическим магнитопроводом,

г – трансформатор, подстраиваемый общим магнитодиэлектрическим магнитопроводом,

д – трансформатор со ступенчатым регулированием,

е – трансформатор однофазный с ферромагнитным магнитопроводом и экраном между обмотками,

ж – трансформатор дифференциальный (с отводом от средней точки одной обмотки),

з – трансформатор однофазный с ферромагнитным магнитопроводом трехобмоточный,

и – трансформатор трехфазный с ферромагнитным магнитопроводом, с соединением обмоток звезда – звезда с выведенной нейтральной (средней) точкой,

к – трансформатор трехфазный с ферромагнитным магнитопроводом, соединение обмоток звезда с выведенной нейтральной (средней) точкой – треугольник,

л – трансформатор трехфазный трехобмоточный с ферромагнитным магнитопроводом, с соединением обмоток звезда с регулированием под нагрузкой – треугольник – звезда с выведенной нейтральной (средней) точкой,

м – в развернутых обозначениях обмоток трансформаторов (Форма 2) допускается наклонное изображение линий связи, например, обмотка трансформатора с соединением обмоток звезда – треугольник,

н – трансформатор трехфазный трехобмоточный (фазорегулятор), соединение обмоток звезда – звезда,

о – трансформатор вращающийся, фазовращатель (обозначение соединения обмоток статора и ротора между собой производится в зависимости от назначения машины),

п – трансформаторная группа из трех однофазных двухобмоточных трансформаторов с соединением обмоток звезда – треугольник.

Что касается буквенных обозначений, то здесь все выглядит так:

• О – указывает на однофазное устройство,
• Т – трехфазное,
• С – воздушный тип охлаждения,
• М – масляное охлаждение,
• Д – смесь воздушной и масляной системы,
• Р – обозначает, что устройство с расщепленной обмоткой,
• А – автотрансформатор.

Есть и другие буквенные обозначения, и в целом их очень много.

Применение трансформаторов

Самая главная область использования рассматриваемого приспособления – это электросети, которые подают ток для домов, заводов, офисных помещений и т. д.

Электростанции используют силовые трансформаторы для того, чтобы подавать на потребителя ток не 16 кВ напряжения, каким они его принимают, а привычные 220-380 В.

Также устройство активно используется во всевозможном электрооборудовании, установках на производстве, в бытовой технике и источниках питания.

Принцип действия трансформатора — назначение, устройство и классификация

Принцип действия:

1. В устройстве существуют 2 обмотки, их называют первичной и вторичной. К внешнему источнику подключается только первичная обмотка, тогда как вторичная обмотка предназначена для снятия напряжения.
2. Включая в электросеть первичную обвивку, в магнитопроводе создаётся магнитное поле (переменное) от первичной обмотки, в результате чего образуется ток вторичной обмотки, если его замкнуть через приёмник.
3. Синхронно в первичной обвивке образуется нагрузочный ток.
4. Отсюда происходит трансформирование электрической энергии, когда первичная сеть передаёт её вторичной. В результате, приёмник получит ту величину, на которую рассчитан прибор.

схема работы

Явление взаимной индукции, является основой работы трансформатора:

1. Чтобы улучшить магнитную связь 2 обмоток, они укладываются на магнитопровод стальной структуры.
2. В свою очередь, делается изоляция не только между ними, но и с магнитопроводом.
3. Каждая обмотка имеет свою маркировку. Если обмотка с высоким напряжением, её обозначают (ВН), низким – (НН).
4. Первичная обмотка подключается к электросети, вторичная – к приёмнику.

Напряжение на обвивках имеют различную величину, и от того в каких целях будет применяться устройство, зависит величина на обвивках:

1. Повышающий трансформатор будет иметь меньше напряжение на первичной обвивке, чем на второй.
2. Понижающий прибор, в точности всё наоборот.

Использование их различно:

1. На больших расстояниях используются повышающие приборы.
2. Если надо распределить электроэнергию потребителям – понижающие.

Существуют приборы с 3 обмотками, когда надо получить не только высокое и низкое напряжение, но и среднюю величину (СН).

Обвивки такого устройства также изолированы друг от друга и имеют подключение от электроэнергии одной обвивкой, когда 2 другие подсоединяются к разным приёмникам:

1. Обвивки имеют форму цилиндра и выполняются намоткой медного провода, имеющего круглое сечение для малых токов.
2. Для тока большой величины используются шины с прямоугольным сечением.
3. На сердечник магнитопровода делается обвивка для малого напряжения, так как она легко изолируется, по сравнению с обвивкой высокого номинала.
4. Сам сердечник исполняется круглой формы, если обвивка в форме цилиндра. Это делается для уменьшения немагнитных зазоров, и уменьшить длину витков обвивок. Отсюда уменьшится и масса меди на заданную площадь сечения круглого магнитопровода.
5. Круглый стержень проходит сложный процесс сборки из стальных листов. И чтобы упростить задачу, в устройствах с большим напряжением используются стержни со ступенчатым поперечным сечением, когда их число достигает всего 17 штук.
6. В мощных агрегатах устанавливаются дополнительные вентиляционные каналы, для охлаждения магнитопровода. Это достигается расположением их перпендикулярно и параллельно поверхности листов из стали.
7. В менее мощных устройствах сердечник выполняется с прямоугольным сечением.

Назначение и типы

трехфазный трансформатор

Трансформатор, можно назвать преобразователем одной величины напряжения или тока в другую.

Они могут быть:

• трёхфазными;
• однофазными;
• понижающими;
• повышающими;
• измерительными и т.д.;

Назначение прибора: передаёт и распределяет электроэнергию заказчику.

В приборе есть активные компоненты: обвивка и сердечник магнитопоровода. В свою очередь, сердечник может быть стержневым и броневым. Для них используется холоднокатаная горячекатаная электротехническая сталь.

Обвивку используют непрерывную, винтовую, цилиндрическую, дисковую.

Среди современных изделий можно отметить следующие:

• тороидальные;
• броневые;
• стержневые;

Они имеют характеристики похожие друг с другом, с высокой надёжностью. Единственное, что их различает – это способ изготовления.

В стержневом варианте, обвивка наматывается вокруг сердечника, тогда как в броневом типе идёт включение в сердечник. Поэтому, в стержневом типе, обвивку можно увидеть и располагается она только горизонтально, а в броневом, она скрыта, но может быть, как горизонтально, так и вертикально размещена.

Какой бы тип мы не рассматривали, у него имеются 3 компонента:

• система охлаждения;
• обвивка;
• магнитопровод;

За счёт приборов удаётся значительно повысить напряжённость, идущую с электрических станций, на дальние расстояния, при этом, потери энергии будут минимальные по проводам. На основании вышеизложенного, можно использовать провода на линиях передач, с меньшей площадью сечения.

Потребителю также можно уменьшать потребление энергии с высоковольтных линий до номинальных значений (380, 220, 127 В).

Область применения и виды

трансформатор в телевизоре

Бытовые трансформаторы защищают технику при перепадах напряжения.

Поэтому применяют их в следующих приборах:

• в освещении;
• осциллографах;
• телевизорах;
• радиоприёмниках;
• измерительных устройствах и т.д;

Сварочные экземпляры, разделяющие силовую и сварочную сеть, активно используются при сварке и электротермических конструкциях, где успешно понижают величину напряжения до обязательных номиналов.

В энергосети используются масляные агрегаты, где напряжённость 6 и 10 кВ.

Многие автоматические конструкции используют трансформаторы, где напряжение на обвивках несуидальное.

Виды:

1. Вращающийся. Передача сигнала ведётся на объекты, которые вращаются. Например, видеомагнитофон, где передача сигнала ведётся на барабан узла магнитной головки. Здесь существуют 2 половины магнитопровода и вращение их происходит с минимальным зазором в отношении друг друга. На основании этого, реализуется большая скорость оборотов, в контактном способе сигнала достичь такого эффекта не считается возможным.
2. Пик-трансформатор. В этом варианте происходит преобразование синусоидального напряжения в сплески, имеющие пикообразную форму. Активно используются в управлении тиристоров, а также электронных и полупроводниковых устройств.
3. Согласующий. Принимает участие в согласовании сопротивлений в разных промежутках электронной схемы, при этом, форма сигнала искажается минимально. Синхронно обеспечивается гальваническая развязка между зонами схем.
4. Разделительный. Здесь 2 обмотки не соединены между собой электрически. Такая схема даёт возможность повысить безопасность электрических сетей. Когда происходит случайное одновременное прикосновение к токоведущей части и земли, выдаётся гальваническая развязка электрической цепи.
5. Импульсный. В этом варианте преобразуются импульсные сигналы за очень короткий промежуток времени (десятки микросекунд), при этом, искривление конфигурации импульса минимально.
6. По напряжению. Здесь происходит конверсия большого напряжения в низкую величину. Этот вариант позволяет изолировать измерительные и логические цепи от большого напряжения.
7. По току. В этом типе измеряются цепи с большим током. Например, в конструкциях релейных щитов электроэнергетических систем. Поэтому, применяются достаточно жёсткие требования к точности.
8. Автотрансформатор. В этом типе соединение 2 обмоток ведётся напрямую. В результате, создаётся электрическая и электромагнитная связь, чем объясняется высокий КПД этого вида. Недостатком такого устройства, можно назвать отсутствие изоляции, то есть не существует гальваническая развязка.
9. Силовой. Этот вариант используется при изменяемом токе и преобразует электрическую энергию в установках и электросетях. Широко применяется этот тип на линиях ЛЭП с высокой напряжённостью (35-750 кВ), городских электрических сетях (10 и 6 кВ).
10. Сдвоенный дроссель. Наличие 2 равных обвивок, даёт возможность получить более результативный дроссель, чем обычный. Их используют на вводе фильтра в блоке питания, а также в звуковом оборудовании.
11. Трансфлюксор. Оставшаяся намагниченность магнитного провода имеет большую величину, что позволяет использовать его для сохранения сведений.

Немного из истории

Изобретение трансформаторов начиналось ещё в 1876 году, великим русским учёным П.Н. Яблоковым. Тогда его изделие не имело замкнутого сердечника, который появился значительно позже – 1884 год. И с появлением прибора учёные активно стали интересоваться переменным током.

Например, уже в 1889 году, М.О. Доливо-Добровольским (русским электротехником) была предложена трёхфазная система переменного тока. Им был построен первый 3-х фазный асинхронный двигатель и трансформатор.

Уже через пару лет, электромеханик предоставил свои работы на выставке, где произошла презентация трёхфазной высоковольтной линии, имеющую протяженность 175 км, где успешно повышалась и понижалась электроэнергия.

Немного позже, пришла очередь масляным агрегатам, так как масло не только оказалось хорошим изолятором, но и прекрасной охлаждающей средой.

В 20 столетии появились изделия более компактные и экономичные. Производителями продукции являлись иностранные фирмы. На настоящий момент, выпуском продукции занимаются и отечественные фирмы.

Статья была полезна?

0,00 (оценок: 0)

Трансформатор. Методические материалы

Цифровой ресурс может использоваться для обучения в рамках программы средней школы (профильного и углубленного уровней).

Компьютерная программа иллюстрирует принцип действия трансформатора.

Краткая теория

Среди приборов переменного тока, нашедших широкое применение в технике, значительное место занимают трансформаторы. Принцип действия трансформаторов, применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из сердечника замкнутой формы из магнитомягкого материала, на который намотаны две обмотки: первичная и вторичная. Различают два режима работы трансформатора.

1. Трансформатор на холостом ходу (нагрузка отсутствует)

При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Сердечник концентрирует магнитное поле, так что магнитный поток существует практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях. В режиме холостого хода, то есть при разомкнутой цепи вторичной обмотки, ток в первичной обмотке весьма мал из-за большого индуктивного сопротивления обмотки. В этом режиме трансформатор потребляет небольшую мощность.

Если полную ЭДС индукции, возникающую в первичной обмотке (имеющей N₁ витков) обозначить как ε₁, а полную ЭДС индукции, возникающую во вторичной обмотке (N₂ витков) как ε₂, то имеет место следующее соотношение:

Активное сопротивление обмоток трансформатора мало, и им можно пренебречь. В этом случае модуль напряжения на зажимах катушки приблизительно равен модулю ЭДС индукции.

Величина K называется коэффициентом трансформации. При K > 1 трансформатор является понижающим, а при K < 1 – повышающим.

2. Работа нагруженного трансформатора

Если к концам вторичной обмотки присоединить нагрузку, потребляющую электроэнергию, то сила тока во вторичной обмотке уже не будет равна нулю. Появившийся ток создает в сердечнике свой переменный магнитный поток, который по правилу Ленца должен уменьшить изменения магнитного потока в сердечнике. Уменьшение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока должно уменьшить и ЭДС индукции в первичной обмотке. Но это невозможно, так как модуль напряжения на зажимах первичной катушки по прежнему приблизительно равен модулю ЭДС индукции. Поэтому при замыкании цепи вторичной обмотки автоматически увеличивается сила тока в первичной обмотке. Его амплитуда возрастает таким образом, чтобы восстановить прежнее значение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока. Мощность в первичной цепи при нагрузке трансформатора, близкой к номинальной, приблизительно равна мощности во вторичной цепи:

Отсюда:

Таким образом, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот).

Работа с моделью

Компьютерная программа моделирует два режима работы трансформатора.

• Трансформатор на холостом ходу (ненагруженный).
• Нагруженный трансформатор.

В режиме холостого хода модель позволяет проводить эксперимент, изменяя число витков первичной и вторичной обмотки трансформатора, напряжение на первичной обмотке (напряжение на вторичной обмотке изменяется автоматически, в соответствии с выбранными пользователем параметрами).

В режиме нагруженного трансформатора можно изменять число витков первичной и вторичной обмотки, напряжение на первичной обмотке, сопротивление нагрузки. Выводятся значения напряжения на вторичной обмотке, а также силы тока в первичной и вторичной обмотках.

Рекомендации по применению модели

Данная модель может быть применена в качестве иллюстрации на уроках изучения нового материала в 11 классе по теме «Трансформатор». На примере этой модели можно рассмотреть с учащимися принцип действия трансформатора, его работу на холостом ходу и с нагрузкой.

Пример планирования урока с использованием модели

Тема «Трансформатор»

Цель урока: рассмотреть принцип действия трансформатора, ввести понятие холостого хода трансформатора, коэффициента трансформации.

№ п/п Этапы урока Время, мин Приемы и методы 1 Организационный момент 2 2 Повторить основные понятия из темы «Электромагнитная индукция» 10 Фронтальный опрос 3 Объяснение нового материала по теме «Трансформатор» 20 Объяснение нового материала с использованием модели «Трансформатор» 4 Решение задач по теме «Трансформатор» 10 Фронтальная работа с использованием модели «Трансформатор» 5 Объяснение домашнего задания 3

Таблица 1.

Примеры вопросов

• Что можно сказать о магнитном потоке, пронизывающем первичную и вторичную обмотки трансформатора? Какая часть трансформатора это обеспечивает?
• За счет чего трансформатор изменяет величину напряжения?
• По данным модели определить коэффициент трансформации.
• Определить повышающий трансформатор или понижающий.

Что такое трансформатор простыми словами

Трансформатор — электрическое устройство, передающее энергию переменного тока от одного контура к другому способом электромагнитного взаимодействия. Большинство трансформаторов состоят из трёх частей: первичная обмотка, вторичная обмотка и сердечник. Трансформатор используется для того, чтобы преобразовывать переменный ток в электропитание для бытовых и промышленных приборов.

Схема трансформатора

Принцип работы трансформатора

Трансформаторы работают по принципу электромагнитного взаимодействия. Чтобы электромагнитное взаимодействие происходило, необходимо присутствие магнитного поля и проводника, между которыми должно происходить относительное движение.

Когда на первичную обмотку трансформатора подаётся переменный ток, вокруг обмотки образуется магнитное поле. Поскольку подаётся переменный ток, меняющий направление каждую половину цикла, ежесекундно происходит многократное расширение и исчезновение магнитного поля. Вторичная обмотка как раз и является тем проводником, который нужен для электромагнитного взаимодействия, а расширение и исчезновение магнитного поля обеспечивает относительное движение. Итак, когда соблюдены все три требования, происходит электромагнитное взаимодействие. В результате, во вторичной обмотке трансформатора индуцируется напряжение.

Источник: www.kipiavp.ru

Устройство и принцип работы трансформатора

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем знакомство с электронными компонентами и в этой статье рассмотрим устройство и принцип работы трансформатора.

Трансформаторы нашли широкое применение в радио и электротехнике и применяются для передачи и распределения электрической энергии в сетях энергосистем, для питания схем радиоаппаратуры, в преобразовательных устройствах, качестве сварочных трансформаторов и т.п.

Трансформатор предназначен для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины.

В большинстве случаев трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника) с расположенными на нем двумя катушками (обмотками) электрически не связанных между собой. Магнитопровод изготавливают из ферромагнитного материала, а обмотки мотают медным изолированным проводом и размещают на магнитопроводе.

Одна обмотка подключается к источнику переменного тока и называется первичной (I), с другой обмотки снимается напряжение для питания нагрузки и обмотка называется вторичной (II). Схематичное устройство простого трансформатора с двумя обмотками показано на рисунке ниже.

1. Принцип работы трансформатора.

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

Если на первичную обмотку подать переменное напряжение U1, то по виткам обмотки потечет переменный ток Io, который вокруг обмотки и в магнитопроводе создаст переменное магнитное поле. Магнитное поле образует магнитный поток Фo, который проходя по магнитопроводу пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует (наводит) в них переменные ЭДС – е1 и е2. И если к выводам вторичной обмотки подключить вольтметр, то он покажет наличие выходного напряжения U2, которое будет приблизительно равно наведенной ЭДС е2.

При подключении к вторичной обмотке нагрузки, например, лампы накаливания, в первичной обмотке возникает ток I1, образующий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1 изменяющийся с той же частотой, что и ток I1. Под воздействием переменного магнитного потока в цепи вторичной обмотки возникает ток I2, создающий в свою очередь противодействующий согласно закону Ленца магнитный поток Ф2, стремящийся размагнитить порождающий его магнитный поток.

В результате размагничивающего действия потока Ф2 в магнитопроводе устанавливается магнитный поток Фo равный разности потоков Ф1 и Ф2 и являющийся частью потока Ф1, т.е.

Результирующий магнитный поток Фo обеспечивает передачу магнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу е2, под воздействием которой во вторичной цепи течет ток I2. Именно благодаря наличию магнитного потока Фo и существует ток I2, который будет тем больше, чем больше Фo. Но и в то же время чем больше ток I2, тем больше противодействующий поток Ф2 и, следовательно, меньше Фo.

Из сказанного следует, что при определенных значениях магнитного потока Ф1 и сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки устанавливаются соответствующие значения ЭДС е2, тока I2 и потока Ф2, обеспечивающие равновесие магнитных потоков в магнитопроводе, выражаемое формулой приведенной выше.

Таким образом, разность потоков Ф1 и Ф2 не может быть равна нулю, так как в этом случае отсутствовал бы основной поток Фo, а без него не мог бы существовать поток Ф2 и ток I2. Следовательно, магнитный поток Ф1, создаваемый первичным током I1, всегда больше магнитного потока Ф2, создаваемого вторичным током I2.

Величина магнитного потока зависит от создающего его тока и от числа витков обмотки, по которой он проходит.

Напряжение вторичной обмотки зависит от соотношения чисел витков в обмотках. При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке будет приблизительно равно напряжению, подаваемому на первичную обмотку, и такой трансформатор называют разделительным.

Если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подаваемого на первичную обмотку, и такой трансформатор называют повышающим.

Если же вторичная обмотка содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее будет меньше, чем напряжение подаваемое на первичную обмотку, и такой трансформатор называют понижающим.

Следовательно. Путем подбора числа витков обмоток, при заданном входном напряжении U1 получают желаемое выходное напряжение U2. Для этого пользуются специальными методиками по расчету параметров трансформаторов, с помощью которых производится расчет обмоток, выбирается сечение проводов, определяются числа витков, а также толщина и тип магнитопровода.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то в магнитопроводе образуется магнитный поток постоянный во времени, по величине и направлению. В этом случае в первичной и вторичной обмотках не будет индуцироваться переменное напряжение, а следовательно, не будет передаваться электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Однако если в первичной обмотке трансформатора будет течь пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение частота которого будет равна частоте пульсации тока в первичной обмотке.

2. Устройство трансформатора.

2.1. Магнитопровод. Магнитные материалы.

Назначение магнитопровода заключается в создании для магнитного потока замкнутого пути, обладающего минимальным магнитным сопротивлением. Поэтому магнитопроводы для трансформаторов изготавливают из материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях. Материалы должны иметь малые потери на вихревые токи, чтобы не перегревать магнитопровод при достаточно больших значениях магнитной индукции, быть достаточно дешевыми и не требовать сложной механической и термической обработки.

Магнитные материалы, используемые для изготовления магнитопроводов, выпускаются в виде отдельных листов, либо в виде длинных лент определенной толщины и ширины и называются электротехническими сталями.
Листовые стали (ГОСТ 802-58) изготавливаются методом горячей и холодной прокатки, ленточные текстурованные стали (ГОСТ 9925-61) только методом холодной прокатки.

Также применяют железноникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллой, перминдюр и др. (ГОСТ 10160-62), и низкочастотные магнитомягкие ферриты.

Для изготовления разнообразных относительно недорогих трансформаторов широко применяются электротехнические стали, имеющие небольшую стоимость и позволяющие трансформатору работать как при постоянном подмагничивании магнитопровода, так и без него. Наибольшее применение нашли холоднокатаные стали, имеющие лучшие характеристики по сравнению со сталями горячей прокатки.

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, предназначенных для работы при повышенных и высоких частотах 50 – 100 кГц.

Недостатком таких сплавов является их высокая стоимость. Так, например, стоимость пермаллоя в 10 – 20 раз выше стоимости электротехнической стали, а пермендюра – в 150 раз. Однако в ряде случаев их применение позволяет существенно снизить массу, объем и даже общую стоимость трансформатора.

Другим их недостатком является сильное влияние на магнитную проницаемость постоянного подмагничивания, переменных магнитных полей, а также низкая стойкость к механическим воздействиям – удар, давление и т.п.

Из магнитомягких низкочастотных ферритов с высокой начальной проницаемостью изготавливают прессованные магнитопроводы, которые применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, работающих на высоких частотах от 50 – 100 кГц. Достоинством ферритов является невысокая стоимость, а недостатком является низкая индукция насыщения (0,4 – 0,5 Т) и сильная температурная и амплитудная нестабильность магнитной проницаемости. Поэтому их применяют лишь при слабых полях.

Выбор магнитных материалов производится исходя из электромагнитных характеристик с учетом условий работы и назначения трансформатора.

2.2. Типы магнитопроводов.

Магнитопроводы трансформаторов разделяются на шихтованные (штампованные) и ленточные (витые), изготавливаемые из листовых материалов и прессованные из ферритов.

Шихтованные магнитопроводы набираются из плоских штампованных пластин соответствующей формы. Причем пластины могут быть изготовлены практически из любых, даже очень хрупких материалов, что является достоинством этих магнитопроводов.

Ленточные магнитопроводы изготавливаются из тонкой ленты, намотанной в виде спирали, витки которой прочно соединены между собой. Достоинством ленточных магнитопроводов является полное использование свойств магнитных материалов, что позволяет уменьшить массу, размеры и стоимость трансформатора.

В зависимости от типа магнитопровода трансформаторы подразделяются на стрежневые, броневые и тороидальные. При этом каждый из этих типов может быть и стрежневым и ленточным.

В магнитопроводах стержневого типа обмотки располагается на двух стержнях (стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки). Это усложняет конструкцию трансформатора, но уменьшает толщину намотки, что способствует снижению индуктивности рассеяния, расхода проволоки и увеличивает поверхность охлаждения.

Стержневые магнитопроводы используют в выходных трансформаторах с малым уровнем помех, так как они малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей низкой частоты. Это объясняется тем, что под влиянием внешнего магнитного поля в обеих катушках индуцируются напряжения, противоположные по фазе, которые при равенстве витков обмоток компенсируют друг друга. Как правило, стержневыми выполняются трансформаторы большой и средней мощности.

В магнитопроводе броневого типа обмотка располагается на центральном стержне. Это упрощает конструкцию трансформатора, позволяет получить более полное использование окна обмоткой, а также создает некоторую механическую защиту обмотки. Поэтому такие магнитопроводы получили наибольшее применение.

Некоторым недостатком броневых магнитопроводов является их повышенная чувствительность к воздействию магнитных полей низкой частоты, что делает их малопригодными к использованию в качестве выходных трансформаторов с малым уровнем помех. Чаще всего броневыми выполняются трансформаторы средней мощности и микротрансформаторы.

Тороидальные или кольцевые трансформаторы позволяют полнее использовать магнитные свойства материала, имеют малые потоки рассеивания и создают очень слабое внешнее магнитное поле, что особенно важно в высокочастотных и импульсных трансформаторах. Но из-за сложности изготовления обмоток не получили широкого применения. Чаще всего их делают из феррита.

Для уменьшения потерь на вихревые токи шихтованные магнитопроводы набираются из штампованных пластин толщиной 0,35 – 0,5 мм, которые с одной стороны покрывают слоем лака толщиной 0,01 мм или оксидной пленкой.

Лента для ленточных магнитопроводов имеет толщину от нескольких сотых до 0,35 мм и также покрывается электроизолирующей и одновременно склеивающейся суспензией или оксидной пленкой. И чем тоньше слой изоляции, тем плотнее происходит заполнение сечения магнитопровода магнитным материалом, тем меньше габаритные размеры трансформатора.

За последнее время наряду с рассмотренными «традиционными» типами магнитопроводов находят применение новые формы, к числу которых следует отнести магнитопроводы «кабельного» типа, «обращенный тор», катушечный и др.

На этом пока закончим. Продолжим во второй части.
Удачи!

1. В. А. Волгов – «Детали и узлы радио-электронной аппаратуры», Энергия, Москва 1977 г.
2. В. Н. Ванин – «Трансформаторы тока», Издательство «Энергия» Москва 1966 Ленинград.
3. И. И. Белопольский – «Расчет трансформаторов и дросселей малой моности», М-Л, Госэнергоиздат, 1963 г.
4. Г. Н. Петров – «Трансформаторы. Том 1. Основы теории», Государственное Энергетическое Издательство, Москва 1934 Ленинград.
5. В. Г. Борисов, – «Юный радиолюбитель», Москва, «Радио и связь» 1992 г.

Источник: sesaga.ru

Что такое трансформатор тока, принцип работы, типы, схемы

В данной статье мы подробно рассмотрим что такое трансформатор тока, опишем принцип его работы, какие бывают типы, а так же расчеты и схемы трансформатора тока.

Описание и принцип работы

Трансформатор тока представляет собой тип «измерительного трансформатора», который предназначен для производства переменного тока в его вторичной обмотки, которое пропорционально току измеряется в его первичном. Трансформаторы тока уменьшают токи высокого напряжения до гораздо более низкого значения и обеспечивают удобный способ безопасного контроля фактического электрического тока, протекающего в линии электропередачи переменного тока, с использованием стандартного амперметра. Принцип работы основного трансформатора тока немного отличается от обычного трансформатора напряжения.

В отличие от трансформатора напряжения или мощности, рассматриваемого ранее, трансформатор тока состоит из одного или нескольких витков в качестве своей первичной обмотки. Эта первичная обмотка может иметь либо один плоский виток, либо катушку из сверхпрочного провода, намотанного на сердечник, либо просто проводник или шину, расположенную через центральное отверстие, как показано на рисунке.

Из-за такого типа расположения трансформатор тока часто называют также «последовательным трансформатором», поскольку первичная обмотка, которая никогда не имеет более нескольких витков, соединена последовательно с проводником с током, питающим нагрузку.

Однако вторичная обмотка может иметь большое количество витков катушки, намотанных на многослойный сердечник из магнитного материала с малыми потерями. Этот сердечник имеет большую площадь поперечного сечения, так что создаваемая плотность магнитного потока является низкой при использовании провода с меньшей площадью поперечного сечения, в зависимости от того, какой ток должен быть понижен, когда он пытается выдать постоянный ток, независимо от подключенной нагрузки.

Вторичная обмотка будет подавать ток либо на короткое замыкание, в виде амперметра, либо на резистивную нагрузку, пока напряжение, наведенное во вторичной обмотке, не станет достаточно большим, чтобы насытить сердечник или вызвать отказ из-за чрезмерного пробоя напряжения.

В отличие от трансформатора напряжения, первичный ток трансформатора тока не зависит от тока вторичной нагрузки, а контролируется внешней нагрузкой. Вторичный ток обычно оценивается в стандартный 1 Ампер или 5 Ампер для больших значений первичного тока.

Существует три основных типа трансформаторов тока: обмоточный, тороидальный и стержневой.

• Обмоточный трансформатор тока — первичная обмотка трансформатора физически соединена последовательно с проводником, который несет измеренный ток, протекающий в цепи. Величина вторичного тока зависит от коэффициента оборотов трансформатора.
• Тороидальный трансформатор тока — они не содержат первичной обмотки. Вместо этого линия, по которой проходит ток, протекающий в сети, проходит через окно или отверстие в тороидальном трансформаторе. Некоторые трансформаторы тока имеют «разделенный сердечник», который позволяет открывать, устанавливать и закрывать его, не отключая цепь, к которой они подключены.
• Трансформатор тока стержневого типа — в этом типе трансформатора тока используется фактический кабель или шина главной цепи в качестве первичной обмотки, что эквивалентно одному витку. Они полностью изолированы от высокого рабочего напряжения системы и обычно крепятся болтами к токонесущему устройству.

Трансформаторы тока могут снизить или «понизить» уровни тока с тысяч ампер до стандартного выходного сигнала с известным отношением либо к 5 А, либо к 1 А для нормальной работы. Таким образом, небольшие и точные приборы и устройства управления могут использоваться с трансформаторами тока, потому что они изолированы от любых высоковольтных линий электропередач. Существует множество применений для измерения и использования для трансформаторов тока, таких как ваттметры, измерители коэффициента мощности, защитные реле или в качестве катушек отключения в магнитных выключателях или MCB.

Конструкция и схема трансформатора тока

Обычно трансформаторы тока и амперметры используются вместе как согласованная пара, в которой конструкция трансформатора тока такова, чтобы обеспечить максимальный вторичный ток, соответствующий полномасштабному отклонению амперметра. В большинстве трансформаторов тока существует приблизительное соотношение обратных витков между двумя токами в первичной и вторичной обмотках. Вот почему калибровка трансформатора тока обычно для определенного типа амперметра.

Большинство трансформаторов тока имеют стандартную вторичную номинальную мощность 5 А, при этом первичные и вторичные токи выражаются в таком соотношении, как 100/5. Это означает, что ток первичной обмотки в 20 раз больше, чем ток вторичной обмотки, поэтому, когда в первичном проводнике протекает 100 ампер, во вторичной обмотке будет протекать 5 ампер. Трансформатор тока, скажем, 500/5, будет производить 5 А во вторичной обмотке при 500 А в первичной обмотке, что в 100 раз больше.

Увеличивая количество вторичных обмоток Ns, ток вторичной обмотки можно сделать намного меньшим, чем ток в измеряемой первичной цепи, потому что, когда Ns увеличивается, Is уменьшается пропорционально. Другими словами, число витков и ток в первичной и вторичной обмотках связаны обратно пропорционально.

Трансформатор тока, как и любой другой трансформатор, должен удовлетворять уравнению ампер-виток, и мы знаем из нашего учебника по трансформаторам напряжения с двойной обмоткой, что это отношение витков равно:

из которого мы получаем:

Коэффициент тока устанавливает коэффициент витков, и, поскольку первичный обычно состоит из одного или двух витков, тогда как вторичный может иметь несколько сотен витков, соотношение между первичным и вторичным может быть довольно большим. Например, предположим, что номинальный ток первичной обмотки составляет 100А. Вторичная обмотка имеет стандартный рейтинг 5А. Тогда соотношение между первичным и вторичным токами составляет 100А-5А или 20: 1. Другими словами, первичный ток в 20 раз больше вторичного тока.

Однако следует отметить, что трансформатор тока с номиналом 100/5 не совпадает с трансформатором с номиналом 20/1 или подразделениями 100/5. Это связано с тем, что отношение 100/5 выражает «номинальный ток на входе / выходе», а не фактическое соотношение первичных и вторичных токов. Также обратите внимание, что число витков и ток в первичной и вторичной обмотках связаны обратно пропорционально.

Но относительно большие изменения в соотношении витков трансформаторов тока могут быть достигнуты путем изменения первичных витков через окно трансформатора ток, где один первичный виток равен одному проходу, а более одного прохода через окно приводит к изменению электрического соотношения.

Так, например, трансформатор тока с отношением, скажем, 300 / 5А можно преобразовать в другой из 150 / 5А или даже 100 / 5А, пропустив основной первичный проводник через его внутреннее окно два или три раза, как показано ниже. Это позволяет более высокому значению трансформатора тока обеспечивать максимальный выходной ток для амперметра, когда используется на меньших первичных линиях тока.

Пример трансформатора тока

Трансформатор тока стержневого типа, который имеет 1 виток на своей первичной обмотке и 160 витков на своей вторичной обмотке, должен использоваться со стандартным диапазоном амперметров с внутренним сопротивлением 0,2 Ом. Амперметр необходим для полного отклонения шкалы, когда первичный ток составляет 800 А. Рассчитайте максимальный вторичный ток и вторичное напряжение на амперметре.

Напряжение через амперметр:

Выше мы видим, что, поскольку вторичная обмотка трансформатора тока подключена к амперметру с очень малым сопротивлением, падение напряжения на вторичной обмотке составляет всего 1,0 В при полном первичном токе.

Однако, если амперметр был удален, вторичная обмотка фактически разомкнута, и, таким образом, трансформатор действует как повышающий трансформатор. Это частично связано с очень большим увеличением намагничивающего потока во вторичном сердечнике, поскольку реактивное сопротивление вторичной утечки влияет на вторичное индуцированное напряжение, потому что во вторичной обмотке нет противоположного тока, чтобы предотвратить это.

Результатом является очень высокое напряжение, наведенное во вторичной обмотке, равное отношению: Vp (Ns / Np), развиваемое через вторичную обмотку. Например, предположим, что наш трансформатор тока сверху используется на трехфазной линии электропередачи напряжением 480 вольт. Следовательно:

Это высокое напряжение связано с тем, что отношение вольт на витки в первичной и вторичной обмотках практически постоянно, а поскольку Vs = Ns * Vp, значения Ns и Vp являются высокими значениями, поэтому Vs чрезвычайно велико.

По этой причине трансформатор тока никогда не следует оставлять разомкнутым или работать без нагрузки, когда через него протекает основной первичный ток, точно так же, как трансформатор напряжения никогда не должен работать при коротком замыкании. Если амперметр (или нагрузка) должен быть удален, сначала следует установить короткое замыкание на вторичных клеммах, чтобы исключить риск удара током.

Это высокое напряжение объясняется тем, что когда вторичная обмотка разомкнута, железный сердечник трансформатора работает с высокой степенью насыщения и ничто не может его остановить, он создает аномально большое вторичное напряжение, и в нашем простом примере выше это было рассчитано на 76,8 кВ ! Это высокое вторичное напряжение может повредить изоляцию или привести к поражению электрическим током при случайном прикосновении к клеммам трансформатора тока.

Ручные трансформаторы тока

В настоящее время доступно много специализированных типов трансформаторов тока. Популярный и портативный тип, который может быть использован для измерения нагрузки цепи, называется «клещами», как показано на рисунке.

Измерители зажимов открывают и закрывают вокруг проводника с током и измеряют его ток, определяя магнитное поле вокруг него, обеспечивая быстрое считывание результатов измерений, как правило, на цифровом дисплее без отключения или размыкания цепи.

Наряду с ручным зажимом типа трансформатора тока имеются трансформаторы тока с разделенным сердечником, у которых один конец съемный, поэтому нет необходимости отсоединять проводник нагрузки или шину для его установки. Они доступны для измерения токов от 100 до 5000 ампер, с квадратными размерами окна от 1 ″ до более 12 ″ (от 25 до 300 мм).

Подводя итог, можно сказать, что трансформатор тока (ТТ) представляет собой тип измерительного трансформатора, используемого для преобразования первичного тока во вторичный ток через магнитную среду. Его вторичная обмотка обеспечивает значительно уменьшенный ток, который можно использовать для обнаружения условий сверхтока, пониженного тока, пикового или среднего тока.

Первичная катушка трансформатора тока всегда соединена последовательно с главным проводником, в результате чего ее также называют последовательным трансформатором. Номинальный вторичный ток рассчитан на 1А или 5А для простоты измерения. Конструкция может представлять собой один первичный виток, как в типах тороидальных, кольцевых или стержневых, или несколько витков первичной обмотки, как правило, для малых коэффициентов тока.

Трансформаторы тока предназначены для использования в качестве устройств пропорционального тока. Поэтому вторичная обмотка трансформаторов тока никогда не должна эксплуатироваться в разомкнутой цепи, точно так же, как трансформатор напряжения никогда не должен работать при коротком замыкании.

Очень высокое напряжение возникает в результате разомкнутой цепи вторичной цепи трансформатора тока под напряжением, поэтому их клеммы должны быть замкнуты накоротко, если амперметр должен быть удален или когда ТТ не используется перед включением питания системы.

В следующей статье о трансформаторах мы рассмотрим, что происходит, когда мы соединяем вместе три отдельных трансформатора в конфигурации «звезда» или «треугольник», чтобы получить более мощный силовой трансформатор, называемый трехфазным трансформатором, который используется для питания трехфазных источников питания.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Источник: meanders.ru

Основы работы трансформатора простыми словами

Трансформаторы широко используются во всех отраслях электроники. Одно из их наиболее известных применений — в источниках питания, где они используются для преобразования рабочего напряжения из одного значения в другое. Они также служат для изоляции цепи на выходе от прямого подключения к первичной цепи. Таким образом, они передают энергию из одной цепи в другую без прямого подключения.

Очень большие трансформаторы используются в для изменения линейных напряжений между различными требуемыми значениями. Однако для радиолюбители или домашние энтузиасты обычно встречают трансформаторы в источниках питания. Трансформаторы также широко используются в других цепях от аудио до радиочастот, где их свойства широко используются для соединения различных этапов в оборудовании.

Что такое трансформатор?

Базовый трансформатор состоит из двух обмоток. Они известны как первичные и вторичные. В сущности, энергия входит в первичную и выходит во вторичную. Некоторые трансформаторы имеют больше обмоток, но основа работы остается той же.

Есть два основных эффекта, которые используются в трансформаторе, и оба относятся к току и магнитным полям. В первом случае обнаруживается, что ток, протекающий в проводе, создает вокруг него магнитное поле. Величина этого поля пропорциональна току, протекающему в проводе. Также установлено, что если провод намотан на катушку, то магнитное поле увеличивается. Если это электрически сгенерированное магнитное поле находится в существующем поле, то на провод, воздействующий током, будет действовать сила так же, как два неподвижных магнита, расположенных рядом друг с другом, будут либо притягивать, либо отталкивать друг друга. Именно это явление используется в электродвигателях, счетчиках и ряде других электрических агрегатов.

Второй эффект заключается в том, что если магнитное поле вокруг проводника изменяется, то в проводнике будет индуцироваться электрический ток. Одним из примеров этого может быть случай, если магнит расположен близко к проводу или катушке. При этих обстоятельствах электрический ток будет индуцирован, но только если магнит движется.

Комбинация двух эффектов происходит, когда два провода или две катушки размещены вместе. Когда ток изменяет свою величину в первой, это приведет к изменению магнитного потока, и это, в свою очередь, приведет к току, индуцируемому во второй. Это основная концепция трансформатора, из которой видно, что он будет работать только тогда, когда переменный ток проходит через входную или первичную цепь.

Коэффициент трансформации трансформатора

Для протекания тока должна присутствовать ЭДС (электродвижущая сила). Разность потенциалов или напряжение на выходе зависит от соотношения витков в трансформаторе. Обнаружено, что если на первичной обмотке присутствует больше витков, чем на вторичной, то напряжение на входе будет больше, чем на выходе, и наоборот. На самом деле напряжение можно легко рассчитать, исходя из знания соотношения витков:

Где
Ep — первичная ЭДС.
Es — вторичная ЭДС.
np — количество витков на первичной
ns — количество витков на вторичной.

Если отношение витков ns/np больше единицы, то трансформатор будет выдавать более высокое напряжение на выходе, чем на входе, и он называется повышающим трансформатором. Аналогичным образом, если отношение витков меньше единицы, то трансформатор является понижающим.

Соотношения напряжения и тока на трансформаторе

Существует ряд других факторов, которые можно легко рассчитать. Первое — это соотношение входных и выходных токов и напряжений. Поскольку входная мощность равна выходной мощности, можно рассчитать напряжение или ток, если остальные три значения используют простую формулу, показанную ниже. Этот факт не учитывает каких-либо потерь в трансформаторе, которые, к счастью, можно игнорировать в большинстве расчетов.

Vp x Ip = Vs x Is

Где
Vp — напряжение в первичной обмотке
Ip — ток в первичной обмотке
Vs — напряжение во вторичной обмотке
Is — ток во вторичной обмотке

Например, возьмем случай сетевого трансформатора, который выдает 25 вольт на один усилитель. При входном напряжении 250 вольт это означает, что входной ток составляет только одну десятую ампер.

Для некоторых трансформаторов число витков на первичной обмотке будет таким же, как на вторичной обмотке, а ток и напряжение на входе будут такими же, как на выходе. Однако если отношение витков не равно 1: 1, соотношение напряжения и тока будет различным на входе и выходе. Из простого отношения, показанного выше, будет видно, что отношение напряжения к току изменяется между входом и выходом. Например, трансформатор с соотношением витков 2:1 может иметь вход 20 В с током 1 А, тогда как на выходе напряжение будет 10 В при 2 А. Поскольку отношение напряжения и тока определяет полное сопротивление, видно, что трансформатор можно использовать для изменения полного сопротивления между входом и выходом. Фактически импеданс изменяется как квадрат отношения витков, как видно из:

Использование

Трансформаторы широко используются в радио и электронике. Одно из их основных применений — сети электропитания. Здесь трансформатор используется для изменения входного сетевого напряжения (около 240 В во многих странах и 110 В во многих других) на требуемое напряжение для питания оборудования. У большей части современного оборудования, использующего полупроводниковую технологию, требуемые напряжения намного ниже, чем на входящей сети. В дополнение к этому трансформатор изолирует питание вторичной обмотки от сети, тем самым делая эксплуатацию более безопасной. Если бы питание было взято непосредственно из электросети, риск поражения электрическим током был бы гораздо выше.

Силовой трансформатор, подобный используемому в источнике питания, обычно наматывается на железный сердечник. Это используется для концентрации магнитного поля и обеспечивает очень тесную связь между первичной и вторичной обмотками. Таким образом, эффективность поддерживается как можно выше. Однако очень важно убедиться, что этот сердечник не действует как однооборотная обмотка. Для предотвращения этого секции сердечника изолированы друг от друга. Фактически сердечник состоит из нескольких пластин, каждая из которых чередуется, но изолируется друг от друга.

Две обмотки силового трансформатора также хорошо изолированы друг от друга.

Хотя одно из основных применений трансформаторов, с которыми столкнется любитель — это преобразование напряжения питания или сетевого напряжения на новый уровень, у них также есть множество других применений, для которых они могут быть использованы. Ранее, они широко использовались в аудиоустройствах, что позволяло управлять громкоговорителями с низким импедансом от цепей, которые имели относительно высокий выходной импеданс. Тот факт, что они могут изолировать компоненты постоянного тока, выступать в качестве трансформаторов полного сопротивления и в виде настроенных цепей, означает, что они являются жизненно важным элементом во многих цепях.

Трансформатор является бесценным компонентом в современной электронике. Несмотря на то, что интегральные схемы и другие полупроводниковые устройства, кажется, используются всё чаще, ничто не заменит трансформатор. Тот факт, что он способен изолировать и передавать энергию от одной цепи к другой, в то же время изменяя полное сопротивление, гарантирует, что он уникально позиционируется как инструмент для конструкторов электроники.

Источник: zen.yandex.ru

Что такое трансформатор: устройство, принцип работы, схема и назначение

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

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

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

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

Назначение трансформаторов

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

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

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

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

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

Принцип работы трансформатора

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

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

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

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

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

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

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

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

Идеальный трансформатор

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

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

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

Потери энергии в трансформаторе

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

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

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

Источник: zaochnik-com.ru

Краткая история трансформеров (не роботов)

Мне всегда не нравились преувеличенные заявления о неизбежных научных и технических прорывах, таких как недорогой синтез, дешевые сверхзвуковые путешествия и терраформирование других планет. Но мне нравятся простые устройства, которые делают так много фундаментальной работы современной цивилизации, особенно те, которые делают это скромно — или даже незаметно.

Ни одно устройство не подходит под это описание лучше, чем трансформатор. Не инженеры могут смутно осознавать, что такие устройства существуют, но они не имеют представления о том, как они работают и насколько они необходимы в повседневной жизни.(Трансформатор — это устройство, которое передает электричество между двумя цепями при изменении напряжения, то есть «давления» силы электрического тока.)

Теоретическая основа была заложена в начале 1830-х годов с независимым открытием электромагнитной индукции Майклом Фарадей и Джозеф Генри. Они показали, что изменяющееся магнитное поле может индуцировать ток с более высоким напряжением (известный как «повышение») или более низким («снижение»). Но прошло еще полвека, прежде чем Люсьен Голар, Джон Диксон Гиббс, Чарльз Браш и Себастьян Зиани де Ферранти смогли разработать первые полезные прототипы трансформаторов.Затем трио венгерских инженеров — Отто Блати, Микса Дери и Кароли Зиперновски — улучшили конструкцию, построив тороидальный (пончиковый) трансформатор, который они представили в 1885 году.

Уже в следующем году была представлена ​​улучшенная конструкция. трио американских инженеров — Уильям Стэнли, Альберт Шмид и Оливер Б. Шалленбергер, которые работали на Джорджа Вестингауза. Устройство вскоре приняло форму классического трансформатора Стэнли, который сохранился до сих пор: центральный железный сердечник из тонких пластин кремнистой стали, одна часть в форме буквы «E», а другая — в форме буквы «I», чтобы упростить работу. для установки намотанных медных катушек.

В своем обращении к Американскому институту инженеров-электриков в 1912 году Стэнли справедливо удивился тому, как это устройство обеспечило «такое полное и простое решение сложной проблемы. Это посрамляет все попытки механического регулирования. Он с такой легкостью, уверенностью и экономией справляется с огромными объемами энергии, которые мгновенно передаются ему или забираются из него. Он такой надежный, прочный и надежный. В этой смеси стали и меди необычайные силы так хорошо сбалансированы, что о них почти не подозревают.”

Самые большие современные воплощения этой прочной конструкции сделали возможным доставлять электроэнергию на большие расстояния. В 2018 году компания Siemens поставила первый из семи рекордных трансформаторов на 1100 киловольт, которые позволят снабжать электричеством несколько китайских провинций, подключенных к высоковольтной линии постоянного тока протяженностью почти 3300 километров.

Огромное количество трансформаторов превзошло все, что мог вообразить Стэнли, благодаря взрыву портативных электронных устройств, которые необходимо заряжать.В 2016 году только в мире было выпущено более 1,8 миллиарда смартфонов, каждая из которых поддерживалась зарядным устройством с крошечным трансформатором. Вам не нужно разбирать зарядное устройство, чтобы увидеть сердце этого маленького устройства; Полная разборка зарядного устройства iPhone размещена в Интернете, где трансформатор является одним из самых крупных компонентов.

Но многие зарядные устройства содержат трансформаторы еще меньшего размера. Это устройства, отличные от Стэнли (то есть не с проволочной обмоткой), в которых используется пьезоэлектрический эффект — способность напряженного кристалла генерировать ток, а тока — деформировать или деформировать кристалл.Звуковые волны, падающие на такой кристалл, могут производить ток, а ток, протекающий через такой кристалл, может производить звук. Таким образом, один ток можно использовать для создания другого тока с совершенно другим напряжением.

Что такое трансформатор? | Определение, принцип работы и типы

Определение трансформатора

Итак, что же такое трансформатор в конце концов? Простое определение трансформатора состоит в том, что это статическое электрическое устройство, которое преобразует электрическую энергию из одной электрической цепи в другую без какого-либо изменения частоты посредством процесса электромагнитной индукции.Интересно отметить, что передача энергии от одной цепи к другой происходит с помощью взаимной индукции, то есть поток, индуцированный в первичной обмотке, связывается со вторичной обмоткой, что мы объясним позже. Отказ трансформатора также может произойти, если для его работы не будут приняты соответствующие меры.

Основная роль трансформатора заключается в повышении или понижении напряжения в зависимости от ситуации, в которой он установлен.

Работа трансформатора

Работа трансформатора основана на простом принципе взаимной индукции между первичной и вторичной обмотками, которые иначе называются катушками, которые помогают преобразовывать энергию из одной цепи в другую.Теперь давайте попробуем понять общую картину:

Итак, в общем случае первичная обмотка трансформатора получает переменное по своей природе напряжение. Переменный ток, следующий за катушкой, создает непрерывно изменяющийся переменный поток, который создается вокруг первичной обмотки. Затем у нас есть другая катушка или вторичная катушка, которая находится рядом с первичной катушкой, которая связана с первичной, потому что связан некоторый переменный поток. Поскольку поток непрерывно изменяется, он индуцирует ЭДС во вторичной катушке в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея.Если цепь вторичной стороны замкнута, будет течь ток, и это самая основная работа трансформатора.

Конструкция трехфазного трансформатора

Три основных части любого трансформатора — это первичная обмотка, вторичная обмотка и магнитный сердечник. Теперь мы подробно рассмотрим каждый из этих компонентов.

Первичная обмотка

Это основная обмотка, через которую ожидается поступающий переменный ток. В зависимости от того, является ли трансформатор повышающим или понижающим трансформатором, конструкция обмотки изменяется соответствующим образом.

Вторичная обмотка

Это обмотка, в которой соединяется поток, создаваемый первичной обмоткой. В этом случае также в зависимости от того, является ли трансформатор повышающим или понижающим трансформатором, конструкция обмотки изменяется соответствующим образом.

Магнитный сердечник

Это требуется для обеспечения пути с низким сопротивлением для магнитного потока, проходящего от первичной обмотки ко вторичной обмотке, чтобы сформировать замкнутую магнитную цепь.Обычно он состоит из CRGOS (холоднокатаная кремниевая сталь с ориентированной зернистостью).

Уравнение трансформатора

Итак, теперь давайте посмотрим на теоретический аспект трансформатора, поскольку для нас важно понять уравнение трансформатора и то, как оно получено, а также различные отношения, которые мы имеем в отношении напряжения, витков и поток.

ЭДС, индуцированная в каждой обмотке трансформатора, может быть рассчитана по его уравнению для ЭДС.

Связь потока представлена ​​законом электромагнитной индукции Фарадея.Оно выражается как

Вышеупомянутое уравнение может быть записано как

, где E _m = 4,44ωΦ _m = максимальное значение e. Для синусоидальной волны среднеквадратичное значение ЭДС равно

ЭДС, индуцированная в их первичной и вторичной обмотках, выражается как

Среднеквадратичное напряжение вторичной обмотки составляет

, где φ _м — максимальное значение магнитного потока по Веберу. (Wb), f — частота в герцах (Гц), а E ₁ и E ₂ в вольтах.

If, B _м = максимальная плотность магнитного потока в Тесла (Тл)

A = площадь поперечного сечения сердечника в квадратных метрах (м ² )

Обмотка, имеющая более высокую Номер напряжения имеет высокое напряжение, а первичная обмотка имеет низкое напряжение.

Соотношение напряжений и оборотов

Отношение E / T называется вольт на оборот. Первичное и вторичное напряжение на виток определяется формулой

Уравнение (1) и (2) показывает, что напряжение на виток в обеих обмотках одинаковое, т.е.

Отношение T ₁ / T ₂ называется коэффициентом поворота. Соотношение витков выражается как

Отношение витков первичной обмотки к вторичному, которое равно индуцированному напряжению первичной обмотки и вторичной обмотки, показывает, насколько первичное напряжение понижено или повышено.Коэффициент трансформации или коэффициент наведенного напряжения называется коэффициентом трансформации и обозначается символом a. Таким образом,

Любое желаемое соотношение напряжений может быть получено путем изменения числа витков.

Типы трансформаторов

Поскольку трансформаторы используются, вероятно, в каждой области, они представляют собой различные типы трансформаторов в зависимости от нескольких факторов, таких как конструкция трансформатора, область применения, область, в которой он используется, конечное назначение трансформатора и т. Д.и т.д. или понижающий трансформатор.

Повышающий трансформатор

Как следует из названия, повышающие трансформаторы используются для увеличения напряжения на вторичной стороне трансформатора. Это достигается за счет большего количества витков на вторичной обмотке трансформатора по сравнению с первичной обмоткой трансформатора.Такой тип трансформатора обычно используется на генерирующих станциях, где напряжение генератора, как правило, составляет 23,5 кВ, повышается до 132 кВ или более.

Понижающий трансформатор

Как следует из названия, понижающие трансформаторы используются для понижения напряжения на вторичной стороне трансформатора. Это достигается за счет меньшего количества витков на вторичной обмотке трансформатора по сравнению с первичной обмоткой трансформатора. Трансформаторы такого типа обычно используются в распределительных сетях, где сетевое напряжение с 11 кВ понижается до 415 В для бытового или коммерческого использования.

Классификация трансформаторов на основе Core Medium

Теперь в зависимости от сердечника между первичной и вторичной обмотками обмотки трансформатора трансформаторы классифицируются как с воздушным сердечником или железным сердечником.

Трансформаторы с воздушным сердечником

Первичная и вторичная обмотки трансформатора намотаны на магнитную ленту, а магнитная связь между ними осуществляется по воздуху. Этот тип трансформаторов обычно не является предпочтительным, поскольку взаимная индуктивность значительно меньше по сравнению с сердечником, поскольку сопротивление, обеспечиваемое воздушным сердечником, очень велико.Но интересно отметить, что гистерезис и потери на вихревые токи полностью устранены.

Железный сердечник

Первичная обмотка и вторичная обмотка размещены на железном сердечнике, который обеспечивает идеальную связь потока между ними. Этот тип трансформатора обычно является предпочтительным, поскольку он обеспечивает очень меньшее сопротивление потоку связи из-за его превосходных магнитных свойств, что делает общий КПД трансформатора намного выше по сравнению с трансформатором с воздушным сердечником.

Классификация трансформаторов на основе использования

Трансформаторы далее классифицируются в зависимости от области применения; мы подробно рассмотрим каждый из них:

Силовой трансформатор

Это те трансформаторы, которые используются в передающих сетях, работающих при очень высоких уровнях напряжения и используются либо для повышающих, либо для понижающих приложений. Класс напряжения включает 400 кВ, 200 кВ, 110 кВ, 66 кВ, 33 кВ и обычно имеет номинальное значение выше 200 МВА.

Поскольку они используются для передачи при большой нагрузке и напряжении более 33 кВ, они имеют большие размеры, поскольку требуется высокая изоляция. Они также предназначены для работы со 100% -ным КПД, чтобы избежать потерь при передаче.

Для них, чтобы избежать потерь передачи или потерь I2r, они спроектированы таким образом, чтобы сердечник использовался по максимуму и имел потери в стали, равные потерям в меди при нагрузке утечки, для достижения максимальной эффективности.

Распределительный трансформатор

Как следует из названия, такой тип трансформаторов используется в распределительных сетях низкого напряжения в качестве средства обеспечения энергией конечного пользователя. Класс напряжения для распределительного трансформатора составляет 11 кВ, 6,6 кВ, 3,3 кВ, 440 В и 230 В и обычно составляет менее 200 МВА.

Этот тип трансформатора используется для подачи энергии в промышленность на 33 кВ или для бытовых целей на 415 В. Они работают с более низким КПД, составляющим 50-70%, и имеют небольшие размеры, поскольку требуемая изоляция меньше по сравнению с силовым трансформатором.

Распределительный трансформатор можно дополнительно классифицировать по типу изоляции: жидкостный трансформатор или трансформатор сухого типа

Жидкостный трансформатор

Этот тип распределительного трансформатора использует масло в качестве хладагента внутри корпуса трансформатора. Обмотки погружены в трансформатор, а изоляционное масло помогает поддерживать температуру внутри. Следует отметить, что изоляционное масло со временем ухудшается, и его необходимо обрабатывать через некоторое время, потому что значение BDV (напряжение пробоя) падает из-за образования осадка в масле.

Более того, они должны находиться в строгом режиме технического обслуживания и проверяться на предмет утечек в течение многих лет эксплуатации. Далее они подразделяются в зависимости от схем охлаждения:

Масло Natural Air Natural (ONAN)

Oil Natural Air Forced (ONAF)

Oil Forced Air Forced (OFAF)

Oil Forced Water Forced (OFWF)

Сухой трансформатор

Как следует из названия, в трансформаторах этого типа в качестве изоляционной среды используется масло, а не трансформаторы с воздушным охлаждением, а обмотки изготовлены из изоляции классов F и H.Обычно они предпочитают выбирать трансформатор, когда приложение находится внутри здания или в месте, где безопасность является главным приоритетом. Они также очень компактны по сравнению с масляным трансформатором, поскольку к ним не прикреплены радиаторы для охлаждения. В зависимости от того, как они охлаждаются, они подразделяются на два типа:

Air Natural (AN)

Air Blast

Измерительный трансформатор

Этот тип трансформатора используется для регистрации напряжения и тока в местах прямого измерения невозможны из-за очень высокой стоимости.Поэтому приборный трансформатор используется для понижения этих токов / напряжений с целью измерения. Есть два типа:

Трансформаторы тока

Эти типы трансформаторов используются для того, чтобы амперметры катушек других приборов не были напрямую подключены к линиям высокого тока или, другими словами, трансформатор тока понижал значения на известное соотношение, чтобы его можно было безопасно зарегистрировать с помощью измерительного устройства.

Трансформаторы потенциала

Они работают более или менее по тому же принципу, что и силовой или распределительный трансформатор.Единственная разница в том, что их мощность невелика и колеблется от 100 до 500 ВА, а сторона низкого напряжения обычно намотана на 115–120 В

Часто задаваемые вопросы по трансформаторам

Почему мы слышим гудящий звук возле трансформатора?

Отв. Это происходит из-за явления, которое с научной точки зрения называется магнитострикцией, когда магнитная сталь, используемая в сердечнике, расширяется при намагничивании и сжимается при размагничивании в течение полного цикла намагничивания.Несмотря на то, что они крошечные пропорционально и поэтому обычно не видны невооруженным глазом, их достаточно, чтобы вызвать вибрацию и, следовательно, шум.

Могут ли трансформаторы работать при напряжениях, отличных от номинальных?

Отв. Они могут работать при напряжении ниже номинального, но ни в коем случае не выше номинального напряжения до тех пор, пока они не будут снабжены переключателем ответвлений. Следует отметить, что если трансформатор работает ниже номинального напряжения, мощность LVA также будет соответственно уменьшена.

Может ли трансформатор, рассчитанный на 60 Гц, работать на частоте 50 Гц?

Отв. Трансформатор, рассчитанный на 60 Гц, не может работать на частоте 50 Гц, так как будут возникать большие потери, что также приведет к более высокому повышению температуры и сокращению срока службы. Но, с другой стороны, трансформатор с номинальной частотой 50 Гц может работать на частоте 60 Гц.

Почему трансформаторы рассчитаны в кВА, а не в кВт?

Отв. Когда мы говорим о трансформаторе, у нас есть два типа потерь: потери в стали и потери в меди.Теперь, поскольку потери в стали зависят от напряжения, а потери в меди от тока, общие потери зависят от напряжения и тока, и коэффициент мощности не учитывается. Трансформаторы указаны в кВА, так как кВт будет включать коэффициент мощности.

Могут ли 3-фазные трансформаторы работать параллельно?

Отв. Да, они могут работать параллельно при условии, что они имеют одинаковый импеданс, номинальное напряжение и одинаковую полярность.

Где я могу найти работу, связанную с электрическими трансформаторами?

Отв.Когда дело доходит до работы в сфере трансформаторов, существует множество возможностей. Если вы ищете работу инженером-электронщиком, посетите Jooble.

Прочтите наши другие интересные статьи по электротехнике здесь

Краткая история трансформаторов — ACUPWR

Электрический трансформатор заслуживает похвалы как одно из самых важных изобретений индустриальной эпохи, которое наряду с мощностью пара, проточной водой и газовым освещением включает использование электричества.Фактически, последнее было бы невозможно без трансформатора.

По своей сути трансформатор оправдывает свое название, преобразуя (или преобразуя) электрическую энергию из более высокого напряжения в более низкое. Существуют сотни различных типов трансформаторов, предназначенных для работы с чрезвычайно высокими и более низкими напряжениями и всем, что между ними. Сложность трансформаторов очень велика: их модели предназначены для работы с различными типами электрических цепей (одно- или многофазные), а также для приложений, которые включают радиопередачу.Трансформатор и преобразователь напряжения, которые мы производим в ACUPWR, представляют собой повышающие и понижающие типы, которые соответствуют электрическим приборам и устройствам с их требованиями к сетевому напряжению, особенно при использовании в стране или регионе, где напряжение сети переменного тока другое.

Электрические трансформаторы ведут свое происхождение от английского ученого и изобретателя Майкла Фарадея и его открытия закона электромагнитной индукции. Эта теория, также известная как закон Фарадея, описывает явление электрического напряжения, возникающего при намотке катушки проволоки на железный сердечник.Этот ток будет течь через утюг на противоположную сторону (утюг имел форму, напоминающую пончик), и ток с другим напряжением можно было создать с помощью провода, у которого было больше или меньше витков. Таким образом, было индуцировано электричества. Американскому ученому Джозефу Генри также приписывают изобретение концепции электромагнитной индукции.

Но, как и многие революционные изобретения, изменившие жизнь, заслуга в создании электрического трансформатора не принадлежит одному человеку.Скорее, используя закон Фарадея в качестве ведущей мантры, череда изобретателей продвинулась в направлении того, что стало первым действительно пригодным для использования коммерческим преобразователем — по крайней мере, способным произвести революцию в жизни людей. В 1836 году преподобный Николас Каллан разработал трансформатор с индукционной катушкой, который помог ему разработать высоковольтную батарею (способную питать машину, способную поднимать 2 тонны), которая серийно производилась в Лондоне.

Учитываются и другие имена, каждое из которых делает немного больше для применения закона Фарадея и катушек магнитной индукции.В 1876 году россиянин Павел Яблочов изобрел систему освещения на основе катушки индуктивности. Люсьен Голар и Джон Гиббс из Франции и Англии соответственно разработали трансформатор и вторичный генератор в Англии, которые произвели революцию в области энергетики переменного тока. В 1884 году трое физиков из Австро-Венгрии — Отто Блати, Микса Дери и Кароль Циперновски — первыми разработали конструкции трансформаторов, которые используются до сих пор. ZBD, как известная троица, также создала первую в мире электростанцию, использующую генераторы переменного тока.Томас Эдисон приобрел инновации ZBD, чтобы помочь в создании энергосистем и электрических сетей в городах. Тем временем соперник Эдисона, американский изобретатель Джордж Вестингауз, купил права на изобретение Голлара. В 1886 году Уильям Стэнли создал практический трансформатор переменного тока на основе изобретения Голлара. Объединившись с Westinghouse, Стэнли по указанию Westinghouse переехал в Грейт-Баррингтон, штат Массачусетс, чтобы создать электрическую сеть с использованием переменного тока.

Инновация Стэнли по распределению электроэнергии в Грейт-Баррингтоне была революционной разработкой, которая привела к тому, что предпочитаемый Westinghouse источник питания переменного тока стал стандартом в Соединенных Штатах для снабжения электричеством в городах, обогнав Томаса Эдисона и его предпочтительный выбор постоянного тока.Конечно, в конечном итоге выигрывают все, особенно когда они используют трансформаторы ACUPWR для преобразования линейного напряжения.

Повышающие и понижающие трансформаторы

| Трансформеры

До сих пор мы наблюдали моделирование трансформаторов, в которых первичная и вторичная обмотки имели одинаковую индуктивность, что давало примерно равные уровни напряжения и тока в обеих цепях. Однако равенство напряжения и тока между первичной и вторичной сторонами трансформатора не является нормой для всех трансформаторов.

Если индуктивности двух обмоток не равны, происходит кое-что интересное:

трансформатор
 v1 1 0 ac 10 грех
 rbogus1 1 2 1e-12
 rbogus2 5 0 9e12
 l1 2 0 10000
 l2 3 5 100
 к l1 l2 0,999
 vi1 3 4 ac 0
 rload 4 5 1k
 .ac lin 1 60 60
 .print ac v (2,0) i (v1)
 .print ac v (3,5) i (vi1)
 .конец
 

частота v (2) i (v1)
6.000E + 01 1.000E + 01 9.975E-05 Первичная обмотка

частота v (3,5) i (vi1)
6.000E + 01 9.962E-01 9.962E-04 Вторичная обмотка
 

Обратите внимание, что вторичное напряжение примерно в десять раз меньше первичного (0,9962 вольт по сравнению с 10 вольт), а вторичный ток примерно в десять раз больше (0,9962 мА по сравнению с 0,09975 мА).

У нас есть устройство, которое понижает напряжение на в десять раз, а ток на выше на в десять раз:

Коэффициент трансформации 10: 1 дает отношение первичного напряжения к вторичному напряжению 10: 1 и соотношение первичного тока к вторичному току 1:10.

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 реальной реальностью, поскольку напряжение переменного тока может быть «повышено», а ток «понижен» для уменьшения 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 дорогостоящего оборудования.

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

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

Давайте еще раз рассмотрим фотографию, показанную в предыдущем разделе:

Поперечное сечение трансформатора с первичной и вторичной обмотками 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 изготовлена ​​из провода меньшего сечения.

Обратимость работы трансформатора

Если вам интересно, — это , 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-наоборот.

Однако, как мы видели в первом разделе этой главы, эффективная работа трансформатора требует, чтобы индуктивности отдельных обмоток были спроектированы для конкретных 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 не оказаться неэффективным (или чтобы не повредил из-за чрезмерного напряжения или тока!).

Таблички со строительной маркировкой трансформатора

Трансформаторы

часто конструируются таким образом, что не очевидно, какие провода ведут к первичной обмотке, а какие — к вторичной. В электроэнергетике, чтобы избежать путаницы, используется одно из условных обозначений «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 важно для нумерации проводов (H ₁ по сравнению с H ₂ и т. Д.), Что 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 может выдавать больше энергии, чем потребляет, нарушит 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 двигателя / генераторной установки показывает основной принцип: (рисунок ниже)

=

Двигатель-генератор иллюстрирует основной принцип работы трансформатора.

В такой машине двигатель механически соединен с генератором, причем генератор 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 двигатели / генераторные установки не обязательно были заменены трансформаторами для всех приложений .

Хотя трансформаторы явно превосходят мотор-генераторные установки по преобразованию 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. длительность, таким образом изолируя любые нагрузки, питаемые от генератора, от «сбоев» в основной энергосистеме.

Анализ работы повышающего и понижающего трансформатора

Присмотревшись к числам в анализе SPICE, мы должны увидеть соответствие между коэффициентом трансформации трансформатора и двумя индуктивностями. Обратите внимание на то, что первичная катушка индуктивности (l1) имеет в 100 раз большую индуктивность, чем вторичная катушка индуктивности (10000 Гн против 100 Гн), и что измеренный коэффициент понижения напряжения составлял от 10 до 1.

Обмотка с большей индуктивностью будет иметь более высокое напряжение и меньший ток, чем другая.

Поскольку две катушки индуктивности намотаны вокруг одного и того же материала сердечника в трансформаторе (для наиболее эффективной магнитной связи между ними), параметры, влияющие на индуктивность двух катушек, равны, за исключением количества витков в каждой катушке.

Если мы еще раз посмотрим на нашу формулу индуктивности, мы увидим, что индуктивность пропорциональна квадрату числа витков катушки:

Итак, должно быть очевидно, что наши две катушки индуктивности в последней примерной схеме трансформатора SPICE — с отношениями индуктивности 100: 1 — должны иметь отношение витков катушки 10: 1, поскольку 10 в квадрате равно 100.

Это получается то же соотношение, которое мы нашли между первичным и вторичным напряжениями и токами (10: 1), поэтому мы можем сказать, как правило, что коэффициент трансформации напряжения и тока равен отношению витков обмотки между первичной и вторичной обмотками. .

Понижающий трансформатор: (много витков: несколько витков).

Эффект повышения / понижения передаточных чисел катушки в трансформаторе аналогичен передаточным числам зубчатых колес в механических зубчатых передачах, преобразуя значения скорости и крутящего момента во многом таким же образом:

Редуктор крутящего момента 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:

Подстанция трансформаторная.

ОБЗОР:

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

• 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).

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

типов трансформаторов — AllumiaX Blog

Дата публикации: 26 сен 2020 г. Последнее обновление: 26 сен 2020 г. Абдур Рехман

Существуют различные типы трансформаторов, каждый со своим применимым применением.Однако основная цель их использования одна и та же — преобразование электроэнергии из одного типа в другой.

В этом блоге мы будем стремиться познакомить читателей с основами и принципом работы трансформатора, типами трансформаторов в зависимости от напряжения, среды, использования, конфигурации и места использования, их преимуществами и ограничениями.

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

Трансформатор

Трансформатор — это электрическое устройство, которое может использоваться для передачи мощности от одной цепи к другой, используя принципы электромагнитной индукции. В трансформаторе есть два типа обмотки: первичная обмотка и вторичная обмотка. Первичная обмотка означает обмотку, к которой подключен источник переменного тока, а вторичная обмотка означает обмотку, к которой подключена нагрузка.Напряжение будет повышаться или понижаться в цепи, но с пропорциональным увеличением или уменьшением номинального тока.

Принцип работы трансформатора

Работа трансформатора зависит от закона электромагнитной индукции Фарадея. Согласно законам Фарадея,

«Скорость изменения магнитной связи во времени прямо пропорциональна ЭДС, индуцированной в проводнике или катушке».

Закон Фарадея

Где,

E = наведенная ЭДС

N = количество витков

dϕ = Изменение потока

dt = Изменение во времени

Типы трансформаторов

Трансформатор

можно разделить на категории в зависимости от уровня напряжения, среды, использования, конфигурации и места использования.Теперь подробно остановимся на каждом типе.

1. На основе уровня напряжения

Типы трансформаторов в зависимости от уровня напряжения перечислены ниже.

• Повышающий трансформатор
• Понижающий трансформатор
• Разделительный трансформатор

в зависимости от уровня напряжения	Напряжение	Кол-во оборотов	Текущий	Номинальное выходное напряжение	использует
Повышающий трансформатор	По сравнению с Vp	Np	IP> Is	220 В — 11 кВ или выше	Распределение электроэнергии Дверной звонок, преобразователь напряжения и т. Д.
Понижающий трансформатор	против	Np> Ns	IP	40–220 В, 220–110 В или 110-24В, 20В 10В и т. Д.	Трансмиссия (Электростанции. Рентгеновские аппараты, микроволны и др.)
Разделительный трансформатор	Vs = Vp	Np = Ns	IP =	Выходное напряжение, идентичное входному напряжению, известное как трансформаторы 1: 1	Изоляционный барьер для безопасности, для подавления шума

Повышающий трансформатор — это устройство, которое преобразует низкое напряжение на первичной стороне в высокое напряжение на вторичной стороне.Первичная обмотка катушки имеет меньшее количество витков, чем вторичная обмотка.

• Передача электроэнергии на большие расстояния по низкой цене.
• Помогает снизить сопротивление на линии.
• Способность работать непрерывно.
• без задержек начинает работу сразу после установки.
• Высокоэффективный и с очень небольшими потерями.
• Не требует много времени и денег на обслуживание.

• Приложения, предназначенные только для работы с переменным током.
• Использовать круглосуточную систему охлаждения, т.е. сделать систему громоздкой.

Понижающий трансформатор — это устройство, которое преобразует высокое напряжение на первичной стороне в низкое напряжение на вторичной стороне. Вторичная обмотка катушки имеет меньшее количество витков, чем первичная обмотка.

• Простая передача энергии по низкой цене.
• Очень надежный и эффективный.
• Обеспечивает различные требования к напряжению.

• Требуется серьезное обслуживание, которое может привести к повреждению трансформатора.
• Неустойчивость затрат на сырье.
• Устранение неисправности требует больше времени.

Изолирующий трансформатор может быть повышающим или понижающим трансформатором, но значения первичного и вторичного напряжения всегда равны, т. Е. Соотношение витков всегда равно 1. Это достигается с одинаковым числом витков на первичной и вторичной обмотках.Изолирующие трансформаторы называют «изолированными».

Vs / Vp = Ns / Np, где Ns = Np

• Обеспечьте безопасность электронных компонентов и людей от поражения электрическим током.
• Подавите электрический шум.
• Избегает контуров заземления.
• Обеспечьте наличие запаса, даже если устройство сломано.
• Применяются как измерительные трансформаторы
• Обеспечьте любое необходимое напряжение.

• Создает искажения на вторичной обмотке при работе в качестве импульсного трансформатора.
• При подаче импульсного сигнала постоянного тока насыщение сердечника уменьшается.
• Высокая стоимость.

2. На основе Core Medium

Типы трансформаторов в зависимости от типа сердечника перечислены ниже.

• Трансформатор с воздушным сердечником
• Трансформатор с железным сердечником
• Трансформатор с ферритовым сердечником

На основе Core Medium	Материал сердечника	Флюсовая связь	Потери на вихревые токи	Сопротивление	Взаимная индуктивность	КПД	использует
Трансформатор с воздушным сердечником	Немагнитная полоса	По воздуху	Низкая	Высокая	Меньше	Низкая	Радиочастотное приложение
Трансформатор с железным сердечником	Несколько пластин из мягкого железа	Сквозь связку железных пластин	Большой	Меньше	Высокая	Высокая	Распределение энергии
Трансформатор с ферритовым сердечником	Ферритовый сердечник	Через окно или отверстие	Очень низкий	Очень низкий	Очень высокий	Очень высокий	Импульсный блок питания

Трансформаторы с воздушным сердечником предназначены для передачи радиочастотных токов — т.е.е., используемые в радиопередатчиках, устройствах связи и т. д. Как следует из названия, эти трансформаторы не имеют твердого сердечника, что делает их очень легкими, что делает их идеальными для портативных электронных устройств небольшого размера. Трансформаторы с воздушным сердечником создают магнитный поток, используя обмотки и проходящий через них воздух. Это помогает трансформатору с воздушным сердечником полностью исключить нежелательные характеристики ферромагнитного сердечника (потери на вихревые токи, гистерезис, насыщение и т. Д.)

• Нулевое искажение.
• Нулевое рассеяние качества сигнала.
• Бесшумная работа.
• Отсутствие потерь на гистерезис и вихревые токи.
• Легче по весу.

• Низкая степень связи (взаимная индуктивность)
• Не подходит для использования в распределительных сетях.

В трансформаторе этого типа первичная и вторичная обмотки намотаны на несколько металлических пластин. Эти железные пластины обеспечивают идеальную связь с генерируемым потоком и выполняют аналогичные функции в диапазоне звуковых частот.Трансформаторы с железным сердечником широко используются и высокоэффективны по сравнению с трансформатором с воздушным сердечником.

• Обработка больших нагрузок при низкой частоте.
• Предлагает меньшее сопротивление.
• Высокоэффективный.

• Большие потери на вихревые токи

Трансформатор с ферритовым сердечником — трансформатор, магнитный сердечник которого изготовлен из феррита. Ферриты — это непроводящие керамические соединения, которые имеют ферромагнитную природу. Высокая магнитная проницаемость этих трансформаторов делает их идеальными для различных высокочастотных трансформаторов, регулируемых катушек индуктивности, широкополосных трансформаторов, синфазных дросселей, импульсных источников питания и радиочастотных приложений.

• Магнитный тракт с низким сопротивлением.
• Сильноточное сопротивление.
• Обеспечивает низкие потери на вихревые токи на многих частотах.
• Высокая магнитная проницаемость, коэрцитивная сила и добротность.
• Низкий коэффициент гистерезиса, чувствительность по постоянному току и искажение сигнала.

• Легко насыщается (его плотность потока насыщения обычно <0,5 Тл).
• Проницаемость меняется в зависимости от температуры.

3.На основе использования

Типы трансформаторов перечислены ниже в зависимости от использования.

• Силовые трансформаторы
• Распределительные трансформаторы

на основе использования	Типы сетей	Условия эксплуатации	Колебания нагрузки	Условия обмотки	Изолированный уровень	Расчетный КПД	Приложение
Силовые трансформаторы	Передающая сеть высокого напряжения	Всегда работает при полной нагрузке	Очень меньше	Первичная обмотка, соединенная звездами, вторичная обмотка треугольником	Высокая	Максимальный КПД при 100% нагрузке	Используется в генерирующих станциях и передающих подстанциях
Распределительные трансформаторы	Распределительные сети нижнего напряжения	Работает при нагрузке меньше полной, так как цикл нагрузки колеблется	Очень высокий	Первичная обмотка соединена треугольником, вторичная обмотка звездочкой	Низкая	Максимальный КПД при нагрузке от 60% до 70%	Используется в распределительных станциях промышленного и бытового назначения

Основным принципом силового трансформатора является преобразование входа низкого напряжения в выход высокого напряжения.Этот трансформатор действует как мост между генератором энергии и первичной распределительной сетью. Он имеет сложную конструкцию из-за высокой выработки электроэнергии и в основном устанавливается на генерирующих станциях и передающих подстанциях. Силовые трансформаторы используются в сетях передачи более высокого напряжения.

• Подходит для приложений высокого напряжения (более 33 кВ).
• Высокий уровень изоляции.
• Минимизируйте потери мощности.
• Экономически выгодно.

• Нагрузка на передающей станции в течение 24 часов, таким образом, потери в сердечнике и меди будут происходить в течение всего дня.
• Большой размер.

Распределительные трансформаторы

Распределительные трансформаторы — это понижающие трансформаторы, которые используются в распределительных сетях промышленного и бытового назначения. Эти трансформаторы преобразуют высокое сетевое напряжение в напряжение, требуемое конечным потребителем, где электрическая энергия распределяется и используется на стороне потребителя.Эти трансформаторы используются для распределения мощности от электростанции в отдаленные места.

• Маленький размер.
• Простая установка.
• Низкие магнитные потери.
• Не всегда загружен полностью.

• Разработан для КПД 50-70%.
• Низкая магнитная индукция по сравнению с силовым трансформатором.
• Регулярные колебания нагрузки.
• Зависит от времени.

4.На основе электроснабжения

Типы трансформаторов в зависимости от конфигурации перечислены ниже.

• Однофазный трансформатор
• Трехфазный трансформатор

На основе электроснабжения	Блок питания	Сеть	Количество катушек	№ клемм	Напряжение	Возможность передачи мощности	КПД	использует
Однофазный трансформатор	Питание по одному проводнику	Простой	2	4	Переноска 230В	Минимум	Меньше	Для бытовой техники
Трехфазный трансформатор	Источник питания трехжильный	Сложное	6	12	Переноска 413в	Максимум	Высокая	В крупных отраслях промышленности и при работе с большими нагрузками Силовой или распределительный трансформатор

Когда есть только одна катушка на первичной стороне и одна катушка на вторичной стороне, трансформатор называется однофазным трансформатором.Здесь питание осуществляется по единственному проводнику. Этот тип трансформатора принимает однофазный переменный ток и выходной однофазный переменный ток, как правило, с различным уровнем напряжения, который работает в единой временной фазе. Эти типы трансформаторов чаще всего используются в бытовых приборах.

• Простая сеть.
• Экономически выгодно.
• Самый эффективный источник питания переменного тока мощностью до 1000 Вт.

• Подача только однофазной нагрузки.
• применяется для легких нагрузок и малых электродвигателей.
• Минимальная мощность передачи.
• Происходит сбой питания.

Трехфазный трансформатор означает, что мощность течет по трем проводам. Трехфазный трансформатор содержит шесть катушек, три катушки на первичной стороне и три катушки на вторичной стороне. Этот тип трансформатора принимает трехфазный переменный ток и выходной трехфазный переменный ток, как правило, с различным уровнем напряжения, который работает в единой временной фазе.Эти типы трансформаторов в основном используются в качестве силовых или распределительных трансформаторов

.

• Большие двигатели или тяжелые материалы.
• Передача энергии на большие расстояния через магнитное поле.
• Максимальная мощность передачи.
• Сбой питания не происходит.

• Требуется множество систем охлаждения в зависимости от номинальной мощности трансформатора.
• Комплексная сеть.

5.По месту использования

Типы трансформаторов перечислены ниже в зависимости от места использования.

• Внутренние трансформаторы
• Трансформаторы наружной установки

по месту использования	Охлаждающая среда	Стоимость обслуживания	Уровень шума	Цена	КПД	использует
Сухие трансформаторы (внутренние)	Воздух как охлаждающая среда	Низкая	Есть шумовое загрязнение	Дорогой	Менее эффективный	Общественные места, такие как транспортные узлы и здания компаний
Масляные трансформаторы (наружные)	Масло в качестве охлаждающей жидкости	Высокая	Отсутствие шумового загрязнения	дешевые	Более эффективный	Для наружного применения с высокими характеристиками

Внутренние трансформаторы обычно представляют собой трансформаторы сухого типа.В этих трансформаторах в качестве охлаждающей среды используется воздух, и обычно их первичные и вторичные соединения изолированы. Трансформаторы сухого типа устанавливаются в зданиях и рядом с ними, поскольку они более безопасны для окружающей среды, т. Е. Менее воспламеняемы. Этот тип трансформаторов считается идеальным для торговых центров, больниц, жилых комплексов и других коммерческих помещений.

• Низкие эксплуатационные расходы.
• Более безопасный вариант по сравнению с масляным трансформатором.

• Более высокий операционный убыток.
• Шумовое загрязнение.
• Дорого.

Наружные трансформаторы обычно представляют собой масляные трансформаторы. В этих трансформаторах используется масло в качестве охлаждающей среды, и они предназначены для использования на открытом воздухе из-за вероятности утечки масла и разливов, которые создают риск возникновения пожара, и должны быть защищены от условий окружающей среды.

• Меньше и эффективнее.
• Снижение эксплуатационных расходов.

• Высокие эксплуатационные расходы.
• Требуется периодический отбор проб масла.

Это все о различных типах трансформаторов. Мы надеемся, что после прочтения этого блога вы почерпнете ценную информацию и идеи. Если у вас все еще есть какие-либо вопросы, вы можете оставить комментарий в разделе комментариев ниже.

• ---

  Об авторе

  Абдур Рехман — профессиональный инженер-электрик с более чем восьмилетним опытом работы с оборудованием от 208 В до 115 кВ как в коммунальных, так и в промышленных и коммерческих помещениях.Особое внимание он уделяет вопросам защиты энергосистем и инженерным исследованиям.

Введение в трансформаторы | Строительство, работа, приложения

В этом руководстве мы увидим краткое введение в трансформаторы. Мы узнаем, что такое электрический трансформатор, конструкция трансформатора, принцип его работы, классификации трансформаторов, потери и КПД, а также некоторые области применения.

Введение в трансформаторы

Трансформатор — одно из наиболее распространенных устройств в электрической системе, которое связывает цепи, работающие при разных напряжениях.Они обычно используются в приложениях, где требуется преобразование переменного напряжения с одного уровня напряжения на другой.

Можно уменьшить или увеличить напряжение и ток с помощью трансформатора в цепях переменного тока в зависимости от требований электрического оборудования, устройства или нагрузки. В различных приложениях используется широкий спектр трансформаторов, включая силовые, измерительные и импульсные трансформаторы.

Трансформаторы делятся на два типа: электронные трансформаторы и силовые трансформаторы.Рабочие напряжения электронных трансформаторов очень низкие и рассчитаны на низкие уровни мощности. Они используются в бытовом электронном оборудовании, таком как телевизоры, персональные компьютеры, CD / DVD-плееры и другие устройства.

Термин «силовой трансформатор» относится к трансформаторам с высокими номиналами мощности и напряжения. Они широко используются в системах выработки, передачи, распределения и коммунальных услуг для повышения или понижения уровней напряжения. Однако работа этих двух типов трансформаторов одинакова.Итак, давайте подробнее остановимся на трансформаторах.

Что такое электрический трансформатор?

Трансформатор — это статическое устройство (то есть не имеющее движущихся частей), которое состоит из одной, двух или более обмоток, которые связаны магнитным полем и электрически разделены с магнитным сердечником или без него. Он передает электрическую энергию от одной цепи к другой по принципу электромагнитной индукции.

Обмотка, подключенная к основному источнику переменного тока, называется первичной обмоткой, а обмотка, подключенная к нагрузке или от которой отводится энергия, называется вторичной обмоткой.Эти две обмотки с надлежащей изоляцией намотаны на многослойный сердечник, который обеспечивает магнитный путь между обмотками.

электрический трансформатор

Когда первичная обмотка запитана источником переменного напряжения, в сердечнике трансформатора будет создаваться переменный магнитный поток или поле. Эта амплитуда магнитного потока зависит от величины приложенного напряжения, частоты источника питания и количества витков на первичной стороне.

Этот поток циркулирует по сердечнику и, следовательно, связан со вторичной обмоткой.Основанное на принципе электромагнитной индукции, эта магнитная связь индуцирует напряжение во вторичной обмотке. Это называется взаимной индукцией между двумя цепями. Напряжение вторичной обмотки зависит от количества витков вторичной обмотки, а также от магнитного потока и частоты.

Трансформаторы

широко используются в электроэнергетических системах для создания переменных значений напряжения и токов с одинаковой частотой. Следовательно, за счет соответствующего соотношения витков первичной и вторичной обмоток трансформатор получает желаемое соотношение напряжений.

Вернуться к началу

Конструкция трансформатора

Основными частями трансформатора являются сердечник, обмотки, контейнер или бак, вводы, расширитель и радиаторы.

Ядро

Для применений с высокой мощностью сердечник трансформатора изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью, который обеспечивает путь с низким сопротивлением для магнитного потока. Поперечное сечение жилы может быть квадратным или прямоугольным.

Обычно трансформаторы с железным сердечником обеспечивают лучшее преобразование мощности по сравнению с трансформаторами с воздушным сердечником.Трансформаторы с воздушным сердечником используются для высокочастотных применений (выше 2 кГц), тогда как для низкочастотных применений (ниже 2 кГц) используются трансформаторы с железным сердечником.

Во всех типах трансформаторов сердечник изготовлен из кремнистой стали или листовой стали, собранных так, чтобы обеспечить непрерывный магнитный путь для магнитного потока. С этим слоистым сердечником потери на вихревые токи сведены к минимуму.

Толщина этих многослойных стальных листов составляет от 0,35 до 5 мм, они изолированы лаком, оксидом или фосфатом, а затем формируются в виде сердечника.

Для улучшения магнитных свойств используется горячекатаная сталь с ориентированным зерном (HRGO), холоднокатаная сталь с ориентированным зерном (CRGO) или листы с высоким содержанием B (HiB). В случае небольших трансформаторов сердечник сконструирован из горячекатаных листов кремнистой стали в форме E, и используются I, C и I или O.

Конструкция

Обмотки

Обычно (двухобмоточный) трансформатор имеет две обмотки, а именно первичную и вторичную обмотки, которые изготовлены из высококачественной меди.

Изолированные многожильные проводники используются в качестве обмоток для проведения высоких токов.Эта изоляция позволяет избежать контакта витков с другими витками.

обмотки трансформатора

Напряжение, подключенное к первичной обмотке, называется первичным напряжением, тогда как индуцированное напряжение во вторичной обмотке называется вторичным напряжением. Если вторичное напряжение больше первичного, оно называется повышающим трансформатором, а если меньше — понижающим трансформатором. Поэтому обмотки обозначаются как обмотки ВН и НН в зависимости от уровня напряжения.

По сравнению с обмоткой НН, обмотка ВН требует большей изоляции, чтобы выдерживать высокие напряжения, а также большего зазора между сердечником и корпусом.

Катушки трансформатора могут быть концентрическими или многослойными. Концентрические катушки используются в трансформаторах с сердечником, тогда как многослойные катушки используются в трансформаторах с корпусом. При концентрическом расположении обмотка НН размещается рядом с сердечником, а обмотка ВН размещается вокруг обмотки НН для обеспечения низких требований к изоляции и зазорам. Наиболее часто используемые катушки для трансформатора включают спиральные, многослойные, дисковые и перекрестные катушки.

Другими необходимыми частями трансформатора являются расширительный бак, который используется для обеспечения необходимого хранения масла, чтобы давление масла при больших нагрузках стабилизировалось.Когда масло в трансформаторе нагревается, естественно, масло расширяется и сжимается. При этом масло подвергается сильному давлению, поэтому без расширительного бака существует вероятность взрыва трансформатора.

Проходные изоляторы обеспечивают изоляцию выходных клемм, снимаемых с обмоток трансформатора. Это могут быть фарфоровые вводы или вводы конденсаторного типа, которые выбираются в зависимости от уровня рабочего напряжения. Из-за простой, прочной и прочной конструкции трансформаторы требуют небольшого обслуживания.Из-за отсутствия движущихся частей КПД трансформатора очень высок, который может варьироваться от 95% до 98%.

Вернуться к началу

Классификация трансформаторов

Трансформаторы

подразделяются на несколько типов в зависимости от различных факторов, включая номинальное напряжение, конструкцию, тип охлаждения, количество фаз в системе переменного тока, место, где он используется, и т. Д. Давайте обсудим некоторые из этих типов трансформаторов.

на основе функции

Трансформаторы

делятся на два типа по преобразованию уровня напряжения.Это повышающие и понижающие трансформаторы.

Повышающие трансформаторы

В повышающем трансформаторе вторичное напряжение больше первичного. Это связано с меньшим количеством катушек в первичной обмотке по сравнению с вторичной. Этот тип трансформатора используется для повышения напряжения до более высокого уровня. Они используются в системах передачи и рассчитаны на более высокие уровни мощности.

Понижающие трансформаторы

В понижающем трансформаторе вторичное напряжение меньше первичного из-за меньшего количества витков во вторичной обмотке.Следовательно, этот тип трансформатора используется для понижения напряжения до определенных уровней цепи. В большинстве источников питания используется понижающий трансформатор, чтобы поддерживать рабочий диапазон схемы на уровне указанного более безопасного предела напряжения. Эти типы трансформаторов используются в распределительных системах (силовые трансформаторы) и в электронных схемах (электронные трансформаторы).

Следует отметить, что трансформатор является обратимым устройством, поэтому его можно использовать как повышающий, так и понижающий трансформатор.Например, если цепи требуется высокое напряжение, мы подключим клеммы ВН к нагрузке, тогда как нагрузке или цепи требуется низкое напряжение, мы подключим клеммы НН к нагрузке.

Коэффициент напряжения трансформатора определяется соотношением витков. Чем больше витков в обмотке, тем выше будет создаваемое в ней напряжение. Следовательно, понижающий трансформатор имеет меньшее количество витков на вторичной обмотке для получения низкого напряжения и больше витков на первичной обмотке, чтобы выдерживать высокие уровни напряжения источника переменного тока.

Соотношение витков = напряжение первичной обмотки / напряжение вторичной обмотки = число витков первичной обмотки / число витков вторичной обмотки

Передаточное отношение витков, VP / VS = NP / NS

На основе конструкции сердечника

По конструкции трансформаторы подразделяются на два типа по способу размещения обмоток вокруг сердечника. Это трансформаторы с сердечником и оболочкой.

Трансформатор с сердечником

Трансформатор с сердечником

В трансформаторе этого типа обмотки окружают значительную часть сердечника.Как правило, распределительные трансформаторы бывают сердечникового типа. Некоторые из крупных силовых трансформаторов имеют корпусный тип.

В трансформаторах с сердечником используются цилиндрические катушки с формованной обмоткой, и эти катушки могут быть прямоугольными, овальными или круглыми. Для трансформатора с сердечником небольшого размера используется простой прямоугольный сердечник с цилиндрической катушкой круглой или прямоугольной формы.

А для трансформатора с сердечником большого размера используется крестообразный сердечник с круглыми или круглыми цилиндрическими катушками.В большинстве трансформаторов с сердечником используются цилиндрические катушки из-за их механической прочности. Эти цилиндрические катушки намотаны спиральными слоями и изолированы друг от друга изолирующими материалами, такими как ткань, бумага, слюда и т. Д.

Обмотку НН изолировать проще, чем обмотку ВН; следовательно, он расположен ближе к сердцевине.

Трансформатор корпусного типа

В трансформаторе с кожухом железный сердечник окружает значительную часть медной обмотки, как в случае трансформатора с сердечником.В этом типе катушки также предварительно намотаны, но представляют собой многослойные катушки дискового типа, намотанные в виде блинов. Эти многослойные дисковые катушки в разных слоях разделены друг от друга бумагой. Вся обмотка состоит из уложенных друг на друга дисков, а между катушками предусмотрено изоляционное пространство для образования горизонтальных изолирующих и охлаждающих каналов.

Трансформатор Berry — это наиболее часто используемый трансформатор кожухового типа. В корпусном типе сердечник имеет три плеча, а обмотки намотаны вокруг центрального плеча.Обмотки как низкого, так и высокого напряжения разделены на разные катушки, которые расположены поочередно. Между обмотками НН зажаты обмотки ВН. Опять же, чтобы снизить требования к изоляции, обмотки низкого напряжения размещаются рядом с сердечником. Этот тип конструкции предпочтителен для трансформаторов с высокими номиналами.

Трансформатор корпусного типа

в зависимости от типа поставки

В зависимости от типа источника питания трансформаторы могут быть одно- или трехфазными. Однофазные трансформаторы предназначены для работы в однофазной системе; поэтому он имеет две обмотки для преобразования уровней напряжения.Они используются на удаленных концах системы распределения электроэнергии. У них меньшая мощность по сравнению с трехфазными трансформаторами. Для этого типа трансформатора в основном используется конструкция с сердечником.

Для работы с трехфазной системой нам потребуется три однофазных трансформатора. Таким образом, из соображений экономической выгоды трехфазный трансформатор рассматривается для трехфазного режима работы. Он состоит из трех обмоток или катушек, которые подключены надлежащим образом в соответствии с входным напряжением. В этом типе трансформаторов первичная и вторичная обмотки подключаются по схеме звезда-треугольник или треугольник-звезда в зависимости от требований к напряжению нагрузки

на основе использования

1. Трансформатор силовой
2. Распределительный трансформатор
3. Измерительный трансформатор

Другие типы трансформаторов

По типу охлаждения они классифицируются как

1. Трансформатор с воздушным охлаждением
2. Трансформатор с воздушным охлаждением
3. Масляный трансформатор с самоохлаждением
4. Масляный трансформатор с водяным охлаждением
5. Масляный трансформатор с принудительным масляным охлаждением

Вернуться к началу

Принцип работы трансформатора

Работа трансформатора основана на принципе взаимной индукции между двумя катушками или обмотками, которые связаны общим магнитным потоком.Когда первичная обмотка запитана от источника переменного тока, в первичной обмотке устанавливается магнитный поток.

Этот поток связан как с первичной, так и с вторичной обмотками, поскольку сердечник обеспечивает путь с низким сопротивлением для магнитного потока. Следовательно, большая часть потока, создаваемого первичной обмоткой, связана с вторичной обмоткой. Это называется основным потоком или полезным потоком. Кроме того, поток, который не связан с вторичной обмоткой, называется потоком рассеяния. Большинство трансформаторов имеют низкий поток утечки для уменьшения потерь.

Согласно законам электромагнитной индукции Фарадея, эта магнитная связь как с первичной, так и с вторичной обмотками индуцирует в них ЭДС. Эта ЭДС, наведенная в каждой обмотке, пропорциональна количеству витков в ней. Напряжение или ЭДС, индуцированное в первичной обмотке, называется обратной ЭДС, которая противодействует входному напряжению питания до такой степени, что первичный ток не протекает.

Но через первичную обмотку трансформатора протекает небольшой ток намагничивания. ЭДС, наведенная во вторичной обмотке, представляет собой напряжение холостого хода.Если вторичная цепь замкнута или нагрузка подключена, вторичный ток начинает течь через нее, что приводит к созданию размагничивающего магнитного потока. Из-за этого размагничивающего потока возникает дисбаланс между приложенным напряжением и обратной ЭДС.

Чтобы восстановить баланс между этими двумя, от источника питания потребляется больше тока, так что эквивалентное магнитное поле создается для баланса с вторичным полем.

Поскольку одинаковый взаимный поток разрезает обе обмотки, ЭДС, индуцированная в каждом витке обеих обмоток, одинакова.Следовательно, общая наведенная ЭДС в каждой обмотке должна быть пропорциональна количеству витков в этой обмотке. Это оказывается для установления известной зависимости между наведенной ЭДС и числом витков. И дается как

E1 / E2 = N1 / N2

Поскольку напряжения на клеммах обеих обмоток немного отличаются от их наведенных ЭДС, мы можем записать как

V1 / V2 = N1 / N2

Это называется коэффициентом трансформации трансформатора. Это значение преобразования больше единицы в случае повышающего трансформатора и меньше единицы в понижающем трансформаторе.

В пересчете на баланс ампер-витков,

I1N1 = I2N2

I1 / I2 = N2 / N1

Вернуться к началу

Схема эквивалента трансформатора

Эквивалентная схема машины или устройства — это просто интерпретация уравнений, которые объединяют постоянные и переменные резисторы и реактивные сопротивления, что точно имитирует или описывает полное поведение машины.

Как правило, проблемы, связанные с напряжением и током трансформатора, могут быть решены с помощью векторных диаграмм.Однако, чтобы упростить вычисления, очень удобно представить трансформатор эквивалентной схемой.

Применяя теорию прямых цепей к этой эквивалентной схеме, мы можем легко определить ток и напряжение в трансформаторе.

На приведенном выше рисунке показана эквивалентная схема трансформатора, в которой предполагается, что сопротивление и реактивное сопротивление как первичной, так и вторичной обмоток являются внешними (показаны отдельно) по отношению к обмотке.Ток холостого хода Io представляет собой комбинацию намагничивающей составляющей Iu и активной составляющей Iw.

Следовательно, влияние тока намагничивания представлено как Xo, а влияние активного компонента или компонента потерь в сердечнике представлено неиндуктивным резистивным Ro. И Ro, и Xo подключены через первичную обмотку, как показано на рисунке. Эта параллельная комбинация называется эквивалентной схемой при отсутствии нагрузки.

Когда нагрузка подключена к вторичной обмотке, ток I2 начинает течь через вторичную цепь и вызывает падение напряжения на X2 и R2.Как упоминалось выше, из-за вторичного тока I2 первичная обмотка потребляет больше тока. Таким образом, первичный ток I1 вызывает значительное падение на R1 и X1.

Для упрощения расчетов эквивалентная схема дополнительно упрощена за счет переноса вторичных сопротивлений и реактивных сопротивлений на первичную сторону, так что на соотношение E2 / E1 не влияет ни фаза, ни величина.

Первичный эквивалент вторичной ЭДС

E2 ’= E2 / K

Где K — коэффициент трансформации

Аналогично первичный эквивалент вторичного напряжения на клеммах

.

V2 ’= V2 / K

Первичный эквивалент вторичного тока

I2 ’= I2 / K

Пусть R2 ’- это сопротивление, передаваемое на первичную сторону, которое вызывает падение в первичной обмотке, такое же, как и во вторичной обмотке.Итак, I2’R2 ’- это падение напряжения в первичной обмотке на R2’. Оказывается, соотношение I2’R2 ’и I2R2 должно быть таким же, как и отношение N1 / N2 (отношение оборотов).

Следовательно,

(I2’R2 ’) / (I2R2) = (N1 / N2) = (1 / K)

R2 ’= R2 × (I2 / I2’) × (1 / K)

Но (I2 / I2 ’) = (N1 / N2) = (1 / K)

Следовательно, R2 ’= R2 / K ²

Аналогично, X2 ’= X2 / K ²

Таким же образом сопротивления нагрузки и реактивные сопротивления могут быть перенесены на первичную обмотку.Со всеми этими переданными значениями точная эквивалентная схема трансформатора показана ниже.

Также возможно передать первичное сопротивление и реактивное сопротивление (или просто импеданс) вторичной обмотке так же, как вторичное сопротивление и реактивное сопротивление (или импеданс) передаются первичной обмотке. Пусть R1 ’и X1’ — это сопротивление и реактивное сопротивление, передаваемые на вторичную сторону от первичной, тогда

R1 ’= K ² R1

X1 ’= K ² X1

Следует отметить, что ток холостого хода составляет небольшую часть тока полной нагрузки, а также E1 отличается от V1 на небольшую величину, и, следовательно, ток I2 ’практически равен I1.

Таким образом, падением напряжения из-за тока холостого хода Io на R1 и X1 можно пренебречь. Следовательно, точная эквивалентная схема дополнительно упрощается за счет смещения параллельной ветви холостого хода влево, состоящей из Ro и Xo, в крайнее левое положение, как показано на рисунке ниже.

Эта схема называется соответствующей схемой замещения трансформатора по отношению к первичной обмотке. Следовательно, анализ упрощается за счет добавления последовательных сопротивлений и реактивных сопротивлений.

Вернуться к началу

Потери в трансформаторе

Трансформатор не имеет движущихся частей и, следовательно, в нем отсутствуют механические потери.Следовательно, потери в трансформаторе считаются потерями электроэнергии. В трансформаторе существуют два типа электрических потерь: потери в сердечнике и потери в меди.

Потери в сердечнике или в железе

Эти потери включают как гистерезисные, так и вихретоковые потери.

Магнитный поток, создаваемый в сердечнике трансформатора, переменный; тем самым он подвергается циклу намагничивания и размагничивания. При этом требуется соответствующая мощность для непрерывного реверсирования элементарных магнитов железного сердечника.Это называется эффектом гистерезиса, и из-за этого происходит значительная потеря энергии.

Потери на гистерезис = K _h B _m ^1,67 f v Вт

Где,

K _h = Константа гистерезиса

B _м = Максимальная плотность потока

f = частота

v = объем ядра

Так как сердечник трансформатора изготовлен из ферромагнитных материалов, которые также являются хорошими проводниками. Следовательно, магнитный поток, связанный с сердечником, вызывает в сердечнике ЭДС.Следовательно, сердечник создает в сердечнике вихревые токи, вследствие чего в сердечнике возникают значительные потери на вихревые токи.

Потери на вихревые токи = K _e B _м ² f ² т ² Вт / единицу объема

Где,

K _e = Вихретоковая постоянная

t = толщина сердечника

Из двух приведенных выше уравнений следует заметить, что напряжение питания при фиксированной частоте является постоянным и, следовательно, поток, в свою очередь, плотность потока в сердечнике почти постоянна.Следовательно, и гистерезис, и потери на вихревые токи постоянны при всех нагрузках. Следовательно, потери в сердечнике также называют постоянными потерями.

Благодаря использованию высококачественных материалов сердечника, таких как кремнистая сталь, имеющая очень низкую петлю гистерезиса, гистерезисные потери минимизируются или уменьшаются. С другой стороны, потери на вихревые токи минимизируются за счет использования многослойного сердечника. Эти постоянные потери или потери в сердечнике могут быть измерены путем разомкнутой цепи трансформатора.

Потери меди

Эти потери возникают в сопротивлениях обмоток трансформатора, когда по нему проходит ток нагрузки.Общие потери в меди в трансформаторе рассчитываются путем сложения потерь в меди в первичной и вторичной обмотках. Они обнаруживаются проведением короткого замыкания на трансформаторе.

Другие потери в трансформаторе включают диэлектрические потери и потери паразитной нагрузки. Паразитные потери являются результатом вихревых токов в баке и проводниках обмотки. Диэлектрические потери возникают в изоляционных материалах, таких как масляная и твердая изоляция трансформатора.

Вернуться к началу

КПД трансформатора

Это отношение полезной выходной мощности к потребляемой мощности трансформатора, работающего при определенной нагрузке и коэффициенте мощности.

Эффективность = Выход / Вход

= выход / (выход + общие потери) или

= (Вход — потери) / Вход

= 1- (потери / ввод)

Обычно КПД трансформатора находится в диапазоне от 95 до 98%. Из приведенного выше уравнения эффективности можно отметить, что эффективность зависит от ватт, а не от вольт-амперной характеристики. Следовательно, при любом вольт-амперном диапазоне КПД трансформатора зависит от коэффициента мощности. КПД максимален при единичном коэффициенте мощности и определяется расчетом общих потерь при испытаниях OC и SC.

Вернуться к началу

Применение трансформаторов

• Повышение или понижение уровня напряжения в системах передачи энергии, таких как системы передачи и распределения.
• Для изоляции цепей низкого напряжения от цепей высокого напряжения на подстанциях, цепей управления в промышленности и т. Д.
• Измерительные трансформаторы, такие как трансформаторы тока и напряжения, используются в системах защиты и индикации счетчиков.
• Они также используются для согласования импеданса.

Вернуться к началу

Закон Фарадея и электромагнитная индукция — как работают трансформаторы | Arrow.com

Узнайте о научных принципах функционирования трансформаторов и о том, как они повышают и понижают напряжение для облегчения распределения электроэнергии.

Что делают трансформаторы?

Трансформаторы — это устройства, использующие электромагнитную индукцию для изменения свойств электрического тока от одной цепи к другой.Практически вся электрическая энергия, которую мы используем ежедневно, в какой-то момент проходит через трансформатор. Коммунальные предприятия полагаются на трансформаторы для повышения напряжения для передачи от электростанции в распределительную сеть, а затем обратно до напряжения, которое можно использовать в повседневных электрических приложениях.

Применение закона Фарадея: как работают трансформаторы

Итак, как работают трансформаторы? Давайте углубимся в подробности.

Трансформаторы содержат пару обмоток, и они работают, применяя закон индукции Фарадея .

1. Переменный ток проходит через первичную обмотку, которая создает переменный магнитный поток.
2. Возникающее магнитное поле ударяет по второй обмотке и генерирует в этой обмотке переменное напряжение за счет электромагнитной индукции.

В теоретическом идеальном трансформаторе между цепями не происходит утечки энергии; две схемы идеально сочетаются с бесконечно высокой магнитной проницаемостью. Вот уравнения, описывающие этот теоретический трансформатор:

В _P = -N _P (dɸ / d t )

V _S = -N _S (dɸ / d t )

Символы в этих уравнениях имеют следующие значения:

• В — мгновенное напряжение.
• N количество витков в обмотке.
• d ɸ / d t — изменение магнитного потока (ɸ) через обмотки с течением времени.
• P и S относятся к первичной и вторичной обмоткам соответственно.

Отношение начального напряжения к выходному напряжению равно отношению витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки. Например, вторичная обмотка с вдвое большим количеством витков, чем первичная обмотка, будет выдавать напряжение, вдвое превышающее исходное напряжение.

В реальной жизни мы всегда будем испытывать некоторую потерю эффективности из-за нагрева сердечника, реактивного сопротивления или других переменных. Тем не менее, электромагнитная индукция — полезный метод изменения напряжений по мере необходимости для различных приложений.

Принцип работы: Повышающие и понижающие трансформаторы

Вот соотношение между обмотками и напряжениями, которое мы описали выше:

V _P / V _S = N _P / N _S

Трансформаторы способны резко изменять напряжение.Трансформаторы, повышающие напряжение, называются «повышающими трансформаторами», а трансформаторы, понижающие напряжение, — «понижающими трансформаторами». Повышающие трансформаторы имеют решающее значение для распределения электроэнергии среди населения. Эти трансформаторы позволяют электростанции повышать уровень напряжения питания до уровня, достаточного для эффективного перемещения на большие расстояния. Как только ток поступает в распределительную сеть, понижающий трансформатор изменяет ток обратно до уровня, соответствующего требованиям конечных пользователей.

Другие типы трансформаторов

Повышающие и понижающие трансформаторы иллюстрируют основные принципы электромагнитной индукции и изменения напряжения.Однако существует множество других типов трансформаторов для конкретных приложений, включая аудио, электрические, измерительные и другие. Все эти трансформаторы работают по принципу индукции в сети переменного тока, но они различаются по конструкции, чтобы обеспечить выполнение их конкретных функций.