+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Какой режим работы трансформатора позволяет определить коэффициент

Коэффициентом трансформации трансформаторов называется отношение напряжения обмотки высшего напряжения (ВН) к напряжению обмотки низшего напряжения (НН) при холостом ходе:

Где: Кл- коэффициент трансформации линейных напряжений;

U1 – линейное напряжение обмотки ВН;

U2 – линейное напряжение обмотки НН.

При определении коэффициента трансформации однородных трансформаторов или фазного коэффициента трансформации трехфазных

трансформаторов отношение напряжения можно приравнять к отношению чисел витков обмотки

где: Кф – фазный коэффициент трансформации;

U1ф,U2ф – фазные напряжения обмоток ВН и НН соответственно;

WI,W2 – число витков обмоток ВН и НН соответственно.

При измерении линейного коэффициента трансформации трехфазного трансформатора равенство отношения высшего и низшего линейных напряжения обмоток и соответственно числа витков ВН и НН сохраняется лишь при одинаковых группах соединения этих обмоток.

Если первичная и вторичная обмотки соединены по одинаковой схеме, например, обе в звезду, обе в треугольник и так далее, фазный и линейный коэффициенты трансформации равны друг другу. При различных схемах соединений обмоток, например, одной в звезду, а другой в треугольник, линейньй и фазный коэффициенты трансформации неодинаковы (они в данном случае отличаются друг от друга в 3 раз).

Определение коэффициента трансформации производится на всех ответвлениях обмоток и для вех фаз. Эти измерения, кроме проверки самого коэффициента трансформации дают возможность проверить также правильность установки переключателя напряжения на соответствующих ступенях, а также целостность обмоток.

Для определения коэффициента трансформации применяют метод двух вольтметров (рис.2)

Рис.2 Определение коэффициента трансформации.

Со стороны высокого напряжения (ВН) подводится трехфазовое напряжение 220 В и измеряется напряжение на вторичной обмотке.

Внимание! Напряжение подводится только к обмоткам ВН (А, В, С).

Результаты измерений заносятся в таблицу 2. Пределы измерения вольтметров: PV1-250 В,PV2-15В.

Примечание: В данной работе трансформатор имеет одно положение переключателя.

Коэффициент трансформации отдельных фаз, замеренных на одних и тех же ответвлениях не должен отличаться друг от друга более чем на 2%.

2.4. Определение группы соединения обмоток трансформатора.

Группа соединения обмоток трансформатора имеет особо важное значение для параллельной работы его с другими трансформаторами.

Метод двух вольтметров для определения группы соединения обмоток является распространенным и доступным. Метод основан на совмещении векторных диаграмм первичного и вторичного напряжений, измерении напряжений между соответствующими выводами и последующем сравнении этих напряжений с условным.

Для проведения опыта собирают схему, показанную на рис.3.

Рис.3 Определение группы соединения обмоток трансформатора методом двух вольтметров.

Вводы А-а соединяют между собой, а на линейные вводы А, В, С обмотки ВН подают трехфазовое напряжение 220 В. это напряжение измеряется вольтметром PV1. вольтметром PV2 измеряется напряжение между вводами В-в, С-с, В-с, С-в. измеренные напряжения сравнивают с условным Uусл. Условное напряжение определяется по формуле:

Где U – линейное напряжение на вводах обмотки НН во время опыта В.

Кл – линейный коэффициент трансформации.

Где U

л1 – линейное напряжение, подведенное к обмотке ВН при опыте.

Результаты измерений группы соединений заносятся в таблицу 3

Напряжение на вводах

Полученные напряжения сравнивают с условным напряжением. На основании сравнения и по таблице 4 определяется группа соединений обмоток трансформатора.

Сравнение на вводах Uусл

Примечание: М – меньше, Б – больше, Р – равно.

2.5 Определение сопротивления обмоток трансформатора постоянному току.

При заданном измерении могут выявится следующие характерные дефекты:

а) недоброкачественная пайка и плохие контакты в обмотке и в присоединении вводов;

б) обрыв одного или нескольких параллельных проводников в обмотке.

Измерение сопротивления обмоток в данном случае производится мостовым методом – мостом Р 353. Измерение производится на всех ответвлениях и на всех фазах. При наличии выведенной нейтрали (0) измерение производится между фазными выводами и нулем. Если обмотка соединена в «звезду», то сопротивление фазы можно определить /1/

Где RAB, RВС, RАС – сопротивления на линейных зажимах АВ, ВС, АС.

Полученные значения сопротивления разных фаз при одном положении переключателя не должны отличаться друг от друга более чем на 2%. Данные измерений следует занести в таблицу 5.

Примечание в данной работе трансформатор имеет одно положение переключателя.

Назначение, устройство и работа прибора Э236.

Прибор Э236 предназначен для контроля технического состояния и испытания изоляции при техническом обслуживании и ремонте якорей автотракторных генераторов, стартеров и электродвигателей постоянного тока с номинальным напряжением 12 и 24 В.

Диаметр проверяемых якорей от 25 до 180 мм при питании прибора от однофазной электрической цепи переменного тока напряжением 220В. /2/

Рис.4 Вид на лицевую панель прибора Э236

Конструктивно прибор представляет собой настольную измерительную установку, имеющую дроссель, измерительную цепь, контактные устройства.

С черным проводом (левое) контактное устройство используется при испытании электрической прочности изоляции. При нажатии рукоятки стержень утопает до упора, замыкая цепь. В свободном состоянии цепь обесточена.

С синим проводом (правое) контактное устройство служит для снятия с коллектора наводимой в якоре ЭДС, и применяется при определении короткозамкнутых секций и витков, обрывов и т.д. Верхняя пластина устройства – подвижная и позволяет установить в зависимости от шага и ширины пластин коллектора якоря необходимый размер между торцами пластин. В нерабочем положении оба контактных устройства должны быть установлены на задней стенке прибора в кронштейнах.

На рис.5 приведена принципиальная электрическая схема прибора.

Рис.5 Принципиальная электрическая схема прибора Э236.

Дроссель L1 имеет основную обмотку (1000 витков проводом ПЭВ-2 диаметром 0,4мм) для создания магнитного потока в магнитопроводе и проверяемом якоре, и дополнительную обмотку (1100 витков проводом ПЭВ-2 диаметром 0,2мм). Питание обмоток дросселя осуществляется напряжением 220В. Основная обмотка дросселя имеет отвод от 54 витка, что обеспечивает питание лампы HL2, служащей для сигнализации включенного состояния прибора. Для защиты питающей сети от перегрузок и КЗ в цепи основной обмотки установлен предохранитель F1.

Испытание электрической прочности изоляции обмоток и других изолированных деталей производится приложением к ним действующего значения испытательного напряжения величиной 0,22 кВ, частотой 50 Гц, мощностью 25 Вт, снятого с дополнительной обмотки дросселя с помощью контактного устройства А1.

При пробое изоляции загорается лампа HL1. Резистор R1 совместно с лампой HL1 обеспечивает необходимую мощность испытательной схемы.

Принцип действия прибора при контроле технического состояния обмоток якоря основан на сравнении ЭДС, которые индуцируются в секциях обмотки якоря под действием магнитного потока, создаваемого дросселем.

Амплитудное значение ЭДС, наводимой в обмотке якоря, снимается с помощью контактного устройства А2 и регистрируется по индикаторному прибору pmA, который подключен к пиковому детектору

выполненному на транзисторе VT1 и конденсаторе С1.

Для увеличения чувствительности схемы в качестве выпрямительного элемента пикового детектора используется коллекторно-базовый переход транзистора VT1.

Для защиты индикаторного прибора от перегрузок применен диод VD1, включенный в прямом направлении, и резистор R2, которым устанавливается рабочий ток диода.

Чувствительность измерительного прибора регулируется переменным резистором R3.

Внимание! Прикасаться к частям испытываемого оборудования во время испытания изоляции не допускается!

Порядок проверки прибора на работоспособность.

Внешним осмотром убедиться в отсутствии наружных повреждений прибора.

Поставить переключатель в положение «0» и включить прибор в сеть.

Поставить переключатель в положение «1», при этом загорится сигнальная лампа «

220В». Нажать штырем левого контактного устройства (с черным проводом) на полюса до упора и убедиться в наличии тока в цепи (лампа « » должна загореться).

Поставте переключатель в положение «0».

Уложите якорь генератора (стартера, двигателя постоянного тока) на полюса дросселя и поставьте переключатель в положение «2». Коснитесь пластинами контактного устройства (с синим проводом) соседних пластин коллектора и, вращяя якорь, убедитесь в возможности регулировки положения стрелки индикатора измерительного прибора. Поставьте переключатель в положение «0» и снимите якорь.

Перед проверкой якорь очищается от пыли и грязи и производится его внешний осмотр.

Определение короткозамкнутой секции обмотки якоря.

3.2.1. Определение при помощи стальной пластины.

Уложите якорь генератора на полюса дросселя.

Поставьте переключатель в положение «2».

Возьмите пластину сломанного ножевого полотна и, слегка касаясь поверхности якоря, медленно поворачивайте якорь вокруг его оси руками или механическим зажимным устройством.

При наличии короткого замыкания в какой либо секции, пластина будет притягиваться и вибрировать над пазами, в которых расположена эта секция.

Поставьте переключатель в положение «0», снимите якорь с полюсов дросселя.

3.2.2. Определение при помощи измерительного прибора.

Уложите якорь на полюса дросселя и установите переключатель в положение «2».

Установите контактное устройство (правое) так, чтобы пластины устройства были прижаты к двум рядом расположенным пластинам коллектора, на которых ЭДС секции максимальная.

Установите ручной регулятора «» стрелку индикатора в средней части шкалы.

Не отнимая контактного устройства, проворачиваем ротор на несколько миллиметров вперед и назад, находим положение якоря, при котором стрелка индикатора максимально отклонится. Запомните это показание.

Поворачивайте якорь генератора так, чтобы рядом расположенная пластина коллектора занимала положение предыдущей. Показания прибора при этом не должны изменяться более чем на 1 деление шкалы. Проверьте таким образом весь коллектор.

Если имеется короткозамкнутая секция, то при касании коллекторных пластин этой секции стрелка индикатора упадет до нуля (если короткое замыкание близко к коллектору), или показания будут значительно ниже, чем на остальных позициях (если короткое замыкание между витками в центре якоря, или на противоположном коллектору конце якоря).

Поставьте переключатель в положение «0», снимите якорь с полюсов дросселя.

Измерение ЭДС в секциях обмотки якоря нужно производить при одном выбранном неизменном положении контактного устройства по отношению к коллектору.

Якорь стартера имеет 1 или 2 витка в каждой секции, что при проверке усложняет определение короткозамкнутых секций, т.к. их сопротивление при этом меняется незначительно. Но все показания индикатора дают возможность увидеть в какой секции имеется замыкание. Разница в отклонении стрелки индикатора будет зависеть от того, насколько надежно короткое замыкание и где расположено (если у коллектора, то показания индикатора будут равны 0, если же в якоре, то они будут отличаться на несколько делений).

Определение обрывов в обмотке якоря.

Уложите якорь на полюса дросселя и установите переключатель в положение «2».

Установите контактное устройство (правое) так, чтобы пластины устройства были прижаты к двум рядом расположенным пластинам коллектора и поверните рукоятку регулятора так, чтобы индикатор показал наличие тока в цепи. Поворачивая якорь, касайтесь поочередно щупами соседних

пластин коллектора. Проведите проверку всего якоря. Если в секции имеется обрыв, то стрелка индикатора не отклонится при касании пластин коллектора этой секции.

Поставьте переключатель в положение «0», снимите якорь с полюсов дросселя.

Определение замыкания на массу обмотки якоря.

Уложите якорь на полюса дросселя и установите переключатель в положение «1».

Коснитесь поочередно 2-х – 3-х пластин коллектора штырем левого контактного устройства, нажимая при этом на рукоятку до упора.

Если обмотка якоря на «массу» не замкнута, лампа « » не загорится (левая). Загорание лампы указывает на наличие замыкания с «массой».

4. Содержание отчета.

Отчет должен содержать цель работы, таблицы и схемы исследований, общее заключение о состоянии трансформатора и якоря генератора.

5. Контрольные вопросы по диагностике трансформатора.

Какие неисправности встречаются в силовых трансформаторах?

Какими приборами и как определить витковое замыкание в обмотках трансформатора?

Что такое коэффициент абсорбции?

С какой целью и как измеряется сопротивление обмотки трансформатора постоянному току?

С какой целью и как определяется коэффициент трансформации?

Как изменяется коэффициент абсорбции в зависимости от степени увлажнения изоляции и чем это объясняется?

При измерении коэффициента трансформации получены следующие данные: Кав=25; Квс=25; Кас=10. Определить неисправность в трансформаторе.

6. Контрольные вопросы по диагностике якоря генератора.

Какие неисправности встречаются в якорях генераторов?

Каков порядок проверки прибора Э236 на работоспособность?

Как определить короткозамкнутую секцию обмотки якоря?

Как определить обрыв в обмотке якоря?

Как определить замыкание на массу обмотки якоря?

1. Технические указания по производству пусконаладочных работ и лабораторных испытаний электрической части сельских электростанций, электросетей и потребительских электроустановок. М.: 1961.

Паспорт прибора для проверки якорей генераторов и стартеров. Модель Э236. 1978. Новгород.

Методические указания к лабораторным работам по эксплуатации электрооборудования для студентов специальности 110302 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» очного и заочного обучения / сост. В.В.Шмигель. –

Трансформатор – электронное устройство, способное менять рабочие величины, измеряется коэффициентом трансформации, k. Это число указывает на изменение, масштабирование какого-либо параметра, например напряжения, тока, сопротивления или мощности.

Что такое коэффициент трансформации

Трансформатор не меняет один параметр в другой, а работает с их величинами. Тем не менее его называют преобразователем. В зависимости от подключения первичной обмотки к источнику питания, меняется назначение прибора.

В быту широко распространены эти устройства. Их цель – подать на домашнее устройство такое питание, которое бы соответствовало номинальному значению, указанному в паспорте этого прибора. Например, в сети напряжение равно 220 вольт, аккумулятор телефона заряжается от источника питания в 6 вольт. Поэтому необходимо понизить сетевое напряжение в 220:6 = 36,7 раз, этот показатель называется коэффициент трансформации.

Чтобы точно рассчитать этот показатель, необходимо вспомнить устройство самого трансформатора. В любом таком устройстве имеется сердечник, выполненный из специального сплава, и не менее 2 катушек:

Первичная катушка подключается к источнику питания, вторичная – к нагрузке, их может быть 1 и более. Обмотка – это катушка, состоящая из намотанного на каркас, или без него, электроизоляционного провода. Полный оборот провода называется витком. Первая и вторая катушки устанавливаются на сердечник, с его помощью энергия передается между обмотками.

Коэффициент трансформации трансформатора

По специальной формуле определяется число проводов в обмотке, учитываются все особенности используемого сердечника. Поэтому в разных приборах в первичных катушках число витков будет разным, несмотря на то что подключаются к одному и тому же источнику питания. Витки рассчитываются относительно напряжения, если к трансформатору необходимо подключить несколько нагрузок с разным напряжением питания, то количество вторичных обмоток будет соответствовать количеству подключаемых нагрузок.

Зная число витков провода в первичной и вторичной обмотке, можно рассчитать k устройства. Согласно определения из ГОСТ 17596-72 “Коэффициент трансформации – отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной или отношение напряжения на вторичной обмотке к напряжению на первичной обмотке в режиме холостого хода без учета падения напряжения на трансформаторе. ” Если этот коэффициент k больше 1, то прибор понижающий, если меньше – повышающий. В ГОСТе такого различия нет, поэтому большее число делят на меньшее и k всегда больше 1.

В электроснабжении преобразователи помогают снизить потери при передаче электроэнергии. Для этого напряжение, вырабатываемое электростанцией, увеличивается до нескольких сотен тысяч вольт. Затем этими же устройствами напряжение понижается до требуемого значения.

На тяговых подстанциях, обеспечивающих производственный и жилой комплекс электроэнергией, установлены трансформаторы с регулятором напряжения. От вторичной катушки отводятся дополнительные выводы, подключение к которым позволяет менять напряжение в небольшом интервале. Это делается болтовым соединением или рукояткой. В этом случае коэффициент трансформации силового трансформатора указывается в его паспорте.

Определение и формула коэффициента трансформации трансформатора

Получается, что коэффициент – это постоянная величина, показывающая масштабирование электрических параметров, она полностью зависит от конструкторских особенностей устройства. Для разных параметров расчет k производится по-разному. Существуют следующие категории трансформаторов:

  • по напряжению;
  • по току;
  • по сопротивлению.

Перед определением коэффициента необходимо замерить напряжение на катушках. ГОСТ указано, что производить такое измерение нужно при холостом ходе. Это когда к преобразователю не подключена нагрузка, показания могут быть отображены на паспортной табличке этого устройства.

Затем показания первичной обмотки делят на показания вторичной, это и будет коэффициентом. При наличии сведений о количестве витков в каждой катушке производят дробление числа витков первичной обмотки на число витков вторичной. При этом расчете пренебрегают активным сопротивлением катушек. Если вторичных обмоток несколько, для каждой находят свой k.

Трансформаторы тока имеют свою особенность, их первичная обмотка включается последовательно нагрузке. Перед вычислением показателя k измеряют ток первичной и вторичной цепи. Производят разложение значения первичного тока на ток вторичной цепи. При наличии паспортных данных о количестве витков допускается произвести вычисление k путем деления числа оборотов провода вторичной обмотки на число оборотов провода первичной.

При расчете коэффициента для трансформатора сопротивления, его еще называют согласующим, сначала находят входное и выходное сопротивление. Для этого вычисляют мощность, которая равняется произведению напряжения и тока. Затем мощность делят на квадрат напряжения и получают сопротивление. Дробление входного сопротивления трансформатора и нагрузки по отношению к его первичной цепи и входного сопротивления нагрузки во вторичной цепи даст k прибора.

Есть другой способ вычисления. Необходимо найти коэффициент k по напряжению и возвести его в квадрат, результат будет аналогичным.

Разные виды трансформаторов и их коэффициенты

Хотя конструктивно преобразователи мало чем отличаются друг от друга, назначение их достаточно обширно. Существуют следующие виды трансформаторов, кроме рассмотренных:

  • силовой;
  • автотрансформатор;
  • импульсный;
  • сварочный;
  • разделительный;
  • согласующий;
  • пик-трансформатор;
  • сдвоенный дроссель;
  • трансфлюксор;
  • вращающийся;
  • воздушный и масляный;
  • трехфазный.

Особенностью автотрансформатора является отсутствие гальванической развязки, первичная и вторичная обмотка выполнены одним проводом, причем вторичная является частью первичной. Импульсный масштабирует короткие импульсные сигналы прямоугольной формы. Сварочный работает в режиме короткого замыкания. Разделительные используются там, где нужна особая безопасность по электротехнике: влажные помещения, помещения с большим количеством изделий из металла и подобное. Их k в основном равен 1.

Пик-трансформатор преобразует синусоидальное напряжение в импульсное. Сдвоенный дроссель – это две сдвоенные катушки, но по своим конструктивным особенностям относится к трансформаторам. Трансфлюксор содержит сердечник из магнитопровода, обладающего большой величиной остаточной намагниченности, что позволяет использовать его в качестве памяти. Вращающийся передает сигналы на вращающиеся объекты.

Воздушные и масляные трансформаторы отличаются способом охлаждения. Масляные применяются для масштабирования большой мощности. Трехфазные используются в трехфазной цепи.

Более подробную информацию можно узнать о коэффициенте трансформации трансформатора тока в таблице.

Номинальная вторичная нагрузка, В 3 5 10 15 20 30 40 50 60 75 100
Коэффициент, n Номинальная предельная кратность
3000/5 37 31 25 20 17 13 11 9 8 6 5
4000/5 38 32 26 22 20 15 13 11 10 8 6
5000/5 38 29 25 22 20 16 14 12 11 10 8
6000/5 39 28 25 22 20 16 15 13 12 10 8
8000/5 38 21 20 19 18 14 14 13 12 11 9
10000/5 37 16 15 15 14 12 12 12 11 10 9
12000/5 39 20 19 18 18 12 15 14 13 12 11
14000/5 38 15 15 14 14 12 13 12 12 11 10
16000/5 36 15 14 13 13 12 10 10 10 9 9
18000/5 41 16 16 15 15 12 14 14 13 12 12

Почти у всех перечисленных приборов есть сердечник для передачи магнитного потока. Поток появляется благодаря движению электронов в каждом из витков обмотки, и силы токов не должны быть равны нулю. Коэффициент трансформации тока зависит и от вида сердечника:

Коэффициентом трансформации (К) называется отношение напряжения обмотки ВН к напряжению обмотки НН при холостом ходе трансформатора:

Для трехобмоточных трансформаторов коэффициентом трансформации является отношение напряжений обмоток ВН/СН, ВН/НН и СН/НН.

Значение коэффициента трансформации позволяет проверить правильное число витков обмоток трансформатора, поэтому его определяют на всех ответвлениях обмоток и для всех фаз. Эти измерения, кроме проверки самого коэффициента трансформации, дают возможность проверить правильность установки переключателя напряжения на соответствующих ступенях, а также целость обмоток.

Если трансформатор монтируется без вскрытия и при этом ряд ответвлений, недоступен для измерений, определение коэффициента трансформации производится только для доступных ответвлений.

При испытании трехобмоточных трансформаторов коэффициент трансформации достаточно проверить для двух пар обмоток, причем измерения рекомендуется проводить на тех обмотках, для которых напряжение короткого замыкания наименьшее.

В паспорте каждого трансформатора даются номинальные напряжения обеих обмоток, относящиеся к режиму холостого хода. Поэтому номинальный коэффициент трансформации можно легко определить по их отношению.

Измеренный коэффициент трансформации на всех ступенях переключателя ответвлений не должен отличаться более чем на 2 % от коэффициента трансформации на том же ответвлении на других фазах или от паспортных данных, или от данных предыдущих измерений. В случае более значительного отклонения должна быть выяснена его причина. При отсутствии виткового замыкания трансформатор может быть введен в работу.

Коэффициент трансформации определяют следующими методами:

а) двух вольтметров;

б) моста переменного тока;

в) постоянного тока;

г) образцового (стандартного) трансформатора и др.

Коэффициент трансформации рекомендуется определять методом двух вольтметров (рис. 1).

Принципиальная схема для определения коэффициента трансформации методом двух вольтметров для однофазных трансформаторов дана на рис. 1,а. Напряжение, подводимое к двум обмоткам трансформатора, одновременно измеряют двумя разными вольтметрами.

При испытании трехфазных трансформаторов одновременно измеряют линейные напряжения, соответствующие одноименным зажимам обеих проверяемых обмоток. Подводимое напряжение не должно превышать номинального напряжения трансформатора и быть чрезмерно малым, чтобы на результаты измерений не могли повлиять ошибки вследствие потери напряжения в обмотках от тока холостого хода и тока, обусловленного присоединением измерительного прибора к зажимам вторичной обмотки.

Рис. 1. Метод двух вольтметров для определения коэффициентов трансформации: а – для двухобмоточных и б – трехобмоточных трансформаторов

Подводимое напряжение должно быть от одного (для трансформаторов большой мощности) до нескольких десятков процентов номинального напряжения (для трансформаторов небольшой мощности), если испытания проводятся с целью проверки паспортных данных трансформаторов.

В большинстве случаев к трансформатору подводят напряжение от сети 380 В. В случае необходимости вольтметр присоединяется через трансформатор напряжения или включается с добавочным сопротивлением. Классы точности измерительных приборов – 0,2–0,5. Допускается присоединять вольтметр V1 к питающим проводам, а не к вводам трансформатора, если это не отразится на точности измерений из-за падения напряжения в питающих проводах.

При испытании трехфазных трансформаторов симметричное трехфазное напряжение подводят к одной обмотке и одновременно измеряют линейные напряжения на линейных зажимах первичной и вторичной обмоток.

При измерении фазных напряжений допускается определение коэффициента трансформации по фазным напряжениям соответствующих фаз. При этом проверку коэффициента трансформации производят при однофазном или трехфазном возбуждении трансформатора.

Если коэффициент трансформации был определен на заводе-изготовителе, то при монтаже целесообразно измерять те же напряжения. При отсутствии симметричного трехфазного напряжения коэффициент трансформации трехфазных трансформаторов, имеющих схему соединения обмоток Д/У или У/Д, можно определить при помощи фазных напряжений с поочередным закорачиванием фаз.

Для этого одну фазу обмотки (например, фазу А), соединенную в треугольник, закорачивают соединением двух соответствующих линейных зажимов данной обмотки. Затем при однофазном возбуждении определяют коэффициент трансформации оставшейся свободной пары фаз, который при данном методе должен быть равным 2 Kф для системы Д/У при питании со стороны звезды (рис. 2) или Kф/2 для схемы У/Д при питании со стороны треугольника, где Kф – фазный коэффициент трансформации (рис. 3).

Рис. 2. Определение коэффициентов трансформации трансформатора, соединенного по схеме Д/У, при несимметричном трехфазном напряжении: а – первое; б – второе и в – третье измерения

Аналогичным образом производят измерения при накоротко замкнутых фазах В и С. При испытании трехобмоточных трансформаторов коэффициент трансформации достаточно проверить для двух пар обмоток (см. рис. 1,б).

Если у трансформатора выведена нейтраль и доступны все начала и концы обмоток, то определение коэффициента трансформации можно производить для фазных напряжений. Проверку коэффициента трансформации по фазным напряжениям производят при однофазном или трехфазном возбуждении трансформатора.

Для трансформаторов с РПН разница коэффициента трансформации не должна превышать значения ступени регулирования. Коэффициент трансформации при приемосдаточных испытаниях определяется дважды – первый раз до монтажа, если паспортные данные отсутствуют или вызывают сомнения, и второй раз непосредственно перед вводом в эксплуатацию при снятии характеристики холостого хода.

Рис. 3. Определение коэффициентов трансформации трансформатора, соединенного по схеме У/Д, при несимметричном трехфазном напряжении: а – первое; б – второе и в – третье измерения

Рис. 4. Принципиальная схема универсального прибора типа УИКТ-3

Для ускорения измерения коэффициента трансформации применяется универсальный прибор типа УИКТ-3, которым можно измерить коэффициенты трансформации силовых и измерительных трансформаторов тока и напряжения без применения постороннего источника переменного тока. Одновременно с измерением коэффициента трансформации определяется полярность первичной и вторичной обмоток. Погрешность в измерении не должна превышать 0,5 % измеряемой величины.

Принцип работы прибора основан на сравнении напряжений, индуктируемых во вторичной и первичной обмотках трансформатора, с падением напряжения на известных сопротивлениях (рис. 4). Сравнение производится по мостовой схеме.

Режимы работы трансформатора. Часть 2

Всем доброго времени суток! В первой части статье о режимах работы трансформатора я рассказал о холостом ходе и расчете параметров в этом режиме. Кроме данного режима трансформатор может оказаться в аварийном режиме – режиме короткого замыкания. Кроме того одним из этапов испытания и проверки параметров трансформатора является опыт короткого замыкания, при котором на первичную обмотку подают такое напряжение, при котором в замкнутой вторичной обмотке протекает номинальный ток. Данный опыт и опыт короткого замыкания позволяют определить КПД трансформатора. Об этом пойдет речь в данной статье.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Режим короткого замыкания

В процессе работы трансформатора иногда возникают ситуации, когда его вторичная обмотка оказывается замкнутой. В этом случае в ней возникает ток, превышающий номинальный в десятки раз. В этом случае говорят о работе трансформатора в режиме короткого замыкания. Данный режим является аварийным и недопустимым, так как вследствие перегрева обмоток трансформатора происходит их разрушение. Таки образом, режим короткого замыкания характеризуется следующими параметрами напряжения и тока

Для испытания трансформатора и определения некоторых его параметров проводят опыт короткого замыкания, при котором вторичную обмотку замыкают, а на первичную обмотку подают такое напряжение, что во вторичной обмотке устанавливается номинальный ток. В таком случае напряжение на первичной обмотке называется нормальным напряжением короткого замыкания. Величину данного напряжения в параметрах трансформатора обычно выражают в процентах от номинального напряжения первичной обмотки

где UКЗ – нормальное напряжение короткого замыкания,

UH – номинальное напряжение на первичной обмотки.

«Нормальное» короткое замыкание

В виду того, что нормальное напряжение короткого замыкания UКЗ составляет несколько процентов (обычно 1-3%), то и противодействующая ей ЭДС самоиндукции Е1 в первичной обмотке так же имеет незначительное значение. Соответственно и электромагнитная индукции и потери в сердечнике будут незначительными, то есть в практических расчётах их можно не учитывать. Ниже приведена эквивалентная схема замещения трансформатора в режиме «нормального» короткого замыкания


Эквивалентная схема замещения трансформатора в режиме «нормального» короткого замыкания.

Так как мощность, подводимая к трансформатору, тратится в основном на преодоление сопротивления провода обмоток, то параметры магнитного контура трансформатора можно не учитывать. Тогда параметры трансформатора можно описать следующими выражениями

где РКЗ – мощность при коротком замыкании,

IКЗ – ток короткого замыкания,

RК – суммарное сопротивление первичной и вторичной обмоток.

Так как в данном режиме по обмоткам протекают номинальные токи, то и температура обмоток также будет соответствовать рабочей, поэтому для определения реальной величины сопротивления обмоток необходимо сопротивление короткого замыкания полученное опытным путем пересчитать с учетом температурного коэффициента сопротивления и условной температуры 75 °С.

Опыт короткого замыкания

Как я уже говорил в предыдущей статье, изготовленный трансформатор подвергают двум основным испытаниям: опыту холостого хода и опыту короткого замыкания. Первое испытание я рассмотрел в предыдущей статье, а для второго собирают схему изображенную ниже


Схема опыта короткого замыкания.

Как видно на схеме в цепь первичной обмотки трансформатора включены вольтметр PV1, амперметр РА1 и ваттметр PW1, а вторичная обмотка замкнута накоротко. Для снятия характеристик трансформатора в этом режиме на первичную обмотку трансформатора подают такое напряжение UКЗ, при котором ток IКЗ в обмотке соответствовал номинальному току. После того как трансформатор прогреется в течении нескольких минут снимают показания с приборов.

Для построения графической характеристики короткого замыкания снимают параметры при изменении напряжения на первичной обмотке от 30 до 110 % UКЗ.

При проведении опыта короткого замыкания определяют следующие параметры трансформатора:

— процентное отношение напряжения короткого замыкания UКЗ%

где UКЗ – «нормальное» напряжение короткого замыкания,

UН – номинальное напряжение первичной обмотки.

— активное сопротивление обмоток трансформатора RК

где РКЗ – мощность, снимаемая с ваттметра PW1,

IКЗ – ток короткого замыкания, снимаемая с амперметра РА1.

— полное сопротивление обмоток трансформатора ZK

где UКЗ – «нормальное» напряжение короткого замыкания, снимаемое с вольтметра PV1.

— реактивное сопротивление обмоток трансформатора ХК

— коэффициент мощности короткого замыкания cos φКЗ

Мощность, подводимая к трансформатору при проведении опыта короткого замыкания для силовых трансформаторов, составляет 1 – 4 % от номинальной мощности трансформатора. При этом, чем больше номинальная мощность трансформатора, тем меньше мощность при проведении опыта короткого замыкания, то есть меньше потери в обмотках.

Коэффициент полезного действия трансформатора

Одной из основных характеристик любого преобразовательного устройства и трансформатора, в частности, является коэффициент полезного действия или сокращенно КПД.

Коэффициентом полезного действия трансформатора (КПД) η называется отношение активной мощности отдаваемой трансформатором Р2 к активной мощности подаваемой на трансформатор Р1

КПД трансформатора можно определить несколькими способами: прямым измерением мощностей и косвенным.

Прямой метод вычисления КПД заключается в измерении отдаваемой Р2 и поступаемой Р1 мощностей при полной нагрузке трансформатора и взятии их отношения. Однако такой метод не нашёл применения из-за неэкономичности, так как необходимо использовать большое количество энергии при испытаниях трансформаторов.

На практике чаще используют косвенный метод, заключающийся в определении потерь в сердечнике РС из опыта холостого хода, а потерь в обмотке (потерь в меди) РМ из опыта короткого замыкания. Тогда подводимая к трансформатору мощность составит

Соответственно КПД определяют по следующему выражению

Так как отдаваемая мощность Р2 трансформатора имеет как активную так и реактивную составляющую, соотношение между которыми определяется коэффициентом мощности cos φ, то КПД трансформатора составит

где U2 – номинальное напряжение вторичной обмотки, определяемое из опыта холостого хода,

I2 – номинальный ток вторичной обмотки, определяемое из опыта короткого замыкания,

РС – потери мощности в сердечнике трансформатора,

РМ – потери мощности в обмотках трансформатора.

Стоит отметить, что потери мощности в опыте холостого хода и опыте короткого замыкания желательно измерять у предварительно прогретого трансформатора или пересчитывать токи и напряжения с учётом нормальной температуры работы Т = 75 °С.

Со следующей статьи я буду рассказывать, как рассчитывать различные типы трансформаторов, которые чаще всего используют.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Как повлияет на величину тока холостого хода уменьшение числа витков первичной обмотки однофазного трансформатора?

а) Сила тока увеличится б) Сила тока уменьшится

в) Сила тока не изменится г) Произойдет короткое замыкание

10. Определить коэффициент трансформации измерительного трансформатора тока, если его номинальные параметры составляют 1 = 100 А ; 1 = 5 А?

а) k = 20 б) k = 5

в) k = 0,05 г) Для решения недостаточно данных

11. В каком режиме работают измерительные трансформаторы тока (Т Т) и трансформаторы напряжения (ТН). Указать неправильный ответ:

а) Т Т в режиме короткого замыкания б) ТН в режиме холостого хода

в) Т Т в режиме холостого хода г) ТН в режиме короткого замыкания

К чему приводит обрыв вторичной цепи трансформатора тока?

а) К короткому замыканию б) к режиму холостого хода

в) К повышению напряжения г) К поломке трансформатора

В каких режимах может работать силовой трансформатор?

а) В режиме холостого хода б) В нагрузочном режиме

в) В режиме короткого замыкания г) Во всех перечисленных режимах

Какие трансформаторы позволяют плавно изменять напряжение на выходных зажимах?

а) Силовые трансформаторы б) Измерительные трансформаторы

в) Автотрансформаторы г) Сварочные трансформаторы

Какой режим работы трансформатора позволяет определить коэффициент трансформации?

а) Режим нагрузки б) Режим холостого хода

в) Режим короткого замыкания г) Ни один из перечисленных

Первичная обмотка трансформатора содержит 600 витков, а коэффициент трансформации равен 20. Сколько витков во вторичной обмотке?

а) Силовые трансформаторы б) Измерительные трансформаторы

в) Автотрансформаторы г) Сварочные трансформаторы

Чем принципиально отличается автотрансформаторы от трансформатора?

а) Малым коэффициентом трансформации

б) Возможностью изменения коэффициента трансформации

в) Электрическим соединением первичной и вторичной цепей

г) Мощностью

Какие устройства нельзя подключать к измерительному трансформатору напряжения?

а) вольтметр б) амперметр

в) обмотку напряжения ваттметра г) омметр

 

Раздел 8 «Асинхронные машины»

Частота вращения магнитного поля асинхронного двигателя 1000 об/мин. Частота вращения ротора 950 об/мин. Определить скольжение.

а) 50 б) 0,5

в) 5 г) 0,05

Какой из способов регулирования частоты вращения ротора асинхронного двигателя самый экономичный?

а) Частотное регулирование б) Регулирование измерением числа пар полюсов

в) Реостатное регулирование г) Ни один из выше перечисленных

С какой целью при пуске в цепь обмотки фазного ротора асинхронного двигателя вводят дополнительное сопротивление?

а) Для получения максимального начального пускового момента.

б) Для получения минимального начального пускового момента.

в) Для уменьшения механических потерь и износа колец и щеток г) Для увеличения КПД двигателя

Определите частоту вращения магнитного поля статора асинхронного короткозамкнутого двигателя, если число пар полюсов равна 1, а частота тока 50 Гц.

а) 3000 об/мин б) 1000 об/мин

в) 1500 об/мин г) 500 об/мин

Как изменить направление вращения магнитного поля статора асинхронного трехфазного двигателя?

а) Достаточно изменить порядок чередования всех трёх фаз б) Достаточно изменить порядок чередования двух фаз из трёх

в) Достаточно изменить порядок чередования одной фазы г) Это сделать не возможно

Какую максимальную частоту вращения имеет вращающееся магнитное поле асинхронного двигателя при частоте переменного тока 50 Гц?

а) 1000 об/мин б) 5000 об/мин

в) 3000 об/мин г) 100 об/мин

7.Перегрузочная способность асинхронного двигателя определяется так:

а) Отношение пускового момента к номинальному

б) Отношение максимального момента к номинальному

в) Отношение пускового тока к номинальному току

г) Отношение номинального тока к пусковому

8.Чему равна механическая мощность в асинхронном двигателе при неподвижном роторе? (S=1)

а) P=0 б) P>0

в) P<0 г) Мощность на валу двигателя

Почему магнитопровод статора асинхронного двигателя набирают из изолированных листов электротехнической стали?

а) Для уменьшения потерь на перемагничивание

б) Для уменьшения потерь на вихревые токи

в) Для увеличения сопротивления

г) Из конструкционных соображений

При регулировании частоты вращения магнитного поля асинхронного двигателя были получены следующие величины: 1500; 1000; 750 об/мин. Каким способом осуществлялось регулирование частоты вращения?

а) Частотное регулирование. б) Полюсное регулирование.

в) Реостатное регулирование г) Ни одним из выше перечисленного

Что является вращающейся частью в асинхронном двигателе?

а) Статор б) Ротор

в) Якорь г) Станина

Ротор четырехполюсного асинхронного двигателя, подключенный к сети трехфазного тока с частотой 50 Гц, вращается с частотой 1440 об/мин. Чему равно скольжение?

а) 0,56 б) 0,44

в) 1,3 г) 0,96

Коэффициент полезного действия трансформатора

Подробности
Категория: Теория

Коэффициент полезного действия определяется отношением мощности , отдаваемой трансформатором в нагрузку, к мощности , потребляемой из сети:
.
Коэффициент полезного действия характеризует эффективность преобразования напряжения в трансформаторе. При практических расчетах h вычисляют по формуле
,                                              (20)
где  — полные потери в трансформаторе.
Формула (20) менее чувствительна к погрешностям в определении  и  и поэтому позволяет получить более точное значение h. Полезная мощность вычисляется по формуле
,                                   (21)
где  — коэффициент нагрузки трансформатора.
Электрические потери в обмотках определяются из опыта короткого замыкания
,                                                           (22)
где  — потери короткого замыкания при номинальном токе.
Потери в стали  определяются из опыта холостого хода
.                                                             (23)
Они принимаются постоянными для всех рабочих режимов работы трансформатора, так как при  ЭДС  в рабочих режимах меняется незначительно.
Подставляя соотношения (21)-(23) в формулу (20), получим
.                                                    (24)


Анализ этого выражения показывает, что h имеет максимальное значение при нагрузке, когда потери в обмотках равны потерям в стали,
.
Отсюда получаем оптимальное значение коэффициента нагрузки
.
В современных силовых трансформаторах отношение потерь , поэтому максимум h имеет место при  (рис.21).
Из кривой  видно, что трансформатор имеет практически постоянный коэффициент полезного действия в широком диапазоне изменения нагрузки от 0,5 до 1,0. При малых нагрузках h трансформатора резкого снижается.

25. Режимы работы и кпд трансформатора. Опыты холостого хода и короткого замыкания. Внешняя характеристика трансформатора. Режимы работы трансформатора

Для характеристики степени загруженности трансформатора по отношению к его номинальной (расчетной, паспортной) мощности, вводится коэффициент загрузки β.

, где P2 – рабочая (нагрузочная) мощность трансформатора.

В зависимости от величины коэффициента загрузки различают:

1) β = 1 => P2 = P2 ном – номинальный режим.

Это основной (расчетный) режим работы трансформатора с номинальными параметрами (U ном , I ном , P ном), при котором трансформатор или другое электротехническое устройство может работать с высокими технико-экономическими показателями (КПД, cos φ) в допустимом тепловом режиме (без перегрева) в течение длительного времени, что обеспечивает длительный срок службы электрооборудования порядка 10 -15 и более лет.

2) β = 0 => Р2 = 0.

Режим холостого хода (или подключение к нагрузке с очень большим сопротивлением). I 20 = 0, обмотка разомкнута, Z н = ∞.

Передачи ЭЭ в этом случае не происходит. Режим совершенно бесполезный, т.к. ТР потребляет реактивную мощность и коэффициент мощности cos φ потребителя снижается.

3) β < 1. Р2 < Р 2 ном – режим недогрузки. Не рекомендуется, т.к. снижаются технико-экономические показатели, КПД и cos φ.

4) β > 1. Р2 > Р 2 ном – режим перегрузки. Категорически не допускается, т.к. приводит к резкому перегреву электротехнического устройства и резкому сокращению срока службы. Снижаются технико-экономические показатели.

5) Аварийный режим — режим короткого замыкания.

U1 = U1 ном; Z н = 0 — т.е. обмотка W2 замкнута «сама на себя». При этом токи в обмотке сильно возрастают, примерно в 10-15 раз, отсюда резкий перегрев обмотки и даже механические разрушения трансформатора.

Кпд трансформатора. Потери мощности и кпд трансформатора

При работе трансформатора происходит передача ЭЭ из обмотки W1 в W2 , при этом часть подведенной к трансформатору энергии теряется в виде тепловых потерь в стали (сердечнике) и в меди, т.е. в обмотках.

W1   ФМС W2

P1 ~> ~ Ф 0 ~> P2

 ΔP + ΔPс + ΔP = ΔPтр

Потери в трансформаторе в номинальном режиме очень малы, ΔPтр ~ 1-3%, т.е. ηном = (97-99)%. Обычно трансформатор работает большую часть времени в режиме недогрузки, т.е. β = P2 / P2ном ≈ 0,5-0,7. Такой режим эксплуатации выбирается для того, чтобы при неожиданном подключении мощного потребителя трансформатор не оказался в режиме сильной перегрузки, что может привести к отключению трансформатора и возникновению аварийного режима в питающей сети. Поэтому проектирование и расчет трансформаторов выполняют таким образом, чтобы η макс приходилось на режим β = 0,5-0,7.

а) Прямой метод определения КПД

— по показаниям измерительных приборов.

P2 – мощность нагрузки, подключённой к трансформатору;

P1 – мощность, подведенная к трансформатору;

б) Косвенный метод определения КПД

Данный метод позволяет определить КПД трансформатора по данным опытов холостого хода и короткого замыкания с учетом коэффициента загрузки β.

Из паспорта трансформатора находят полную мощность Sном ~> P2 = βP2ном = β Sном cos φнагр.

ΔPст = Р10 = const; — постоянны для всех режимов и определяются из опыта хх.

— из опыта короткого замыкания.

Отсюда получаем для любого режима:

Подставляя конкретное значение β, по данной формуле можно рассчитать получаемое при перегрузке η тр.

Как проводится опыт холостого хода и что из него определяется?

Режим работы трансформатора, где не происходит передачи электрической энергии, называется холостым ходом трансформатора. В этом режиме к первичной обмотке подведено переменное номинальное напряжение U1ном, а вторичная обмотка разомкнута, т.е. нагрузка к вторичной обмотке трансформатора не подключена, и ток в ней равен нулю I20 = 0. Поскольку передачи электрической энергии в этом случае не происходит, то ток в первичной обмотке — ток холостого хода трансформатора I 10 оказывается небольшим, он составляет где-то 3-5-10% от номинального: I10 = (3 — 5 — 10 %) I1ном. Трансформатор в режиме холостого хода можно рассматривать как катушку с ферромагнитным сердечником, включенную в цепь переменного тока.

Ток холостого хода является важной характеристикой трансформатора, по его величине можно судить о потреблении трансформатором реактивной энергии на намагничивание.

Также в режиме холостого хода определяют коэффициент трансформации: K=E1E2=W1W2. Во вторичной обмотке Е20 = U20, а в первичной обмотке падение напряжения мало и можно принять Е1 = U1ном.

Тогда коэффициент трансформации можно определять как отношение напряжений в опыте холостого хода : K=U1номU20 .

Мощность Р, потребляемая трансформатором в опыте холостого хода, расходуется на нагрев первичной обмотки — потери в меди первичной обмотки ∆Р и на нагрев сердечника — потери в стали ∆Р с.

Джоулевы потери в меди вторичной обмотки отсутствуют, т.к. I20≈ 0 , а в первичной обмотке ∆Р = I102∙R они очень малы по сравнению с номинальными, т. к I 10 = (3 — 5 — 10 %) I 1 ном. Поэтому мощность Р , потребляемая трансформатором в опыте холостого хода, расходуется лишь на нагрев сердечника — на потери в стали .

Потери в ферромагнитном сердечнике ∆Р с ~ Φ². ИЗ формулы E1 = 4,44 f W1 Ф мax следует, что рабочий магнитный поток трансформатора Φ прямо пропорционально связан с величиной первичной ЭДС : Φ ~ Е1 . Т.к. падение напряжения в первичной обмотке трансформатора очень мало — не более 3 — 5 % , поэтому можно принять, что ЭДС первичной обмотки практически равна приложенному напряжению Е1 = U1 . Значит, можно считать, что для всех режимов рабочий магнитный поток трансформатора пропорционален приложенному напряжению Φ ~ U1.

Т.к. ∆Р с ~ Φ², значит ∆Рс ~ U1².

Т.к. в опыте холостого хода приложенное к первичной обмотке напряжение является номинальным U1 = U1ном, то потери мощности в сердечнике трансформатора в опыте холостого равны номинальным потерям мощности в сердечнике — следовательно, потребляемая трансформатором мощность в опыте холостого хода равна номинальным потерям в сердечнике трансформатора Р = ∆Рсном.

Как проводится опыт короткого замыкания и что определяется из этого опыта?

Режимом короткого замыкания называется режим, возникающий при соединении между собой без какого-либо сопротивления зажимов источника или иных элементов электрической цепи, между которыми имеется напряжение.

Режим короткого замыкания трансформатора — это нерегламентированный режим, который возникает в аварийных ситуациях, когда при работе трансформатора под номинальным напряжением U1 = U1 ном сопротивление нагрузки становится равным нулю Z н = 0 — т.е. вторичная обмотка W2 замкнута накоротко — «сама на себя».

В опыте короткого замыкания при помощи ручки автотрансформатора плавно повышают входное напряжение, пока ток в первичной обмотке не достигнет номинального значения. Напряжение, при котором в опыте короткого замыкания устанавливаются номинальные токи, называется напряжением короткого замыкания трансформатора U кз и обычно составляет несколько процентов от номинального: Uкз=(5-7 %)U1ном.

По данным опыта короткого замыкания можно определить напряжение короткого замыкания трансформатора U кз, его всегда указывают на щитке трансформатора, и оно является одним из паспортных параметров. Напряжение КЗ определяет нормальную работу трансформаторов при их параллельном включении на общую нагрузку, т.к. определяет величину падения напряжения в трансформаторе при нагрузке в номинальном режиме ΔU ном = Uкз. В опыте короткого замыкания напряжение на выходе трансформатора равно нулю U2=0, поэтому приложенное в этом опыте к первичной обмотке напряжение Uкз уравновешивается падением напряжения в трансформаторе U кз = ΔU . Поскольку в опыте короткого замыкания в обмотках трансформатора протекают номинальные токи I1ном и I2ном, то и падение напряжения в трансформаторе в этом опыте также соответствует номинальному U кз = ΔU ном. Падение напряжения в трансформаторе при нагрузке в номинальном режиме, определяемое из опыта короткого замыкания, сравнительно невелико и составляет 5 — 7 % .

Также из опыта КЗ можно определить номинальные потери в меди — ∆Р м ном. Потери в стали трансформатора ∆Рс пропорциональны квадрату приложенного к первичной обмотке напряжения ∆Рс ~ U1² , ими в опыте короткого замыкания можно пренебречь, т.к. в этом опыте напряжение на первичной обмотке очень мало по сравнению с номинальным Uкз = ( 5 — 7 % ) U1ном . Следовательно, мощность, потребляемая трансформатором в опыте короткого замыкания, расходуется лишь на тепловые потери в обмотках — потери в меди Р кз = ∆Р м. Т.к. токи в обмотках трансформатора в опыте короткого замыкания являются номинальными, то потери в меди в этом опыте так же являются номинальными Р кз = ∆Р м ном

Лабораторная работа №10

Лабораторная работа №10.

ИЗУЧЕНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА.

Трансформатором называется электромагнитное устройство (аппарат), предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения (при неизменной частоте). Трансформатор состоит из магнитопровода, набранного из листовой трансформаторной стали, и изолированных обмоток, охватываемых общим магнитным потоком ().

Трансформаторы бывают однообмоточные (автотрансформаторы) и многообмоточные. Обмотка трансформатора, соединенная с источником питания, называется первичной; обмотка, к которой подключен приемник -вторичной. Все величины, относящиеся к первичной обмотке, называются первичными, а ко второй — вторичными и соответственно снабжаются индексами 1 и 2. Если первичное напряжение трансформатора меньше вторичного , то он работает в режиме повышающего трансформатора; если > — в режиме понижающего трансформатора. В соответствии с видом преобразуемого тока различают одно — и трех — фазные трансформаторы.

Трансформатор, при подключении его к источнику питания, будет потреблять какую — то активную мощность:

Часть ее затрачивается на нагревание проводников первичной обмотки, на гистерезис и вихревые токи в стали. Во вторичную обмотку передается мощность:

часть которой будет теряться на нагревание проводов вторичной обмотки . Таким образом к потребителю будет передаваться мощность:

При номинальном режиме работы мощность потерь в трансформаторе () составляет в среднем 1 — 2 % номинальной мощности в первичной обмотке. Соответственно коэффициент полезного действия трансформатора имеет значение 98 — 99% и больше.

Различают несколько режимов работы трансформатора, имеющего номинальную мощность:

1. Номинальный режим, т.е. режим при номинальных значениях напряжения и тока первичной обмотки трансформатора;

2. Рабочий режим, при котором напряжение первичной обмотки близко к номинальному значению или равно ему , а ток определяется нагрузкой трансформатора;

3. Режим холостого хода, т.е. режим ненагруженного трансформатора, при котором цепь вторичной обмотки разомкнута ().

4. Режим короткого замыкания трансформатора, при котором вторичная обмотка коротко замкнута ().

Режим холостого хода и короткого замыкания позволяют определить коэффициент трансформации , мощность потерь в магнитопроводе , мощность потерь в проводах и т.д.

Режим холостого хода трансформатора.

Опыт холостого хода производится при разомкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном первичном напряжении . Схема подключения приборов показана на рисунке 1.

При номинальном первичном напряжении ток холостого хода составляет 3 — 10% номинального первичного тока , и следовательно можно положить:

Отсюда можно определить коэффициент трансформации , предварительно измерив и по формуле:

(1)

где — ЭДС, наводимые магнитным потоком () в первичной и во вторичной обмотках трансформатора.

Мощность потерь в трансформаторе при холостом ходе складывается из мощности потерь в магнитопроводе (гистерезис, вихревые токи) и мощности потерь в проводах первичной обмотки (). Т.к. ток , то мощность потерь в проводах ничтожна по сравнению с мощностью с мощностью потерь в магнитопроводе. Поэтому показания ваттметра, можно считать соответствующими потерям мощности в магнитопроводе .

Режим короткого замыкания трансформатора.

Опыт короткого замыкания проводится при коротко замкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном первичном токе . Схема подключения приборов показана на рисунке 2.

Напряжение первичной обмотки в опыте короткого замыкания равно примерно 5 — 10% номинального . Известно, что мощность потерь в магнитопроводе пропорциональна , т.к. мало, то и также мало по сравнению с мощностью потерь в проводах первичной и вторичной обмоток. Следовательно, можно считать, что при опыте короткого замыкания вся мощность трансформатора равна мощности потерь в проводах первичной и вторичной обмоток:

(2)

— приведенный ток, т.е. ток вторичной цепи приведен к первичной цепи, -ток холостого хода; — сопротивление проводов первичной и вторичной обмоток, — приведенное сопротивление, т.е. сопротивление вторичной цепи, приведенное к первичной. Т.к. ток значительно меньше ,то им в выражении (2) можно пренебречь, тогда для мощности , получаем:

(3)

Где — активное сопротивление короткого замыкания.

Из данного опыта можно рассчитать и индуктивное сопротивление короткого замыкания ():

(4)

Опыт короткого замыкания может служить также контрольным опытом для определения коэффициента трансформации. Учитывая, что ток холостого хода при коротком замыкании ничтожно мал и используя соотношение получаем:

(5)

Следует отметить, что мощность потерь в проводах обмоток трансформатора зависит от нагрузки и может быть определена по формуле

Где — приведенный номинальный ток; — мощность потерь в проводах обмоток при номинальных токах.

— коэффициент нагрузки трансформатора.

Задания.

1. Собрать электрическую схему для опыта холостого хода (рис. 1).

а. Определить коэффициент трансформации:

б. Определить мощность потерь в магнитопроводе ;

в. Используя дополнительную обмотку () определить число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора ():

2. Данные занести в таблицу


3. Собрать электрическую схему для опыта короткого замыкания (рис. 2.)

а. Определить мощности потерь в проводах обмоток;

б. Рассчитать активное сопротивление короткого замыкания;

в. Рассчитать индуктивное сопротивление короткого замыкания;

г. Рассчитать полное сопротивление короткого замыкания;

д. Определить коэффициент трансформации;

е. Данные занести в таблицу.


; ; .

4. Рассчитать коэффициент полезного действия для номинального режима

работы:

; ;

Краткое описание исследуемого трансформатора.

Трансформатор является однофазным трансформатором броневого типа, собранным из пластин Ш = 40 мм. Имеет сетевую обмотку, рассчитанную на 110, 127, 220 В и три вторичные обмотки. Обмотка, выведенная клеммам 7-8, повышающая II, остальные две — понижающие (II, II). Схема расположения обмоток показана на рис. 3. Данный трансформатор является силовым. Трансформатор имеет дополнительную обмотку выводами II — I3 для исследования. Трансформатор рассчитан на мощность 330 Вт.

Вопросы для зачета данной работы:


  1. Устройство и принцип действия работы однофазного трансформатора.

  2. Коэффициент трансформации. Режим холостого и рабочего ходов.

  3. КПД трансформатора.

Контрольные вопросы:

1. Начертить и объяснить векторную диаграмму холостого хода трансформатора.

2. Начертить и объяснить векторную диаграмму нагруженного трансформатора.

3. Начертить эквивалентную схему трансформатора без нагрузки.

4. Начертить эквивалентную схему трансформатора с нагрузкой.

5. Записать уравнение идеализированного однофазного трансформатора.

6. Записать уравнение реального однофазного трансформатора.

3.3-06. Трансформатор. — Лабораторная экспериментальная площадка для школьников

Данная работа позволяет подробно изучить работу электротрансформатора. Вам предстоит собрать схему и исследовать работу трансформатора в трех основных режимах: режим холостого хода, режим короткого замыкания и режим работы под нагрузкой, варьируя входное напряжение, число витков в катушках и тип сердечника и сравнивая полученный результат с теоретическим расчетом.  

Теоретический минимум: трансформатор, первичная и вторичная обмотка, сердечник, коэффициент трансформации, повышающий трансформатор, понижающий трансформатор, ток, напряжение, сопротивление, мощность, переменное напряжение, индуктивность, магнитное поле, магнитный поток, закон электромагнитной индукции, закон Фарадея, токи Фуко, электрическая схема, режим холостого хода, режим короткого замыкания, рабочий режим трансформатора.

Лабораторная работа рекомендуется для учащихся 9 классов.

 


Краткое методическое описание.

Порядок выполнения лабораторной работы:
Задание 0. Демонстрационное.

Посмотреть изменение тока в катушке при движении магнита внутри неё.

Задание 1А.
  1. Собрать схему для режима «Холостой ход», для трансформатора использовать слоистый (синий) сердечник, количество витков на первичной и вторичной обмотках равно 140 и не меняется.
  2. Провести серию измерений напряжения во вторичной цепи в зависимости от напряжения в первичной цепи, изменяя напряжение на источнике с 2 до 15 В. Заполнить таблицу 1.
     
    U, В U1, В I1, А U2, В KU, 1
  3. Вычислить коэффициент трансформации по формуле KU=U1/U2 и добавить результаты в таблицу 1.
  4. Сравнить полученные результаты с KN=N1/N2.
  5. Разъединить сердечник на две части и убрать верхнюю часть (сердечник разомкнутый), количество витков на первичной и вторичной обмотках остаётся неизменным и равно 140.
  6. В первичную цепь добавить реостат, как в схеме для режима «Короткое замыкание (см. задание 2А, п.1), установив максимальное сопротивление 10 Ом.
  7. Повторить пункты 2-4.
  8. В трансформаторе поменять слоистый (синий) сердечник на сплошной (серый), количество витков на первичной и вторичной обмотках остаётся неизменным и равно 140, в первичной цепи реостат с сопротивлением 10 Ом.
  9. Повторить пункты 2-4.
  10. Построить график зависимости U2(U1).
  11. Сравнить полученные результаты для сплошного, слоистого и разомкнутого сердечника. Объяснить, почему результаты различаются между собой.
  12. Дополнительно можно провести серию измерений для сердечника, две части которого разделены одним или несколькими слоями бумаги. Сравнить результаты с предыдущими.

Далее все задания выполняются со слоистым (синим) сердечником.

Задание 1Б.
  1. Собрать схему для режима «Холостой ход» (см. задание 1А, п.1), напряжение на источнике питания 2В, количество витков в первичной обмотке равно 140.
  2. Провести серию измерений напряжения во вторичной цепи в зависимости от количества витков во вторичной обмотке (от 14 до 140). Заполнить таблицу 2.
    Таблица 2. Экспериментальные данные.
    N2, 1 U1, В I1, А U2, В KN, 1 KU, 1
  3. Вычислить коэффициенты трансформации по формулам KN=N1/N2 и KU=U1/U2 и добавить результаты в таблицу.
  4. Снова установить количество витков во вторичной обмотке равным 140.
  5. Провести серию измерений напряжения во вторичной цепи в зависимости от количества витков во первичной обмотке (от 14 до 140). Заполнить таблицу 2, где вместо N2 записывать N1.
  6. Вычислить коэффициенты трансформации по формулам KN=N1/N2 и KU=U1/Uи добавить результаты в таблицу.
  7. Построить графики зависимости K(N2) и K(N1), соответственно.
  8. Проанализировать и сравнить полученные результаты.
Задание 2А.
  1. Собрать схему для режима «Короткое замыкание», количество витков на первичной и вторичной обмотках равно 140 и не меняется.
  2. Провести серию измерений тока во вторичной цепи от тока в первичной цепи, регулируя ток в цепи с помощью реостата (I2 от 0.2 до 0.9 А с шагом 0.5 А). Заполнить таблицу 3.
    Таблица 3. Экспериментальные данные.
    U, В U1, В I1, А U2, В I2, А KI, 1
  3.  Вычислить коэффициент трансформации по формуле KI=I2/Iи добавить результаты в таблицу.
  4. Построить график зависимости I2(I1).
  5. Проанализировать и сравнить полученные результаты.
Задание 2Б.
  1. Электрическая схема такая же, как в предыдущем задании, напряжение на источнике питания 2В, количество витков в первичной обмотке равно 140.
  2. Провести серию измерений тока во вторичной цепи в зависимости от количества витков во вторичной обмотке, регулируя ток в первичной цепи с помощью реостата так, чтобы он был равен 1 А. Заполнить таблицу 4.
    Таблица 4. Экспериментальные данные.
    N2, 1 U1, В I1, А U2, В I2, А KN, 1 KU, 1
  3. Вычислить коэффициенты трансформации по формулам KN=N1/N2 и KI=I2/I1 и добавить результаты в таблицу.
  4. Снова установить количество витков во вторичной обмотке равным 140.
  5. Провести серию измерений тока во вторичной цепи в зависимости от количества витков в первичной обмотке, регулируя ток в первичной цепи с помощью реостата так, чтобы он был равен 1 А. Заполнить таблицу 4, где вместо N2 записывать N1.
  6. Вычислить коэффициенты трансформации по формулам KN=N1/N2 и KI=I2/I1  и добавить результаты в таблицу.
  7. Дополнить графики K(N2) и K(N1) из задания 1Б.
  8. Проанализировать и сравнить полученные результаты.
Задание 3А.
  1. Собрать схему для режима «Рабочий режим», количество витков на первичной и вторичной обмотках равно 140 и остаётся неизменным.
  2. Провести серию измерений зависимости тока во вторичной цепи от тока в первичной цепи, изменяя токи с помощью реостата. Внести данные в таблицу 5.
    Таблица 5. Экспериментальные данные.
    U1, В I1, А U2, В I2, А KU, 1 KI, 1
  3. Вычислить коэффициенты трансформации по формулам KU=U1/U2 и KI=I2/I1 и добавить результаты в таблицу.
  4. Построить график зависимости I2(I1).
  5. Проанализировать и сравнить полученные результаты.
Задание 3Б.
  1. Продолжить работу со схемой «Рабочий режим», напряжение на источнике 2В, количество витков в первичной обмотке равно 140, сопротивление реостата максимальное (10 Ом).
  2. Провести серию измерений напряжения и тока в первичной и вторичной цепях в зависимости от количества витков во вторичной обмотке. Заполнить таблицу 6.
    Таблица 6. Экспериментальные данные.
    N2, 1 U1, В I1, А U2, В I2, А KN, 1 KU, 1 KI, 1
  3. Снова установить количество витков во вторичной обмотке равным 140.
  4. Провести серию измерений напряжения и тока в первичной и вторичной цепях в зависимости от количества витков в первичной обмотке. Заполнить таблицу 6, где вместо N2 записывать N1.
  5. Построить графики зависимости K(N2) и K(N1), соответственно.
  6. Проанализировать и сравнить полученные результаты.

Метки: 9 класс, Online

ТРАНСФОРМАТОРЫ — прикладное промышленное электричество

Что такое повышающие и понижающие трансформаторы

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

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

Это понижающий трансформатор, о чем свидетельствует большое число витков первичной обмотки и низкое число 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-верса.

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

Таблички конструкции трансформатора

Трансформаторы

часто конструируются таким образом, что не очевидно, какие провода ведут к первичной обмотке, а какие — к вторичной. В электроэнергетике, чтобы избежать путаницы, в электроэнергетике используется обозначение «H» для обмотки более высокого напряжения (первичная обмотка в понижающем блоке; вторичная обмотка в повышающем) и «X». обозначения низковольтной обмотки. Следовательно, у простого силового трансформатора будут провода с маркировкой «H 1 », «H 2 », «X 1 » и «X 2 ».Обычно это 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 вспомнить, что мощность равна напряжению, умноженному на ток, и понять, что трансформаторы не могут производить мощность , а только преобразовывают ее. .Любое устройство, которое могло бы выдавать больше энергии, чем потребляло, нарушило бы закон сохранения энергии в физике, а именно, что энергия не может быть создана или уничтожена, а только преобразована. Как и в случае с первым рассмотренным нами примером трансформатора, эффективность передачи энергии от первичной к вторичной стороне устройства очень хорошая.

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

Рисунок 8.2 Мотор-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 электродвигатели / генераторные установки не обязательно были заменены трансформаторами для всех приложений .Хотя трансформаторы явно превосходят мотор-генераторные установки для преобразования переменного напряжения и уровня тока, они не могут преобразовывать одну частоту переменного тока в другую или (сами по себе) преобразовывать постоянный ток в переменный или наоборот. Электродвигатели / генераторные установки могут выполнять все эти задачи с относительной простотой, хотя и с уже описанными ограничениями эффективности и механических факторов.

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

Где,

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

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

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

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

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

Итак, должно быть очевидно, что наши две катушки индуктивности должны иметь отношение витков катушки 10: 1, поскольку 10 в квадрате равно 100.Это получается то же соотношение, которое мы обнаружили 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.

Рисунок 8.3 Пример понижающего трансформатора.

Понижающий трансформатор: (много витков: несколько витков).

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

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

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

Рисунок 8.5 Трансформатор подстанции.

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

Рисунок 8.6 Разделительный трансформатор изолирует питание от линии питания.

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

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

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

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

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

Условные обозначения трансформатора

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

Рисунок 8.9 На практике полярность трансформатора может быть неоднозначной.

Поскольку это практическая проблема, производители трансформаторов разработали своего рода стандарт маркировки полярности для обозначения фазового соотношения. Он называется условным обозначением точек и представляет собой не что иное, как точку, помещенную рядом с каждой соответствующей ножкой обмотки трансформатора:

Рисунок 8.10 Пара точек указывает полярность.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Где,

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

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

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

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

Трансформаторы с несколькими вторичными обмотками

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Многополюсный коммутирующий трансформатор

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

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

Переменный трансформатор

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

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

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

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

Автотрансформатор

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

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

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

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

находят широкое применение в приложениях, требующих небольшого повышения или понижения напряжения на нагрузке. Альтернативой обычному (изолированному) трансформатору может быть либо правильное соотношение первичной / вторичной обмотки, предназначенное для работы, либо использование понижающей конфигурации с вторичной обмоткой, подключенной последовательно («повышающий») или последовательно. противодействующая («вздрагивающая») мода.Для иллюстрации того, как это будет работать, приведены первичные, вторичные напряжения и напряжения нагрузки.

Конфигурации автотрансформатора

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

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

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

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

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

Автотрансформатор с вариатором

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

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

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

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

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

Обмотки и соединения трехфазного трансформатора

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

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

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

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

Первичный — Вторичный

  • Y — Y
  • Y — Δ
  • Δ — Y
  • Δ — Δ

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

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

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

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

Рисунок 8.23. Входы A1, A2, A3 могут быть подключены к «Δ» или «Y», как и выходы B1, B2, B3.

Разводка фаз для трансформатора «Y-Y»

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

Рисунок 8.25 Разводка фаз для трансформатора «Y-Y».

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

Разводка фаз для трансформатора «Y-Δ»

Теперь посмотрим на конфигурацию Y-Δ:

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

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

Фазовая проводка для трансформатора «Δ-Y»

Теперь давайте рассмотрим систему Δ-Y на рисунке ниже.

Рисунок 8.27. Схема подключения фаз для трансформатора «Δ-Y».

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

Подключение фаз для трансформатора «Δ-Δ»

И, наконец, перейдем к конфигурации Δ-Δ:

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

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

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

Учитывая, что Δ-конфигурация может удовлетворительно работать без одной обмотки, некоторые разработчики энергосистем предпочитают создавать батарею трехфазных трансформаторов только с двумя трансформаторами, представляя конфигурацию Δ-Δ с отсутствующей обмоткой как на первичной, так и на вторичной стороне: Рисунок 8.29 «В» или «разомкнутый Δ» обеспечивает мощность 2 φ только с двумя трансформаторами.

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

Пример из реальной жизни

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

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

Рисунок 8.Плотина гидроэлектростанции Гранд-Кули, 30

Мощность

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

Идеальный трансформатор

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

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

Номинальные характеристики трансформатора

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

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

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

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

ВА или кВА.

Потери энергии

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

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

Вихретоковые потери

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

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

Индукционный нагрев

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

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

Снижение вихревых токов

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

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

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

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

Магнитный гистерезис

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

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

Скин-эффект на высоких частотах

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

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

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

Паразитная емкость и индуктивность

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

Частота резонанса трансформатора

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

Удерживание флюса

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

Индуктивность утечки

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

Насыщенность ядра

Трансформаторы

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

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

Пиковые трансформаторы

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

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

Работа на частотах ниже нормы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Пусковой ток

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Тепло и шум

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

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

Рисунок 8.42. Большие силовые трансформаторы погружены в теплоизолирующее масло.

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

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

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

Потери из-за наматывающих магнитных сил

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

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

Ideal Transformer — обзор

13.3.2 Трансформаторы

Трансформатор — это устройство, которое позволяет передавать электрическую энергию в виде переменного тока от одной цепи к другой через магнитное поле . Это также позволяет преобразовывать эту энергию из одного уровня напряжения и тока в другой с минимальными потерями.Электрическая энергия наиболее эффективно передается на большие расстояния при очень высоких напряжениях, в сотни киловольт и, соответственно, умеренных уровнях тока. Распределение на месте при 230 В (или 115 В в США) безопасно и удобно. Преобразование высокого напряжения, используемого для передачи, в гораздо более низкое, используемое для распределения, выполняется трансформаторами. Они играют ключевую роль в системе электроснабжения. В дополнение к их использованию в распределении энергии и источниках питания, трансформаторы также используются во многих электронных системах, особенно в радиочастотной беспроводной связи.Трансформаторы могут быть размером с железнодорожный локомотив или меньше, чем пуговица на рубашке. Они могут работать на низких частотах (50 Гц и менее) или на радиочастотах (порядка гигагерц). Их можно сравнить с механическими коробками передач (которые используются в автомобилях, велосипедах и т. Д.), Которые преобразуют механическую энергию, передаваемую им, скажем, на высокой скорости и с низким крутящим моментом, в более низкую скорость, но с более высоким крутящим моментом, или наоборот.

На рисунке 13.5 (а) показана катушка или обмотка из Н 1 витков, намотанных на магнитопровод.Катушка подключена к источнику постоянного тока. источник напряжения В 1 . Ток I 1 определяется сопротивлением катушки R 1 , как показано эквивалентной схемой, показанной на рисунке 13.5 (b). Магнитный поток, индуцированный током I 1 , определяется следующим образом (см. Также Hughes, 1995; R. J. Smith, 1984; Slemon and Straughen, 1980).

Рис. 13.5. Простая магнитная цепь, возбуждаемая постоянным током.источник: (а) магнитная цепь; (б) электрическая эквивалентная схема.

Ток I 1 создает магнитодвижущую силу (ммс), F , Н 1 I 1 ампер (иногда используемую единицу измерения называют ампер-витками).

(13,1) F = N1I1

соответствующая напряженность магнитного поля H (измеряется в ампер / метр или ампер-виток / метр) составляет

(13,2) H = Fl

, где l — длина магнитный путь.

Связь между напряженностью поля H и плотностью потока B (измеряется в теслах) является свойством рассматриваемого материала. Для свободного пространства (и воздуха) эти две величины линейно пропорциональны соотношению (называемому проницаемостью) μ 0 = 4π × 10 −7 (измеряется в генри / метр). Для ферромагнитных материалов, таких как железо, сталь или ферриты, зависимость сильно нелинейна, как описано в хорошо известной петле B – H .При заданной напряженности поля H в этих материалах создается более высокая плотность потока B , чем в воздухе. Относительная магнитная проницаемость μ r описывает, насколько больше плотность потока для данной напряженности поля. Он может иметь значение от нескольких сотен и более. Обратите внимание, что поскольку взаимосвязь между B и H является нелинейной, μ r не является константой для конкретного материала; это зависит от значения H или B.

(13.3) B = μ0μrH

Магнитный поток Φ (измеренный в веберах) рассчитывается из плотности потока как

(13,4) ϕ = BA

, где A — площадь поперечного сечения материала, перпендикулярного потоку. .

На рисунке 13.6 (a) показана та же магнитная цепь, что и на рисунке 13.5 (a), но возбуждение изменено на переменное. источник напряжения (вида v = V p sin ω t ). В этом случае поток также является синусоидальным (без учета влияния нелинейности петли B – H).Однако, согласно закону Фарадея, напряжение v индуцируется в проводнике, если он находится в изменяющемся магнитном поле, где

Рис. 13.6. Простая магнитная цепь, возбуждаемая переменным током. источник: (а) магнитная цепь; (б) электрическая эквивалентная схема.

(13,5) ν = Ndϕdt

Это индуцированное напряжение противостоит приложенному, в дополнение к резистивному падению напряжения i 1 R 1 . Он представлен в эквивалентной схеме на Рисунке 13.6 (б) индуктором L M . Катушка индуктивности используется, поскольку i находится в фазе с Φ, но v не совпадает по фазе на 90 ° (из-за производного члена). Следовательно, ток в этом случае определяется как сопротивлением катушки, так и ее индуктивностью. Последнее зависит от магнитных свойств сердечника. Подстановка соотношений из (13.1) — (13.4) в (13.5) приводит к

(13.6) ν = N1dϕdt = μ0μrAlN12didi

Поскольку напряжение v представляет собой напряжение на катушке индуктивности, можно сравнить уравнение (13.6) с соотношением для катушки индуктивности v = L d i / d t . Следовательно, индуктивность с точки зрения магнитных свойств выражается как

(13,7) L = μ0μrAlN12

Предполагая, что поток синусоидален, его можно выразить как Φ = Φ пик sin ω t . Тогда из (13.5)

(13.8) ν1 = N1dϕdt = N1ωϕpeakcosωt

Среднеквадратичное значение v 1 ( V 1 ) равно

(13.9) V1 = N1ωϕpeak2 = 2π2N1fϕpeak = 4⋅44N1fϕpeak

Это важное соотношение показывает выбор, доступный проектировщикам. Например, на высоких частотах и ​​количество витков, и / или магнитный поток (и, следовательно, площадь поперечного сечения сердечника) могут быть уменьшены для данного входного напряжения.

На рис. 13.7 (а) показана та же магнитная цепь, что и раньше, с добавлением второй обмотки на Н 2 витков. Две обмотки обычно называют первичной и вторичной .Выходное напряжение холостого хода этой второй (вторичной) обмотки В 2 можно найти с помощью уравнения (13.5). Предполагая, что поток одинаков в обеих обмотках, v 2 равно

Рис. 13.7. Трансформатор с разомкнутой вторичной обмоткой: а) магнитопровод; (б) электрическая эквивалентная схема.

(13.10) ν2 = N2dϕdt

Объединение уравнений (13.5) и (13.10) приводит к важному соотношению напряжений для идеального трансформатора.

(13.11) ν1ν2 = N1N2

Идеальным трансформатором в данном контексте является трансформатор, где

1.

Нет потерь мощности ни в обмотках, ни в сердечнике (механизмы потерь в трансформаторах описаны более подробно см. Slemon and Straughen, 1980).

2.

Поток в обеих обмотках одинаковый.

3.

Для создания магнитного потока в сердечнике требуется пренебрежимо малый ток (ток намагничивания).Другими словами, реактивное сопротивление L M на рисунке 13.6 очень велико.

Эквивалентная схема практического сердечника с двумя обмотками показана на рисунке 13.7 (b). Здесь показан идеальный трансформатор, резистор R 1 и катушка индуктивности L M . Резистор R 1 представляет сопротивление первой обмотки и используется для учета того факта, что в практическом трансформаторе потери мощности в обмотках не пренебрежимо малы, как указано для идеального в предположении (1) выше. .В результате выходное напряжение холостого хода вторичной обмотки, В, , , 2, , немного меньше, чем было бы дано уравнением (13.11) с использованием входного напряжения В, , , 1 и отношения витков. В эквивалентной схеме это представлено падением напряжения на резисторе R 1 , которое представляет собой разницу между реальным входным напряжением v 1 и v 1 = v 2 N 1 / N 2 .Точно так же в практическом трансформаторе током намагничивания не всегда можно пренебречь, как в предположении (3) выше. Это индуктор L M .

На рисунке 13.8 (а) показан трансформатор с нагрузкой R L , подключенной к вторичной обмотке. В результате наведенного напряжения v 2 во вторичной обмотке по вторичной цепи протекает ток i 2 . Однако этот ток, протекающий во вторичной обмотке, создает МДС, которая, согласно закону Ленца, противодействует потоку в сердечнике, который в первую очередь индуцировал В 2 .Таким образом, чистый mmf в магнитной цепи уменьшается, и это, в свою очередь, уменьшает магнитный поток Φ. Согласно уравнению (13.5), уменьшенный поток приводит к уменьшению напряжения, индуцированного в первичной обмотке, которое противодействует входному напряжению В 1 . Увеличенная разница между ними приводит к увеличению текущего i 1 до тех пор, пока не будет достигнуто новое состояние равновесия. Следовательно, увеличение тока во вторичной обмотке приводит к увеличению тока в первичной обмотке.

Рис. 13.8. Трансформатор с нагруженной вторичной обмоткой: а) магнитопровод, принципиальная схема трансформатора; (б) электрическая эквивалентная схема.

Первичный ток состоит из двух компонентов. Один из них — ток намагничивания i M (ток, который течет в первичной обмотке, когда ток не течет во вторичной). Другой — i 1 компонент, возникающий в результате протекания тока во вторичной обмотке. Следовательно,

(13.12) i1 = i′1 + iM

Эквивалентная схема на Рисунке 13.8 (b) показывает эту взаимосвязь.

В идеальном трансформаторе магнитный поток одинаков в обеих обмотках (предположение (2) выше), и МДС, создаваемые двумя обмотками, можно считать равными и противоположными друг другу. Следовательно,

(13.13) N1i′1 = N2i2

или

(13.14) i′i2 = N1N2

Обратите внимание, что объединение уравнений (13.11) и (13.14) приводит к

ν1i′1 = ν2i2

As Можно ожидать, что потребляемая мощность идеального трансформатора такая же, как и выходная мощность, поскольку отсутствуют потери.

Аналогично, использование уравнений (13.11) и (13.14) приводит к соотношению

(13.15) RL = ν2i2 = ν1N2N1i′1N1N2 = ν1i′1 [N2N1] 2 = R′L [N2N1] 2

, где R L — это кажущееся сопротивление, «видимое при взгляде на первичную обмотку» в результате подключения R L к вторичной обмотке. Это соотношение составляет основу использования трансформаторов для согласования импеданса . Возможно, более полезно выразить его как

(13.16) R′L = RL [N1N2] 2

На практике поток в двух обмотках не совсем одинаковый, и предположение (2) для идеального трансформатора не относится строго к практическому.Как показано на рисунке 13.9 (а), часть потока «вытекает» из сердечника и связана только с одной из обмоток. В описании схемы на рис. 13.9 (а) показано, что эффект этого потока рассеяния должен индуцировать напряжение, которое противодействует входному напряжению. Этот эффект представлен в эквивалентной схеме катушкой индуктивности. Таким образом, пересмотренная эквивалентная схема трансформатора включает две катушки индуктивности L 1 и L 2 , чтобы учесть индуктивность рассеяния двух обмоток.Эквивалентная схема показана на рисунке 13.9 (б). При проектировании и изготовлении трансформаторов уделяется большое внимание минимизации потока утечки с помощью таких мер, как наматывание двух обмоток друг на друга и использование сердечников тороидальной формы, если это возможно.

Рис. 13.9. Трансформатор с нагруженной вторичной обмоткой, показывающий поток рассеяния и результирующую индуктивность: (а) магнитная цепь, показывающая поток рассеяния; (б) электрическая эквивалентная схема.

Эквивалентная схема, показанная на рисунке 13.9 (б) чаще используется в упрощенном виде. Упрощение выполняется в два этапа. Во-первых, предположим, что падением напряжения в R 1 и L 1 из-за тока намагничивания i M можно пренебречь. Следовательно, L M можно подключить напрямую через источник на другой стороне R 1 и L 1 без внесения каких-либо ошибок. Компонент R M добавлен, чтобы представить потерю энергии в сердечнике, вызванную переменным магнитным потоком.На втором этапе используется уравнение (13.16). Это позволяет объединить вторичное сопротивление и индуктивность рассеяния с первичными. Резистор R 2 отображается на первичной обмотке как R 2 , и его можно комбинировать с R 1 для образования R W как

(13,17) RW = R1 + R2 [N2N1] 2

Аналогично,

(13.18) LW = L1 + L2 [N2N1] 2

Упрощенная эквивалентная схема показана на рисунке 13.10.

Рис. 13.10. Упрощенная схема замещения трансформатора.

Это можно использовать для расчета регулирования трансформатора. Это мера изменения напряжения между током холостого хода и током полной нагрузки. Он определяется как

(13.19) Регулировка = Vout (без нагрузки) −Vout (полная нагрузка) Vout (полная нагрузка)

Эквивалентная схема на рисунке 13.10 обычно используется на низких частотах (50 и 60 Гц). На высоких частотах необходимо учитывать паразитную емкость обмоток.Это можно смоделировать как конденсатор на первичной обмотке. Этот конденсатор эффективно включен последовательно с катушкой индуктивности, представляющей индуктивность рассеяния, и поэтому цепь является резонансной. В некоторых схемах трансформатор спроектирован как часть настроенной нагрузки усилителя, как в разделе 9.2 (см. J. Smith, 1986). На высоких частотах влияние индуктивности намагничивания может быть меньше, но индуктивности рассеяния больше.

В следующих разделах будет видно, что форма волны тока, потребляемого выпрямителями, подключенными к накопительным конденсаторам (см. Рисунок 13.21) далека от синусоидальности. Об этом всегда нужно помнить при проектировании источников питания и используемых в них трансформаторов. Информацию о практическом проектировании трансформаторов можно найти в нескольких специализированных текстах. Уиттингтон и др. . (1992) занимается проектированием трансформаторов для импульсных источников питания (см. Раздел 13.4).

Рис. 13.21. Входное напряжение и ток, а также осциллограммы напряжения нагрузки.

SAQ 13.1

Напряжение, ток и мощность были измерены на первичной стороне трансформатора вместе с вторичным напряжением при разомкнутой и короткозамкнутой вторичной обмотке.Результаты измерений, выполненных на частоте 50 Гц, следующие:

Первичное напряжение (В) Ток (А) Мощность (Вт) Вторичное напряжение (В)
Обрыв 240 0,1 12 20
Короткий 10 1 8 0
9000 Обозначение эквивалента на первичной стороне.Также определите мощность, рассеиваемую в трансформаторе, и выходное напряжение вторичной обмотки, когда она выдает вторичный ток 8 А от первичного источника питания 240 В.

ТРАНСФОРМАТОРЫ

ТРАНСФОРМАТОРЫ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Трансформатор изменяет электрическую энергию заданного напряжения в электрическую энергию на другом уровне напряжения. Он состоит из двух катушки, которые электрически не связаны, но которые расположены в таких способ, которым магнитное поле, окружающее одну катушку, прорезает другую катушка.Когда на одну катушку подается переменное напряжение, изменяющееся магнитное поле вокруг этой катушки создает переменное напряжение в другой катушке за счет взаимной индукции. Трансформатор также можно использовать с пульсирующий постоянный ток, но нельзя использовать чистое постоянное напряжение, так как напряжение создает переменное магнитное поле, которое является основой взаимного индукционный процесс.

Трансформатор состоит из трех основных частей, как показано на рисунке 8-197. Это железный сердечник, который обеспечивает цепь с низким сопротивлением для магнитного поля. силовые линии, первичная обмотка, которая получает электрическую энергию от источника приложенного напряжения и вторичной обмотки, которая получает электрическая энергия за счет индукции от первичной катушки.

Первичная и вторичная обмотки этого трансформатора с закрытым сердечником на замкнутом сердечнике для получения максимального индуктивного эффекта между двумя катушками.

Существует два класса трансформаторов: (1) Используемые трансформаторы напряжения. для повышения или понижения напряжения и (2) трансформаторы тока используется в схемах приборов.

В трансформаторах напряжения первичные обмотки соединены параллельно. через напряжение питания, как показано в A на рисунке 8-198.Первичные обмотки трансформаторов тока соединены последовательно в первичной цепи (B на рисунке 8-198). Из двух типов напряжение трансформатор является более распространенным.

Существует много типов трансформаторов напряжения. Большинство из них либо повышающие или понижающие трансформаторы. Фактор, определяющий, трансформатор — это повышающий или понижающий тип — это коэффициент «витков». В Коэффициент витков — это отношение количества витков в первичной обмотке. к количеству витков вторичной обмотки.Например, повороты передаточное отношение понижающего трансформатора, показанного на А рисунка 8-199 — это 5 к 1, так как в первичной обмотке в пять раз больше витков. как во вторичном. Повышающий трансформатор, показанный на рисунке B 8-199 имеет передаточное число от 1 до 4.

Отношение входного напряжения трансформатора к выходному напряжению равно то же, что и коэффициент трансформации, если трансформатор имеет 100-процентный КПД. Таким образом, когда на первичную обмотку трансформатора подается 10 вольт, в A на рисунке 8-199 индуцируются два вольта в вторичный.Если на первичную обмотку трансформатора подано 10 вольт в B на рисунке 8-199 выходное напряжение на клеммах вторичной обмотки. будет 40 вольт.

Невозможно построить трансформатор со 100-процентным КПД, хотя Трансформаторы с железным сердечником могут приблизиться к этой цифре. Это потому, что все магнитные силовые линии, установленные в первичной обмотке, не пересекают витки вторичной обмотки. Определенное количество магнитного потока, называемое утечкой. магнитный поток выходит из магнитной цепи.Мера того, насколько хорошо флюс первичной обмотки, соединенной с вторичной, называется «коэффициент муфты ». Например, если предполагается, что первичная обмотка трансформатора развивает 10 000 силовых линий и только 9 000 пересекает второстепенные, коэффициент связи будет 0,9 или, другими словами, трансформатор будет на 90 процентов эффективнее.

Когда переменное напряжение подается на первичные выводы трансформатора, будет течь переменный ток и самовосстанавливать напряжение в первичной обмотке. катушка, которая находится напротив и почти равна приложенному напряжению.Различия между этими двумя напряжениями позволяет току в первичной обмотке, достаточном для намагнитите его ядро. Это называется возбуждающим или намагничивающим током. Магнитное поле, вызванное этим возбуждающим током, проходит через вторичную обмотку. катушка и индуцирует напряжение за счет взаимной индукции. Если нагрузка подключена через вторичную обмотку ток нагрузки протекает через вторичную обмотку. катушка будет создавать магнитное поле, которое будет стремиться нейтрализовать магнитное поле. поле, создаваемое первичным током.Это уменьшит самоиндуцированное (противодействие) напряжение в первичной катушке и допускает больший первичный ток течь. Первичный ток увеличивается по мере увеличения вторичного тока нагрузки, и уменьшается по мере уменьшения тока вторичной нагрузки. Когда вторичный нагрузка снимается, первичный ток снова снижается до малого возбуждающего тока, достаточного только для намагничивания железного сердечника трансформатора.

Если трансформатор увеличивает напряжение, он понижает ток в таком же соотношении.Это должно быть очевидно, если принять во внимание формулу мощности, для мощности (I x E) выходной (вторичной) электрической энергии такая же, как входная (первичная) мощность за вычетом потерь энергии при преобразовании процесс. Таким образом, если в сети используются 10 вольт и 4 ампера (мощность 40 ватт). в первую очередь для создания магнитного поля, будет развиваться мощность 40 Вт. во вторичном (без учета потерь). Если у трансформатора есть ступенька 4: 1, напряжение на вторичной обмотке будет 40 вольт и ток будет 1 ампер.Напряжение в 4 раза больше, а ток составляет одну четвертую от значения первичной цепи, но мощность (значение I x E) составляет тоже самое.

Когда известны коэффициент трансформации и входное напряжение, выходное напряжение можно определить следующим образом:

Где E — напряжение первичной обмотки, E2 — выходное напряжение первичной обмотки. вторичный, а N1 и N2 — количество витков первичной и вторичной обмоток, соответственно.

Транспонирование уравнения для определения выходного напряжения дает:

Чаще всего используются следующие типы трансформаторов напряжения:

(1) Силовые трансформаторы используются для повышения или понижения напряжения и ток во многих типах блоков питания.Они варьируются по размеру от маленьких силовой трансформатор, показанный на рисунке 8-200, используемый в радиоприемнике для большие трансформаторы, используемые для понижения напряжения высоковольтной линии до 110 — Уровень 120 вольт, используемый в домах.

На рисунке 8-201 схематический символ трансформатора с железным сердечником. Показано. В этом случае вторичная обмотка состоит из трех отдельных обмоток. Каждая обмотка питает разные цепи с определенным напряжением, которое экономит вес, место и стоимость трех отдельных трансформаторов.Каждый вторичный имеет соединение средней точки, называемое «центральным отводом», которое обеспечивает выбор половины напряжения по всей обмотке. Ведет от различные обмотки имеют цветовую маркировку производителя, как указано на рисунок 8-201. Это стандартный цветовой код, но другие коды или числа может быть использовано.

(2) Звуковые трансформаторы напоминают силовые трансформаторы. У них только один вторичные и предназначены для работы в диапазоне звуковых частот (От 20 до 20 000 с / с).

(3) ВЧ трансформаторы предназначены для работы в оборудовании, которое функционирует в радиодиапазоне частот. Обозначение ВЧ трансформатора: то же, что и для дроссельной катушки RF. Он имеет воздушный сердечник, как показано на рисунке. 8-202.

(4) Автотрансформаторы обычно используются в силовых цепях; однако они может быть разработан для других целей. Два разных символа для автотрансформаторов используемые в силовых или звуковых цепях, показаны на рисунке 8-203.Если используется в Радиочастотная связь или навигационная схема (B на рисунке 8-203), это то же самое, за исключением того, что здесь нет символа железного сердечника. Автотрансформатор использует часть обмотки в качестве первичной; и, в зависимости от от того, идет ли он вверх или вниз, он использует все или часть того же обмотка как вторичная. Например, автотрансформатор, показанный в А из На рисунке 8-203 можно использовать следующие возможные варианты для первичных и вторичных клемм.

Трансформаторы тока

Трансформаторы тока используются в системах питания переменного тока для определения генератора. линейный ток и чтобы обеспечить ток, пропорциональный линейному току, для устройств защиты и управления цепями.

Трансформатор тока представляет собой трансформатор кольцевого типа, использующий токопроводящий провод питания в качестве первичного (провод питания или заземляющий провод генератор переменного тока). Ток в первичной обмотке вызывает ток во вторичной обмотке. магнитной индукцией.

Стороны всех трансформаторов тока обозначены на корпусе обозначениями «h2» и «h3». единица базы. Трансформаторы необходимо устанавливать стороной «h2» в сторону генератор в цепи, чтобы соблюсти правильную полярность.Вторичный трансформатора никогда не следует оставлять открытым во время работы системы. эксплуатируется; это может вызвать опасно высокое напряжение и перегрев трансформатор. Следовательно, выходные соединения трансформатора всегда должны быть соединенным перемычкой, когда трансформатор не используется, но осталось в системе.

Потери трансформатора

Помимо потерь мощности, вызванных несовершенным соединением, трансформаторы подвержены «медным» и «железным» потерям.Потеря меди вызвана сопротивление проводника, содержащего витки катушки. Железо потери бывают двух типов, называемых гистерезисными потерями и потерями на вихревые токи. Гистерезис потеря — это электрическая энергия, необходимая для намагничивания сердечника трансформатора, сначала в одном направлении, а затем в другом, одновременно с нанесенным переменное напряжение. Потери на вихревые токи вызваны электрическими токами (вихревые токи), индуцированные в сердечнике трансформатора переменными магнитными полями.Для уменьшения потерь на вихревые токи сердечники изготовлены из пластин, покрытых изоляция, уменьшающая циркуляцию наведенных токов.

Мощность в трансформаторах

Поскольку трансформатор не добавляет электричества в цепь, а просто изменяет или преобразует электричество, которое уже существует в цепь от одного напряжения к другому, общее количество энергии в цепи должен оставаться таким же. Если бы можно было построить идеальный трансформатор, в нем не было бы потери силы; власть будет передана в неизменном виде от одного напряжения к другому.

Поскольку мощность — произведение вольт на ампер, увеличение напряжения трансформатором должно приводить к уменьшению тока и наоборот. Во вторичной обмотке трансформатора не может быть больше мощности, чем есть в первичном. Произведение ампер на вольт остается одно и тоже.

Передача энергии на большие расстояния осуществляется с помощью трансформаторы. На источнике питания повышается напряжение, чтобы уменьшить потери в линии при передаче.В момент использования, напряжение понижается, так как невозможно использовать высокое напряжение для управления двигателями, осветительными приборами или другими электрическими приборами.

Подключение трансформаторов в цепях переменного тока

Прежде чем изучать различные способы подключения трансформаторов в цепях переменного тока, различия между однофазными и трехфазными цепями должны быть четко обозначены. понял. В однофазной цепи напряжение генерируется одним генератором переменного тока. катушка.Это однофазное напряжение может быть снято с однофазного генератора переменного тока. или от одной фазы трехфазного генератора переменного тока, как объяснено далее в исследование генераторов переменного тока.

В трехфазной цепи три напряжения генерируются генератором переменного тока. с тремя катушками, расположенными внутри генератора таким образом, чтобы три напряжения сгенерированные равны, но достигают своих максимальных значений в разное время. В каждой фазе 400-тактного трехфазного генератора цикл генерируется каждые 1/400 секунды.

При вращении магнитный полюс проходит одну катушку и генерирует максимум Напряжение; через одну треть цикла (1/1200 секунды) этот же полюс проходит другой катушка и вырабатывает в ней максимальное напряжение; и следующий цикл 1/3 позже он проходит еще одну катушку и генерирует максимальное напряжение в Это. Это приводит к тому, что максимальное напряжение, генерируемое в трех катушках, всегда быть на расстоянии одной трети цикла (1/1200 секунды).

Первые трехфазные генераторы были подключены к их нагрузки с шестью проводами и всеми шестью выводами в цепи несут ток.Позже эксперименты показали, что генератор будет давать столько же энергии, сколько и с катушками, соединенными так, что для всех трех потребовалось всего три провода фазы, как показано на рисунке 8-204. Использование трех проводов стандартно для передача трехфазного питания сегодня. Обратный ток от любого одна катушка генератора всегда течет обратно через два других провода в трехфазная цепь.

Трехфазные двигатели и другие трехфазные нагрузки соединены с их катушки или элементы нагрузки расположены так, что требуются три линии передачи для выдачи мощности.Трансформаторы, которые используются для повышения напряжения вверх или вниз в трехфазной цепи электрически соединены так, чтобы мощность передается на первичный и снимается со вторичного по стандарту трехпроводная система.

Однако однофазные трансформаторы и однофазные лампы и двигатели может быть подключен к любой одной фазе трехфазной цепи, как показано на рисунке 8-205.Когда однофазные нагрузки подключены к трехфазным цепям, нагрузки распределяются поровну между тремя фазами, чтобы сбалансировать нагрузки на три катушки генератора. Другое применение трансформатора однофазный трансформатор с несколькими отводами во вторичной обмотке. С участием этот тип трансформатора, напряжение может быть понижено, чтобы обеспечить несколько рабочие напряжения, как показано на рисунке 8-206.

Трансформатор с центральным ответвлением, питающий двигатель, требующий 220 вольт вместе с четырьмя лампами, требующими 110 вольт, показано на рисунке. 8-207.Двигатель подключен ко всему выходу трансформатора, и светильники подключаются от центрального ответвителя к одному концу трансформатора. При таком подключении используется только половина вторичного выхода.

Этот тип трансформаторного подключения широко используется в самолетах. из-за комбинаций напряжений, которые можно снимать с одного трансформатора. На вторичной обмотке трансформатора могут подаваться различные напряжения. вставляя метчики (во время производства) в различные точки вдоль вторичного обмотки.

Различные значения напряжения получаются при подключении к любым двум ударов или до одного касания и либо в конец.

Трансформаторы для трехфазных цепей можно подключать к любому из несколько комбинаций соединений звезда (y) и треугольник (D). Связь используемый зависит от требований к трансформатору.

Когда соединение звездой используется в трехфазных трансформаторах, четвертый или нейтральный провод.Нейтральный провод соединяет однофазное оборудование. к трансформатору. Напряжение (115 В) между любой из трех фаз линии и нейтральный провод могут использоваться для питания таких устройств, как фонари или однофазные двигатели.

В комбинации все четыре провода могут обеспечивать питание 208 вольт, три фаза, для работы трехфазного оборудования, такого как трехфазные двигатели или выпрямители. Когда используется только трехфазное оборудование, заземляющий провод может быть опущено. Остается трехфазная трехпроводная система, как показано на рисунке. на рисунке 8-208.

На рисунке 8-209 показаны первичный и вторичный с дельта-соединением. При таком подключении трансформатор имеет такое же выходное напряжение, что и линейное напряжение. Между любыми двумя фазами напряжение 240 вольт. В этом типе подключения провода A, B и C могут предоставить 240 вольт, трехфазное питание для работы трехфазного оборудования. Тип соединения, используемого для первичных обмоток, может быть или не соответствовать такой же, как и тип подключения вторичных обмоток.Например, первичный может быть соединением треугольником, а вторичный — соединением звезды. Это называется трансформатором, соединенным треугольником. Другие комбинации дельта-дельта, звезда-треугольник и звезда-звезда.

Устранение неисправностей трансформаторов

Бывают случаи, когда трансформатор необходимо проверить на обрыв или шорт, и часто бывает необходимо определить, что трансформатор повышающий или понижающий трансформатор. Открытая обмотка трансформатора может можно определить путем подключения омметра, как показано на рисунке 8-210.Связанный как показано, омметр будет показывать бесконечность. Если бы не было открытых катушки, омметр покажет сопротивление провода в катушке. Оба таким же образом можно проверить первичный и вторичный.



Омметр также можно использовать для проверки короткого замыкания обмоток, как показано на рисунке. Однако на рис. 8-211 этот метод не всегда точен. Если, например, трансформатор имел 500 витков и сопротивление 2 Ом, а 5 витков были закороченное, сопротивление уменьшится примерно до 1.98 Ом, что не достаточно для того, чтобы считывать показания омметра. В таком случае, номинальное входное напряжение может быть приложено к первичной обмотке для измерения вторичного выходного напряжения. Если вторичное напряжение низкое, оно может Предположим, что у трансформатора есть закороченные обмотки, а трансформатор следует заменить. Если выходное напряжение в норме, оригинал трансформатор можно считать неисправным.

С помощью омметра можно определить, является ли трансформатор ступенчатым. повышающий или понижающий трансформатор.В понижающем трансформаторе сопротивление вторичного будет меньше, чем у первичного, и наоборот будет верно в случае повышающего трансформатора. Еще один метод включает подачу напряжения на первичную обмотку и измерение вторичной обмотки. выход. Используемое напряжение не должно превышать номинальное входное напряжение основной.

Если обмотка полностью закорочена, она обычно перегревается из-за высокого значения текущего расхода.Во многих случаях высокая температура тает воск в трансформаторе, и это можно определить по появившемуся запаху. Кроме того, показания вольтметра на вторичной обмотке будут нулевыми. Если схема содержит предохранитель, сильный ток может привести к его перегоранию до того, как трансформатор сильно поврежден.

На рисунке 8-212 одна точка на обмотке трансформатора показана подключенной. К земле, приземляться. Если внешняя цепь цепи трансформатора заземлена, часть обмотки эффективно закорочена.Меггер, подключенный между одна сторона обмотки и корпус трансформатора (земля) будут проверять это состояние с низким или нулевым показанием. В таком случае трансформатор должен заменить.

Все трансформаторы, обсуждаемые в этом разделе, имеют одну первичную обмотку. обмотка. Они работают на одном источнике переменного тока. Трансформаторы, которые работают от трех напряжений от генератора переменного тока или генератора переменного тока называются тремя фазные или многофазные трансформаторы. Об этих трансформаторах и пойдет речь. в изучении генераторов и двигателей.

Трансформаторы — Университетская физика, том 2

Цели обучения

К концу раздела вы сможете:

  • Объясните, почему электростанции передают электричество при высоком напряжении и малом токе и как они это делают
  • Разработайте взаимосвязи между током, напряжением и количеством обмоток в повышающих и понижающих трансформаторах

Хотя электроэнергия переменного тока вырабатывается при относительно низком напряжении, она передается по линиям передачи с очень высоким напряжением (до 500 кВ).Одна и та же мощность может передаваться при разных напряжениях, потому что мощность — это продукт (для простоты мы игнорируем фазовый коэффициент. Таким образом, конкретная потребность в мощности может быть удовлетворена при низком напряжении и высоком токе или при высоком напряжении и низком токе. Преимущество выбора высокого напряжения / низкого тока заключается в том, что он приводит к более низким омическим потерям в линиях передачи, которые могут быть значительными в линиях длиной много километров ((Рисунок)).

Среднеквадратичное значение напряжения электростанции в конечном итоге необходимо понизить с 12 кВ до 240 В, чтобы его можно было безопасно ввести в дом.Линия передачи высокого напряжения позволяет передавать слабый ток через подстанцию ​​на большие расстояния.

Обычно переменные ЭДС, производимые на электростанциях, «повышаются» до очень высоких напряжений перед передачей по линиям электропередачи; затем они должны быть «понижены» до относительно безопасных значений (110 или 220 В, действующее значение), прежде чем они будут введены в дома. Устройство, которое преобразует напряжение из одного значения в другое с помощью индукции, — это трансформатор ((рисунок)).

Трансформаторы

используются для понижения высокого напряжения в линиях электропередачи до 110–220 В, используемых в домах. (кредит: модификация работы Fortyseven / Flickr)

Как показано на рисунке, трансформатор в основном состоит из двух отдельных катушек или обмоток, намотанных вокруг сердечника из мягкого железа. Первичная обмотка имеет петли или витки и подключена к переменному напряжению. Вторичная обмотка имеет витки и подключена к нагрузочному резистору. Мы предполагаем идеальный случай, когда все силовые линии магнитного поля ограничены сердечником, так что одинаковый магнитный поток проникает в каждый виток как первичной, так и вторичной обмоток.Мы также пренебрегаем потерями энергии на магнитный гистерезис, на омический нагрев в обмотках и на омический нагрев индуцированных вихревых токов в сердечнике. У хорошего трансформатора потери могут составлять всего 1% от передаваемой мощности, так что это неплохое предположение.

Повышающий трансформатор (во вторичной обмотке больше витков, чем в первичной). Две обмотки намотаны на сердечник из мягкого железа.

Для анализа схемы трансформатора сначала рассмотрим первичную обмотку.Входное напряжение равно разности потенциалов, индуцированной на первичной обмотке. Согласно закону Фарадея, индуцированная разность потенциалов равна потоку, проходящему через один виток первичной обмотки. Таким образом,

Точно так же выходное напряжение, подаваемое на нагрузочный резистор, должно равняться разности потенциалов, индуцированной во вторичной обмотке. Поскольку трансформатор идеален, магнитный поток через каждый виток вторичной обмотки также составляет

Объединяя последние два уравнения, получаем

Следовательно, при соответствующих значениях входного напряжения может быть «повышено» или «понижено» () до выходного напряжения.Это часто сокращенно называют уравнением трансформатора,

.

, который показывает, что отношение вторичного напряжения к первичному в трансформаторе равно отношению количества витков в их обмотках. Для повышающего трансформатора, который увеличивает напряжение и уменьшает ток, это отношение больше единицы; для понижающего трансформатора, который снижает напряжение и увеличивает ток, это отношение меньше единицы.

Согласно закону сохранения энергии, мощность, вводимая в первичную обмотку в любой момент, должна быть равна мощности, рассеиваемой в резисторе вторичной цепи; таким образом,

В сочетании с (Рисунок) это дает

Если напряжение повышается, ток понижается, и наоборот.

Наконец, мы можем использовать вместе с (Рисунок) и (Рисунок), чтобы получить

, который говорит нам, что входное напряжение «видит» не сопротивление, а скорее сопротивление.

Наш анализ основан на мгновенных значениях напряжения и тока. Однако полученные уравнения не ограничиваются мгновенными значениями; они справедливы также для максимальных и среднеквадратичных значений.

Проверьте свое понимание Трансформатор понижает линейное напряжение с 110 до 9.0 В, так что на дверной звонок может подаваться ток 0,50 А. а) Каково соотношение количества витков первичной и вторичной обмоток? (б) Какой ток в первичной обмотке? (c) Какое сопротивление видит источник 110 В?

а. 12: 1; б. 0,042 А; c.

Сводка

  • Электростанции передают высокое напряжение при малых токах для достижения более низких омических потерь на многокилометровых линиях передачи.
  • В трансформаторах
  • индукция используется для преобразования напряжения из одного значения в другое.
  • Для трансформатора напряжения на первичной и вторичной катушках или обмотках связаны уравнением трансформатора.
  • Токи в первичной и вторичной обмотках связаны количеством первичных и вторичных петель или витков в обмотках трансформатора.
  • Повышающий трансформатор увеличивает напряжение и снижает ток, тогда как понижающий трансформатор снижает напряжение и увеличивает ток.

Концептуальные вопросы

Почему линии передачи работают при очень высоком напряжении, в то время как бытовые цепи работают при довольно низком напряжении?

Тепловые потери меньше, если линии передачи работают при низких токах и высоких напряжениях.

Как отличить первичную обмотку от вторичной в повышающем трансформаторе?

Аккумуляторы в некоторых электронных устройствах заряжаются с помощью адаптера, подключенного к сетевой розетке. Подумайте о назначении адаптера.

В адаптере есть понижающий трансформатор, обеспечивающий более низкое напряжение и, возможно, более высокий ток, при котором устройство может работать.

Будет ли трансформатор работать, если на входе постоянное напряжение?

Почему первичная и вторичная обмотки трансформатора намотаны на один и тот же замкнутый контур из железа?

, поэтому каждый контур может испытывать одинаковое изменение магнитного потока

Проблемы

Повышающий трансформатор спроектирован так, что выход его вторичной обмотки составляет 2000 В (действующее значение), когда первичная обмотка подключена к линейному напряжению 110 В (среднеквадратичное значение).(а) Если в первичной обмотке 100 витков, сколько витков во вторичной обмотке? (b) Если резистор, подключенный ко вторичной обмотке, потребляет действующий ток 0,75 А, каков ток в первичной обмотке?

Повышающий трансформатор, подключенный к линии 110 В, используется для питания водородно-газовой газоразрядной трубки с напряжением 5,0 кВ (действующее значение). Трубка рассеивает мощность 75 Вт. (а) Каково отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки? (b) Каковы среднеквадратичные токи в первичной и вторичной обмотках? (c) Какое эффективное сопротивление видит источник 110 В?

а.45: 1; б. 0,68 А, 0,015 А; c.

Источник ЭДС переменного тока выдает мощность 5,0 мВт при действующем токе 2,0 мА, когда он подключен к первичной обмотке трансформатора. Среднеквадратичное значение напряжения на вторичной обмотке составляет 20 В. (a) Какое напряжение на первичной обмотке и ток через вторичную обмотку? (б) Какое отношение витков вторичной обмотки к первичной у трансформатора?

Трансформатор используется для понижения напряжения 110 В от настенной розетки до 9,0 В для радио. (а) Если у первичной обмотки 500 витков, сколько витков у вторичной обмотки? (b) Если радиостанция работает при токе 500 мА, каков ток через первичную обмотку?

Трансформатор используется для питания поезда модели на 12 В от сетевой розетки на 110 В.Поезд работает при мощности 50 Вт. (а) Каков среднеквадратичный ток во вторичной обмотке трансформатора? (b) Каков среднеквадратичный ток в первичной обмотке? (c) Каково соотношение количества витков первичной и вторичной обмоток? (d) Какое сопротивление поезда? (e) Какое сопротивление видит источник 110 В?

Дополнительные проблемы

Конденсатор емкостью 700 пФ подключен к источнику переменного тока с амплитудой напряжения 160 В и частотой 20 кГц. (а) Определите емкостное сопротивление конденсатора и амплитуду выходного тока источника.(b) Если частота изменяется на 60 Гц при сохранении амплитуды напряжения 160 В, каковы емкостное реактивное сопротивление и амплитуда тока?

Катушка индуктивности 20 мГн подключена к источнику переменного тока с переменной частотой и амплитудой постоянного напряжения 9,0 В. (a) Определите реактивное сопротивление цепи и максимальный ток через катушку индуктивности, когда частота установлена ​​на 20 кГц. . (b) Проделайте те же вычисления для частоты 60 Гц.

а. ; б.

Конденсатор подключен к источнику переменного тока частотой 60 Гц с амплитудой напряжения 50 В.а) Каков максимальный заряд конденсатора? (б) Каков максимальный ток в конденсаторе? (c) Каково соотношение фаз между зарядом конденсатора и током в цепи?

Катушка индуктивности 7,0 мГн подключена к источнику переменного тока частотой 60 Гц, амплитуда напряжения которого составляет 50 В. (a) Каков максимальный ток через катушку индуктивности? (b) Каково соотношение фаз между сквозным током и разностью потенциалов в катушке индуктивности?

а. 19 А; б. индуктор выводов на

Каков импеданс последовательной цепи RLC на резонансной частоте?

Какое сопротивление R в схеме, показанной ниже, если амплитуда переменного тока через катушку индуктивности равна 4.24 А?

Источник переменного тока с амплитудой напряжения 100 В и частотой 1,0 кГц управляет последовательной цепью RLC с, и. (а) Определите среднеквадратичное значение тока в цепи. (б) Каковы среднеквадратичные значения напряжения на трех элементах? (c) Каков фазовый угол между ЭДС и током? (d) Какова выходная мощность источника? (e) Какая мощность рассеивается на резисторе?

Генератор электростанции вырабатывает 100 А при 15 кВ (действующее значение).Трансформатор используется для повышения напряжения в линии передачи до 150 кВ (действующее значение). (а) Какой действующий ток в линии передачи? (b) Если сопротивление на единицу длины линии равно потерям мощности на метр в линии? (c) Каковы были бы потери мощности на метр, если бы линейное напряжение составляло 15 кВ (действующее значение)?

Рассмотрим электростанцию, расположенную в 25 км от города, поставляющую в город мощность 50 МВт. Линии электропередачи выполнены из алюминиевых кабелей с поперечным сечением.Найдите потерю мощности в линиях передачи, если она передается при (a) 200 кВ (среднеквадратичное значение) и (b) 120 В (среднеквадратичное значение).

а. ; б.

Для работы неоновых вывесок требуется напряжение 12 кВ. Трансформатор должен использоваться для изменения напряжения с 220 В (действующее значение) переменного тока на 12 кВ (действующее значение) переменного тока. Какое должно быть соотношение витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки? (b) Какой максимальный среднеквадратичный ток могут потреблять неоновые лампы, если предохранитель в первичной обмотке сработает при 0,5 А? (c) Сколько мощности потребляет неоновая вывеска, когда она потребляет максимальный ток, допустимый предохранителем в первичной обмотке?

Задачи

Электроэнергия переменного тока напряжением 335 кВ от ЛЭП подается в первичную обмотку трансформатора.Отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки составляет. (а) Какое напряжение индуцируется во вторичной обмотке? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какое предположение или предпосылка ответственны?

а. 335 МВ; б. результат получается слишком высоким, намного превышающим напряжение пробоя воздуха на разумных расстояниях; c. входное напряжение слишком высокое

Резистор и индуктивность 30 мГн соединены последовательно, как показано ниже, через источник переменного тока напряжением 120 В (среднеквадратичное значение), колеблющийся с частотой 60 Гц.(а) Найдите ток в цепи. (b) Найдите падение напряжения на резисторе и катушке индуктивности. (c) Найдите полное сопротивление цепи. (d) Найдите мощность, рассеиваемую резистором. (e) Найдите мощность, рассеиваемую в катушке индуктивности. (f) Найдите мощность, производимую источником.

Найдите реактивные сопротивления следующих конденсаторов и катушек индуктивности в цепях переменного тока с заданными частотами в каждом случае: (a) индуктивность 2 мГн с частотой цепи переменного тока 60 Гц; (б) индуктор 2 мГн с частотой 600 Гц цепи переменного тока; (c) индуктор 20 мГн с частотой цепи переменного тока 6 Гц; (d) индуктор 20 мГн с частотой 60 Гц цепи переменного тока; д) конденсатор емкостью 2 мФ с частотой цепи переменного тока 60 Гц; и (е) конденсатор емкостью 2 мФ с частотой 600 Гц цепи переменного тока.

Выходной импеданс аудиоусилителя имеет импеданс, равный и не соответствует низкоомному громкоговорителю. Вас попросят вставить соответствующий трансформатор, соответствующий импедансу. Какое передаточное число вы будете использовать и почему? Используйте упрощенную схему, показанную ниже.

Покажите, что единицей СИ для емкостного реактивного сопротивления является ом. Покажите, что единицей СИ для индуктивного сопротивления также является ом.

Единицы измерения индуктивного реактивного сопротивления (рисунок) указаны ниже.Радианы можно игнорировать при модульном анализе. Генри можно определить как. Их объединение дает единицу реактивного сопротивления.

Катушка с самоиндукцией 16 мГн и сопротивлением подключена к источнику переменного тока, частоту которого можно изменять. На какой частоте напряжение на катушке будет вести ток через катушку на

?

Последовательная цепь RLC состоит из резистора, конденсатора и индуктивности 120 мГн, катушка которой имеет сопротивление 0,15 мГн.Источник для схемы имеет среднеквадратичное значение ЭДС 240 В на частоте 60 Гц. Рассчитайте среднеквадратичные значения напряжения на резисторе (а), конденсаторе (б) и катушке индуктивности (в).

а. 156 В; б. 42 В; c. 154 В

Последовательная цепь RLC состоит из резистора, конденсатора и катушки индуктивности 50 мГн. Источник переменного напряжения 110 В (среднеквадратичное значение) подключается к комбинации. Какова выходная мощность источника, если его частота установлена ​​на половину резонансной частоты контура?

Глоссарий

понижающий трансформатор
Трансформатор
, понижающий напряжение и увеличивающий ток
повышающий трансформатор
трансформатор, повышающий напряжение и понижающий ток
трансформатор
устройство, которое преобразует напряжения из одного значения в другое с помощью индукции
уравнение трансформатора
Уравнение
, показывающее, что отношение вторичного напряжения к первичному в трансформаторе равно отношению количества витков в их обмотках

A Руководство по трансформаторам прямого режима

Трансформаторы прямого действия

Типичные формы сигналов тока трансформатора прямого режима

Трансформаторы прямого режима, также известные как трансформаторы прямого преобразования, трансформаторы для топологии прямого режима или просто прямые, используются для обеспечения изоляции цепи и преобразования напряжения в преобразователях постоянного тока прямого режима.Прямой режим включает в себя простые прямые преобразователи, а также типы полумоста, полного моста и активного фиксатора.

Преобразователи прямого режима

используются для требований по выходному току примерно до 15 А или когда требуется высокий КПД. Топология прямого режима предпочтительна для высоких уровней выходной мощности примерно до 300 Вт, хотя вы можете использовать топологии прямого режима с двумя переключателями с уровнями мощности до нескольких ватт. Трансформаторы прямого режима привлекательны тем, что позволяют достичь КПД до 95–97%.В этой статье обсуждаются трансформаторы прямого режима и приложения, для которых лучше всего подходят трансформаторы прямого режима Coilcraft.

Что такое трансформатор прямого режима?

Ядро не используется для хранения энергии в трансформаторах прямого режима. Вместо этого первичная и вторичная обмотки проводят одновременно (и напрямую), когда переключатель включен, а энергия обрабатывается напрямую через трансформатор. Это отличается от обратноходовой топологии, в которой энергия накапливается в магнитном поле трансформатора в течение первой половины цикла проводимости, а затем передается вторичной обмотке (ам), подключенной к нагрузке, во второй половине цикла.Обратноходовые трансформаторы требуют определенной индуктивности намагничивания и имеют конструкцию с зазором, что позволяет хранить большое количество энергии без насыщения сердечника. В идеале трансформатор прямого режима должен иметь высокую (первичную) индуктивность намагничивания, которая служит для минимизации тока намагничивания.

Как работает контроллер прямого режима?

Типовая схема однокнопочного преобразователя прямого режима

Прямые преобразователи — это в основном понижающие преобразователи, в которых для развязки используется трансформатор прямого режима.

Контроллер прямого режима размыкает и замыкает переключатель с соответствующим рабочим циклом для достижения необходимого выходного напряжения. Переключатель (SW) обычно представляет собой полевой МОП-транзистор, но иногда это биполярный транзистор, а иногда и GaN или SiC. Для достижения требуемого выходного напряжения в соответствии с этим уравнением можно использовать различные комбинации соотношений витков и рабочих циклов:

В выход = В дюйм × N сек / N при × D

В вых = выходное напряжение
В в = входное напряжение
Н сек / N при = N2 / N1 = соотношение витков вторичной и первичной обмоток трансформатора
D = рабочий цикл = t на / (t на + t на )

Базовый прямой цикл с одним переключателем включает следующие части:

  • Когда переключатель на полевом транзисторе (SW) замкнут (ВКЛ), источник постоянного тока подключен, и ток проходит через первичную обмотку трансформатора.Это немедленно создает магнитное поле, которое соединяется со вторичной обмоткой. Во время этой части цикла ток как в первичной, так и в вторичной обмотке со временем нарастает.
  • Когда переключатель полевого транзистора разомкнут (ВЫКЛ), магнитное поле разрушается, и дополнительный ток не течет ни к первичной, ни к вторичной обмотке. Непосредственно перед размыканием переключателя ток во вторичной обмотке находится на пике. Этот пик примерно вдвое меньше, чем у аналогичного трансформатора обратного хода с половиной числа витков вторичной обмотки, поэтому нагрузка на полевой транзистор ниже для трансформатора прямого режима.
Типовая схема преобразователя прямого режима с двумя переключателями

Более низкий среднеквадратичный вторичный ток в конструкции с прямым режимом работы по сравнению с аналогичной конструкцией с обратным ходом может означать более низкие потери во вторичной обмотке, даже если конструкция с обратным ходом имеет большее количество витков. Эти более низкие вторичные потери являются одной из причин, по которой прямые режимы обычно обеспечивают более высокую эффективность, чем аналогичные конструкции с обратным ходом. Другая причина заключается в том, что выходной конденсатор обратного хода должен также выдерживать более высокий ток, чем конструкция прямого режима, что добавляет к уравнению конденсаторные потери.

Преобразователь прямого режима с двумя переключателями (также называемый асимметричным полумостовым преобразователем прямого режима) имеет два переключателя на полевых транзисторах, которые иногда интегрируются в единую ИС контроллера. Одним из преимуществ прямого преобразователя с двумя переключателями является то, что напряжение на переключателях ограничено входным напряжением, что обеспечивает более широкий диапазон входного напряжения. Максимальное рабочее напряжение прямого преобразователя с двумя переключателями приближается к номинальному напряжению полевого транзистора, тогда как максимальное рабочее напряжение преобразователя прямого хода с одним переключателем составляет только половину номинального напряжения полевого транзистора.

Еще одно преимущество состоит в том, что топология с двумя переключателями не требует вспомогательной обмотки сброса, поэтому можно использовать более простую (и более дешевую) конструкцию трансформатора прямого режима.

Каковы типичные применения трансформатора прямого режима?

Трансформаторы прямого режима

подходят для многих приложений, в том числе:

  • Источники питания DC-DC
  • Портативная электроника
  • Телеком
  • Светодиодное освещение
  • Питание через Ethernet (PoE)
  • Источники питания AC-DC

Стандартные трансформаторы прямого режима доступны для многих приложений, где требуются низкая стоимость, небольшие размеры и высокий КПД.Обычно они используются в контроллерах постоянного и переменного тока в диапазоне напряжений электросвязи (телекоммуникации) от 36 до 72 В постоянного тока, иногда при расширенных напряжениях в диапазоне от 9 до 36 В постоянного тока.

Трансформаторы прямого режима обычно используются для выходного тока примерно до 15 А и выходной мощности примерно до 300 Вт. Компания Coilcraft предлагает стандартные готовые трансформаторы с проволочной обмоткой прямого режима с допустимой мощностью от нескольких ватт до 60 ватт. Когда требуются более высокие ток и мощность, Coilcraft также предлагает стандартные планарные трансформаторы для прямолинейных, двухтактных или полумостовых / полномостовых топологий с номинальной мощностью от 30 Вт до 800 Вт.

Как выбрать трансформатор прямого режима Coilcraft, который наилучшим образом соответствует требованиям моего приложения?

Как и в случае с любым другим электронным компонентом, выбор трансформаторов прямого режима требует от вас оценки и уравновешивания множества конкурирующих компромиссов в характеристиках компонентов, размере, эффективности, стоимости и весе.

Мощные аккумуляторы, мощные / сильноточные приложения обычно требуют больших трансформаторов, чтобы избежать насыщения сердечника. Высокий выходной ток требует большого сечения провода, чтобы избежать перегрева изоляции провода.Для больших сердечников требуются большие катушки с большей средней длиной намотки, что приводит к более высокому DCR. Высокие частоты переключения могут уменьшить размер компонента из-за более низких требований к индуктивности, но потери в сердечнике увеличиваются с увеличением частоты, что приводит к снижению эффективности. Потери в сердечнике и обмотке обычно увеличиваются с уменьшением размера, поэтому попытки использовать трансформатор, который слишком мал для данного применения, могут привести к перегреву. Стандартные передние трансформаторы Coilcraft предназначены для оптимизации этих конкурирующих требований, в результате чего получается компактный, эффективный и экономичный трансформатор.

Coilcraft предлагает полезное руководство по выбору подходящего готового обратноходового трансформатора на основе:

  1. Требуемый диапазон входного напряжения трансформатора (В мин в худшем случае)
  2. Требуемое выходное напряжение (я)
  3. Требуемый выходной среднеквадратичный ток или мощность. Приблизительная выходная мощность: P на выходе = В на выходе × I на выходе .

Coilcraft отображает трансформаторы прямого режима с проволочной обмоткой в ​​порядке возрастания выходной мощности.Найдите подходящую номинальную мощность, а затем найдите свой диапазон входного и выходного напряжения. Если ваша потребляемая мощность превышает 60 Вт, или если требуется трансформатор планарного типа, выберите один из множества имеющихся в наличии планарных трансформаторов.

Не забудьте про выходной индуктор — L out

Всем прямым преобразователям требуется выходной дроссель (L из ), как показано на схемах выше. Coilcraft предлагает руководства и инструменты для выбора индуктора, такие как инструмент Power Inductor Finder, который поможет вам найти нужный индуктор на основе значения индуктивности и номинального тока.Попробуйте наш поиск индукторов мощности прямо сейчас.

Трансформаторы прямого режима показаны в порядке возрастания выходной мощности. Сначала найдите соответствующую номинальную мощность, затем диапазон входного напряжения и, наконец, выходное напряжение.

Список литературы

Маммано, Роберт А., 2017. Основы проектирования источников питания . Инструменты Техаса.

Диксон, Ллойд Х., 2001. Магнитный дизайн для импульсных источников питания . Справочник по дизайну Unitrode Magnetics.

полковник Вм.T. McLyman, 1988. Справочник по проектированию трансформаторов и индукторов . 2-е изд., Марсель Деккер.

Инструменты

Искатель силового индуктора

Примечания к приложению

Структурированная конструкция импульсных силовых трансформаторов, документ Coilcraft 627

Что дальше

Подробнее: Начало работы Серия

% PDF-1.5 % 465 0 объект > эндобдж xref 465 116 0000000016 00000 н. 0000003973 00000 н. 0000004101 00000 п. 0000004137 00000 п. 0000005793 00000 н. 0000006100 00000 н. 0000006237 00000 н. 0000006372 00000 п. 0000006509 00000 н. 0000006644 00000 н. 0000006779 00000 п. 0000006916 00000 н. 0000007051 00000 н. 0000007188 00000 п. 0000007323 00000 н. 0000007458 00000 н. 0000007595 00000 н. 0000007730 00000 н. 0000007867 00000 н. 0000008002 00000 н. 0000008137 00000 н. 0000008274 00000 н. 0000008409 00000 п. 0000008544 00000 н. 0000008681 00000 п. 0000008816 00000 н. 0000008951 00000 п. 0000009086 00000 н. 0000009222 00000 п. 0000009357 00000 н. 0000009494 00000 н. 0000009629 00000 н. 0000009764 00000 н. 0000009899 00000 н. 0000010034 00000 п. 0000010171 00000 п. 0000010306 00000 п. 0000010443 00000 п. 0000010578 00000 п. 0000010713 00000 п. 0000010850 00000 п. 0000010985 00000 п. 0000011518 00000 п. 0000012082 00000 п. 0000012546 00000 п. 0000012887 00000 п. 0000013499 00000 п. 0000013536 00000 п. 0000014068 00000 п. 0000014646 00000 п. 0000014760 00000 п. 0000014845 00000 п. 0000015358 00000 п. 0000015792 00000 п. 0000016856 00000 п. 0000017931 00000 п. 0000019279 00000 н. 0000020741 00000 п. 0000022097 00000 п. 0000022721 00000 п. 0000023264 00000 н. 0000023361 00000 п. 0000024055 00000 п. 0000024742 00000 п. 0000025305 00000 п. 0000026027 00000 н. 0000026130 00000 н. 0000026242 00000 п. 0000027368 00000 н. 0000028199 00000 п. 0000028954 00000 п. 0000034301 00000 п. 0000035402 00000 п. 0000040905 00000 п. 0000043261 00000 п. 0000048619 00000 п. 0000054229 00000 п. 00000 00000 п. 00000 00000 п. 0000094525 00000 п. 0000094615 00000 п. 0000094705 00000 п. 0000094795 00000 п. 0000094885 00000 п. 0000094975 00000 п. 0000095065 00000 п. 0000095155 00000 п. 0000095245 00000 п. 0000095335 00000 п. 0000095425 00000 п. 0000095515 00000 п. 0000095605 00000 п. 0000095695 00000 п. 0000095785 00000 п. 0000095875 00000 п. 0000095965 00000 п. 0000096055 00000 п. 0000096145 00000 п. 0000096235 00000 п. 0000096325 00000 п. 0000096415 00000 п. 0000096505 00000 п. 0000096595 00000 п. 0000096685 00000 п. 0000096775 00000 п. 0000096865 00000 п. 0000096955 00000 п. 0000097045 00000 п. 0000097135 00000 п. 0000097225 00000 п. 0000097315 00000 п. 0000097405 00000 п. 0000097495 00000 п. 0000097585 00000 п. 0000097675 00000 п. 0000002616 00000 н. трейлер ] / Назад 2864478 >> startxref 0 %% EOF 580 0 объект > поток h ެ TkpU> @yP | 8 * I [PUwL2 + C) 7RJXmj *! QjZ (- «Z (Ep? $% eq77s9νw0F

Использование трансформаторов в LTspice / Switcher CAD III

) Трансформаторы

являются ключевым компонентом многих конструкций импульсных регуляторов, обеспечивая изолирующий барьер в опасных системах большой мощности, обеспечивая очень высокие коэффициенты понижения или повышения в высоковольтных схемах и (с дополнительной обмоткой) легко размещая несколько или инвертирующих выходов. .В обратных преобразователях, преобразователях вперед и SEPIC используются трансформаторы. В этой статье рассказывается, что вам нужно знать, чтобы добавить трансформаторы в симуляции LTspice / SwitcherCAD III.

О LTspice / SwitcherCAD III

LTspice / SwitcherCAD III — это мощный инструмент моделирования SPICE со встроенным схематическим захватом. В отличие от многих других бесплатных симуляторов, LTSpice является универсальным инструментом без ограничений. LTspice включает модели для большинства импульсных преобразователей постоянного / постоянного тока Linear Technology, а также библиотеку устройств для общего моделирования аналоговых схем, включая операционные усилители, компараторы, линейные регуляторы и дискретные устройства.LTspice / SwitcherCAD III можно бесплатно загрузить здесь.

На рисунке 1 показана основная методика. Можно просто нарисовать каждую обмотку трансформатора как индуктор и соединить индукторы с помощью директивы SPICE, называемой K-оператором (например, «K1 L1 L2 1».)

Рис. 1. Чтобы добавить трансформатор к вашей модели LTSpice / SwitcherCAD III, просто нарисуйте две катушки индуктивности и добавьте оператор «K» для соединения катушек индуктивности.

Чтобы добавить директиву, выберите «Директива SPICE» в меню «Правка».Это позволяет вам размещать текст на схеме, которая включена в список соединений SPICE. Как только катушка индуктивности упоминается в K-выражении, LTspice использует символ катушки индуктивности с видимой точкой фазирования, чтобы указать фазировку каждой обмотки.

Установка коэффициента трансформации трансформатора — это просто вопрос выбора правильных значений индуктивности. Помните, что индуктивность пропорциональна квадрату отношения витков. В приведенном выше примере отношение витков 1: 3 дает отношение индуктивности 1: 9.

Последняя запись K-оператора — это коэффициент взаимной связи.Это шкала от 0 до 1, где 1 означает идеальное соединение между катушками индуктивности (то есть отсутствие индуктивности рассеяния). Индуктивность утечки обычно нежелательна в практических схемах. Например, в трансформаторах, предназначенных для хранения энергии, таких как обратный преобразователь, индуктивность рассеяния не позволяет вторичной обмотке удалить всю энергию, накопленную первичной. В трансформаторе без накопления энергии импеданс индуктивности рассеяния может ограничивать, насколько хорошо вторичная обмотка может экранировать сердечник от первичного тока, устанавливая жесткий предел того, сколько энергии может быть преобразовано через трансформатор.В любом случае индуктивность рассеяния может вызвать нежелательные всплески напряжения или звон, что может привести к необходимости использования демпфирующих цепей и связанных с ними потерь энергии. Мы вернемся к индуктивности рассеяния позже, но для начального моделирования проще и часто бывает достаточно игнорировать индуктивность рассеяния, установив коэффициент взаимной связи равным 1.

Если у вас есть трансформатор с более чем одной первичной и одной вторичной обмотками, вы должны убедиться, что учтены все взаимные индуктивности.Рассмотрим трансформатор с четырьмя обмотками; L1, L2, L3 и L4. Распространенной ошибкой является добавление только трех взаимных связей с тремя отдельными К-образными формулами для такого трансформатора с четырьмя обмотками:

K1 L1 L2 1
K2 L2 L3 1
K3 L3 L4 1

LTspice скажет вам, что этот трансформатор невозможен, поскольку невозможно идеально соединить L1 с L2, а L2 идеально соединить с L3 без некоторой связи между L1 и L3. Да, две катушки индуктивности могут не иметь взаимной индуктивности, но иметь некоторую связь с третьей, но есть ограничения на то, насколько хорошо они могут быть связаны с этой третьей.LTspice анализирует матрицу коэффициентов взаимной связи и определяет, являются ли ваши коэффициенты связи физически реализуемыми.

Трансформатор с четырьмя обмотками обычно имеет шесть ненулевых взаимных индуктивностей:

K1 L1 L2 1
K2 L1 L3 1
K3 L1 L4 1
K4 L2 L3 1
K5 L2 L4 1
K6 L3 L4 1

Обычно количество взаимных индуктивностей в трансформаторе с N обмотками составляет N • (N — 1) / 2. Обратите внимание, что число растет как N в квадрате, так же как индуктивность каждой отдельной обмотки пропорциональна квадрату количества витков.

Перестановка всех имен катушек индуктивности вручную для генерации отдельных операторов взаимной связи для каждой взаимной индуктивности в лучшем случае утомительна и, как правило, подвержена ошибкам. Лучше использовать один K-оператор, в котором упоминаются все катушки индуктивности, намотанные на одном сердечнике, и позволяющий LTspice выполнять работу:

К1 L1 L2 L3 L4 1

LTspice понимает это как то, что все эти индукторы связаны друг с другом одним и тем же коэффициентом взаимной связи. На рис. 2 показан этот метод, используемый в трансформаторе с четырьмя обмотками, сконфигурированном как автотрансформатор путем последовательного соединения обмоток.

Рис. 2. Чтобы добавить трансформатор с более чем двумя обмотками, добавьте оператор «K», который включает все связанные индукторы.

Вы можете смоделировать эффекты индуктивности рассеяния, чтобы рассмотреть конструкции демпфера или определить время коммутации преобразователя с резонансным переключением. Есть два способа добавить к вашей модели индуктивность рассеяния. Вы можете либо подключить дополнительные индукторы последовательно с выводами индукторов обмотки — очень прямой подход — либо использовать коэффициент взаимной связи меньше единицы.Индуктивность рассеяния L LEAK может быть связана с индуктивностью обмотки L и коэффициентом связи K следующим уравнением:

Если K близко к 1, оба метода электрически эквивалентны.

Одно предостережение: усилия по моделированию значительно возрастают, когда добавляется утечка, потому что после добавления индуктивности рассеяния к моделированию вам также необходимо смоделировать емкости, которые могут звенеть вместе с ней, и потери, ограничивающие добротность звона чтобы получить какое-либо согласие между смоделированными и измеренными эффектами.По этой причине я обычно рекомендую начинать моделирование без какой-либо индуктивности рассеяния, а затем добавлять ее позже, если вы чувствуете, что вам нужно исследовать неидеальное поведение из-за индуктивности рассеяния в трансформаторе.

Чтобы смоделировать трансформатор в ваших симуляциях LTspice / SwitcherCAD III, просто нарисуйте каждую обмотку трансформатора как отдельную катушку индуктивности. Затем добавьте в схему директиву SPICE вида K1 L1 L2 L3 … 1.. Вот и все!

Чтобы получить пример файла моделирования с использованием связанных индукторов в преобразователе SEPIC, посетите страницу продукта для контроллера LTC1871 и щелкните вкладку «Моделирование», чтобы получить готовую к запуску демонстрационную схему.

.
Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *