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.

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.

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:

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:

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 :

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

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.

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

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)

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.

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)

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.

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:

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:

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.

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:

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:

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

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».

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:

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

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):

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.

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.

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.

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 °:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

ТРАНСФОРМАТОРЫ

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.

(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).

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.

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.

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)).

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

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.

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?

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.

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?

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.

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