Назначение и принцип действия трансформатора: Силовые трансформаторы: определение, классификация и принцип работы

Содержание

§63. Назначение и принцип действия трансформатора

Назначение трансформатора.

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Трансформаторы позволяют значительно повысить напряжение, вырабатываемое источниками переменного тока, установленными на электрических станциях, и осуществить передачу электроэнергии на дальние расстояния при высоких напряжениях (110, 220, 500, 750 и 1150 кВ). Благодаря этому сильно уменьшаются потери энергии в проводах и обеспечивается возможность значительного уменьшения площади сечения проводов линий электропередачи.

В местах потребления электроэнергии высокое напряжение, подаваемое от высоковольтных линий электропередачи, снова понижается трансформаторами до сравнительно небольших значений (127, 220, 380 и 660 В), при которых работают электрические потребители, установленные на фабриках, заводах, в депо и жилых домах.

На э. п. с. переменного тока трансформаторы применяют для уменьшения напряжения, подаваемого из контактной сети к тяговым двигателям и вспомогательным цепям.

Кроме трансформаторов, применяемых в системах передачи и распределения электроэнергии, промышленностью выпускаются трансформаторы: тяговые (для э. п. с), для выпрямительных установок, лабораторные с регулированием напряжения, для питания радиоаппаратуры и др. Все эти трансформаторы называют силовыми.

Трансформаторы используют также для включения электроизмерительных приборов в цепи высокого напряжения (их называют измерительными), для электросварки и других целей. Трансформаторы бывают однофазные и трехфазные, двух- и многообмоточные.

Принцип действия трансформатора.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из стального магнитопровода 2 (рис. 212) и двух расположенных на нем обмоток 1 и 3.

Рис. 212. Схема включения однофазного трансформатора

Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны. К одной из обмоток подается электрическая энергия от источника переменного тока. Эту обмотку называют первичной. К другой обмотке, называемой

вторичной, подключают потребители (непосредственно или через выпрямитель).

При подключении трансформатора к источнику переменного тока (электрической сети) в витках его первичной обмотки протекает переменный ток i₁, образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные э. д. с. е₁ и е₂. Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием э. д. с. е₂ по ее цепи проходит ток i₂.

Э. д. с, индуцированная в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его изменения. Магнитный поток каждого трансформатора является определенной величиной, зависящей от напряжения и частоты изменения переменного тока в источнике, к которому подключен трансформатор.

Постоянна также и скорость изменения магнитного потока, она определяется частотой изменения переменного тока.

Следовательно, в каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая э. д.с. В результате этого отношение действующих значений э. д. с. Е

1 и E₂, индуцированных в первичной и вторичной обмотках трансформатора, будет равно отношению чисел витков N₁ и N₂ этих обмоток, т. е.

E₁/E₂ = N₁/ N₂.

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

n = Е_вн / E_нн = K_вн / K_нн.

Коэффициент трансформации всегда больше единицы. Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (в трансформаторах средней и большой мощности они не превышают обычно 2—5 % номинальных значений напряжений U

1 и U₂), то можно считать, что отношение напряжения U₁ первичной обмотки к напряжению U₂ вторичной обмотки приблизительно равно отношению чисел их витков, т.

е.

U₁/U₂ ≈ N₁/ N₂

Таким образом, подбирая требуемое соотношение между числами витков первичной и вторичной обмоток, можно увеличивать или уменьшать напряжение на приемнике, подключенном к вторичной обмотке. Если необходимо на вторичной обмотке получить напряжение большее, чем подается на первичную, то применяют повышающие трансформаторы, у которых число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной.

В понижающих трансформаторах, наоборот, число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной.

Трансформатор не может осуществить преобразование напряжения постоянного тока. При подключении его первичной обмотки к сети постоянного тока в трансформаторе создается постоянный по величине и направлению магнитный поток, который не может индуцировать э. д. с. в первичной и вторичной обмотках. Поэтому не будет происходить передачи электрической энергии из первичной обмотки во вторичную.

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока через эту обмотку проходит некоторый ток, называемый

током холостого хода. При включении нагрузки по вторичной обмотке трансформатора начинает проходить ток, при этом увеличивается и ток, проходящий по первичной обмотке.

Чем больше нагрузка трансформатора, т. е. электрическая мощность и ток i₂, отдаваемые его вторичной обмоткой подключенным к ней приемникам, тем больше электрическая мощность и ток i₁, поступающие из сети в первичную обмотку.

Ввиду того что потери мощности в трансформаторе обычно малы, можно приближенно принять, что мощности в первичной и вторичной обмотках одинаковы. В этом случае можно считать, что токи в обмотках трансформатора приблизительно обратно пропорциональны напряжениям: I

1/I₂ ≠ U₂/U₁ или что токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числам витков первичной и вторичной обмоток: I₁/I₂ ≠ N₂/N₁.

Это означает, что в повышающем трансформаторе ток во вторичной обмотке меньше, чем в первичной (во столько раз, во сколько напряжение U₂ больше напряжения U₁), а в понижающем ток во вторичной обмотке больше, чем в первичной.

Поэтому в трансформаторах обмотки высшего напряжения выполняются из более тонких проводов, чем обмотки низшего напряжения.

режимы, схема, назначение, из чего состоит

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

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

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного электрического тока одного напряжения и определенной частоты в электрический ток другого напряжения и той же частоты.
Работа любого трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции, открытой Фарадеем.

Назначение трансформаторов

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

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

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

Самый распространенный вид трансформаторов – силовые трансформаторы. Они предназначены для преобразования напряжения в электрических цепях.

Помимо силовых трансформаторов в различных электронных приборах применяются:

импульсные трансформаторы;
силовые трансформаторы;
трансформаторы тока.

Принцип работы трансформатора

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

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

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

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

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

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

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

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

Идеальный трансформатор

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

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

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

Потери энергии в трансформаторе

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

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

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

Трансформаторы. Описание, типы, классификация трансформаторов. Измерительные, силовые, импульсные трансформаторы.

Электрический трансформатор — это устройство, предназначенное для изменения величины напряжения в сети переменного тока. Принцип действия трансформаторов основан на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока, в обмотках генерируется магнитное поле, которые взывает ЭДМ во вторичных обмотках. Данная ЭДС пропорциональна числу витков в первичных и вторичных обмотках. Отношение электродвижующей силы в первичной обомотке/вторичной называется коэффициентом трансформации.

Основными элементами конструкции трансформатора являются первичные и вторичные обмотки и ферромагнитный магнитопровод (обычно замкнутого типа). Обмотки расположены на магнитопроводе и индуктивно связаны друг с другом. Использование магнитопровода позволяет саккумулировать большую часть магнитного поля внутри трансформатора, что повышает КПД устройства. Магнитопровод обычно состоит из набора металлических пластин, покрытых изоляцией, для предотвращения возникновения «паразитных» токов внутри магнитопровода.
Зачастую часть вторичной обмотки служит часть первичной и наоборот. Данный тип трансформаторов называют автотрансформаторами. В этом случае концы первичных обмоток подключаются к сети переменного напряжения, а концы вторичной присоединяются к потребителям электроэнергии.

Основная классификация трансформаторов.

По назначению: измерительные трансформаторы тока, напряжения, защитные, лабораторные, промежуточные.
По способу установки: наружные, внутренние, шинные, опорные, стационарные, переносные.
По числу ступеней: одноступенчатные, многоступенчатые (каскадные).
По номинальному напряжения: низковольтные, высоковольтные.
По типу изоляции обмоток: c сухой изоляцией, компаундной, бумажно-маслянной.

Основные типы трансформаторов

Силовые трансформаторы — наиболее распространенный тип электро. трансформаторов. Они предназначены для изменения энергии переменного тока в электросетях энергосистем, в сетях освещения или питания электрооборудования. Применяются для создания комплектных трансформаторных подстанций.
Классифицируются по количеству фаз и номинальному напряжения.
Наиболее известные низковольтные однофазные и трехфазные трансформаторы серии ТП и ОСМ.
Среди высоковольтных трансформаторов, наиболее используемые в данной момент в энергетике, трансформаторы ТМГ-с масляным охлаждением в герметичном баке.. Преимуществами данной серии вляется высокий КПД (до 99%), высокие показатели защиты от перегрева, высокие эксплуатационные характеристики, и минимальное обслуживание во время использования.
Помимо силовых, существуют трансформаторы различных типов и назначения: для измерения больших напряжений и токов (измерительные трансформаторы), для преобразования напряжения синусоидальной формы в импульсное (пик-трансформаторы), для преобразования импульсов тока и напряжения (импульсные трансформаторы), для выделения переменной составляющей тока, для разделения электрических цепей на гальванически не связанные между собой части, для их согласования и т.д.

Измерительные трансформаторы— электротехнические устройства, предназначенные для изменения уровня напряжения с высокой точностью трансформации.
Классифицируются по назначению, изменению уровня напряжения или тока.
Также делятся на низковольтные трансформаторы тока типа Т, 066 ТШ-0,66, ТТИ-066 и Высоковольтные трансформаторы напряжения, такие как НАМИТ и ЗНОЛ.
Вторичные обмотки данных устройств соединены с измерительными устройствами (амперметрами, счетчиками электроэнергии, вольтметрами, фазометрами, реле тока и т.д.) Применение данного оборудования позволяет изолировать измеряющее оборудование от больших токов и напряжений измеряемой цепи, и создает возможность стандартизации измеряющего оборудования.

Автотрансформаторы – устройства, обмотки которого соеденены гальванически между собой. Благодыря малым коэффициентам трансформации, автотрансформаторы имеют меньшие габариты и стоимость оп сравнению с многообмоточными. Из недостатков необходимо отметить невозможность гальванической изоляции цепей.
Основные сферы использования автотрансформаторов – изменение напряжения в пусковых устройствах крупных электрических машин переменного тока, в системах релейной защиты при плавном регулировании напряжения. В случае реализации в конструкции автотрансформатора изменения количества рабочих витков вторичной обмотки, появляется возможность сохранять уровень вторичного напряжения при изменении первичного напряжения. Наибольшее распространение данный данный механизм используется в стабилизаторах напряжения.

Импульсный трансформатор — это устройство с ферромагнитным сердечником, используемый для изменения импульсов тока или напряжения.
Импульсные трансформаторы наиболее часто используются в электронновычислительных устройствах, системах радиолокации, импульсной радиосвязи и т.д. в качестве измерительного устройства в счетчиках электроэнергии.
Основное требование импульсным трансформаторам, — при изменении импульса форма импульса должна сохраняться. Это достигается максимальным уменьшением межвитковой емкости, индуктивности рассеивания за счет использования применением сердечников малой величины, взаимным расположение и уменьшением числа обмоток.

Пик-трансформатор — устройство, изменяющее напряжение синусоидальной формы в импульсное напряжение с изменяющейся через каждые полпериода полярностью. Пик-трансформаторы применяются в качестве генераторов импульсов главным, высоковольтных исследовательских установках и системах автоматики..

Назначение и принцип действия трансформатора напряжения | ТТ и ТН

Трансформаторы напряжения двух- или трехобмоточные предназначены как для измерения напряжения, мощности, энергии, так и для питания цепей автоматики, сигнализации и релейной защиты линий электропередач от замыкания на землю. Трансформаторы напряжения имеют два назначения: изолировать вторичную обмотку НН и, тем самым, обезопасить обслуживающий персонал; понизить измеряемое напряжение до стандартного значения 100; 100ν3; 100/3 В.
Трансформаторы напряжения различают: по числу фаз — однофазные и трехфазные; по числу обмоток — двухобмоточные и трехобмоточные; по классу точности — 0,2; 0,5; 1,0; 3; по способу охлаждения — с масляным охлаждением, с воздушным охлаждением; по способу установки — для внутренней установки, для наружной установки и для КРУ.
На рис. 1 представлена схема включения трансформаторов напряжения с обозначениями первичной и вторичной обмоток. Однофазный двухобмоточный трансформатор напряжения применяется в установках как однофазного, так и трехфазного тока. В последнем случае он включается на линейное напряжение. Один из выводов вторичной обмотки для обеспечения безопасности при обслуживании заземляется.
Основными параметрами трансформаторов напряжения являются:
номинальные напряжения обмоток, т.е. напряжения первичной и вторичной обмоток, указанные на щитке;
номинальный коэффициент трансформации, т. е. отношение номинального первичного напряжения к номинальному вторичному
погрешность по напряжению %
угловая погрешность, т. е. угол между вектором первичного напряжения и повернутым на 180° вектором вторичного напряжения, выраженный в угловых градусах (минутах).

Рис. 1. Однофазный двухобмоточный трансформатор напряжения: а — присоединение трансформатора напряжения к трехфазной сети без нулевого провода; б — расположение выводов (Л-X — выводы ВН; а-х — выводы НН)
На рис. 2 приведен пример изменения погрешности трансформатора напряжения при изменении мощности Бг вторичной нагрузки. Коррекцией напряжения называется преднамеренное изменение коэффициента трансформации в сторону повышения вторичного напряжения, выраженное в процентах. Это достигается уменьшением числа витков первичной обмотки.

Рис. 2. Погрешность по напряжению и угловая погрешность однофазного трансформатора напряжения (сплошные линии с коррекцией числа витков, штриховые линии — без коррекции)
Особо следует сказать о трансформаторах напряжения высокого и сверхвысокого напряжения. Как было отмечено, трансформаторы напряжения передают очень малую мощность, поэтому практически в таких трансформаторах напряжения определяющим является вопрос обеспечения изоляции между первичной и вторичной цепями. Поэтому при напряжениях выше 500 кВ используются так называемые емкостные трансформаторы напряжения, состоящие из емкостного делителя напряжения (двух последовательно соединенных конденсаторов С1 и С2) и понижающего трансформатора, показанных на рис. 3. В современных РУ устанавливаются колонны конденсаторов высокочастотной связи для цепей автоматики и сигнализации. Поэтому, если использовать эту колонку связи CJ и добавить некоторый конденсатор отбора мощности С2, получим емкостной делитель. К конденсатору подключается трансформатор напряжения обычно на 12-15 кВ первичного напряжения. Для устойчивой работы в первичную цепь включается дополнительный реактор LR и высокочастотный заградитель 3. Таким образом, это устройство имеет существенно меньшую стоимость, чем трансформатор напряжения на полное первичное напряжение.

Рис. 3. Практическая схема емкостного трансформатора напряжения

Трансформатор — устройство и принцип работы

Трансформатор – статический электромагнитный аппарат для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, той же частоты. Трансформаторы применяют в электрических цепях при передаче и распределении электрической энергии, а также в сварочных, нагревательных, выпрямительных электроустановках и многом другом.

Трансформаторы различают по числу фаз, числу обмоток, способу охлаждения. В основном используются силовые трансформаторы, предназначенные для повышения или понижения напряжения в электрических цепях.

Устройство и принцип работы

Схема однофазного двухобмоточного трансформатора представлена ниже.

На схеме изображены основные части: ферромагнитный сердечник, две обмотки на сердечнике. Первая обмотка и все величины которые к ней относятся (i1-ток, u1-напряжение, n1-число витков,Ф1 – магнитный поток) называют первичными, вторую обмотку и соответствующие величины — вторичными.

Первичную обмотку включают в сеть с переменным напряжением, её намагничивающая сила i1n1 создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф, который сцеплен с обеими обмотками и в них индуцирует ЭДС e1= -n1 dФ/dt, e2= -n2dФ/dt. При синусоидальном изменении магнитного потока Ф = Фm sinωt , ЭДС равно e = Em sin (ωt-π/2). Для того чтобы посчитать действующее значение ЭДС нужно воспользоваться формулой E=4.44 f n Фm, где f- циклическая частота, n – количество витков, Фm – амплитуда магнитного потока. Причем если вы хотите посчитать величину ЭДС в какой либо из обмоток, нужно вместо n подставить число витков в данной обмотке.

Из приведенных выше формул можно сделать вывод о том, что ЭДС отстает от магнитного потока на четверть периода и отношение ЭДС в обмотках трансформатора равно отношению чисел витков E1/E2=n1/n2.

Если вторая обмотка не находится под нагрузкой, значит трансформатор находится в режиме холостого хода. В этом случае i2 = 0, а u2=E2, ток i1 мал и мало падение напряжения в первичной обмотке, поэтому u1≈E1 и отношение ЭДС можно заменить отношением напряжений u1/u2 = n1/n2 = E1/E2 = k. Из этого можно сделать вывод, что вторичное напряжение может быть меньше или больше первичного, в зависимости от отношения чисел витков обмоток. Отношение первичного напряжения ко вторичному при холостом ходе трансформатора называется коэффициентом трансформации k.

Как только вторичная обмотка подключается к нагрузке, в цепи возникает ток i2, то есть совершается передача энергии от трансформатора, который получает ее из сети, к нагрузке. Передача энергии в самом трансформаторе происходит благодаря магнитному потоку Ф.

Обычно мощность на выходе и мощность на входе приблизительно равны, так как трансформаторы являются электрическими машинами с довольно высоким КПД, но если требуется произвести более точный расчет, то КПД находиться как отношение активной мощности на выходе к активной мощности на входе η = P2/P1.

Магнитопровод трансформатора представляет собой закрытый сердечник собранный из листов электротехнической стали толщиной 0,5 или 0,35мм. Перед сборкой листы с обеих сторон изолируют лаком.

По типу конструкции различают стержневой (Г-образный) и броневой (Ш-образный) магнитопроводы. Рассмотрим их структуру.

Стержневой трансформатор состоит из двух стержней, на которых находятся обмотки и ярма, которое соединяет стержни, собственно, поэтому он и получил свое название. Трансформаторы этого типа применяются значительно чаще, чем броневые трансформаторы.

Броневой трансформатор представляет собой ярмо внутри которого заключается стержень с обмоткой. Ярмо как бы защищает стержень, поэтому трансформатор называется броневым.

Обмотка

Конструкция обмоток, их изоляция и способы крепления на стержнях зависят от мощности трансформатора. Для их изготовления применяют медные провода круглого и прямоугольного сечения, изолированные хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой. Обмотки должны быть прочными, эластичными, иметь малые потери энергии и быть простыми и недорогими в изготовлении.

Охлаждение

В обмотке и сердечнике трансформатора наблюдаются потери энергии, в результате которых выделяется тепло. В связи с этим трансформатору требуется охлаждение. Некоторые маломощные трансформаторы отдают свое тепло в окружающую среду, при этом температура установившегося режима не влияет на работу трансформатора. Такие трансформаторы называют “сухими”, т.е. с естественным воздушным охлаждением. Но при средних и больших мощностях, воздушное охлаждение не справляется, вместо него применяют жидкостное, а точнее масляное. В таких трансформаторах обмотка и магнитопровод помещены в бак с трансформаторным маслом, которое усиливает электрическую изоляцию обмоток от магнитопровода и одновременно служит для их охлаждения. Масло принимает теплоту от обмоток и магнитопровода и отдает ее стенкам бака, с которых тепло рассеивается в окружающую среду. При этом слои масла имеющие разницу в температуре циркулируют, что улучшает теплообмен. Трансформаторам с мощностью до 20-30 кВА хватает охлаждения бака с гладкими стенками, но при больших мощностях устанавливаются баки с гофрированными стенками. Также нужно учитывать что при нагреве масло имеет свойство увеличиваться в объеме, поэтому в высокомощных трансформаторах устанавливают резервные баки и выхлопные трубы (в случае если масло закипит, появятся пары которым нужен выход). В трансформаторах меньшей мощности ограничиваются тем, что масло не заливают до самой крышки.

Читайте также — Приведение обмоток трансформатора

Трансформатор. Устройство и принцип действия трансформатора.

Простейший трансформатор представляет собой устройство, состоящее из стального сердечника и двух обмоток (рис. 1). При подаче в первичную обмотку переменного напряжения, во вторичной обмотке индуцируется ЭДС той же частоты. Если ко вторичной обмотке подключить некоторый электроприемник, то в ней возникает электрический ток и на вторичных зажимах трансформатора устанавливается напряжение, которое несколько меньше, чем ЭДС и в некоторой относительно малой степени зависит от нагрузки. Отношение первичного напряжения ко вторичному (коэффициент трансформации) приблизительно равно отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток.

Рис. 1. Принцип устройства однофазного двухобмоточного трансформатора. 1 первичная обмотка, 2 вторичная обмотка, 3 сердечник. U1 первичное напряжение, U2 вторичное напряжение, I1 первичный ток, I2 вторичный ток, Ф магнитный поток

Простейшие условные обозначения трансформаторов изображены на рис. 2; для наглядности разные обмотки трансформатора можно, как и на рисунке, представить разными цветами.

Рис. 2. Условное обозначение трансформатора в подробных (многолинейных) схемах (a) и в схемах электрических сетей (b)

Трансформаторы могут быть одно- или многофазными, а вторичных обмоток может быть больше одной. В электрических сетях обычно используются трехфазные трансформаторы с одной или двумя вторичными обмотками. Если первичное и вторичное напряжения относительно близки друг другу, то могут использоваться и однообмоточные автотрансформаторы, принципиальные схемы которых представлены на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальные схемы понижающего (a) и повышающего (b) автотрансформаторов

Важнейшими номинальными показателями трансформатора являются его номинальные первичное и вторичное напряжения, номинальные первичный и вторичный ток, а также номинальная вторичная полная мощность (номинальная мощность). Трансформаторы могут изготовляться как на весьма малую мощность (например, для микроэлектронных цепей), так и на очень большую (например, для мощных энергосистем), охватывая диапазон мощностей от 0,1 mVA до 1000 MVA.

Потери энергии в трансформаторе – обусловленные активным сопротивлением обмоток потери в меди и вызванные вихревыми токами и гистерезисом в сердечнике потери в стали – обычно настолько малы, что кпд трансформатора, как правило, выше 99 %. Несмотря на это, тепловыделение в мощных трансформаторах может оказаться настолько сильным, что необходимо прибегать к эффективным способам теплоотвода. Чаще всего активная часть трансформатора размещается в баке, заполненном минеральным (трасформаторным) маслом, который, при необходимости снабжается принудительным воздушным или водяным охлаждением. При мощности до 10 MVA (иногда и выше) могут применяться и сухие трансформаторы, обмотки которых обычно залиты с эпоксидной смолой. Основные преимущества сухих трансформаторов заключаются в более высокой огнебезопасности и в исключении течи трансформаторного масла, благодаря чему они могут без препятствий устанавливаться в любых частях зданий, в том числе на любом этаже. Для измерения переменных тока или напряжения (особенно в случае больших токов и высоких напряжений) часто используются измерительные трансформаторы.

Устройство трансформатора напряжения по своему принципу не отличается от силовых трансформаторов, но работает он в режиме, близком к холостому ходу; коэффициент трансформации в таком случае достаточно постоянен. Номинальное вторичное напряжение таких трансформаторов обычно равно 100 V. Вторичная обмотка трансформатора тока в идеальном случае короткозамкнута и вторичный ток в таком случае пропорционален первичному. Номинальный вторичный ток обычно составляет 5 A, но иногда может быть и меньше (например, 1 A). Примеры условных обозначений трансформаторов тока приведены на рис. 4.

Рис. 4. Условное обозначение трансформатора тока в развернутых схемах (a) и в однолинейных схемах (b)

Первым трансформатором может считаться изготовленное Майклом Фарадеем (Michael Faraday) индукционное кольцо (англ. induction ring), состоящее из кольцевого стального сердечника и двух обмоток, при помощи которого он 29 августа 1831 года открыл явление электромагнитной индукции (рис. 5). Во время быстрого переходного процесса, возникающего при включении или отключении первичной обмотки, соединенной с источником постоянного тока, во вторичной обмотке индуцируется импульсная ЭДС. Такое устройство может поэтому называться импульсным или транзиентным трансформатором.

Рис. 5. Принцип устройства транзиентного трансформатора Майкла Фарадея. i1 первичный ток, i2 вторичный ток, t время

Исходя из открытия Фарадея, учитель физики колледжа города Маргнута (Margnooth) около Дублина (Dublin, Ирландия) Николас Келлан (Nicholas Callan, 1799–1864) построил в 1836 году индукционную катушку (искровой индуктор), состоящий из прерывателя и трансформатора; это устройство позволяло преобразовать постоянный ток в переменный ток высокого напряжения и вызывать длинные искровые разряды. Индукционные катушки стали быстро усовершенствоваться и в 19-м веке широко применялись при исследовании электрических разрядов. К ним могут быть отнесены и катушки зажигания современных автомобилей. Первый трансформатор переменного тока запатентовал в 1876 году живший в Париже русский электротехник Павел Яблочков, использовав его в цепях питания своих дуговых ламп. Сердечник трансформатора Яблочкова представлял собой прямой пучок стальных проволок, вследствие чего магнитная цепь была не замкнутой, как у Фарадея, а открытой, и в других установках такой трансформатор применять не стали. В 1885 году инженеры-электрики Будапештского завода Ганц и Компания (Ganz & Co.) Макс Дери (Max Deri, 172 1854–1938), Отто Титуш Блати (Otto Titus Blathy, 1860–1939) и Кароль Зиперновски (Karoly Zipernovsky, 1853–1942) изготовили трансформатор с тороидальным проволочным сердечником и заодно разработали систему распределения электроэнергии на переменном токе, основанную на применении этих трансформаторов. Трансформатор с еще лучшими свойствами, сердечник которого собирался из Е- и I-образных стальных листов, создал в том же году американский электротехник Уильям Стенли (William Stanley, 1858–1916), после чего началось быстрое развитие систем переменного тока как в Европе, так и в Америке. Первый трехфазный трансформатор построил в 1889 году Михаил Доливо-Добровольский.

Принцип действия трансформатора — назначение, устройство и классификация

Принцип действия:

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

схема работы

Явление взаимной индукции, является основой работы трансформатора:

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

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

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

Использование их различно:

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

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

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

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

Назначение и типы

трехфазный трансформатор

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

Они могут быть:

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

Назначение прибора: передаёт и распределяет электроэнергию заказчику.

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

Обвивку используют непрерывную, винтовую, цилиндрическую, дисковую.

Среди современных изделий можно отметить следующие:

тороидальные;
броневые;
стержневые;

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

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

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

система охлаждения;
обвивка;
магнитопровод;

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

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

Область применения и виды

трансформатор в телевизоре

Бытовые трансформаторы защищают технику при перепадах напряжения.

Поэтому применяют их в следующих приборах:

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

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

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

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

Виды:

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

Немного из истории

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

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

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

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

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

Статья была полезна?

0,00 (оценок: 0)

Принцип работы трансформатора

, конструкция, типы, применение

Большинство электронных схем, используемых на Circuitstoday. com, имеют различные применения трансформатора. Поэтому важно знать принцип работы, конструкцию и типы трансформаторов, используемых в различных аналоговых схемах.

Что такое трансформатор?

Трансформатор можно определить как статическое устройство, которое помогает преобразовывать электрическую мощность в одной цепи в электрическую энергию той же частоты в другой цепи.Напряжение в цепи можно повышать или понижать, но с пропорциональным увеличением или уменьшением номинального тока. В этой статье мы узнаем об основах работы трансформатора

Трансформатор — принцип работы

Основной принцип работы трансформатора — это взаимная индуктивность между двумя цепями, которая связана общим магнитным потоком. Базовый трансформатор состоит из двух катушек, которые электрически разделены и индуктивны, но связаны магнитным полем через путь сопротивления.Принцип работы трансформатора можно понять из рисунка ниже.

Трансформатор рабочий

Как показано выше, электрический трансформатор имеет первичную и вторичную обмотки. Пластины сердечника соединены в виде полос, между которыми вы можете видеть, что есть узкие зазоры прямо через поперечное сечение сердечника. Эти смещенные суставы называются «черепичными». Обе катушки имеют высокую взаимную индуктивность. Взаимная электродвижущая сила индуцируется в трансформаторе из-за переменного потока, который создается в многослойном сердечнике из-за катушки, которая подключена к источнику переменного напряжения.Большая часть переменного потока, создаваемого этой катушкой, связана с другой катушкой и, таким образом, создает взаимно индуцированную электродвижущую силу. Возникающая таким образом электродвижущая сила может быть объяснена с помощью законов электромагнитной индукции Фарадея как

e = M * dI / dt

Если цепь второй катушки замкнута, в ней протекает ток и, таким образом, электрическая энергия передается магнитным путем от первой катушки ко второй.

Подача переменного тока подается на первую катушку, поэтому ее можно назвать первичной обмоткой. Энергия отбирается из второй катушки и, таким образом, может называться вторичной обмоткой.

Вкратце, трансформатор выполняет следующие операции:

Передача электроэнергии из одной цепи в другую.
Передача электроэнергии без изменения частоты.
Передача с принципом электромагнитной индукции.
Две электрические цепи связаны взаимной индукцией.

Строительство трансформатора

Для простой конструкции трансформатора вам понадобятся две катушки с взаимной индуктивностью и многослойный стальной сердечник.Две катушки изолированы друг от друга и от стального сердечника. Устройству также потребуется подходящий контейнер для собранного сердечника и обмоток, среда, с помощью которой можно изолировать сердечник и его обмотки из контейнера.

Чтобы изолировать и вывести выводы обмотки из резервуара, необходимо использовать подходящие вводы, изготовленные из фарфора или конденсаторного типа.

Во всех трансформаторах, которые используются в промышленных масштабах, сердечник сделан из листовой стали трансформатора, собранной для обеспечения непрерывного магнитного пути с минимальным воздушным зазором. Сталь должна иметь высокую проницаемость и низкие потери на гистерезис. Для этого сталь должна быть изготовлена с высоким содержанием кремния и подвергаться термообработке. Эффективное ламинирование сердечника позволяет снизить вихретоковые потери. Ламинирование может быть выполнено с помощью тонкого слоя лака для стержневых плит или наложения оксидного слоя на поверхность. Для частоты 50 Гц толщина ламинации варьируется от 0,35 мм до 0,5 мм для частоты 25 Гц.

Типы трансформаторов

Типы по дизайну

Типы трансформаторов различаются по способу размещения первичной и вторичной обмоток вокруг многослойного стального сердечника.По конструкции трансформаторы можно разделить на два:

1. Трансформатор с сердечником

В трансформаторе с сердечником обмотки подводятся к значительной части сердечника. Катушки, используемые в этом трансформаторе, имеют цилиндрическую намотку и намотку. Такой тип трансформатора может быть применим как для малогабаритных, так и для крупногабаритных трансформаторов. В типе небольшого размера сердечник будет прямоугольной формы, а используемые катушки — цилиндрическими.На рисунке ниже показан шрифт большого размера. Вы можете видеть, что круглые или цилиндрические катушки намотаны таким образом, чтобы соответствовать крестообразной части сердечника. В случае круглых цилиндрических катушек они имеют значительное преимущество в виде хорошей механической прочности. Цилиндрические змеевики будут иметь разные слои, и каждый слой будет изолирован от другого с помощью таких материалов, как бумага, ткань, микарта-картон и так далее. Общее расположение трансформатора с сердечником относительно сердечника показано ниже.Показаны обмотки как низкого (LV), так и высокого (HV) напряжения.

Трансформатор с сердечником Крестообразное сечение Трансформаторы с сердечником

Обмотки низкого напряжения располагаются ближе к сердечнику, поскольку их легче всего изолировать. Эффективная площадь сердечника трансформатора может быть уменьшена за счет использования пластин и изоляции.

2. Трансформатор корпусного типа

В трансформаторах кожухового типа сердечник окружает значительную часть обмоток. Сравнение показано на рисунке ниже.

Обмотка трансформатора с сердечником и оболочкой

Катушки имеют формную намотку, но представляют собой многослойные диски, обычно намотанные в виде блинов. Бумага используется для изоляции различных слоев многослойных дисков. Вся обмотка состоит из дисков, уложенных друг на друга с изоляционными промежутками между катушками. Эти изоляционные пространства образуют горизонтальные охлаждающие и изолирующие каналы. Такой трансформатор может иметь форму простого прямоугольника или также может иметь распределенную форму. Обе конструкции показаны на рисунке ниже:

Трансформаторы корпусного типа Прямоугольная форма Трансформаторы корпусного типа Распределенная форма

Сердечники и катушки трансформаторов должны быть усилены жесткими механическими связями.Это поможет свести к минимуму перемещение устройства, а также предотвратит повреждение изоляции устройства. Трансформатор с хорошей фиксацией не будет издавать гудящего шума во время работы, а также уменьшит вибрацию.

Для трансформаторов должна быть предусмотрена специальная платформа. Обычно устройство помещается в плотно пригнанные емкости из листового металла, заполненные специальным изоляционным маслом. Это масло необходимо для циркуляции через устройство и охлаждения змеевиков. Он также обеспечивает дополнительную изоляцию устройства, когда оно находится в воздухе.

Возможны случаи, когда гладкая поверхность резервуара не сможет обеспечить необходимую площадь охлаждения. В таких случаях борта бака гофрированы или собраны с радиаторами по бокам устройства. Масло, используемое для охлаждения, должно быть абсолютно свободным от щелочей, серы и, самое главное, влаги. Даже небольшое количество влаги в масле приведет к значительному изменению изоляционных свойств устройства, так как это в значительной степени снижает электрическую прочность масла.

С математической точки зрения, присутствие примерно 8 частей воды на 1 миллион снижает изоляционные качества масла до значения, которое не считается стандартным для использования. Таким образом, резервуары защищены герметичным уплотнением в меньших единицах. При использовании больших трансформаторов герметичный метод реализовать практически невозможно. В таких случаях предусмотрены камеры для масла, чтобы расширяться и сжиматься при повышении и понижении его температуры.

Эти сапуны образуют барьер и препятствуют контакту атмосферной влаги с маслом.Также необходимо соблюдать особую осторожность, чтобы не кататься на санках. Селивание происходит, когда масло разлагается из-за чрезмерного воздействия кислорода во время нагрева. Это приводит к образованию больших отложений темного и тяжелого вещества, которые забивают охлаждающие каналы в трансформаторе.

Качество, долговечность и обращение с этими изоляционными материалами определяют срок службы трансформатора. Все выводы трансформатора выведены из корпусов через подходящие вводы. Их существует множество конструкций, их размер и конструкция зависят от напряжения на выводах.Фарфоровые вводы могут использоваться для изоляции выводов трансформаторов, которые используются при умеренном напряжении. В трансформаторах высокого напряжения используются маслонаполненные вводы или вводы емкостного типа.

Выбор между типом сердечника и оболочки осуществляется путем сравнения стоимости, поскольку аналогичные характеристики могут быть получены от обоих типов. Большинство производителей предпочитают использовать трансформаторы кожухового типа для высоковольтных систем или для многообмоточных конструкций. По сравнению с сердечником, оболочка имеет большую среднюю длину витка катушки.Другие параметры, которые сравниваются при выборе типа трансформатора, — это номинальное напряжение, номинальная сила тока в киловольтах, вес, напряжение изоляции, распределение тепла и т. Д.

Трансформаторы

также можно классифицировать по типу используемого охлаждения. Различные типы в соответствии с этой классификацией:

Типы трансформаторов по методу охлаждения

1. Самоохлаждающийся с масляным наполнением

В маслонаполненном типе с самоохлаждением используются распределительные трансформаторы малых и средних размеров. Собранные обмотки и сердечник таких трансформаторов устанавливаются в сварные маслонепроницаемые стальные резервуары, снабженные стальной крышкой. Резервуар заполняется очищенным высококачественным изоляционным маслом, как только сердечник возвращается на свое место. Масло помогает передавать тепло от сердечника и обмоток к корпусу, откуда оно излучается в окружающую среду.

Для трансформаторов меньшего размера резервуары обычно имеют гладкую поверхность, но для трансформаторов большого размера требуется большая площадь теплового излучения, и это тоже без нарушения кубической емкости резервуара.Это достигается частым рифлением корпусов. Еще более крупные размеры снабжены радиацией или трубами.

2. Тип с масляным водяным охлаждением

Этот тип используется для гораздо более экономичного строительства больших трансформаторов, так как описанный выше метод с самоохлаждением очень дорог. Здесь используется тот же метод — обмотки и сердечник погружаются в масло. Единственное отличие состоит в том, что у поверхности масла установлен охлаждающий змеевик, по которому холодная вода продолжает циркулировать.Эта вода уносит тепло от устройства. Эта конструкция обычно реализуется на трансформаторах, которые используются в высоковольтных линиях электропередачи. Самым большим преимуществом такой конструкции является то, что для таких трансформаторов не требуется другого корпуса, кроме собственного. Это значительно снижает затраты. Еще одним преимуществом является то, что техническое обслуживание и осмотр этого типа требуется только один или два раза в год.

3. Тип воздушной струи

Этот тип используется для трансформаторов с напряжением ниже 25 000 вольт.Трансформатор помещен в коробку из тонкого листового металла, открытую с обоих концов, через которую воздух продувается снизу вверх.

E.M.F Уравнение трансформатора Трансформатор ЭДС Equation

Let,

N _A = Количество витков первичной обмотки

N _B = Количество витков вторичной обмотки

Ø _макс. = максимальный поток в сердечнике в перепонках = B _макс. X A

f = Частота переменного тока на входе в герцах (H _Z)

Как показано на рисунке выше, магнитный поток в сердечнике увеличивается от нулевого значения до максимального значения Ø _max за одну четверть цикла, то есть за. Частоты секунды.

Следовательно, средняя скорость изменения потока = Ø _макс. / ¼ f = 4f Ø _макс. Вт / с

Скорость изменения магнитного потока на виток означает наведенную электродвижущую силу в вольтах.

Следовательно, средняя индуцированная электродвижущая сила / оборот = 4f Ø _max вольт

Если поток Ø изменяется синусоидально, то среднеквадратичное значение наведенной ЭДС получается путем умножения среднего значения на коэффициент формы.

Форм-фактор

= среднеквадратичное значение. значение / среднее значение = 1.11

Следовательно, среднеквадратичное значение ЭДС / оборот = 1,11 X 4f Ø _макс. = 4,44f Ø _макс.

Теперь, среднеквадратичное значение наведенной ЭДС во всей первичной обмотке

= (наведенная ЭДС / оборот) X Количество витков первичной обмотки

Следовательно,

E _A = 4,44f N _A Ø _макс. = 4,44fN _A B _м A

Аналогичным образом среднеквадратичное значение наведенной ЭДС во вторичной обмотке равно

E _B = 4.44f N _B Ø _макс = 4,44fN _B B _м A

В идеальном трансформаторе без нагрузки,

В _A = E _A и V _B = E _B, где V _B — напряжение на клеммах

Коэффициент трансформации напряжения (K)

Из приведенных выше уравнений получаем

E _B / E _A = V _B / V _A = N _B / N _A = K

Эта постоянная K известна как коэффициент трансформации напряжения.

(1) Если N _B> N _A, то есть K> 1, то трансформатор называется повышающим трансформатором.

(2) Если N _B <1, то есть K <1, то трансформатор известен как понижающий трансформатор.

И снова идеальный трансформатор,

Вход В _A = выход В _A

В _A I _A = V _B I _B

Или, I _B / I _A = V _A / V _B = 1 / K

Следовательно, токи обратно пропорциональны коэффициенту трансформации (напряжения).

Применение трансформатора

Трансформаторы используются в большинстве электронных схем. У трансформатора всего 3 применения;

Для увеличения напряжения и тока.
Для понижения напряжения и тока
Для предотвращения постоянного тока — трансформаторы могут пропускать только переменный ток, поэтому они полностью предотвращают прохождение постоянного тока в следующую цепь.

Но применение этих трех приложений безгранично, поэтому им можно найти место во многих схемах.

Электрический трансформатор — Основная конструкция, работа и типы

Электрический трансформатор — это статическая электрическая машина, которая преобразует электрическую мощность из одной цепи в другую без изменения частоты. Трансформатор может увеличивать или уменьшать напряжение с соответствующим уменьшением или увеличением тока.

Принцип работы трансформатора

Основной принцип работы трансформатора — это явление взаимной индукции между двумя обмотками, связанными общим магнитным потоком.На рисунке справа показана простейшая форма трансформатора. В основном трансформатор состоит из двух индуктивных катушек; первичная обмотка и вторичная обмотка. Катушки электрически разделены, но магнитно связаны друг с другом. Когда первичная обмотка подключена к источнику переменного напряжения, вокруг обмотки создается переменный магнитный поток.

Сердечник обеспечивает магнитный путь для потока, чтобы соединиться с вторичной обмоткой. Большая часть потока связана с вторичной обмоткой, которая называется «полезным потоком» или основным «потоком», а поток, который не связан с вторичной обмоткой, называется «потоком рассеяния».Поскольку создаваемый поток является переменным (его направление непрерывно меняется), ЭДС индуцируется во вторичной обмотке в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея. Эта ЭДС называется «взаимно индуцированной ЭДС», и частота взаимно индуцированной ЭДС такая же, как и частота подаваемой ЭДС. Если вторичная обмотка представляет собой замкнутую цепь, то через нее протекает взаимно индуцированный ток, и, следовательно, электрическая энергия передается от одной цепи (первичной) к другой цепи (вторичной).

Базовая конструкция трансформатора

В основном трансформатор состоит из двух индуктивных обмоток и многослойного стального сердечника.Катушки изолированы друг от друга, а также от стального сердечника.

Трансформатор также может состоять из контейнера для сборки обмотки и сердечника (называемого баком), подходящих вводов для подключения клемм, маслорасширителя для подачи масла в бак трансформатора для охлаждения и т. Д. На рисунке слева показана основная конструкция трансформатор.
Во всех типах трансформаторов сердечник изготавливается путем сборки (штабелирования) ламинированных листов стали с минимальным воздушным зазором между ними (для обеспечения непрерывного магнитного пути).Используемая сталь имеет высокое содержание кремния и иногда подвергается термообработке для обеспечения высокой проницаемости и низких потерь на гистерезис. Ламинированные стальные листы используются для уменьшения потерь на вихревые токи. Листы нарезаются в форме E, I и L. Чтобы избежать высокого сопротивления в стыках, листы укладываются друг на друга, чередуя стороны стыка. То есть, если стыки сборки первого листа находятся на передней стороне, стыки следующей сборки остаются на задней стороне.

Типы трансформаторов

Трансформаторы можно классифицировать по разным признакам, таким как типы конструкции, типы охлаждения и т.

Д.

(A) По конструкции трансформаторы можно разделить на два типа: (i) трансформатор с сердечником и (ii) трансформатор с корпусом, которые описаны ниже.

(i) Трансформатор с сердечником

В трансформаторе с сердечником обмотки имеют цилиндрическую форму, намотанную на стержни сердечника, как показано на рисунке выше. Цилиндрические катушки имеют разные слои, и каждый слой изолирован друг от друга. Для изоляции можно использовать такие материалы, как бумага, ткань или слюда.Обмотки низкого напряжения располагаются ближе к сердечнику, так как их легче изолировать.

(ii) Трансформатор корпусного типа

Катушки предварительно намотаны и смонтированы слоями с изоляцией между ними. Трансформатор оболочечного типа может иметь простую прямоугольную форму (как показано на рис. Выше) или распределенную форму.

(B) В зависимости от назначения

Повышающий трансформатор: Напряжение увеличивается (с последующим уменьшением тока) на вторичной обмотке.
Понижающий трансформатор: Напряжение уменьшается (с последующим увеличением тока) на вторичной обмотке.

Однофазный трансформатор
Трехфазный трансформатор

(D) На основании их использования

Силовой трансформатор: Используется в сети передачи, высокий рейтинг
Распределительный трансформатор: Используется в распределительных сетях, сравнительно более низкий номинал, чем у силовых трансформаторов.
Измерительный трансформатор: Используется для реле и защиты в различных приборах в промышленности

Трансформатор тока (ТТ)
Трансформатор потенциала (ПТ)

(E) На основе используемого охлаждения

Маслонаполненный самоохлаждаемый тип
Маслонаполненный тип с водяным охлаждением
Воздушного типа (с воздушным охлаждением)

: основы и принципы работы | Основная теория переменного тока (AC)

Трансформатор — один из самых важных компонентов во всех схемах переменного тока. В основном используемые для «переключения» между различными значениями переменного напряжения и тока в энергосистемах, трансформаторы находят применение во многих других типах цепей, включая электронные усилители (для согласования импеданса) и даже цепи датчиков (определение физического положения).

Основные принципы

Прежде чем исследовать работу трансформатора, полезно рассмотреть работу простого индуктора, который представляет собой не что иное, как катушку из проволоки, обычно намотанную на материал ферромагнитного сердечника:

Если мы подадим на эту катушку переменное (AC) напряжение, оно создаст переменное магнитное поле в сердечнике.То, сколько магнитного потока (\ (\ phi \)) будет развиваться в сердечнике, зависит от того, какое напряжение мы прикладываем к катушке. Фундаментальная взаимосвязь между напряжением и магнитным потоком для любой проводящей катушки определяется Законом электромагнитной индукции Фарадея:

\ [V = N {d \ phi \ over dt} \]

Где,

\ (V \) = Напряжение, приложенное к катушке или индуцированное катушкой (вольт)

\ (N \) = Количество витков провода

\ (d \ phi \ over dt \) = Скорость изменения магнитного потока (Веберов в секунду)

Если приложенное напряжение синусоидальное (т. е.е. в форме синусоиды), то величина магнитного потока будет отражать косинусоидальную волну с течением времени. Мы можем продемонстрировать это математически, подставив \ (\ sin \ omega t \) (синус некоторой частоты \ (\ omega \) в любой конкретный момент времени \ (t \)) вместо \ (V \) в уравнении Фарадея и интегрирующий:

\ [V = N {d \ phi \ over dt} \]

\ [\ sin \ omega t = N {d \ phi \ over dt} \]

\ [\ sin \ omega t \> dt = N d \ phi \]

\ [\ int \ sin \ omega t \> dt = \ int N d \ phi \]

\ [\ int \ sin \ omega t \> dt = N \ int d \ phi \]

\ [- {1 \ over \ omega} \ cos \ omega t + \ phi_0 = N \ phi \]

\ [\ phi = — {1 \ over N \ omega} \ cos \ omega t + \ phi_0 \]

Таким образом, величина магнитного потока (\ (\ phi \)) в сердечнике в любой момент времени \ (t \) пропорциональна косинусу частотно-временной функции \ (\ omega t \) плюс любой остаточной магнетизм (\ (\ phi_0 \)), с которого начинался сердечник, до того, как на катушку было приложено какое-либо напряжение.

Величина тока, потребляемого этой катушкой индуктивности, зависит от сопротивления магнитной «цепи» сердечника и количества витков в катушке (\ (N \)). Чем меньше сопротивление, обеспечиваемое магнитным трактом, тем меньший ток потребуется для создания необходимого магнитного поля для балансировки приложенного напряжения. Если бы мы возьмем два совершенных индуктора (то есть без сопротивления провода) — один с тяжелым железным сердечником и один с легким железным сердечником (или даже с воздушным сердечником) — и приложим к ним одинаковое напряжение переменного тока, они оба будут генерировать точно такая же сила переменного магнитного поля, но индуктор с меньшим сердечником будет потреблять больше тока от источника при этом.Другими словами, последняя катушка индуктивности будет иметь меньшее реактивное сопротивление (т.е. меньшее сопротивление) для противодействия току.

Все станет интересно, если мы намотаем вторую катушку провода вокруг того же сердечника, что и первая. Для анализа обозначим полярность напряжения на одном из пиков источника переменного тока:

В тот момент, когда верхний вывод источника положительный, а нижний отрицательный, мы видим, что первая катушка падает на такое же напряжение (из-за самоиндукции), а вторая катушка падает на такое же напряжение, как и колодец (за счет взаимной индукции ).Полярность напряжений обеих катушек идентична, потому что они намотаны в одном направлении вокруг сердечника и испытывают одинаковый магнитный поток (\ (\ phi \)). Однако, когда мы исследуем направления тока через каждую катушку, мы видим, что они противоположны друг другу: левая катушка действует как нагрузка (потребляет энергию от источника переменного напряжения), а правая катушка действует как Источник (обеспечивающий энергией резистивную нагрузку).

Мы создали настоящий трансформатор : электромагнитный компонент, передающий энергию из электрической формы в магнитную и обратно в электрическую форму. Источник переменного напряжения может возбуждать резистивную нагрузку без прямого проводящего соединения между ними, поскольку магнитный поток служит энергетической «связью» между двумя цепями.

обычно изображаются как набор катушек с общим сердечником. Катушка, подключенная к источнику электроэнергии, называется первичной обмоткой , а обмотка, подключенной к электрической нагрузке, называется вторичной обмоткой . Если сердечник ферромагнитный, он отображается в виде набора параллельных линий между катушками:

Эффекты нагрузки

Мы можем исследовать поведение трансформатора, наблюдая за эффектом его питания от источника переменного тока постоянного напряжения и изменяя сопротивление нагрузки:

Посмотрите, как напряжение на обеих катушках не зависит от нагрузки, и точно так же как магнитный поток остается неизменным при различных условиях нагрузки.Вторичная катушка действует как источник напряжения для резистивной нагрузки, отражая характер поведения источника первичной катушки. На амплитуду магнитного потока не влияет вторичная нагрузка, чтобы удовлетворять закону напряжения Кирхгофа и закону Фарадея на первичной катушке: падение напряжения на катушке должно быть равно и противоположно приложенному напряжению источника, поэтому магнитный поток должен меняться с одинаковой скоростью. и достигают тех же пиков, пока напряжение первичного источника не меняется.

Продолжая наше исследование поведения трансформатора, мы теперь подключим его к источнику переменного тока постоянного тока и будем изменять сопротивление нагрузки:

Обратите внимание на то, что ток теперь является незатронутой величиной, а напряжение и магнитный поток зависят от нагрузки.Вторичная катушка теперь действует как источник тока для резистивной нагрузки, отражая характер поведения источника первичной катушки. При изменении сопротивления нагрузки пропорционально изменяется напряжение вторичной катушки, что, в свою очередь, требует соразмерного изменения магнитного потока.

Передаточное отношение

Трансформаторы в основном используются для переключения между различными уровнями напряжения и тока. Это достигается за счет создания трансформатора с первичной и вторичной обмотками, имеющими разное количество витков.Поскольку обе катушки имеют одинаковый магнитный поток, количество витков будет пропорционально тому, сколько напряжения создается на каждой катушке. Мы можем доказать это математически с помощью закона Фарадея, используя \ (d \ phi \ over dt \) как величину, разделяемую между первичной и вторичной обмотками:

\ [V_P = N_P {d \ phi \ over dt} \ hskip 50pt V_S = N_S {d \ phi \ over dt} \]

\ [{V_P \ over N_P} = {d \ phi \ over dt} \ hskip 50pt {V_S \ over N_S} = {d \ phi \ over dt} \]

\ [{V_P \ over N_P} = {V_S \ over N_S} \]

\ [{V_P \ over V_S} = {N_P \ over N_S} \]

То есть отношение первичного напряжения к вторичному такое же, как отношение первичного к вторичному виткам.Мы можем использовать этот принцип для создания трансформаторов, доставляющих одинаковую мощность на два разных сопротивления нагрузки от одного и того же источника питания, с той лишь разницей, что количество витков вторичной обмотки:

Независимо от того, каким образом трансформатор переключает напряжение с первичной на вторичную, он должен изменять ток.

Вот несколько количественных примеров, предполагающих трансформаторы без потерь:

Обратите внимание на то, что первичная и вторичная мощности всегда равны друг другу для любой конфигурации трансформатора.Настоящие трансформаторы страдают от некоторых внутренних потерь мощности и, как таковые, будут показывать уровни вторичной мощности немного ниже, чем первичные, но при условии равенства обеспечивается простой способ проверить наши расчеты отношения напряжения и тока.

Импеданс трансформатора

Идеальный трансформатор без потерь передает электроэнергию от подключенного источника (на первичной стороне) к подключенной нагрузке (на вторичной стороне) со 100-процентным КПД. Идеальные трансформаторы также не накладывают ограничений на количество мощности, которое они могут передавать от первичной обмотки ко вторичной — другими словами, идеальный трансформатор не накладывает никаких ограничений на пропускную способность.

Настоящие трансформаторы, однако, не работают без потерь и фактически действуют как устройства ограничения тока. Механизмы этого включают потери на магнитный гистерезис, сопротивление проволоки, индуктивность рассеяния и т. Д.

Рассмотрим мысленный эксперимент, в котором мы закорачиваем вторичную обмотку идеального трансформатора, который питается от источника переменного напряжения бесконечной мощности (т. Е. Источник имеет нулевое сопротивление). Какой ток пройдет через закороченную вторичную цепь?

На этот вопрос нет реального ответа.Если источник 480 В переменного тока не имеет ограничения по току (то есть способен подавать бесконечный ток на закороченную нагрузку), а трансформатор также не имеет ограничений по току, закороченная вторичная цепь также будет испытывать бесконечный ток, по крайней мере, в принципе.

Должно быть достаточно очевидно, что этот сценарий не может существовать в реальном мире. Даже при наличии источника неограниченного тока любой реалистичный трансформатор будет препятствовать току, подаваемому на короткое замыкание на вторичной стороне. Вопрос о том, «сколько тока пройдет через короткое замыкание» — это действительно вопрос о том, какое сопротивление предлагает трансформатор.

Давайте рассмотрим другой мысленный эксперимент, на этот раз с использованием реального трансформатора с короткозамкнутой вторичной обмоткой, питаемого от источника переменного напряжения переменного тока:

Представьте, что напряжение источника постепенно увеличивается до тех пор, пока амперметр вторичной цепи не зарегистрирует ток, равный номинальной мощности трансформатора при полной нагрузке.Для идеального трансформатора (идеальная связь мощности) это могло бы произойти при очень небольшом напряжении, приложенном к первичной обмотке. Однако из-за несовершенства и потерь реальных трансформаторов полный вторичный ток будет получен при первичном напряжении, равном некоторому небольшому проценту от нормального (номинального) первичного напряжения. Предположим, например, что наш гипотетический трансформатор с номиналом первичной обмотки 480 В перем. Тока выдает полный вторичный ток через короткое замыкание при приложенном к источнику напряжении всего 22 В.22 вольт — это 4,58% от 480 вольт, поэтому мы бы сказали, что измеренный импеданс этого трансформатора составляет 4,58%.

Хотя сценарий короткозамкнутой вторичной обмотки может показаться надуманным, на самом деле он вполне уместен в реальных условиях. В системах электроснабжения нас часто беспокоит максимальное количество тока, которое будет протекать во время сбоя . Если два силовых проводника непосредственно касаются друг друга или если между ними возникает дуга с низким сопротивлением, протекающая через воздух, это почти полностью соответствует короткому замыканию.Это означает, что полное сопротивление трансформатора будет доминирующим фактором при ограничении тока повреждения: чем больше сопротивление у трансформатора, тем меньше ток повреждения будет проявляться в условиях короткого замыкания.

Один из способов применения процентного значения импеданса силового трансформатора к сценарию повреждения — использовать его в качестве множителя для вторичного тока. Например, если силовой трансформатор имеет максимальный номинальный вторичный ток 180 ампер и номинальное сопротивление 3,3%, доступный вторичный ток при замыкании на болтах будет:

\ [{180 \ hbox {A} \ более 3.3 \%} = 5454,5 \ hbox {A} \]

Расчеты тока короткого замыкания очень полезны при прогнозировании количества энергии, выделяющейся при возникновении дуги , что происходит, когда электрическая дуга возникает между двумя близко расположенными проводниками в системе электроснабжения большой мощности. Дуга ведет себя как соединение между проводниками с очень низким сопротивлением, что приводит к очень большим значениям тока и, соответственно, высокой температуре дуги.

Сопротивление трансформатора также полезно для расчета степени, в которой выходное напряжение силового трансформатора «проседает» ниже своего идеального значения при питании нагрузки.Предположим, у нас есть силовой трансформатор с соотношением витков 5: 1, рассчитанный на получение 120 В переменного тока на первичной обмотке и на выходе 24 В переменного тока. В условиях холостого хода внутренний импеданс трансформатора не будет иметь никакого влияния, и трансформатор будет выдавать ровно 24 В переменного тока. Однако, когда нагрузка подключена к клеммам вторичной обмотки и начинает течь ток для питания этой нагрузки, внутреннее сопротивление трансформатора приведет к небольшому снижению вторичного напряжения. Например, если этот трансформатор имеет импеданс 5.5%, это означает, что вторичное (выходное) напряжение упадет на 5,5% ниже 24 В переменного тока при полной нагрузке, если первичное напряжение поддерживается на стандартном уровне 120 В переменного тока. 5,5% от 24 вольт — это 1,32 вольт, поэтому вторичное напряжение этого трансформатора будет «проседать» с 24 вольт до 22,68 вольт (т.е. на 1,32 вольт меньше 24 вольт) по мере увеличения тока нагрузки от нуля до его полного номинального значения.

8.5: Трансформаторы — принцип работы

Трансформатор — это устройство, которое соединяет две электрические цепи через общее магнитное поле. Трансформаторы используются при преобразовании импеданса, преобразовании уровня напряжения, изоляции цепей, преобразовании между режимами несимметричного и дифференциального сигналов и других приложениях. В основе электромагнитного принципа лежит закон Фарадея, в частности, ЭДС трансформатора.

Основные характеристики преобразователя могут быть получены из простого эксперимента, показанного на рисунках \ (\ PageIndex {1} \) и \ (\ PageIndex {2} \). В этом эксперименте две катушки расположены вдоль общей оси. Шаг намотки небольшой, так что все силовые линии магнитного поля проходят по длине катушки, и никакие линии не проходят между обмотками.Чтобы дополнительно сдерживать магнитное поле, мы предполагаем, что обе катушки намотаны на один и тот же сердечник, состоящий из некоторого материала, обладающего высокой проницаемостью. Верхняя катушка имеет \ (N_1 \) витков, а нижняя — \ (N_2 \) витков.

Мы обнаружили, что потенциал в верхней катушке в Части II связан простым образом с потенциалом в нижней катушке в Части I эксперимента. Если бы мы сначала выполнили Часть II, мы получили бы тот же результат, но с поменкой местами надстрочных индексов. Следовательно, в целом должно быть верно — независимо от расположения оконечных устройств — что

\ [V_1 = — \ frac {N_1} {N_2} V_2 \]

Это выражение должно быть знакомо из теории элементарных цепей — за исключением, возможно, знака минус.Знак минус — следствие того, что катушки намотаны в разные стороны. Мы можем сделать приведенное выше выражение немного более общим: \ [\ boxed {\ frac {V_1} {V_2} = p \ frac {N_1} {N_2}} \ label {m0031_eTL} \], где \ (p \) определяется как \ (+ 1 \), когда катушки намотаны в одном направлении, и \ (- 1 \), когда катушки намотаны в противоположных направлениях. (Это отличное упражнение, чтобы подтвердить, что это правда, повторив приведенный выше анализ с изменением направления намотки для верхней или нижней катушки, для которого \ (p \) тогда окажется \ (+ 1 \).) Это «закон трансформатора» базовой теории электрических цепей, из которого могут быть получены все другие характеристики трансформаторов как устройств с двухпортовой схемой (см. Раздел 8.6). Обобщение:

Отношение напряжений катушек в идеальном трансформаторе равно отношению витков со знаком, определяемым относительными направлениями обмоток, согласно уравнению \ ref {m0031_eTL}.

Более знакомая конструкция трансформатора показана на рисунке \ (\ PageIndex {3} \) — катушки намотаны на тороидальном сердечнике, а не на цилиндрическом сердечнике.Зачем это делать? Такое расположение ограничивает магнитное поле, связывающее две катушки с сердечником, в отличие от того, чтобы силовые линии выходили за пределы устройства. Это ограничение важно для того, чтобы поля, возникающие вне трансформатора, не мешали магнитному полю, соединяющему катушки, что могло бы привести к электромагнитным помехам (EMI) и проблемам электромагнитной совместимости (EMC). Принцип действия во всем остальном тот же.

Авторы и авторство

Основные принципы работы трансформатора

Векторные группы и заземление нейтрали

Три конфигурации, в которых обычно соединяются три фазных обмотки трансформатора, — треугольник, звезда или соединенная звезда (зигзаг). Конфигурации (расположение обмоток) показаны на Рисунке 1 ниже.

Как сгруппированы векторы и как используется номенклатура фазовых соотношений, определяется следующим образом:

Заглавные буквы для обозначения группы векторов первичной обмотки
Строчные буквы для обозначения группы вторичной обмотки
D или d представляет первичную или вторичную обмотку треугольником
Y или y представляет первичную или вторичную обмотку звездой
Z или z представляет первичную или вторичную обмотку, соединенную звездой
N или n обозначает первичную или вторичную обмотку с заземлением на нейтраль.

Числа представляют фазовое соотношение между первичной и вторичной обмотками .

Углы смещения напряжения вторичной обмотки по отношению к первичной задаются в соответствии с положением «стрелок» на часах относительно положения середины дня или двенадцати часов.

Это означает: 1 — -30 °, 3 — -90 °, 11 — + 30 ° и так далее .

Пример определения векторной группировки Dy1 приведен на рисунке 1. В этом случае заметно, что напряжение вторичной звезды находится в положении на один час, что означает, что отстает от первичного треугольника. вектор напряжения на 30 ° .

На рисунке 2 ниже представлен еще один пример , определяющий группировку векторов Dyn5 .

Очевидно, что вторичное напряжение звезды находится в положении «5 часов», что означает, что оно отстает от вектора первичного треугольного напряжения на 5 × 30 ° = 150 ° .

В основном разработчики системы сами решают, какое расположение векторной группировки требуется для каждого уровня напряжения в сети, хотя на это решение влияет множество факторов.

Важными аспектами с точки зрения пользователя являются:

Векторное смещение между системами, подключенными к каждой обмотке трансформатора, и возможность достижения параллельной работы
Обеспечение нейтральной точки заземления или точек, в которых используется нейтраль к земле либо напрямую, либо через импеданс
Практичность конструкции трансформатора и стоимость, связанная с требованиями к изоляции
Обмотка Z снижает дисбаланс напряжения в системах, где нагрузка неравномерно распределяется между фазами, и допускает нагрузку нейтрального тока с изначально низкой нулевой нагрузкой. импеданс последовательности. Поэтому его часто используют для заземления трансформаторов.

Соответствующее содержание EEP с рекламными ссылками

Электротрансформатор — конструкция, работа и типы

Вы когда-нибудь задумывались, как электричество, произведенное в сельской местности, освещает ваш дом, питает ваши бытовые приборы и электронные устройства, которые вы используете и носите? Как линии высокого напряжения, проходящие над головой, преобразуются в линии низкого напряжения и помогают вам смотреть прямые трансляции спортивных состязаний по телевизору? Элемент оборудования, который это делает, называется электрическим трансформатором. Эта статья поможет вам разобраться в основных понятиях электротрансформатора, его конструкции, принципе действия и классификации.

В прежние времена Электроэнергия постоянного тока вырабатывалась вблизи грузовых станций и распределялась. Изобретение трансформатор привел к недавним достижениям в производстве электроэнергии, секторы передачи и распределения. Трансформаторы сделали массовую выработку электроэнергии возможна передача электроэнергии переменного тока на большие расстояния. Сегодня мощность передается на до 765 кВ с минимальными потерями мощности и повышенным КПД.

Что такое электрический трансформатор?

Электрический трансформатор или силовой трансформатор r — это часть оборудования, которая предназначена для изменения величины переменного напряжения в цепи без изменения частоты и с минимальными потерями мощности. Он используется для понижения и повышения напряжения. Электроэнергия передается от его входной стороны к его выходной стороне в процессе электромагнитной индукции.

Используется для передачи мощность, произведенная в удаленном месте для потребителя, эффективно на необходимое напряжение.Трансформаторы доступны в различных размерах и номиналах от от тех огромных на подстанции к тем крошечным на электронной плате.

Принцип работы трансформаторов

Электрический трансформатор работает по принципу взаимной индуктивности и закону Фарадея электромагнитной индукции . Поток переменного тока через катушку создает переменное магнитное поле. Когда другая катушка контактирует с переменным магнитным полем, в этой катушке индуцируется напряжение.Согласно закону Фарадея, величина индуцированного напряжения зависит от скорости изменения магнитного потока, соединяющего вторую катушку, и количества витков.

ε = -N dΦ / dt

В случае трансформаторов: Поскольку скорость изменения магнитного потока между катушками практически одинакова, индуцированное напряжение зависит от количества витков катушек.

Идеальный трансформатор

An идеальный трансформатор состоит из первичной и вторичной обмоток, намотанных вокруг два вертикальных плеча ядра.При подаче переменного напряжения на первичная обмотка трансформатора, через нее протекает ток, что создает переменное магнитное поле и, следовательно, переменный магнитный поток. Количество создаваемого магнитного поля зависит от числа витков катушка. Этот магнитный поток индуцирует ЭДС во вторичной катушке. Нагрузка может быть подключен к вторичной обмотке, пропускающей ток.

Идеальный трансформатор — это воображаемый трансформатор, имеющий нулевые потери, бесконечную магнитную проницаемость и 100% КПД.Поскольку одинаковая величина магнитного потока связывает первичную и вторичную обмотки трансформатора, соотношение приложенного напряжения (V _{первичная}) и индуцированного напряжения (V _{вторичная}) должно быть пропорционально отношению количества витков в первичной количество витков (N _{первичной}) во вторичной обмотке (N _{вторичной}).

В _{первичный} / V _{вторичный} = N _{первичный} / N _{вторичный}

В Идеальный трансформатор, входная мощность равна выходной мощности.

В _{первичный} / V _{вторичный} = I _{вторичный} / I _{первичный}

В реальном трансформаторе индуцированное напряжение на виток определяется следующим уравнением:

E / N = K.Φм.ф

где K — постоянная величина, Φm — максимальное значение общего потока по Веберсу, связывающее оборот, а f — частота питания в герцах.

Повышающий трансформатор

В повышающих трансформаторах вторичная обмотка имеет больше витков, чем первичная.Кроме того, напряжение на вторичной обмотке должно быть выше первичного напряжения (в зависимости от соотношения витков). Повышающие трансформаторы используются для увеличения напряжения передачи и уменьшения потерь при передаче. Их можно найти на генерирующих станциях и обычно называют силовыми трансформаторами.

Понижающий трансформатор

В понижающем трансформаторе количество витков на вторичной стороне трансформатора меньше, чем количество витков на первичной стороне и, следовательно, напряжение.Эти трансформаторы используются для понижения напряжения на стороне распределения энергосистемы.

Коэффициент трансформации

Коэффициент «n» витков трансформатора — это число, обозначающее отношение количества витков проводника в первичной катушке к числу витков вторичной катушки. Коэффициент трансформации также известен как коэффициент трансформации напряжения. Это говорит о напряжении, доступном на вторичной стороне трансформатора для приложенного первичного напряжения.

N _P — Число витков проводника в первичной обмотке.

В _P — Приложенное первичное напряжение.

N _S — Число витков проводника во вторичной катушке.

В _С — Преобразованное напряжение, измеренное на вторичной обмотке.

Подробнее: Онлайн — Калькулятор коэффициента трансформации трансформатора

Строительство трансформатора

Независимо Что касается типов конструкции, то следующие основные компоненты трансформатора.

Сердечник
Обмотка
Изоляция
Консерватор
Трансформаторное масло (в масляных трансформаторах)
Реле Бухгольца

Ядро

Сердечник трансформатора — это часть, на которую намотаны первичная и вторичная обмотки. Это поддерживает обмотки, а также обеспечивает путь с низким сопротивлением для магнитный поток, связывающий первичную и вторичную обмотку. Он состоит из высоких слоистость кремнистой стали проницаемости для уменьшения потерь в сердечнике

Обмотка

имеют два набора обмоток: обмотку низкого напряжения и обмотку высокого напряжения. Несколько витков медных проводов, связанных вместе, образуют обмотки трансформатора. Размер медных проводников зависит от тока нагрузки. В большинстве случаев обмотки называют первичной обмоткой и вторичной обмоткой. Обычно обмотка, к которой подключено входное напряжение, называется первичной обмоткой, а обмотка, к которой подключена нагрузка, называется вторичной обмоткой.

Изоляция

Изоляция это самая важная часть трансформатора. Обмотки изолированы от каждого прочее и ядро. Нарушения изоляции трансформаторов являются наиболее частыми. серьезные проблемы. Следовательно, во время работы изолятора уделяется больше внимания. трансформаторная конструкция. Лак, крафт-бумага, Хлопчатобумажная целлюлоза и Pressboard являются наиболее широко используемыми обмотками. изоляционные материалы.

Трансформатор масло

Не все трансформаторы, но в масляных трансформаторах трансформаторное масло служит двойным назначение изоляции и охлаждения. Имеет высокое напряжение пробоя, высокое удельное сопротивление и высокая диэлектрическая прочность. Он извлекает тепло из обмотки и сердечник трансформатора и помогает снизить потери и улучшает КПД и ресурс трансформатора.

Реле Бухгольца

Реле Бухгольца — это реле с масляным приводом, используемое для определения неисправностей, возникающих внутри основного бака масляного трансформатора. Обнаруживает короткое замыкание, утечку масла, перегрев катушек трансформатора и т. Д.

Подробнее: Реле Бухгольца — Принцип действия

 W  Кто изобрел электрический трансформатор? 
В 1884 году три венгерских инженера, Кароли Зиперновски, Отто Блати и Микса Дери, разработали первый высокоэффективный трансформатор.Этот трансформатор получил название трансформатор ЗНД. Это привело к новым разработкам в конструкции трансформатора. Первый трехфазный трансформатор был разработан Михаилом Доливо-Добровольским.

Убытки в трансформаторе

потери в трансформаторе подразделяются на потери в обмотке и в сердечнике. потеря. Потери в обмотке возникают из-за сопротивления проводника. это пропорционально квадрату тока, протекающего через него. Используя толстый медные проводники минимизируют сопротивление току и уменьшают намотку потеря.Потери в сердечнике возникают из-за вихревых токов, образующихся в сердечнике трансформатора, и эффект гистерезиса. Потери в сердечнике, также известные как потери в стали, всегда постоянны. и не зависят от нагрузки. Используя ламинированный сердечник из мягкого железа и толстый проводники могут помочь снизить потери в сердечнике и улучшить трансформатор эффективность.

эквивалент Схема трансформатора

Это теоретическая схема, которая представляет трансформатор и его физическое поведение. Эта схема, показанная ниже, представляет различные электрические параметры трансформатора.По этой схеме легко вычислить различные потери и перепады напряжения.

В _P — Первичное или приложенное напряжение

I _P — Первичный ток

R _P — Сопротивление первичной обмотки

х _пол — Реактивное сопротивление первичной обмотки

I _C — Составляющая тока, вносящая вклад в потери в сердечнике

R _C — Резистивный компонент, способствующий потерям в сердечнике

I _M — Ток намагничивания

X _M — Реактивное сопротивление намагничивания

В _с — Вторичное напряжение или приложенное напряжение

I _с — Вторичный ток

R _s — Сопротивление вторичной обмотки

X _с — Реактивное сопротивление вторичной обмотки

Примечание:

Вышеупомянутая эквивалентная схема является обобщенной формой эквивалентной схемы для идеального трансформатора с коэффициентом трансформации 1: 1 и без ссылки на первичную или вторичную стороны.

Регулировка напряжения трансформатор

Насколько точно Трансформация напряжения происходит в трансформаторе при изменении нагрузки от нуля. нагрузка до полной нагрузки определяется регулированием напряжения трансформатора. Это рассчитывается по следующей формуле:

Где,

E _sec-noload — Напряжение измеряется на вторичной обмотке без нагрузки.

E _{сек при полной загрузке} — Напряжение измерено на вторичной обмотке при полной нагрузке.

Подробнее о регулировании напряжения

Классификация трансформатора

Трансформаторы подразделяются на различные типы в зависимости от различных параметров, таких как тип источника питания, их применение, тип конструкции, метод охлаждения, рабочее напряжение, режим работы, форма сердечника и т. Д.

Классификация по типу источника питания: Трехфазный трансформатор, однофазный трансформатор.

Классификация по типу конструкция: Трансформатор с сердечником, Трансформатор с оболочкой.

Классификация основана на методе охлаждения: Сухого типа или с естественным воздушным охлаждением, с масляным охлаждением — Oil Natural Air Natural (ONAN), Oil Natural Air Forced (ONAF), Oil Forced Air Natural (OFAN), Oil Forced Air Forced ( OFAF), с масляным и водяным охлаждением — масляное природное водяное принудительное (ONWF), масляное принудительное водяное (OFWF)

Классификация по назначению : распределительный трансформатор, трансформатор напряжения, трансформатор тока, изолирующий трансформатор, радиочастотный трансформатор, катушка Тесла.

Виды электротрансформаторов.

Испытание трансформатора

Электротрансформаторы проходят следующие испытания:

Испытание сопротивления обмотки.
Проверка сопротивления изоляции.
Проверка сопротивления трансформатора.
Тест без нагрузки — Тест на разрыв цепи.
Тест импеданса короткого замыкания — Тест короткого замыкания.
Испытание на превышение температуры.
Проверка полярности.
Диэлектрические испытания трансформаторного масла.
Испытания уровня шума

Почему в энергосистеме используются электрические трансформаторы?

Электрический трансформатор можно рассматривать как наиболее важный компонент в сети передачи и распределения электроэнергии. Он выполняет обязанность по повышению эффективности передачи и снижению потерь и затрат на передачу. В основном трансформатор повышающих / понижающих напряжений. Электростанция вырабатывает электроэнергию напряжением от 11 кВ до 28 кВ при частоте 50 Гц. Чтобы уменьшить потери при передаче, напряжение повышается до 220 кВ или более и передается.На распределительной подстанции оно снова понижается до 33 кВ или 11 кВ в зависимости от потребности и поставляется промышленным предприятиям. На стороне бытового потребителя он снова снижается до низковольтных нагрузок потребителя.

Подробнее: Почему электричество передается при высоком напряжении?

Автор повышение напряжения, ток нагрузки, протекающий через передачу линий сокращается. Снижение тока нагрузки приводит к снижению содержания меди. потери (потери I2R) и размер проводника, используемого для передачи энергии.Следовательно, стоимость передачи электроэнергии, а также ее эффективность повышаются.

Теория работы однофазных трансформаторов

Определение трансформатора

Трансформатор электроэнергии — это статическое устройство, которое преобразует электрическую энергию из одной цепи в другую без какого-либо прямого электрического соединения. Он также выполняет это с помощью взаимной индукции между двумя обмотками. Он может преобразовывать мощность из одной цепи в другую без изменения ее частоты, но может иметь разные уровни напряжения в зависимости от необходимости.

Схема однофазного трансформатора

Символ трансформатора

Трансформатор Строительство

Три основные части трансформатора:

Первичная обмотка : Обмотка, которая потребляет электроэнергию и создает магнитный поток, когда она подключена к источнику электроэнергии.
Магнитный сердечник : Это относится к магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. Поток проходит через путь с низким сопротивлением, связанный со вторичной обмоткой, создавая замкнутую магнитную цепь.
Вторичная обмотка : Обмотка, которая обеспечивает желаемое выходное напряжение за счет взаимной индукции в трансформаторе.

Принцип работы трансформаторов

Принцип работы однофазного трансформатора основан на законе электромагнитной индукции Фарадея. В основном, взаимная индукция между двумя или более обмотками отвечает за действие преобразования в электрическом трансформаторе.

Законы электромагнитной индукции Фарадея

Согласно закону Фарадея, «скорость изменения магнитной связи во времени прямо пропорциональна наведенной ЭДС в проводнике или катушке».

Основная теория трансформатора

Первичная обмотка питается от источника переменного тока.Переменный ток через первичную обмотку создает переменный поток, окружающий обмотку. Другая обмотка, также известная как вторичная обмотка, приближена к первичной обмотке. В конце концов, некоторая часть потока в первичной обмотке будет связана с вторичной. Поскольку этот поток непрерывно изменяется по амплитуде и направлению, происходит изменение магнитной связи и во второй обмотке. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, во вторичной обмотке индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), которая называется наведенной ЭДС.Если цепь вторичной обмотки замкнута, через нее будет протекать индуцированный ток.

Разное