Где широко применяются трансформаторы: Где широко применяются трансформаторы

Содержание

Применение трансформаторов - Трансформаторы





Повседневно трансформаторы применяются в электросетях и в источниках питания различных приборов.

Применение в электросетях

Поскольку потери на нагревание провода пропорциональны квадрату тока, проходящего через провод, при передаче электроэнергии на большое расстояние выгодно использовать очень большие напряжения и небольшие токи. Из соображений безопасности и для уменьшения массы изоляции в быту желательно использовать не столь большие напряжения. Поэтому для наиболее выгодной транспортировки электроэнергии в электросети многократно применяют трансформаторы: сначала для повышения напряжения генераторов на электростанциях перед транспортировкой электроэнергии, а затем для понижения напряжения линии электропередач до приемлемого для потребителей уровня.

Поскольку в электрической сети три фазы, для преобразования напряжения применяют трёхфазные трансформаторы, или группу из трёх однофазных трансформаторов, соединённых в схему звезды или треугольника. У трёхфазного трансформатора сердечник для всех трёх фаз общий.

Несмотря на высокий КПД трансформатора (для трансформаторов большой мощности — свыше 99 %), в очень мощных трансформаторах электросетей выделяется большая мощность в виде тепла (например, для типичной мощности блока электростанции 1 ГВт на трансформаторе может выделяться мощность до нескольких мегаватт). Поэтому трансформаторы электросетей используют специальную систему охлаждения: трансформатор помещается в баке, заполненном трансформаторным маслом или специальной негорючей жидкостью. Масло циркулирует под действием конвекции или принудительно между баком и мощным радиатором. Иногда масло охлаждают водой. «Сухие» трансформаторы используют при относительно малой мощности (до 16000 кВт).

Применение в источниках электропитания

Для питания различных  электроприборов требуются самые разнообразные напряжения. Блоки электропитания в устройствах, которым необходимо несколько напряжений различной величины содержат трансформаторы с несколькими вторичными обмотками или содержат в схеме дополнительные трансформаторы. Например, в телевизоре с помощью трансформаторов получают напряжения от 5 вольт (для питания микросхем и транзисторов) до 30 киловольт (для питания анода кинескопа).

В прошлом в основном применялись трансформаторы, работающие с частотой электросети, то есть 50-60 Гц.

В схемах питания современных радиотехнических и электронных устройств (например в блоках питания персональных компьютеров) широко применяются высокочастотные импульсные трансформаторы. В импульсных блоках питания переменное напряжение сети сперва выпрямляют, а затем преобразуют при помощи инвертора в высокочастотные импульсы. Система управления с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) позволяет стабилизировать напряжение. После чего импульсы высокой частоты подаются на импульсный трансформатор, на выходе с которого, после выпрямления и фильтрации получают стабильное постоянное напряжение.

В прошлом сетевой трансформатор (на 50-60 Гц) был одной из самых тяжёлых деталей многих приборов. Дело в том, что линейные размеры трансформатора определяются передаваемой им мощностью, причём оказывается, что линейный размер сетевого трансформатора примерно пропорционален мощности в степени 1/4.

Размер трансформатора можно уменьшить, если увеличить частоту переменного тока. Поэтому современные импульсные блоки питания при одинаковой мощности значительно легче.

Трансформаторы 50-60 Гц, несмотря на их недостатки, продолжают использовать в схемах питания, в случая, когда надо обеспечить минимальный уровень высокочастотных помех, например в высококачественном звуковоспроизведении.

Другие применения трансформатора

Разделительные трансформаторы (трансформаторная гальваническая развязка). Нейтральный провод электросети может иметь контакт с «землёй», поэтому при одновременном касании человеком фазового провода (а также корпуса прибора с плохой изоляцией) и заземлённого предмета тело человека замыкает электрическую цепь, что создаёт угрозу поражения электрическим током. Если же прибор включён в сеть через трансформатор, касание прибора одной рукой вполне безопасно, поскольку вторичная цепь трансформатора никакого контакта с землёй не имеет.
Импульсные трансформаторы (ИТ). Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса (максимально крутой фронт и срез, относительно постоянная амплитуда). Он служит для трансформации кратковременных видеоимпульсов напряжения, обычно периодически повторяющихся с высокой скважностью. В большинстве случаев основное требование, предъявляемое к ИТ, заключается в неискажённой передаче формы трансформируемых импульсов напряжения; при воздействии на вход ИТ напряжения той или иной формы на выходе желательно получить импульс напряжения той же самой формы, но, быть может, иной амплитуды или другой полярности.

Измерительные трансформаторы. Применяют для измерения очень больших или очень маленьких переменных напряжений и токов в цепях РЗиА.
Измерительный трансформатор постоянного тока. На самом деле представляет собой магнитный усилитель, при помощи постоянного тока малой мощности управляющий мощным переменным током. При использовании выпрямителя ток выхода будет постоянным и зависеть от величины входного сигнала.
Измерительно-силовые трансформаторы. Имеют широкое применение в схемах генераторов переменного тока малой и средней мощности (до мегаватта), например, в дизель-генераторах. Такой трансформатор представляет собой измерительный трансформатор тока с первичной обмоткой, включённой последовательно с нагрузкой генератора. Со вторичной обмотки снимается переменное напряжение, которое после выпрямителя подаётся на обмотку подмагничивания ротора. (Если генератор — трёхфазный, обязательно применяется и трёхфазный трансформатор). Таким образом, достигается стабилизация выходного напряжения генератора — чем больше нагрузка, тем сильнее ток подмагничивания, и наоборот.
Согласующие трансформаторы. Из законов преобразования напряжения и тока для первичной и вторичной обмотки (I1=I2w2/w1,U1=U2w1/w2) видно, что со стороны цепи первичной обмотки всякое сопротивление во вторичной обмотке выглядит в (w1/w2 раз больше. Поэтому согласующие трансформаторы применяются для подключения низкоомной нагрузки к каскадам электронных устройств, имеющим высокое входное или выходное сопротивление. Например, высоким выходным сопротивлением может обладать выходной каскад усилителя звуковой частоты, особенно, если он собран на лампах, в то время как динамики имеют очень низкое сопротивление. Согласующие трансформаторы также исключительно полезны в высокочастотных линиях, где различие сопротивления линии и нагрузки привело бы к отражению сигнала от концов линии, и, следовательно, к большим потерям.
Фазоинвертирующие трансформаторы. Трансформатор передаёт только переменную компоненту сигнала, поэтому даже если все постоянные напряжения в цепи имеют один знак относительно общего провода, сигнал на выходе вторичной обмотки трансформатора будет содержать как положительную, так и отрицательную полуволны, причём, если центр вторичной обмотки трансформатора подключить к общему проводу, то напряжение на двух крайних выводах этой обмотки будет иметь противоположную фазу. До появления широко доступных транзисторов с npn типом проводимости фазоинвертирующие трансформаторы применялись в двухтактных выходных каскадах усилителей, для подачи противоположных по полярности сигналов на базы двух транзисторов каскада. К тому же, из-за отсутствия «ламп с противоположным зарядом электрона», фазоинвертирующий трансформатор необходим в ламповых усилителях с двухтактным выходным каскадом.

Потери в трансформаторах

Степень потерь (и снижения КПД) в трансформаторе зависит, главным образом, от качества, конструкции и материала «трансформаторного железа» (электротехническая сталь). Потери в стали состоят в основном из потерь на нагрев сердечника, на гистерезис и вихревые токи. Потери в трансформаторе, где «железо» монолитное, значительно больше, чем в трансформаторе, где оно составлено из многих секций (так как в этом случае уменьшается количество вихревых токов). На практике монолитные сердечники не применяются. Для снижения потерь в магнитопроводе трансформатора магнитопровод может изготавливаться из специальных сортов трансформаторной стали с добавлением кремния, который повышает удельное сопротивление железа электрическому току, а сами пластины лакируются для изоляции друг от друга.

Режим работы трансформаторов


1. Режим холостого хода. Данный режим характеризуется разомкнутой вторичной цепью трансформатора, вследствие чего ток в ней не течёт. С помощью опыта холостого хода можно определить КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в стали.

2. Нагрузочный режим. Этот режим характеризуется замкнутой на нагрузке вторичной цепи трансформатора. Данный режим является основным рабочим для трансформатора.

3. Режим короткого замыкания. Этот режим получается в результате замыкания вторичной цепи накоротко. С его помощью можно определить потери полезной мощности на нагрев проводов в цепи трансформатора. Это учитывается в схеме замещения реального трансформатора при помощи активного сопротивления.

Габаритная мощность

Габаритная мощность трансформатора описывается следующей формулой:

Pгаб=(P1 + P2)/2=(U1I1 + U2I2)/2

  • 1 — первичной обмотки
  • 2 — вторичной обмотки

Однако, это конечный результат. Или академическое определение. Изначально габаритная мощность, как следует из названия, определяется габаритами сердечника и материалом, его магнитными и частотными свойствами.

КПД трансформатора
КПД трансформатора находится по следующей формуле:

где

P0 — потери холостого хода (кВт) при номинальном напряжении
PL — нагрузочные потери (кВт) при номинальном токе
P2 — активная мощность (кВт), подаваемая на нагрузку
n — относительная степень нагружения (при номинальном токе n=1).

кпд, холостой ход, трансформатор, обмотки

Всего комментариев: 0


Тест по теме "Трансформатор"

Тест «Трансформатор» 1 вариант.

№№

Вопросы

Варианты ответов

1

Работа трансформатора основана на явлении …

а) вращающегося магнитного поля;

б) взаимоиндукции;

в) взаимодействия токов в обмотках;

г) возникновения вихревых токов.

2

Обмотка трансформатора, которую подключают к источнику переменного напряжения, называется …

а) первичной;

б) вторичной;

в) нагрузкой;

г) потребителем.

3

Обмотку низшего напряжения трансформатора делают из … сечения

а) медного провода большого;

б) медного провода малого;

в) алюминиевого провода большого;

г) алюминиевого провода малого.

4

Сердечник трансформатора собирают из …

а) железных стержней;

б) алюминиевых листов;

в) листов электротехнической стали;

г) стержней электротехнической стали.

5

Трансформатор будет понижающим, если …

а) U1 > U2;

б) E1 = E2;

в) U1 < U2

г) U1 > E1

6

Передавать электроэнергию целесообразно при напряжении …

а) низком;

б) высоком.

7

Понижающий трансформатор повысить напряжение сети …

а) может;

б) не может.

8

Расширитель трансформатора полностью заполнить минеральным трансформаторным маслом …

а) можно;

б) нельзя.

9

Трансформаторы нашли широкое применение …

а) в линиях электропередачи;

б) в технике связи;

в) в автоматике и измерительной технике;

г) во всех перечисленных областях.

10

Действующее значение ЭДС Е первичной обмотки определяется по формуле …

а) Е2=4,44fw2Фm;

б) Е1=4,44fw1Фm;

в) Е1=4,44fw2Фm;

Тест «Трансформатор» 2 вариант.

№№

Вопрос

Варианты ответов

1

Трансформатором называется электротехническое устройство, служащее для преобразования …

а) постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения;

б) переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты;

в) постоянного тока в переменный ток.

2

Обмотка трансформатора, которую подключают к приёмнику переменного тока, называется:

а) первичной;

б) вторичной;

в) нагрузкой;

г) потребителем.

3

Обмотку высшего напряжения трансформатора делают из … сечения.

а) медного провода большого;

б) медного провода малого;

в) алюминиевого провода большого;

г) алюминиевого провода малого.

4

Сердечник трансформатора собирают, из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга для того, чтобы…

а) увеличить потери электрической энергии;

б) уменьшить потери на вихревые токи;

в) повысить потери на вихревые токи;

г) понизить электрическую энергию.

5

Основные части трансформатора …

а) обмотки, магнитопровод;

б) преобразователь напряжения, обмотки;

в) электромагнит, катушки; расширитель;

г) обмотки, электроприёмник.

6

Потреблять электроэнергию целесообразно при напряжении …

а) высоком;

б) низком.

7

Повышающий трансформатор понизить напряжение сети …

а) может;

б) не может;

8

Ближе к стержню магнитопровода трансформатора располагается обмотка … напряжения

а) высшего;

б) низшего.

9

Магнитопровод трёхфазного трансформатора имеет стержней …

а) один;

б) два;

в) три;

г) четыре.

10

Трансформатор будет повышающим, если…

а) U1 > U2;

б) E1 = E2;

в) U1 < U2

г) U1 > E1

Ключ к тесту «Трансформатор» 1 вариант

номер задания

1

2

3

4

5

ответ

а

Б

А

б

А

б

а

б

А

б

в

г

в

г

в

г

В

г

в

г

номер задания

6

7

8

9

10

ответ

а

Б

А

б

а

Б

а

б

а

Б

в

в

Г

в

г

Ключ к тесту «Трансформатор» 2 вариант

Номер задания

1

2

3

4

5

ответ

а

б

а

Б

а

Б

а

Б

А

б

В

г

в

г

в

г

в

г

в

г

Номер задания

6

7

8

9

10

ответ

а

Б

А

б

а

Б

а

б

а

б

в

г

в

В

г

В

г

ФИО________________________________

номер задания

1

2

3

4

5

ответ

а

б

а

б

а

б

а

б

а

б

в

г

в

г

в

г

в

г

в

г

номер задания

6

7

8

9

10

ответ

а

б

а

б

а

б

а

б

а

б

в

г

в

г

в

г

в

г

в

г

ФИО________________________________

номер задания

1

2

3

4

5

ответ

а

б

а

б

а

б

а

б

а

б

в

г

в

г

в

г

в

г

в

г

номер задания

6

7

8

9

10

ответ

а

б

а

б

а

б

а

б

а

б

в

г

в

г

в

г

в

г

в

г

ФИО________________________________

номер задания

1

2

3

4

5

ответ

а

б

а

б

а

б

а

б

а

б

в

г

в

г

в

г

в

г

в

г

номер задания

6

7

8

9

10

ответ

а

б

а

б

а

б

а

б

а

б

в

г

в

г

в

г

в

г

в

г

ФИО________________________________

номер задания

1

2

3

4

5

ответ

а

б

а

б

а

б

а

б

а

б

в

г

в

г

в

г

в

г

в

г

номер задания

6

7

8

9

10

ответ

а

б

а

б

а

б

а

б

а

б

в

г

в

г

в

г

в

г

в

г

Конструкции трансформаторов, основные виды

Трансформатор — статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты.

Среди многообразных трансформаторных устройств чаще всего встречаются трансформаторы:

  • силовые;
  • измерительные;
  • специальные.

Силовые трансформаторы

Термином «силовой» определяют назначение, связанное с преобразованием высоких мощностей. Вызвано это тем, что большинство бытовых и производственных потребителей электрических сетей нуждаются в питании напряжением 380/220 вольт. Однако доставка его на большие расстояния связана с огромными потерями энергии, которые снижаются за счет использования высоковольтных линий.

Воздушные ЛЭП высокого напряжения соединяют в единую сеть подстанции с силовыми трансформаторами соответствующего класса.

А по другим линиям напряжение 6 или 10 кВ подводится к силовым трансформаторам, обеспечивающих питанием 380/220 вольт жилые комплексы и производственные предприятия.

Измерительные трансформаторы

В этом классе работают два вида устройств, обеспечивающих в целях измерения параметров сети преобразования:

1. тока;

2. напряжения.

Измерительные трансформаторы создаются с высоким классом точности. Во время эксплуатации их метрологические характеристики периодически подвергают поверке на правильность измерения как величин, так и углов отклонения векторов тока и напряжения.

Трансформаторы тока

Трансформатор тока – трансформатор, первичная обмотка которого подключена к источнику тока, а вторичная обмотка замыкается на измерительные или защитные приборы, имеющие малые внутренние сопротивления.

Измерительный трансформатор тока – трансформатор, предназначенный для преобразования тока до значения, удобного для измерения. Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы.

Главная особенность их устройства заключается в том, что они постоянно эксплуатируются в описанном ранее (в статье про то, как устроен и работает трансформатор) режиме короткого замыкания. У них вторичная обмотка полностью закорочена на маленькое сопротивление, а остальная конструкция приспособлена для такой работы.

Чтобы исключить аварийный режим входная мощность ограничивается специальным устройством первичной обмотки: в ней создается всего один виток, который не может создать при протекании по нему тока большого падения напряжения на обмотке и, соответственно, передать в магнитопровод высокую мощность.

Этот виток врезается непосредственно в силовую цепь, обеспечивая его последовательное подключение. У отдельных конструкций просто создается сквозное отверстие в сердечнике, через которое пропускают провод с первичным током.

Нагрузку вторичных цепей трансформатора тока, находящегося под напряжением, нельзя разрывать. Все провода и соединительные клеммы по этой причине изготавливаются с повышенной механической прочностью. В противном случае на разорванных концах сразу возникает высоковольтное напряжение, способное повредить вторичные цепи.

Благодаря работе трансформаторов тока создается возможность обеспечения постоянного контроля и анализа нагрузок, протекающих в электрической системе. Особенно это актуально на высоковольтном оборудовании.

Номинальные значения вторичных токов измерительных трансформаторов энергетики принимают в 5 ампер для оборудования до 110 кВ включительно и 1 А — выше.

Широкое применение трансформаторы тока нашли в измерительных приборах. За счет использования конструкции раздвижного магнитопровода удается быстро выполнять различные замеры без разрыва электрической цепи, что необходимо делать при использовании обычных амперметров.

Токовые клещи с раздвижным магнитопроводом трансформатора тока позволяют обхватить любой проводник с напряжением и замерить величину и угол вектора тока.

Трансформаторы напряжения

Отличительная особенность этих конструкций заключается в том, что они работают в режиме, близком к состоянию холостого хода, когда величина их выходной нагрузки невысокая. Они подключается к той системе напряжений, величина которой будет измеряться.

Измерительные трансформаторы напряжения обеспечивают гальваническую развязку оборудования первичных и вторичных цепей, работают в каждой фазе высоковольтного оборудования.

Из них создают целые комплексы систем измерения, позволяющие фильтровать и выделять различные составляющие векторов напряжения, учет которых необходим для точной работы защит, блокировок, систем сигнализации.

За счет работы трансформаторов тока и напряжения снимают вектора вторичных величин, пропорциональные первичным в реальном масштабе времени. Это позволяет не только создавать цепи измерения и защит по току и напряжению, но и за счет математических преобразований векторов анализировать состояние мощностей и сопротивлений в действующей электрической системе.

Специальные виды трансформаторов

К этой группе относят:

  • разделительные;
  • согласующие;
  • высокочастотные;
  • сварочные и другого типа трансформаторные устройства, созданные для выполнения специальных электрических задач.

Разделительные трансформаторы

Размещение двух обмоток совершенно одинаковой конструкции на общем магнитопроводе позволяет из 220 вольт 50 герц на входе получать такое же напряжение на выходе.

Напрашивается вопрос: зачем делать такое преобразование? Ответ прост: в целях обеспечения электрической безопасности.

При пробое изоляционного слоя провода первичной схемы на корпусе прибора появляется опасный потенциал, который по случайно сформированной цепи через землю способен поразить человека, нанести ему электротравму.

Гальваническое разделение схемы позволяет оптимально использовать питание электрооборудования и в то же время исключает получение травм при пробоях изоляции вторичной схемы на корпус.

Поэтому разделительные трансформаторы широко используются там, где проведение работ с электроинструментом требует принятия дополнительных мер безопасности. Также они широко используются в медицинском оборудовании, допускающем непосредственный контакт с телом человека.

Высокочастотные трансформаторы

Отличаются от обычных материалом магнитопровода, который способен, в отличие от обычного трансформаторного железа, хорошо, без искажений передавать высокочастотные сигналы.

Принцип их работы демонстрируют фотография простой самодельной конструкции на ферритах.

Согласующие трансформаторы

Основное назначение — согласование сопротивлений разных частей в электронных схемах. Согласующие трансформаторы нашли широкое применение в антенных устройствах и конструкциях усилителей на электронных лампах звуковых частот.

Сварочные трансформаторы

Первичная обмотка создается с большим число витков, позволяющих нормально обрабатывать электрическую энергию с входным напряжением 220 или 380 вольт. Во вторичной обмотке число витков значительно меньше, а ток протекающий по ним высокий. Он может достигать тысяч ампер.

Поэтому толщина провода этой цепи выбирается повышенного поперечного сечения. Для управления сварочным током существует много различных способов.

Сварочные трансформаторы массово работают в промышленных установках и пользуются популярностью у любителей изготавливать различные самоделки своими руками.

Рассмотренные виды трансформаторов являются наиболее распространёнными. В электрических схемах работают и другие подобные устройства, выполняющие специальные задачи технологических процессов.

Ранее ЭлектроВести писали, что на хмельницкой свалке добытый биогаз перерабатывают на электроэнергию.

По материалам: electrik.info.

Трансформатор Тесла — определение

Первичный контур, подпитываясь от источника электроэнергии, генерирует электромагнитные колебания высокой частоты, которые зависят от параметров L и С. Во вторичном контуре наводится ЭДС индукции такой же частоты, но с более высокой амплитудой напряжения.

Классическая схема трансформатора представлена на рисунке. Здесь первичный колебательный контур состоит из индуктивности, или первичной обмотки, последовательно с которой включена ёмкость, или конденсатор, и параллельно — нелинейный элемент, или разрядник. Индуктивностью вторичного контура является вторичная обмотка, а ёмкость образуется из межвитковой ёмкости само́й обмотки в комплексе с ёмкостью выходного элемента.

Работа трансформатора Тесла проходит в импульсном режиме. Конденсатор первичного контура заряжается током высокого напряжения от внешнего источника питания через низкочастотный трансформатор. Величина этого напряжения ограничивается пробойным напряжением разрядника и в разных схемах может варьироваться в пределах 2-20 кВ.

При пробое искрового промежутка разрядника цепь первичного колебательного контура замкнётся и останется на некоторое время замкнутой через ионизированный газ разрядника, что вызовет затухающие в. ч. колебания в контуре. Резонансные колебания во вторичном контуре вызовут кратное увеличение напряжения на его выходе, которое может достигать миллионов вольт. При разряде конденсатора первичного контура колебательный процесс прекращается до следующей зарядки, после чего цикл повторяется.

К настоящему времени существуют несколько схем возбуждения в.ч. колебаний в трансформаторах Тесла:

  • SGTC – схемы на газовом искровом разряднике;
  • VTTC – схемы на мощных генераторных электронных лампах;
  • SSTC – схемы на мощных полевых транзисторах;
  • DRSSTC – ключевые схемы на биполярных и полевых транзисторах, и т. д.

Применение ТТ нашли не только для красивых развлекательных шоу с яркими многометровыми электрическими разрядами, но и для практического использования. Никола Тесла использовал своё изобретение для телеуправления механизмами, передачи на небольшие расстояния информации и энергии. В начале прошлого века ТТ использовался в медицине для физиотерапевтических процедур. В настоящее время катушки зажигания автомобилей являются одной из модификаций трансформатора Тесла. В средствах неразрушающего контроля широко применяются импульсные рентгеновские аппараты, где импульсное анодное напряжение вырабатывается ТТ, в котором вторичный колебательный контур дополнен выходной «ударной» ёмкостью и разрядником-обострителем. Такой трансформатор выдаёт импульсы напряжением 200-300 кВ.

Трансформация трансформатора Ян Шнейберг - статья о развитии трансформаторов

ТРАНСФОРМАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРА   

Ян Шнейберг

 

В современной электроэнергетике, радиотехнике, электросвязи, системах автоматики широчайшее применение получил трансформатор, который по праву считается одним из распространенных видов электрического оборудования. Изобретение трансформатора – одна из замечательных страниц в истории электротехники. Прошло почти 120 лет после создания первого промышленного однофазного трансформатора, над изобретением которого трудились начиная с 30-х и до середины 80-х годов XIX века ученые, инженеры разных стран.

В наше время известны тысячи разнообразных конструкций трансформаторов – от миниатюрных до гигантских, для транспортировки которых требуются специальные железнодорожные платформы или мощные плавучие средства.

Как известно, при передаче электроэнергии на большое расстояние применяется напряжение в сотни тысяч вольт. Но непосредственно использовать такие огромные напряжения потребители, как правило, не могут. Поэтому электроэнергия, вырабатываемая на ТЭС, ГЭС или АЭС, подвергается трансформации, вследствие чего общая мощность трансформаторов в несколько раз превышает установленную мощность генераторов на электростанциях. Потери энергии в трансформаторах должны быть минимальными, и эта проблема всегда была одной из главных при их конструировании.

Создание трансформатора стало возможным после открытия явления электромагнитной индукции выдающимися учеными первой половины XIX в. англичанином
М. Фарадеем (1831) и американцем Д. Генри (183). Широко известен опыт Фарадея с железным кольцом, на котором были намотаны две изолированные друг от друга обмотки, первичная, соединенная с батареей, и вторичная – с гальванометром, стрелка которого отклонялась при размыкании и замыкании первичной цепи. Можно считать, что устройство Фарадея представляло собой прообраз современного трансформатора. Но ни Фарадей, ни Генри не были изобретателями трансформатора. Они не занимались исследованием проблемы преобразования напряжения, в их опытах приборы питались постоянным, а не переменным током и действовали не непрерывно, а мгновенно в моменты включения или выключения тока в первичной обмотке.

Первыми электрическими приборами, в которых использовалось явление электромагнитной индукции, были индукционные катушки. В них при размыкании первичной обмотки во вторичной наводилась значительная по величине ЭДС, вызывавшая между концами этой обмотки большие искры. Таких приборов в течение 1835–1844 годов было запатентовано несколько десятков. Наиболее совершенной была индукционная катушка немецкого физика Г.Д. Румкорфа1.

Индукционная катушка защищает Кронштадт

Первое успешное применение индукционной катушки было осуществлено в начале 40-х годов XIX века российским академиком
Б.С. Якоби (1801–1874) для воспламенения пороховых зарядов подводных электрических мин. Сооруженные под его руководством минные заграждения в Финском заливе преградили путь к Кронштадту двум англо-французским эскадизвестно, что в ходе этой войны большое значение имела оборона Балтийского побережья. Огромная англо-французская эскадра, состоявшая из 80 кораблей с общим числом орудий 3600, безуспешно пыталась прорваться к Кронштадту. После того как флагманский корабль «Мерлин» столкнулся с подводной электрической миной, эскадра была вынуждена покинуть Балтийское море.

Вражеские адмиралы с сожалением признали: «Союзный флот не может предпринять ничего решительного: борьба с могучими укреплениями Кронштадта подвергла бы только бесполезному риску судьбу кораблей». Известная английская газета «Геральд»
посмеивалась над вице-адмиралом Непиром: «Пришел, увидел и... не победил... Русские смеются, и мы смешны, в самом деле». Электрические мины, неизвестные в Европе, заставили отступить великолепнейший флот, какой когда-либо появлялся в море, он, как писала другая газета, не только «не подвинул вперед войны, но возвратился, не одержав ни одной победы».

Впервые индукционная катушка в качестве трансформатора была применена талантливым русским электротехником-изобретателем Павлом Николаевичем Яблоковым (1847–1894).

В 1876 г. он изобрел наменитую «электрическую свечу» – первый источник электрического света, получивший широкое применение и известный под названием «русского света». Благодаря своей простоте «электрическая свеча» в течение нескольких месяцев распространилась по всей Европе и даже достигла покоев персидского шаха и короля Камбоджи.

Для одновременного включения в электрическую сеть большого числа свечей Яблочков изобрел систему «дробления электрической энергии» посредством индукционных катушек (рис. 1). Патенты на «свечу» и схему их включения он получил в 1876 г. во Франции, куда вынужден был уехать из России, чтобы не попасть в «долговую» тюрьму. (Он владел небольшой электротехнической мастерской и увлекался экспериментированием с приборами, которые брал для ремонта, не всегда вовремя расплачиваясь с кредиторами.)

В разработанной Яблочковым системе «дробления электрической энергии» первичные обмотки индукционных катушек включались последовательно в сеть переменного тока, а во вторичные
обмотки могло включаться различное число «свечей», режим работы которых не зависел от режима других. Как указывалось в патенте, такая схема позволяла «осуществлять раздельное питание нескольких осветительных приборов с разной силой света от единого источника электричества». Совершенно очевидно, что в этой схеме индукционная катушка работала в режиме трансформатора.

Если в первичную сеть включался генератор постоянного тока, Яблочков предусматривал установку специального прерывателя. Патенты на включение свечей посредством трансформаторов были получены Яблочковым во Франции (1876), Германии и Англии (1877), в России (1878). И когда несколько лет спустя начался спор о том, кому принадлежит приоритет в изобретении трансформатора, французское общество «Электрическое освещение», выдавшее 30 ноября 1876 г.ообщении подтверждало приоритет Яблочкова: в патенте «...был описан принцип действия и способы включения трансформатора». Сообщалось также, что «приоритет Яблочкова признан и в Англии».

Схема «дробления электрической энергии» посредством трансформаторов демонстрировалась на электрических выставках в Париже и Москве. Эта установка была прообразом современной электрической сети с основными элементами: первичный двигатель – генератор – линия передачи – трансформатор – приемник. Выдающиеся заслуги Яблочкова в развитии электротехники были отмечены высшей наградой Франции – Орденом Почетного легиона.

В 1882 г. лаборант Московского университета И.Ф. Усагин демонстрировал на Промышленной выставке в Москве схему «дробления» Яблочкова, но во вторичные обмотки катушек включил различные приемники: электродвигатель, нагревательную спираль, дуговую лампу, электрические свечи. Этим он впервые продемонстрировал универсальность переменного тока и был награжден серебряной медалью.

Как уже отмечалось, в установке Яблочкова трансформатор не имел замкнутого магнитопровода, что вполне удовлетворяло техническим требованиям: при последовательном включении первичных обмоток включение и выключение одних потребителей во вторичных обмотках не влияло на режим работы других.

Изобретения Яблочкова дали мощный толчок применению переменного тока. В разных странах стали создаваться электротехнические предприятия для изготовления генераторов переменного тока и совершенствования аппаратов для его трансформации.

Когда возникла необходимость передачи электроэнергии на большие расстояния, использование для этих целей постоянного тока высокого напряжения оказалось неэффективным. Первая электропередача на переменном токе была осуществлена в 1883 г. для освещения Лондонского метрополитена, длина линии составляла около
23 км. Напряжение повышалось до 1500 В с помощью трансформаторов, созданных в 1882 г. во Франции Л. Голяром и Д. Гиббсом. Эти трансформаторы также были с разомкнутым магнитопроводом, но предназначались уже для преобразования напряжения и имели
коэффициент трансформации, отличный от единицы. На деревянной подставке укреплялось несколько индукционных катушек, первичные обмотки которых соединялись последовательно (рис. 2). Вторичная обмотка была секционирована, и каждая секция имела два вывода для подключения приемников. Изобретатели предусмотрели выдвижение сердечников для регулирования напряжения на вторичных обмотках.

Современные трансформаторы имеют замкнутый магнитопровод и их первичные обмотки включены параллельно. При параллельном включении приемников применение разомкнутого магнитопровода технически не оправданно. Было установлено, что трансформатор с замкнутым магнитопроводом обладает лучшими рабочими характеристиками, имеет меньшие потери и больший КПД. Поэтому по мере увеличения дальности электропередачи и повышения напряжения в линиях стали конструировать трансформатор с замкнутым магни1884 г. в Англии братьями Джоном и Эдуардом
Гопкинсонами (рис. 3). Магнитопровод был набран из стальных изолированных друг от друга полос, что снижало потери на вихревые токи. На магнитопроводе располагались, чередуясь, катушки высокого (2) и низкого (3) напряжения. На нецелесообразность эксплуатации трансформатора с замкнутым магнитопроводом при последовательном соединении первичных обмоток впервые указал американский электротехник Р. Кеннеди в 1883 г., подчеркнув, что изменение нагрузки во вторичной цепи одного трансформатора будет влиять на работу других потребителей. Это возможно устранить при параллельном включении обмоток. Первый патент на такие трансформаторы получил М. Дери (в феврале 1885 г.). В последующих схемах электропередачи высокого напряжения первичные обмотки стали включаться параллельно.

Наиболее совершенные однофазные трансформаторы с замкнутым магнитопроводом были разработаны в 1885 г. венгерскими электротехниками: М. Дери (1854–1934), О. Блати (1860–1939) и К. Циперновским (1853–1942). Они же впервые применили термин «трансформатор». В патентной заявке они указали на важную роль замкнутого шихтованного магнитопровода, в особенности для мощных силовых трансформаторов. Ими же были предложены три модификации трансформаторов, применяющихся до настоящего времени: кольцевой, броневой и стержневой (рис. 4). Такие трансформаторы серийно выпускались электромашиностроительным заводом «Ганц и Ко» в Будапеште. Они содержали все элементы современных трансформаторов.
Первый автотрансформатор был создан электриком американской фирмы «Вестингауз» В. Стенлеем в 1885 г., его успешное испытание состоялось в г. Питсбурге.

Большое значение для повышения надежности трансформаторов имело введение масляного охлаждения (конец 1880-х годов,
Д. Свинберн). Первые трансформаторы Свинберн помещал в керамические сосуды, наполненные маслом, что значительно повышало надежность изоляции обмоток. Все это способствовало широкому применению однофазных трансформаторов в целях освещения. Наиболее мощная установка фирмы «Ганц и Ко» была сооружена в Риме в 1886 г. (15000 кВА). Одной из первых электростанций, построенных фирмой в России, была станция в Одессе для освещения нового оперного театра, широко известного в Европе.

Триумф переменного тока. Трехфазные системы

80-е годы XIX в. вошли в историю электротехники под названием «трансформаторных битв». Успешная эксплуатация однофазных трансформаторов стала убедительным аргументом в пользу применения переменного тока. Но владельцы крупных электротехнических фирм, выпускавших оборудование на постоянном токе, не желали терять прибыли и всячески препятствовали внедрению переменного тока, особенно для электропередачи на большие расстояния.

Щедро оплачиваемые журналисты распространяли о переменном токе всяческие небылицы. Противником переменного тока выступил и знаменитый американский изобретатель Т.А. Эдисон (1847–1931). После создания тн отказался присутствовать на его испытании. «Нет, нет, – воскликнул он, – переменный ток – это вздор, не имеющий будущего. Я не только не хочу осматривать двигатель переменного тока, но и знать о нем!» Биографы Эдисона утверждают, что, прожив долгую жизнь, изобретатель убедился в своих ошибочных взглядах и много бы отдал, чтобы вернуть свои слова обратно.

Об остроте трансформаторных битв образно писал известный русский физик А.Г. Столетов в 1889 г. в журнале «Электричество»:
«Невольно вспоминается та травля, которой подвергались трансформаторы в нашем отечестве по поводу недавнего проекта фирмы «Ганц и Ко» осветить часть Москвы. И в устных докладах, и в газетных статьях система обличалась как нечто еретическое, ненациональное и, безусловно, гибельное: доказывалось, что трансформаторы начисто запрещались во всех порядочных государствах Запада и терпятся разве в какой-нибудь Италии, падкой на дешевизну». Далеко не всем известно, что введение казни на электрическом стуле в штате Нью-Йорк в 1889 г. с использованием переменного тока высокого напряжения бизнесмены от электротехники также стремились использовать для компрометации переменного тока, опасного для жизни человека.

Создание надежных однофазных трансформаторов открыло дорогу строительству электростанций и линии передач однофазного тока, который стал широко использоваться для электрического освещения. Но в связи с развитием промышленности, строительством крупных заводов и фабрик все более остро стала ощущаться потребность в простом экономичном электродвигателе. Как известно, однофазные двигатели переменного тока не имеют начального пускового момента и не могли использоваться для целей электропривода. Так в середине 80-х годов XIX в. возникла комплексная энергетическая проблема: необходимо было создать установки для экономичной передачи электроэнергии высокого напряжения на большие расстояния и разработать конструкцию простого и высокоэкономичного электродвигателя переменного тока, удовлетворявшего требованиям промышленного электропровода.

Благодаря усилиям ученых и инженеров разных стран эта проблема была успешно решена на базе многофазных электрических систем. Эксперименты показали, что наиболее целесообразной из них является трехфазная система. Наибольших успехов в разработке трехфазных систем добился выдающийся русский электротехник М.О. Доливо-Добровольский (1862–1919), вынужденный долгие годы жить и работать в Германии. В 1881 г. он был отчислен из Рижского политехнического института за участие в студенческом революционном движении без права поступления в высшее учебное заведение России.

В 1889 г. он изобрел удивительно простой трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, конструкция которого в принципе сохранилась и до наших дней. Но для передачи электроэнергии при высоком напряжении нужно было три однофазных трансформатора, что значительно удорожало всю установку. В том же 1889 г. Доливо-Добровольский, проявив незаурядныеретателя, создает трехфазный трансформатор.

Но к той конструкции, которая подобно асинхронному двигателю в принципе сохранилась до настоящего времени, он пришел не сразу. Вначале это был аппарат с радиальным расположением сердечников. Его конструкция еще напоминает электрическую машину без воздушного зазора с выступающими полюсами, а обмотки ротора перенесены на стержни. Затем было несколько конструкций «призматического» типа. Наконец, в 1891 г. ученый получил патент на трехфазный трансформатор с параллельным расположением сердечников в одной плоскости, подобный современному (рис. 5: а, б, в).

Генеральным испытанием трехфазной системы с использованием трехфазных трансформаторов стала знаменитая Лауфен-Франкфуртская электропередача, сооруженная в 1891 г. в Германии при активном участии Доливо-Добровольского, разработавшего для нее необходимое оборудование. Близ местечка Лауфен у водопада на реке Неккар была сооружена гидростанция, гидротурбина которой могла развивать полезную мощность около 300 л. с. Вращение передавалось на вал трехфазного синхронного генератора. Посредством трехфазного трансформатора мощностью 150 кВА (таких трансформаторов ранее никто не изготавливал), электроэнергия при напряжении 15 кВ передавалась по трехпроводной линии
передач на огромное для того времени расстояние (170 км) во Франкфурт-на-Майне, где открывалась международная техническая выставка. КПД передачи превышал 75%. Во Франкфурте на выставочной площадке был установлен трехфазный трансформатор, понижавший напряжение до 65 В. Выставку освещало 1000 электрических ламп. В зале установили трехфазный асинхронный двигатель мощностью около 75 кВт, приводивший в действие гидравлический насос, который подавал воду для ярко освещенного декоративного водопада. Налицо была своеобразная энергетическая цепь: искусственный водопад создавался энергией естественного водопада, удаленного от первого на 170 км. Впечатлительные посетители выставки были потрясены чудесными способностями электрической энергии.
Эта передача явилась подлинным триумфом трехфазных систем, мировым признанием выдающегося вклада в электротехнику, сделанного М.О. Доливо-Добровольским. С 1891 г. ведет свое начало современная электрификация.

С ростом мощности трансформаторов начинается строительство электростанций и энергетических систем. Зарождается и стремительно развивается электропривод, электротранспорт, электротехнология. Небезынтересно заметить, что первой самой мощной в мире электростанцией с трехфазными генераторами и трансформаторами была станция обслуживания первого в России промышленного предприятия с трехфазным электрооборудованием. Это был Новороссийский элеватор. Мощность синхронных генераторов электростанции составляла 1200 кВА, трехфазные асинхронные двигатели мощностью от 3,5 до 15 кВт приводили в действие различные механизмы и машины, а часть электроэнергии использовалась для освещения.

Постепенно электрификация затрагивала все новые отрасли птво, связь, быт, медицину – этот процесс углублялся и расширялся, электрификация принимала массовый характер.

В течение XX в. в связи с созданием мощных объединенных энергосистем, увеличением дальности передачи электрической энергии, повышением напряжения ЛЭП возрастали требования к техническим, эксплуатационным характеристикам трансформаторов. Во второй половине XX в. значительный прогресс в производстве мощных силовых трансформаторов был связан с применением для магнитопроводов холоднокатаной электротехнической стали, что позволило увеличить индукцию и уменьшить сечение и вес сердечников. Суммарные потери в трансформаторах снижались до 20%. Оказалось возможным уменьшить размеры охлаждающей поверхности масляных баков, что привело к уменьшению количества масла и снижению общего веса трансформаторов. Непрерывно совершенствовалась технология и автоматизация производства трансформаторов, внедрялись новые методы расчета прочности и устойчивости обмоток, стойкости трансформаторов к воздействию усилий при коротких замыканиях. Одна из актуальных проблем современного трансформаторостроения – достижение динамической стойкости мощных трансформаторов.

Огромные перспективы на пути увеличения мощности силовых трансформаторов открываются при использовании сверхпроводниковой технологии. Применение нового класса магнитных материалов – аморфных сплавов, по оценкам специалистов, может снизить потери энергии в сердечниках до 70%.

Трансформатор на службе радиоэлектроники и электросвязи

После открытия Г. Герцем (1857–1894) в 1888 г. электромагнитных волн и создания в 1904–1907 годах первых электронных ламп появились реальные предпосылки для осуществления беспроводной связи, необходимость в которой все возрастала. Неотъемлемым элементом схем для генерирования электромагнитных волн высокого напряжения и частоты, а также для усиления электромагнитных колебаний стал трансформатор.

Одним из первых ученых, исследовавших волны Герца, был талантливый сербский ученый Никола Тесла (1856–1943), которому принадлежит более 800 изобретений в области электротехники, радиотехники и телемеханики и которого американцы называли «королем электричества». В своей лекции, прочитанной во Франклиновском университете в Филадельфии в 1893 г., он вполне определенно высказался о возможности практического применения электромагнитных волн. «Я хотел бы, – говорил ученый, – сказать несколько слов о предмете, который все время у меня на уме, который затрагивает благосостояние всех нас. Я имею в виду передачу осмысленных сигналов, быть может, даже энергии на любое расстояние вовсе без проводов. С каждым днем я все больше убеждаюсь в практической осуществимости этой схемы».

Экспериментируя с колебаниями высокой частоты и стремясь осуществить идею «беспроводной связи», Тесла в 1891 г. создает один из самых оригинальных приборов своего времени. Ученому пришла счастливая мысль – соединить в одном приборе свойства трансформаторй «резонанс-трансформатор», сыгравший огромную роль в развитии многих отраслей электротехники, радиотехники и широко известный под названием «трансформатора Теслы». Между прочим, с легкой руки французских электриков и радистов этот трансформатор назывался просто «Тесла».

В приборе Теслы первичная и вторичная обмотка были настроены в резонанс. Первичная обмотка (рис. 6) была включена через разрядник с индукционной катушкой и конденсаторами. При разряде изменение магнитного поля в первичной цепи вызывает во вторичной обмотке, состоящей из большого числа витков, ток весьма большого напряжения и частоты.

Современные измерения показали, что с помощью резонансного трансформатора можно получить высококачественные напряжения с амплитудой до одного миллиона вольт. Тесла указал, что, изменяя емкость конденсатора, можно получить электромагнитные колебания с различной длиной волны.

Ученый предлагал использовать резонанс-трансформатор для возбуждения «проводника-излучателя», поднятого высоко над землей и способного передавать энергию высокой частоты без проводов. Очевидно, что «излучатель» Теслы был первой антенной, нашедшей широчайшее применение в радиосвязи. Если бы ученый создал чувствительный приемник электромагнитных волн, он бы пришел к изобретению радио. Биографы Теслы считают, что до А.С. Попова и Г. Маркони Тесла был ближе всех к этому открытию.

В 1893 г., за год до Рентгена, Тесла обнаружил «особые лучи», проникающие через предметы, непрозрачные для обычного света. Но он не довел эти исследования до конца, и между ним и Рентгеном надолго установились дружеские отношения. Во второй серии опытов Рентген использовал резонанс-трансформатор Теслы.

В 1899 г. Тесле удалось с помощью друзей соорудить научную лабораторию в Колорадо. Здесь на высоте двух тысяч метров он занялся изучением грозовых разрядов и установлением наличия электрического заряда земли. Он придумал оригинальную конструкцию «усиливающего передатчика», напоминающего трансформатор и позволяющего получать напряжения до нескольких миллионов вольт при частоте до 150 тысяч периодов в секунду. К вторичной обмотке он присоединил мачту высотой около 60 м. При включении передатчика Тесле удалось наблюдать огромные молнии, разряд длиной до 135 футов и даже гром. Он снова возвращался к мысли об использовании токов высокой частоты для «освещения, нагрева, передвижения электрического транспорта на земле и в воздухе», но, естественно, реализовать свои идеи он в то время не мог. Резонанс-трансформатор Теслы нашел свое применение в радиоприемной технике начала XX в. Его конструктивная модификация изготовлялась фирмой «Маркони» под названием «джиггера» (сортировщика) и использовалась также для очищения сигнала от помех.

Проблемы дальности связи удалось решить с появлением усилителей. Трансформатор получил широкое применение в схемах усилителей, основанных на использовании изобретенной в 1907 г. американским радиотехником
Лдионом». На рис. 7 изображена схема триода, используемого в качества усилителя передаваемых сигналов. Электрические колебания, подводимые к триоду, значительно увеличиваются с помощью управляющей сетки и через выходной трансформатор поступают в линию связи. Если в линии через определенные промежутки устанавливать усилители (теперь они уже не ламповые, а полупроводниковые), то дальность связи значительно возрастает.

В XX в. электроника прошла огромный путь от громоздких ламповых устройств до полупроводной техники, микроэлектроники и
оптоэлектроники. И всегда неизменным элементом блоков питания и разных преобразовательных схем оставался трансформатор. За многие десятилетия усовершенствовалась технология изготовления маломощных (от доли ватта до нескольких ватт) трансформаторов. Их массовое производство потребовало применения специальных электротехнических материалов, в частности ферритов, для изготовления магнитопроводов, а также трансформаторов без сердечников для высокочастотных установок. Продолжаются исследования для изыскания более эффективных конструкций с использованием новейших достижений науки и техники.

Электрификация всегда являлась основой научно-технического прогресса. На ее базе непрерывно совершенствуются технологии в промышленности, транспорте, сельском хозяйстве, связи и строительстве. Невиданных успехов достигла механизация и автоматизация производственных процессов. Достижения мировой энергетики были бы невозможны без внедрения разнообразных и высокоэкономичных силовых и специальных трансформаторов.
Но из объективных законов развития науки и техники следует, что какие бы совершенные конструкции ни были созданы сегодня, они являются лишь ступенью на пути создания еще более мощных и уникальных трансформаторов.

 

Посмотреть цены >>>

Использование в электроэнергетике трансформаторов тока с оптическим выходом · Проекты ·

В настоящее время в электроэнергетике широко применяются трансформаторы тока различного номинала и класса напряжений, как для организации точек учета электроэнергии, так и для обеспечения релейной защиты и автоматики. Трансформаторы тока на линиях низкого напряжения 0,4кВ имеют небольшие габариты и простую конструкцию, что делает их применение безальтернативным. Однако, начиная с линий класса 6-10кВ, трансформаторы тока резко увеличивают свои габариты, а для линий 35кВ и выше, вплоть до 220кВ имеют просто огромные размеры, и весьма сложную конструкцию. Конструктивные решения и, как следствие, получаемые массогабаритные показатели в первую очередь определяются метрологическими требованиями и электробезопасностью, задающей класс изоляционной и гальванической стойкости между первичной и вторичной стороной трансформатора. Так, наиболее типичные трансформаторы тока имеют несколько вторичных обмоток с номинальным выходным током 5А.

Развитие современной полупроводниковой элементной базы и компонентов волоконной оптики позволило разработать прототип устройства, позволяющего в ряде применений производить замену классических измерительных трансформаторов тока на линиях среднего напряжения. Устройство использует концепцию трансформатора тока с оптическим выходом и последующей передачей информационного сигнала о протекающем токе через волоконно-оптический кабель. На конечной стороне оптический сигнал вновь преобразуется в электрический сигнал с выходом по току или напряжению. Отличительной особенностью устройства является полное отсутствие гальванической связи между первичной и вторичной стороной, что позволяет существенно упроститьконструкцию трансформатора тока и реализовать его в малогабаритном исполнении. Так, результирующий размер трансформатора тока на 100А и класса 6-10кВ не имеет существенных отличий от аналогичного трансформаторадлялиний 0,4кВ. Теоретические проработки конструктивных и схемотехнических решений предполагают возможность создания подобного трансформатора тока с оптическим выходом и на более высокие классы напряжений. Кроме улучшенных массогабаритных параметров имеется и явный экономический эффект, выражающийся в удешевлении до 50% стоимости по сравнению с классическими трансформаторами тока серии ТОЛ.

Новизна данной практической разработки состоит в разделении первичной измерительной стороны трансформатора тока и вторичного преобразователя протяженной волоконно-оптической линией связи, позволяющей обеспечить необходимую изоляционную стойкость. При этом с целью обеспечения класса точности и метрологических характеристик передача сведений о текущем токе в линии осуществляется методамицифровой модуляции оптического сигнала. Практическая значимость и ожидаемый эффект от применения состоят в сокращении капитальных затрат при сооружении вновь возводимых объектов и узлов сетей электроэнергетики, повышении эффективности и плотности размещения оборудования на площадкахраспределительных подстанций за счет существенно меньших габаритных размеров предлагаемого трансформатора тока с оптическим выходом.

Применение аморфных магнитопроводов насыщения серии MSSA в многоканальных импульсных источниках питания

Обычно в многоканальных импульсных источниках питания (ИИП) обратная связь по напряжению поступает с одного, наиболее важного выхода, на ШИМ – регулятор. Проблемой многоканальных ИИП является взаимная перекрёстная зависимость выходов. Нагружаем один канал – растёт напряжение в другом и наоборот. Происходит это потому, что в схеме только один ШИМ – регулятор и он не может обеспечить хорошую стабильность напряжения во всех каналах сразу. Для улучшения ситуации применяют различные способы, в частности:

● Суммируют напряжение с нескольких каналов и полученный сигнал подают на ШИМ-регулятор. Это позволяет уменьшить взаимное влияние до удовлетворительной величины в несколько процентов.

●   Применяют линейные регуляторы. В этом случае неизбежно дополнительное выделение тепла, и такие схемы становятся неэффективными при токе нагрузки более 1..2 А.

●  Применяют независимые импульсные субрегуляторы.   Этот вариант более эффективен, но требует значительного усложнения схемы, менее надёжен и увеличивает стоимость ИИП. Наибольшие сложности возникают в сильноточных низковольтных схемах, где велико падение напряжения на активном ключе.

Существует простой способ  радикального устранения указанной проблемы – применение в импульсных источниках, имеющих более одного выхода, дросселей магнитных усилителей. Они обеспечивают чрезвычайно точную регулировку каждого независимого выхода, очень эффективны, просты, надёжны и дёшевы. Магнитные усилители (МУ) особенно хорошо подходят к выходам с токами от одного до нескольких десятков ампер, хотя они используются и при более низких токах, там, где чрезвычайно важны хорошая стабильность напряжения и КПД. МУ очень удобны для управления выходным напряжением и током с помощью внешнего сигнала, для построения источников стабильного тока. МУ позволяют легко реализовать раздельную токовую защиту выходов, причём для каждого выхода сделать свой оптимальный порог ограничения тока. Они широко применяются в прямоходовых и двухтактных преобразователях.

Рис.1 Принцип работы дросселя магнитного усилителя.

 

МУ контролирует выход ИИП, изменяя ширину импульса, поступающего с вторичной обмотки трансформатора, до того как импульс будет усреднён выходным фильтром. Он делает это, отодвигая передний фронт импульса, как последовательный выключатель, который будет закрыт во время первой части импульса, а затем открыт для передачи импульса на выходной фильтр (См. Рис.1). Функция переключения выполняется насыщающимся дросселем, который представляет собой несколько витков толстого провода, навитых на кольцевой магнитопровод. Магнитопровод имеет очень прямоугольную петлю гистерезиса (до 99%).  В первый момент времени, последовательно включенный дроссель обладает очень большим импедансом и поэтому фактически блокирует передачу импульса с трансформатора на выходной фильтр. Через определённое время задержки b, дроссель МУ резко входит в насыщение, и его импеданс становится практически равен нулю, поэтому оставшаяся часть импульса беспрепятственно передаётся на выходной фильтр. Произведение амплитуды импульса на время задержки (вольт – секундная площадь задержки) определяется потоком магнитопровода и числом витков обмотки. Максимально возможная задержка получается тогда, когда магнитопровод перемагничивается по полному циклу от   – Bmax до + Bmax . При этом вольт – секундная площадь задержки будет равна произведению числа витков обмотки на величину двойного (максимального) потока магнитопровода 2Фm:

Но не всегда магнитопровод перемагничивается по полному циклу. Точкой возврата можно легко управлять малым током Ic (ток управления), подаваемым в обратном направлении в обмотку дросселя в момент закрытия силового выпрямителя. В этом случае магнитопровод работает по частному циклу. В одну сторону по петле гистерезиса (ПГ) он намагничивается до полного насыщения Bm, а в другую - до некоторой величины BI, в зависимости от величины тока управления. Таким образом, можно регулировать время задержки b в широких пределах - от 0 (максимальное выходное напряжение) до длительности импульса (полное отключение выхода). Максимальная величина тока управления, достаточная для возврата в состояние насыщения –Bmax,  определяется коэрцитивной силой магнитопровода на частоте переключения.

При выходных токах в несколько десятков ампер, ток управления обычно не превышает десятков миллиампер. Поэтому эти устройства и называют магнитными усилителями. Малым током управления объясняется высокая надёжность и эффективность устройств с МУ. В сильноточной цепи находится только обмотка дросселя, все элементы управления находятся в слаботочной цепи, поэтому они малогабаритны и дёшевы. Иногда вместо термина МУ применяют термин «магнитный ключ», т.к. переключение происходит очень резко, с крутым фронтом. Это объясняется формой петли гистерезиса. На боковых ветвях B-H характеристики дифференциальная магнитная проницаемость для аморфного сплава очень велика, поэтому велик и импеданс, пока магнитопровод не войдёт в насыщение. Высочайшая прямоугольность ПГ обеспечивает очень резкий переход в насыщение и крайне низкую дифференциальную магнитную проницаемость на участке насыщения. За счёт этого на участке насыщения дроссель имеет ничтожный импеданс и беспрепятственно пропускает входной импульс на выпрямитель.  

Есть ещё одна положительная особенность источников питания с применением МУ. На Рис.1  видно, что ток Id через силовой транзистор преобразователя в первый момент времени мал, т.к. нагрузка фактически отключена дросселем МУ. В этот момент времени ток Id определяется током холостого хода трансформатора. Это приводит к росту КПД преобразователя, поскольку на фронтах включения/выключения транзистор находится в активном режиме, и в нём выделяется значительная энергия. Потери энергии в самом дросселе МУ складываются из потерь на перемагничивание и потерь в обмотке и обычно  не превышают 1..2 Вт.

 

Расчёт дросселя магнитного усилителя

Перед началом разработки дросселя необходимо определить цель – только регулировка и поддержание нужного напряжения на выходе или то же с возможностью  отключения выхода. Если выход должен быть защищён от короткого замыкания в нагрузке путём ограничения тока или нужно обеспечить стабилизацию выходного тока, то обязательно дроссель должен быть рассчитан для отключения выхода.

1. Определение требуемой вольт – секундной площади задержки:

V – амплитуда импульса, поступающего на дроссель, В;

t – максимальная требуемая задержка переднего фронта импульса (b на Рис.1),  мкс;

1.2 – коэффициент, учитывающий переходные процессы при включении и снижение индукции материала при нагреве.

 

2.   Определение требуемой величины произведения WaAc (Wa – площадь окна (по внутреннему диаметру) сердечника, Ac – эффективная площадь поперечного сечения магнитопровода).

2.1. Грубая оценка  диаметра провода на основе выходного тока.

d – диаметр провода, мм;

I – выходной ток, А.

 

Диаметр провода выбирают в зависимости от условий охлаждения. Для принудительной конвекции может быть выбран более тонкий провод. Полученная величина диаметра провода далее уточняется более точным расчётом исходя из допустимого перегрева, который обычно принимается равным 20…30º С. Важно, чтобы при максимальной температуре внешней среды, температура магнитопровода не превысила 100 ºС для аморфных сплавов (серия MSSA) и 120 ºС для нанокристаллических (серия MSSN).  На практике, так как количество витков обмотки обычно небольшое, а условия охлаждения хорошие (провод открыт), часто допустимы большие плотности тока в обмотке, превышающие в разы соответствующие значения для низкочастотных трансформаторов.

 

2.2. Выбор коэффициента заполнения окна магнитопровода.

Для наиболее распространённых размеров магнитопровода от 12 до 25 мм и диаметре провода от 0.7 до 1.4 мм коэффициент заполнения К обычно принимается равным 0.3. Для большего диаметра провода или при использовании многожильного провода  лучше использовать величину К = 0.2.

 

2.3. Расчёт произведения площади окна на эффективную площадь сечения WaAc.

Aw – площадь сечения провода в см2;

Bm – магнитная индукция насыщения (максимальная) в Теслах;

Λ – вольт – секундная площадь задержки, В×сек.

 

2.4. Выбираем подходящий типоразмер магнитопровода по величине WaAc  из таблицы 1.

Таблица 1

Тип

Габаритные размеры, мм

(внешн. диам. – внутр. диам. – высота)

Длина средней линии

Lm,

(см)

Эффект.

Сечение

Ac,

(см2)

Площадь окна

Wa,

(см2)

WaAc

(см4)

Масса

(г)

Параметры ПГ

@ F=100 КГц, Нm=1Э (80 А/м), 25°С

Полный поток

m

(мкВб)

Коэрцит.

Сила

Hc

(А/м)

Коэфф. Прямоуг.

Br/Bm

(%)

В контейнере

Номин.

Номин.

Номин.

Номин.

Номин.

±13%

Max

Min

MSSA-10S-L,N

11.9-5.8-6.3

2.70

0.0474

0.264

0.0125

1.0

5.5

17

96

MSSA-11A-L,N

14.0-6.6-6,3

2.99

0.0374

0.342

0.0128

0.9

4.3

MSSA-11S-L,N

14.0-6. 6-6,3

2.99

0.0562

0.342

0.0192

1.3

6.6

MSSA- 12A-L,N

14.0-6.6-4,8

3.10

0.0468

0.342

0.0160

1.1

5.4

MSSA-10B-N

11.2-5.7-5.7

2.59

0.0594

0.255

0.0151

1.2

6.9

MSSA-13B-L,N

14.7-7.8-5.1

3.48

0.0412

0.478

0.0197

1.1

4.8

MSSA-15A-L,N

16.7-10.5-6.3

4.22

0.0527

0.870

0.0458

1.7

6.1

MSSA-15S-L,N

16. 9-8.6-6.5

3.87

0.09

0.785

0.0706

2.7

10.5

MSSA-16A-L,N

17.8-8.3-8.1

4.01

0.144

0.541

0.078

4.4

16.7

MSSA-18S-L-N

19.8-10.4-6.4

4.65

0.1053

0.849

0.0893

3.8

12.2

MSSA-21S-L,N

22.8-12.4-6.3

5.42

0.1229

1.207

0.148

5.1

14.3

MSSA-19A-L,N

21.6-11.0-7.9

4.98

0.1591

0.950

0.151

6.1

18.5

MSSA-20A-L,N

22. 5-10.4-10.1

5.01

0.234

0.849

0.199

9.0

27.1

* Коэффициент прямоугольности Br/Bm @ 1 КГц, 80А/м:  N – тип термообработки (86 %), L – тип (93%).

 

3.Расчёт требуемого числа витков обмотки.

Λ – вольт – секундная площадь, В×мкс;

m – полный (двойной) поток из таблицы 1, мкВб;

0.87 – коэффициент, учитывающий разброс значений по потоку (-13%).

 

4. Расчёт потерь и перегрева.

Потери в дросселе магнитного усилителя состоят из потерь на перемагничивание магнитопровода и потерь на активном сопротивлении обмотки.

4.1. Для определения удельных потерь в магнитопроводе определяют величину  амплитуды индукции частного цикла перемагничивания

B – амплитуда индукции, Тл;

Λ – вольт – секундная площадь, В×мкс;

N – число витков обмотки;

Ac – эффективная площадь сечения магнитопровода, см2.

 

Приблизительно удельные потери можно оценить  по формулам, полученным методом аппроксимации и приведённым ниже, или взять из графиков на Рис.2 и Рис.3.

Для магнитопроводов серии MSSA-L (термообработка в продольном магнитном поле):

Pcm – удельные потери в магнитопроводе, Вт/кг;

f – частота, кГц;

B – амплитуда индукции, Тл.

Рис.2. Магнитопроводы MSSA-L. Типовая зависимость потерь от частоты и амплитуды индукции.

 

Для магнитопроводов серии MSSA-N (термообработка без поля):

Рис.3. Магнитопроводы MSSA-N. Типовая зависимость потерь от частоты и амплитуды индукции.

 

После определения удельных потерь в Вт/кг, определяют величину потерь в магнитопроводе, умножив полученное значение удельных потерь на вес выбранного магнитопровода, взятый из табл.1.

Pс – потери, Вт;

m – масса магнитопровода, кг.

 

Для определения потерь в проводе сначала определяют длину провода и далее определяют его сопротивление через значение удельного сопротивления  из табл. 2. На высоких частотах сказывается скин-эффект. Для его учёта определяют величину

d – диаметр провода, см;

f – частота, кГц.

 

И далее по графику Рис.4 находят поправочный коэффициент Rac/Rdc.

 

Таблица 2

Типоразмер провода

AWG

Диаметр

см.

Площадь сечения

см2×103

Сопротивление на единицу длины,

мОм/см

Допустимый ток,

ma

20ºС

100ºС

10

0.272

58.12

0. 033

0.044

25960

11

0.2431

46.40

0.041

0.055

20565

12

0.2172

37.04

0.052

0.070

16323

13

0.1943

29.65

0.066

0.088

12960

14

0.1737

23.71

0.083

0.111

10275

15

0.1557

19.04

0.104

0.140

8150

16

0.1392

15.22

0.132

0.176

6450

17

0. 125

12.27

0.166

0.222

5125

18

0.1118

9.810

0.209

0.280

4063

19

0.1003

7.905

0.264

0.353

3225

20

0.08966

6.314

0.333

0.445

2563

21

0.08062

5.092

0.420

0.561

2038

22

0.07216

4.089

0.530

0.708

1600

23

0.06476

3.294

0.668

0.892

1275

24

0. 05814

2.655

0.842

1.125

1010

25

0.05230

2.148

1.062

1.419

801

26

0.04697

1.733

1.339

1.789

633

27

0.04189

1.378

1.689

2.256

504

28

0.03759

1.110

2.129

2.845

398

29

0.03408

0.9121

2.685

3.587

319

30

0.03048

0.7297

3.386

4.523

250

31

0. 02747

0.5928

4.269

5.704

198

32

0.02489

0.4864

5.384

7.192

160

33

0.02235

0.3922

6.789

9.070

126

34

0.01981

0.3081

8.560

11.43

99

35

0.01778

0.2483

10.795

14.42

79

36

0.01600

0.2012

13.612

18.18

63

37

0.01448

0.1647

17.165

22.93

51

38

0. 01295

0.1317

21.644

28.91

40

39

0.01142

0.1024

27.293

36.46

31

40

0.01016

0.0811

34.417

45.98

24

Rac – сопротивление провода переменному току;

Rdc – сопротивление провода постоянному току.

Рис.4 Поправочный коэффициент, учитывающий скин-эффект.

 

Далее определяют потери в обмотке

Pw – потери в обмотке;

Irms – средне квадратичное значение тока.

Iout – выходной ток, А;

D – отношение длительности импульса (на выходе дросселя магнитного усилителя) к периоду.

 

4.3 Далее считаются общие потери в дросселе

P – общие потери в дросселе, Вт.

Перегрев дросселя оценивается по формуле

А - площадь поверхности дросселя, см2.

Дроссель для расчёта площади поверхности упрощённо рассматривается как цилиндр с диаметром, равным диаметру магнитопровода + 2 толщины обмотки, и высотой, равной высоте магнитопровода + 2 толщины обмотки.

 

Проектирование схемы управления

На Рис.5 представлена одна из простейших и наиболее популярных схем, обеспечивающая очень стабильное выходное напряжение и минимальная по цене. Она рекомендуется в тех случаях, когда требуется только регулировка, когда минимальный ток нагрузки больше критического тока дросселя L2, и когда не требуется ограничение тока. В этом случае источник питания содержит устройство ограничения тока на первичной стороне, которое защищает все выходы вместе.

Рис.5 Пример схемы управления.

 

Назначение резистора R1 – сделать схему некритичной к изменениям коэффициента передачи по току транзистора VT1.

Резистор R1 выбирают так, чтобы при максимальном токе регулирования на нём падало напряжение 1 В.

Резистор R2 выбирают так, чтобы в нормальном режиме работы VT1 ток в цепи  резистора R2 был по крайней мере, 1 мА (рекомендуется 2 мА). Ток анода VD4 не менее 1 мА требуется для обеспечения точного опорного уровня 2.5 В.

Резистор R3 выбирают так, чтобы на выходе усилителя ошибки поддерживалось напряжение, по крайней мере, на 3..4 В ниже напряжения питания усилителя. В данном случае, для TL431, это не критично, но для большинства универсальных ОУ падение напряжение на резисторах R2 и R3 должно быть не менее 4 В.

   Основой схемы является регулируемый источник опорного напряжения TL431. Для обеспечения точного опорного уровня 2.5 В требуется ток анода не менее 1 мА. Делитель R5, R6 задаёт выходное напряжение, и выбирается таким образом

Резистор R6 выбирается так, чтобы ток через делитель был не менее 1 мА.

Отметим, что в данной конструкции R1, R2 и R5 привязаны к выходу регулятора. Это устраняет необходимость в отдельном источнике питания и значительно упрощает схему. Если магнитный усилитель выполняет функцию ограничения выходного тока, R1 и R2 должны быть привязаны к вспомогательному напряжению, обычно 12…15 В.

 

Элементы R4 и C1 выбирают для стабилизации петли обратной связи. Для этого:

1.Оценивают угловую частоту комбинации модулятор/фильтр.

Угловая частота фильтра:

Угловая частота комбинации модулятор/фильтр будет выше

G – усиление по постоянному току (обычно выбирается от 2 до 6). Выбрав среднее значение   G

= 4, частота будет сдвинута вверх коэффициентом  . Следовательно

2.Выбор коэффициента усиления усилителя обратной связи производится в соответствии с формулой

3.Отсюда выбирается величина R4

4.Далее рассчитывают величину C1

Это очень упрощённая процедура, которая обязательно должна уточняться на практике. Устойчивость петли обратной связи проверяют с помощью переключения нагрузки от половины к полной и наоборот. Для правильно спроектированной схемы при этом возникает возмущение выходного напряжения, которое восстанавливается экспоненциально в течение долей миллисекунды без значительного «звона».

 

Пример разработки

Для иллюстрации методики разработки произведём проектирование выходного регулятора магнитного усилителя с выходными параметрами: 12 В, 10А. Конфигурация схемы на Рис.5. Рабочая частота преобразователя – 100 кГц. Форма входного  напряжения с выходной обмотки трансформатора – меандр с амплитудой 40 В. См. Рис. 6. Предполагается, что МУ не используется для ограничения выходного тока и для отключения выхода, а применяется только для стабилизации выходного напряжения  при изменениях напряжения в сети и тока нагрузки.

Рис. 6  Диаграммы напряжения для схемы Рис.4.

 

1. Определение вольт – секундной площади Λ, которую должен выдерживать дроссель, не входя в насыщение:

Чтобы найти максимальное время задержки t, нужно сначала найти длительность импульса  τ на выходе дросселя L1.

Um – амплитуда импульса;

T – период.

Тогда

Отсюда максимальное время задержки переднего фронта импульса t = 5 мкс – 3 мкс = 2 мкс.

Тогда

2. Определение требуемой величины произведения WaAc магнитопровода:

Диаметр провода обмотки

Для  американского ряда  это соответствует 14AWG (1.74 мм) См. табл. 2. Для удобства намотки лучше взять провод вдвойне. При этом площадь сечения должна быть примерно та же. Это 17 AWG (1.25 мм).

Для провода диаметром 1.25 мм выбираем коэффициент заполнения окна К = 0.3.

Тогда

Bm = 0.56 Тл – минимальное значение амплитуды индукции для кобальтовых аморфных сплавов.

По таблице 1 выбираем магнитопровод, имеющий WaAc не менее полученного значения. Выбираем MSSA-18S-L, имеющий WaAc = 0.0893 см4.  Величина двойного потока (при T=25º C)     2Фm = 12. 2 мквб.

3. Число витков обмотки

4. Размах индукции частного цикла

5. Потери в магнитопроводе

6. Потери в обмотке

По геометрическим размерам магнитопровода определяем длину провода одного витка и далее, умножая на число витков, получаем длину провода обмотки. Для данного типоразмера магнитопровода размеры в контейнере 19.8 – 10.4 – 6.4. Длина витка l = 1.2(2×4.7+2×6.4) = 26.64 мм = 2.7 см. (Иногда проще и точнее получить это значение экспериментально).  Для десятивитковой обмотки длина провода L = 27 см.

Для учёта скин-эффекта определим

По графику Рис.3  определим Rac/Rdc = 1.8

Сопротивление обмотки в два провода 17 AWG  на частоте 100 кГц при температуре 100ºС:

7. Определение перегрева

Для расчёта поверхность дросселя с учётом обмотки рассматривают как цилиндр диаметром 19.8 + 2×1.25 = 22.3 мм = 2.23 см и высотой 6.4 + 2×1.25 = 8.9 мм = 0.89 см (обмотка для упрощения рассматривается как однослойная).

Площадь поверхности

Перегрев дросселя

Это значение можно уменьшить методом последовательных приближений, как показано ниже. Изменяя в небольших пределах диаметр провода и число витков, ищут оптимум по минимуму ∆T.

8. Определение тока управления

Ac = 0.1053 см2 – эффективная площадь сечения магнитопровода из табл.1.

Lm = 4.65 см  - длина средней линии магнитопровода из табл.1

Проанализировав полученные результаты, делаем следующие выводы:

  1. Ток управления немного высок – возникнет излишнее выделение тепла на возвратном транзисторе.
  2. Потери в магнитопроводе высоки и значительно превышают потери в обмотке.
  3. Возможно, число витков обмотки можно увеличить, чтобы снизить индукцию (для снижения потерь в магнитопроводе и снижения тока управления).

Так как потери в обмотке малы по сравнению с потерями в магнитопроводе, можно уменьшить диаметр провода и за счёт этого увеличить число витков.

Выберем провод 18 AWG (1.1 мм).  Площадь поперечного сечения двух проводников равна:

Максимальное число витков, исходя из коэффициента заполнения K = 0.3, будет:

Новая магнитная индукция равна:

Таким образом, для нашего примера мы имеем:

Магнитопровод: MSSA-18S-L

Обмотка: 14 витков провода 2×18 AWG (1.1 мм)

Перегрев магнитопровода: 35ºC (естественная конвекция)

Ток возврата: 38 мА

9. Выбор возвратного транзистора

Максимальное напряжение коллектора определяется суммой выходного напряжения (12 В) и амплитуды импульса (40 В) и для нашего примера должно быть не ниже 60 В. Коэффициент усиления по току должен быть высоким, чтобы коэффициент усиления петли ОС не зависел от транзистора. Мощность, выделяемая транзистором, оценивается как произведение тока управление на среднее напряжение коллектор - эмиттер. В течение половины периода, т.е. 5 мкс, когда напряжение на выходе L1 отрицательно,  напряжение на коллекторе     - 40 + 16 = - 24 В. Напряжение на эмиттере +12 В. Напряжение на переходе коллектор-эмиттер будет 36 В. Во время оставшейся части периода коллектор заземлён через диод VD2. Напряжение на переходе коллектор-эмиттер будет 12 В. Среднее по периоду напряжение на переходе коллектор-эмиттер (24+12)/2 = 18 В. Мощность, выделяемая транзистором, равна  38 мА×18 В = 684 мВт. По этим данным выбираем недорогой транзистор BDX 54C, имеющий максимальное напряжение коллектор – эмиттер 100 В, h21Э  не менее 750, корпус: TO-220AB.

 

10. Выбор резистора эмиттера R1

11. Выбор R2

12. Выбор R3

В этом случае используют напряжение насыщения база-эмиттер VBESAT, оно выше VBE.

13. Выбор R4 и R5

14. Расчёт угловой частоты комбинации модулятор/фильтр

Величина индуктивности выходного дросселя L2 обычно рассчитывается по формуле

Величину Imin  обычно выбирают как 10% от максимального выходного тока, т. е. в данном случае 1 А.

Конденсатор выходного фильтра С2 выбирают так, чтобы он обеспечивал достаточно низкий импеданс на частоте пульсаций, для обеспечения размаха пульсаций на выходе устройства не более заданного. В нашем случае для обеспечения размаха пульсаций менее 100 мВ (амплитуда 50 мВ).

Импеданс конденсатора С2

Для алюминиевых электролитических конденсаторов значение ESR доминирует над импедансом. Исходя из этих соображений, в нашем случае выбран номинал 4700 мкФ, 16 В.

15. Расчёт коэффициента усиления усилителя обратной связи

16. Расчёт R4

17. Расчёт С1

 

Варианты схем управления

Кроме приведённого варианта на TL431, усилитель обратной связи можно выполнить на универсальных операционных усилителях. Для их использования потребуется дополнительное питание (обычно 15 В). Существуют и специализированные контроллеры магнитных усилителей, например UC3838A, LPR30, UC19431 и другие. Информацию по применению таких контроллеров можно найти на сайте производителя. Как иллюстрацию привожу типовую схему включения контроллера UC3838A (Рис.7), позволяющую обеспечить управление и по току и по напряжению.

Рис. 7. Типовая схема применения контроллера магнитного усилителя UC3838A.

 

При выборе силовых высокочастотных выпрямительных диодов, если применяются диоды Шоттки, следует особо обратить внимание на величину их максимального обратного тока. Величина обратного тока должна быть на порядок меньше тока управления. Многие диоды Шоттки, особенно низковольтные, имеют значительные обратные токи, и их применение может привести к сужению диапазона регулирования (обратный ток утечки диода VD3.1 на Рис.5 суммируется с током управления). Заметим, что в схемах с МУ не требуются классические демпферные RC цепочки, включаемые параллельно силовым выпрямительным диодам. Сам дроссель МУ эффективно блокирует возникновение высокочастотных колебаний, связанных с конечным временем восстановления диодов. На вывод второго диода надевается миниатюрный помехоподавляющий магнитопровод (amobead), образующий последовательный одновитковый дроссель, или последовательно с диодом включается дополнительно многовитковый помехоподавляющий магнитопровод (Spike Killer) с обмоткой в несколько витков. О применении этих изделий писалось в журнале «Радио №2 за 2003г.» Информация эта есть также на сайте на страничке «Помехоподавляющие магнитопроводы\применение».

В результате последних достижений технологии быстрого охлаждения расплавов появилась новая серия нанокристаллических магнитопроводов MSSN, отличающаяся повышенной индукцией (1.2 Тл), более высокой рабочей температурой (120 ºС), лучшей температурной стабильностью и меньшей ценой. За счёт высокой индукции возможно уменьшение размеров дросселей насыщения. Эта серия может быть более оптимальным выбором по критерию цена/качество, особенно  на не слишком высоких частотах. Порядок расчёта дросселей МУ на основе этой серии в целом такой же, но данные нужно взять из таблицы 3.

Таблица 3

Тип

Габаритные размеры, мм

(внешн. диам. – внутр. диам. – высота)

Длина средней линии

Lm,

(cм)

Эффект.

Сечение

Ac,

(см2)

Площадь окна

Wa,

(см2)

WaAc

(см4)

Масса

(г)

Параметры ПГ

@ F=100 КГц, Нm=1Э (80 А/м), 25°С

Полный поток

m

(мкВб)

Коэрцит.

сила

Hc

(А/м)

Коэфф. прямоуг.

Br/Bm

(%)

В контейнере

Номин.

Номин.

Номин.

Номин.

Номин.

±13%

Max

Min

MSSN-10В-L

11.9-5.8-6.3

26.39

0.0562

0.26

0.0146

1.09

13.5

35.0

97

MSSN-11S-L

14.0-6.6-6.3

29.85

0.0527

0.34

0.0179

1.15

12.6

MSSN-13В-L

14.7-7.8-5. 1

35.03

0.0412

0.49

0.020

1.06

9.9

MSSN-15S-L

16.9-8.6-6.5

46.18

0.0880

0.59

0.052

2.53

21.1

MSSN-18S-L

19.8-10.4-6.4

46.18

0.0948

0.85

0.080

3.22

22.7

Значение потерь в магнитопроводе Pc можно взять из соответствующих графиков (Рис. 8) зависимости потерь от частоты и амплитуды индукции, или определить по приближённой формуле:

Pс – удельные потери, Вт/кг;

∆B = 2B  – размах индукции частного цикла, Тл;

f – частота преобразователя, КГц.

Рис. 8.  Магнитопроводы MSSN. Типовая зависимость удельных потерь (Pcm) от частоты и амплитуды индукции.

Указанная методика расчёта требует обязательного уточнения экспериментальным путём.

 

Э.Фоченков, edf[email protected]yandex.ru

Скачать статью

 

различных типов трансформаторов - Electric Power Inc.

Трансформатор - инновационное изобретение в электротехнике. Это устройство, которое передает мощность от одной цепи к другой без необходимости физического контакта или изменения ее частоты, фазы или каких-либо других компонентов. Это самое важное устройство во всех электрических сетевых приборах. Более того, существуют разные типы трансформаторов, которые используются для разных целей.

Все, что нужно знать о трансформаторах

Прежде чем изучать типы трансформаторов, важно понять, что такое трансформатор? Что ж, трансформатор - это электрический аппарат, который перемещает электрическую энергию из одной цепи в другую.Обычно передача энергии происходит при изменении тока и напряжения. Трансформаторы либо увеличивают переменный ток, также известный как напряжение переменного тока, либо уменьшают то же самое.

Типы трансформаторов

Трансформатор может быть собран в различных вариантах. Он не соединен электрически от одной стороны к другой, но все же две независимые электрические обмотки посредством электромагнитного потока проводят энергию. Трансформатор имеет множество обмоток или катушек как на первичной, так и на вторичной стороне.Иногда различные первичные стороны часто называют центральными, что также можно увидеть на вторичной стороне.

Существует много разных типов трансформаторов, и все они используются для разных целей.

Повышающие трансформаторы : В отличие от понижающих трансформаторов, этот тип трансформаторов используется для повышения низкого первичного напряжения до высокого. Этот процесс преобразования достигается за счет соотношения первичной и вторичной обмоток. Передаточное отношение первичной и вторичной обмоток повышающего трансформатора остается меньше единицы. Другими словами, количество витков вторичной обмотки больше по сравнению с первичной обмоткой. Повышающие трансформаторы в основном используются в таких устройствах, как инверторы и стабилизаторы, где низкое напряжение преобразуется в высокое. Кроме того, повышающий трансформатор также используется для циркуляции электроэнергии. Для распределения питания приложений требуется более высокое напряжение. Кроме того, в сети применяется повышающий трансформатор для повышения уровня напряжения перед распределением электроэнергии.

Необходимо прочитать : Преимущества и недостатки повышающего трансформатора

Понижающий трансформатор : Этот тип трансформатора используется не только в электронике, но и в электрической сфере. Он используется для передачи более высокого уровня первичного напряжения на более низкий уровень через вторичный выход. Этот процесс выполняется с соотношением первичной и вторичной обмоток. Число обмоток понижающего трансформатора на первичной стороне больше, чем на вторичной стороне.Более того, коэффициент намотки первичной и вторичной обмоток в целом постоянно остается больше единицы. Понижающие трансформаторы обычно используются в высоковольтных электрических распределительных системах, работающих на высоком напряжении, обеспечивая экономичные решения для удовлетворения потребностей в доставке электроэнергии на большие расстояния. Проще говоря, повышающий трансформатор используется для преобразования источника высокого напряжения в линию питания низкого напряжения.

Однофазный трансформатор : При постоянном уровне частоты и вариации напряжения это устройство передает мощность переменного тока от одной цепи к другой.Однофазный трансформатор состоит из двух типов обмоток; 1) Первичная обмотка, на которую подается питание переменного тока, и 2) вторичная обмотка, которая подключает нагрузку.

Трехфазный трансформатор : Три однофазных трансформатора, соединенные вместе, действуют как трехфазный трансформатор. Это устройство в основном используется в промышленных целях для выработки электроэнергии, передачи и распределения. Собирать три однофазных трансформатора довольно удобно, чтобы сформировать трехфазный трансформатор, а не покупать его.

Необходимо прочитать : Преимущества и недостатки трехфазного трансформатора

Силовой трансформатор : Это устройство большего размера, которое передает энергию в общественное электроснабжение или подстанцию. Силовой трансформатор фактически является мостом между генератором энергии и первичной распределительной сетью. В зависимости от технических характеристик и номинальных значений силовой трансформатор можно разделить на три категории: 1) трансформатор малой мощности, 2) трансформатор средней мощности и 3) трансформатор большой мощности.Основное применение этого устройства - преобразование высокого тока низкого напряжения в низкий ток высокого напряжения.

Автотрансформаторы : Это устройство отличается от трансформаторов традиционного типа, поскольку у него общая обмотка. Каждый конец сердечника автотрансформатора представляет собой концевую часть обмотки, тем не менее, есть вторая обмотка, которая связана с ключевой промежуточной точкой, имеющей форму третьей клеммы. Первый и второй выводы в этом устройстве создают первичное напряжение, а третий вывод функционирует параллельно либо с первым, либо со вторым выводом, обеспечивая вторичную форму напряжения.

Электрические трансформаторы : Это машина, которая используется для передачи электричества из одной цепи в другую путем изменения уровня напряжения при неизменной частоте. Электрический трансформатор используется для питания переменного тока. Это означает, что колебания тока влияют на колебания напряжения питания. Это означает, что увеличение тока приведет к увеличению напряжения и наоборот.

Связанное сообщение : Что нужно знать об электрических трансформаторах

Заключение Трансформаторы

удовлетворяют самые разные потребности.Некоторые трансформаторы огромны и обычно находятся на электростанции, тогда как некоторые достаточно малы, чтобы их можно было использовать с зарядными станциями. Какую бы форму или размер он ни имел, назначение трансформатора остается прежним - передача электроэнергии от одного типа к другому.

Дополнительные ресурсы:

Basic Electronics - Классификация трансформаторов по использованию

В предыдущей статье мы обсудили классификацию трансформаторов по материалу сердечника, геометрии и уровням напряжения.Трансформаторы также можно классифицировать по их применению и использованию. Давайте сначала рассмотрим две широкие категории вариантов использования - трансформаторы, используемые в области электротехники, и трансформаторы, используемые в области электроники.

Трансформаторы, используемые в электрической сфере, классифицируются по их применению следующим образом:

  • Мощность
  • Распределение
  • Измерение

В области электроники трансформаторы классифицируются по диапазону частот их работы следующим образом:

  • Импульсный
  • Аудио
  • IF
  • РФ

Силовые трансформаторы
Силовые трансформаторы используются для понижения сетевого напряжения в электросети 60 Гц.Эти трансформаторы бывают разных размеров, форм и соотношений обмоток. Они могут быть размером с комнату и маленькими, как кубик Рубика, в зависимости от того, где они используются, от электростанций и линий электропередач высокого напряжения до силовой части электроприборов. Силовые трансформаторы используются для преобразования переменного напряжения (обычно понижающего) из линии питания в электрические цепи или из одной части линии питания в другую. Эти трансформаторы обычно характеризуются максимальным напряжением и токовой нагрузкой вторичной обмотки.

Самые большие из этих трансформаторов используются на электростанциях. Инженеры ничего не могут поделать с потерями энергии из-за сопротивления проводов и мощности, потребляемой нагрузкой. Таким образом, у них остается возможность передавать мощность высокого напряжения по линиям электропередачи. Чем выше напряжение, тем ниже ток, поэтому потери энергии при передаче энергии сводятся к минимуму. Силовые трансформаторы на электростанциях преобразуют сильноточные низковольтные напряжения в низковольтные высоковольтные переменного тока. На электростанциях высокой энергии используются силовые трансформаторы большей мощности, которые могут передавать мощность до 100 МВА по линии передачи.Трансформаторы средней мощности обычно имеют номинальную мощность от 50 до 100 МВА, в то время как малые силовые трансформаторы, используемые на местных электростанциях, обычно имеют номинальную мощность от 500 до 700 кВА.

Силовые трансформаторы больше распределительных трансформаторов. Они разработаны для обеспечения максимальной энергоэффективности, поскольку остаются загруженными 24 часа в сутки. Такие силовые трансформаторы могут быть напрямую подключены к потребителю или могут подключаться к распределительной сети. Большинство силовых трансформаторов имеют трехфазную конфигурацию, в то время как некоторые малые силовые трансформаторы могут иметь однофазную конфигурацию.Трехфазные силовые трансформаторы дороги, но намного эффективнее однофазных трансформаторов.

Трансформаторы используются в разных точках передающих сетей. По линиям высокого напряжения проходят напряжения в кВ или МВ, которые нельзя напрямую подать потребителю. Силовые трансформаторы используются для понижения этих напряжений до более низких напряжений в точках ответвления. Пониженное напряжение далее понижается в сети. Наконец, напряжение переменного тока понижается до трехфазного 230 В или 120 В RMS распределительными трансформаторами для подачи питания на стороне потребителя.

Малогабаритные силовые трансформаторы используются в силовой части электроприборов для дальнейшего понижения напряжения сети переменного тока до низкого напряжения в диапазоне от 5 В до 50 В. Большинству бытовых приборов для работы требуется от 5 до 12 В при минимальном потреблении тока. Силовые трансформаторы бывают разных конструкций, конфигураций и размеров.

Автотрансформаторы
Автотрансформаторы - это силовые трансформаторы, у которых первичная и вторичная обмотки находятся на общей катушке.И первичная, и вторичная обмотки находятся на одной катушке и имеют одинаковое направление. Напряжение варьируется путем изменения положения вторичных ответвлений.

Однофазные и трехфазные трансформаторы
Силовые трансформаторы могут иметь однофазную или трехфазную конфигурацию. Однофазные трансформаторы имеют одну пару первичной и вторичной обмоток. Эти трансформаторы обычно используются в электроприборах, где они преобразуют уровни напряжения с постоянной частотой.

Трехфазные трансформаторы имеют три пары первичной и вторичной обмоток, соединенных друг с другом.Эти трансформаторы экономичны по сравнению с однофазными трансформаторами при использовании в производстве, передаче и распределении электроэнергии. Первичная и вторичная обмотки в трехфазных трансформаторах могут иметь различные комбинации соединений звезды и треугольника, например, соединения звезда-звезда, звезда-треугольник, треугольник-треугольник или треугольник-звезда на первичной и вторичной обмотках соответственно.

Схематическое изображение типичного трехфазного трансформатора (Изображение: Quora)

Распределительные трансформаторы
Распределительные трансформаторы используются в электрических распределительных сетях для снижения напряжения в линиях электропередачи до менее 33 кВ для промышленных целей и 230–440 В для бытовых целей.Обычно они используются в конце распределительной сети в качестве трансформаторов полюсного типа, а также могут устанавливаться на площадках или подземных трансформаторах на стороне распределения. Они небольшие по размеру, не всегда полностью загружены и могут иметь изоляцию сухого типа или жидкостную изоляцию. Они могут подавать однофазное или трехфазное питание на конец потребителя. Эти трансформаторы недорогие и имеют КПД от 50 до 70 процентов.

Измерительные / измерительные трансформаторы
Измерительные трансформаторы используются для измерения высоких значений тока и напряжения и используются вместе с измерительными приборами низкого диапазона в качестве точных преобразователей отношения.Эти трансформаторы преобразуют высокое напряжение или ток в низкое напряжение или ток в точном соотношении, так что его можно измерить с помощью обычного амперметра, вольтметра или ваттметра. Это могут быть трансформаторы тока, которые предполагается использовать с амперметром, или трансформаторы напряжения, которые предполагается использовать с вольтметром переменного тока.

Изолирующий трансформатор 120: 120 с двумя обозначениями полярности (Изображение: Википедия).

По сути, это изолирующие трансформаторы, которые надежно изолируют линию питания с измерительным прибором.Напряжение питающей сети точно понижается за счет высокого передаточного числа до более низкого напряжения, так что типичный измерительный прибор может легко его измерить. Трансформаторы тока подключены последовательно к линии питания для измерения тока. Ток питающей сети измеряется как сумма тока возбуждения и вторичного тока, умноженная на коэффициент трансформации. Трансформаторы тока с меньшей точностью также используются в качестве трансформаторов защиты.

Для измерения высоких напряжений первичная обмотка трансформаторов напряжения или трансформаторов напряжения подключается к линии питания, а напряжение линии питания понижается до безопасного предела на вторичной обмотке.Трансформаторы напряжения могут быть электромагнитными, конденсаторными или оптическими. Электромагнитные типы представляют собой простые понижающие трансформаторы с проволочной обмоткой, конденсаторные типы используют конденсаторный делитель напряжения, а оптические типы используют оптоэлектронные компоненты.

Импульсные трансформаторы
Импульсные трансформаторы - это малогабаритные трансформаторы на печатной плате, используемые в электронных устройствах для генерации импульсов фиксированной амплитуды. Эти трансформаторы изолируют цепь цифровой нагрузки и подают на нее импульсы постоянной амплитуды.

Аудиопреобразователи
Преобразователи, используемые в области электроники, более целесообразно классифицировать по диапазону рабочих частот. Электронные трансформаторы, работающие в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц, классифицируются как аудиопреобразователи. Как правило, это малогабаритные трансформаторы электросети с ламинированным сердечником E-I, аналогичные типичным трансформаторам электросети 60 Гц. Это могут быть повышающие или понижающие трансформаторы. Звуковые трансформаторы в основном используются для согласования импедансов и имеют практически нулевое реактивное сопротивление.В аудиотрансформаторе может быть несколько первичных и вторичных катушек, которые могут быть разделены или иметь центральный отвод.

IF трансформаторы
IF трансформаторы используются для настройки сигналов промежуточной частоты. Это экранированные трансформаторы, обычно имеющие ферритовый сердечник с высокой магнитной проницаемостью.

Радиочастотные трансформаторы
Электронные трансформаторы, которые используются на радиочастотах, называются радиочастотными трансформаторами. Это могут быть трансформаторы с проволочной обмоткой, такие как трансформаторы электросети, или трансформаторы линий электропередачи.Наиболее распространены трансформаторы с проволочной обмоткой с тороидальным сердечником из порошкового железа. Радиочастотные трансформаторы с воздушным сердечником используются для приложений большой мощности. В то время как трансформаторы с сердечником из порошкового железа обладают высокой проницаемостью и самозащитой, трансформаторы с воздушным сердечником намного более энергоэффективны, несмотря на то, что они имеют значительные электромагнитные помехи. Эти трансформаторы также называются широкополосными трансформаторами и используются в диапазоне частот от 3 МГц до 30 МГц. На более высоких частотах используются трансформаторы линий передачи в качестве четвертьволновых антенн.Это могут быть параллельные провода или коаксиальные кабели.

Применение трансформаторов
Трансформаторы широко используются как в электротехнике, так и в электронике. В области электротехники трансформаторы обычно используются для понижения напряжения переменного тока на электростанциях, распределительных сетях или для измерения. В электронике трансформаторы используются для многих приложений, таких как повышение или понижение напряжения, согласование импеданса, генерация импульсов, связь и изоляция.

Трансформаторы, используемые в области электроники, обычно имеют свои характеристики, такие как первичное напряжение, вторичное напряжение и номинальная мощность, напечатанные на них.Как правило, цветовые схемы обозначают выводы первичной обмотки, вторичной обмотки и центрального отвода.

Activity 12
Довольно о трансформаторах. Теперь, когда вы хорошо знакомы с пониманием работы и технических характеристик трансформаторов, пришло время опробовать некоторые схемы. Получите принципиальные схемы и запачкайте руки некоторыми из схем для хобби, в которых используются трансформаторы, такие как полуволновой выпрямитель, двухполупериодный выпрямитель, симметричный настольный источник питания 12 В или 9 В, усилитель мощности звука и предварительный усилитель.Проверьте роль и требуемые характеристики трансформаторов, используемых в этих цепях.

Операция 13
Подготовьте список некоторых трансформаторов генерации импульсов по их номерам деталей. Загрузите и изучите их таблицы данных. Выясните важные электрические характеристики, упомянутые в их таблицах данных, которые могут быть полезны в их применении.

В следующей статье мы поговорим об источниках питания.


В рубрике: Рекомендуемые, Учебные пособия


Как подключить понижающий трансформатор | by Abbott Technologies

Как подключить понижающий трансформатор

Понижающий трансформатор - это трансформатор, в котором первичное напряжение выше, чем вторичное.Он в основном предназначен для понижения напряжения с первичной обмотки на вторичную.

Понижающий трансформатор преобразует мощность низкого тока с высоким напряжением в мощность низкого и высокого тока, отсюда и название «понижающий». В первичной и вторичной обмотке трансформаторов используются провода разного калибра из-за разной величины тока. Перед подключением понижающего трансформатора необходимо иметь несколько единиц оборудования, которое упростит электромонтаж. Понижающие трансформаторы используются для преобразования 220-вольтного электричества, которое обычно встречается в большинстве частей мира, в 110-вольтное напряжение, необходимое для многих электронных устройств, что делает его наиболее широко используемым трансформатором.

Ниже приведены этапы подключения понижающих трансформаторов;

Шаг 1- Определите схему, а также номинальные характеристики трансформатора, который необходимо закрепить, и снимите крышку клеммной коробки, если трансформатор рассчитан на большой ток. Кроме того, отключите питание схемы и убедитесь, что обе стороны ее защиты отключены.

Шаг 2- Определите, за какой нагрузкой следует понижающий трансформатор. Прекращения, включая; h2, h3, h4 и h5, что означает сторону высокого напряжения, если трансформатор, и X1, X2, X3 и X4, что означает сторону низкого напряжения трансформатора.Хотя соединение трансформатора варьируется в зависимости от производителя и входного напряжения, согласование всегда выполняется независимо от размера трансформатора.

Шаг 3- Сначала заделайте провода входного питания и обрежьте их в зависимости от наконечника, а также количества проводов, проходящих через прорезь в области обжима.

Шаг 4- Снимите внешнюю изолирующую крышку, чтобы ток мог течь через провод. Затем наденьте наконечник на медный провод без покрытия и надежно прижмите соединительный элемент к проводу.

Шаг 5- Подключите высоковольтную сторону понижающего трансформатора, тщательно соблюдая все требования, которые могут быть указаны производителем.

Шаг 6- Подключите низковольтную сторону трансформатора, следуя инструкциям производителя и схемам для различных типов трансформаторов. Для небольших управляющих трансформаторов будут только клеммы X1 и X2, где X1 - сторона питания, а X2 - заземление и сторона низкого напряжения.

Шаг 7- Подключите управляющий трансформатор для X1 и X2, где X1 идет прямо в цепь управления после того, как он проходит через предохранитель, обычно рассчитанный на эту цепь. X2 подключается к нейтральной стороне цепи управления и также используется для безопасного заземления. Следовательно, клемма X2 небольшого управляющего трансформатора должна быть соединена вместе с заземляющей структурой цепи.

Шаг 8- Замените экраны на трансформаторе и любых корпусах, которые препятствуют прохождению тока.Включите цепь питания фидера, чтобы подать высокое напряжение на трансформатор, а затем включите контроль цепи безопасности на стороне низкого напряжения.

Шаг 9- После всего этого проверьте напряжение на стороне понижающего трансформатора, чтобы убедиться в надлежащем напряжении, которое должно быть таким же, как указано на бирке производителя.

Заключение.

Электричество имеет решающее значение в нашей повседневной жизни. Понижающие трансформаторы широко используются из-за того, что они обеспечивают достаточную мощность для обычно используемых электроприборов, а их электромонтаж должен выполняться профессионально, чтобы снизить риск взрыва и других электрических опасностей.

Чтобы узнать больше о посетите: Abbott Technologies

Типы трансформаторов - Inst Tools

Типы трансформаторов

Трансформаторы классифицируются по уровням напряжения, используемой основной среде, расположению обмоток, использованию и месту установки и т. Д.

Трансформаторы на уровни напряжения

Трансформаторы классифицируются как повышающие и понижающие трансформаторы по соотношению напряжений между первичной обмоткой и вторичной обмоткой.Это широко используемые типы трансформаторов для всех приложений. Здесь важно помнить, что не будет никакой разницы в первичной и вторичной мощности. Т.е. если напряжение на вторичной стороне высокое, то ток, потребляемый вторичной обмоткой, будет низким, так что мощность будет такой же. То же, что и в обратном случае, когда напряжение низкое, потребляемый ток будет большим.

Повышающий трансформатор

Как следует из названия, вторичное напряжение повышается по сравнению с первичным напряжением.Это достигается увеличением количества витков катушки во вторичной обмотке, как показано на рисунке.

На электростанции этот трансформатор используется как трансформатор подключения генератора к сети. Т.е. Генерируемое до низкого напряжения должно быть соответствующим образом увеличено для подключения к сети высокого напряжения.

Понижающий трансформатор

В этом трансформаторе напряжение на вторичной обмотке понижается относительно первичной обмотки высокого напряжения, так что он называется понижающим трансформатором.Количество витков обмотки будет большим на первичной стороне, а на вторичной - меньше.

На электростанции использование этого трансформатора очень велико, когда электроснабжение сети понижается и передается соответствующему вспомогательному оборудованию станции во время запуска электростанции. После запуска установки необходимо понижение напряжения, если вспомогательное оборудование установки будет работать при низком напряжении по сравнению с его генерируемым напряжением.

В распределительной сети также широко используется понижающий трансформатор для преобразования высокого напряжения сети в низкое напряжение, которое может использоваться в домашних целях.

Трансформатор на основе используемой основной среды

Трансформаторы подразделяются на трансформаторы с воздушным сердечником и железным сердечником. Т.е. среда помещена между первичным и вторичным воздухом в трансформаторе с воздушным сердечником и железом в трансформаторе с железным сердечником.

Трансформатор с воздушным сердечником

Первичная и вторичная обмотки намотаны на немагнитную полосу, где магнитная связь между первичной и вторичной обмотками осуществляется по воздуху.Влияние взаимной индуктивности меньше в воздушном сердечнике по сравнению с железным сердечником, то есть сопротивление, обеспечиваемое генерируемому потоку, велико в воздушной среде, тогда как в железном сердечнике оно меньше. Но гистерезис и потери на вихревые токи, которые преобладают в типе с железным сердечником, в меньшей степени или полностью устраняются в трансформаторе с воздушным сердечником.

Трансформатор с железным сердечником

Две обмотки намотаны на железные пластины, которые обеспечивают идеальную связь с генерируемым магнитным потоком.Из-за проводящих или магнитных свойств железа он обеспечивает меньшее сопротивление потоку связи. Это широко используемые трансформаторы, эффективность которых выше по сравнению с трансформаторами с воздушным сердечником.

Трансформатор на обмотках

Автотрансформатор

Обычные трансформаторы имеют две обмотки, расположенные с двух разных сторон, то есть первичную и вторичную, но в автотрансформаторе первичная и вторичная обмотки соединены друг с другом как физически, так и магнитно.Есть одна общая обмотка, которая образует как первичную, так и вторичную обмотку, в которой напряжение изменяется путем изменения положения вторичных ответвлений на корпусе катушки.

Трансформатор в зависимости от использования

Трансформаторы используются для выполнения многих функций в соответствии с необходимостью. Они подразделяются на силовой трансформатор, измерительный трансформатор, защитный трансформатор и распределительный трансформатор.

Силовой трансформатор

Силовые трансформаторы имеют большие размеры и используются для передачи большой мощности, где напряжение передачи превышает 33 кВ.Он используется в генерирующей станции и передающей подстанции. Высокий уровень изоляции.

Распределительный трансформатор

Используется для распределения электрической энергии при низком напряжении менее 33 кВ в промышленных целях и 440-220 В в бытовых. Он работает с низким КПД (50-70%), имеет небольшие размеры, прост в установке, имеет низкие магнитные потери и не всегда полностью загружен.

Измерительный трансформатор

Они используются для измерения некоторых электрических величин, таких как напряжение, ток и т. Д.Как следует из названия, они классифицируются как трансформаторы напряжения, трансформаторы тока и т. Д.

Защитные трансформаторы

Эти типы трансформаторов используются для защиты компонентов. Основное различие между измерительными и защитными трансформаторами заключается в точности, то есть защитные трансформаторы должны быть более точными по сравнению с измерительными трансформаторами.

Трансформаторы по месту использования

Классифицируются как внутренние и внешние трансформаторы.Внутренние трансформаторы имеют соответствующую крышу, как и в обрабатывающей промышленности. Наружные трансформаторы распределительного типа размещаются на подстанциях и т. Д.

Технические - электрические трансформаторы | GS Трансформеры

Разделительный трансформатор

Трансформаторы с первичной (входной) и вторичной (выходной) обмотками, отделенными друг от друга, известны как разделительные трансформаторы. В этой конструкции входная мощность и выходная мощность электрически разделены диэлектрическим изоляционным барьером.

Разделительный трансформатор

Преимущества использования изолирующего трансформатора
  • Первичная и вторичная обмотки могут быть сконструированы как повышающий или понижающий трансформатор, чтобы соответствовать нагрузке в электрической системе.
  • Предотвращение выбросов оборудования от сети
  • Безопасность.Между токоведущей частью цепи и землей не будет проводящего соединения. С изолирующим трансформатором нет опасности прикоснуться к токоведущему, когда тело заземлено.
  • За счет подключения защитного заземления электрической системы к нейтральному проводу на вторичной обмотке трансформатора устраняется напряжение между нейтралью и землей и помехи. Это решает проблемы надежности микропроцессорной электроники.

Изолирующие трансформаторы также являются наиболее распространенным типом трансформаторов для повышения и понижения напряжения.Однако трансформаторы с соотношением 1: 1, где входное и выходное напряжение одинаковы, также широко используются исключительно для использования преимущества изоляции.

Автотрансформатор

Понижающий автотрансформатор Повышающий автотрансформатор

В автотрансформаторе первичная и вторичная обмотки имеют общую обмотку.Вторичное напряжение всегда имеет общий вывод с первичным. Повышение или понижение напряжения достигается отводом обмотки, измеряющим от общего конца. Например, вторичный отвод на 50% обмотки будет производить половину входного напряжения.

Преимущества использования автотрансформатора
  • Легче по весу и меньше по физическим размерам, так как требуется меньше обмоток и меньший сердечник.
  • Дешевле по сравнению с изолирующим трансформатором.
  • Перечисленные преимущества обычно относятся к автотрансформатору с коэффициентом напряжения до 3: 1 или наоборот. За пределами этого диапазона изолирующий трансформатор обычно более экономичен.
Ограничения
  • Нет изоляции между первичной обмоткой и вторичной обмоткой. Следовательно, защита оборудования зависит от устройств питания.
  • Поскольку первичная и вторичная обмотки имеют общий конец, если нейтральная сторона первичного напряжения не заземлена, вторичная сторона также не будет заземлена.
  • Нарушение изоляции обмотки автотрансформатора приведет к подаче полного входного напряжения на выход.

Как используются сердечники трансформаторов в мире

В Corefficient мы знаем, что в связи с активизацией развития сельских районов, индустриализацией и открытием заводов нового поколения рынок трансформаторов растет. Мы считаем, что лучший потребитель - это информированный потребитель. Мы хотели уделить время определению некоторых основных элементов и принципов электрических трансформаторов, сердечников трансформаторов и того, как они используются в мире.

Ядра трансформатора и определение типов сердечников трансформатора

Сердечник трансформатора - это статическое устройство, которое передает мощность от одного источника к другому посредством электромагнитной индукции. Это кусочки магнитного материала с высокой магнитной проницаемостью, который используется для направления магнитных полей в трансформаторах. Сердечники трансформаторов изготавливаются из разных материалов и бывают разных типов. Вот несколько конкретных примеров и то, как они работают:

  • Стальные ламинированные сердечники : Эти типы сердечников трансформатора известны своей проницаемостью, которая снижает ток намагничивания и делает их подходящим вариантом для использования при передаче напряжения на уровне звуковой частоты.

  • Твердые сердечники : они имеют самую высокую магнитную проницаемость и электрическое сопротивление. Они, как правило, используют электрическую передачу, где частота высока и требует плавной и безопасной работы. Эти типы сердечников являются прочными по своей природе и имеют долгий срок службы.
  • Тороидальные сердечники : Они используются в качестве индуктора в электрических цепях из-за их круглой конструкции; они эффективны и действенны при работе с высоким уровнем энергетической нагрузки.

Трансформаторы и определенные типы трансформаторов

Существуют также трансформаторы различных типов, которые имеют несколько катушек или обмоток на первичной и вторичной сторонах. Они также могут иметь «центральный отвод», то есть две катушки соединены последовательно. Трансформаторы сконструированы таким образом, чтобы преобразовывать уровень напряжения на первичной стороне во вторичную. Существует три типа трансформаторов: понижающий, повышающий и изолированный трансформатор.

  • Понижающий трансформатор : Понижающий трансформатор преобразует более высокое напряжение в более низкое напряжение на вторичном выходе.Количество обмоток на вторичной стороне больше, чем на первичной. Эти типы трансформаторов в основном используются в электронике; это требование к силовой части любого электрооборудования.
  • Повышающий трансформатор : Логически повышающий трансформатор является противоположностью понижающего трансформатора. Они повышают низкое первичное напряжение до высокого вторичного напряжения. Повышающие трансформаторы также могут использоваться в электронике, включая стабилизаторы и инверторы.Повышающие трансформаторы также используются при распределении электроэнергии, часто «повышая» напряжение в энергосистеме перед распределением.
  • Изолированный трансформатор : Изолированный трансформатор не преобразует уровни напряжения, а уровни напряжения на первичной и вторичной сторонах остаются неизменными. Это изолирующий барьер, где проводимость происходит только с магнитным потоком, как правило, в целях безопасности и для предотвращения передачи шума от первичной обмотки к вторичной или наоборот.

Типы материалов магнитных сердечников для трансформаторов

Электрический силовой трансформатор имеет первичную, вторичную и третичную обмотки. Затем он приводится в движение потоком между обмотками. Магнитные сердечники служат проводником потока. Сердечник может быть изготовлен из следующих материалов:

  • Аморфная сталь : Эти сердечники изготовлены из нескольких металлических лент толщиной в бумагу, которые помогают уменьшить протекание вихревых токов. Сердечники из аморфной стали имеют небольшие потери и могут легко работать при высоких температурах.Сердечники из аморфной стали чаще всего используются в высокоэффективных трансформаторах, работающих на средних частотах.

  • Твердый железный сердечник : Эти сердечники обеспечивают магнитный поток, который помогает сохранять сильные магнитные поля без насыщения железом. Сердечники не рекомендуются для трансформаторов, работающих на переменном токе, поскольку магнитное поле создает большие вихревые токи. Эти вихревые токи выделяют тепло на высоких частотах.
  • Аморфные металлы : Эти металлы, также известные как стекловидные металлы, являются стеклообразными или некристаллическими.Эти металлы используются для создания трансформаторов с высокими рабочими характеристиками. Материалы обладают низкой проводимостью, что способствует уменьшению вихревых токов.
  • Ферритовая керамика : Ферритная керамика - это класс керамических соединений, состоящих из оксида железа и одного или нескольких металлических элементов. Эти ферритовые керамические магнитопроводы используются в высокочастотных приложениях. Керамические материалы служат в качестве эффективных изоляторов и помогают уменьшить вихревые токи.
  • Ламинированные магнитные сердечники : Эти сердечники состоят из тонких листов железа, покрытых изолирующим слоем, предотвращающим появление вихревых токов.
  • Сердечник из карбонильного железа s: Эти магнитные сердечники изготовлены из порошкового карбонильного железа и обеспечивают стабильную работу в широком диапазоне магнитного потока и температур. Сердечники из порошка карбонильного железа представляют собой небольшие железные сферы, покрытые тонким изолирующим слоем. Эти сердечники помогают уменьшить влияние вихревых токов при высоких температурах.
  • Кремниевая сталь : Кремниевая сталь имеет высокое электрическое сопротивление. Сердечник из кремнистой стали обеспечивает стабильную работу в течение многих лет и обеспечивает высокую плотность потока насыщения.

Преобразование энергии, электрические сети и сердечники трансформаторов

Наиболее очевидное применение электрического трансформатора - это распределение энергии в линии передачи: от электростанции до повышающей передачи, для понижающей передачи. На электростанции (или генерирующей установке) энергия угля, газа, воды, атомной энергии, ветра, солнца и т. Д. Преобразуется в электрическую энергию. Электростанция подключена к сети передачи, которая, в свою очередь, подключена к распределительной сети.Передающая сеть - это высоковольтная сеть для передачи электроэнергии на большие расстояния. Распределительная сеть - это сеть среднего и низкого напряжения для местного распределения электроэнергии конечным пользователям.

Обычно сеть состоит из множества подстанций, соединенных между собой линиями электропередачи. Эти подстанции содержат защитное оборудование, которое в случае проблем может автоматически срабатывать автоматические выключатели, перенаправляя мощность в сети.

В Corefficient, чтобы гарантировать высокое качество сердечников трансформаторов, мы предлагаем испытания материалов из электротехнической стали, включая испытания Эпштейна, испытания отдельных листов, испытания Франклина и испытания размеров.Мы также предлагаем электрические испытания собранного сердечника.

Corefficient - компания по производству сердечников трансформаторов, базирующаяся в Монтеррее, Мексика, стремящаяся повысить ценность своей продукции для сердечников трансформаторов. Сочетание опыта и успеха в области проектирования сердечников трансформаторов, проектирования сердечников трансформаторов, экспертизы магнитных сердечников и, что наиболее важно, обслуживания клиентов. Готов начать? Свяжитесь с инженером по продажам Corefficient сегодня по телефону: 1 (704) 236-2510.

The Transformer, октябрь 1960 г. Популярная электроника

Октябрь 1960 г. Популярная электроника

Таблица содержания

Воск, ностальгирующий по истории ранней электроники.См. Статьи из Популярная электроника, опубликовано с октября 1954 года по апрель 1985 года. Настоящим подтверждаются все авторские права.

Если вы ищете очень подробный трактат о трансформаторах, от частоты сети переменного тока вверх через звуковые и радиочастотные частоты, но без множества формул, отвлекающих вас, тогда эта статья Кен Гилмор - это он. Он начинает с основ течения создание магнитного поля, говорит о взаимной связи и индукции, повышающие и понижающие трансформаторы, автотрансформаторы, железо и трансформаторы с ламинированным сердечником, многоотводное согласование напряжения и импеданса трансформаторы, и даже касается трансформаторов размером с мага в подстанции системы распределения электроэнергии.Трансформаторы принципиально работают сегодня так же, как и при их первом изобретении в 1830-х годах. Уравнения для моделирования были уточнены до n-й степени, но для подавляющего большинства человечества этой статьи будет достаточно, чтобы знание принципов лучше, чем непрофессионал.

Посмотреть все статьи от Популярная электроника .

Трансформатор

Кен Гилмор

Основное устройство связи, трансформатор один самых способных магов электроники - вот что стоит за его электрическая ловкость и то, как он справляется со своим множеством ценных трюков.

Что делает трансформатор

Электроэнергия, которая заставляет ваши лампочки светиться, запускает ваш холодильник, и работает, ваш Hi-Fi комплект входит в ваш дом в потенциал около 115 вольт. Но если бы вы поднялись на утилиту полюс снаружи и измерить там напряжение, может получиться быть как 6000 вольт. Если бы вы продолжали лазать по шестам в другом В разных местах города вы можете найти напряжение до 120 000 вольт!

Даже в вашем доме какая-то техника - кондиционеры, одежда. сушилки, электрические плиты и другое сверхмощное оборудование - могут работать на 230 вольт вместо обычных 115 вольт.И если вы исследуете свой телевизор, вы найдете еще более широкий диапазон напряжений. Для хотя ваш телевизор питается от сетевой розетки - и питание есть на 115 вольт - ваш набор может изменить это напряжение на несколько различных значений, так что каждая трубка и Схема может работать в тех условиях, которые ей больше всего нравятся. Вследствие этого, в некоторых местах вы найдете значения всего в один или два вольта; в других - до 15 или 20 тысяч вольт.

Электроэнергия, один из наших самых полезных слуг, становится чрезвычайно более полезно, когда мы можем изменять его по желанию до десятков или даже сотен, разного напряжения. К счастью, мы можем легко внести эти изменения. и экономично с помощью устройства, известного как трансформатор.

Трансформеры повсюду вокруг нас. Один - гаджет примерно размером большого мусорного бака, висящего наверху столбов инженерных сетей - изменения мощность линии передачи 6000 вольт на 115 и 230 вольт тебе нужно.Другой - размером с фонарик - занимает 6 или 12 вольт от автомобильного аккумулятора и заменяет его на 10 000 или больше вольт, необходимого для зажигания ваших свечей зажигания. Еще один - квадрат может быть немного больше вашего кулака - каналы высокого качества электрические сигналы в динамики вашего Hi-Fi устройства.

Мы поговорим об этих специальных приложениях и других как они - чуть позже. Прямо сейчас перейдем к делу увидеть, как трансформатор выполняет эту ценную электрическая ловкость рук, меняющая одно напряжение на другое.

Как работает трансформатор

Когда в проводе течет электрический ток, устанавливается слабое магнитное поле вокруг него. Если скрутить провод в катушку, слабое поле вокруг каждый виток провода усилен полями вокруг другого повороты; в результате получается гораздо более сильное поле.

Если в катушке протекает переменный ток, магнитное поле нарастает. как ток течет в одном направлении; умирает или распадается, как ток возвращается к нулю; затем строит в противоположной полярности поскольку ток течет в другом направлении.Вы можете думать о создание и затухание магнитного поля в виде пульсирующей невидимой силы, расширяется и сжимается по мере того, как ток меняет свое направление потока. По мере того, как поле нарастает и затухает, силовые линии магнитного потока (круговые линии на диаграмме) прорезайте взад и вперед через катушка.

Сейчас предположим, мы поместили еще одну катушку с проволокой рядом и на одной линии с во-первых, хотя на самом деле не касаясь его.Поскольку магнитное поле расширяется и сжимается, силовые линии будут проходить вперед и назад через через вторую катушку, как и через первую, и напряжение будет индуцироваться во второй катушке. Это называется «взаимной индукцией». и является основой всего действия трансформатора. Благодаря этому свойству, простой трансформатор можно сделать - и многие из них - просто поместив две катушки с проволокой, расположенные близко друг к другу и подающие переменный ток одному из них.

Основная ценность трансформатора заключается в том, что коэффициент напряжений в двух катушках можно регулировать числом витков проволоки в каждом. Другими словами, если вторичный (катушка, в которой индуцируется напряжение) имеет в десять раз больше витков провода в качестве первичной (катушка, на которой исходное напряжение приложено), то вторичное напряжение будет в десять раз больше первичного Напряжение. В таком случае у нас есть повышающий трансформатор.

С другой стороны, если вторичный имеет только одну десятую от количества оборотов в качестве первичного, вторичное напряжение будет составлять одну десятую от первичное напряжение, а у нас есть понижающий трансформатор.

Эффективность

В В приведенных выше расчетах мы предположили, что все магнитные линии потока, поскольку они расширяются и сжимаются, обрезают все витки трансформатора. Магнитная связь в таком случае будет 100%.Конечно, в практические трансформаторы несколько линий силы умудряются блуждать снаружи полезная площадь. Но при тщательном проектировании инженеры могут производить трансформаторы с КПД 80%, 90% и даже больше. По факту, для большинства расчетов КПД трансформатора может можно считать практически 100%.

Зависимость напряжения от тока

Хотя мы можем получить от трансформатора более высокое напряжение, чем мы вкладываем в него, трансформатор не способен создавать мощность.Что мы получаем в напряжении, мы теряем в токе. С другой стороны, если мы уменьшим напряжение, мы получим больше тока.

Если ток течет в первичной обмотке повышающего трансформатора на диаграмме выше 5 ампер и напряжение 110 вольт, потребляемая мощность в первичной обмотке - 550 Вт. Поскольку выходное напряжение составляет 1100 вольт, или в десять раз больше, у нас в наличии было бы только одна десятая тока, или 0,5 ампера.Таким образом, даже если мы можем жонглировать напряжения и токи по желанию, выходная мощность 550 Вт - то же, что и основной вход. (Фактически, выходная мощность будет чуть меньше 550 Вт, из-за небольших потерь КПД упоминалось ранее.)

Железные сердечники

Так Мы описали трансформатор как две катушки с проволокой, близко друг к другу по общей оси. Хотя некоторые трансформаторы собственно построено таким образом, большинство используют другие виды строительства.Вместо будучи размещенными рядом, две катушки обычно расположены с одной катушкой внутри другой; это дает намного больше и больше эффективная магнитная муфта.

Для использования на низких частотах разработчики наматывают две катушки вокруг общий железный сердечник. Поскольку железо - гораздо более эффективный проводник чем воздух, создаваемое магнитное поле намного сильнее. Это, почти все магнитные силовые линии, создаваемые первичным обмотки собираются утюг сердечник и сформирован так, что почти все прорезано вторичной обмоткой.Следовательно, эффективность трансформатора значительно увеличивается.

На схемах слева показаны три основных типа железных сердечников. трансформаторы. Во-первых, это трансформатор с открытым сердечником, который, хотя и возможно, никогда не используется из-за его относительной неэффективности - большая часть магнитного поля все равно должно быть в воздухе, а не в железе. Трансформатор с замкнутым сердечником значительно эффективнее; и трансформатор с сердечником оболочки наиболее эффективен.Оболочка-сердечник type имеет еще одно преимущество: поскольку путь потока почти полностью содержащаяся в железном сердечнике, она меньше подвержена нарушениям со стороны внешние магнитные поля, чем у других типов, и это не мешает другие близлежащие схемы столько же.

Потери трансформатора

В первый трансформатор, когда-либо сделанный, был просто железным кольцом с двумя двухслойными вокруг него намотаны катушки проволоки. Его изобретателем был Майкл Фарадей, великий английский первопроходец электротехники.Он открыл электромагнитное или взаимная индукция - принцип, по которому работает трансформатор - в 1831 году. Когда он подключил свой примитивный трансформатор с железным кольцом. как показано, стрелка гальванометра подскакивала при включении переключателя.

Хотя Устройство Фарадея было настоящим трансформатором, его потери были высоки. Сегодняшний современные усовершенствованные трансформаторы имеют самые разные размеры, формы и характеристики, поскольку инженеры попытались минимизировать потери, которые являются частью работы каждого трансформатора.

Трансформатор убытки происходят из разных источников. Во-первых, не все магнитные линия потока перерезает вторичную обмотку - некоторые просто уходят в космос, потребляет энергию от первичной обмотки, но не выполняет полезной работы. Этот потеря называется утечкой потока. Дизайнеры минимизируют это за счет тщательной физической расположение катушек и сердечника. Иногда первичная рана сначала на сердцевину, затем на вторичную.В другие времена вторичный разделен на два слоя с первичным между ними.

Медные потери

Так называемые потери в меди вызваны электрическим сопротивлением. обмоток трансформатора. Хотя медь хороший проводник, он имеет измеримое сопротивление, как и любой проводник. Когда текущий протекает через это сопротивление, происходит нагрев и мощность потрачено. В результате почти любой трансформатор будет теплым на ощупь. прикоснитесь при нормальной работе, а некоторые из них действительно горячие.

Потери в сердечнике

С сам железный сердечник, как и катушки, разрезан расширяющимся и сжимая магнитное поле, здесь также индуцируется ток. Поскольку этот вихревой ток течет в сердечнике, он отбирает энергию у первичный контур и рассеивает его как бесполезное тепло. Вихревой ток течет перпендикулярно магнитному потоку. Его можно уменьшить за счет заменяя твердый сердечник несколькими тонкими слоями железа.Эти тонкие слои - ламинаты - разделены слоями клея, электрически изолировать листы друг от друга. На практике, небольшой вихревой ток настраивается отдельно в каждой пластине, но общие потери намного меньше, чем у трансформатора с твердым сердечником.

Еще одна потеря в сердечнике вызвана переменным током. сам. Поскольку этот ток меняет направление 120 раз в секунду, железный сердечник - по сути, электромагнит - должен постоянно перевернуть его полярность.И поскольку мельчайшие магнитные элементы в сердечнике склонны сопротивляться этому изменению, необходимо приложить усилия, чтобы перестроить их. Это называется гистерезисной потерей. Инженеры уменьшают его, создавая сердечники трансформаторов из сталей, которые меняют магнитную полярность с сравнительная простота, так что при переключении потребляется меньше энергии.

Прочие убытки

С витки провода в трансформаторе близко друг к другу, есть некоторая распределенная емкость между витками, между разными слоев обмоток и между отдельными обмотками.Эта емкость, хоть и небольшой, но накопительный. Как небольшой конденсатор, подключенный поперек трансформатор, он закорачивает часть напряжения, возникающего на обмотки. На низких частотах (обычные 60 гц домашнего тока, например) эта потеря несущественна, но на более высоких частотах инженеры должны делать все возможное, чтобы минимизировать его.

Еще одна небольшая потеря вызвана несовершенством трансформатора. изоляция. Небольшой ток утечки будет проходить практически через любой изолятор и, таким образом, поглощает часть мощности трансформатора.Этот называется диэлектрическими потерями.

Тогда тоже, особенно на высоких частотах, трансформатор может начинает действовать как небольшой, но эффективный радиопередатчик, и на самом деле излучать энергию, как широковещательная антенна. Это называется передачей потеря.

Большинство этих потерь при нормальных условиях незначительны, но временами они становятся серьезными. Например, потери на вихревые токи небольшой на частотах линии электропередач, но на высоких частотах звука спектра - скажем, около 20 000 гц - они становятся значительными.Этот означает, что плохо спроектированный трансформатор в выходном каскаде усилитель Hi-Fi будет работать намного менее эффективно при 20000 cps чем при 1000 cps; результат - плохая частотная характеристика.

Чтобы свести к минимуму вихревые токи, проектировщики используют более тонкие листы. Где используются листы толщиной от 20 до 25 тысячных дюйма в силовых трансформаторах, рассчитанных на работу на 60 гц, аудио трансформаторах редко имеют слои толщиной более 10-15 тысячных дюйм.Для действительно хорошего воспроизведения Hi-Fi, толщина ламинации может варьироваться от десяти тысячных дюйма до всего лишь одна тысячная дюйма.

Все более высокие частоты

В виде частоты идут еще выше, даже одна тысячная дюйма тоже и потери на вихревые токи становятся чрезмерными. Следовательно, р.ф. трансформаторы часто имеют сердечники из мельчайших частиц железа подвешен в изоляционном материале и сжат под высоким давлением в твердую массу.Поскольку зерна изолированы друг от друга, они разрушают путь вихревых токов и помогают уменьшить вихревые токи убытки.

Как и следовало ожидать, размер гранул железа становится важным. по мере увеличения частоты, так как на высоких частотах вихревые токи даже установлены в отдельных гранулах. Гранул несколько Толщина тысячных долей дюйма удовлетворительна ниже 100000 сП, но по мере увеличения частоты частицы не могут быть больше толщиной несколько миллионных дюйма.

Недавно появился новый тип магнитопровода из феррита железа. позволили конструкторам построить трансформаторы с железным сердечником для работы на частоты выше, чем когда-либо прежде. Эти ферриты - разновидности оксида железа или ржавчины - ценны, потому что обладают магнитным свойства, и все же являются изоляторами и не проводят ток. Так как необычной конструкции этих трансформаторов, отсутствие вихревых токов форма.

Если вы недавно купили сверхпортативный радиоприемник, вы извлекают выгоду из трансформаторов с улучшенными ферритами.Миниатюрные радиоприемники даже несколько лет назад у них были рамочные антенны размером от 8 до 10 дюймов длинный и почти такой же высокий, чтобы собрать достаточно сигнала для работы. Сейчас антенны с ферритовым сердечником, гораздо более эффективные из-за их магнитного сердечник, но не восприимчивый к вихретоковым недугам, может быть построен как малогабаритный как короткий карандаш. В результате теперь можно производить портативные радиоприемники. меньше, чем когда-либо производились.

В многие приложения, особенно для очень высоких частот, с воздушным сердечником трансформаторы используются.Катушки намотаны на немагнитной форме. например бакелит или полистирол. Катушки могут быть концентрическими или концы с концами. Часто один подвижный, так что степень сцепления между ними регулируется.

Одна из самых больших проблем в конструкции высокочастотного трансформатора, особенно там, где задействовано несколько слоев обмотки, емкость. Если использовалась обычная обмотка, с прилегающими слоями Если они лежат параллельно друг другу, эта емкость может стать недопустимой.Следовательно, слои часто закручиваются по спирали вперед и назад, как в трансформатор, показанный на рисунке справа. Это делает соседние слои пересекают друг друга почти под прямым углом вместо того, чтобы быть параллельна, и в результате существенно снижается паразитная емкость.

Как используется трансформатор

Трансформатор, изобретенный в 1830-х годах, не работал на улице. лабораторией до 1885 года, когда Уильям Стэнли, инженер, работал на Джорджа Вестингауза, спроектировал и испытал трансформатор система распределения электроэнергии.Он использовал генератор на 500 вольт и питал мощность прямо в линию электропередачи длиной 4000 футов. Трансформатор для понижения напряжения до 100 вольт использовался на другом конце линии.

Вестингауз, не теряя времени, установил превосходную передачу Стэнли система в эксплуатацию. В том же году он специально построил первый завод. разработан для распределения электроэнергии через трансформатор в г. Буффало, штат Нью-Йорк. вступил в строй 30 ноября 1886 г.Его генератор производил 1000 вольт, Выход 133 Гц, который подавался непосредственно в линию передачи, и ушел в дом клиента.

Несмотря на очевидное превосходство, передача высокого напряжения с трансформаторами не получили немедленного признания. Томас Эдисон, например, яростно противился переменному току. мощь, и он использовал свои огромные престиж, чтобы получить поддержку своего собственного постоянного тока. система. Вследствие этого, это было только много лет спустя - на рубеже веков - высоковольтный a.c. распределение мощности стало обычным явлением. Четный сегодня есть несколько мест - некоторые районы Нью-Йорка, для пример - все еще получающий наследие Эдисона постоянного тока. мощность.

Но гигантские силовые трансформаторы и их сложные распределительные станции теперь усеивают ландшафт по всей стране. Тот, что показан на следующая страница, одна из самых больших из когда-либо построенных, может справиться с достаточным количеством электрических мощность для города с 500 000 жителей.

Распределение электроэнергии

Почему использовать трансформаторы для распределения энергии? Эффективность передачи значительно увеличивается за счет увеличения напряжения до как несколько сотен тысяч вольт.Кроме того, проволока определенного размера может переносят гораздо большую мощность при высоком напряжении, чем при низком, экономя деньги при передаче расходы. Посмотрим почему.

В качестве примера возьмем ЛЭП №1 провод 10 в длину - это проводник размером с ваш мизинец. Сопротивление одного такого провода длиной 10 миль составляет около 7 Ом. (Фактически, сопротивление каждого провода в паре передачи составляет 7 Ом, но Для иллюстрации рассмотрим только один.) Теперь давайте скажем, что мы передаем ток 120 ампер при 120 000 вольт ( напряжение общей линии электропередачи) на расстояние 10 миль. Общая мощность в линию на генерирующей станции подается 14 400 000 вольт-ампер.

При токе 120 ампер в 7-омной линии падение напряжения через десять миль будет 840 вольт. Таким образом, выходное напряжение будет быть 119 160 вольт; 120 ампер при 119 160 вольт дает 14 299 200 вольт-амперный выход.По линии мы потеряли 100 800 вольт-ампер, рассеивается сопротивлением линии передачи. Это кажется вроде бы много мощности, но если мы выразим это в процентах, потери составляют незначительные 0,7% от общей суммы, поступившей в линия.

Теперь посмотрим, что будет, если напряжение питания снизится до всего 12000 вольт. Потребляемая мощность теперь составляет 1 440 000 вольт-ампер. Предположим, что линия передачи все еще пропускает 120 амперы - его максимальная нагрузка при любых условиях.Поскольку нынешний и сопротивление такое же, падение напряжения за 10 миль тоже будет то же самое - 840 вольт. Потеря передачи линия по-прежнему будет 100 800 вольт-ампер, но теперь это представляет колоссальные 7% от общего количества поступают в линию электропередачи.

Очевидно, что высоковольтная передача намного эффективнее. Как также показано в этом примере, линия передачи может несут гораздо большую мощность в условиях высокого напряжения.Поэтому, все линии электропередачи работают при более высоком напряжении, чем поставленные к вашему электросчетчику энергокомпаниями.

В Ниагара-Фолс, штат Нью-Йорк, например, гидроэлектрические генераторы. производят мощность в 6000 вольт. Его сразу усиливают трансформаторы. до 120 000 вольт и подается на дальние линии электропередачи. В в различных точках он понижается до 6000 вольт для распределения над местами, затем снова снизился до 230 и 115 вольт для домашнего использования.

Силовые трансформаторы

Хотя трансформатор распределения мощности более впечатляющий, вы намного более вероятно, что вы будете знакомы с используемым обычным силовым трансформатором в радиоприемниках, усилителях и телевизорах. Такие устройства имеют первичный обмотка и обычно несколько вторичных обмоток для удовлетворения различных требования к напряжению и току приемника или усилителя; рисунок типичного силового трансформатора показан справа вверху.Основной обычно рассчитан на 115 вольт; вторичная обмотка высокого напряжения может производят от 250 до 600 или 700 вольт (выше для некоторых целей). Остальные вторичные звенья обычно оцениваются в 5,0. и 6,3 вольта - для трубных нитей.

Силовые трансформаторы доступны с большим разнообразием обмоток. и текущие возможности. Их может быть четыре, пять, шесть или даже больше обмоток, каждая из которых рассчитана на разное напряжение для определенных цель.Высоковольтная обмотка силового трансформатора малой мощности может производить только 30 или 40 мА, в то время как сверхмощный блок может выдать 300, 400 или даже 500 мА. Трансформаторы для мощных передатчики вырабатывают напряжения и токи, намного превышающие эти значений, но для таких приложений обычно используются отдельные трансформаторы. используется для высоковольтных цепей и нитей накала.

Аудио трансформаторы

Так На сегодняшний день все трансформаторы, о которых мы подробно рассказали, сконструированы для использования в силовых цепях, работающих при 60 гц.Но трансформеры может работать на самых разных частотах - любой аудиоусилитель использует по крайней мере один трансформатор такого типа, и многие включают в себя несколько такие трансформаторы.

Хотя основные принципы повышения и понижения используется в аудиопреобразователях, обычно второстепенное значение способности трансформатора служить устройством согласования импеданса. Возьмем, например, входной трансформатор.Здесь может понадобиться для подключения звукоснимателя фонографа, микрофона или другого источника входного сигнала всего от 200 до 300 Ом (в некоторых случаях даже меньше) до сеточная цепь целых несколько сотен тысяч Ом. Если звукосниматель или микрофон были подключены напрямую к сети, серьезный может возникнуть несоответствие, что не только снизит эффективность схемы, но и АЧХ расстроена. Входной трансформатор соответствует компонентам, чтобы каждый работал правильно.

В межкаскадный трансформатор - еще одна разновидность аудиопреобразователя и выполняет почти ту же работу: согласование выходной трубки-несколько тысяч Ом - на сетку с гораздо более высоким импедансом.

Третья разновидность - выходной трансформатор, основная задача которого снова согласование импеданса. Пластина схемы выходных ламп может иметь импеданс в несколько тысяч Ом, в то время как большинство громкоговорителей составляют 4, 8 или 16 Ом.Чтобы приспособить к различным комбинациям ламповый динамик, большинство выходных трансформаторов имеют серию «ответвлений» на вторичной обмотке. обмотки, а также, возможно, на первичной обмотке, так что обмотки можно выбрать правильный импеданс. Только часть трансформатора фактически используемых обмоток (на схеме участок между первая и вторая клеммы) влияет на значения импеданса цепи. Один из видов выходного трансформатора, известный как «универсальный» тип, - это так сконструирован, что может сочетать практически все возможные комбинация лампы и динамика.

Лучший и лучший дизайн

большой В последнее время был достигнут прогресс в проектировании аудиотрансформаторов. Просто несколько лет назад было сложно получить трансформатор с сколько-нибудь заметной производительность выше, скажем, от 10 000 до 15 000 сП. Сегодня трансформаторы с обычны плоские выходы до 20000 циклов в секунду, а единицы - до 50000 или даже 100 000 cps.

Огромные проблемы пришлось преодолеть, чтобы произвести сегодняшние выдающиеся трансформаторы.В дополнение к потерям, упомянутым ранее, трансформатор имеет индуктивное сопротивление, которое изменяется в зависимости от частоты (помните что трансформатор тоже катушка). На частотах 100 и 1000 имп / с, индуктивное сопротивление первичной обмотки будет 10 и 100 раз, соответственно его значение на уровне 10 гц. Индуктивное реактивное сопротивление появляется к пластине выходной трубки в качестве сопротивления нагрузки, и, следовательно, различные количество усиления происходит на разных частотах.Как в результате коэффициент усиления усилителя примерно в два с половиной раза выше при 200 cps, чем при 10 cps. При 3000 cps было бы три раз выше. На еще более высоких частотах распределенная емкость становится важным фактором, и прибыль быстро падает.

Инженеры делают все возможное, чтобы компенсировать эти эффекты; с помощью специальных материалов сердечника, уникальной конструкции катушек, специальных узоры обертывания, чересстрочные слои и другие техники, они изготовили множество аудиопреобразователей с невероятно даже отклик в чрезвычайно широком диапазоне частот.

Р.Ф. Схемы

В виде Как уже упоминалось ранее, трансформаторы также широко используются в ВЧ. схемы. Даже простейший пятиламповый переменный ток - постоянный ток. радио обычно будет иметь как целых четыре трансформатора, в дополнение к выходному звуковому трансформатору. Типичный радиоприемник, например, может иметь антенную катушку (на самом деле небольшой трансформатор, который соединяет выход антенны с сетка первой усилительной лампы), катушка автогенератора (трансформатор который обеспечивает обратную связь для генератора), и два i.f. трансформаторы которые объединяют различные этапы.

Эти трансформаторы могут быть воздушными, порошковыми или с ферритовым сердечником. трансформаторы, так как обычный железный сердечник вызовет невыносимые вихретоковые потери. Обмотки тоже, вероятно, будут особого спиральная конструкция рассчитана на минимизацию влияния емкости,

Трансформаторы специального назначения

Хотя трансформаторы, которые мы обсуждали, составляют большая часть из них используется, есть много других типов, все из которых работают их полезная специализированная работа.

В автотрансформатор, например, использует только одну обмотку вместо двух, но обеспечивает эффект, аналогичный действию обычного трансформатора. Если вся катушка используется в качестве первичной и только часть в качестве первичной вторичный, то это понижающий блок. В обратном направлении, это повышающее устройство. Этот трансформатор, конечно, нельзя использовать в цепи, которые должны быть электрически изолированы друг от друга. Но он очень хорошо работает в вашем автомобиле, где он потребляет ток от аккумулятор или генератор на 6 или 12 вольт и выдает 10 000 или для зажигания свечей зажигания требуется больше вольт.

Пока мы говорим о вашем автомобиле, давайте взглянем на автомобильное радио, в котором используется другое специализированное устройство - вибратор. трансформатор. Это устройство эффективно «трансформирует» постоянный ток. Как вибратор элемент движется вперед и назад, касаясь каждого контакта по очереди, текущий протекает через каждую половину первичной обмотки поочередно, с каждым импульсом иду в другом направлении. При правильном передаточном числе оборотов выход от оригинала 6- или 12-вольтовый д.c. источник может быть столько же как несколько сотен вольт переменного тока

Трансформаторы для фотовспышки, используемые для управления электроникой фотографа. вспышки или "стробоскопы" также работают с вибратором. Они могут взять выход с прерыванием вибратора от батареи на 1 1/2 В и включите его на несколько тысяч вольт переменного тока.

Импульсные трансформаторы используются в основном в радарах. Они варьируются от крошечные блоки (некоторые из которых могут поместиться в наперсток), которые производят несколько миллионных ватт огромным многотонным гигантам, которые передают мощные импульсы в миллион ватт.Эти трансформаторы предназначены для увеличивайте количество сигналов неправильной формы без изменения формы волны.

Один новейших типов - транзисторные трансформаторы - аналогичны тем используется в обычных р.ф. и а.ф. цепей, за исключением того, что их импедансы и номинальное напряжение рассчитано в соответствии с рабочими требованиями транзисторов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *