Работа трансформатора: принцип работы, виды и конструкция устройства

Содержание

Устройство и принцип работы трансформатора

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

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

Трансформаторы

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

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

Одна обмотка подключается к источнику переменного тока и называется первичной

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

Схематичное устройство трансформатора

1. Принцип работы трансформатора.

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

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

Работа трансформатора без нагрузки

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

Работа трансформатора под нагрузкой

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

Формула магнитного потока

Результирующий магнитный поток Фo обеспечивает передачу магнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу

е2, под воздействием которой во вторичной цепи течет ток I2. Именно благодаря наличию магнитного потока Фo и существует ток I2, который будет тем больше, чем больше Фo. Но и в то же время чем больше ток I2, тем больше противодействующий поток Ф2 и, следовательно, меньше Фo.

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

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

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

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

Схематичное изображение разделительного трансформатора

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

Схематичное изображение повышающего трансформатора

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

.

Схематичное изображение понижающего трансформатора

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

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

2. Устройство трансформатора.

2.1. Магнитопровод. Магнитные материалы.

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

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

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

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

Магнитопроводы из электротехнической стали

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

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

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

Магнитопроводы из сплавов с высокой магнитной проницаемостью

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

Магнитопроводы из магнитомягких прессованных ферритов

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

2.2. Типы магнитопроводов.

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

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

Шихтованные магнитопроводы

Магнитопровод из плоских шихтовых пластин

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

Ленточные магнитопроводы

Трансформатор с ленточным магнитопроводом

Тороидальный трансформатор из ленточного магнитопровода

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

Стержневые.

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

Схематичное изображение трансформатора стержневого типа

Трансформатор стержневого типа

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

Броневые.

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

Схематичное изображение трансформатора броневого типа

Трансформатор броневого типа

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

Тороидальные.

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

Схематичное изображение тороидального трансформатора

Тороидальный трансформатор

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

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

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

Новые формы магнитопроводов

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

Литература:

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

Трансформатор: назначение, принципы работы и правила подключения

Автор Даниил Леонидович На чтение 9 мин. Просмотров 7.3k. Опубликовано

Свойства магнитного поля изучаются учеными давно. Впервые электромагнитную индукцию описал Майкл Фарадей. А именно как появляется прочная электромагнитная взаимосвязь в обмотках при создании переменного тока в первой катушке. Во вторичной же катушке повышается напряжение, но мощность и частота остаются прежними. Конечно, несведущему человеку в электричестве сложно понять конструкцию, принцип действия, предназначение трансформатора. Однако, это неотъемлемый прибор с установкой во многих сферах: радиотехника, электроэнергетика.

Трансформаторы напряжения: назначение и принцип действия

Трансформатор – электрическое устройство. Преобразует переменный ток одного напряжения в электрический ток другого напряжения. Частота, согласно явлению электромагнитной индукции, остается неизменной.

Состоит статический трансформатор из:

  • первичной и вторичной обмотки;
  • сердечника.

Применяется устройство в разных схемах питания и электроприборах. Передает электроэнергию на большие расстояния и:

  • снижает потери энергии;
  • уменьшает площадь сечения проводов ЛЭП.

Трансформаторы напряжения

Разновидности прибора:

  • повышающий;
  • понижающий;
  • силовой;
  • вращающийся;
  • импульсный;
  • разделительный;
  • согласующий.

Понижающий трансформатор применяется в быту. Именно через него проходит и поступает ток в домашние розетки с мощностью 220 Вт.

Силовой агрегат в составе из сердечника и нескольких обмоток преобразует напряжение в электроцепи по принципу электромагнитной индукции. Также значение напряжения переменного тока без изменений его частоты. Применяется для распределения и передачи электрической энергии. Напряжение в обмотках – свыше 300 кВ. Мощность – от 4 кВ до 200000 кВА.

Справка! Трансформатор служит для понижения либо повышения переменного напряжения. Основой является ферромагнитный сердечник. В дополнение для бесперебойной работы – обмотки, изоляция, магнитопровод, система охлаждения.

Обмотки выполнены из изолированных медных проводов прямоугольного сечения. Между их слоями находятся пустоты для циркуляции охлаждающего масла. Роль которого – отбирать тепло у обмоток, передавать через радиаторные трубки в окружающую среду.

принцип действия трансформатора

Принцип действия устройства основан на:

  • изменении магнитного потока;
  • создании электромагнитной индукции при прохождении через обмотку;
  • подаче напряжения на первичную обмотку;
  • воспроизведении магнетизма электрическим током, изменяющимся во времени.

Переменный ток, протекая по первичной обмотке, начинает создавать в магнитопроводе магнитный ток. Постепенно приводит к потоку во всех обмотках, преобразуя гальваническую развязку (переменное напряжение), но без видоизменения частоты.

Стоит знать! Действие прибора основано на электромагнитной индукции. За счет переменного тока образуется магнитное переменное поле вокруг проводника, видоизменяется в электродвижущую силу. Напряжение на выходе полностью зависит от используемого (понижающего, повышающего) трансформатора. Коэффициент ЭДС в обмотках прямо пропорционален количеству витков.

Для чего нужен трансформатор напряжения?

Трансформатор напряжения – универсальное устройство. Передает и распределяет энергию.

Используются в:

  • электроустановках;
  • блоках питания;
  • агрегатах передачи электроэнергии;
  • устройствах обработки сигналов;
  • источниках питания приборов.

Силовой трансформатор с большим напряжением применяется для:

  • подачи энергии в электросети на электростанциях;
  • повышения напряжения генератора, линии электропередач;
  • снижения напряжения, доходящего до потребительского уровня.

принцип действия силового трансформатора

Трехфазный прибор со специальной системой охлаждения используется в электросетях. Сердечник в составе – общий для всех 3-ех фаз.

Область применения сетевого трансформатора – источники электропитания, узлы электроприборов с разным напряжением. Импульсные агрегаты незаменимы для радиотехнических, электронных устройств. Сначала выпрямляют переменное напряжение в блоках питания. Далее за счет инвертора преобразуют высокочастотные импульсы, стабилизирующие постоянное напряжение.

Трансформаторы входят в состав многих схем питания для обеспечения минимального уровня высокочастотных помех. Например, разделительные установки предотвращают угрозу поражения электрическим током для человека. Ведь включение бытовых приборов в сеть через трансформатор становится безопасным.

Вторая цепь у прибора будет изолирована от контактов с землей, если конечно, речь идет о заземлении электрического оборудования. Измерительные силовые приборы применяются в схемах генераторов переменного тока. Количество фаз у генератора из трансформатора должно совпадать для достижения стабильного напряжения на выходе.

Согласующие трансформаторы незаменимы для электронных устройств с высоким входным сопротивлением и высокочастотных линий, но с разным сопротивлением нагрузки.

Как работает трансформатор напряжения?

Приборы преобразуют энергию источника в необходимый коэффициент напряжения. Работают исключительно при переменном напряжении с постоянной частотой. В основе работы – электромагнитная индукция как явление, срабатываемое при изменении во времени магнитного потока, порождении ЭДС в обмотках.

Работа трансформатора начинается в первичной обмотке, где сердечник создает магнитный поток. Далее задействуется переменный ток, намагничивает сердечник, повышает индуктивность первичной обмотки, препятствует нарастанию тока на выводах обмотки напряжения. Если первичная обмотка отдает магнитный поток, то вторичная принимает его, изменяет с определенной скоростью, пронизывая все ветки и создавая ЭДС.

принцип действия трансформатора

Напряжение на ветках в полной мере зависит от быстроты изменения магнитного потока в сердечнике. Хотя получается одинаковым на ветках первичной и вторичной обмотки благодаря прохождению через них одного и того же магнитного потока.

Он в свою очередь создает вокруг себя электрическое поле в сердечнике, некий вихрь с воздействием на электроны, начиная толкать их в определенную сторону.

Справка! Если сказать проще, то принцип работы трансформатора напряжения основан на возбуждении напряжения во второй обмотке за счет возникшего переменного тока в магнитопроводе.

Чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения?

Источником питания для трансформатора тока является непосредственно ток. Если он не будет проходить через обмотки, тот агрегат быстро выйдет из строя. Питание для трансформатора напряжения – источники напряжения и он также не будет функционировать при повышенных нагрузках тока.

Отличие между устройствами в разных электрических величинах и схемах включения.

Измерительные трансформаторы напряжения и тока

Приборы с работой под высоким напряжением нуждаются в периодическом измерении.

принцип действия измерительного трансформатора

Для чего этих целей в помощь – измерительные устройства, которые:

  • снижают величину напряжения до нужного уровня;
  • обеспечивают гальваническую развязку измерительному оборудованию от цепей с повышенной опасностью.

Номинальная мощность, напряжение и ток

Номинальная – мощность, с которой трансформатор работает в определенном классе точности и в соответствии с ГОСТом. Выражается в вольтах, амперах. Незначительные отклонения мощности допускаются, но не выше нормированных величин.

Важно! Во избежание повышения погрешности вторичной нагрузки суммарное потребление обмоток измерительных приборов и реле не должно быть более номинальной мощности трансформатора. Узнать номинальную мощность можно в паспорте к агрегату либо на щитке.

Порог номинального напряжения у трансформатора – 10кВ.

Разница в зависимости от мощности электроприборов составляет для:

  • питания электроприемников – 3-6,3кВ;
  • крупногабаритных электродвигателей – до 1000В.

Мощность трехфазного трансформатора вычитается по формуле: – S=квадратный корень цифры 3 UIU—номинальное междуфазное напряжение, В; / — ток в фазе, А. Коэффициенты рабочих токов в обмотках при рабочем состоянии трансформатора не должны быть выше номинальных Хотя кратковременные перегрузки в масляных и сухих агрегатах до определенных пределов (2,5 -3%) приемлемы.

Закон Фарадея

закон Фарадея

По закону электромагнитной индукции во вторичной обмотке создается ЭДС напряжение. Вычисляется по формуле – U2 = −N2*dΦ/dt.

Справка! Фарадея – основной закон электродинамики. Гласит о том, что генерируемая электродвижущая сила равняется скорости изменения магнитного потока, но взятой со знаком минус. Именно Майкл Фарадей сделал открытие, когда в ходе экспериментов объявил, что электродвижущая сила начинает появляться в проводнике только при изменении магнитного поля. Величина этой силы прямо пропорциональна скорости изменения магнитного поля.

Все факты содержатся в одном уравнении. Однако, знак минус в законе – правило Ленца, указывающее на возникновение индукционного электрического тока при изменении магнитного поля в проводнике. Действие тока направлено на магнитное поле, начинающего противодействовать изменению магнитного потока.

Правило Ленца не подчиняется законам электродинамики, ведь индукционный ток появляется как в обмотках, так и в сплошных металлических блоках.

Уравнения идеального трансформатора

В таком трансформаторе силовые линии проходят через все ветки первичной, вторичной обмотки. Значит, отсутствуют вихревые потоки и потери энергии. Магнитное поле изменяется, но порождает идентичную ЭДС во всех витках, поэтому становится прямо пропорциональным их общему числу.

Энергия при поступлении из первичной цепи трансформируется в магнитное поле, далее поступает во вторичной цепи.

Формула уравнения идеального трансформатора – P1 = I1 • U1 = P2 = I2 • U2:

  • R1 – коэффициент поступающей мощности из первой цепи на трансформатор;
  • R2 – коэффициент преобразованной мощности с поступлением во вторичную цепь.

Если повысить напряжение на концах вторичной обмотки, то снизится уровень тока первичной цепи. Согласно уравнению – U2/U1 = N2/N1 = I1/I2 преобразование сопротивления одной цепи к сопротивлению другой возможно только при умножении величины на квадрат отношения.

Как правильно подключить

Во всех тонкостях электрики сложно разобраться простому человеку, но при использовании трансформатора понижающего типа в быту важно понимать, как происходит процесс подключения.

Бывает, что возникает потребность подключения агрегата сразу на нескольких потребителей.

Стоит знать:

  1. При подключении трансформатора сразу на несколько потребителей важно учитывать количество выходных клемм.
  2. Общая потребляемая мощность для жильцов должна быть идентичной мощности трансформатора либо немного ниже. По мнению специалистов, идеальный второй показатель выше первого – на 20%.
  3. Подключается агрегат через электрическую проводку, размер которой не должен быть слишком большим. Достаточно 2 м при монтаже светодиодного освещения во избежании потери мощности.
  4. Суммарная мощность электроприборов не должна быть выше мощности трансформатора.

Если посмотреть на схему подключения понижающего трансформатора, то видно, что монтируется между распределительной коробкой мощностью 220 Вт и лампами накаливания. Провода из распредкоробки подключаются непосредственно к выключателю.

Подключение трансформатора напряженияПодключение трансформатора напряжения

Дополнительная информация! Стоит изначально определять правильное место установки электрического понижающего трансформатора. Нельзя его усердно прятать от посторонних глаз, ведь доступ для демонтажа либо замены должен быть свободным. При этом потребляемая мощность – не ниже мощности трансформатора, иначе процесс монтажа проводить запрещено.

При подключении важно, чтобы совпадали все уравнения, касающиеся модели прибора. Также существенное значение имеет фазировка, если в одну цепь подключается сразу несколько приборов параллельно. Во избежание больших потерь мощности фазы должны быть правильно соединены между собой с образованием замкнутого контура. При несовпадении фаз начнет расти нагрузка и падать мощность. Может произойти короткое замыкание.

Важно! Смотрите на фото, как выглядит упрощенный вид трансформатора.

Трансформатор – электромагнитный аппарат. Повышает либо понижает напряжение переменного тока. Он лишен подвижных частей. Значит, является статическим. По размерам бывает с трехэтажное здание либо миниатюрное, помещаемое в руку. В составе – сердечник и несколько обмоток с расположением на магнитопроводе. Хотя может содержать всего одну обмотку без сердечника.

При работе трансформатора срабатывает принцип электромагнитного взаимодействия. Переменный ток подается на первичную обмотку, меняет направление дважды за цикл. Значит, что вокруг обмотки образуется магнитное поле, но ежесекундно исчезает. Вторичная обмотка – проводник электромагнитного взаимодействия. Там же индуцируется напряжение.

Конечно, простому человеку сложно понять конструкцию, назначение прибора. Для познания можно просто разобрать, прозвонить, подключить или демонтировать в домашних условиях.

Принцип работы силового трансформатора

Трансформаторные будки есть практически на каждой улице любого города вне зависимости от размеров. Вся планета подвержена власти электричества. Что такое силовой трансформатор? Для чего они? Принцип работы силового трансформатора? При должном объяснении все станет понятно любому школьнику.

Зачем это нужно?

Трансформатор служит для повышения или понижения подаваемой электроэнергии. Зачем нужно преобразовывать ток? Смысл в том, что согласно закону Джоуля-Ленца тепло, которое выделяет проводник при прохождении по нему электрического тока выделяется в зависимости от силы тока. Причем зависимость эта квадратичная, так как сила тока в формуле имеет вторую степень.

На практике это означает, что увеличение силы тока в 2 раза приведет к увеличению тепловыделений в 4 раза. Все бы ничего, но закон сохранения энергии пока никто не отменял. На нагрев проводника расходуется электроэнергия, которую с таким трудом добывает человечество. Единственный выход: повысить напряжение до максимум.

Согласно закону Ома всегда сохраняется некое равенство: произведение силы тока на сопротивление равняется напряжению в сети. Предположим, что сопротивление не изменяется, так как оно зависит от свойств проводящего материала. Тогда единственным выходом будет максимально задрать напряжение, чтобы уменьшить силу тока в сети.

Высоковольтные линии придумали не ради развлечения. Единственная цель столь сложной системы с трансформаторами: максимальное сокращение потерь.

Принцип работы силового трансформатора

Чтобы говорить о принципе работы силового трансформатора требуется вспомнить некоторые понятия из школьного курса физики. В итоге будет проще понять объяснения рабочей схемы устройства.

Индукция

Чтобы понять, как работает силовой трансформатор, надо разбираться в понятии индукции. Именно на ней основана львиная доля современной электроники. Суть этого явления в том, что при прохождении через проводник ток создает переменное электрическое поле. Движение электронов в свою очередь порождает переменное магнитное поле, которое при попадании в другой проводник породит так переменное электрическое поле.

То есть, если поставить рядом два проводника, причем один из них подключить к источнику тока, а другое не подключать – электричество будет течь в обоих проводниках. Причем во втором проводнике направление тока будет противоположным таковому в исходном варианте.

Свойство индукции используется достаточно часто: в усилителях, передатчиках и, конечно, школьных опытах

Устройство трансформатора

Корпус аппарата представляет собой бак, в который заливается масло. Масло насыщается минералами, чтобы лучше отводить тепло. Выбросы тепловой энергии при работе трансформатора огромны. Однако даже такие потери в тысячи раз меньше возможных утечек энергии при транспортировке.

Масло циркулирует по внутреннему и внешнему контуру трансформатора. Отдельно отметим, что внешний контур часто представляет собой оребренный радиатор. Увеличение площади теплоотдачи приводит к улучшению отдачи тепла. Проще говоря, чем больше площадь соприкосновения масла из внутреннего контура и внешнего радиатора – тем лучше будет отводится тепло, тем меньше вероятность аварии на трансформаторной подстанции.

Само устройство силового трансформатора представляет собой квадратного сечения сердечник, набранный из тонких электростальных пластинок. Используются именно наборные сердечники, чтобы свести к минимум появление самоиндукционных токов, которые приводят к перегреву и увеличению потерь энергии.

На противоположные стороны квадрата наносят обмотку. Обмотка, на которую поддается ток, называется первичной, обмотка, отдающая преобразованную энергию, вторичной.

Принцип работы

Схема работы силового трансформатора выглядит так:

  1. Ток подается на первичную обмотку.
  2. Первичная обмотка в результате прохождения электрического тока начинает генерировать переменное магнитное поле.
  3. Магнитное поле, проходящее сквозь вторичную обмотку, вызывает в ней электрический ток.

Вес секрет процесса в количестве витков. Отношение принятого напряжения к отданному равняется отношению количества витков первичной обмотки к количеству витков вторичного обмотки. Это же отношение называют коэффициентом трансформации. То есть коэффициент показывает, во сколько раз уменьшится или увеличится выходное напряжение на подстанции.

Схема простейшего трансформатора Схема простейшего трансформатора

Почему трансформатор называют силовым

Как мы уже сказали, силовые трансформаторы используют для понижения высоковольного тока до приемлемых для города параметров, то есть 220/360 В – в зависимости от местности и прочих условий. Но нужно отметить, что напряжение высоковольтных линий ненамного больше 1000 к В, а это больше миллиона вольт. Именно за трансформацию столь сильного напряжения, устройство и назвали таким красивым именем.

Установленный силовой трансформатор Установленный силовой трансформатор

Именно силовые трансформаторы используются для преобразования электричества городских и квартальных сетей. Получается многоступенчатая система снабжения страны электроэнергией:

  1. Сначала повышающие трансформаторы увеличивают напряжение до огромных значений
  2. По проводам ток течет в города и села
  3. Понижающие трансформаторы понижают напряжение сначала до общегородских, а потом и до квартальных значений.

Отдельно нужно сказать, что иногда приходится понижать значение напряжения до 360 В в городе, потому что высоковольтные линии проводить в городской черте запрещено.

Виды трансформаторов

Уже были названы повышающие и понижающие трансформаторы. В зависимости от места использования можно выделить сетевые и силовые аппараты. Сетевые трансформаторы используются в устройствах, поскольку даже квартальные параметры тока слишком высоки для простого телевизора или ноутбука. Поэтому используется трансформатор, чтобы преобразовать ток в подходящий для конкретного предмета бытовой техники.

Сразу использовать маленькие параметры в городе нельзя из тех же соображений экономии. К тому же, разные приборы требуют разных параметров – всем производителям электроники не угодишь, а потому проще каждому встраивать в свой прибор трансформатор.

Отдельной строкой идут автомобильные трансформаторы, которые позволяют заводить машину с использованием небольшого электрического импульса. Выделяют и импульсные и многие другие трансформаторы, но всех их объединяет одно: принцип работы. Отличия кроются только в рабочих параметрах тока и предназначении трансформатора.

Сетевой трансформатор Сетевой трансформатор

Контроль работы устройства

Во время сервисных работ строго запрещается заглядывать внутрь бака, сливать полностью масла и проводить какие-либо манипуляции с содержимым корпуса трансформатора. Работоспособность изделия проверяется путем химической оценки пробы масла и холостого подключения аппарата. В результате удается узнать, насколько трансформатор работоспособен в данный момент времени.

Даже к месту монтажа привозят уже готовую конструкцию, которую остается только подключить к сети. Заливка маслом производится на заводе, не говоря уже о более сложных процедурах. Для доставки оборудования используется специализированная техника.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 63 чел.
Средний рейтинг: 2.8 из 5.

Устройство и принцип действия трансформатора

Трансформаторы

С открытием и началом промышленного использования электричества возникла необходимость создания систем его преобразования и доставки к потребителям. Так появились трансформаторы, о принципе действия которых и пойдет речь.

Появлению их на свет предшествовало открытие явления электромагнитной индукции великим английским физиком Майклом Фарадеем почти 200 лет назад. Позже он и его американский коллега Д. Генри нарисовали схему будущего трансформатора.

Трансфрматор Фарадея Трансформатор Фарадея

Первое воплощение идеи в железо состоялось в 1848 году с создания индукционной катушки французским механиком Г. Румкорфом. Свою лепту внесли и российские ученые. В 1872 году профессор Московского университета А. Г. Столетов открыл петлю гистерезиса и описал структуру ферромагнетика, а 4 года спустя, выдающийся российский изобретатель П. Н. Яблочков получил патент на изобретение первого трансформатора переменного тока.

Трансформатор Яблочкова

Как устроен и как работает трансформатор

Трансформаторы – это название огромного «семейства», куда входят однофазные, трехфазные, понижающие, повышающие, измерительные и множество других типов трансформаторов. Основное их назначение – преобразование одного или нескольких напряжений переменного тока в другое на основе электромагнитной индукции при неизменной частоте.

Итак, кратко, как работает простейший однофазный трансформатор. Он состоит из трех основных элементов – первичной и вторичной обмоток и объединяющего их в единое целое магнитопровода, на который они как бы нанизаны. Источник подключается исключительно к первичной обмотке, в то время, как вторичная снимает и передает уже измененное напряжение потребителю.

Принцип работы трансформатораПринцип работы трансформатора

Подключенная к сети первичная обмотка создает в магнитопроводе переменное электромагнитное поле и формирует магнитный поток, который начинает циркулировать между обмотками, индуцируя в них электродвижущую силу (ЭДС). Ее величина зависит от числа витков в обмотках. К примеру, для понижения напряжения необходимо, чтобы в первичной обмотке витков было больше, чем во вторичной. Именно по такому принципу работают понижающие и повышающие трансформаторы.

Важная особенность конструкции трансформатора состоит в том, что магнитопровод имеет стальную структуру, а обмотки, как правило имеющие форму цилиндра, изолированы от него, непосредственно не связаны друг с другом и имеют свою маркировку.

Трансформаторы напряжения

Это, пожалуй, наиболее многочисленная разновидность семейства трансформаторов. В двух словах, их основная функция – сделать произведенную на электростанциях энергию доступной для потребления различными устройствами. Для этого существует система передачи электроэнергии, состоящая из повышающих и понижающих трансформаторных подстанций и линий электропередач.

Передаяа энергии по ЛЭП

Вначале электроэнергия, произведенная электростанцией, подается на повышающую трансформаторную подстанцию (к примеру, с 12 до 500 кВ). Это необходимо для того, чтобы компенсировать неизбежные потери электроэнергии при передаче на большие расстояния.

Следующий этап – понижающая подстанция, откуда электроэнергия уже по низковольтной линии подается на понижающий трансформатор и далее к потребителю в виде напряжения 220 в.

Но на этом работа трансформаторов не заканчивается. В большинстве окружающих нас бытовых электроприборов — в ПК, телевизорах, принтерах, стиральных машинах-автоматах, холодильниках, микроволновых печах, DVD и даже в энергосберегающих лампочках установлены понижающие трансформаторы. Пример индивидуального «карманного» трансформатора – зарядное устройство мобильного телефона (смартфона).

Адаптер питания

Гигантскому разнообразию современных электронных устройств и выполняемых ими функций соответствует множество различных типов трансформаторов. Это далеко не полный их список: силовые, импульсные, сварочные, разделительные, согласующие, вращающиеся, трехфазные, пик-трансформаторы, трансформаторы тока, тороидальные, стержневые и броневые.

Какие они, трансформаторы будущего

Считается, что трансформаторная отрасль весьма консервативна. Тем не менее и ей приходится считаться с революционными изменениями в области электротехники, где все громче о себе заявляют нанотехнологии. Как и множество других устройств, они постепенно «умнеют».

Элегазовые трансформаторыЭлегазовые трансформаторы

Активно ведется поиск новых конструкционных материалов – изоляционных и магнитных, способных обеспечить более высокую надежность трансформаторного оборудования. Одним из направлений может стать использование аморфных материалов, что значительно повысит его пожарную безопасность и надежность.

Появятся взрыво- и пожаробезопасные трансформаторы, в которых хлордифенилы, используемые для пропитки электроизоляционных материалов, будут заменены нетоксичными жидкими, экологически безопасными диэлектриками.

Элегазовые трансформаторыЭлегазовые трансформаторы

Примером тому — элегазовые силовые трансформаторы, где функцию хладагента выполняет негорючий элегаз гексафторид серы, вместо далеко не безопасного трансформаторного масла.

Вопрос времени – создание «умных» электросетей, оснащенных полупроводниковыми твердотельными трансформаторами с электронным управлением, с помощью которых появится возможность регулировать напряжение в зависимости от потребностей потребителей, в частности, подключать к домашней сети возобновляемые и промышленные источники питания, или наоборот отключать лишние, когда в них нет необходимости.

Еще одно перспективное направление – низкотемпературные сверхпроводимые трансформаторы. Работа по их созданию началась еще в 60-е годы. Главная проблема, с которой столкнулись ученые – огромные размеры криогенных систем, необходимых для изготовления жидкого гелия. Все изменилось в 1986 году, когда были открыты сверхпроводниковые высокотемпературные материалы. Благодаря им, появилась возможность отказаться от громоздких охлаждающих устройств.

Трансформатор с полупроводниковым преобразователемТрансформатор с полупроводниковым преобразователем

Сверхпроводимые трансформаторы обладают уникальным качеством: при высокой плотности тока потери в них минимальны, зато, когда ток достигает критических значений, сопротивление от нулевого уровня резко увеличивается.Трансформатор с полупроводниковым преобразователем

Принцип работы трансформатора: этапы работы

Трансформатор – это регулирующее устройство, которое достаточно часто используется для того, чтобы повысить эффективность многих устройств. Эти устройства могут использоваться для повышения и понижения напряжения в сети. В этой статье вы узнаете принцип работу трансформатора тока.

Принцип работы трансформатора тока

Измерительные трансформаторы имеют достаточно простой принцип работы. Его работа подчиняется закону про электромагнитную индукцию. Если разобраться более детально, то взаимная индукция будет отвечать за действие преобразования напряжения. В соответствии с этим законом Фарадей гласит: «скорость изменения потокосцепления будет пропорциональной наведенной ЭДС в проводнике».

Основы теории трансформатора

Представьте, что у вас есть трансформатор с одной обмоткой, которая соединяется с электрическим током. Переменный ток будет производить меняющийся поток, который окружает катушку. Определенная ее часть может соединяться в том случае, если переменный ток постоянно будет проходить через обмотку. Этот поток может постоянно меняться в своем направлении.

Следуя из закона Фарадея у нас должно быть ЭДС, которое будет производить индукцию раз в секунду. Если в последней обмотке цепь будет закрыта, тогда через нее пройдет ток. Этот принцип работы трансформатора считается простейшим. Тороидальный трансформатор имеет немного другой принцип работы.

Когда вы будете использовать движение переменного тока к электрической катушке, поток энергии будет ее окружать. Поток будет неравномерным, а его скорость может изменяться. Это понятие считается фундаментальным в работе трансформатора. Обмотка, которую он содержит, будет принимать электрическую мощность от источника. Она дает выходное напряжение благодаря взаимной индукции.

Конструктивные части трансформатора

На сегодняшний день устройство трансформатора включает в себя три основные части, к которым относят:

  • Первичную обмотку. Когда подключается к источнику, она будет производить магнитный поток.
  • Магнитный сердечник. Магнитный поток будет создан в замкнутую цепь.
  • Вторичная обмотка. Ее необходимо наматывать на сердечник.

Это три основные части, из которых будет состоять силовой трансформатор.

Принцип работы трансформатора

Электрический силовой трансформатор является статистическим устройством. Принцип работы сварочного трансформатора заключается в том, что он будет преобразовывать энергию от схемы одного устройства к другому. Этот процесс проходит благодаря индукции между обмотками. Преобразование энергии будет происходить на основе изменения частоты. Он может работать в разных уровнях напряжения.

Работа однофазного трансформатора

Принцип работы однофазного трансформатора на сегодняшний день ничем не отличается от других устройств. Когда ток будет проходить по первичной обмотке, то будет создано магнитное поле. У него имеются мощные силовые линии. Первичную катушку они будут пронизывать полностью. Все линии являются замкнутыми между вокруг проводников катушек.

Закон про магнитную связь гласит о том, чем ближе расположены объекты, тем сильнее будет их связь. Вам следует знать, что в однофазном трансформаторе сила магнитного поля будет зависеть от напряжения. Именно поэтому скачки напряжения могут снизить силу МП. При соединении концов обмотки устройство начнет снабжаться электрическим током.

Принцип работы автотрансформатора

Здесь мы рассмотрим принцип работы автотрансформатора. Эти устройства можно отнести к трансформаторам, которые имеют специальное использование. Обмотки в этом устройстве связаны между собою не только магнитным полем, но и гальваническим.

При переключении обмоток можно получить как высокое, так и низкое напряжение. Переменное магнитное поле возникает в момент подключения переменного тока к сердечнику. Благодаря устройству сердечника небольшое напряжение способно создавать сильное МП. Автотрансформаторы довольно часто используют в областях, где существует незначительное изменение напряжения.

На сегодняшний день существуют также узкоспециализированные лабораторные трансформаторы. Они имеют другой принцип работы трансформатора.

Их обмотка должна выполняться из ферромагнитного материала. Она сводит резонансное движение к минимуму. К основным его отличиям относят:

  1. Кроме ферромагнетика используют медный провод.
  2. Он имеет низкие допустимые параметры.
  3. В нем работает система строчного ролика.

Эти трансформаторы также могут иметь недостатки, к которым относят:

  • Все цепи нужно изолировать, так как они имеют сильную связь.
  • Его нельзя использовать для защиты в мощных цепях.
  • Ремонт стоит достаточно дорого.

Работа гидротрансформатора

Наверное, каждый водитель бульдозера знает принцип работы гидротрансформатора. На самом деле прибор является муфтой, которая вращается два раза. Устанавливать его необходимо между двигателем. Это необходимо чтобы получить вращательное движение. Механизм напоминает бублик, но у него достаточно сложная конструкция:

  • По краям находятся специальные насосы. Передний прибор будет передавать жидкость на турбинное колесо.
  • Переднее колесо необходимо соединить с главным валом. Благодаря этому он будет передавать жидкость по механизму.

Как видите, принцип работы трансформатора у всех устройств практически одинаковый. Существуют некоторые особенности, но все зависит от его модели.

Вам будет интересно: типы трансформаторов тока.

принцип работы и типы приборов

маленький трансформатор

Трансформатор — незаменимое устройство в электротехнике.

Без него энергосистема в ее нынешнем виде не могла бы существовать.

Присутствуют эти элементы и во многих электроприборах.

Желающим познакомиться с ними поближе предлагается данная статья, тема которой — трансформатор: принцип работы и виды приборов, а также их назначение.

 

Что такое трансформатор

Так называют устройство, изменяющее величину переменного электрического напряжения. Существуют разновидности, способные менять и его частоту.

Таким аппаратами оснащают многие приборы, также они применяются в самостоятельном виде.

Например, установки, повышающие напряжение для передачи тока по электромагистралям.

Генерируемое электростанцией напряжение они поднимают до 35 – 750 кВ, что дает двойную выгоду:

  • уменьшаются потери в проводах;
  • требуются провода меньшего сечения.
В городских электросетях напряжение снова уменьшается до величины в 6,1 кВ, опять же с использованием трансформатора. В распределительных сетях, раздающих электричество потребителям, напряжение понижают до 0,4 кВ (это привычные нам 380/220 В).

Принцип работы

Работа трансформаторного устройства основана на явлении электромагнитной индукции, состоящей в следующем: при изменении параметров магнитного поля, пересекающего проводник, в последнем возникает ЭДС (электродвижущая сила). Проводник в трансформаторе присутствует в форме катушки или обмотки, и общая ЭДС равна сумме ЭДС каждого витка.

Для нормальной работы требуется исключить электрический контакт между витками, потому используют провод в изолирующей оболочке. Эту катушку называют вторичной.

Магнитное поле, необходимое для генерации во вторичной катушке ЭДС, создается другой катушкой. Она подключается к источнику тока и называется первичной. Работа первичной катушки основана на том факте, что при протекании через проводник тока, вокруг него формируется электромагнитное поле, а если он смотан в катушку, оно усиливается.

принципы работы трансформатора

Как работает трансформатор

При протекании через катушку постоянного тока параметры электромагнитного поля не меняются и оно неспособно вызвать ЭДС во вторичной катушке. Поэтому трансформаторы работают только с переменным напряжением.

На характер преобразования напряжения влияет соотношение количества витков в обмотках – первичной и вторичной. Его обозначают «Кт» – коэффициент трансформации. Действует закон:

Кт = W1 / W2 = U1 / U2,

где,

  • W1 и W2 — количество витков в первичной и вторичной обмотках;
  • U1 и U2 — напряжение на их выводах.

Следовательно, если в первичной катушке витков больше, то напряжение на выводах вторичной ниже. Такой аппарат называют понижающим, Кт у него больше единицы. Если витков больше во вторичной катушке — трансформатор напряжение повышает и называется повышающим. Его Кт меньше единицы.

трансформатор на улице

Большой силовой трансформатор

Если пренебречь потерями (идеальный трансформатор), то из закона сохранения энергии следует:

P1 = P2,

где Р1 и Р2 — мощность тока в обмотках.

Поскольку P = U * I, получим:

  • U1 * I1 = U2 * I2;
  • I1 = I2 * (U2 / U1) = I2 / Кт.

Это означает:

  • в первичной катушке понижающего устройства (Кт > 1) протекает ток меньшей силы, чем в цепи вторичной;
  • с повышающими трансформаторами (Кт < 1) все наоборот: сила тока в первичной катушке выше, чем в цепи вторичной.

Данное обстоятельство учитывают при подборе сечения проводов для обмоток аппаратов.

Конструкция

Трансформаторные обмотки надевают на магнитопровод — деталь из ферромагнитной, трансформаторной или иной магнитомягкой стали. Он служит проводником электромагнитного поля от первичной катушки ко вторичной.

Под действием переменного магнитного поля в магнитопроводе также генерируются токи — они называются вихревыми. Эти токи приводят к потерям энергии и нагреву магнитопровода. Последний, с целью свести данное явление к минимуму, набирают из множества изолированных друг от друга пластин.

На магнитопроводе катушки располагают двояко:

  • рядом;
  • наматывают одну поверх другой.

Обмотки для микротрансформаторов изготавливают из фольги толщиной 20 – 30 мкм. Ее поверхность в результате окисления становится диэлектриком и играет роль изоляции.

части трансформатора

Конструкция трансформатора

На практике добиться соотношения Р1 = Р2 невозможно из-за потерь трех видов:

  1. рассеивание магнитного поля;
  2. нагрев проводов и магнитопровода;
  3. гистерезис.

Потери на гистерезис — это затраты энергии на перемагничивание магнитопровода. Направление силовых линий электромагнитного поля постоянно меняется. Каждый раз приходится преодолевать сопротивление диполей в структуре магнитопровода, выстроившихся определенным образом в предыдущей фазе.

Потери на гистерезис стремятся уменьшить, применяя разные конструкции магнитопроводов.

Итак, в реальности величины Р1 и Р2 отличаются и соотношение Р2 / Р1 называют КПД устройства. Для его измерения используются следующие режимы работы трансформатора:

  • холостого хода;
  • короткозамкнутый;
  • с нагрузкой.

В некоторых разновидностях трансформаторов, работающих с напряжением высокой частоты, магнитопровод отсутствует.

Режим холостого хода

Первичная обмотка подключена к источнику тока, а цепь вторичной разомкнута. При таком подключении в катушке течет ток холостого хода, в основном представляющий реактивный ток намагничивания.

Такой режим позволяет определить:

  • КПД устройства;
  • коэффициент трансформации;
  • потери в магнитопроводе (на языке профессионалов — потери в стали).
холостой ход

Схема трансформатора в режиме холостого хода

Короткозамкнутый режим

Выводы вторичной обмотки замыкают без нагрузки (накоротко), так что ток в цепи ограничивается лишь ее сопротивлением. На контакты первичной подают такое напряжение, чтобы ток в цепи вторичной обмотки не превышал номинального.

Такое подключение позволяет определить потери на нагрев обмоток (потери в меди). Это необходимо при реализации схем с применением вместо реального трансформатора активного сопротивления.

Режим с нагрузкой

В этом состоянии к выводам вторичной обмотки подключен потребитель.

Охлаждение

В процессе работы трансформатор греется.

Применяют три способа охлаждения:

  1. естественное: для маломощных моделей;
  2. принудительное воздушное (обдув вентилятором): модели средней мощности;
  3. мощные трансформаторы охлаждаются при помощи жидкости (в основном используют масло).
охлаждение прибора

Прибор с масляным охлаждением

Виды трансформаторов

Аппараты классифицируются по назначению, типу магнитопровода и мощности.

Силовые трансформаторы

Наиболее многочисленная группа. К ней относятся все трансформаторы, работающие в энергосети.

Автотрансформатор

У этой разновидности между первичной и вторичной обмотками имеется электрический контакт. При намотке провода делают несколько выводов — при переключении между ними задействуется разное число витков, отчего меняется коэффициент трансформации.

Достоинства автотрансформатора:

  • Повышенный КПД. Объясняется тем, что преобразованию подвергается только часть мощности. Это особенно важно при незначительной разнице между напряжением на входе и выходе.
  • Низкая стоимость. Это обусловлено меньшим расходом стали и меди (автотрансформатор имеет компактные размеры).

Эти устройства выгодно применять в сетях напряжением 110 кВ и более с эффективным заземлением при Кт не выше 3-4.

Трансформатор тока

Используется для снижения силы тока в подключенной к источнику питания первичной обмотке. Устройство находит применение в защитных, измерительных, сигнальных и управляющих системах. Преимущество в сравнении с шунтовыми схемами измерения, состоит в наличии гальванической развязки (отсутствие электроконтакта между обмотками).

Первичная катушка включается в цепь переменного тока – исследуемую или контролируемую –  с нагрузкой последовательно. К выводам вторичной обмотки подключают исполнительное индикаторное устройство, к примеру, реле, или прибор измерения.

типы трансформаторов

Трансформатор тока

Допустимое сопротивление в цепи вторичной катушки ограничено мизерными значениями — почти короткое замыкание. У большинства токовых трансформаторов величина номинального тока в этой катушке составляет 1 или 5 А. При размыкании цепи в ней формируется высокое напряжение, способное пробить изоляцию и повредить подключенные приборы.

Импульсный трансформатор

Работает с короткими импульсами, продолжительность которых измеряется десятками микросекунд. Форма импульса практически не искажается. В основном используются в видеосистемах.

Сварочный трансформатор

Данное устройство:

  • понижает напряжение;
  • рассчитано на номинальный ток в цепи вторичной обмотки до тысяч ампер.

Регулировать сварочный ток можно изменением числа витков обмоток, задействованных в процессе (они имеют по нескольку выводов). При этом изменяется величина индуктивного сопротивления или вторичное напряжение холостого хода. Посредством дополнительных выводов обмотки разбиты на секции, потому регулировка сварочного тока осуществляется ступенчато.

Габариты трансформатора во многом зависят от частоты переменного тока. Чем она выше, тем более компактным получится устройство.

ТДМ 70-460

Сварочный трансформатор ТДМ 70-460

На этом принципе основано устройство современных инверторных сварочных аппаратов. В них переменный ток перед подачей на трансформатор подвергается обработке:

  • выпрямляется посредством диодного моста;
  • в инверторе — управляемом микропроцессором электронном узле с быстро переключающимися ключевыми транзисторами — снова становится переменным, но уже с частотой 60 – 80 кГц.

Потому эти сварочные аппараты такие легкие и небольшие.

Также устроены блоки питания импульсного типа, например, в ПК.

Разделительный трансформатор

В этом устройстве обязательно присутствует гальваническая развязка (нет электрического контакта между первичной и вторичной обмотками), а Кт равен единице. То есть разделительный трансформатор напряжение оставляет неизменным. Он необходим для повышения безопасности подключения.

Прикосновение к токоведущим элементам оборудования, подключенного к сети через такой трансформатор, к сильному удару током не приведет.

В быту такой способ подключения электроприборов уместен во влажных помещениях— в ванных и пр.

Кроме силовых трансформаторов, существуют сигнальные разделительные. Они устанавливаются в электроцепи для гальванической развязки.

Магнитопроводы

Бывают трех видов:

  1. Стержневые. Выполнены в виде стержня ступенчатого сечения. Характеристики оставляют желать лучшего, но зато просты в исполнении.
  2. Броневые. Лучше стержневых проводят магнитное поле и вдобавок защищают обмотки от механических воздействий. Недостаток: высокая стоимость (требуется много стали).
  3. Тороидальные. Наиболее эффективная разновидность: создают однородное сконцентрированное магнитное поле, чем способствуют уменьшению потерь. Трансформаторы с тороидальным магнитопроводом имеют наибольший КПД, но они дороги из-за сложности изготовления.

Мощность

Мощность трансформатора принято обозначать в вольт-амперах (ВА). По данному признаку устройства классифицируются так:
  • маломощные: менее 100 ВА;
  • средней мощности: несколько сотен ВА;

Существуют установки большой мощности, измеряемой в тысячах ВА.

Трансформаторы отличаются назначением и характеристиками, но принцип действия у них одинаков: переменное магнитное поле, генерируемое одной обмоткой, возбуждает во второй ЭДС, величина которого зависит от числа витков.

Необходимость в преобразовании напряжения возникает очень часто, потому трансформаторы получили самое широкое распространение. Данное устройство можно изготовить самостоятельно.

Принцип работы трансформатора. Устройство и режимы работы

Здравствуйте, дорогие читатели! Сегодня поговорим про принцип работы трансформатора, рассмотрим его устройство и режимы работы. И так…

В энергетике, электронике и других отраслях прикладной электротехники большая роль отводится преобразованиям электромагнитной энергии из одного вида в другой. Этим вопросом занимаются многочисленные трансформаторные устройства, которые создаются под различные производственные задачи.

Одни из них, имеющие наиболее сложную конструкцию, выполняют трансформацию мощных потоков высоковольтной энергии, например 500 или 750 киловольт в 330 и 110 кВ или в обратном направлении.

Принцип работы трансформатора

   Высоковольтный трансформатор

Другие работают в составе малогабаритных устройств бытовой техники, электронных приборов, системах автоматизации. Они также широко используются в различных блоках питания мобильных устройств.

 Принцип работы трансформатора
   Плата с трансформатором, от блока питания, для мобильных устройств

Трансформаторы работают только в цепях переменного напряжения разной частоты и не предназначены для применения в схемах постоянного тока, в которых используются преобразователи других типов.

Общий принцип работы трансформатора

Мы знаем, что электромагнитная энергия неразрывна. Но ее принято представлять двумя составляющими:

  1. электрической
  2. магнитной

Так проще понимать происходящие явления, описывать процессы, делать расчеты, конструировать различные устройства и схемы. Целые разделы электротехники посвящены раздельным анализам работы электрических и магнитных цепей.

Электрический ток, как и магнитный поток, протекает только по замкнутой цепи, обладающей сопротивлением (электрическим или магнитным). Его создают внешние приложенные силы — источники напряжения соответствующих энергий.

Однако, при рассмотрении принципов работы трансформаторных устройств придётся одновременно исследовать оба этих фактора, учесть их комплексное воздействие на преобразование мощности.

Простейший трансформатор состоит из двух обмоток, выполненных намоткой витками изолированной проволоки, по которым протекает электрический ток и одной магистрали для магнитного потока. Ее принято называть сердечником или магнитопроводом.

Принцип работы трансформатора
   Принцип работы трансформатора

К вводу одной обмотки приложено напряжение от источника электроэнергии U1, а с выводов второй оно после преобразования в U2, подается на подключенную нагрузку R.

Под действием напряжения U1 в первой обмотке по замкнутой цепи протекает ток I1, величина которого зависит от полного сопротивления Z, состоящего из двух составляющих:

  1. активного сопротивления проводов обмотки
  2. реактивной составляющей, обладающей индуктивным характером

Величина индуктивного сопротивления оказывает большое влияние на работу трансформатора.

Протекающая по первичной обмотки электрическая энергия в виде тока I1 представляет собой часть электромагнитной, магнитное поле которой направлено перпендикулярно движению зарядов или расположению витков проволоки. В его плоскости размещен сердечник трансформатора — магнитопровод, по которому замыкается магнитный поток Ф.

Все это наглядно отражено на картинке и строго соблюдается при изготовлении. Сам магнитопровод тоже замкнут, хотя в отдельных целях, например, для снижения магнитного потока в нем могут делать зазоры, увеличивающие его магнитное сопротивление.

За счет протекания первичного тока по обмотке магнитная составляющая электромагнитного поля проникает в магнитопровод и циркулирует по нему, пересекая витки вторичной обмотки, которая замкнута на выходное сопротивление R.

Под действием магнитного потока во вторичной обмотке наводится электрический ток I2. На его величине сказывается значение приложенной напряженности магнитной составляющей и полной сопротивление цепи, включая подключенную нагрузку R.

При работе трансформатора внутри магнитопровода создается общий магнитный поток Ф и его составные части Ф1 и Ф2.

Как устроен и работает автотрансформатор

Среди трансформаторных устройств особой популярностью пользуются упрощенные конструкции, использующие в работе не две разные отдельно выполненные обмотки, а одну общую, разделенную на секции. Их называют автотрансформаторами.

Принцип работы трансформатора
   Схема устройства автотрансформатора

Принцип работы трансформатора такой схемы практически остался прежним. Происходит преобразование входной электромагнитной энергии в выходную. По виткам обмотки W1 протекают первичные токи I1, а по W2 — вторичные I2. Магнитопровод обеспечивает путь движения для магнитного потока Ф.

У автотрансформатора имеется гальванически связь между входными и выходными цепями. Так как преобразованию подвергается не вся приложенная мощность источника, а только часть ее, то создается более высокий КПД, чем у обычного трансформатора.

Такие конструкции позволяют экономить на материалах: стали для магнитопровода, меди для обмоток. Они обладают меньшим весом и стоимостью. Поэтому их эффективно используют в системе энергетики от 110 кВ и выше.

Особых отличий в режимах работы трансформатора и автотрансформатора практически нет.

Рабочие режимы трансформатора

При эксплуатации любой трансформатор может находиться в одном из состояний:

  1. выведен из работы
  2. номинальный режим
  3. холостой ход
  4. короткое замыкание
  5. перенапряжение

1. Режим вывода из работы

Для его создания достаточно снять питающее напряжение источника электроэнергии с первичной обмотки и этим исключить прохождение электрического тока по ней, что и делают всегда в обязательном порядке с подобными устройствами.

Однако на практике при работе со сложными трансформаторными конструкциями такая мера не обеспечивает полностью меры безопасности: на обмотках может оставаться напряжение и приносить вред оборудованию, подвергать опасности обслуживающий персонал за счет случайного воздействия разрядов тока.

Как это может произойти?

У малогабаритных трансформаторов, которые работают в качестве блока питания, как показано на верхней фотографии, постороннее напряжение никакого вреда не причинит. Ему там просто неоткуда взяться. А на энергетическом оборудовании его обязательно следует учитывать. Разберём две часто встречающиеся причины:

  1. Подключение постороннего источника электроэнергии
  2. Действие наведенного напряжения
   Подключение постороннего источника электроэнергии

На сложных трансформаторах работает не одна, а несколько обмоток, которые используются в разных цепях. Со всех их необходимо отключать напряжение.

Кроме того, на подстанциях, эксплуатируемой в автоматическом режиме без постоянного оперативного персонала к шинам силовых трансформаторов подключают дополнительные трансформаторы, обеспечивающие собственные нужды подстанции электроэнергией 0,4 кВ. Они предназначены для питания защит, устройств автоматики, освещения, отопления и других целей.

Их так и называют — ТСН или трансформаторы собственных нужд. Если со входа силового трансформатора снято напряжение и его вторичные цепи разомкнуты, а на ТСН проводятся работы, то существует вероятность обратной трансформации, когда напряжение 220 вольт с низкой стороны проникнет на высокую по подключенным шинам питания. Поэтому их необходимо обязательно отключать.

   Действие наведенного напряжения

Если около шин отключенного трансформатора проходит высоковольтная линия, находящаяся под напряжением, то токи, протекающие по ней, способны наводить напряжение на шинах. Необходимо применять меры для его снятия.

2. Номинальный режим работы

Это обычное состояние трансформатора во время его эксплуатации для которого он и создан. Токи в обмотках и приложенные к ним напряжения соответствуют расчетным значениям.

Трансформатор в режиме номинальной нагрузки потребляет и преобразует мощности, соответствующие проектным значениям в течение всего предусмотренного ему ресурса.

3. Режим холостого хода

Он создается в том случае, когда на трансформатор подано напряжение от источника питания, а на выводах выходной обмотки отключена нагрузка, то есть разомкнута цепь. Этим исключается протекание тока по вторичной обмотке.

Трансформатор в режиме холостого хода потребляет минимально возможную мощность, определяемую его конструкторскими особенностями.

4. Режим короткого замыкания

Так называют ситуацию, когда нагрузка, подключенная к трансформатору оказывается закороченной, наглухо зашунтированной цепочками с очень малыми электрическими сопротивлениями и на нее действует вся мощность питания источника напряжения.

В этом режиме протекание огромных токов КЗ ни чем практически не ограничивается. Они обладают огромной тепловой энергией и способны сжечь провода или оборудование. Причем действуют до тех пор, пока схема питания через вторичную или первичную обмотку не выгорит, разорвавшись в наиболее слабом месте.

Это самый опасный режим, который способен возникнуть при работе трансформатора, причем, в любой, самый неожиданный момент времени. Его появление можно предвидеть, а развитие следует ограничивать. С этой целью используют защиты, которые отслеживают превышение допустимых токов на нагрузке и максимально быстро их отключают.

5. Режим перенапряжения

Обмотки трансформатора покрыты слоем изоляции, который создается для работы под определенным напряжением. При эксплуатации возможно его превышение по различным причинам, возникающим как внутри электрической системы, так и в результате воздействия атмосферных явлений.

В заводских условиях определяется величина допустимого превышения напряжения, которое может действовать на изоляцию до нескольких часов и кратковременных перенапряжений, создаваемых переходными процессами при коммутациях оборудования.

Для предотвращения их воздействия создают защиты от повышения напряжения, которые при возникновении аварийной ситуации отключают питание со схемы в автоматическом режиме или ограничивают импульсы разрядов.

Видео, принцип работы трансформатора

 

Смотрите также по теме:

   Трансформатор Тесла (Tesla coil). Делаем своими руками.

 

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

Основные операции трансформатора

  • Изучив этот раздел, вы сможете описать:
  • • Основные операции с трансформатором.
  • • Коэффициент поворотов.
  • • Коэффициент мощности.
  • • Коэффициент трансформации.
  • • Потери трансформатора: медь, гистерезис и вихревые токи.
  • • КПД трансформатора и ток холостого хода.

Трансформаторы.

Трансформатор использует принципы электромагнетизма для изменения одного уровня напряжения переменного тока на другой. Работа Фарадея в 19 веке показала, что изменяющийся ток в проводнике (например, первичной обмотке трансформатора) создает изменяющееся магнитное поле вокруг проводника. Если другой проводник (вторичная обмотка) находится внутри этого изменяющегося магнитного поля, в эту обмотку будет наведено напряжение.

Коэффициент оборота

Фарадей также рассчитал, что напряжение, наведенное во вторичной обмотке, будет иметь величину, которая зависит от ОТНОШЕНИЯ ОБОРОТОВ трансформатора. т.е. если вторичная обмотка имеет половину числа витков первичной обмотки, то вторичное напряжение будет вдвое меньше напряжения на первичной обмотке. Аналогично, если вторичная обмотка имеет удвоенное число витков первичной обмотки, вторичное напряжение будет в два раза больше первичного напряжения.

Коэффициент мощности

.

Поскольку трансформатор является пассивным компонентом (он не имеет внешнего источника питания), он не может вырабатывать больше энергии из своей вторичной обмотки, чем применяется к своей первичной обмотке. Следовательно, если вторичное напряжение больше, чем первичное напряжение, на определенную величину, вторичный ток будет меньше, чем первичный ток, на аналогичную величину, то есть, если напряжение удвоится, ток будет уменьшен вдвое.

Рис. 11.1.1. Основные операции с трансформатором.

Коэффициент трансформации.

Базовая работа трансформатора может быть описана двумя формулами, связывающими коэффициент трансформации с коэффициентом витков обмоток трансформатора.

  • В P = первичное напряжение.
  • I P = первичный ток.
  • В S = вторичное напряжение.
  • I S = вторичный ток.
  • N P = число витков в первичной обмотке.
  • N S = число витков во вторичной обмотке.

Потери трансформатора.

Формулы на рис. 11.1.1 относятся к идеальному трансформатору, то есть трансформатору без потерь мощности, в котором первичные вольт-амперы = вторичные вольт-амперы.

Хотя практичные трансформаторы могут быть чрезвычайно эффективными, могут возникнуть некоторые потери, потому что не весь магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, будет связан со вторичной обмоткой. Потери мощности в трансформаторе бывают трех типов;

1.Потери меди.

Эти потери также можно назвать потерями в обмотках или потерями I2R, поскольку они могут возникать в обмотках, изготовленных из металлов, отличных от меди. Потери становятся очевидными в виде тепла, генерируемого в (медных) обмотках провода, поскольку они рассеивают мощность из-за сопротивления провода.

Потери мощности в обмотке трансформатора можно рассчитать, используя ток в обмотке и его сопротивление в формуле для мощности, P = I 2 R. Эта формула является причиной, по которой потери в меди иногда называют I 2 R потери.Чтобы минимизировать потери, сопротивление обмотки должно поддерживаться на низком уровне с использованием провода подходящей площади поперечного сечения и низкого удельного сопротивления.

2. Гистерезисные потери.

Каждый раз, когда переменный ток меняется (один раз в каждом цикле), крошечные «магнитные домены» внутри материала сердечника меняются местами. Это физические изменения в материале ядра, которые поглощают энергию. Количество используемой энергии зависит от «нежелания» материала сердечника; в больших сердечниках силовых трансформаторов, где потеря гистерезиса может быть проблемой, она в значительной степени преодолевается за счет использования в качестве материала сердечника специальной стали с «низким зерном», ориентированной на зерно.

3. Вихретоковые потери.

Поскольку железный или стальной сердечник является электрическим проводником, а также магнитной цепью, изменяющийся ток в первичной обмотке будет иметь тенденцию создавать ЭДС внутри сердечника, а также во вторичной обмотке. Индуцированные в сердечник токи будут противодействовать изменениям магнитного поля, происходящим в сердечнике. По этой причине эти вихревые токи должны быть как можно меньше. Это достигается путем разделения металлического сердечника на тонкие листы или «слоистые материалы», каждый из которых изолирован от других изолирующим слоем лака или оксида.Ламинированные сердечники значительно снижают образование вихревых токов, не влияя на магнитные свойства сердечника.

ферритовых сердечников.

В высокочастотных трансформаторах потери на вихревые токи уменьшаются благодаря использованию сердечника из керамического материала, содержащего большую долю мельчайших металлических частиц, железной пыли или марганцевого цинка. Керамика изолирует частицы металла друг от друга, создавая эффект, аналогичный ламинации, и лучше работает на высоких частотах.

Благодаря описанным выше способам снижения потерь практические трансформаторы приближаются к идеалу по производительности.В больших силовых трансформаторах эффективность может достигать 98%. Поэтому для большинства практических расчетов можно предположить, что трансформатор является «идеальным», если не указаны его потери. Фактические вторичные напряжения в практическом трансформаторе будут лишь немного меньше, чем рассчитанные с использованием теоретического коэффициента преобразования.

Ток без нагрузки.

Поскольку действие трансформатора практически идеально, мощность в первичной и вторичной обмотках одинакова, поэтому, когда нагрузка на вторичную нагрузку не подается, ток вторичной обмотки не протекает, а мощность во вторичной обмотке равна нулю (V x I = 0).Следовательно, хотя к первичной обмотке приложено напряжение, ток не будет течь, поскольку мощность в первичной обмотке также должна быть равна нулю. В практических трансформаторах «Ток холостого хода» в первичной обмотке на самом деле очень низкий.

вольт за ход.

Трансформатор с первичной обмоткой 1000 витков и вторичной обмоткой 100 витков имеет соотношение витков 1000: 100 или 10: 1. Следовательно, 100 вольт, приложенных к первичной обмотке, будут давать вторичное напряжение 10 вольт.

Еще один способ учета напряжения трансформатора - это вольт / оборот; если 100 вольт, приложенных к первичному 1000 витков, выдают 100/1000 = 0.1 вольт на виток, затем каждый отдельный виток вторичной обмотки на 100 витков будет давать 0,1 В, поэтому общее вторичное напряжение будет составлять 100 × 0,1 В = 10 В.

Тот же метод можно использовать для определения значений напряжения, появляющегося на отдельных ответвлениях автотрансформатора, когда известно число витков на ответвление.

Просто разделите общее напряжение на всей обмотке на общее количество витков и умножьте этот результат на количество витков в конкретном выпуске.

,

Типы, основы, принцип построения и эксплуатации

Трансформаторы

, как правило, представляют собой устройства, способные преобразовывать величины из одного значения в другое. В этой статье мы сосредоточимся на трансформаторе напряжения , который является статическим электрическим компонентом, способным преобразовывать переменное напряжение из одного значения в другое без изменения частоты, используя принципы электромагнитной индукции .

Transformer Symbol

В одной из наших предыдущих статей о переменном токе мы упомянули, насколько важен был трансформатор в истории переменного тока.Это был главный активатор, который сделал возможным переменный ток. Первоначально, когда использовались системы на основе постоянного тока, они не могли быть переданы на большие расстояния из-за потери мощности в линиях по мере увеличения расстояния (длины), что означает, что электростанции постоянного тока должны были быть размещены повсюду, поэтому основная цель AC должен был решить проблему передачи, и без трансформатора это было бы невозможно, так как потери все равно существовали бы даже с AC.

Single Phase Transformer

При установленном трансформаторе переменный ток может передаваться от генерирующих станций при очень высоком напряжении, но низком токе, что исключает потери в линии (проводах) из-за значения I 2 R (которое дает потерю мощности в линия).Затем трансформатор используется для преобразования высокого напряжения, энергии низкого тока в низкое напряжение, энергии высокого тока для окончательного распределения в сообществе без изменения частоты и с той же мощностью, которая была передана от генераторной станции (P = IV) ,

Чтобы лучше понять трансформатор напряжения, лучше всего использовать его наиболее упрощенную модель - однофазный трансформатор.

Однофазный трансформатор

Single Phase Voltage transformer

Однофазный трансформатор является наиболее распространенным (с точки зрения количества используемых) типом трансформаторов напряжения. Он присутствует в большинстве «подключенных» приборов, которые мы используем дома и везде.

Он используется для описания принципа работы, конструкции и т. Д. Трансформатора, поскольку другие трансформаторы подобны изменению или модификации однофазного трансформатора. Например, некоторые люди называют трехфазный трансформатор составленным из трех однофазных трансформаторов.

Однофазный трансформатор состоит из двух катушек / обмотка (первичная и вторичная катушка).Эти две обмотки расположены таким образом, что не существует электрического соединения между ними , поэтому они намотаны вокруг общего магнитного утюга, обычно называемого сердечником трансформатора , таким образом, две катушки имеют только магнитное соединение между ними , Это гарантирует, что мощность передается только через электромагнитную индукцию, а также делает трансформаторы полезными для изолирующих соединений.

Принцип работы трансформатора:

Как упоминалось ранее, трансформатор состоит из двух катушек; первичная и вторичная катушки .Первичная катушка всегда представляет вход для трансформатора, а вторичная катушка - выход из трансформатора.

Два основных эффекта определяют работу трансформатора:

Во-первых, заключается в том, что ток, протекающий через провод, создает вокруг него магнитное поле. Величина результирующего магнитного поля всегда прямо пропорциональна величине тока, проходящего через провод. Величина магнитного поля увеличивается, если провод намотан в форме катушки.Это принцип, по которому магнетизм индуцируется первичной катушкой. Подавая напряжение на первичную катушку, оно индуцирует магнитное поле вокруг сердечника трансформатора .

Второй эффект , который в сочетании с первым объясняет принцип работы трансформатора, который основан на том факте, что , если проводник намотан на кусок магнита и магнитное поле изменяется, изменение магнитного поля будет индуцирует ток в проводнике , величина которого будет определяться числом витков катушки проводника.Это принцип, по которому вторичная катушка получает питание.

Когда на первичную катушку подается напряжение, оно создает магнитное поле вокруг сердечника, сила которого зависит от приложенного тока. Созданное магнитное поле, таким образом, индуцирует ток во вторичной катушке, который является функцией величины магнитного поля и числа витков вторичной катушки.

Этот принцип работы трансформатора также объясняет, почему переменный ток должен был быть изобретен, потому что трансформатор будет работать только тогда, когда есть изменение в приложенном напряжении или токе, как только тогда будут работать принципы электромагнитной индукции.Таким образом, трансформатор не может быть использован для постоянного тока .

Строительство Трансформатора

По сути, трансформатор состоит из двух частей, которые включают в себя; две катушки индуктивности и многослойный стальной сердечник . Катушки изолированы друг от друга, а также изолированы для предотвращения контакта с сердечником.

Таким образом, конструкция трансформатора будет рассмотрена под конструкцией катушки и сердечника.

Ядро трансформатора

Сердечник трансформатора всегда создается путем укладки ламинированных листов стали вместе, обеспечивая минимальный воздушный зазор между ними.В последнее время сердечник трансформатора всегда состоит из многослойного стального сердечника вместо железных сердечников, чтобы уменьшить потери из-за вихревых токов.

На выбор предлагается три основных формы многослойных стальных листов: E, I и L.

Transformer core design types

При складывании ламинирования вместе, чтобы сформировать сердцевину, они всегда складываются таким образом, что стороны соединения чередуются. Например, из листов, собранных с лицевой стороны во время первой сборки, они будут с обратной стороны для следующей сборки, как показано на рисунке ниже.Это сделано, чтобы предотвратить большое нежелание в суставах.

Transformer core Internal structure

Катушка

При создании трансформатора становится очень важным указание типа трансформатора как с повышением или понижением, так как это определяет количество витков, которые будут существовать в первичной или вторичной катушке.

Типы трансформаторов:

В основном есть трех типов трансформаторов напряжения ;

1.Понижающие трансформаторы

2. Повышающие трансформаторы

3. Изолирующие трансформаторы

Понижающие трансформаторы являются трансформаторами, которые дают пониженное значение напряжения, приложенного к первичной катушке на вторичной катушке, в то время как для повышающего трансформатора , трансформатор выдает повышенное значение напряжения, приложенного к первичной катушке. катушка, на вторичной катушке.

Step-up and step-down transformer waveform

Изолирующие трансформаторы - это трансформаторы, которые дают одинаковое напряжение, приложенное к первичной обмотке вторичной обмотки и, таким образом, в основном используются для изоляции электрических цепей.

Из вышеприведенного объяснения создание трансформатора определенного типа может быть достигнуто только путем проектирования числа витков в каждой из первичной и вторичной катушек, чтобы обеспечить требуемый выходной сигнал, таким образом, это может быть определено отношением витков. Вы можете прочитать связанный учебник, чтобы узнать больше о различных типах трансформаторов.

Коэффициент трансформации трансформатора и уравнение ЭДС:

Коэффициент оборотов трансформатора (n) задается уравнением ;

n = Np / Ns = Vp / Vs 

, где n = коэффициент поворотов

Np = Число витков в первичной катушке

нс = число витков вторичной катушки

Vp = напряжение, приложенное к первичной

Vs = напряжение на вторичной обмотке

Эти отношения, описанные выше, могут использоваться для расчета каждого из параметров в уравнении.

Формула выше известна как действие напряжения трансформаторов .

Так как мы сказали, что сила остается неизменной после преобразования;

Transformer current action formula

Эта формула выше упоминается как текущее действие трансформатора . Что служит доказательством того, что трансформатор не только преобразует напряжение, но и преобразует ток.

ЭДС Уравнение:

Число витков катушки первичной или вторичной катушки определяет величину тока, который она индуцирует или индуцирует.Когда ток, приложенный к первичной обмотке, уменьшается, напряженность магнитного поля уменьшается и становится одинаковой для тока, наведенного во вторичной обмотке.

E = N (dΦ / dt) 

Величина напряжения, наведенного во вторичной обмотке, определяется уравнением:

Где N - число витков во вторичной обмотке.

Поскольку поток изменяется синусоидально, магнитный поток Φ = Φ макс. sinwt

, таким образом,

E = N * w * Φmax * cos (мас)
Emax = NwΦmax 

Среднеквадратичное значение индуцированной эдс получается путем деления максимального значения эдс на √2

Transformer EMF equation

Это уравнение известно как уравнение ЭДС трансформатора .

Где: N - число витков в обмотке катушки

f - частота потока в герцах

Φ - плотность магнитного потока по Веберу

со всеми этими значениями можно построить трансформатор.

Электроэнергия

Как было объяснено ранее, трансформаторы были созданы для обеспечения того, чтобы величина электроэнергии, генерируемой на генерирующих станциях, доставлялась конечным пользователям с небольшими потерями или без потерь, поэтому в идеальном трансформаторе мощность на выходе (вторичная обмотка) всегда такой же, как входная мощность .Таким образом, трансформаторы называются устройствами постоянной мощности, хотя они могут изменять значения напряжения и тока, это всегда делается таким образом, чтобы на выходе была одинаковая мощность на входе.

Таким образом,

P  s  = P  p  

где Ps - мощность на вторичной обмотке, а Pp - мощность на первичной обмотке.

Поскольку P = IvcosΦ
тогда I  с  В  с  cosΦ  с  = I  р  В  р  cosΦ  р  

КПД трансформатора

КПД трансформатора определяется уравнением;

КПД = (выходная мощность / входная мощность) * 100% 

Хотя выходная мощность идеального трансформатора должна быть такой же, как и входная мощность, большинство трансформаторов далеки от идеального и имеют потери из-за нескольких факторов.

Некоторые потери, которые может понести трансформатор, перечислены ниже;

1. Потери меди

2. Гистерезисные потери

3. Вихретоковые потери

1. Потери меди

Эти потери иногда называют потерями в обмотке или I 2 R. Потери. Эти потери связаны с мощностью, рассеиваемой проводником, используемым для обмотки, когда через него проходит ток из-за сопротивления проводника.Значение этой потери можно рассчитать по формуле;

P = I  2  R 

2. Гистерезисные потери

Это потери, связанные с нежеланием материалов, используемых для сердечника трансформатора. Поскольку переменный ток меняет свое направление, он оказывает влияние на внутреннюю структуру материала, используемого для сердечника, поскольку он имеет тенденцию подвергаться физическим изменениям, которые также расходуют часть энергии

3.Вихретоковые потери

Эта потеря обычно компенсируется использованием тонких слоистых листов стали. Потеря вихревых токов возникает из-за того, что сердечник также является проводником и будет вызывать ЭДС во вторичной катушке. Токи, индуцированные в сердечнике по закону Фарадея, будут противодействовать магнитному полю и приводить к рассеянию энергии.

Фактор влияния этих потерь в расчете эффективности трансформатора, мы имеем;

КПД = (входная мощность - потери / входная мощность) * 100% 

Все параметры выражены в единицах мощности.

,
Что такое трансформатор? Конструкция, работа, типы и применение.

Что такое трансформатор? Его части, эксплуатация, типы, ограничения и применение

Что такое трансформатор?

  • Как следует из названия, трансформатор передает электроэнергию из одной электрической цепи в другую электрическую цепь. Это не меняет значение силы.
  • Трансформатор не изменяет частоту цепи во время работы.
  • Трансформатор работает на электрическом я.е. взаимная индукция.
  • Трансформатор работает, когда обе цепи вступают в силу взаимной индукции.
  • Трансформатор не может повышать или понижать уровень постоянного напряжения или постоянного тока.
  • Трансформатор только повышает или понижает уровень переменного или переменного тока.
  • Трансформатор не меняет значение магнитного потока.
  • Трансформатор не будет работать при постоянном напряжении.

What is a Transformer, Its Types, Construction, Working, & Applications What is a Transformer, Its Types, Construction, Working, & Applications

Без трансформаторов электрической энергии, генерируемой на электростанциях, вероятно, будет недостаточно для питания города.Только представьте, что нет трансформаторов. Как вы думаете, сколько электростанций нужно настроить, чтобы обеспечить город энергией? Нелегко настроить электростанцию. Это дорого.

Для обеспечения достаточной мощности необходимо установить множество электростанций. Трансформаторы помогают, усиливая выход трансформатора (повышая или понижая уровень напряжения или тока).

Когда число витков вторичной катушки больше числа витков первичной катушки, такой трансформатор называется повышающим трансформатором.

Аналогично, когда число витков катушки первичной катушки больше, чем у вторичного трансформатора, такой трансформатор известен как понижающий трансформатор.

Конструкция трансформатора (детали трансформатора)

Construction of a Transformer Construction of a Transformer Детали трансформатора
1 Клапан масляного фильтра 17 Клапан слива масла
2 Консерватор 18 Подъемный патрон
3 Реле Бухгольца 19 Стопор
4 Клапан масляного фильтра 20 Фундаментный болт
5 Вентиляционное отверстие 21 Клемма заземления
6 Высоковольтная втулка 22 Опорная база
7 Низковольтная втулка 23 Катушка
8 Подвеска 24 Прижимная пластина катушки
9 BCT Termin al 25 Core
10 Бак 26 Клеммная коробка для защитных устройств
11 Устройство обесточивания ответвления 27 Паспортная табличка
12 Рукоятка переключателя 28 Циферблатный термометр
13 Крепеж для сердечника и катушки 29 Радиатор
14 Подъемный крюк для сердечника и катушки 30 Люк
15 Торцевая рама 31 Подъемный крюк
16 Болт давления катушки 32 Указатель уровня масла циферблатного типа

Принцип работы трансформатора

Трансформатор статическое устройство (и не содержит вращающихся частей, следовательно, нет потерь на трение), которое с преобразовывать электрическую мощность из одной цепи в другую, не меняя ее частоту.Шаг вверх (или шаг вниз) уровня переменного напряжения и тока.

Трансформатор работает по принципу взаимной индукции двух катушек или по закону Фарадея об электромагнитной индукции. Когда ток в первичной катушке изменяется, поток, связанный со вторичной катушкой, также изменяется. Следовательно, ЭДС индуцируется во вторичной катушке из-за законов электромагнитной индукции Фарадея.

Трансформатор основан на двух принципах: во-первых, электрический ток может создавать магнитное поле (электромагнетизм), а во-вторых, что изменяющееся магнитное поле в катушке с проволокой индуцирует напряжение на концах катушки (электромагнитная индукция) ).Изменение тока в первичной катушке изменяет магнитный поток, который развивается. Изменяющийся магнитный поток индуцирует напряжение во вторичной катушке.

Operating-Working-Principle-of-a-Transformer Operating-Working-Principle-of-a-Transformer

Простой трансформатор имеет сердечник из мягкого железа или кремниевой стали и обмотки (железный сердечник). Как сердечник, так и обмотки изолированы друг от друга. Обмотка, подключенная к основному источнику питания, называется первичной, а обмотка, подключенная к цепи нагрузки, называется вторичной.

Обмотка (катушка), подключенная к более высокому напряжению, называется обмоткой высокого напряжения, а обмотка, подключенная к низкому напряжению, называется обмоткой низкого напряжения.В случае повышающего трансформатора первичной обмоткой (обмоткой) является обмотка низкого напряжения, число витков обмотки вторичной обмотки больше, чем у первичной обмотки. Наоборот для понижающего трансформатора.

Как объяснено ранее, ЭДС индуцируется только изменением величины потока.

Когда первичная обмотка подключена к сети переменного тока, через нее течет ток. Поскольку обмотка связана с сердечником, ток, протекающий через обмотку, будет создавать переменный поток в сердечнике.ЭДС индуцируется во вторичной катушке, так как переменный поток связывает две обмотки. Частота наведенной ЭДС такая же, как у потока или подаваемого напряжения. Operating & Working Principle of a Transformer Operating & Working Principle of a Transformer

При этом (изменение потока) энергия передается от первичной обмотки к вторичной обмотке посредством электромагнитной индукции без изменения частоты напряжения, подаваемого на трансформатор. Во время процесса в первичной катушке возникает самоиндуцированная ЭДС, которая противодействует приложенному напряжению.ЭДС самоиндукции называется обратной ЭДС.

Ограничение трансформатора

Чтобы понять основные моменты, мы должны обсудить некоторые основные термины, связанные с работой трансформатора. Итак, вернемся к основному на некоторое время.

Трансформатор - это машина переменного тока, которая повышает или понижает переменное напряжение или ток. Однако трансформатор, являющийся машиной переменного тока, не может повышать или понижать постоянное напряжение или постоянный ток. Это звучит немного странно, хотя. Вы можете подумать: «А разве нет трансформаторов постоянного тока?»

Чтобы ответить на два вопроса, есть ли трансформаторы постоянного тока или нет, и знать, «почему трансформатор не может увеличивать или понижать напряжение постоянного тока», необходимо знать, как электрический ток и магнитное поле взаимодействуют друг с другом в работе трансформатора.

Электромагнетизм

Взаимодействие между магнитным полем и электрическим током называется электромагнетизмом. Токопроводящие проводники создают магнитное поле, когда ток проходит через него. Движение электронов в проводнике приведет к появлению электрического тока (дрейфующих электронов), который возникает в результате ЭДС, установленной на проводнике.

ЭДС, установленная через проводник, может быть в форме той, которая хранится в химической энергии или магнитном поле. Токопроводящий проводник, помещенный в магнитные поля, будет испытывать механическую силу, в то время как проводник, помещенный в магнитное поле, будет дрейфовать электронами, что приведет к электрическому току.

Field Flux

Два магнита разных полюсов будут притягивать друг друга, в то время как магниты одинаковых полюсов будут отталкивать друг друга (так же как и с электрическими зарядами). Каждый магнит окружен силовым полем и представлен воображаемыми линиями, исходящими от северного полюса магнита, идущими в южный полюс того же магнита.

Прочтите важные термины, относящиеся к потоку поля и магнитному полю, с формулами Здесь

«Линии, связывающие северный и южный полюс магнита, представляющего силовое поле, связывающее катушки в трансформаторе, называются магнитным потоком».

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция - это явление, объясняющее, как ЭДС и ток индуцируются или могут индуцироваться в катушке при взаимодействии катушки и магнитного поля. Это явление «электромагнитная индукция» объясняется законами электромагнитной индукции Фарадея. Направление наведенной ЭДС в катушке объясняется законом Ленца и правилом правой руки Флеминга.

Законы Фарадея об электромагнитной индукции

После того, как Ампер и другие исследовали магнитное влияние тока, Майкл Фарадей попытался сделать обратное.В ходе своей работы он обнаружил, что при изменении магнитного поля, в котором размещалась катушка, в катушке индуцировалась ЭДС.

Это происходило только тогда, когда он перемещал катушку или магнит, который использовал в эксперименте. ЭДС индуцировалась в катушке только при изменении потока поля (если катушка зафиксирована, перемещение магнита в направлении или от катушки вызывает индукцию ЭДС). Таким образом, законы электромагнитной индукции Фарадея состоят в следующем;

Первый закон Фарадея

Первый закон электромагнитной индукции Фарадея гласит, что «ЭДС индуцируется в катушке при изменении потока, связывающего катушку».

Второй закон Фарадея

Второй закон электромагнитной индукции Фарадея гласит, что «величина индуцированной ЭДС в катушке прямо пропорциональна скорости изменения потока, связывающего катушку».

e = N dϕ / dt

Где

  • e = индуцированная ЭДС
  • N = число витков
  • dϕ = изменение потока
  • dt = изменение во времени

Похожие сообщения: Есть ли Возможно ли эксплуатировать трансформатор 50 Гц на частоте 5 Гц или 500 Гц?

Закон Ленца

Закон Ленца предусматривает, как можно определить направление наведенной ЭДС в катушке.«Таким образом, в нем говорится, что направление наведенной ЭДС таково, что оно противостоит изменению, вызывающему его.

Другими словами, когда в цепи индуцируется E.M.F, текущая установка всегда противодействует движению или изменению тока, который его вызывает. ИЛИ

Индуцированная ЭДС приведет к тому, что ток будет течь в замкнутой цепи в таком направлении, что его магнитный эффект будет противодействовать изменению, вызвавшему его.

Согласно этому закону (введенному Лансом в 1835 году), направление тока может быть найдено.когда ток через катушку меняет магнитное поле, напряжение создается в результате изменения магнитного поля, направление индуцированного напряжения таково, что оно всегда противодействует изменению тока.

очень простыми словами, закон Ленца, утверждающий, что индуцированный эффект всегда таков, чтобы противостоять причине, вызвавшей его. Lenz-Law Lenz-Law

Правило правой руки Флеминга

В нем говорится, что «если большой, указательный и средний пальцы удерживаются таким образом, что они взаимно перпендикулярны друг другу (составляет 90 ° углов), затем указательный палец указывает направление поля, большой палец указывает направление движения проводника, а средний палец указывает направление индуцированного тока (от ЭДС).Lenz-Law Lenz-Law

Почему трансформаторы не могут повышать или понижать постоянное напряжение или ток?

Трансформатор не может повышать или понижать постоянное напряжение. Не рекомендуется подключать источник постоянного тока к трансформатору, потому что, если к катушке (первичной) трансформатора приложено номинальное напряжение постоянного тока, поток, создаваемый в трансформаторе, не изменится по своей величине, а останется тем же и результат ЭДС не будет индуцироваться во вторичной катушке, кроме как в момент включения, поэтому трансформатор может начать курить и гореть, потому что;

В случае питания постоянного тока, Частота равна нулю .Когда вы подаете напряжение на чистую индуктивную цепь, то в соответствии с

X L = 2 π f L

Где:

  • X L = Индуктивная реактивность
  • L = Индуктивность
  • f = частота

, если мы введем частоту = 0, то общий X L (индуктивное сопротивление) также будет равен нулю.

Теперь перейдем к току, I = V / R (а в случае индуктивной цепи, I = V / X L )….Основной закон Ома

Если мы установим индуктивное сопротивление равным 0, то ток будет бесконечным (Короткое замыкание)…

Итак, если мы подадим постоянное напряжение на чисто индуктивную цепь, цепь может начать дымиться и гореть.

Таким образом, трансформаторы не способны повышать или понижать постоянное напряжение. Также в таких случаях не будет самоиндуцированной ЭДС в первичной катушке, которая возможна только с изменяющейся магнитной связью, чтобы противостоять приложенному напряжению. Сопротивление первичной катушки является низким, и, как таковой, сильный ток, протекающий через него, приведет к выгоранию первичной катушки из-за чрезмерного нагрева, создаваемого током.

Читайте также: При каких условиях источник питания постоянного тока безопасно подключается к первичной обмотке трансформатора?

Типы трансформаторов

Существуют различные типы трансформаторов в зависимости от их использования, конструкции и конструкции.

Типы трансформаторов на основе своих фаз
  1. Однофазный трансформатор
  2. Трехфазные трансформаторы
Типы трансформаторов на основе своей базовой конструкции
  • Тип сердечника трансформатора
  • Тип оболочки 9 Трансформатор
  • Тип корпуса 9 Трансформатор
  • Тип корпуса 9 Трансформатор
  • Тип оболочки 9 Трансформатор
  • Тип оболочки 9 Трансформатор
  • Тип оболочки 9 Трансформатор
  • Трансформатор
Типы трансформаторов на основе его сердечника
  • Воздушный сердечник Трансформатор
  • Трансформатор с ферромагнитным / железным сердечником
Типы трансформаторов на основе Преобразователь Большой000000
    Распределительный трансформатор
  • Малый силовой трансформатор
  • Знаковый осветительный трансформатор
  • Управляющий и сигнальный трансформатор
  • Газоразрядная лампа Трансформатор
  • Звонящий трансформатор
  • Инструментальный трансформатор
  • Трансформатор постоянного тока
  • Серия Трансформатор для уличного освещения

Похожие сообщения: Разница между силовыми и распределительными трансформаторами?

Типы трансформаторов на основе изоляции и охлаждения
  • Трансформатор с воздушным или сухим воздушным охлаждением
  • Сухой тип с воздушным охлаждением
  • с масляным погружением, с автоматическим охлаждением (OISC) или ONAN (масло натуральное, воздушное натуральное)
  • с масляным погружением, комбинация с самоохлаждением и воздушной струей (ONAN)
  • с масляным погружением, с водяным охлаждением (OW)
  • с масляным погружением, принудительным масляным охлаждением
  • с масляным погружением, сочетание с автоматическим охлаждением и водяным охлаждением (ONAN + OW)
  • Принудительное масло с воздушным охлаждением (OFAC)
  • Принудительное масло с водяным охлаждением (FOWC)
  • Принудительное масло с автоматическим охлаждением (OFAN)
Типы измерительных трансформаторов

Связанные должности: Защита силовых трансформаторов и неисправности

Использование и применение трансформатора

Использование и применение трансформатора уже обсуждались в этом предыдущем посте.

Преимущества 3-фазного трансформатора над 1-фазным трансформатором

Ознакомьтесь с преимуществами и недостатками однофазного и трехфазного трансформатора здесь.

Похожие сообщения:

.
Что такое параллельная работа трансформатора? - Причина и необходимое условие

Трансформатор, как говорят, работает в параллельном режиме , когда его первичная обмотка подключена к общему источнику напряжения, а вторичная обмотка подключена к общей нагрузке.

Схема подключения параллельной работы трансформатора показана на рисунке ниже.

parallel-operation-of-transformer

Параллельная работа трансформатора имеет ряд преимуществ, таких как повышение эффективности системы, повышение гибкости и надежности системы.Но это увеличивает ток короткого замыкания трансформаторов.

Содержание:

причин для параллельной работы

Параллельная работа трансформатора необходима по следующим причинам:

  • Нецелесообразно и неэкономично иметь один большой трансформатор для больших и больших нагрузок. Следовательно, будет мудрым решением подключить несколько трансформаторов параллельно.
  • На подстанциях общая требуемая нагрузка может обеспечиваться соответствующим количеством трансформаторов стандартного размера.В результате это уменьшает запасную мощность подстанции.
  • Если трансформаторы подключены параллельно, то в будущем будет возможность расширения подстанции для обеспечения нагрузки, превышающей мощность уже установленного трансформатора.
  • Если произойдет какое-либо повреждение трансформатора в системе параллельно подключенных трансформаторов, не произойдет прерывание электропитания для основных услуг.
  • Если какой-либо трансформатор из системы выведен из эксплуатации для технического обслуживания и проверки, непрерывность питания не будет нарушена.

    Необходимые условия для параллельной работы

    Для удовлетворительной параллельной работы трансформатора необходимы два основных условия. Во-первых, полярности трансформаторов должны быть одинаковыми. Другое условие заключается в том, что коэффициент поворота трансформатора должен быть одинаковым.

    Два других желаемых условия следующие: -

  • Напряжение при полной нагрузке на внутреннем сопротивлении трансформатора должно быть одинаковым.
  • Отношение их сопротивлений обмотки к реактивным сопротивлениям должно быть одинаковым для обоих трансформаторов. Это условие гарантирует, что оба трансформатора работают с одинаковым коэффициентом мощности, таким образом, разделяя их активную мощность и реактивные вольт-амперы в соответствии с их номинальными характеристиками.

Это все о параллельной работе трансформатора.

,

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о