Трансформатор принцип работы: Силовые трансформаторы: определение, классификация и принцип работы

Содержание

РЧ-трансформаторы: принцип работы, разновидности, применение

В статье описывается принцип работы трансформатора, рассматриваются основные типы трансформаторов и сферы их применения.

Трансформатор представляет собой две или более проводящих линии, соединенные между собой магнитным полем. При появлении в сердечнике переменного магнитного потока, обусловленного изменением тока в первичной обмотке, во вторичной обмотке возникает ЭДС, величина которой напрямую зависит от количества витков в обмотках.

У трансформатора могут иметься дополнительные выводы и обмотки, у которых в общем случае – разные коэффициенты трансформации. Благодаря такой гибкости РЧ-трансформаторы обладают разными характеристиками и широко используются в СВЧ-технике.

Одна из широко применяемых конфигураций трансформатора представляет собой два или более проводов, обмотанных вокруг магнитного сердечника (в приложениях с более высокой частотой используется воздушный сердечник). Одним из наиболее важных параметров трансформаторов является отношение количества витков. Среди приложений, в которых применяются РЧ-трансформаторы, можно выделить:

  • преобразование импеданса для согласования;
  • повышение или понижение напряжения или тока;
  • соединение симметричной и несимметричной схем;
  • большее ослабление синфазного сигнала;
  • обеспечение развязки по постоянному сигналу между схемами;
  • обеспечение постоянного тока в некоторых сегментах схемы.

Существует несколько технологий исполнения трансформаторов, к которым относятся сердечник с обмоткой; трансформаторы на линиях передачи; трансформаторы, изготовленные из низкотемпературной совместно обжигаемой керамики (LTCC), монолитные устройства (MMIC). Все они выпускаются в разных корпусах и с разными характеристиками.

 

Принцип работы

На рисунке 1 показана модель идеального трансформатора. Порты 1 и 2 являются входами первичной обмотки, порты 3 и 4 – выходами вторичной обмотки.

Рис. 1. Структура идеального трансформатора

По закону Фарадея ток в первичной обмотке создает магнитный поток через сердечник, который наводит пропорциональный ток и напряжение во вторичной обмотке. Напряжение и ток пропорциональны отношению витков в обмотках или магнитной связи между обмотками и сердечником. Следовательно, вторичный импеданс определяется квадратом отношения обмоток, умноженным на импеданс первичной обмотки:

где I1, V1 и Z1 – ток, напряжение и импеданс в первичной обмотке; I2, V2 и Z2 – те же параметры вторичной обмотки; N1 и N2 – количество витков в первичной и вторичной обмотках, соответственно.

Рис. 2. Модель трансформатора с паразитными элементами

В реальном трансформаторе также имеется несколько паразитных элементов. Оно могут быть и собственными, и взаимными. На рисунке 2 показана модель неидеального трансформатора с сосредоточенными параметрами, а также паразитное сопротивление, индуктивность обмоток, резистивные потери в сердечнике и активная индуктивность намоток. Из-за паразитных связей полоса пропускания трансформатора сокращается, возрастают вносимые потери (см. рис. 3). Характеристики трансформатора также зависят от частоты, температуры и мощности. Нижняя частота среза определяется активной индуктивностью намотки, верхняя – емкостью намотки и емкостной связью между намотками.

Рис. 3. Теоретический частотный отклик трансформатора (а), результаты измерения (б)

Вносимые потери в рабочей полосе складываются из омических потерь в первичной, вторичной намотках и энергии, рассеянной в сердечнике. Поскольку омические потери зависят от частоты и температуры, они ограничивают показатели работы трансформатора. В некоторых трансформаторах присутствует также индуктивность рассеяния, обусловленная неполной связью между обмотками. Поскольку реальная часть этой индуктивности пропорциональна частоте, эти паразитные элементы приводят к возникновению обратных потерь на высоких частотах и увеличению вносимых потерь в нижней границе диапазона.

Более сложные трансформаторы, например с несколькими намотками, дополнительными выводами и элементами, могут обладать динамическими характеристиками. Например, согласующий трансформатор служит для соединения симметричной (с дифференциальным сигналом) и несимметричной схемы. Он обеспечивает согласование импедансов.

В то же время трансформаторы применяются для соединения двух несимметричных схем. С этой целью заземляется один конец первичной обмотки. Несимметричные сигналы, поступающие в первичную несимметричную обмотку, вызывают дифференциальный выходной сигнал во вторичной обмотке.

При использовании магнитного сердечника, обычно ферромагнитного, появляется еще несколько паразитных элементов: индуктивность намагничивания сердечника ограничивает нижнюю частоту работы трансформатора и приводит к увеличению обратных потерь. Она зависит от магнитной проницаемости, поперечного сечения сердечника и количества обмоток. Магнитная проницаемость сердечника зависит от температуры. Если зависимость прямая, вносимые потери на низких частотах увеличиваются.

 

Виды трансформаторов

Двумя основными типами трансформаторов на дискретных компонентах являются трансформаторы, выполненные в виде сердечника с обмоткой или на линиях передачи. Кроме того, широко применяются компактные трансформаторы LTCC и MMIC.

Трансформаторы с сердечником и обмоткой изготавливаются путем наматывания проводника, как правило, медного провода с изоляцией, вокруг магнитного сердечника (тороида).

Вторичных обмоток может быть несколько. Иногда также имеется вывод средней точки для дополнительных функций. На рисунке 4 показан трансформатор с тороидальным магнитным сердечником и медной обмоткой с изоляцией. Благодаря природе индуктивных связей между обмоткой и сердечником трансформаторы меньшего размера работают быстрее. Например, путем подбора длины линии передачи обеспечивается согласование импедансов между двумя несогласованными нагрузками.

Рис. 4. Внешний вид трансформатора с проволочной обмоткой, намотанной на магнитный сердечник

Некоторые трансформаторы в линиях передачи представляют собой проводник с изоляцией, намотанный на ферритный сердечник. Они относятся к типу трансформаторов с обмоткой.

Трансформатор в линии передачи состоит из линии передачи с двумя проводниками. Первый подключен к генератору и нагрузке, второй – к выходу первой линии и земле (см. рис. 5). Протекающий через нагрузку ток в два раза превышает ток через генератор; напряжение V0 равно половине V1.

Рис. 5. Функциональная схема идеального трансформатора на линии передачи

Когда сопротивление нагрузки равно четверти сопротивления, видимого со стороны генератора, коэффициент преобразования равен 1:4:

Наиболее распространенной формой трансформатора на линиях передачи является четвертьволновой. В этой топологии характеристическое сопротивление обеспечивает согласование входного импеданса и импеданса нагрузки. Длина четвертьволнового трансформатора определяется рабочей частотой, а полоса пропускания ограничена октавой вокруг центральной частоты. На рисунке 6 показана линия передач без потерь с характеристическим импедансом Z

0 и длиной L.

Рис. 6. Трансформатор на четвертьволновой линии передачи

Эта линия находится между входным импедансом ZIN и импедансом нагрузки ZL. Характеристический импеданс четвертьволновой линии передачи Z0, обеспечивающий согласование ZIN и ZL, рассчитывается следующим образом:

Одним из преимуществ трансформаторов на линиях передачи является широкая полоса частот по сравнению с трансформаторами с сердечником и проволочной обмоткой. Это преимущество обеспечивается за счет меньшей паразитной емкости между витками и меньшей индуктивностью рас­сеяния.

 

Трансформаторы LTCC

Трансформаторы LTCC представляют собой многослойные компоненты, изготовленные на керамической подложке. В них используются емкостные связанные линии, работающие как линии передачи, которые обеспечивают преобразование импеданса и сигнала из несимметричного в симметричный. Трансформаторы данного типа могут работать на более высоких частотах, чем ферромагнитные. Тем не менее они могут проигрывать в низкочастотном диапазоне. Достоинствами керамических трансформаторов являются малый размер, продолжительный срок службы, высокая надежность (см. рис. 7).

Рис. 7. LTCC-трансформатор

 

Трансформаторы MMIC

Как и керамические, MMIC-трансформаторы изготавливаются в планарном виде. Как правило, спиральные индуктивные элементы печатаются на подложке в конфигурации с двумя параллельными линиями передачи.

Рис. 8. Монолитный трансформатор

Монолитные трансформаторы изготавливаются также из арсенида галлия (см. рис. 8). Литографический процесс обеспечивает высокую воспроизводимость устройств, отличные показатели работы и тепловой КПД.

 

Применение РЧ-трансформаторов

Сфера применения РЧ-трансформаторов широка. Согласующие трансформаторы предназначены для согласования импедансов, повышения или понижения напряжения питания. При отсутствии согласования затрудняется передача энергии, возникают отражения сигнала (см. рис. 9).

Рис. 9. Схема согласующего трансформатора на 75 Ом

Вторым важным назначением является соединение между собой симметричной и несимметричной цепей. Для согласования импедансов несимметричных линий применяется автотрансформатор. Еще одной важной функцией РЧ-трансформаторов является сдвиг уровня и развязка цепей. Они обеспечивают развязку по постоянному сигналу между первичной и вторичной обмотками в схемах, где требуется защитить отдельные сегменты от постоянного сигнала. Если в части схемы требуется постоянный сигнал, следует воспользоваться двумя трансформаторами с центральной точкой (см. рис. 10).

Рис. 10. Использование трансформатора с центральной точкой для замены инжекторов постоянного тока

Наконец, трансформаторы позволяют удалить постоянную составляющую в дифференциальных схемах, а также широко применяются для фильтрации ВЧ-компонентов сигнала.

Принцип работы трансформатора, устройство понижающего и повышающего трансформатора, виды и типы, формула КПД, напряжение короткого замыкания трансформатора, схема замещения

Принцип работы трансформатора должен знать каждый человек, который хочет более осознанно смотреть на используемую в быту и промышленности технику и понимать основы ее функционирования. Трансформатор относится к одному из самых универсальных и широко используемых устройств, которое в той или иной форме можно встретить практически везде.

С помощью этого аппарата происходит преобразование изначального напряжения электрического сигнала в более высокое или низкое, в зависимости от поставленных задач. Есть как непосредственно трансформаторы, которые изначально запрограммированы выполнять только одну функцию, так и так называемые латеры – аппараты, в которых рабочее напряжение можно менять прямо во время эксплуатации оборудования.

Без трансформатора невозможно представить себе нашу привычную жизнь. Перед тем, как электрический сигнал попадает в дом, происходит понижение его напряжения на специальных трансформаторных станциях.

Передача электрической энергии на большие расстояния по проводам происходят наоборот, благодаря повышению напряжения с привычных 220-380 В до нескольких десятков кВ. Любая бытовая техника, даже самый примитивный блок питания, также выполняют задачи трансформатора.

Именно поэтому очень важно хотя бы в общих чертах понимать, как работает данное устройство.

Трансформатор что это такое

Само название данного технического приспособления пошло от латинского термина transformare, что означает – преобразовывать, изменять, превращать. Трансформатором называется устройство статического электромагнитного типа, которое выполняет задачу преобразования напряжения переменного типа, а также служит для осуществления гальванической развязки в электрических схемах.

В последнем случае имеется ввиду такой тип передачи электрической энергии или информационного сигнала, при котором между контактирующими деталями нет непосредственного электрического контакта.

Трансформатор может быть однофазным или же трехфазным, хотя по особенностям конструкции они и не слишком сильно отличаются.

Данное устройство было изобретено, основываясь на работах великого ученого Фарадея (по другим версиям – он его и изобрел), который открыл явление электромагнитной индукции. В 1831 году М. Фарадей и другой ученый Д. Генри разработали первое схематическое изображение рассматриваемого прибора.

Позже, в 1876 году, русский изобретатель П. Н. Яблочков запатентовал первый трансформатор переменного тока.

Виды и типы

С тех пор, когда Фарадей и Генри впервые изобразили на схеме рассматриваемое приспособление, прошло немало времени. И сейчас количество разнообразных преобразующих ток устройств пошло на десятки.

Бывают такие основные виды трансформаторов, которые активно используются практически во всех сферах деятельности человека:

  1. Автотрансформатор устройство, в котором первичная и вторичная обмотки соединены не только магнитным, но и непосредственно электрическим контактами.
  2. Силовой применяется в сетях с большими напряжениями электрического тока, измеряемыми киловольтами. Чаще всего работают при ЛЭП, небольших электростанциях, а также в домах конечных пользователей.
  3. Трансформатор тока. Ток первичной обмотки, который поступает напрямую с его источника, здесь понижается до пределов, требуемых для бесперебойной работы определенных типов техники.
  4. Трансформатор напряжения. В отличие от предыдущего случая, питается не источником тока, а источником напряжения. Чаще всего здесь высокое напряжение трансформируется в более низкое.
  5. Импульсивный отличается тем, что обрабатывает электрические сигналы длительностью в миллисекунды.
  6. Сварочный преобразует напряжение в более низкое, а ток – в значительно более высокий, требуемый для задач сварки.
  7. Разделительный, в котором первичная обмотка электрически не привязана к вторичной. Необходим для обеспечения большего уровня безопасности при работе с электросетями.

Также есть еще согласующий, пик-трансформатор, сдвоенный дроссель, вращающий и другие типы рассматриваемого устройства, предназначенные для решения конкретных технических задач.

Общее устройство

Конструкция изделия в общем виде выглядит достаточно просто.

Основу устройства составляют такие важнейшие его элементы:

  1. Первичная обмотка катушка, на которую намотано N количество витков проводника. Два электрических контакта позволяют подключать к ней источники постоянного тока или напряжения.
  2. Вторичная обмотка по типу конструкции полностью повторяет первичную, но имеет отличное от нее количество витков проводника M. Также здесь расположены контакты для вывода электрического сигнала на следующего или конечного потребителя тока или напряжения.
  3. Магнитный стержень, обычно прямоугольной формы, на который по его сторонам надеты в плотном контакте к основе упомянутые выше катушки. Предназначен для того, чтобы передавать возникшее в результате действия электромагнитной индукции магнитное поле с первой на вторую катушку и возбуждать в нем пропорциональный электрический сигнал.

Все указанные элементы могут находиться в корпусе, который иногда бывает заполнен специальным трансформаторным маслом. Устроен прибор просто, и даже самая примитивная схема замещения легко объясняет его принципы работы.

Принцип действия

Самое главное в изучении прибора состоит в том, чтобы разобраться на каком физическом явлении основана работа трансформатора? Как уже вкратце упоминалось выше, в основе функционирования устройства лежит открытая Майклом Фарадеем электромагнитная индукция.

Ее суть заключается в следующем – переменное магнитное поле генерирует электрический ток в находящихся рядом проводниках. В школе все должны были видеть эксперимент, который это демонстрирует – в контур из проволоки вставляется и вытаскивается магнит, а на подключенном к проволоке амперметре можно наблюдать появление тока.

Формула, представленная Фарадеем, который открыл закон возникновения ЭДС, показывает, что возникающая электродвижущая сила пропорциональна магнитному потоку через данный контур.

Кратко говоря, суть работы трансформатора следующая – когда на первичную обмотку подается напряжение и по ней течет ток, возникает магнитное поле определенной величины. Оно распространяется по магнитопроводу или магнитному сердечнику, и генерирует во второй обмотке электрический ток, который пропорционален как величине магнитного поля, так и количеству витков проводника на второй обмотке. Главная характеристика устройства – его КПД.

Зависимость напряжения от количества витков

Возникающее напряжение и КПД в устройстве на второй обмотке напрямую зависит от количества витков на ней.

Рассмотрим наиболее распространенные разновидности, касающиеся этого вопроса:

  1. Разделительный трансформатор. Здесь электрическое соединение обмоток отсутствует, а количество витков на второй из них равно первой. То есть, n1 / n2 = 1.
  2. Понижающий. В этом случае на вторичной обмотке находится меньше витков проводника, чем на первичной, или n1 / n2 ˃ 1.
  3. Повышающий трансформатор. Здесь ситуация прямо противоположна предыдущему случаю на вторичной обмотке витков больше, чем на первичной n1 / n2 ˂ 1.

В некоторых устройствах есть возможность изменять режим работы и параметр n2 в зависимости от потребностей конечного потребителя и изменяющихся условий эксплуатации.

Из чего состоит трансформатор

Строение рассматриваемого технического приспособления уже было рассмотрено выше. Но возникает вопрос: а какие магнитные материалы применяются для обеспечения его бесперебойной работы?

Магнитные материалы

Магнитная система трансформаторов обычно делается из специальной электротехнической стали высокой степени чистоты. Используется она по той причине, что позволяет добиться максимальной передачи магнитного сигнала без больших потерь и увеличивает КПД устройства.

Также к популярным магнитным материалам относятся всевозможные сплавы с применением в их составе углерода и кремния, который позволяет значительно увеличить магнитную проницаемость материала.

Магнитопровод и его типы

Что касается магнитопровода, то он обычно делится на типы:

  1. Стержневой тип. Отличается ступенчатым сечением вертикального стержня, вписывающегося в окружность. На самих вертикальных элементах располагаются обмотки.
  2. Броневой тип. Здесь каждый стержень имеет прямоугольную форму в поперечном сечении и это же касается обмоток – они также прямоугольные. Производство таких элементов достаточно затруднено.
  3. Тороидальный тип. Отличается круглой формой и требует минимальное количество материала для изготовления. Сечение здесь круглое, а обмотка наматывается перпендикулярно направлению линий круга.

Есть и более углубленные классификации, но они представляют интерес больше для специалистов. Параметры разных типов магнитопроводов могут значительно отличаться.

Буквенные и схематические обозначения трансформатора

На всех электрических схемах трансформатор, равно как и его мощность и другие параметры, изображаются специальными символами и буквами. Само устройство изображается в виде двух проводков с несколькими витками, между которыми находится стержень в виде вертикальной линии.

Условные графические обозначения трансформаторов.

а – трансформатор без магнитопровода с постоянной связью,

б – трансформатор без магнитопровода с переменной связью,

в – трансформатор с магнитодиэлектрическим магнитопроводом,

г – трансформатор, подстраиваемый общим магнитодиэлектрическим магнитопроводом,

д – трансформатор со ступенчатым регулированием,

е – трансформатор однофазный с ферромагнитным магнитопроводом и экраном между обмотками,

ж – трансформатор дифференциальный (с отводом от средней точки одной обмотки),

з – трансформатор однофазный с ферромагнитным магнитопроводом трехобмоточный,

и – трансформатор трехфазный с ферромагнитным магнитопроводом, с соединением обмоток звезда – звезда с выведенной нейтральной (средней) точкой,

к – трансформатор трехфазный с ферромагнитным магнитопроводом, соединение обмоток звезда с выведенной нейтральной (средней) точкой – треугольник,

л – трансформатор трехфазный трехобмоточный с ферромагнитным магнитопроводом, с соединением обмоток звезда с регулированием под нагрузкой – треугольник – звезда с выведенной нейтральной (средней) точкой,

м – в развернутых обозначениях обмоток трансформаторов (Форма 2) допускается наклонное изображение линий связи, например, обмотка трансформатора с соединением обмоток звезда – треугольник,

н – трансформатор трехфазный трехобмоточный (фазорегулятор), соединение обмоток звезда – звезда,

о – трансформатор вращающийся, фазовращатель (обозначение соединения обмоток статора и ротора между собой производится в зависимости от назначения машины),

п – трансформаторная группа из трех однофазных двухобмоточных трансформаторов с соединением обмоток звезда – треугольник.

Что касается буквенных обозначений, то здесь все выглядит так:

  • О – указывает на однофазное устройство,
  • Т – трехфазное,
  • С – воздушный тип охлаждения,
  • М – масляное охлаждение,
  • Д – смесь воздушной и масляной системы,
  • Р – обозначает, что устройство с расщепленной обмоткой,
  • А – автотрансформатор.

Есть и другие буквенные обозначения, и в целом их очень много.

Применение трансформаторов

Самая главная область использования рассматриваемого приспособления – это электросети, которые подают ток для домов, заводов, офисных помещений и т. д.

Электростанции используют силовые трансформаторы для того, чтобы подавать на потребителя ток не 16 кВ напряжения, каким они его принимают, а привычные 220-380 В.

Также устройство активно используется во всевозможном электрооборудовании, установках на производстве, в бытовой технике и источниках питания.

основные характеристики и режимы работы

В энергетической сфере деятельности используются первичные источники высокого переменного напряжения, однако в быту или на предприятиях необходимо значительно его снизить. Для этой цели применяются трансформаторы. Для полного понимания и грамотного применения напряжения в быту необходимо знать принцип действия однофазного трансформатора.

Общие сведения о трансформаторах

Значительно легче передавать переменный ток на большие расстояния, так как достигаются минимальные потери, связанные с величинами напряжения (U) и тока (I). Кроме того, для передачи не переменного, а постоянного I необходимо применять сложную электронику, которая основана на усилении параметров электричества. Основной частью этой технологии являются мощные транзисторы, которые требуют специального охлаждения, и главным критерием является цена. Использование трансформаторов, которые работают только от переменной величины тока, является оптимальным решением.

Назначение и устройство

Трансформатор (Т) — это специализированное электрическое устройство, которое работает только от переменного I и используется для преобразования значений входного U и I в необходимые значения этих величин, предусмотренных потребителем.

Т является довольно примитивным устройством, однако в его конструкции есть некоторые особенности. Для понимания принципа действия однофазного трансформатора следует изучить его назначение и устройство. Устроен однофазный трансформатор следующим образом — он состоит из магнитопровода и обмоток.

Магнитопровод, или сердечник трансформатора, выполнен из ферромагнитного материала.

Ферромагнетики — это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью. Это обусловлено тем, что атомы вещества обладают очень важными свойствами: постоянные спиновые и орбитальные моменты. Свойства ферромагнетиков зависят от температуры и действия магнитного поля. Для изготовления магнитопровода Т используются такие материалы: электротехническая сталь или пермаллой.

Электротехническая сталь содержит в своем составе большую массовую долю кремния (Si), которая под действием высокой температуры соединяется с атомами углерода ©. Этот тип используется во всех типах Т, независимо от мощности.

Пермаллой является сплавом, состоящим из никеля (Ni) и железа (Fe), и применяется только в маломощных трансформаторах.

Тип Т представляет собой катушки, состоящие из каркаса и провода, покрытого изоляционным материалом. Этот провод намотан на основание катушек, и количество витков зависит от параметров Т. Количество катушек может быть 2 и более, оно зависит от конструктивной особенности электрического устройства и определяется сферой применения.

Принцип действия

Принцип работы однофазного трансформатора довольно простой и основан на генерации электродвижущей силы (ЭДС) в обмотках проводника, который находится в движущемся магнитном поле и сгенерирован при помощи переменного I. При прохождении электричества по обмоткам первичной катушки создается магнитный поток (Ф), который пронизывает и вторичную катушку. Силовые линии Ф благодаря замкнутой конструкции магнитопровода имеют замкнутую структуру. Для получения оптимальной мощности Т необходимо располагать катушки обмоток на близком расстоянии относительно друг друга.

Исходя из закона электромагнитной индукции происходит изменение Ф и индуцируется в первичной обмотке ЭДС. Эта величина называется ЭДС самоиндукции, а во вторичной — ЭДС взаимоиндукции.

При подключении потребителя к первичной обмотке Т в цепи появится электрическая энергия, которая передается из первичной обмотки через магнитопровод (катушки не связаны гальванически). В этом случае средством передачи электроэнергии служит только Ф. Трансформаторы по конструктивной особенности бывают различные. По достижению максимальной магнитной связи (МС) Т делятся на следующие типы:

  1. Сильная.
  2. Средняя.
  3. Слабая.

При слабой МС происходит значительная потеря энергии и Т такого типа практически не применяются. Основной особенностью таких Т являются незамкнутые сердечники.

Уровень средней МС достигается только при полностью замкнутом магнитопроводе. Одним из примеров такого Т является стержневой тип, у которого обмотки расположены на железных стержнях и соединены между собой накладками или ярмами. В результате такой конструкции получается полностью замкнутый сердечник.

Примером сильной МС является Т броневого типа, обмотки которого располагаются на одной или нескольких катушках. Эти обмотки расположены очень близко, благодаря чему и обеспечивается минимальная потеря электрической энергии. Магнитопровод полностью покрывает катушки, создавая более сильный Ф, который разбивается на 2 части. У трансформаторов такого типа потоки сцепления между обмотками практически равны.

Режимы работы

Т, как и любой вторичный источник питания, имеет определенные режимы работы. Режимы отличаются потреблением I. Существует 2 режима: холостого хода и нагрузки. При холостом ходе Т потребляет минимальное количество I, которое используется только на намагничивание и потери в обмотках на нагревание. Кроме того, происходит рассеивание магнитного поля. Ф создается I магнитодвижущей силы, которую генерирует первичная обмотка. В этом случае I холостого хода составляет 3−10% от номинального показателя (Iн).

При нагрузке во II обмотке появляется I, а значит — и магнитодвижущая сила (МДС). По закону Ленца: МДС II обмотки действует против МДС первичной обмотки. При этом ЭДС в первичной обмотке во время нагрузки Т равна U и прямо пропорциональна Ф. В этом случае получение k можно записать в виде: I1 / I2 = w2/w1 = 1/k.

Исходя из формул для расчета k, можно получить еще одно соотношение Т: e1 * I1 = e2 * I2 = 1.

Это соотношение показывает, что мощность, потребляемая первичной обмоткой, равна мощности, которую потребляет II обмотка при нагрузке. Мощность Т измеряется в вольт-амперах (ВА).

Основные параметры

Кроме того, следует отметить, что любой Т обладает некоторыми параметрами, которые и отличаются от других трансформаторов. К тому же, если понимать эти зависимости, то можно рассчитать и изготовить Т своими руками.

Связь между ЭДС, возникающей в обмотках Т, зависит от количества витков каждой из них. Исходя из того, что I и II обмотки пронизываются одним и тем же Ф, возможно вычислить следующее соотношение на основании общего закона индукции для мгновенных значений ЭДС:

  1. Для первичной с количеством витков w1: e1 = — w1 * dФ/dt * E-8.
  2. Для вторичной с количеством витков w2: e2 = — w2 * dФ/dt * E-8.

Соотношение dФ/dt показывает величину изменения Ф за единицу времени. Значение потока Ф зависит от закона изменения переменного тока за единицу времени. Исходя из этих выражений получается следующая формула соотношения числа витков к ЭДС каждой обмотки:

e1/e2 = w1/w2.

Следовательно, можно сделать следующий вывод: индуцируемые в обмотках значения ЭДС также относятся к друг другу, как и число витков обмоток. Для более простой записи можно сопоставить значения e и U: e = U. Из этого следует, что e1 = U1 e2 = U2 и возможно получить еще одну величину, называемую коэффициентом трансформации (к): e1/e2 = U1/U2 = w1 / w2 = k. По коэффициенту трансформации Т делятся на понижающие и повышающие.

Понижающим является Т, k которого меньше 1, и, соответственно, если к > 1, то он является повышающим. При отсутствии потерь в проводах обмоток и рассеивания Ф (они незначительны и ими можно пренебречь) вычислить основной параметр Т (k) достаточно просто. Для этого необходимо воспользоваться следующим простым алгоритмом нахождения k: найти соотношения U обмоток (если обмоток более 2, то соотношение нужно искать для всех обмоток).

Однако расчет k является только первым шагом для дальнейшего расчета или выявления неисправности на наличие короткозамкнутых витков.

Чтобы определить значения U, необходимо использовать 2 вольтметра, точность которых составляет около 0,2−0,5. Кроме того, для определения k существуют такие способы:

  1. По паспорту.
  2. Практически.
  3. Использование определенного моста (мост Шеринга).
  4. Прибором, предназначенным для этой цели (УИКТ).

Таким образом, принцип работы однофазного трансформатора основан на простом законе физики, а именно: если проводник с n количеством витков поместить в магнитное поле, причем это поле должно постоянно меняться с течением времени, то в витках будет генерироваться ЭДС. В этом случае справедливо и обратное утверждение: если в постоянное магнитное поле поместить проводник и осуществлять им движения, то в его обмотках начинает появляться ЭДС.

Принцип работы | Трансформаторы и монтаж

При подключении трансформатора к источнику переменного тока (электрической сети) в витках его первичной обмотки протекает переменный ток i 1 , образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные Э.Д.С. е 1 и е 2 . Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием Э.Д.С. е 2 по ее цепи проходит ток i 2 .
Э.Д.С. [E, ( В )] , индуцированная в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока [B, ( Тл )] , пронизывающего виток [W] , частоты [f, ( Гц) ] и площади сечения магнит о провода [S, (мм 2) ] .

E=4.44*W*f*B*S

Отношение Э.Д.С. Е 2 обмотки высшего напряжения к Э.Д.С. E 1 обмотки низшего напряжения (или отношение чисел их витков) называется коэффициентом трансформации,

n = Е 1 / E 1\2 = W 1 / W 2

Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (в трансформаторах средней и большой мощности они не превышают обычно 2—5 % номинальных значений напряжений U 1 и U 2 ), то можно считать, что отношение напряжения U 1 первичной обмотки к напряжению U 2 вторичной обмотки приблизительно равно отношению чисел их витков , т. е.

U 1 /U 2 = W 1 / W 2

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

Параметры трансформатора

Одним из наиболее важных параметров трансформатора является его мощность. Различают электромагнитную, полезную, расчётную и типовую мощности трансформатора.
Электромагнитной мощностью трансформатора называются мощность, передаваемая из первичной обмотки ко вторичную электромагнитным путём; она равна произведению действующей значению ЭДС этой обмотки на величину тока нагрузки, т. е.

Рэм=Е2I2, [ВА]

Полезной или отдаваемой мощностью трансформатора называется произведение действующего напряжения на зажимах вторичной обмотки на величину её нагрузочного тока, т.е.

Р2=U2I2, [ВА]

Расчётной мощностью трансформатора называется произведение действующего значения тока, протекающего по обмотке, на величину напряжения на её зажимах.

Р1=U1I1, [ВА]

Виды трансформаторов

С иловой трансформатор переменного тока — статическое электромагнитное устройство, использующееся для преобразования электрической энергии и её передачи из одних цепей в другие. Слово «силовой» отражает работу данного вида трансформаторов с большими мощностями.
Автотрансформатор — вид трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь и электрическую. Как правило автотрансформатор обладает высоким КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию. Основным отличием от трансформатора является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью.

Трансформатор тока — называется трансформатор, в котором при нормальных условиях применения вторичный ток практически пропорционален первичному току и при правильном включении сдвинут относительно его на угол, близкий к нулю. Первичная обмотка трансформатора тока включена в цепь последовательно (в рассечку токопровода), а вторичная обмотка замыкается на некоторую нагрузку (измерительные приборы и реле), обеспечивая прохождение по ней тока, пропорционального току первичной обмотке.

Импульсный трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока, имеющего вид импульсов.

Согласующий трансформатор — трансформатор, применяемый для согласования сопротивления различных частей электронных схем при минимальном искажении формы сигнала, обеспечивая создание гальванической развязки между участками схем.

Что такое трансформатор. Принцип работы

Что такое трансформатор. Начиная с 1830-х годов, трансформаторы стали важным компонентом в электрических и электронных схемах. И, несмотря на то, что новые передовые технологии в области электроники позволили снизить потребность в трансформаторах, они по-прежнему востребованы в различных устройствах.

Принцип работы трансформатора

Работа трансформатора основана на принципах электромагнетизма, и это позволяет уменьшать или увеличивать напряжения переменного тока. Опыты Майкла Фарадея в 19 веке показали, что изменения тока в проводнике (например, первичная обмотка трансформатора) влияет на изменение магнитного поля вокруг этого проводника. Если другой проводник (вторичная обмотка) находится непосредственно в области меняющегося магнитного поля, то в нем будет происходить наводка напряжения.

Коэффициент трансформации

Фарадей также подсчитали, что напряжение, индуцированное во вторичной обмотке будет иметь величину, которая зависит от коэффициента трансформации самого трансформатора. То есть, если вторичная обмотка имеет половину витков от числа витков первичной обмотки, то напряжение на вторичной обмотки будет в два раза ниже, чем напряжение на первичной обмотке. И на оборот, если вторичная обмотка имеет в два раза больше витков, чем у первичной обмотки, вторичное напряжение будет в два раза больше чем первичное напряжение.

Соотношение мощности обмоток

Поскольку трансформатор является пассивным компонентом схемы (не имеет никакого внешнего источника питания), он не может отдавать больше энергии, чем получает. Поэтому, если вторичное напряжение больше первичного напряжения на определенную величину, то ток вторичной будет меньше, чем ток первичной на ту же величину. То есть, если напряжение вторичной обмотки в два раза превышает напряжение в первичной, то ток во вторичной будет в два раза ниже, чем в первичной.

Работа трансформатора может быть описана двумя формулами, связывающие коэффициент трансформации с соотношением витков обмоток трансформатора.

  • U1 = первичное напряжение.
  • I1 = первичный ток.
  • U2 = вторичное напряжение.
  • I2 = вторичный ток.
  • N1 = количество витков в первичной обмотке.
  • N2 = число витков вторичной обмотки. 

Потеря мощности в трансформаторе

Формулы, приведенные выше, относятся к идеальному трансформатору. У идеального трансформатора нет каких-либо потерь мощности, то есть мощность первичной обмотки (U1*I1) равна мощности вторичной обмотки (U2*I2).

В то время, как реальные трансформаторы могут быть чрезвычайно эффективным, некоторые потери все же будут происходить, поскольку не весь магнитный поток исходящий от первичной обмотки достигает вторичной обмотки. Потери мощности, которые происходят в трансформаторе бывают трех типов:

Потери мощности в обмотках

Данные потери могут произойти в обмотках, изготовленных из других металлов, чем медь. Потери проявляются в виде тепла, которое возникает в проводах обмоток. Потери мощности в обмотках трансформатора могут быть рассчитаны на основании тока в обмотке и его сопротивления по следующей формуле: P = I2*R2. Чтобы свести к минимуму потери, сопротивления обмоток должно быть низким, используя для этого обмоточные провода подходящего сечения.

Потери на гистерезис

Каждый раз, когда переменный ток вызывает намагничивание и размагничивание сердечника трансформатора (один раз в каждом цикле), вектор напряженности магнитного поля меняет свое направление и на это затрачивается определенное количество энергии.

При этом количество используемой энергии зависит от магнитного сопротивления материала сердечника. В больших сердечниках силовых трансформаторах, где потери на гистерезис представляют собой большую проблему, это решается путем применения специальной кристаллизованной стали, которая создает минимальное магнитное сопротивление.

Потери от вихревых токов

Поскольку железо или стальной сердечник является электрическим проводником в магнитной цепи, изменение тока в первичной обмотке будет иметь тенденцию генерировать ЭДС в сердечнике, а также и во вторичной обмотке. Ток ​​будет оказывать сопротивление изменению магнитного поля, возникающего в сердечнике. По этой причине эти вихревые токи должны быть снижены.

Поэтому железный сердечник изготавливают не из цельного куска железа, а собирают из тонких листов или пластин, причем каждая пластина имеет изолирующий слой в виде лака или оксидной пленки. Многослойные сердечники значительно уменьшают образование вихревых токов, не ухудшая при этом магнитных свойств сердечника.

Ферритовые сердечники трансформатора

В высокочастотных трансформаторах потери на вихревых токах снижают путем использования сердечников, выполненный из керамического материала, содержащего большое количество мелких частиц железа, цинка или порошка марганца. Керамика изолирует металлические частицы друг от друга, что дает такой же эффект, как и от тонких пластин и более эффективно при высоких частотах.

Из-за применяемых способов снижения потерь, которые описаны выше, реальные трансформаторы приближаются к трансформаторам с идеальной производительностью. В крупных силовых трансформаторах, КПД составляет около 98%. Поэтому для большинства практических расчетов можно исходить из того, что трансформатор является «идеальным».

Соотношение вольт на виток обмотки

Трансформатор, имеющий в первичной обмотке 1000 витков и вторичной обмотке 100 витков, имеет коэффициент трансформации 1000:100 или 10:1. Поэтому 100 вольт, приложенное к первичной обмотке будет производить вторичное напряжение равное 10 вольтам.

Другой способ расчета напряжения трансформатора является соотношение вольт / на виток. Если подается 100 вольт к первичной обмотке содержащей 1000 витков, то на 1 виток приходится 0,1 вольт (100/1000). Поэтому каждые десять витков на вторичной обмотке будут создавать 1 вольт напряжения.

принцип работы и типы приборов

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.

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.

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.

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).

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).

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.

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.

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.

Трансформатор принцип работы кратко

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

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

В местах потребления электроэнергии высокое напряжение, подаваемое от высоковольтных линий электропередачи, снова понижается трансформаторами до сравнительно небольших значений (127, 220, 380 и 660 В), при которых работают электрические потребители, установленные на фабриках, заводах, в депо и жилых домах. На э. п. с. переменного тока трансформаторы применяют для уменьшения напряжения, подаваемого из контактной сети к тяговым двигателям и вспомогательным цепям.

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

Трансформаторы используют также для включения электроизмерительных приборов в цепи высокого напряжения (их называют измерительными), для электросварки и других целей. Транс-

Рис. 212. Схема включения однофазного трансформатора

форматоры бывают однофазные и трехфазные, двух- и многообмоточные.

Принцип действия трансформатора. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из стального магнитопровода 2 (рис. 212) и двух расположенных на нем обмоток 1 и 3. Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны. К одной из обмоток подается электрическая энергия от источника переменного тока. Эту обмотку называют первичной. К другой обмотке, называемой вторичной, подключают потребители (непосредственно или через выпрямитель).

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

Э. д. с, индуцированная в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его изменения. Магнитный поток каждого трансформатора является определенной величиной, зависящей от напряжения и частоты изменения переменного тока в источнике, к которому подключен трансформатор. Постоянна также и скорость изменения магнитного потока, она определяется частотой изменения переменного тока. Следовательно, в каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая э. д.с. В результате этого отношение действующих значений э. д. с. Е1 и E2, индуцированных в первичной и вторичной обмотках трансформатора, будет равно отношению чисел витков ?1 и ?2 этих обмоток, т. е.

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

Коэффициент трансформации всегда больше единицы. Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (в трансформаторах средней и большой мощности они не превышают обычно 2—5 % номинальных значений напряжений U1 и U2), то можно считать, что отношение напряжения U1 первичной обмотки к напряжению U2 вторичной обмотки приблизительно равно отношению чисел их витков, т. е.

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

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

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

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока через эту обмотку проходит некоторый ток, называемый током холостого хода. При включении нагрузки по вторичной обмотке трансформатора начинает проходить ток, при этом увеличивается и ток, проходящий по первичной обмотке. Чем больше нагрузка трансформатора, т. е. электрическая мощность и ток i2, отдаваемые его вторичной обмоткой подключенным к ней приемникам, тем больше электрическая мощность и ток i1, поступающие из сети в первичную обмотку.

Ввиду того что потери мощности в трансформаторе обычно малы, можно приближенно принять, что мощности в первичной и вторичной обмотках одинаковы. В этом случае можно считать, что токи в обмотках трансформатора приблизительно обратно пропорциональны напряжениям: I1/I2 ? U2/U1 или что токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числам витков первичной и вторичной обмоток: I1/I2 ? ?2/?1. Это означает, что в повышающем трансформаторе ток во вторичной обмотке меньше, чем в первичной (во столько раз, во сколько напряжение U2 больше напряжения U1), а в понижающем ток во вторичной обмотке больше, чем в первичной. Поэтому в трансформаторах обмотки высшего напряжения выполняются из более тонких проводов, чем обмотки низшего напряжения.

Что такое трансформатор

Трансформатор представляет собой устройство, которое преобразовывает напряжение переменного тока (повышает или понижает). Состоит трансформатор из нескольких обмоток (двух или более), которые намотаны на общий ферромагнитный сердечник. Если трансформатор состоит только из одной обмотки, то он называется автотрансформатором. Современные трансформаторы тока бывают: стержневыми, броневыми или тороидальными. Все три типа трансформаторов имеют похожие характеристики, и надежность, но отличаются друг от друга способом изготовления.

В трансформаторах стержневого типа обмотка намотана на сердечник, а в трансформаторах стержневого типа обмотка включается в сердечник. В трансформаторе стержневого типа обмотки хорошо видны, а из сердечника видна только нижняя и верхняя часть. Сердечник броневого трансформатора скрывает в себе практически всю обмотку. Обмотки трансформатора стержневого типа расположены горизонтально, в то время как это расположение в броневом трансформаторе может быть как вертикальным, так и горизонтальным.

Независимо от типа трансформатора, в его состав входят такие три функциональные части: магнитная система трансформатора (магнитопровод), обмотки, а также система охлаждения.

Принцип работы трансформатора

В трансформаторе принято выделять первичную и вторичную обмотку. К первичной обмотке напряжение подводится, а от вторичной отводится. Действие трансформатора основано на законе Фарадея (законе электромагнитной индукции): изменяющийся во времени магнитной поток через площадку, ограниченную контуром, создает электродвижущую силу. Справедливо также обратное утверждение: изменяющийся электрический ток индуцирует изменяющееся магнитное поле.

В трансформаторе есть две обмотки: первичная и вторичная. Первичная обмотка получает запитку от внешнего источника, а с вторичной обмотки напряжение снимается. Переменный ток первичной обмотки создает в магнитопроводе переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создает ток во вторичной обмотке.

Режимы работы трансформатора

Существуют такие три режима работы трансформатора: холостой ход, режим короткого замыкания, рабочий режим. Трансформатор «на холостом ходу», когда выводы от вторичных обмоток никуда не подключены. Если сердечник трансформатора изготовлен из магнитомягкого материала, тогда ток холостого хода показывает, какие в трансформаторе происходят потери на перемагничивание сердечника и вихревые токи.

В режиме короткого замыкания выводы вторичной обмотки соединены между собой накоротко, а на первичную обмотку подают небольшое напряжение, с таким расчетом, чтобы ток короткого замыкания был равен номинальному току трансформатора. Величину потерь (мощность) можно посчитать, если напряжение во вторичной обмотке умножить на ток короткого замыкания. Такой режим трансформатора находит свое техническое применение в измерительных трансформаторах.

Если подключить нагрузку к вторичной обмотке, то в ней возникает ток, индуцирующий магнитный поток, направленный противоположно магнитному потоку в первичной обмотке. Теперь в первичной обмотке ЭДС источника питания и ЭДС индукции питания не равны, поэтому ток в первичной обмотке увеличивается до тех пор, пока магнитный поток не достигнет прежнего значения.

Для трансформатора в режиме активной нагрузки справедливо равенство:
U_2/U_1 =N_2/N_1 , где U2, U1 – мгновенные напряжения на концах вторичной и первичной обмоток, а N1, N2 – количество витков в первичной и вторичной обмотке. Если U2 > U1, трансформатор называется повышающим, в противном случае перед нами понижающий трансформатор. Любой трансформатор принято характеризовать числом k, где k – коэффициент трансформации.

Виды трансформаторов

В зависимости от своего применения и характеристик трансформаторы бывают нескольких видов. К примеру, в электрических сетях населенных пунктов, промышленных предприятий применяют трансформаторы силовые, основной задачей которых является понижение напряжения в сети до общепринятого – 220 В.

Если трансформатор предназначен для регулировки тока, он называется трансформатор тока, а если устройство регулирует напряжение – то это трансформатор напряжения. В обычных сетях применяются однофазные трансформаторы, в сетях на три провода (фаза, ноль, заземление) нужен трехфазный трансформатор.

Бытовой трансформатор, 220В предназначается для защиты бытовой техники от перепадов напряжения.

Сварочный трансформатор предназначен для разделения сварочной и силовой сети, для понижения напряжения в сети до нужной для сварки величины.

Масляный трансформатор предназначается для использования в сетях с напряжением выше 6 000 Вольт. Конструкция трансформатора включает в себя: магнитопровод, обмотки, бак, а также крышки с вводами. Магнитопровод состоит из 2 листов электротехнической стали, которые изолированы друг от друга, обмотки, как правило, делают из алюминиевого или медного провода. Регулировка напряжения производится с помощью ответвления, которое соединяется с переключателем.

Существует два вида переключения ответвлений: переключение под нагрузкой — РПН (регулирование под нагрузкой), а также без нагрузки, после того, как трансформатор отключен от внешней сети (ПБВ, или переключение без возбуждения). Большее распространение получил второй способ регулировки напряжения.

Говоря о видах трансформаторов, нельзя не рассказать об электронном трансформаторе. Электронный трансформатор представляет собой специализированный источник питания, который служит для преобразования напряжения 220В в 12 (24)В, при большой мощности. Электронный трансформатор намного меньше обычного, при тех же самых параметрах нагрузки.

Уравнения идеального трансформатора

Для того чтобы рассчитать основные характеристики трансформаторов, принято пользоваться простыми уравнениями, которые знает каждый современный школьник. Для этого используют понятие идеального трансформатора. Идеальным трансформатором называется такой трансформатор, в котором нет потерь энергии на нагрев обмоток и вихревые токи. В идеальном трансформаторе энергия первичной цепи превращается полностью в энергию магнитного поля, а затем – в энергию вторичной обмотки. Именно поэтому мы можем написать:
P1= I1*U1 = P2 = I2*U2,
где P1, P2 – мощности электрического тока в первичной и вторичной обмотке соответственно.

Магнитопровод трансформатора

Магнитопровод представляет собой пластины из электротехнической стали, которые концентрируют в себе магнитное поле трансформатора. Полностью собранная система с деталями, скрепляющими трансформатор в единое целое – это остов трансформатора. Та часть магнитопровода, на которой крепятся обмотки, называется стержнем трансформатора. Часть магнитопровода, которая не несет на себе обмотку и замыкает магнитную цепь, называется ярмом.

В трансформаторе стержни могут располагаться по-разному, поэтому выделяют такие четыре типа магнитопроводов (магнитных систем): плоская магнитная система, пространственная магнитная система, симметричная магнитная система, несимметричная магнитная система.

Обмотка трансформатора

Теперь поговорим об обмотке трансформатора. Основная часть обмотки – виток, который однократно обхватывает магнитопровод и в котором индуцируется магнитное поле. Под обмоткой понимают сумму витков, ЭДС всей обмотки равна сумме ЭДС в каждом витке.

В силовых трансформаторах обмотка обычно состоит из проводников, имеющих квадратное сечение. Такой проводник по-другому еще называется жилой. Проводник квадратного сечения используется для того, чтобы более эффективно использовать пространство внутри сердечника. В качестве изоляции каждой жилы может использоваться либо бумага, либо эмалевый лак. Две жилы могут быть соединены между собой, и иметь одну изоляцию – такая конструкция называется кабелем.

Обмотки бывают следующих типов: основные, регулирующие и вспомогательные. Основной называется обмотка, к которой подводится или от которой отводится ток (первичная и вторичная обмотка). Обмотка с выводами для регулирования коэффициента трансформации напряжения называется регулирующей.

Применение трансформаторов

Из курса школьной физики известно, что потери мощности в проводах прямо пропорциональны квадрату силы тока. Поэтому для передачи тока на большие расстояния напряжение повышают, а перед подачей потребителю наоборот, понижают. В первом случае нужны повышающие трансформаторы, а во втором – понижающие. Это основное применение трансформаторов.

Трансформаторы применяются также в схемах питания бытовых приборов. Например, в телевизорах применяют трансформаторы, имеющие несколько обмоток (для питания схем, транзисторов, кинескопа, и т.д.).

Схема трансформатора

  1. Изоляция трансформатора на основе безматричной вакуумной пропитки и работает в среде с высокой влажностью воздуха и в химически агрессивной атмосфере.
  2. Минимальное выделение энергии горения (например, 43 кг для трансформатора 1600 кВА соответствуют 1,1% веса). Другие изоляционные материалы являются практически негорючими, самозатухающими и не содержат каких-либо токсичных добавок.
  3. Устойчивость трансформатора к загрязнениям благодаря конвекционным самоочищающимся дискам обмотки.
  4. Большая длина утечки по поверхности дисков обмотки, которые создают эффект изоляционных барьеров.
  5. Устойчивость трансформатора к температурной ударной нагрузке даже при крайне низких температурах (-50°С).
  6. Керамические блоки прокладки (без возможности возгорания) между дисками обмотки.
  7. Изоляция проводников стекло-шелк.
  8. Безопасность эксплуатации трансформатора благодаря специальной структуре обмотки Воздействие напряжения на изоляцию никогда не превышает напряжение изоляции (не более 10 В). Частичные разряды в изоляции физически невозможны.
  9. Охлаждение трансформатора обеспечивается вертикальными и горизонтальным каналам охлаждения, а минимальная толщина изоляции обеспечивают возможность работы трансформатора при больших кратковременных перегрузках в защитном корпусе IP 45 без принудительного охлаждения.
  10. Изоляционный цилиндр сделан и практически негорючего и самозатухающего материала, армированного стекловолокном.
  11. Обмотка низкого напряжения из стандартного провода или фольги; в качестве материала обмотки используется медь.
  12. Динамическая устойчивость трансформатора к коротким замыканиям обеспечивается керамическими изоляторами.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Что такое трансформатор (и как он работает)?

Что такое трансформатор?

Принцип работы трансформатора

Принцип работы трансформатора очень прост. Взаимная индукция между двумя или более обмотками (также известными как катушки) позволяет передавать электрическую энергию между цепями. Этот принцип более подробно поясняется ниже.

Transformer Theory

Допустим, у вас есть одна обмотка (также известная как катушка), которая питается от источника переменного тока.Переменный ток через обмотку создает постоянно меняющийся и переменный поток, который окружает обмотку.

Если к этой обмотке подвести другую обмотку, некоторая часть этого переменного потока свяжется со второй обмоткой. Поскольку этот поток постоянно меняет свою амплитуду и направление, во второй обмотке или катушке должна быть изменяющаяся потокосцепление.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, во второй обмотке будет наведена ЭДС.Если цепь этой вторичной обмотки замкнута, то по ней потечет ток. Это основной принцип работы трансформатора .

Давайте воспользуемся электрическими символами, чтобы визуализировать это. Обмотка, которая получает электроэнергию от источника, известна как «первичная обмотка». На диаграмме ниже это «Первая катушка».

Обмотка, обеспечивающая желаемое выходное напряжение за счет взаимной индукции, широко известна как «вторичная обмотка». Это «Вторая катушка» на диаграмме выше.

Трансформатор, повышающий напряжение между первичной и вторичной обмотками, определяется как повышающий трансформатор. И наоборот, трансформатор, который снижает напряжение между первичной и вторичной обмотками, определяется как понижающий трансформатор.

Повышает или понижает трансформатор уровень напряжения, зависит от относительного количества витков между первичной и вторичной обмотками трансформатора.

Если в первичной обмотке больше витков, чем во вторичной, то напряжение уменьшится (уменьшится).

Если в первичной обмотке меньше витков, чем во вторичной, то напряжение увеличится (повысится).

Хотя приведенная выше схема трансформатора теоретически возможна в идеальном трансформаторе, она не очень практична. Это связано с тем, что на открытом воздухе только очень небольшая часть потока, создаваемого первой катушкой, будет связана со второй катушкой. Так что ток, протекающий по замкнутой цепи, подключенной к вторичной обмотке, будет крайне мал (и его трудно измерить).

Скорость изменения потокосцепления зависит от количества связанного потока со второй обмоткой. Поэтому в идеале почти весь поток первичной обмотки должен быть связан со вторичной обмоткой. Это эффективно и экономично осуществляется с помощью трансформатора с сердечником. Это обеспечивает путь с низким сопротивлением, общий для обеих обмоток.

Целью сердечника трансформатора является создание пути с низким сопротивлением, через который проходит максимальное количество потока, создаваемого первичной обмоткой, и связывается со вторичной обмоткой.

Ток, который первоначально проходит через трансформатор при его включении, известен как пусковой ток трансформатора.

Если вы предпочитаете анимированное объяснение, ниже приведено видео, объясняющее, как работает трансформатор:

Детали и конструкция трансформатора

Три основные части трансформатора:

  • Первичная обмотка трансформатора
  • Магнитный сердечник трансформатора
  • Вторичная обмотка трансформатора

Первичная обмотка трансформатора

Создает магнитный поток при подключении к источнику электроэнергии.

Магнитный сердечник трансформатора

Магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, который проходит через этот путь с низким сопротивлением, связанный со вторичной обмоткой, и создает замкнутую магнитную цепь.

Вторичная обмотка трансформатора

Поток, создаваемый первичной обмоткой, проходит через сердечник и связывается со вторичной обмоткой. Эта обмотка также наматывается на тот же сердечник и дает требуемую мощность трансформатора .

Принцип работы трансформатора | Как работает трансформатор

Определение трансформатора

Устройство, состоящее из двух или более обмоток, соединенных магнитным сердечником, которое используется для преобразования сбалансированного набора трехфазных напряжений с одного уровня напряжения на другой без изменения частоты.

Трансформатор является важным элементом системы электроснабжения. Это одна из основных причин повсеместного использования систем переменного тока. Это делает возможным производство электроэнергии при наиболее эффективном напряжении, систему передачи и распределения при наиболее экономичных уровнях напряжения, а также использование электроэнергии при наиболее подходящем напряжении. Электрический трансформатор также широко применяется для измерения очень высоких напряжений с использованием трансформаторов напряжения или потенциала и очень больших токов с использованием трансформаторов тока).Дополнительные важные области применения трансформаторов включают согласование импеданса, изоляцию одной электрической цепи от другой.

Принцип работы трансформатора

           Однофазный трансформатор состоит из двух основных обмоток, соединенных магнитным сердечником. Когда одна из обмоток (обычно называемая первичной) подключена к источнику питания переменного тока, в сердечнике создается изменяющийся во времени поток, который связывает вторую обмотку (обычно называемую вторичной обмоткой). Следовательно, во вторичной обмотке индуцируется напряжение.Когда электрическая нагрузка подключена к вторичной обмотке, начинает течь вторичный ток.

Пример однофазного трансформатора показан на рис. 1. Первичная и вторичная обмотки имеют витки N1 и N2 соответственно. Напряжения и токи, связанные с каждой обмоткой, указаны в форме pharos.

Рис.1: Схема трансформатора

Характеристики идеального трансформатора

Идеальный трансформатор характеризуется следующим:

1.      Утечки потока НЕТ, что означает, что потоки, связанные с первичными и вторичными токами, ограничены внутри сердечника.

2.      Первичная и вторичная обмотки не имеют сопротивления, что означает, что приложенное напряжение (напряжение источника) v 1 такое же, как индуцированное первичное напряжение e 1 ; то есть v 1 = e 1 . Точно так же v 2 = e 2 .

3.      Магнитный сердечник имеет бесконечную магнитную проницаемость, что означает, что магнитное сопротивление сердечника равно нулю.Следовательно, для создания магнитного потока требуется очень небольшое количество тока.

4.      Магнитопровод без потерь, что означает, что гистерезис, а также потери на вихревые токи незначительны.

Как работает трансформатор

Пусть взаимный поток, соединяющий обе обмотки, синусоидальный, то есть

$\begin{matrix}   {{\phi }_{m}}={{\Phi } _{m}}\sin \omega t & {} & (1)  \\\end{matrix}$

Тогда по закону электромагнитной индукции Фарадея.ЭДС индукции может быть выражена как

\[\begin{matrix}   {{e}_{1}}=\frac{d{{\lambda}_{1}}}{dt}={{N}_ {1}}\frac{d{{f}_{m}}}{dt}=\omega {{\Phi}_{p}}{{N}_{1}}\cos \omega t & { } & (2)  \\\end{matrix}\]

\[\begin{matrix}   {{e}_{2}}=\frac{d{{\lambda}_{2}}}{dt }={{N}_{2}}\frac{d{{f}_{m}}}{dt}=\omega {{\Phi}_{p}}{{N}_{2}} \cos \omega t~ & {} & (3)  \\\end{matrix}\]

Действующие значения индуцированных напряжений:

\[\begin{matrix}   {{E}_{1}} =\frac{1}{\sqrt{2}}\omega {{\Phi}_{p}}{{N}_{1}}=4.44f{{\Phi }_{p}}{{N}_{1}} & {} & (4)  \\\end{matrix}\]

\[\begin{matrix}   {{E}_ {2}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\omega {{\Phi}_{p}}{{N}_{2}}=4,44f{{\Phi}_{p} }{{N}_{2}} & {} & (5)  \\\end{matrix}\]

Где $f={\omega }/{2\pi }\;$ циклов в секунду или герц .

Полярность наведенного напряжения определяется законом Ленца; то есть ЭДС производят токи, которые имеют тенденцию противодействовать изменению потока. Отношение индуцированных напряжений может быть записано как:

\[\begin{matrix}   \frac{{{E}_{1}}}{{{E}_{2}}}=\frac{{{ N}_{1}}}{{{N}_{2}}}=a & {} & (6)  \\\end{matrix}\]

Где a называется коэффициентом трансформации, поскольку трансформатор идеально, индуцированные напряжения равны соответствующим напряжениям на клеммах; то есть E 1 = V 1 и E 2 = V 2 .Следовательно,

\[\begin{matrix}   \frac{{{E}_{1}}}{{{E}_{2}}}=\frac{{{V}_{1}}}{ {{V}_{2}}}=a & {} & (7)  \\\end{matrix}\]

Постулат о том, что магнитная цепь идеального трансформатора не имеет потерь, указывает на то, что МДС, создаваемые обмотками уравновесить или отменить друг друга; то есть первичный mmf равен вторичному mmf. С точки зрения токов обмотки это может быть указано как 

$\begin{matrix}   {{N}_{1}}{{I}_{1}}={{N}_{2}}{{ I}_{2}} & {} & (8)  \\\end{matrix}$

Уравнение (8) показывает, что токи в обмотках находятся в фазе друг с другом и что их величины связаны соотношением

\[ \begin{matrix}   \frac{{{I}_{1}}}{{{I}_{2}}}=\frac{{{N}_{2}}}{{{N}_{ 1}}}=\frac{1}{a} & {} & (9)  \\\end{matrix}\]

Первичное напряжение и ток могут быть выражены через их вторичные аналоги следующим образом:

$\begin{matrix}   {{V}_{1}}=a{{V}_{2}} & {} & (10)  \\\end{matrix}$

$\begin{matrix}   { {I}_{1}}=\left( \frac{1}{a} \right){{I}_{2}} & {} & (11)  \\\end{matrix}$

Умножение уравнения (10) и (11) дают

$\begin{matrix}   {{V}_{1}}{{I}_{1}}={{V}_{2}}{{I}_ {2}} & {} & (12)  \\\end{matrix}$

Уравнение (12) описывает закон инвариантности мощности для идеального трансформатора.{2}}{{Z}_{2}} & {} & (14)  \\\end{matrix}$

Эквивалентная схема идеального трансформатора показана на рис.2, где все величины относятся к та же сторона.

Рис.2 (a):   Эквивалентная схема идеального трансформатора (a) все величины относятся к первичной обмотке

Рис.2 (b):   Эквивалентная схема идеального трансформатора (a) все величины относятся вторичная сторона

Пример расчета трансформатора

Идеальный трансформатор с частотой 60 Гц рассчитан на 220/110 В.индуктивная нагрузка Z 2 = 10 + j10 Ом подключена со стороны низкого напряжения при номинальном вторичном напряжении. Рассчитайте следующее:

  1. Первичный и вторичный токи
  2. Полное сопротивление нагрузки относительно первичной обмотки
  3. Мощность, подаваемая источником

Решение

  1. Коэффициент витков равен

$a _{1}}}{{{V}_{2}}}=\frac{220}{110}=2$

Первичный и вторичный токи находятся следующим образом:

\[{{\text{ I}}_{\text{2}}}=\frac{{{V}_{2}}}{{{Z}_{2}}}=\frac{110\angle {{0}^{ о}}}{10+j10}=7.{2}}(10)=605W$

Характеристики трансформатора описываются с точки зрения его регулирования напряжения и эффективности. Рабочие характеристики трансформатора можно предсказать по результатам двух испытаний, известных как испытание на обрыв цепи и испытание на короткое замыкание.

принцип работы трансформатора: откройте для себя механизм, участвующий в работе — Блог промышленного производства

Большинство электрических устройств или цепей, используемых в современном мире, имеют различное применение трансформатора.В результате очень важно понять определение и, что более важно, принцип работы трансформатора. Следовательно, в этом посте мы сосредоточимся на принципе работы трансформатора. Подпишитесь на этот последний пост в Linquip.

 

Трансформатор Определение

Трансформатор является необходимым компонентом любого источника электропитания. Это одна из основных причин широкого использования систем переменного тока. Он позволяет производить электроэнергию при наиболее эффективном напряжении, передавать и распределять при наиболее экономичных уровнях напряжения, а также потреблять электроэнергию при наиболее подходящем напряжении.

В самом общем виде трансформатор — это все, что повышает или понижает напряжение. Выходное напряжение повышающего трансформатора увеличивается, а выходное напряжение понижающего трансформатора уменьшается. Другими словами, трансформатор представляет собой статическое устройство, которое преобразует электрическую энергию из одной цепи в другую, поддерживая постоянную частоту.

Другими словами, через трансформатор создается, передается и распределяется электроэнергия в виде переменного тока.Принцип работы трансформатора основан на фундаментальных принципах электромагнитной индукции и взаимной индукции.

Вкратце, трансформатор — это устройство, которое

  1. передает электроэнергию из одной цепи в другую
  2. делает это без изменения частоты
  3. Он делает это с помощью электромагнитной индукции и
  4. , когда две электрические цепи находятся под индуктивным влиянием друг на друга

Принцип работы трансформатора: 

Электричество — одно из величайших открытий в истории человечества, кардинально изменившее планету.Сегодня мы пользуемся целым рядом преимуществ, связанных с использованием этой основной силы природы и переносом ее в отдаленные места. Фарадей и Генри продвинулись в изучении электричества в 1830 году, соединив его с магнетизмом, что привело к открытию электромагнитной индукции. Это открытие изменило мир, проложив путь к развитию генераторов переменного тока.

Принцип работы трансформатора основан на законе Фарадея о взаимной индукции или электромагнитной индукции, которая возникает между двумя цепями, соединенными взаимным магнитным потоком.Давайте сначала исследуем механизм электромагнитной индукции, прежде чем перейти к работе трансформатора.

Механизм электромагнитной индукции

Когда ток протекает через катушку с электрическим проводом, он создает магнитное поле или магнитный поток по всей ее поверхности. Для каждого материала магнитный поток или магнитное поле определяется как «временная среда», через которую намагниченные силы передаются между электрическими материалами. Отметим, что мы часто непреднамеренно сталкиваемся с этими силами в повседневной жизни, например, когда некоторые ферромагнитные элементы (железо, кобальт или никель) ведут себя как временные магниты в присутствии постоянных магнитов, притягивая или отталкивая другие магниты или электрические материалы.

Сила магнитного поля, с другой стороны, прямо пропорциональна или, скажем так, очень зависит от тока в проводе. В результате интенсивность магнитного поля, создаваемого электрическим током, можно легко регулировать, обращать, включать или выключать или изменять. Магнитное поле можно рассматривать как очертания магнитного потока, которые образуют замкнутые пути. Вы можете увидеть схему магнитного поля (линии потока), создаваемого вокруг провода, по которому течет электрический ток, на рисунке ниже.

Идея взаимной индукции на этом не заканчивается. Есть еще одна увлекательная правда об электричестве. Когда магнитное поле меняется на проволочной катушке, это вызывает протекание электрического тока по проволоке. В результате мы можем создать флуктуирующий магнитный поток, посылая электрический ток по проводу или катушке, где электрический ток также флуктуирует.

После знакомства с механизмом электромагнитной индукции пришло время продолжить изучение принципа работы трансформатора:

Базовый трансформатор состоит из двух катушек индуктивности, которые электрически различны, но магнитно соединены путем нежелание.Как было сказано ранее, закон электромагнитной индукции Фарадея, или взаимная индукция между двумя катушками, является фундаментальной концепцией, на которой работает трансформатор. «В нем говорится, что скорость изменения потокосцепления во времени пропорциональна индуцированной ЭДС в проводе или катушке». В результате взаимная индукция между двумя или более обмотками приводит к трансформации в электрическом трансформаторе.

В частности, при подаче переменного тока на первичную обмотку с напряжением в сердечнике трансформатора создается переменный поток, который связан со вторичной обмоткой, и, как следствие, возникает ЭДС, называемая взаимно индуцированной В нем индуцируется ЭДС.По правилу Ленца направление создаваемой ими ЭДС противоположно приложенному напряжению. Между двумя обмотками нет физической электрической связи, но они связаны магнитным полем, поэтому электрическая мощность передается от первичной цепи к вторичной через взаимную индуктивность. ЭДС индукции в первичной и вторичной обмотках определяется скоростью изменения потокосцепления.

Подробнее о Linquip

Краткое изложение принципа работы трансформатора здесь для вас:
  1. Взаимная индукция между двумя обмотками, связанными общим магнитным потоком, представляет собой трансформатор.
  2. Первичная и вторичная катушки электрически независимы, но магнитно связаны.
  3. Когда первичная обмотка подключена к источнику переменного напряжения, вокруг обмотки создается переменный магнитный поток.
  4. Сердечник действует как магнитный канал для потока, который соединяется со вторичной обмоткой. Большая часть потока связана со вторичной обмоткой и называется «полезным потоком» или «основным потоком», а поток, который не связан со вторичной обмоткой, называется «потоком рассеяния».’
  5. Поскольку создаваемый поток является переменным (его направление постоянно меняется), ЭДС индуцируется во вторичной обмотке по закону электромагнитной индукции Фарадея. Эта ЭДС индукции известна как ЭДС взаимного индуцирования, и ее частота такая же, как и у подаваемой ЭДС. В результате частота трансформатора одинакова с обеих сторон.
  6. Если вторичная обмотка представляет собой замкнутую цепь, по ней течет взаимно индуцированный ток, передавая электрическую энергию из одной цепи (первичной) в другую (вторичную).

Резюме

В этом посте мы рассказали о трансформаторе, что это такое, а затем перешли к принципу работы трансформатора. Вы узнали, что трансформатор — это электрическое устройство, использующее электромагнитную индукцию для передачи электрической энергии от одной цепи к другой. Работа трансформатора основана на законе электромагнитной индукции Фарадея, который гласит, что «электродвижущая сила вокруг замкнутой трассы равна обратной скорости изменения во времени магнитного потока, содержащегося в канале.Когда ток протекает через первичную обмотку трансформатора, вокруг нее образуется магнитное поле.

Поскольку ток переменный и катушки расположены близко друг к другу, изменяющееся поле достигает вторичной катушки, вызывая генерацию напряжения во вторичной обмотке. Это известно как взаимная индукция, и это происходит, когда проволочная катушка магнитным образом индуцирует напряжение в другую катушку, расположенную поблизости. Это все о принципе работы трансформатора. Если вам нужна более подробная информация, прокомментируйте нас, зарегистрировавшись на Linquip.Наши специалисты готовы ответить на ваши вопросы.

Купите оборудование или запросите услугу

Используя службу Linquip RFQ, вы можете рассчитывать на получение предложений от различных поставщиков из разных отраслей и регионов.

Щелкните здесь, чтобы запросить коммерческое предложение от поставщиков и поставщиков услуг

 

Как работает трансформатор — Знания морских инженеров


Трансформаторы способны получать мощность переменного тока при одном напряжении и отдавать ее при другом напряжении.

Таким образом, они помогают повысить эффективность передачи при передаче мощности на большие расстояния.

В этом объяснении мы рассмотрим работу и конструкцию трехфазного трансформатора, начиная с его простейшей формы.

Основной принцип работы трансформатора прост, электромагнитная индукция. в соответствии с этим принципом переменный магнитный поток, связанный с петлей, будет индуцировать электродвижущую силу на ней.


Такое флуктуирующее магнитное поле может быть легко создано катушкой и системой переменного ЭДС.

Проводник с током создает вокруг себя магнитное поле.

При флуктуационном характере переменного тока магнитное поле, связанное с катушкой, также будет флуктуировать.

Этот магнитный поток может быть эффективно связан со вторичной обмоткой с помощью сердечника из ферромагнитного материала.

Это флуктуирующее магнитное поле будет индуцировать ЭДС во вторичных катушках из-за электромагнитной индукции.

Поскольку витки расположены последовательно, чистая ЭДС, индуцированная в обмотке, будет суммой отдельных ЭДС, индуцированных в каждом члене.

Поскольку через первичную и вторичную катушки проходит один и тот же магнитный поток, ЭДС на виток для первичной и вторичной катушек будет одинаковой. ЭДС на виток первичной обмотки зависит от приложенного входного напряжения. В результате ЭДС индукции во вторичной обмотке выражается следующим образом:

  • Это просто означает, что с меньшим количеством витков во вторичной обмотке, чем в первичной, можно снизить напряжение.
  • В обратном случае можно увеличить напряжение.
  • Но поскольку энергия сохраняется, первичный и вторичный токи должны подчиняться следующему соотношению.
  • Трехфазные трансформаторы используют три таких однофазных трансформатора, но с немного другой конфигурацией катушек.
  • Здесь первичная и вторичная обмотки расположены концентрически.
  • Еще две такие обмотки используются в трехфазном трансформаторе.
  • Трансформаторы с высокой номинальной мощностью обычно используют обмотку особого типа, известную как обмотка дискового типа.
  • Обмотки отдельных дисков соединены последовательно по всему внешнему и внутреннему кроссоверам.
  • Обмотки низкого напряжения соединены по схеме треугольник.
  • А обмотки ВН соединены звездой.
  • Таким образом, сетевое напряжение еще больше повышается до корня в 3 раза на стороне высокого напряжения. Это также означает, что от трехфазного повышающего трансформатора. Мы можем нарисовать для выходных проводов три фазных силовых провода и один нейтральный.
  • Изолированные высоковольтные вводы необходимы для вывода электроэнергии.
  • Сердечник трансформатора изготовлен из тонких изолированных стальных пластин.
  • Такие стальные пластины укладываются вместе, образуя трехфазные конечности.
  • Синтетические пластины предназначены для уменьшения потерь энергии из-за образования вихревых токов.
  • Низковольтное освещение обычно располагается рядом с ядром.
  • При передаче мощности от первичной обмотки к вторичной обмотке происходят различные виды потерь энергии. Все эти потери энергии рассеиваются в виде тепла.
  • Обычно трансформатор погружают в охлаждающее масло для отвода тепла.
  • Масло отводит тепло посредством естественной конвекции
  • Масло в баке будет расширяться при поглощении тепла. Но расширительный бак помогает приспособиться к этому изменению объема.

Что такое идеальный трансформатор? | Принцип работы идеального трансформатора

Прежде чем говорить об идеальном трансформаторе, мы поговорим о простом трансформаторе.Трансформатор — это стационарное электрическое устройство, в котором нет вращающихся частей, таких как двигатель. Трансформатор используется для поддержания постоянной частоты и передачи электрической энергии между двумя цепями при увеличении/уменьшении тока или напряжения.

Принцип работы трансформатора – «закон индукции Фарадея». Когда ток в основной обмотке изменяется, это меняет магнитный ток, так что ЭДС индукции может иметь место во вторичной катушке.

Экспериментальный трансформатор имеет некоторые потери, такие как потери в сердечнике, потери в меди и т. д.Потери в меди также можно определить как обмотку трансформатора. В котором сопротивление, как и реакция, вызывает некоторый ущерб, это известно как потеря меди.

Потеря сердечника в трансформаторе происходит, когда трансформатор активен. Потери в сердечнике не меняются с основной нагрузкой. Этот тип потерь вызван двумя факторами: завихрением и гистерезисом. Из-за этих потерь выходная мощность трансформатора меньше входной мощности.

В сегодняшней статье мы рассмотрим, каким должен быть идеальный трансформатор. Сегодня мы увидим, каков принцип работы этого и каково его использование.

Что такое идеальный трансформатор?

Определение: Трансформатор, в котором отсутствуют какие-либо потери, такие как потери в меди, потери в сердечнике и т. д., называется идеальным трансформатором. Выходная мощность идеального трансформатора равна входной мощности. КПД такого трансформатора составляет 100%. Это означает, что нет никаких потерь электроэнергии.

Читайте также: Типы потерь в трансформаторе | Эффективность трансформатора

Принцип работы идеального трансформатора:

Идеальный трансформатор работает по двум принципам: электрический ток создает магнитное поле, а изменяющееся магнитное поле в катушке подает напряжение на конец катушки.При изменении тока в первичной обмотке. Затем возникает магнитный поток. Таким образом, изменение магнитного поля может привести к возникновению напряжения на вторичной обмотке.

Когда ток протекает в первичной обмотке, он создает магнитное поле. Две обмотки намотаны на очень высокий магнитный сердечник, такой как железо, поэтому они обеспечивают магнитный поток через обмотки. Как только нагрузка подключена к вторичной обмотке, напряжение и ток будут иметь направленное направление.

Свойства идеального трансформатора:

Некоторые свойства Ideal Transformer:

  • Две обмотки этого трансформатора имеют небольшое сопротивление.
  • Трансформатор не поврежден из-за сопротивления, вихревых токов и гистерезиса.
  • Эффективность идеального трансформатора составляет 100%.
  • Общий поток, создаваемый в трансформаторе, связывается с сердечником и соединяется с обмоткой. Именно поэтому его расход и утечка индуктивности равны нулю.
  • Сердечник имеет неограниченную магнитную проницаемость, поэтому для регулирования потока внутри сердечника требуется пренебрежимо малая магнитодвижущая сила.

Этот тип трансформатора идеально подходит для трех типов трансформаторов.Когда он не имеет потока рассеяния. В обмотке нет сопротивления и нет потерь железа в сердечнике. Свойства практических и идеальных трансформаторов не идентичны друг другу.

Читайте также:  Что такое однофазный трансформатор | Строительство однофазного трансформатора | Применение однофазного трансформатора

Уравнения идеального трансформатора:

Свойства, о которых мы говорили выше, неприменимы к практическому трансформатору.Выходная мощность в Ideal Transformer такая же, как и входная мощность. Таким образом, нет потери мощности.

  E2*I2*CosΦ = E1*I1*CosΦ иначе E2*I2 = E1*I1 

  Е2/Е1 = И2/И1  

Аналогичным образом уравнение коэффициента преобразования показано ниже.

  V2/V1= E2/E1 = N2/N1 = I1/I2 =K  

Потоки первичного и вторичного потоков обратно пропорциональны их соответствующим поворотам.

Векторная диаграмма идеального трансформатора:

Векторная диаграмма идеального трансформатора выглядит следующим образом.Поскольку первичная обмотка трансформатора полностью индуктивная, входное напряжение V1 индуцирует ток намагничивания в ветвях трансформатора под углом 90°.

Е 1 и Е 2 — ЭДС индукции в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Направление ЭДС индукции обратно пропорционально приложенному напряжению.

Преимущества идеального трансформатора:

Идеальный трансформатор имеет следующие преимущества:

  • В этом трансформаторе отсутствуют такие потери, как гистерезис, вихревые и медные потери.
  • Соотношение напряжения и тока полностью зависит от крутки катушки.
  • Не зависит от частоты.
  • Абсолютная линейность.
  • Нет утечки флюса.
  • Без паразитной индуктивности и емкости.
Часто задаваемые вопросы (FAQ):

1. Какое уравнение идеального трансформатора?

Это значение определяется коэффициентом мощности, но для идеального трансформатора оно остается неизменным.Поэтому V1I1 = V2I2 выражается этим соотношением. V 1 V 2 = I 2 I 1. Это показывает, что если трансформатор поднимает напряжение до более высокого значения, ток соответственно уменьшается.

2. Каковы характеристики идеального трансформатора?

Этот тип трансформатора не имеет сопротивления обмотки и реакции. Что исключает потери меди внутри трансформатора. Нет серьезных повреждений, то есть потерь на гистерезис или потерь на вихревые токи. Утечки потока нет.Весь магнитный поток связан сердечником.

3. Какие существуют 3 типа трансформаторов?

Существует три основных типа трансформаторов напряжения (VT): электромагнитные, конденсаторные и оптические .

4. Что такое коэффициент трансформации?

Коэффициент трансформации трансформатора делится на число витков первичной обмотки и число витков вторичной обмотки. Коэффициент трансформации трансформатора обеспечивает ожидаемую работу трансформатора и требуемое напряжение на вторичной обмотке.

Нравится этот пост? Не могли бы вы поделиться им с друзьями?

Предлагаемое чтение —

Принцип работы трансформаторов | Это эффективность

Содержание

Содержание

Принцип работы

Трансформатор EMF уравнение

Убытки трансформатора

Эффективность трансформатора

Некоторые часто задаваемые вопросы

Принцип работы трансформатора

Transformer работает над Законом Фарадея .Закон Фарадея гласит, что –

«Любые изменения в магнитных полях катушки проводов вызовут индукцию ЭДС. Величина индуцированного потенциала идентична скорости изменения потока.

Можно записать как –

E = – N * dϕ/dt

E – ЭДС индукции, & N, ϕ – количество витков и создаваемый магнитный поток соответственно.

Знак минус означает, что изменение направления магнитного поля противоположно ЭДС индукции.Он также известен как закон Ленца.

Теперь мы знаем, что трансформаторы имеют две обмотки. Переменная мощность подается на первичные обмотки. Поток тока вызывает генерацию вокруг себя магнитного поля. Это свойство известно как взаимная индуктивность. Теперь ток течет по закону Фарадея. Максимальная напряженность магнитного поля будет равна d ‘phi’/dt. Магнитные силовые линии теперь расширяются наружу от катушки. Сердцевина из мягкого железа концентрирует силовые линии и образует путь.Магнитные потоки соединяют первичные обмотки, а также вторичные обмотки.

Теперь, поскольку поток проходит и через вторичные обмотки, там возникает напряжение. Величина ЭДС индукции определяется по закону Фарадея. Это будет = Н * dϕ /dt.

Частота и мощность подаваемого напряжения никогда не меняются в течение всего процесса.

Наведенное напряжение зависит от соотношения витков.

Узнайте больше о структуре и конструкции Нажмите здесь!

Уравнение ЭДС трансформатора

Предположим, что величина потока равна фи.

Мы знаем, что магнитный поток изменяется синусоидально.

Итак, ϕ = ϕ м * sin (2 * π * f * t)

f — частота потока, а N — число витков

Теперь E = N * dϕ /dt

или E = N * d (ϕ м sin (2 * π * f * t)) /dt

или E = N * 2 * π * f * ϕ м * cos (2 * π * f * t)

Для E =E max , cos (2 * π * f * t) = 1

E max = N * 2 * π * F * Φ M * Φ M

Теперь, E RMS = E MAX / 2

E RMS = N * 2 * π * F * Φ M / 2

E среднеквадратичное значение = 4.44 f * N * ϕ m

Это известно как уравнение ЭДС трансформатора.

Потери в трансформаторе

Потери в электрическом устройстве или цепи означают потерю мощности. Реальный трансформатор имеет разные типы потерь, но идеальный трансформатор никогда не терпит потерь. Внутри трансформатора существует несколько типов потерь. Вот некоторые из них:

  • A. Потери в сердечнике / потери в железе
  • B. Потери в меди или омические потери
  • C.Блуждающие потери
  • D. Диэлектрические потери
  • A. Потери в сердечнике / потери в железе: Потери происходят из-за переменного потока внутри железного сердечника и известны как потери в сердечнике или потери в железе. Этот тип потерь известен как потери без нагрузки.

Существуют две категории потерь в сердечнике. Это –

  • i) Потери на гистерезис
  • ii) Потери на вихревые токи

i) Потери на гистерезис – В сердечнике трансформатора возникает переменная магнитная сила.Эта сила намагничивания вызывает петлю гистерезиса, что приводит к потере гистерезиса.

P H = η * B MAX * N * F * V

P H = Потеря гистерезиса

η = Стейнметз Коэффициент гистерезиса

B MAX = максимальный плотность потока

n = показатель степени Штейнмеца

f представляет собой изменение направления магнитного поля в секунду

В = объем магнитного материала

Потери на гистерезис составляют 50 % потерь без нагрузки.

ii) Потери на вихревые токи – Законы Фарадея лежат в основе причин Потери на вихревые токи. Магнитные потоки вызывают потенциал в сердечнике. Теперь за счет этой ЭДС течет ток. Этот ток называется вихревым током, и это нежелательный ток. Потери из-за этого тока называются потерями на вихревые токи.

Степень нынешней нынешней убытки выражена как —

PE = K E * B MAX 2 * F * V * T 2

P E = Потеря в вихрении

K e = постоянная вихревого тока

Bmax относится к максимальной плотности потока, а f — частота перемагничивания в секунду.

В = объем магнитного материала

t = магнитная толщина

  • B. Потери в меди или омические потери: Этот тип потерь возникает из-за сопротивления проводов обмоток. Если Ip, Rp — ток и сопротивление первичной обмотки, а Is, Rs — ток и сопротивление вторичной обмотки, то потери будут определяться уравнением: p + I s 2 R s

    Поскольку провода медные, потери называются потерями в меди.Этот тип потерь также известен как потери нагрузки, потому что эти потери возникают только тогда, когда нагрузка подключена к вторичным обмоткам.

    • C. Блуждающие потери: Причиной таких потерь является поле утечки. Это незначительная потеря.
    • D. Диэлектрические потери: Изолятор трансформатора вызывает этот тип потерь.

    Имеются также потери из-за искажений напряжения и тока.

    КПД трансформатора

    КПД представляет собой отношение вырабатываемой мощности на входе к подводимой мощности на выходе.Обозначается как – η.

    η = выходная мощность / входная мощность * 100%

    В идеальном трансформаторе η равно 1, что означает, что выходная мощность равна входной мощности. Но на самом деле трансформатор терпит потери.

    Потери = Входная мощность – Выходная мощность

    Или, Выходная мощность = Входная мощность – Потери

    Итак, Эффективность –

    η = (Входная мощность – Потери) / Входная мощность * 100%

    η = 1 – потери/ Входная мощность * 100%

    Некоторые часто задаваемые вопросы

    1.Как оценивается трансформатор?

    Трансформаторы рассчитаны на вольт-ампер или киловольт-ампер (кВА). Этот рейтинг указывает на то, что первичная и вторичная обмотки рассчитаны на номинальную мощность.

    2. Сколько существует типов трансформаторов?

    Существует множество типов трансформаторов, основанных на различных параметрах. Некоторые из них —

    • идеал трансформаторы
    • Step Down Тип
    • Power Transformer
    • 2 Single — фаза типов 2 Three Thife типов 2 Centre Centre Типы
    • Прибор Типы
    • Pulse Типы
    • RF типов
    • Аудио типов

    3.Трансформатор имеет коэффициент витков 16 к 4 или 4. Если вторичное напряжение трансформатора составляет 220 В, определите первичное напряжение.

    Мы знаем, что

    Reatio = N P N S = V P V S

    здесь, N P = 16

    N S = 4

    V S = 220 V

    Мы должны найти V P

    So V P = N P * V S / N S = 16 * 220/4

    V P = 480 вольт.

    Итак, первичное напряжение было 480 вольт.

    4. Что такое обратимость работы трансформатора?

    Реверсивность трансформатора Работа означает использование трансформатора в обратном направлении. То есть подавая на вторичные обмотки входное напряжение и подключая нагрузку на первичные обмотки.

    5. Работают ли трансформаторы при постоянном напряжении?

    Нет, трансформатор не работает при постоянном напряжении. Подача постоянного напряжения вызовет перенапряжение первичных обмоток, так как сигнал обнаружит короткое замыкание.

    6. Что такое согласование импеданса?

    Концепция согласования импеданса заключается в том, что когда источник напряжения подключен к нагрузке, нагрузка получает максимальную мощность, если импеданс нагрузки равен импедансу импеданса фиксированного внутреннего источника. Это одно из приложений трансформаторов.

    7. Однофазный трансформатор номиналом 2 кВ ампер имеет 400В на первичных обмотках и 150В на вторичных обмотках. Определите первичный и вторичный ток полной нагрузки трансформатора.

    Первичный ток полной нагрузки = 2 кВА x 1000/400 В = 5 А

    Вторичный ток полной нагрузки = 2 кВА x 1000/150 В = 13,33 А

    8. Трансформатор имеет 500 витков в первичной обмотке и 20 витков во вторичной обмотке. Узнать –

    а) Вторичное напряжение, если вторичная цепь разомкнута и первичное напряжение равно 100 В

    б) Узнать ток в первичной и вторичной обмотках при подключении вторичной обмотки к резистивной нагрузке из 16 Ом.

    Мы знаем, что соотношение поворотов дается на

    оборотов = N P / N S = V P / V S

    N P — это количество поворотов в первичном обмотки.

    N s – число витков вторичной обмотки.

    В p – напряжение на первичной обмотке.

    В с – напряжение на вторичной обмотке.

    Теперь мы можем записать

    В с = (Ns * Vp) / Np

    Или, В с = (20*100)/500 В

    Или, В 1 с 0 = Теперь, что касается второго случая, мы знаем, что мощность остается неизменной при передаче энергии через трансформатор.

    Мы можем написать,

    P p = P s

    Где Pp — мощность на первичной стороне, а Ps — мощность на вторичной стороне.

    P p = V p * I p

    Ps = Vs * Is

    I p — ток первичной обмотки, а I s — ток первичной обмотки.

    Итак, V p *I p   = V s * I s

    Или, I p = (Vs * Is) / Vp

    9006 Vs*(Vs/Rs) / VpИз закона Ома V= IR, таким образом, I = V/R, Здесь R s — сопротивление вторичной обмотки.

    Или, I p = (Vs * Vs )/ (Vs * Rs)

    Или, I p = 4*4 / 100*16, Подставив значения и R s = 16 Ом, было получено в вопросе.

    Итак, I p = 10 мили – ампер.

    и, I

    и, I S = VS / RS

    I S = 4/16 A = 0.25 A

    Чтобы узнать больше о Трансформаторы и электроника Нажмите ее E

    О Sudipta Roy

    I я энтузиаст электроники и в настоящее время посвящен области электроники и связи.
    Я очень заинтересован в изучении современных технологий, таких как искусственный интеллект и машинное обучение.
    Мои записи посвящены предоставлению точных и обновленных данных всем учащимся.
    Помощь кому-то в получении знаний доставляет мне огромное удовольствие.

    Давайте подключимся через LinkedIn — https://www.linkedin.com/in/sr-sudipta/

    Потенциальный трансформатор: конструкция и его применение

    В недавнем прошлом электрические системы и их генерация, передача и распределение занимали более существенная часть технологии, управления, экономического механизма и промышленного сектора.Основными областями его применения являются коммерческий сектор, промышленность, транспорт, рыболовство и т. д., где более высокое напряжение от подстанций и распределительных сетей должно быть преобразовано в номинальные напряжения устройств. Это связано с повышенной сложностью и несколькими изнашиваемыми устройствами. В сценариях, когда и дом, и промышленность находятся в одном сообществе, распределенное напряжение должно быть увеличено или уменьшено в соответствии с электрическими стандартами. В этих случаях несколько устройств, таких как повышающий трансформатор, понижающий трансформатор и трансформаторы напряжения, используются для снижения напряжения и эффективной и безопасной передачи на следующую электрическую соединительную единицу.В этой статье обсуждаются краткое описание трансформатора напряжения, принципиальная схема и конструкция трансформатора напряжения, принцип работы, типы трансформаторов напряжения или напряжения, ошибки и его применение, а также соответствующие графические схемы.

    Что такое трансформатор напряжения?

    Определение: Трансформатор напряжения, также известный как трансформатор напряжения, представляет собой статическое электрическое устройство, используемое в системе электроснабжения для снижения напряжения в соответствии с номиналами системы, счетчиками и реле.Требование уменьшения входного напряжения приведет к безопасному использованию имеющихся в продаже реле и счетчиков, используемых для защиты и измерения, которые предназначены для низкого напряжения.

    Принцип работы

    Принцип работы трансформатора напряжения в основном зависит от взаимной индукции. Первичная и вторичная обмотки трансформатора электрически изолированы друг от друга, но магнитно связаны между собой через путь минимального сопротивления сердечника.Первичная обмотка трансформатора подключена к входному напряжению, в результате чего в пластинчатом сердечнике возникает переменный поток. Согласно закону Фарадея потокосцепление в первичной обмотке индуцирует ЭДС во вторичной обмотке, и ток начинает течь через нагрузку.

    Таким образом, закон Фарадея пропорционален свойствам сердечника и высокой магнитной проницаемости. Уравнения для расчета проницаемости и потока, вызванного флюсом, индуцированными внутри контура, являются следующими, являются как следует,
    ∅ = N * I—0006, где ∅ = индуцированный поток

    N = количество оборотов

    I = ток, протекающий через Схема

    ∅ α a / l— (2)

    ∅ = измеренный поток в сердечнике

    A = потенциальный трансформатор поперечного сечения площадью

    l = длина пути потока керна
    r = l / мкА —-(3)

    Где R = Сопротивление

    μ = Проницаемость материала сердечника

    Приведенное выше уравнение (3) показывает, что значение сопротивления увеличивается с увеличением магнитного пути и уменьшается с увеличением площадь поперечного сечения и проницаемость сердечника.

    Конструкция трансформатора напряжения

    Трансформатор напряжения спроектирован и изготовлен с использованием первоклассных материалов сердечника с минимальной плотностью потока. Это помогает достичь низкого тока намагничивания. Конечные точки трансформатора являются основным блоком реальной модели и спроектированы таким образом, чтобы фазовый сдвиг между выходным и входным напряжением был минимальным, а колебания между нагрузкой и отношением напряжения были меньше.

    Вторичная обмотка содержит меньше витков трансформатора, тогда как на первичной обмотке больше витков.Коаксиальная обмотка трансформатора напряжения снижает реактивное сопротивление рассеяния. Кроме того, за счет погружения первичной обмотки в основные секции снижаются затраты на установку и изоляция между слоями.

    Принципиальная схема трансформатора напряжения

    Поскольку выход испытательной цепи рассчитывается в единицах импульса напряжения, трансформатор напряжения подключается параллельно первичной цепи. Принцип работы аналогичен понижающему трансформатору. Входная фаза и земля подключены к первичной обмотке трансформатора.

    схема-схема-трансформатора-потенциала

    Выходной сигнал второй клеммы потенциала рассчитывается с использованием многочисленных измерительных инструментов, таких как ваттметр и вольтметр. Как и в понижающем трансформаторе, на первичную обмотку подается высокое переменное напряжение, а на вторичной обмотке наблюдается наведенное низкое напряжение. Вторичная и первичная обмотки трансформатора соединены по принципу магнитной связи.

    Типы трансформаторов напряжения подразделяются на два типа, а именно, обычные типы обмотки (электромагнитные типы) и емкостные трансформаторы напряжения напряжения.По сравнению с последними, первые (емкостные трансформаторы напряжения и напряжения) имеют обмотку и являются дорогостоящими из-за необходимости дополнительной изоляции. Емкостной трансформатор напряжения включает в себя магнитный преобразователь потенциала и схему делителя потенциала емкостного типа.

    Ошибки трансформатора напряжения

    На приведенном ниже рисунке показана векторная диаграмма трансформатора напряжения.

    векторная диаграмма трансформатора напряжения

    Ключевые слова:

    I s = ток вторичной обмотки
    E s = ЭДС на вторичной обмотке
    V 2 s 9011
    R s = сопротивление вторичной обмотки X s – реактивное сопротивление вторичной обмотки
    I p = ток первичной обмотки
    E p = ЭДС индукции первичной обмотки
    V p = 013 напряжение на клеммах 9
    = сопротивление первичной обмотки
    X p = реактивное сопротивление первичной обмотки
    K t = коэффициент трансформации
    I o = ток возбуждения
    I m = I0 = намагничивающая составляющая Io
    Io I w 90 составляющая потерь в сердечнике
    Φ м = основной поток
    β = погрешность фазового угла

    Основной поток (φ м ) рассматривается как опорный сигнал.Ток возбуждения I o и вторичный ток реверсирования I s с коэффициентом умножения 1/k t определяют первичный ток. Пусть Vp будет первичным напряжением на клеммах трансформатора напряжения.

    Значения I pXp и I pRp отображают падение напряжения первичной обмотки из-за сопротивления и реактивного сопротивления. ЭДС первичной обмотки на клеммах можно рассчитать, вычитая падение напряжения из первичного напряжения.

    Взаимная индукция, возникающая в результате преобразования первичной ЭДС во вторичную обмотку, фиксирует значение вторичной ЭДС индукции.Эффект сопротивления вторичной обмотки и реактивного сопротивления приводит к вторичному выходному напряжению на вторичной клемме.
    Ошибка отношения или ошибка напряжения трансформатора напряжения представляет собой разницу между фактическим значением и идеальным значением (V p /K t ). Выражается следующим образом:

    Ошибка напряжения (%)= (V P – K T *V S )/V P * 100% —– (4)

    9 9 В начальной стадии внутреннее сопротивление первичной обмотки создает падение напряжения.На более поздних стадиях он преобразуется во вторичную обмотку через соотношение витков. Там снова возникает падение напряжения из-за сопротивления вторичной обмотки. Это основные причины падения напряжения на трансформаторе.

    Применения

    применений преобразователя напряжения включают следующие

    • Преобразователи напряжения используются в приборах учета для измерения счетов за энергию и других расчетных целей.
    • Используется в качестве устройства управления защитой, которое может выполнять функции системной защиты или релейной защиты
      .
    • Используется в качестве инструмента для измерения нагрузки для измерения промышленных нагрузок и их экономического управления.
    • В электросетях в качестве устройств синхронизации напряжения

    Таким образом, это все о трансформаторе напряжения, таком как принцип работы, конструкция, принципиальная схема и его применение. Вот вопрос к вам, в чем преимущества трансформатора напряжения?

    .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *