Трансформатор принцип работы устройство и назначение: Силовые трансформаторы: определение, классификация и принцип работы — НПФ Техсервис — Техническое оборудование общепромышленного и нефтепромыслового назначения

Содержание

режимы, схема, назначение, из чего состоит

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

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

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

Назначение трансформаторов

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

Электростанции вырабатывают ток относительно небольшого напряжения – 220, 380

, 660В. Трансформаторы, повышая напряжение до значений порядка тысяч киловольт, позволяют существенно снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, а заодно и уменьшить площадь сечения проводов ЛЭП.

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

Самый распространенный вид трансформаторов – силовые трансформаторы. Они предназначены для преобразования напряжения в электрических цепях. Помимо силовых трансформаторов в различных электронных приборах применяются:

импульсные трансформаторы;
силовые трансформаторы;
трансформаторы тока.

Принцип работы трансформатора

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

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

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

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

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

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

I2, возникающий под действием ЭДС.

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

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

Идеальный трансформатор

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

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

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

Потери энергии в трансформаторе

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

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

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

Трансформатор. Устройство и принцип действия трансформатора.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Трансформатор — устройство и принцип работы

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

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

Устройство и принцип работы

Схема однофазного двухобмоточного трансформатора представлена ниже.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Обмотка

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

Охлаждение

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

Читайте также — Приведение обмоток трансформатора

Принцип действия трансформатора — назначение, устройство и классификация

Принцип действия:

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

схема работы

Явление взаимной индукции, является основой работы трансформатора:

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

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

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

Использование их различно:

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

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

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

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

Назначение и типы

трехфазный трансформатор

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

Они могут быть:

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

Назначение прибора: передаёт и распределяет электроэнергию заказчику.

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

Обвивку используют непрерывную, винтовую, цилиндрическую, дисковую.

Среди современных изделий можно отметить следующие:

тороидальные;
броневые;
стержневые;

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

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

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

система охлаждения;
обвивка;
магнитопровод;

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

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

Область применения и виды

трансформатор в телевизоре

Бытовые трансформаторы защищают технику при перепадах напряжения.

Поэтому применяют их в следующих приборах:

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

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

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

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

Виды:

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

Немного из истории

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

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

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

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

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

Статья была полезна?

0,00 (оценок: 0)

Трансформатор тока — устройство, принцип работы и виды

Трансформатор тока представляет собой измерительное устройство, первичная обмотка (высокая сторона) которого подключается к источнику переменного электрического тока, а его вторичная обмотка (низкая сторона) подключается к приборам измерения или к приборам защиты с малым сопротивлением.

Если точнее, то первичная обмотка любого трансформатора тока включается только последовательно в силовую электрическую цепь, по которой протекает электрическая нагрузка. К вторичной обмотке или нескольким вторичным обмоткам подключаются защитные приборы, измерительные приборы и приборы учёта электроэнергии.

Принцип действия трансформатора тока

Работа обычного трансформатора тока базируется на физическом явлении электромагнитной индукции. Это значит, что при подаче напряжения на первичную обмотку, в её витках будет проходить переменный ток, образующий впоследствии появление переменного магнитного потока. Появившийся магнитный поток проходит по сердечнику и пронизывает витки всех обмоток трансформатора, таким образом, индуцируя в них электродвижущие силы (э.д.с.). В случае закорачивания вторичной обмотки или же при включении нагрузки в её цепь, под воздействием э.д.с. в витках обмотки начнёт протекать вторичный ток.

Назначение трансформаторов

Общее назначение трансформаторов тока – преобразование (снижение) большой величины переменного тока до таких значений, которые будут удобны и безопасны для измерения.

Трансформаторы тока позволяют безопасно измерять большие электрические нагрузки в сетях переменного тока. Это становится возможным благодаря изолированию первичной обмотки и вторичной обмотки друг от друга.

При изготовлении к трансформаторам тока предъявляются строгие требования по качеству изоляции и по точности измерений электрических нагрузок.

Конструкция трансформатора тока

Трансформатор тока – это устройство, основой которого является сердечник, шихтованный из особой трансформаторной стали. На сердечник (магнитопровод) наматываются витки одной, двух или даже нескольких вторичных обмоток, электрически изолированных друг от друга, а также и от сердечника.

Что касается первичной обмотки, то она может представлять собой катушку, также намотанную на сердечник измерительного трансформатора. Однако чаще всего первичная обмотка представляет собой алюминиевую или медную шину (пластину). Не менее часто в трансформаторе тока вообще отсутствует первичная обмотка как таковая. В этом случае функцию первичной обмотки выполняет силовой проводник, проходящий через кольцо трансформатора тока. Это может быть отдельная жила электрического кабеля.

Вся конструкция трансформатора тока помещается в корпус для защиты от механических повреждений.

Коэффициент трансформации

Основной технической характеристикой каждого трансформатора тока является номинальный коэффициент трансформации. Его значение указывается на специальной табличке (шильдике) в виде отношения номинального значения первичного тока к номинальному значению вторичного тока.

Например, указанное значение 400/5 означает, что при первичной нагрузке в 400А, во вторичной цепи должен протекать ток в 5А и, следовательно, коэффициент трансформации будет равен 80. Если на шильдике указано значение 50/1, то коэффициент трансформации будет равен 50.

Практически у каждого трансформатора тока есть определённая погрешность. В зависимости от её величины каждому трансформатору тока присваивается свой класс точности.

Классификация трансформаторов

Существует несколько признаков, по которым трансформаторы тока делятся.

По своему назначению они бывают измерительными, защитными, а также промежуточными и лабораторными.

Измерительные выполняют функцию измерения. К ним подключаются приборы, такие как амперметр или приборы учёта (счётчики электрической энергии).
Защитные трансформаторы тока выполняют функцию электрической защиты совместно с устройствами защиты, поэтому к ним подключаются устройства, такие как реле тока или современные цифровые устройства высоковольтной защиты.
Промежуточные трансформаторы тока применяют в токовых цепях релейной защиты.
Лабораторные устройства обладают очень высокой степенью точности измерений. Также у них может быть несколько разных коэффициентов трансформации.

По виду установки трансформаторы тока бывают наружными и внутренними, а также встроенными внутрь электрооборудования (внутри высоковольтных выключателей, внутри питающих силовых трансформаторов и т.д.). Кроме того трансформаторы тока бывают накладными и переносными. Переносные трансформаторы используют для измерений токовой нагрузки в лабораторных условиях.

По исполнению первичной обмотки бывают одновитковые, многовитковые и шинные трансформаторы тока. По количеству ступеней трансформации – одно- и двухступенчатые.

По напряжению трансформаторы тока делятся на две группы – устройства с напряжением до 1000В и устройства с напряжением выше 1000В.

Кроме обычных измерительных трансформаторов тока, существуют и специальные, такие как трансформаторы тока нулевой последовательности.

Принцип действия трансформатора — устройство и назначение, схема конструкции

Трансформатор – это электрическая статическая машина, предназначаемая для изменения характеристик напряжения или тока. Название говорящее – трансформировать – значит преобразовывать. Впрочем, трансформации подвергаются только силовые характеристики тока, частота и форма при этом не изменяются.

Состоит эта машина из нескольких основных частей:

Корпус или магнитопровод – представляет собой сердечник из металлических пластинок, плотно сжатых между собой, изготавливаются из мягкой трансформаторной стали, а в отдельных случаях, из специального состава ферромагнетика.
Первичной обмотки – катушка, размещенная на магнитопроводе, по ней пропускается ток, характеристики которого нужно изменить;
Вторичная обмотка – также катушка, но с проводами других характеристик, в которой индуцируется ток с другими, заранее рассчитанными параметрами.

Принцип работы и область применения

В электромагнитную схему трансформатора входят две обмотки и замкнутый сердечник, выполняемый из трансформаторных листовых материалов. Ток, проходящий по первичной катушке, возбуждает в сердечнике электромагнитную индукцию.

Пересекая провода вторичной катушки, она индуцирует в ней ток, соответствующий параметрам вторичной обмотки. Таких катушек может быть несколько с разными характеристиками (количество витков, сечение провода, материал), соответственно и результат индукции будет различным.

Трансформаторы используются в энергообеспечении народного хозяйства в различных областях:

Для передачи и преобразования электроэнергии:
- Передача электроэнергии на далекие расстояния и ее разделение между пользователями. Передача электричества по сетям непосредственно после генерации связана с большими его потерями. Генераторы дают напряжение 6-24 кВ, а передача, во избежание потерь, осуществляется при напряжении от 110 до 750 кВ. Для получения таких характеристик применяются повышающие трансформаторы.
- Когда электроэнергия по ЛЭП доходит до потребителя, она поступает на понижающие трансформаторные станции, где производится понижение напряжения и мощности в соответствии с потребностями для группы потребителей, а затем распределяется на другие трансформаторные подстанции, например, районного значения. Дальнейшее распределение энергии зависит от потребности того или иного объекта или их группы.
Для правильного включения вентилей в преобразователях, что позволяет согласовать величину напряжения на выходах и входах устройства. Их название – преобразовательные.
Для выполнения различных операций технологических процессов, например – сварки, в электролизных производствах, в обеспечении работы электросталеплавильных агрегатов и других.
Обеспечение работы схем и приборов радиоаппаратуры, электроники, средств связи, бытового электрооборудования и многого прочего.
Для подключения электроизмерительных приборов и отдельных аппаратов (реле, коммандеры и др.) в цепи высокого напряжения для обеспечения измерений и электробезопасности объектов. Такие трансформаторы образуют отдельный класс – измерительные.

Устройство

Магнитная схема

Сердечник трансформатора

Конфигурация магнитной схемы разделяет эти устройства на три класса:

тороидальные;
броневые;
стержневые;

Стержень представляет собой ту часть магнитопровода, на которой размещены обмотки, остальная часть называется «ярмо». В виде стержневых изготавливаются трансформаторы большой и средней мощности.

Это связано также с более простой схемой охлаждения такой машины. Магнитопроводы обычно производятся из листовой электротехнической стали толщиной 0,25-0,5 мм. Листовые детали соединяются между собой электротехническим изолирующим лаком. Это делается для уменьшения влияния вихревых токов на работу магнитопровода.

Маломощные и микротрансформаторы обычно производят броневыми, поскольку они в изготовлении дешевле стержневых из-за меньшего числа катушек и технологичности изготовления.

Одним из преимуществ тороидальных трансформаторов является магнитная схема без зазоров. Этим обусловлено низкое магнитное сопротивление магнитопровода таких преобразователей.

Обмотки

Чем ближе расположены обмотки по отношению друг к другу, тем надежнее магнитная связь между ними. Поэтому их принято наматывать одну поверх другой. Такие катушки называются концентрическими.

В зависимости от конструкции, обмотки могут быть расположены последовательно. Эти называются дисковыми. Исполнение зависит от особенностей трансформатора и его назначения.

Мощные статические машины выделяют много тепла и нуждаются в интенсивном охлаждении.

Виды преобразователей

Силовой трансформатор

Предназначается для изменения параметров потока электричества в сетях, используемых для потребления. Необходимость их использования связана с потребностью понижения мощности (до 760 кВ) подводящих сетей в потребительскую мощность городского хозяйства (220/380 В). Силовой преобразователь переменного тока предназначается для изменения силы тока прямым воздействием в сети.

Автотрансформатор

Отличен от предыдущего тем, что обмотки в нем соединяются не только через индукционные потоки, но и непосредственно одна с другой. Вторичная обмотка имеет несколько выводов (но не менее трех), подключение к ним в различных комбинациях ведет к получению различного напряжения.

Преимуществом такой конструкции является повышенный КПД устройства, потому что изменению подвергается только часть энергии. Это эффективно при небольшом различии напряжений на входе и выходе.

Несовершенство этих устройств состоит в том, что между обмотками нет изоляции. Применение оправдано при надежном заземлении в сетях до 115 кВ и небольшим коэффициентом трансформации – в пределах 3-4 раз. Габаритные размеры магнитопровода и обмоток у таких машин меньше, следовательно, они экономичнее в производстве.

Трансформатор напряжения

Этот вид преобразователя питается от соответствующего источника. Применяется обычно для изменения высокого напряжения на пониженное в цепях автоматики или релейной защиты. Использование связано с необходимостью ограждения низковольтных участков схем от повышенного напряжения.

Трансформаторы тока

Здесь первичная катушка получает питание от источника тока. Применяется для понижения тока в устройствах релейной защиты и измерителях. Вместе с тем, производится гальваническая развязка. Как правило, ток на вторичной катушке составляет величину 1А или 5А.

Первичную катушку включают в одну цепь с нагружением, подлежащем контролю, а к вторичной катушке подключаются приборы контроля, либо релейные устройства. Идеальный режим работы вторичной обмотки близок к короткому замыканию. Если происходит замыкание вторичной катушки, возникающее напряжение настолько велико, что повреждает подключенные к ней элементы.

Разделительные трансформаторы

Обмотки таких машин не связаны между собой. Такие преобразователи применяются для улучшения условий безопасности функционирования сетей при замыкании, срабатывает гальваническая развязка.

Импульсные преобразователи

Предназначаются для реформирования сигналов в виде коротких (до 10 миллисекунд) импульсов с максимальным сохранением их формы. В основном применяется для передачи импульсов, характерных прямоугольной формой. Как правило, главное требование к этому преобразователю – передача кратковременного импульса в максимально сохраненной форме, при этом, изменение его амплитуды и полярности несущественно.

Согласующие трансформаторы

Используются при согласовании нагрузок различных участков с максимальным сохранением формы сигнала. Вместе с тем, использование такого преобразователя дает гальваническую развязку разных участков электронных схем.

Пик-трансформатор

Машина, обеспечивающая изменение синусоидальных напряжений в импульсные. При этом, происходит изменение полярности в каждом полупериоде.

Сдвоенный дроссель

Конструктивно выполняется в виде преобразователя с одинаковыми обмотками. Учитывая индуктивное влияние катушек друг на друга, он заметно эффективнее обычного дросселя. Распространены как входные фильтры БП блоков питания в звуковых схемах.

Статья была полезна?

0,00 (оценок: 0)

Трансформаторы, их виды и назначение

Что такое трансформатор
Принцип работы трансформатора
Виды трансформаторов
Режимы работы трансформатора
Уравнения идеального трансформатора
Магнитопровод трансформатора
Обмотка трансформатора
Применение трансформаторов
Схема трансформатора

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.

В начало

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.

В начало

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.

В начало

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.

В начало

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.

В начало

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.

В начало

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.

В начало

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.).

В начало

Схема трансформатора

Изоляция трансформатора на основе безматричной вакуумной пропитки и работает в среде с высокой влажностью воздуха и в химически агрессивной атмосфере.
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.
Устойчивость трансформатора к загрязнениям благодаря конвекционным самоочищающимся дискам обмотки.
Большая длина утечки по поверхности дисков обмотки, которые создают эффект изоляционных барьеров.
Устойчивость трансформатора к температурной ударной нагрузке даже при крайне низких температурах (-50°С).
Керамические блоки прокладки (без возможности возгорания) между дисками обмотки.
Изоляция проводников стекло-шелк.
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.
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.
Изоляционный цилиндр сделан и практически негорючего и самозатухающего материала, армированного стекловолокном.
Обмотка низкого напряжения из стандартного провода или фольги; в качестве материала обмотки используется медь.
Динамическая устойчивость трансформатора к коротким замыканиям обеспечивается керамическими изоляторами.

В начало

Однофазные трансформаторы

: принципы работы и применение

Трансформаторы

широко используются в электронных компонентах, поскольку они могут преобразовывать напряжение с одного уровня мощности на другой, не влияя на частоту. По этой причине они обычно используются в бытовой технике. Несмотря на то, что существует множество различных типов трансформаторов, все они основаны на концепции корпуса, предназначенного для экранирования электромагнитных полей, известного как клетка Фарадея.Вот подробности об однофазном трансформаторе и о том, как он защищает электрооборудование.

Как работает однофазный трансформатор Однофазный трансформатор — это электронный компонент, который работает от однофазного переменного тока, поскольку цикл напряжения происходит в пределах единой временной фазы. Он обычно используется для снижения сигналов на большие расстояния как для легких коммерческих, так и для бытовых электронных устройств. Вот шаги, связанные с этим процессом:

Внешний источник переменного тока создает переменное электромагнитное поле через первичную обмотку
электромагнитное поле коллапсирует в железном сердечнике, связывая поток в обеих обмотках
мощность индуцируется через вторичную обмотку, подключенную к нагрузке с частотой 60 Гц
Закон Фарадея определяет наведенное напряжение и амперы, которые могут изменяться в зависимости от характера первичной и вторичной обмоток
Внешние радиопомехи (RFI) экранированы для защиты электронного оборудования

Первичная и вторичная обмотки обычно изготавливаются из изолированного медного провода и должны быть изолированы от железного сердечника, имеющего высокую проницаемость.Максимальное напряжение, которое можно использовать для однофазной сети, регулируется коммунальными предприятиями и промышленными правилами. Прежде чем принять решение о том, использовать ли однофазные или трехфазные трансформаторы, вы должны проверить спецификации производителя на использование электронных компонентов или проконсультироваться со специалистом-электриком.

Приложения

Понижающее локализованное распределение электроэнергии
телевизоры регулирующие напряжение
низковольтные электронные устройства
Повышающая мощность в домашних инверторах
Негородские районы, где спрос на электроэнергию ниже
Торговое и жилое осветительное и отопительное оборудование

Заключение При принятии решения о том, использовать ли однофазный или трехфазный трансформатор, вы должны учитывать диапазон рабочих частот, номинальное напряжение обмоток, номинальную мощность, номинальный ток вторичной обмотки и требования к температуре.Основное преимущество однофазных трансформаторов по сравнению с трехфазными — более низкая стоимость. Трехфазные трансформаторы используются в системах большой мощности, а однофазные трансформаторы больше подходят для более легкого оборудования.

Международный союз компонентов

Allied Components International специализируется на разработке и производстве широкого спектра стандартных магнитных компонентов и модулей, таких как индукторы для микросхем, магнитные индукторы на заказ и трансформаторы на заказ.Мы стремимся предоставлять нашим клиентам продукцию высокого качества, обеспечивать своевременные поставки и предлагать конкурентоспособные цены.

Мы — растущее предприятие в магнитной индустрии с более чем 20-летним опытом.

Трансформатор

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

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

Основные принципы

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

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

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

Где,

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

\ (N \) = Количество витков провода

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Трансформаторы

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

Эффекты нагрузки

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

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

Продолжая наше исследование поведения трансформатора, мы теперь запитаем его от источника постоянного тока переменного тока и изменяем сопротивление нагрузки:

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

Соотношение шагов

Трансформаторы

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

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

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

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

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

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

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

Вот несколько количественных примеров, предполагающих трансформаторы без потерь:

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

Импеданс трансформатора

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

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

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

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

Должно быть достаточно очевидно, что этот сценарий не может существовать в реальном мире. Даже с источником неограниченного тока любой реалистичный трансформатор будет препятствовать току, подаваемому на короткое замыкание на вторичной стороне.Вопрос о том, «сколько тока пройдет через короткое замыкание», на самом деле является вопросом о том, какое сопротивление предлагает трансформатор.

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

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

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

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

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

Расчеты тока короткого замыкания

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

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

Что такое трансформатор? | Определение, принцип работы и типы

Определение трансформатора

Итак, что же такое трансформатор в конце концов? Простое определение трансформатора состоит в том, что это статическое электрическое устройство, которое преобразует электрическую энергию из одной электрической цепи в другую без какого-либо изменения частоты посредством процесса электромагнитной индукции.Интересно отметить, что передача энергии от одной цепи к другой происходит с помощью взаимной индукции, т.е. поток, индуцированный в первичной обмотке, связывается со вторичной обмоткой, что мы объясним позже. Отказ трансформатора также может произойти, если для его работы не будут приняты соответствующие меры.

Основная роль трансформатора заключается в повышении или понижении напряжения в зависимости от ситуации, в которой он установлен.

Работа трансформатора

Работа трансформатора основана на простом принципе взаимной индукции между первичной и вторичной обмотками, которые иначе называются катушками, которые помогают преобразовывать энергию из одной цепи в другую.Теперь давайте попробуем понять общую картину:

Итак, в общем случае первичная обмотка трансформатора получает напряжение переменного по своей природе. Переменный ток, следующий за катушкой, создает непрерывно изменяющийся переменный поток, который создается вокруг первичной обмотки. Затем у нас есть другая катушка или вторичная катушка, которая находится рядом с первичной катушкой, которая связана с первичной, потому что связан некоторый переменный поток. Поскольку поток непрерывно изменяется, он индуцирует ЭДС, индуцированную во вторичной катушке в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея.Если цепь вторичной стороны замкнута, ток будет течь, и это самая основная работа трансформатора.

Конструкция трехфазного трансформатора

Три основных части любого трансформатора — это первичная обмотка, вторичная обмотка и магнитопровод. Теперь мы подробно рассмотрим каждый из этих компонентов.

Первичная обмотка

Это основная обмотка, через которую ожидается поступающий переменный ток. В зависимости от того, является ли трансформатор повышающим или понижающим, конструкция обмотки изменяется соответствующим образом.

Вторичная обмотка

Это обмотка, в которой соединяется поток, создаваемый первичной обмоткой. В этом случае также в зависимости от того, является ли трансформатор повышающим или понижающим трансформатором, конструкция обмотки изменяется соответствующим образом.

Магнитный сердечник

Это требуется для обеспечения пути с низким сопротивлением для магнитного потока, протекающего от первичной обмотки ко вторичной обмотке, чтобы сформировать замкнутую магнитную цепь.Обычно он состоит из CRGOS (холоднокатаная кремниевая сталь с ориентированной зернистостью).

Уравнение трансформатора

Итак, теперь давайте посмотрим на теоретический аспект трансформатора. Для нас важно понять уравнение трансформатора и то, как оно получено, а также различные отношения, которые мы имеем в отношении напряжения, оборотов и поток.

ЭДС, индуцированная в каждой обмотке трансформатора, может быть рассчитана по его уравнению для ЭДС.

Связь потока представлена законом электромагнитной индукции Фарадея.Оно выражается как

Вышеприведенное уравнение можно записать как

, где E _м = 4,44ωΦ _м = максимальное значение e. Для синусоидальной волны среднеквадратичное значение ЭДС определяется как

ЭДС, индуцированная в их первичной и вторичной обмотках, выражается как (Wb), f — частота в герцах (Гц), а E ₁ и E ₂ в вольтах.

If, B _м = максимальная плотность магнитного потока в Тесла (Тл)

A = площадь поперечного сечения сердечника в квадратных метрах (м ²)

Обмотка, имеющая более высокую Номер напряжения имеет высокое напряжение, а первичная обмотка имеет низкое напряжение.

Соотношение напряжений и оборотов

Отношение E / T называется вольт на оборот. Первичное и вторичное вольт на виток определяется формулой

Уравнение (1) и (2) показывает, что напряжение на виток в обеих обмотках одинаковое, то есть

Отношение T ₁ / T ₂ называется коэффициентом поворота. Соотношение витков выражается как

Отношение витков первичной обмотки к вторичному, которое равно наведенному напряжению от первичной к вторичной обмотке, показывает, насколько первичное напряжение понижено или повышено.Коэффициент трансформации или коэффициент наведенного напряжения называется коэффициентом трансформации и обозначается символом a. Таким образом,

Любое желаемое соотношение напряжений может быть получено путем изменения числа витков.

Типы трансформаторов

Поскольку трансформаторы используются, вероятно, в каждой области, они представляют собой различные типы трансформаторов в зависимости от нескольких факторов, таких как конструкция трансформатора, применение, область, в которой он используется, конечное назначение трансформатора и т. Д.и т. д.

Теперь мы рассмотрим каждый из них более подробно:

Классификация трансформаторов на основе уровней напряжения

Это, вероятно, самая основная форма классификации, когда дело доходит до трансформаторов, независимо от того, является ли это ступенькой выше. или понижающий трансформатор.

Повышающий трансформатор

Как следует из названия, повышающие трансформаторы используются для увеличения напряжения на вторичной стороне трансформатора. Это достигается за счет большего количества витков на вторичной обмотке трансформатора по сравнению с первичной обмоткой трансформатора.Такой тип трансформатора обычно используется на генерирующих станциях, где напряжение генератора, как правило, составляет 23,5 кВ, повышается до 132 кВ или более.

Понижающий трансформатор

Как следует из названия, понижающие трансформаторы используются для понижения напряжения на вторичной стороне трансформатора. Это достигается за счет меньшего количества витков на вторичной обмотке трансформатора по сравнению с первичной обмоткой трансформатора. Трансформаторы такого типа обычно используются в распределительных сетях, где сетевое напряжение с 11 кВ понижается до 415 В для бытового или коммерческого использования.

Классификация трансформатора на основе Core Medium

Теперь в зависимости от сердечника между первичной и вторичной обмоткой обмотки трансформатора трансформаторы классифицируются как с воздушным сердечником или железным сердечником.

Трансформаторы с воздушным сердечником

Первичная и вторичная обмотки трансформатора намотаны на магнитную ленту, а магнитная связь между ними осуществляется по воздуху. Этот тип трансформаторов обычно не является предпочтительным, поскольку взаимная индуктивность значительно меньше по сравнению с сердечником, поскольку сопротивление, обеспечиваемое воздушным сердечником, очень велико.Но интересно отметить, что гистерезис и потери на вихревые токи полностью устранены.

Железный сердечник

Первичная обмотка и вторичная обмотка размещены на железном сердечнике, который обеспечивает идеальную связь потока между ними. Этот тип трансформатора обычно является предпочтительным, поскольку он обеспечивает очень меньшее сопротивление потоку связи из-за его превосходных магнитных свойств, что делает общий КПД трансформатора намного выше по сравнению с трансформатором с воздушным сердечником.

Классификация трансформаторов на основе использования

Трансформаторы далее классифицируются в зависимости от области применения; мы подробно рассмотрим каждый из них:

Силовой трансформатор

Это те трансформаторы, которые используются в передающих сетях, работающих при очень высоких уровнях напряжения и используются либо для повышающих, либо для понижающих приложений. Класс напряжения включает 400 кВ, 200 кВ, 110 кВ, 66 кВ, 33 кВ и обычно имеет номинальное значение выше 200 МВА.

Поскольку они используются для передачи при большой нагрузке и напряжении более 33 кВ, они имеют большие размеры, поскольку требуется высокая изоляция. Они также предназначены для работы со 100% -ным КПД, чтобы избежать потерь при передаче.

Чтобы избежать потерь при передаче или I2r, они спроектированы таким образом, чтобы сердечник использовался по максимуму, а потери в стали равны потерям в меди при нагрузке утечки для достижения максимальной эффективности.

Распределительный трансформатор

Судя по названию, такой тип трансформаторов используется в распределительных сетях низкого напряжения как средство обеспечения энергией конечного пользователя. Класс напряжения для распределительного трансформатора составляет 11 кВ, 6,6 кВ, 3,3 кВ, 440 В и 230 В и обычно составляет менее 200 МВА.

Этот тип трансформатора используется для питания промышленных предприятий при напряжении 33 кВ или для бытовых целей при напряжении 415 В. Они работают с более низким КПД, составляющим 50-70%, и имеют небольшие размеры, поскольку требуемая изоляция меньше по сравнению с силовым трансформатором.

Распределительный трансформатор можно дополнительно классифицировать по типу изоляции: жидкостный трансформатор или трансформатор сухого типа.

Жидкостный трансформатор

Этот тип распределительного трансформатора использует масло в качестве охлаждающей жидкости внутри корпуса трансформатора. Обмотки погружены в трансформатор, а изоляционное масло помогает поддерживать температуру внутри. Следует отметить, что изоляционное масло со временем ухудшается, и его необходимо обрабатывать через некоторое время, потому что значение BDV (напряжение пробоя) падает из-за образования осадка в масле.

Более того, они должны находиться в строгом режиме технического обслуживания и проверяться на наличие утечек в течение многих лет эксплуатации. Далее они подразделяются в зависимости от схем охлаждения:

Масло Натуральное воздушное Натуральное (ONAN)

Масло Натуральное воздушное принудительное (ONAF)

Масло принудительное воздушное принудительное (OFAF)

Масло принудительное водное принудительное (OFWF)

Сухой трансформатор

Как следует из названия, в трансформаторах этого типа в качестве изоляционной среды используется масло, а не трансформаторы с воздушным охлаждением, а обмотки изготовлены из изоляции классов F и H.Обычно они предпочитают выбирать трансформатор, когда приложение находится внутри здания или в месте, где безопасность является наивысшим приоритетом. Они также очень компактны по сравнению с масляным трансформатором, поскольку к ним не прикреплены радиаторы для охлаждения. В зависимости от того, как они охлаждаются, они подразделяются на два типа:

Air Natural (AN)

Air Blast

Измерительный трансформатор

Этот тип трансформатора используется для регистрации напряжения и тока в местах прямого измерения невозможны из-за очень высокой стоимости.Поэтому приборный трансформатор используется для понижения этих токов / напряжений с целью измерения. Есть два типа:

Трансформаторы тока

Эти типы трансформаторов используются для того, чтобы амперметры катушек других инструментов не были напрямую подключены к линиям высокого тока или, другими словами, трансформатор тока понижал значения на известное соотношение, чтобы его можно было безопасно зарегистрировать с помощью измерительного устройства.

Трансформаторы потенциала

Они работают более или менее по тому же принципу, что и силовой или распределительный трансформатор.Единственная разница в том, что их мощность невелика и колеблется от 100 до 500 ВА, а сторона низкого напряжения обычно намотана на 115–120 В

Часто задаваемые вопросы по трансформаторам

Почему мы слышим гудящий звук возле трансформатора?

Отв. Это происходит из-за явления, которое с научной точки зрения называется магнитострикцией, когда магнитная сталь, используемая в сердечнике, расширяется при намагничивании и сжимается при размагничивании в течение полного цикла намагничивания.Несмотря на то, что они крошечные пропорционально и поэтому обычно не видны невооруженным глазом, их достаточно, чтобы вызвать вибрацию и, следовательно, шум.

Могут ли трансформаторы работать при напряжениях, отличных от номинальных?

Отв. Они могут работать при напряжении ниже номинального, но ни в коем случае не выше номинального напряжения до тех пор, пока они не будут снабжены устройством РПН. Следует отметить, что если трансформатор работает ниже номинального напряжения, мощность LVA также будет соответственно уменьшена.

Может ли трансформатор, рассчитанный на 60 Гц, работать на частоте 50 Гц?

Отв. Трансформатор, рассчитанный на 60 Гц, не может работать на частоте 50 Гц, так как будут возникать большие потери, что также приведет к более высокому повышению температуры и сокращению срока службы. Но, с другой стороны, трансформатор с номинальной частотой 50 Гц может работать на частоте 60 Гц.

Почему трансформаторы рассчитаны в кВА, а не в кВт?

Отв. Когда мы говорим о трансформаторе, у нас есть два типа потерь: потери в стали и потери в меди.Теперь, поскольку потери в стали зависят от напряжения, а потери в меди от тока, общие потери зависят от напряжения и тока, и коэффициент мощности не учитывается. Трансформаторы указаны в кВА, так как кВт будет включать коэффициент мощности.

Могут ли 3-фазные трансформаторы работать параллельно?

Отв. Да, они могут работать параллельно при условии, что они имеют одинаковый импеданс, номинальное напряжение и одинаковую полярность.

Прочтите наши другие интересные статьи по электротехнике здесь

Введение в трансформаторы | Строительство, работа, приложения

В этом руководстве мы увидим краткое введение в трансформаторы.Мы узнаем, что такое электрический трансформатор, конструкция трансформатора, принцип его работы, классификации трансформаторов, потери и КПД, а также некоторые области применения.

Введение в трансформаторы

Трансформатор — одно из наиболее распространенных устройств в электрической системе, которое связывает цепи, работающие при разных напряжениях. Они обычно используются в приложениях, где требуется преобразование переменного напряжения с одного уровня напряжения на другой.

С помощью трансформатора в цепях переменного тока можно уменьшить или увеличить напряжение и ток в зависимости от требований электрического оборудования, устройства или нагрузки. В различных приложениях используется широкий спектр трансформаторов, включая силовые, измерительные и импульсные трансформаторы.

В целом трансформаторы делятся на два типа, а именно, электронные трансформаторы и силовые трансформаторы. Рабочие напряжения электронных трансформаторов очень низкие и рассчитаны на низкие уровни мощности.Они используются в бытовом электронном оборудовании, таком как телевизоры, персональные компьютеры, CD / DVD-плееры и другие устройства.

Термин «силовой трансформатор» относится к трансформаторам с высокими номиналами мощности и напряжения. Они широко используются в системах выработки, передачи, распределения и коммунальных услуг для повышения или понижения уровней напряжения. Однако работа этих двух типов трансформаторов одинакова. Итак, давайте подробнее остановимся на трансформаторах.

Что такое электрический трансформатор?

Трансформатор — это статическое устройство (то есть не имеющее движущихся частей), которое состоит из одной, двух или более обмоток, которые связаны магнитным полем и электрически разделены с магнитным сердечником или без него.Он передает электрическую энергию от одной цепи к другой по принципу электромагнитной индукции.

Обмотка, подключенная к основному источнику переменного тока, называется первичной обмоткой, а обмотка, подключенная к нагрузке или от которой отводится энергия, называется вторичной обмоткой. Эти две обмотки с надлежащей изоляцией намотаны на многослойный сердечник, который обеспечивает магнитный путь между обмотками.

Когда первичная обмотка запитана источником переменного напряжения, в сердечнике трансформатора будет создаваться переменный магнитный поток или поле.Эта амплитуда магнитного потока зависит от величины приложенного напряжения, частоты источника питания и количества витков на первичной стороне.

Этот поток циркулирует по сердечнику и, следовательно, связан со вторичной обмоткой. Основанное на принципе электромагнитной индукции, эта магнитная связь индуцирует напряжение во вторичной обмотке. Это называется взаимной индукцией между двумя цепями. Напряжение вторичной обмотки зависит от количества витков вторичной обмотки, а также от магнитного потока и частоты.

Трансформаторы

широко используются в электроэнергетических системах для создания переменных значений напряжения и токов с одинаковой частотой. Следовательно, за счет соответствующего соотношения витков первичной и вторичной обмоток трансформатор получает желаемое соотношение напряжений.

Наверх

Строительство трансформатора

Основными частями трансформатора являются сердечник, обмотки, контейнер или бак, вводы, расширитель и радиаторы.

Ядро

Для приложений с большой мощностью сердечник трансформатора изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью, который обеспечивает путь с низким сопротивлением для магнитного потока.Поперечное сечение жилы может быть квадратным или прямоугольным.

Обычно трансформаторы с железным сердечником обеспечивают лучшее преобразование мощности по сравнению с трансформаторами с воздушным сердечником. Трансформаторы с воздушным сердечником используются для высокочастотных применений (выше 2 кГц), тогда как для низкочастотных применений (ниже 2 кГц) используются трансформаторы с железным сердечником.

Во всех типах трансформаторов сердечник изготовлен из кремнистой стали или листовой стали, собранных так, чтобы обеспечить непрерывный магнитный путь для магнитного потока.С этим слоистым сердечником потери на вихревые токи сведены к минимуму.

Толщина этих многослойных стальных листов составляет от 0,35 до 5 мм, они изолированы лаком, оксидом или фосфатом, а затем формируются в виде сердечника.

Для улучшения магнитных свойств используется горячекатаная сталь с ориентированным зерном (HRGO), холоднокатаная сталь с ориентированным зерном (CRGO) или листы с высоким содержанием B (HiB). В случае небольших трансформаторов сердечник сконструирован из горячекатаных листов кремнистой стали в форме E, и используются I, C и I или O.

Обмотки

Как правило, (двухобмоточный) трансформатор имеет две обмотки, а именно первичную и вторичную обмотки, которые сделаны из высококачественной меди.

Изолированные многожильные проводники используются в качестве обмоток для проведения больших токов. Эта изоляция позволяет избежать контакта витков с другими витками.

Напряжение, подключенное к первичной обмотке, называется первичным напряжением, тогда как индуцированное напряжение во вторичной обмотке называется вторичным напряжением. Если вторичное напряжение больше первичного, оно называется повышающим трансформатором, а если меньше — понижающим трансформатором.Поэтому обмотки обозначаются как обмотки ВН и НН в зависимости от уровня напряжения.

По сравнению с обмоткой НН, обмотка ВН требует большей изоляции, чтобы выдерживать высокие напряжения, а также большего зазора между сердечником и корпусом.

Катушки трансформатора могут быть концентрическими или многослойными. Концентрические катушки используются в трансформаторах с сердечником, тогда как многослойные катушки используются в трансформаторах с корпусом. При концентрическом расположении обмотка НН размещается рядом с сердечником, а обмотка ВН размещается вокруг обмотки НН для обеспечения низких требований к изоляции и зазорам.Наиболее часто используемые катушки для трансформатора включают спиральные, многослойные, дисковые и перекрестные катушки.

Другими необходимыми частями трансформатора являются расширительный бак, который используется для обеспечения необходимого хранения масла, чтобы давление масла при больших нагрузках стабилизировалось. Когда масло в трансформаторе нагревается, естественно, масло расширяется и сжимается. При этом масло подвергается сильному давлению, поэтому без расширительного бака существует вероятность взрыва трансформатора.

Проходные изоляторы обеспечивают изоляцию выходных клемм, снимаемых с обмоток трансформатора. Это могут быть фарфоровые вводы или вводы конденсаторного типа, которые выбираются в зависимости от уровня рабочего напряжения. Из-за простой, прочной и прочной конструкции трансформаторы требуют небольшого обслуживания. Из-за отсутствия движущихся частей КПД трансформатора очень высок, который может варьироваться от 95% до 98%.

Наверх

Классификация трансформаторов

Трансформаторы

подразделяются на несколько типов в зависимости от различных факторов, включая номинальное напряжение, конструкцию, тип охлаждения, количество фаз в системе переменного тока, место, где он используется, и т. Д.Давайте обсудим некоторые из этих типов трансформаторов.

на основе функции

Трансформаторы

делятся на два типа в зависимости от уровня преобразования напряжения. Это повышающие и понижающие трансформаторы.

Повышающие трансформаторы

В повышающем трансформаторе вторичное напряжение больше первичного. Это связано с меньшим количеством катушек в первичной обмотке по сравнению с вторичной. Этот тип трансформатора используется для повышения напряжения до более высокого уровня.Они используются в системах передачи и рассчитаны на более высокие уровни мощности.

Понижающие трансформаторы

В понижающем трансформаторе вторичное напряжение меньше первичного из-за меньшего количества витков вторичной обмотки. Следовательно, этот тип трансформатора используется для понижения напряжения до определенных уровней цепи. В большинстве источников питания используется понижающий трансформатор, чтобы поддерживать рабочий диапазон схемы на уровне указанного более безопасного предела напряжения. Эти типы трансформаторов используются в распределительных системах (силовые трансформаторы) и в электронных схемах (электронные трансформаторы).

Следует отметить, что трансформатор является обратимым устройством, поэтому его можно использовать как повышающий, так и понижающий трансформатор. Например, если цепи требуется высокое напряжение, мы подключим клеммы ВН к нагрузке, тогда как нагрузке или цепи требуется низкое напряжение, мы подключим клеммы НН к нагрузке.

Соотношение напряжений трансформатора определяется соотношением витков. Чем больше витков в обмотке, тем выше будет создаваемое в ней напряжение.Следовательно, понижающий трансформатор имеет меньшее количество витков на вторичной обмотке для получения низкого напряжения и больше витков на первичной обмотке, чтобы выдерживать высокие уровни напряжения источника переменного тока.

Соотношение витков = напряжение первичной обмотки / напряжение вторичной обмотки = число витков первичной обмотки / число витков вторичной обмотки

Передаточное отношение витков, VP / VS = NP / NS

На основе конструкции сердечника

По конструкции трансформаторы подразделяются на два типа по способу размещения обмоток вокруг сердечника.Это трансформаторы с сердечником и оболочкой.

Тип сердечника трансформатора

В трансформаторе этого типа обмотки окружают значительную часть сердечника. Обычно распределительные трансформаторы бывают сердечникового типа. Некоторые из крупных силовых трансформаторов имеют корпусный тип.

В трансформаторах с сердечником используются цилиндрические катушки с формованной обмоткой, и эти катушки могут быть прямоугольными, овальными или круглыми. Для трансформатора с сердечником небольшого размера используется простой прямоугольный сердечник с цилиндрической катушкой круглой или прямоугольной формы.

А для трансформатора с сердечником большого размера используется крестообразный сердечник с круглыми или круглыми цилиндрическими катушками. В большинстве трансформаторов с сердечником используются цилиндрические катушки из-за их механической прочности. Эти цилиндрические катушки намотаны спиральными слоями и изолированы друг от друга изолирующими материалами, такими как ткань, бумага, слюда и т. Д.

Обмотку НН изолировать проще, чем обмотку ВН; следовательно, он расположен ближе к сердцевине.

Трансформатор корпусного типа

В трансформаторе с оболочкой железный сердечник окружает значительную часть медной обмотки, как это происходит в трансформаторе с сердечником.В этом типе катушки также предварительно намотаны, но представляют собой многослойные катушки дискового типа, намотанные в виде блинов. Эти многослойные дисковые катушки в разных слоях разделены друг от друга бумагой. Вся обмотка состоит из уложенных друг на друга дисков, а между катушками предусмотрено изоляционное пространство для образования горизонтальных изолирующих и охлаждающих каналов.

Трансформатор Berry — это наиболее часто используемый трансформатор кожухотного типа. В корпусном типе сердечник имеет три плеча, а обмотки намотаны вокруг центрального плеча.Обмотки как низкого, так и высокого напряжения разделены на разные катушки, которые расположены поочередно. Между обмотками НН зажаты обмотки ВН. Опять же, чтобы снизить требования к изоляции, обмотки низкого напряжения размещаются рядом с сердечником. Этот тип конструкции предпочтителен для трансформаторов с высокими номиналами.

в зависимости от характера поставки

В зависимости от типа источника питания трансформаторы могут быть одно- или трехфазными. Однофазные трансформаторы предназначены для работы в однофазной системе; поэтому он имеет две обмотки для преобразования уровней напряжения.Они используются на удаленных концах системы распределения электроэнергии. Они имеют меньшую номинальную мощность по сравнению с трехфазными трансформаторами. Для этого типа трансформатора в основном используется конструкция с сердечником.

Для работы с трехфазной системой нам потребуется три однофазных трансформатора. Таким образом, из соображений экономической выгоды трехфазный трансформатор рассматривается для трехфазного режима работы. Он состоит из трех обмоток или катушек, которые подключены надлежащим образом в соответствии с входным напряжением. В этом типе трансформаторов первичная и вторичная обмотки подключаются по схеме звезда-треугольник или треугольник-звезда в зависимости от требований к напряжению нагрузки

на основе использования

Трансформатор силовой
Распределительный трансформатор
Измерительный трансформатор

Другие типы трансформаторов

По типу охлаждения они классифицируются как

Трансформатор с воздушным охлаждением
Трансформатор с воздушным охлаждением
Масляный трансформатор с самоохлаждением
Масляный трансформатор с водяным охлаждением
Масляный трансформатор с принудительным масляным охлаждением

Наверх

Принцип работы трансформатора

Работа трансформатора основана на принципе взаимной индукции между двумя катушками или обмотками, которые связаны общим магнитным потоком.Когда первичная обмотка запитана от источника переменного тока, в первичной обмотке устанавливается магнитный поток.

Этот поток связан как с первичной, так и с вторичной обмотками, поскольку сердечник обеспечивает путь с низким сопротивлением для магнитного потока. Следовательно, большая часть потока, создаваемого первичной обмоткой, связана с вторичной обмоткой. Это называется основным потоком или полезным потоком. Кроме того, поток, который не связан с вторичной обмоткой, называется потоком рассеяния. Большинство трансформаторов имеют низкий поток утечки для уменьшения потерь.

Согласно законам электромагнитной индукции Фарадея, эта магнитная связь как с первичной, так и с вторичной обмотками индуцирует в них ЭДС. Эта ЭДС, наведенная в каждой обмотке, пропорциональна количеству витков в ней. Напряжение или ЭДС, индуцированное в первичной обмотке, называется обратной ЭДС, которая противодействует входному напряжению питания до такой степени, что первичный ток не протекает.

Но небольшой ток намагничивания протекает через первичную обмотку трансформатора. ЭДС, наведенная во вторичной обмотке, представляет собой напряжение холостого хода.Если вторичная цепь замкнута или нагрузка подключена, вторичный ток начинает течь через нее, что приводит к созданию размагничивающего магнитного потока. Из-за этого размагничивающего потока возникает дисбаланс между приложенным напряжением и обратной ЭДС.

Чтобы восстановить баланс между этими двумя, от источника питания потребляется больше тока, так что эквивалентное магнитное поле создается для баланса с вторичным полем.

Поскольку одинаковый взаимный поток разрезает обе обмотки, ЭДС, индуцированная в каждом витке обеих обмоток, одинакова.Следовательно, общая наведенная ЭДС в каждой обмотке должна быть пропорциональна количеству витков в этой обмотке. Это оказывается для установления известной зависимости между наведенной ЭДС и числом витков. И дается как

E1 / E2 = N1 / N2

Поскольку напряжения на клеммах обеих обмоток немного отличаются от их наведенных ЭДС, мы можем записать как

V1 / V2 = N1 / N2

Это называется коэффициентом трансформации трансформатора. Это значение преобразования больше единицы в случае повышающего трансформатора и меньше единицы в понижающем трансформаторе.

По амперам оборотам баланса,

I1N1 = I2N2

I1 / I2 = N2 / N1

Наверх

Схема эквивалента трансформатора

Эквивалентная схема машины или устройства — это просто интерпретация уравнений, объединяющих постоянные и переменные резисторы и реактивные сопротивления, что точно имитирует или полностью описывает поведение машины.

Как правило, проблемы, связанные с напряжением и током трансформатора, могут быть решены с помощью векторных диаграмм.Однако, чтобы упростить вычисления, очень удобно представить трансформатор эквивалентной схемой.

Применяя теорию прямых цепей к этой эквивалентной схеме, мы можем легко определить ток и напряжение в трансформаторе.

На приведенном выше рисунке показана эквивалентная схема трансформатора, в которой предполагается, что сопротивление и реактивное сопротивление как первичной, так и вторичной обмоток являются внешними (показаны отдельно) по отношению к обмотке.Ток холостого хода Io представляет собой комбинацию намагничивающей составляющей Iu и активной составляющей Iw.

Следовательно, влияние тока намагничивания представлено как Xo, а влияние активного компонента или компонента потерь в сердечнике представлено неиндуктивным резистивным Ro. И Ro, и Xo подключены через первичную обмотку, как показано на рисунке. Эта параллельная комбинация называется эквивалентной схемой при отсутствии нагрузки.

Когда нагрузка подключена к вторичной обмотке, ток I2 начинает течь через вторичную цепь и вызывает падение напряжения на X2 и R2.Как упоминалось выше, из-за вторичного тока I2 первичная обмотка потребляет больше тока. Таким образом, первичный ток I1 вызывает значительное падение на R1 и X1.

Для упрощения расчетов эквивалентная схема дополнительно упрощена путем переноса вторичных сопротивлений и реактивных сопротивлений на первичную сторону, так что на соотношение E2 / E1 не влияет ни фаза, ни величина.

Первичный эквивалент вторичной ЭДС

E2 ’= E2 / K

Где K — коэффициент трансформации

Аналогично первичный эквивалент вторичного напряжения на клеммах

V2 ’= V2 / K

Первичный эквивалент вторичного тока

I2 ’= I2 / K

Пусть R2 ’- это сопротивление, передаваемое на первичную сторону, которое вызывает падение в первичной обмотке, такое же, как и во вторичной обмотке.Итак, I2’R2 ’- это падение напряжения в первичной обмотке на R2’. Оказывается, соотношение I2’R2 ’и I2R2 должно быть таким же, как и отношение N1 / N2 (отношение оборотов).

Следовательно,

(I2’R2 ’) / (I2R2) = (N1 / N2) = (1 / K)

R2 ’= R2 × (I2 / I2’) × (1 / K)

Но (I2 / I2 ’) = (N1 / N2) = (1 / K)

Следовательно, R2 ’= R2 / K ²

Аналогично, X2 ’= X2 / K ²

Таким же образом сопротивления нагрузки и реактивные сопротивления могут быть перенесены на первичную обмотку.Со всеми этими переданными значениями точная эквивалентная схема трансформатора показана ниже.

Также возможно передать первичное сопротивление и реактивное сопротивление (или просто импеданс) вторичной обмотке так же, как вторичное сопротивление и реактивное сопротивление (или импеданс) передаются первичной обмотке. Пусть R1 ’и X1’ — это сопротивление и реактивное сопротивление, передаваемые на вторичную сторону от первичной, тогда

R1 ’= K ² R1

X1 ’= K ² X1

Следует отметить, что ток холостого хода составляет небольшую часть тока полной нагрузки, а также E1 отличается от V1 на небольшую величину, и, следовательно, ток I2 ’практически равен I1.

Итак, падением напряжения из-за тока холостого хода Io на R1 и X1 можно пренебречь. Следовательно, точная эквивалентная схема дополнительно упрощается путем смещения влево параллельной ветви холостого хода, состоящей из Ro и Xo, в крайнее левое положение, как показано на рисунке ниже.

Эта схема называется соответствующей схемой замещения трансформатора относительно первичной обмотки. Следовательно, анализ упрощается за счет добавления последовательных сопротивлений и реактивных сопротивлений.

Наверх

Потери в трансформаторе

Трансформатор не имеет движущихся частей и, следовательно, в нем отсутствуют механические потери.Следовательно, потери в трансформаторе считаются потерями электроэнергии. В трансформаторе существуют два типа электрических потерь: потери в сердечнике и потери в меди.

Потери в сердечнике или в железе

Эти потери включают как гистерезисные, так и вихретоковые потери.

Магнитный поток в сердечнике трансформатора переменный; тем самым он подвергается циклу намагничивания и размагничивания. При этом соответствующая мощность требуется для непрерывного реверсирования элементарных магнитов железного сердечника.Это называется эффектом гистерезиса, и из-за этого происходит значительная потеря энергии.

Потери гистерезиса = K _ч B _м ^1,67 f v Вт

Где,

K _h = Константа гистерезиса

B _м = Максимальная плотность потока

f = частота

v = объем ядра

Поскольку сердечник трансформатора изготовлен из ферромагнитных материалов, которые также являются хорошими проводниками. Следовательно, магнитный поток, связанный с сердечником, вызывает в сердечнике ЭДС.Следовательно, сердечник создает в сердечнике вихревые токи, вследствие чего в сердечнике возникают значительные потери на вихревые токи.

Потери на вихревые токи = K _e B _м ² f ² т ² Вт на единицу объема

Где,

K _e = Вихретоковая постоянная

t = толщина сердечника

Из двух приведенных выше уравнений следует заметить, что напряжение питания при фиксированной частоте является постоянным и, следовательно, поток, в свою очередь, плотность потока в сердечнике почти постоянна.Следовательно, и гистерезис, и потери на вихревые токи постоянны при всех нагрузках. Следовательно, потери в сердечнике также называют постоянными потерями.

Благодаря использованию высококачественных материалов сердечника, таких как кремнистая сталь, имеющая очень низкую петлю гистерезиса, гистерезисные потери минимизированы или уменьшены. С другой стороны, потери на вихревые токи минимизируются за счет использования многослойного сердечника. Эти постоянные потери или потери в сердечнике могут быть измерены путем разомкнутой цепи трансформатора.

Потери меди

Эти потери возникают в сопротивлениях обмоток трансформатора, когда по нему проходит ток нагрузки.Общие потери в меди в трансформаторе рассчитываются путем сложения потерь в меди в первичной и вторичной обмотках. Они обнаруживаются проведением короткого замыкания на трансформаторе.

Другие потери в трансформаторе включают диэлектрические потери и потери паразитной нагрузки. Паразитные потери являются результатом вихревых токов в баке и проводниках обмотки. Диэлектрические потери возникают в изоляционных материалах, таких как масляная и твердая изоляция трансформатора.

Наверх

КПД трансформатора

Это отношение полезной выходной мощности к потребляемой мощности трансформатора, работающего при определенной нагрузке и коэффициенте мощности.

Эффективность = Выход / Вход

= Выход / (Выход + общие потери) или

= (Вход — потери) / Вход

= 1- (Потери / Вход)

Обычно КПД трансформатора находится в диапазоне от 95 до 98%. Из приведенного выше уравнения эффективности можно отметить, что эффективность зависит от ватт, а не от вольт-амперной характеристики. Следовательно, при любом вольт-амперном диапазоне КПД трансформатора зависит от коэффициента мощности. КПД максимален при единичном коэффициенте мощности и определяется путем расчета общих потерь при испытаниях OC и SC.

Наверх

Применение трансформаторов

Повышение или понижение уровня напряжения в системах передачи электроэнергии, таких как системы передачи и распределения.
Для изоляции цепей низкого напряжения от цепей высокого напряжения на подстанциях, цепей управления в промышленности и т. Д.
Измерительные трансформаторы типа трансформаторов тока и напряжения используются в системах защиты и индикации счетчиков.
Они также используются для согласования импеданса.

Наверх

Трансформатор

— принцип работы, конструкция, типы и использование

Трансформатор

— это электрические устройства, которые преобразуют напряжение в более высокое или более низкое значение, в идеале сохраняя постоянную мощность.

Они являются неотъемлемой частью электрической системы, и их применение можно найти практически во всех областях электротехники, от систем электроснабжения до обычных бытовых приборов.

С развитием источников питания переменного тока возникла потребность в трансформаторах.Раньше передача энергии постоянного тока осуществлялась, что приводило к большим потерям и низкой эффективности. С изобретением трансформатора эта проблема была решена, и передача энергии переменного тока стала заметной.

Однако, увеличив напряжение передачи с помощью трансформатора, эта проблема была решена. Повышение напряжения сопровождается уменьшением тока, чтобы поддерживать постоянную мощность в трансформаторе.

А с потерями мощности, прямо пропорциональными квадрату тока, приводит к уменьшению тока в 10 раз, следовательно, уменьшению потерь в 100 раз.Действительно, без трансформаторов мы не смогли бы использовать электроэнергию в том виде, в котором мы ее используем сейчас.

Вот почему мы вырабатываем электроэнергию при напряжении от 11 до 25 кВ, а затем повышаем это напряжение до 132 220 или 500 кВ для передачи с минимальными потерями, а затем понижаем напряжение для безопасного использования в жилых и коммерческих помещениях.

Трансформатор состоит в основном из сердечника, обмоток и бака, однако в некоторых трансформаторах также присутствуют проходные изоляторы, сапуны, радиаторы и расширители.

Сердечник: Сердечник трансформатора изготовлен из мягкого железа или кремнистой стали, что обеспечивает путь с низким сопротивлением (силовые линии магнитного поля могут легко проходить через них).

Сердечники трансформатора ламинированы для уменьшения потерь на вихревые токи, ламинаты обычно имеют толщину от 2,5 мм до 5 мм и изолированы друг от друга и обмоток покрытием из оксида, фосфата или лака. Сердечник состоит из пластин различной формы, таких как E, L, I, C и U.

В трансформаторах кожухового типа сердечник окружает или покрывает обмотки, как оболочка.

В трансформаторах с сердечником обмотки намотаны вокруг двух концов или прямоугольников сердечника.

Обмотки:

Однофазный двухобмоточный трансформатор обычно имеет 2 обмотки, первичную и вторичную обмотки, которые сделаны из высококачественной многожильной меди. Обмотки намотаны на сердечник и полностью не имеют электрического контакта друг с другом.

Их также можно назвать обмотками высокого и низкого напряжения соответственно, причем обмотка высокого напряжения имеет большую изоляцию, чем обмотка низкого напряжения.

BillC в англоязычной Википедии, CC BY-SA 3.0, Link

Основной принцип работы трансформатора — это работа взаимной индукции между первичной и вторичной обмотками, которые связаны общим магнитным потоком через сердечник трансформатора. Сердечник обеспечивает путь для прохождения магнитного потока с низким сопротивлением.

Обмотка, подключенная к источнику, может рассматриваться как первичная обмотка, и ток, который она проводит, может иметь собственное магнитное поле.

Это магнитное поле создается поперек сердечника и меняет направление из-за переменных токов, и теперь согласно закону электромагнитной индукции Фарадея:

«Скорость изменения магнитной связи во времени прямо пропорциональна ЭДС, индуцированная в проводнике или катушке »

Это изменение магнитного поля индуцирует на вторичной катушке напряжение, пропорциональное количеству витков на обмотках. Это можно понять с помощью следующего уравнения:

E = N dϕ / dt

Где

E = наведенная ЭДС

N = количество витков

dϕ = изменение потока

dt = изменение вовремя

Как только вторичная обмотка подключена к нагрузке, цепь замыкается, и через нее начинает течь ток.

Обе обмотки трансформатора, т.е. первичный и вторичный имеют определенное количество витков. Отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки известно как отношение витков.

Идеальный трансформатор — это трансформатор, который дает выходную мощность, точно равную потребляемой мощности. Это означает, что у него нет никаких потерь.

Идеальных трансформаторов не существует, и они используются только для упрощения расчетов трансформаторов.Их соотношение напряжений можно смоделировать с помощью этих простых уравнений:

На самом деле у нас есть трансформаторы, которые состоят из некоторых потерь мощности; следовательно, выходная мощность никогда не равна входной мощности трансформатора.

Реальные трансформаторы имеют некоторое значение сопротивления обмотки, потока утечки, а также имеют потери в меди и сердечнике, которые мы обсуждали здесь .

Эквивалентная схема трансформатора — это упрощенное представление трансформатора, состоящего из сопротивлений и реактивных сопротивлений.

Эквивалентная схема помогает нам в выполнении расчетов трансформатора, поскольку анализ основной схемы теперь может быть применен к трансформатору.

Прочтите нашу последнюю статью, чтобы узнать больше о схеме замещения .

КПД:

КПД трансформатора — это отношение выходной мощности трансформатора к входной мощности.

Он задается как

или

Где

Поскольку выходная мощность всегда будет меньше входной мощности, КПД трансформатора всегда будет находиться в пределах 0–100%, в то время как идеальный трансформатор будет иметь КПД 100%.

Чтобы рассчитать КПД трансформатора по эквивалентной схеме, мы просто добавляем потери в меди и потери в сердечнике к уравнению КПД, чтобы получить следующее уравнение:

Регулировка напряжения:

Также важно знать, что, поскольку трансформатор имеет Последовательные сопротивления внутри него, на нем также будут падать напряжения. Это приведет к изменению выходного напряжения с изменяющейся нагрузкой, даже если входное напряжение остается постоянным.

Величина, которая сравнивает выходное напряжение без нагрузки с выходным напряжением при полной нагрузке, называется регулировкой напряжения.

Его можно рассчитать по следующей формуле:

Где

Следует отметить, что идеальный трансформатор будет иметь регулировку напряжения 0%.

Повышающий трансформатор : Эти трансформаторы повышают нижний уровень напряжения на первичной стороне до более высокого значения на вторичной стороне. В этом случае вторичная обмотка имеет большее количество витков, чем первичная.

Они в основном используются на генерирующих станциях, где генерируемое напряжение около 11 кВ повышается до 132 кВ или более для передачи

Понижающий трансформатор : Понижающие трансформаторы снижают высокое напряжение на первичной стороне до меньшее значение напряжения на вторичной стороне.В этом случае первичная обмотка имеет большее количество витков.

Понижающие трансформаторы используются на сетевых станциях для снижения высокого напряжения передачи до подходящего более низкого значения для распределения и использования. Их также можно найти на наших зарядных устройствах для мобильных устройств.

Другие типы включают силовые трансформаторы, распределительные трансформаторы, трансформаторы с сердечником, одно- и трехфазные трансформаторы, внутренние и внешние трансформаторы. Вы можете проверить наш предыдущий блог, посвященный типам трансформаторов и их применению .

Здесь также важно отметить, что трансформатор будет работать только от переменного тока. Это связано с тем, что постоянный ток (DC) будет создавать постоянное магнитное поле вместо изменяющегося магнитного поля, и, следовательно, во вторичной обмотке не будет индуцироваться ЭДС.

Одной из недавних инициатив AllumiaX является корпоративное спонсорство платформы GeneralPAC, которая предоставляет обучающие материалы по защите, автоматизации и контролю энергосистем. Здесь вы найдете серию видеороликов «Трансформеры».В этой серии статей они рассмотрят введение в соединение трансформатора треугольником-звездой, введение в соединение трансформатора звезда-звезда, введение в соединение трансформатора треугольник-звезда и циркуляцию тока и напряжения, состояние разомкнутой фазы в анализе трансформатора, разницу между формой сердечника и формой оболочки. Силовой трансформатор.

Сообщите нам, если у вас есть какие-либо вопросы по этой теме, и оставьте нам свой отзыв в комментариях.

Наем профессионального инженера-электрика для проведения анализа вспышки дуги и исследования короткого замыкания — отличный способ обеспечить безопасность вашего предприятия и рабочих от нежелательных инцидентов.
AllumiaX, LLC — один из ведущих поставщиков исследований энергосистем на северо-западе. Наши непревзойденные услуги и опыт сосредоточены на обеспечении адекватного анализа дугового разряда, переходной стабильности, потока нагрузки, демпфирующей цепи, короткого замыкания, координации, сети заземления и качества электроэнергии.
Чтобы узнать больше об AllumiaX в деталях, подпишитесь на нас в Facebook, LinkedIn и Twitter и будьте в курсе всех последних новостей в области электротехники.
Позвоните нам: (206) 552–8235

Для чего нужен электрический трансформатор?

Трансформатор — это электрическое устройство, разработанное и изготовленное для повышения или понижения напряжения.Электрические трансформаторы работают по принципу магнитной индукции и не имеют движущихся частей. Поскольку трансформатор преобразует напряжение на входе в напряжение, необходимое для устройства или оборудования, подключенного к выходу, он обратно увеличивает или уменьшает ток, протекающий между различными уровнями напряжения. Электрический трансформатор иллюстрирует закон сохранения энергии, который гласит, что энергия не может быть ни создана, ни разрушена, а только преобразована!

Основная конструкция электрического трансформатора

Электрические трансформаторы, не имеющие движущихся частей или высокочувствительных основных компонентов или материалов, по своей природе являются исключительно надежными и долговечными элементами оборудования.От хорошо спроектированного и качественно изготовленного трансформатора можно ожидать, что он будет работать непрерывно и без проблем в течение многих лет при номинальных условиях эксплуатации. В своей основной форме электрический трансформатор состоит из двух катушек или обмоток — входной и выходной — из электропроводящего провода, намотанного на сердечник из электротехнической стали.

Основная функция электрического трансформатора

Когда первичная катушка, получающая напряжение (вход), находится под напряжением, сердечник намагничивается, и напряжение впоследствии индуцируется или стимулируется на выходе или вторичной катушке.Изменение напряжения (отношения напряжений) между первичной и вторичной катушками зависит от соотношения витков катушек. Когда трансформатор нагружен, то есть когда устройство или оборудование, для питания которого предназначен трансформатор, подключено и трансформатор находится под напряжением, «нагрузка» начинает потреблять ток (выраженный в амперах или амперах) при напряжении, при котором трансформатор был разработан, чтобы доставить.

Johnson Electric Coil Company предлагает комплексные услуги по проектированию, проектированию и производству высокоэффективных электрических трансформаторов и индукторов на заказ.Предлагаемые нами услуги по проектированию и производству являются одними из самых разнообразных в отрасли.

Если вы ищете индивидуальный электрический трансформатор или индуктор, наша команда Johnson Electric Coil Company может вам помочь. Наш опыт работы в отрасли насчитывает более восьми десятилетий, и мы здесь, чтобы удовлетворить все ваши потребности в электрических трансформаторах на десятилетия вперед.

Чтобы узнать больше о наших трансформаторах и возможностях, связанных с вашими приложениями, позвоните нам сегодня по телефону 800.826.9741 или заполните нашу контактную форму.

Основы электрических трансформаторов

Что такое электрические трансформаторы?

Электрические трансформаторы — это машины, передающие электроэнергию из одной цепи в другую с изменением уровня напряжения, но без изменения частоты. Сегодня они рассчитаны на использование источника переменного тока, а это означает, что колебания напряжения питания зависят от колебаний тока. Таким образом, увеличение тока приведет к увеличению напряжения и наоборот.

Трансформаторы

помогают повысить безопасность и эффективность энергосистем, повышая и понижая уровни напряжения по мере необходимости. Они используются в широком спектре жилых и промышленных применений, в первую очередь и, возможно, наиболее важно для распределения и регулирования мощности на большие расстояния.

Строительство электрического трансформатора

Три важных компонента электрического трансформатора — это магнитный сердечник, первичная обмотка и вторичная обмотка.Первичная обмотка — это часть, которая подключена к источнику электричества, откуда первоначально создается магнитный поток. Эти катушки изолированы друг от друга, и основной поток индуцируется в первичной обмотке, откуда он передается на магнитный сердечник и соединяется со вторичной обмоткой трансформатора через путь с низким сопротивлением.

Сердечник передает поток на вторичную обмотку, чтобы создать магнитную цепь, которая замыкает магнитный поток, а внутри сердечника размещается путь с низким сопротивлением, чтобы максимизировать потокосцепление.Вторичная обмотка помогает завершить движение потока, который начинается на первичной стороне, а с помощью сердечника достигает вторичной обмотки. Вторичная обмотка способна набирать импульс, потому что обе обмотки намотаны на один и тот же сердечник, и, следовательно, их магнитные поля помогают создавать движение. Во всех типах трансформаторов магнитный сердечник собирается путем укладки многослойных стальных листов, оставляя минимально необходимый воздушный зазор между ними для обеспечения непрерывности магнитного пути.

Как работают трансформаторы?

В электрическом трансформаторе для работы используется закон электромагнитной индукции Фарадея: «Скорость изменения магнитной индукции во времени прямо пропорциональна наведенной ЭДС в проводнике или катушке».

Физическая основа трансформатора заключается во взаимной индукции между двумя цепями, которые связаны общим магнитным потоком. Обычно он имеет 2 обмотки: первичную и вторичную. Эти обмотки имеют ламинированный магнитный сердечник, и взаимная индукция, возникающая между этими цепями, помогает передавать электричество из одной точки в другую.

В зависимости от количества связанного магнитного потока между первичной и вторичной обмотками будут разные скорости изменения магнитного потока.Чтобы обеспечить максимальную потокосцепление, то есть максимальный поток, проходящий через вторичную обмотку и связанный с ней от первичной обмотки, для обеих обмоток размещен путь с низким сопротивлением. Это приводит к повышению эффективности работы и образует сердечник трансформатора.

Приложение переменного напряжения к обмоткам в первичной обмотке создает переменный поток в сердечнике. Это связывает обе обмотки, чтобы навести ЭДС как на первичной, так и на вторичной стороне. ЭДС во вторичной обмотке вызывает ток, известный как ток нагрузки, если к вторичной части подключена нагрузка.

Вот как электрические трансформаторы передают мощность переменного тока из одной цепи (первичной) в другую (вторичную) посредством преобразования электрической энергии из одного значения в другое, изменяя уровень напряжения, но не частоту.

Видео: Инженерное мышление

Как работает трансформатор — Принцип работы электротехники

Электрический трансформатор — КПД и потери

В электрическом трансформаторе не используются движущиеся части для передачи энергии, что означает отсутствие трения и, следовательно, потерь на ветер.Однако электрические трансформаторы страдают от незначительных потерь в меди и железе. Потери меди возникают из-за потерь тепла при циркуляции токов по медным обмоткам, что приводит к потере электроэнергии. Это самые большие потери в работе электрического трансформатора. Потери в железе вызваны запаздыванием магнитных молекул, находящихся внутри сердечника. Это отставание происходит в ответ на изменение магнитного потока, которое приводит к трению, и это трение производит тепло, которое приводит к потере мощности в сердечнике.Эти потери можно значительно уменьшить, если сердечник изготовлен из специальных стальных сплавов.

Интенсивность потерь мощности определяет КПД электрического трансформатора и выражается в потерях мощности между первичной и вторичной обмотками. Результирующий КПД затем рассчитывается как отношение выходной мощности вторичной обмотки к мощности, потребляемой первичной обмоткой. В идеале КПД электрического трансформатора составляет от 94% до 96%

Типы трансформаторов

Электрические трансформаторы можно разделить на различные категории в зависимости от их конечного использования, конструкции, поставки и назначения.

На основе проектирования

Трансформатор с сердечником Этот трансформатор имеет две горизонтальные секции с двумя вертикальными ветвями и прямоугольный сердечник с магнитной цепью. Цилиндрические катушки (ВН и НН) размещены на центральном плече трансформатора сердечника.
Корпус типа Трансформатор Трансформатор кожухового типа имеет двойную магнитную цепь и центральную ветвь с двумя внешними ветвями.

На базе поставки

Однофазный Трансформатор Однофазный трансформатор имеет только один набор обмоток.Отдельные однофазные блоки могут дать те же результаты, что и трехфазные передачи, когда они соединены внешне.
Трехфазный Трансформатор Трехфазный (или трехфазный) трансформатор имеет три набора первичных и вторичных обмоток, образующих группу из трех однофазных трансформаторов. Трехфазный трансформатор в основном используется для производства, передачи и распределения электроэнергии в промышленности.

По целевому назначению

Повышающий трансформатор
Этот тип определяется количеством витков провода.Таким образом, если вторичный набор имеет большее количество витков, чем первичный, это означает, что напряжение будет соответствовать тому, которое образует базу повышающего трансформатора.
Понижающий трансформатор
Этот тип обычно используется для понижения уровня напряжения в сети передачи и распределения электроэнергии, поэтому его механизм полностью противоположен повышающему трансформатору.

На праве пользования

Силовой трансформатор
Обычно используется для передачи электроэнергии и имеет высокий рейтинг.
Распределение трансформатор Этот электрический трансформатор имеет сравнительно более низкую мощность и используется для распределения электроэнергии.
Instrument трансформатор Этот электрический трансформатор подразделяется на трансформаторы тока и напряжения.
- Трансформатор тока
- Трансформатор потенциала

Эти трансформаторы используются для реле и защиты приборов одновременно.

На основе охлаждения

Самоохлаждающиеся масляные трансформаторы Этот тип обычно используется в небольших трансформаторах мощностью до 3 МВА и предназначен для самоохлаждения за счет окружающего воздушного потока.
Масляные трансформаторы с водяным охлаждением В этом типе электрических трансформаторов используется теплообменник для облегчения передачи тепла от масла к охлаждающей воде.
С воздушным охлаждением (воздушное охлаждение) Трансформаторы В трансформаторах этого типа выделяемое тепло охлаждается с помощью воздуходувок и вентиляторов, которые заставляют воздух циркулировать по обмоткам и сердечнику.

Основные характеристики трансформатора

Все трансформаторы имеют общие черты, независимо от их типа:

Частота входной и выходной мощности одинаковая
Все трансформаторы используют законы электромагнитной индукции
Первичная и вторичная катушки не имеют электрического соединения (за исключением автотрансформаторов). Передача мощности осуществляется посредством магнитного потока.
Для передачи энергии не требуются движущиеся части, поэтому отсутствуют потери на трение или ветер, как в других электрических устройствах.
Потери, которые происходят в трансформаторах, меньше, чем в других электрических устройствах, и включают:
- Потери в меди (потеря электроэнергии из-за тепла, создаваемого циркуляцией токов вокруг медных обмоток, считается самой большой потерей в трансформаторах)
- Потери в сердечнике (потери на вихревые токи и гистерезис, вызванные запаздыванием магнитных молекул в ответ на переменный магнитный поток внутри сердечника)

Большинство трансформаторов очень эффективны, вырабатывая от 94% до 96% энергии при полной нагрузке.Трансформаторы очень большой мощности могут выдавать до 98%, особенно если они работают с постоянным напряжением и частотой.

Применение электрического трансформатора

Основные области применения электрического трансформатора:

Повышение или понижение уровня напряжения в цепи переменного тока.
Увеличение или уменьшение значения индуктивности или конденсатора в цепи переменного тока.
Предотвращение прохождения постоянного тока из одной цепи в другую.
Изоляция двух электрических цепей.
Повышение уровня напряжения на объекте выработки электроэнергии перед передачей и распределением электроэнергии.

Общие применения электрического трансформатора включают насосные станции, железные дороги, промышленность, коммерческие предприятия, ветряные мельницы и энергоблоки.

Советы по поиску и устранению неисправностей электрического трансформатора

Использование мультиметра — лучший способ проверить и устранить проблемы в электрической цепи.

Начните с проверки напряжения цепи, которую необходимо проверить.Этот шаг поможет вам определить тип лампочки, необходимой для сборки тестера цепей.
Вырежьте 2 полосы из провода AWG 16 калибра , убедившись, что каждая из них имеет длину не менее 12 дюймов.
Используйте инструмент для зачистки, чтобы удалить четверть внешнего пластика с обоих концов проводов и 1 дюйм внешнего пластика с двух других концов. Как только это будет сделано, скрутите оголенную проволоку, чтобы пряди соединялись.
Присоедините два конца, с которых вы сняли 1/4 ^— дюймов пластика, к клеммам патрона лампы.
Вставьте лампочку в патрон и прикрепите два оставшихся конца провода к клеммам, которые вы хотите проверить.

D&F Liquidators обслуживает потребности в строительных материалах для электротехники более 30 лет. Это международная информационная служба площадью 180 000 квадратных метров, расположенная в Хейворде, Калифорния.