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
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
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
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!
§63.
Назначение и принцип действия трансформатораНазначение трансформатора.
Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.
Трансформаторы позволяют значительно повысить напряжение, вырабатываемое источниками переменного тока, установленными на электрических станциях, и осуществить передачу электроэнергии на дальние расстояния при высоких напряжениях (110, 220, 500, 750 и 1150 кВ). Благодаря этому сильно уменьшаются потери энергии в проводах и обеспечивается возможность значительного уменьшения площади сечения проводов линий электропередачи.
В местах потребления электроэнергии высокое напряжение, подаваемое от высоковольтных линий электропередачи, снова понижается трансформаторами до сравнительно небольших значений (127, 220, 380 и 660 В), при которых работают электрические потребители, установленные на фабриках, заводах, в депо и жилых домах.
Кроме трансформаторов, применяемых в системах передачи и распределения электроэнергии, промышленностью выпускаются трансформаторы: тяговые (для э. п. с), для выпрямительных установок, лабораторные с регулированием напряжения, для питания радиоаппаратуры и др. Все эти трансформаторы называют силовыми.
Трансформаторы используют также для включения электроизмерительных приборов в цепи высокого напряжения (их называют измерительными), для электросварки и других целей. Трансформаторы бывают однофазные и трехфазные, двух- и многообмоточные.
Принцип действия трансформатора.
Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из стального магнитопровода 2 (рис. 212) и двух расположенных на нем обмоток 1 и 3.
Рис. 212. Схема включения однофазного трансформатора
Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны.
При подключении трансформатора к источнику переменного тока (электрической сети) в витках его первичной обмотки протекает переменный ток i1, образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные э. д. с. е1 и е2. Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием э. д. с. е
Э. д. с, индуцированная в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его изменения. Магнитный поток каждого трансформатора является определенной величиной, зависящей от напряжения и частоты изменения переменного тока в источнике, к которому подключен трансформатор.
Постоянна также и скорость изменения магнитного потока, она определяется частотой изменения переменного тока.
Следовательно, в каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая э. д.с. В результате этого отношение действующих значений э. д. с. Е1 и E2, индуцированных в первичной и вторичной обмотках трансформатора, будет равно отношению чисел витков N1 и N2 этих обмоток, т. е.
E1/E2 = N1/ N2.
Отношение э. д. с. Евн обмотки высшего напряжения к э. д. с. Eнн обмотки низшего напряжения (или отношение чисел их витков) называется коэффициентом трансформации,
n = Евн / Eнн = Kвн / Kнн.
Коэффициент трансформации всегда больше единицы. Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (в трансформаторах средней и большой мощности они не превышают обычно 2—5 % номинальных значений напряжений U1 и U2), то можно считать, что отношение напряжения U1 первичной обмотки к напряжению U2 вторичной обмотки приблизительно равно отношению чисел их витков, т.
е.
U1/U2 ≈ N1/ N2
Таким образом, подбирая требуемое соотношение между числами витков первичной и вторичной обмоток, можно увеличивать или уменьшать напряжение на приемнике, подключенном к вторичной обмотке. Если необходимо на вторичной обмотке получить напряжение большее, чем подается на первичную, то применяют повышающие трансформаторы, у которых число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной.
В понижающих трансформаторах, наоборот, число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной.
Трансформатор не может осуществить преобразование напряжения постоянного тока. При подключении его первичной обмотки к сети постоянного тока в трансформаторе создается постоянный по величине и направлению магнитный поток, который не может индуцировать э. д. с. в первичной и вторичной обмотках. Поэтому не будет происходить передачи электрической энергии из первичной обмотки во вторичную.
При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока через эту обмотку проходит некоторый ток, называемый током холостого хода.
При включении нагрузки по вторичной обмотке трансформатора начинает проходить ток, при этом увеличивается и ток, проходящий по первичной обмотке.
Чем больше нагрузка трансформатора, т. е. электрическая мощность и ток i2, отдаваемые его вторичной обмоткой подключенным к ней приемникам, тем больше электрическая мощность и ток i1, поступающие из сети в первичную обмотку.
Ввиду того что потери мощности в трансформаторе обычно малы, можно приближенно принять, что мощности в первичной и вторичной обмотках одинаковы. В этом случае можно считать, что токи в обмотках трансформатора приблизительно обратно пропорциональны напряжениям: I1/I2 ≠ U2/U1 или что токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числам витков первичной и вторичной обмоток: I1/I2 ≠ N2/N1.
Это означает, что в повышающем трансформаторе ток во вторичной обмотке меньше, чем в первичной (во столько раз, во сколько напряжение U2 больше напряжения U1), а в понижающем ток во вторичной обмотке больше, чем в первичной.
Поэтому в трансформаторах обмотки высшего напряжения выполняются из более тонких проводов, чем обмотки низшего напряжения.
Трансформаторы. Описание, типы, классификация трансформаторов. Измерительные, силовые, импульсные трансформаторы.
Электрический трансформатор — это устройство, предназначенное для изменения величины напряжения в сети переменного тока. Принцип действия трансформаторов основан на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока, в обмотках генерируется магнитное поле, которые взывает ЭДМ во вторичных обмотках. Данная ЭДС пропорциональна числу витков в первичных и вторичных обмотках. Отношение электродвижующей силы в первичной обомотке/вторичной называется коэффициентом трансформации.
Основными элементами конструкции трансформатора являются первичные и вторичные обмотки и ферромагнитный магнитопровод (обычно замкнутого типа). Обмотки расположены на магнитопроводе и индуктивно связаны друг с другом. Использование магнитопровода позволяет саккумулировать большую часть магнитного поля внутри трансформатора, что повышает КПД устройства. Магнитопровод обычно состоит из набора металлических пластин, покрытых изоляцией, для предотвращения возникновения «паразитных» токов внутри магнитопровода.
Зачастую часть вторичной обмотки служит часть первичной и наоборот. Данный тип трансформаторов называют автотрансформаторами. В этом случае концы первичных обмоток подключаются к сети переменного напряжения, а концы вторичной присоединяются к потребителям электроэнергии.
Основная классификация трансформаторов.
- По назначению: измерительные трансформаторы тока, напряжения, защитные, лабораторные, промежуточные.
- По способу установки: наружные, внутренние, шинные, опорные, стационарные, переносные.
- По числу ступеней: одноступенчатные, многоступенчатые (каскадные).
- По номинальному напряжения: низковольтные, высоковольтные.
- По типу изоляции обмоток: c сухой изоляцией, компаундной, бумажно-маслянной.
Основные типы трансформаторов
Силовые трансформаторы — наиболее распространенный тип электро. трансформаторов. Они предназначены для изменения энергии переменного тока в электросетях энергосистем, в сетях освещения или питания электрооборудования. Применяются для создания комплектных трансформаторных подстанций.
Классифицируются по количеству фаз и номинальному напряжения.
Наиболее известные низковольтные однофазные и трехфазные трансформаторы серии ТП и ОСМ.
Среди высоковольтных трансформаторов, наиболее используемые в данной момент в энергетике, трансформаторы ТМГ-с масляным охлаждением в герметичном баке.. Преимуществами данной серии вляется высокий КПД (до 99%), высокие показатели защиты от перегрева, высокие эксплуатационные характеристики, и минимальное обслуживание во время использования.
Помимо силовых, существуют трансформаторы различных типов и назначения: для измерения больших напряжений и токов (измерительные трансформаторы), для преобразования напряжения синусоидальной формы в импульсное (пик-трансформаторы), для преобразования импульсов тока и напряжения (импульсные трансформаторы), для выделения переменной составляющей тока, для разделения электрических цепей на гальванически не связанные между собой части, для их согласования и т.д.
Измерительные трансформаторы— электротехнические устройства, предназначенные для изменения уровня напряжения с высокой точностью трансформации.
Классифицируются по назначению, изменению уровня напряжения или тока.
Также делятся на низковольтные трансформаторы тока типа Т, 066 ТШ-0,66, ТТИ-066 и Высоковольтные трансформаторы напряжения, такие как НАМИТ и ЗНОЛ.
Вторичные обмотки данных устройств соединены с измерительными устройствами (амперметрами, счетчиками электроэнергии, вольтметрами, фазометрами, реле тока и т.
д.) Применение данного оборудования позволяет изолировать измеряющее оборудование от больших токов и напряжений измеряемой цепи, и создает возможность стандартизации измеряющего оборудования.
Автотрансформаторы – устройства, обмотки которого соеденены гальванически между собой. Благодыря малым коэффициентам трансформации, автотрансформаторы имеют меньшие габариты и стоимость оп сравнению с многообмоточными. Из недостатков необходимо отметить невозможность гальванической изоляции цепей.
Основные сферы использования автотрансформаторов – изменение напряжения в пусковых устройствах крупных электрических машин переменного тока, в системах релейной защиты при плавном регулировании напряжения. В случае реализации в конструкции автотрансформатора изменения количества рабочих витков вторичной обмотки, появляется возможность сохранять уровень вторичного напряжения при изменении первичного напряжения. Наибольшее распространение данный данный механизм используется в стабилизаторах напряжения.
Импульсный трансформатор — это устройство с ферромагнитным сердечником, используемый для изменения импульсов тока или напряжения.
Импульсные трансформаторы наиболее часто используются в электронновычислительных устройствах, системах радиолокации, импульсной радиосвязи и т.д. в качестве измерительного устройства в счетчиках электроэнергии.
Основное требование импульсным трансформаторам, — при изменении импульса форма импульса должна сохраняться. Это достигается максимальным уменьшением межвитковой емкости, индуктивности рассеивания за счет использования применением сердечников малой величины, взаимным расположение и уменьшением числа обмоток.
Пик-трансформатор — устройство, изменяющее напряжение синусоидальной формы в импульсное напряжение с изменяющейся через каждые полпериода полярностью. Пик-трансформаторы применяются в качестве генераторов импульсов главным, высоковольтных исследовательских установках и системах автоматики.
.
Устройство и принцип действия трансформатора
С открытием и началом промышленного использования электричества возникла необходимость создания систем его преобразования и доставки к потребителям. Так появились трансформаторы, о принципе действия которых и пойдет речь.
Появлению их на свет предшествовало открытие явления электромагнитной индукции великим английским физиком Майклом Фарадеем почти 200 лет назад. Позже он и его американский коллега Д. Генри нарисовали схему будущего трансформатора.
Трансформатор ФарадеяПервое воплощение идеи в железо состоялось в 1848 году с создания индукционной катушки французским механиком Г. Румкорфом. Свою лепту внесли и российские ученые. В 1872 году профессор Московского университета А. Г. Столетов открыл петлю гистерезиса и описал структуру ферромагнетика, а 4 года спустя, выдающийся российский изобретатель П. Н. Яблочков получил патент на изобретение первого трансформатора переменного тока.
Как устроен и как работает трансформатор
Трансформаторы – это название огромного «семейства», куда входят однофазные, трехфазные, понижающие, повышающие, измерительные и множество других типов трансформаторов.
Основное их назначение – преобразование одного или нескольких напряжений переменного тока в другое на основе электромагнитной индукции при неизменной частоте.
Итак, кратко, как работает простейший однофазный трансформатор. Он состоит из трех основных элементов – первичной и вторичной обмоток и объединяющего их в единое целое магнитопровода, на который они как бы нанизаны. Источник подключается исключительно к первичной обмотке, в то время, как вторичная снимает и передает уже измененное напряжение потребителю.
Принцип работы трансформатора Подключенная к сети первичная обмотка создает в магнитопроводе переменное электромагнитное поле и формирует магнитный поток, который начинает циркулировать между обмотками, индуцируя в них электродвижущую силу (ЭДС). Ее величина зависит от числа витков в обмотках. К примеру, для понижения напряжения необходимо, чтобы в первичной обмотке витков было больше, чем во вторичной. Именно по такому принципу работают понижающие и повышающие трансформаторы.
Важная особенность конструкции трансформатора состоит в том, что магнитопровод имеет стальную структуру, а обмотки, как правило имеющие форму цилиндра, изолированы от него, непосредственно не связаны друг с другом и имеют свою маркировку.
Трансформаторы напряжения
Это, пожалуй, наиболее многочисленная разновидность семейства трансформаторов. В двух словах, их основная функция – сделать произведенную на электростанциях энергию доступной для потребления различными устройствами. Для этого существует система передачи электроэнергии, состоящая из повышающих и понижающих трансформаторных подстанций и линий электропередач.
Вначале электроэнергия, произведенная электростанцией, подается на повышающую трансформаторную подстанцию (к примеру, с 12 до 500 кВ). Это необходимо для того, чтобы компенсировать неизбежные потери электроэнергии при передаче на большие расстояния.
Следующий этап – понижающая подстанция, откуда электроэнергия уже по низковольтной линии подается на понижающий трансформатор и далее к потребителю в виде напряжения 220 в.
Но на этом работа трансформаторов не заканчивается. В большинстве окружающих нас бытовых электроприборов — в ПК, телевизорах, принтерах, стиральных машинах-автоматах, холодильниках, микроволновых печах, DVD и даже в энергосберегающих лампочках установлены понижающие трансформаторы. Пример индивидуального «карманного» трансформатора – зарядное устройство мобильного телефона (смартфона).
Гигантскому разнообразию современных электронных устройств и выполняемых ими функций соответствует множество различных типов трансформаторов. Это далеко не полный их список: силовые, импульсные, сварочные, разделительные, согласующие, вращающиеся, трехфазные, пик-трансформаторы, трансформаторы тока, тороидальные, стержневые и броневые.
Какие они, трансформаторы будущего
Считается, что трансформаторная отрасль весьма консервативна. Тем не менее и ей приходится считаться с революционными изменениями в области электротехники, где все громче о себе заявляют нанотехнологии. Как и множество других устройств, они постепенно «умнеют».
Активно ведется поиск новых конструкционных материалов – изоляционных и магнитных, способных обеспечить более высокую надежность трансформаторного оборудования. Одним из направлений может стать использование аморфных материалов, что значительно повысит его пожарную безопасность и надежность.
Появятся взрыво- и пожаробезопасные трансформаторы, в которых хлордифенилы, используемые для пропитки электроизоляционных материалов, будут заменены нетоксичными жидкими, экологически безопасными диэлектриками.
Элегазовые трансформаторыПримером тому — элегазовые силовые трансформаторы, где функцию хладагента выполняет негорючий элегаз гексафторид серы, вместо далеко не безопасного трансформаторного масла.
Вопрос времени – создание «умных» электросетей, оснащенных полупроводниковыми твердотельными трансформаторами с электронным управлением, с помощью которых появится возможность регулировать напряжение в зависимости от потребностей потребителей, в частности, подключать к домашней сети возобновляемые и промышленные источники питания, или наоборот отключать лишние, когда в них нет необходимости.
Еще одно перспективное направление – низкотемпературные сверхпроводимые трансформаторы. Работа по их созданию началась еще в 60-е годы. Главная проблема, с которой столкнулись ученые – огромные размеры криогенных систем, необходимых для изготовления жидкого гелия. Все изменилось в 1986 году, когда были открыты сверхпроводниковые высокотемпературные материалы. Благодаря им, появилась возможность отказаться от громоздких охлаждающих устройств.
Трансформатор с полупроводниковым преобразователемСверхпроводимые трансформаторы обладают уникальным качеством: при высокой плотности тока потери в них минимальны, зато, когда ток достигает критических значений, сопротивление от нулевого уровня резко увеличивается.
Трансформатор 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.
Базовые принципы действия трансформатора — Трансформаторы
Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:
- Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм)
- Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)
На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника.
Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку.
В некоторых трансформаторах, работающих на высоких или сверхвысоких частотах, магнитопровод может отсутствовать.
Схематическое устройство трансформатора. 1 — первичная обмотка, 2 — вторичная
Режим холостого хода
Когда вторичные обмотки ни к чему не подключены (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток через первичную обмотку невелик. Для трансформатора с сердечником из магнитомягкого материала
(например, ферромагнитного материала, например, из трансформаторной
стали) ток холостого хода характеризует величину потерь в сердечнике на
вихревые токи и на гистерезис. Мощность потерь можно вычислить умножив
ток холостого хода на напряжение, подаваемое на трансформатор.
Для трансформатора без ферромагнитного сердечника потери на перемагничивание отсутствуют, а ток холостого хода определяется сопротивлением индуктивности первичной обмотки, которое пропорционально частоте переменного тока и величине индуктивности.
Напряжение на вторичной обмотке в первом приближении определяется законом Фарадея.
Режим короткого замыканияВ режиме короткого замыкания, на первичную обмотку трансформатора подается переменное напряжение небольшой величины, выводы вторичной обмотки соединяют накоротко. Величину напряжения на входе устанавливают такой, чтобы ток короткого замыкания равнялся номинальному (расчетному) току трансформатора. В таких условиях величина напряжения короткого замыкания характеризует потери в обмотках трансформатора, потери на омическом сопротивлении. Мощность потерь можно вычислить умножив напряжение короткого замыкания на ток короткого замыкания.
Режим с нагрузкой
При подключении нагрузки к вторичной обмотке во вторичной цепи возникает ток, создающий магнитный поток в магнитопроводе, направленный противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате в первичной цепи нарушается равенство ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения.
Схематично, процесс преобразования можно изобразить следующим образом:
Мгновенный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора определяется интегралом по времени от мгновенного значения ЭДС в первичной обмотке и в случае синусоидального напряжения сдвинут по фазе на 90° по отношению к ЭДС. Наведённая во вторичных обмотках ЭДС пропорциональна первой производной от магнитного потока и для любой формы тока совпадает по фазе и форме с ЭДС в первичной обмотке.Уравнения идеального трансформатора
Идеальный трансформатор — трансформатор, у которого отсутствуют потери энергии на нагрев обмоток и потоки рассеяния обмоток.
В идеальном трансформаторе все силовые линии проходят через все витки
обеих обмоток, и поскольку изменяющееся магнитное поле порождает одну и
ту же ЭДС в каждом витке, суммарная ЭДС, индуцируемая в обмотке,
пропорциональна полному числу её витков.
Такой трансформатор всю поступающую энергию из первичной цепи
трансформирует в магнитное поле и, затем, в энергию вторичной цепи. В
этом случае поступающая энергия равна преобразованной энергии:
Где
- P1 — мгновенное значение поступающей на трансформатор мощности, поступающей из первичной цепи,
- P2 — мгновенное значение преобразованной трансформатором мощности, поступающей во вторичную цепь.
Соединив это уравнение с отношением напряжений на концах обмоток, получим уравнение идеального трансформатора:
Таким образом получаем, что при увеличении напряжения на концах вторичной обмотки U2, уменьшается ток вторичной цепи I2.
Для преобразования сопротивления одной цепи к сопротивлению другой, нужно умножить величину на квадрат отношения. Например, сопротивление Z2 подключено к концам вторичной обмотки, его приведённое значение к первичной цепи будет . Данное правило справедливо также и для вторичной цепи: .
трансформатор, режим кз, холостой ход
Всего комментариев: 0
Принцип действия трансформатора | Основы судовой электротехники
Страница 6 из 16
ГЛАВА V
ТРАНСФОРМАТОРЫ
§ 28. Принцип действия трансформатора, основные соотношения
В судовых электроэнергетических установках и системах автоматики широкое применение находят электромагнитные статические (без движущихся частей) аппараты — трансформаторы. Действие трансформаторов, предназначенных для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого по величине напряжения, основано на законе электромагнитной индукции Фарадея.
Наибольшее распространение на транспортных судах получили однофазные и трехфазные трансформаторы с ферромагнитным сердечником из электротехнической стали.
Однофазный трансформатор (рис. 80) состоит из замкнутого сердечника, собранного при относительно низких частотах из тонких листов электротехнической стали (0,5 мм), на котором расположены две обмотки; одна из них — первичная — получает питание от сети переменного тока. Переменный ток i первичной обмотки создает переменный магнитный поток, который по закону электромагнитной индукции индуцирует в первичной и вторичной обмотках ЭДС, равные:
(170)
В данном случае выражение для мгновенных значений ЭДС может быть записано в виде
(171)
На основании формул (170) и (171) имеем
Переходя к действующим значениям ЭДС, получим:
откуда
(174)
где w — число витков; ω= 2πf — круговая частота питающей сети; A=0 — постоянная интегрирования, равная нулю в случае установившегося синусоидального режима.
Переменный магнитный поток изменяется от —Фт до +Фт, тогда 1
(175)
(176)
(177)
Уравнение (177) устанавливает зависимость между действующими значениями ЭДС и амплитудными значениями магнитного потока трансформатора.
На основании выражения (177) действующее значение ЭДС в первичной обмотке
(178)
во вторичной обмотке
(179)
где f — частота питающей сети, Гц; w1 и w2 — число витков соответственно первичной и вторичной обмоток; Фт—амплитудное значение синусоидально изменяющегося магнитного потока, замыкающегося по ферромагнитному сердечнику; √2xπ4,44 — постоянный коэффициент.
Составив математическое отношение выражений (178) и (179), получим:
(180)
Величина Кп называется коэффициентом трансформации. Учитывая, что в трансформаторах при разомкнутой вторичной обмотке ЭДС незначительно отличается по величине от напряжения, коэффициент К12 с некоторой погрешностью можно выразить через напряжения:
(181)
Под действием возбужденной во вторичной обмотке ЭДС в ней, при замыкании зажимов на некоторую нагрузку, будет протекать переменный ток, величина напряжения которого будет зависеть от коэффициента трансформации.
В процессе преобразования переменного тока в трансформаторе возникают потери мощности: электрические в проводниках обмоток при протекании в них тока; магнитные, обусловленные перемагничиванием сердечника (потери на гистерезис и вихревые токи), и диэлектрические в изоляции при воздействии на нее переменного электрического поля. Наибольшие значения имеют электрические и магнитные потери; диэлектрические потери невелики, и их необходимо практически учитывать только при высоких напряжениях и частотах.
Активные и реактивные мощности первичной и вторичной обмоток связаны следующим равенством:
(182)
где Р1 — активная мощность, подводимая к первичной обмотке; Рэ, Рм, Рд — электрические, магнитные и диэлектрические потери; Р2 — активная мощность, отдаваемая вторичной обмоткой нагрузке; Q1 — реактивная мощность, подводимая к первичной обмотке; Q’— реактивная мощность, расходуемая на создание магнитного поля трансформатора; Q2 — реактивная мощность, отдаваемая вторичной обмоткой нагрузке.
Для судовых трансформаторов характерны следующие режимы работы: холостой ход и под нагрузкой.
Что такое трансформатор (и как он работает)?
Что такое трансформатор?
Принцип работы трансформатора
Принцип работы трансформатора очень прост. Взаимная индукция между двумя или более обмотками (также известными как катушки) позволяет передавать электрическую энергию между цепями.
Этот принцип более подробно объясняется ниже.
Теория трансформатора
Допустим, у вас есть одна обмотка (также известная как катушка), которая питается от переменного электрического источника.Переменный ток, протекающий через обмотку, создает постоянно изменяющийся и переменный поток, окружающий обмотку.
Если к этой обмотке приблизить другую обмотку, некоторая часть этого переменного магнитного потока будет соединена со второй обмоткой. Поскольку этот поток постоянно изменяется по своей амплитуде и направлению, во второй обмотке или катушке должна быть изменяющаяся магнитная связь.
Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, во второй обмотке будет индуцированная ЭДС.Если цепь этой вторичной обмотки замкнута, то через нее будет протекать ток. Это основной принцип работы трансформатора .
Давайте использовать электрические символы, чтобы наглядно это показать. Обмотка, которая получает электроэнергию от источника, известна как «первичная обмотка». На схеме ниже это «Первая катушка».
Обмотка, которая дает желаемое выходное напряжение за счет взаимной индукции, обычно известна как «вторичная обмотка». Это «Вторая катушка» на схеме выше.
Трансформатор, который увеличивает напряжение между первичной и вторичной обмотками, определяется как повышающий трансформатор. И наоборот, трансформатор, который снижает напряжение между первичной и вторичной обмотками, определяется как понижающий трансформатор.
Увеличивает или понижает трансформатор уровень напряжения, зависит от относительного количества витков между первичной и вторичной сторонами трансформатора.
Если на первичной катушке больше витков, чем на вторичной, то напряжение будет уменьшаться (понижаться).
Если на первичной обмотке меньше витков, чем на вторичной обмотке, то напряжение возрастет (пошагово).
Хотя приведенная выше схема трансформатора теоретически возможна в идеальном трансформаторе, это не очень практично. Это связано с тем, что на открытом воздухе только очень небольшая часть потока, создаваемого первой катушкой, будет связываться со второй катушкой.
Таким образом, ток, протекающий по замкнутой цепи, подключенной ко вторичной обмотке, будет чрезвычайно мал (и его трудно измерить).
Скорость изменения потокосцепления зависит от количества связанного потока со второй обмоткой. Таким образом, в идеале почти весь поток первичной обмотки должен быть связан со вторичной обмоткой. Это эффективно и рационально достигается за счет использования трансформатора с сердечником. Это обеспечивает путь с низким сопротивлением, общий для обеих обмоток.
Назначение сердечника трансформатора — обеспечить путь с низким сопротивлением, через который проходит максимальное количество магнитного потока, создаваемого первичной обмоткой, и соединяется со вторичной обмоткой.
Ток, который первоначально проходит через трансформатор при его включении, называется пусковым током трансформатора.
Если вы предпочитаете анимированное объяснение, ниже представлено видео, объясняющее, как именно работает трансформатор:
youtube.com/embed/Cx4_7lIjoBA?feature=oembed»/>
Детали и конструкция трансформатора
Три основные части трансформатора:
- Первичная обмотка трансформатора
- Магнитный сердечник трансформатора
- Вторичная обмотка трансформатора
Первичная обмотка трансформатора
Который создает магнитный поток, когда он подключен к источнику электроэнергии.
Магнитный сердечник трансформатора
Магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, который проходит через этот путь с низким сопротивлением, связанный с вторичной обмоткой, и создает замкнутую магнитную цепь.
Вторичная обмотка трансформатора
Поток, создаваемый первичной обмоткой, проходит через сердечник и соединяется со вторичной обмоткой. Эта обмотка также намотана на тот же сердечник и дает желаемую мощность трансформатора .
Электрический трансформатор — Основная конструкция, работа и типы
Электрический трансформатор — это статическая электрическая машина, которая преобразует электрическую мощность из одной цепи в другую без изменения частоты.
Трансформатор может увеличивать или уменьшать напряжение с соответствующим уменьшением или увеличением тока. Принцип работы трансформатора
Основной принцип работы трансформатора — это явление взаимной индукции между двумя обмотками, связанными общим магнитным потоком. На рисунке справа показана простейшая форма трансформатора. В основном трансформатор состоит из двух индуктивных катушек; первичная обмотка и вторичная обмотка. Катушки электрически разделены, но магнитно связаны друг с другом.Когда первичная обмотка подключена к источнику переменного напряжения, вокруг обмотки создается переменный магнитный поток. Сердечник обеспечивает магнитный путь для потока, чтобы соединиться со вторичной обмоткой. Большая часть потока связана с вторичной обмоткой, которая называется «полезным потоком» или основным «потоком», а поток, который не связан с вторичной обмоткой, называется «потоком рассеяния». Поскольку создаваемый поток является переменным (его направление непрерывно меняется), ЭДС индуцируется во вторичной обмотке в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея.
Эта ЭДС называется «взаимно индуцированной ЭДС», и частота взаимно индуцированной ЭДС такая же, как и частота подаваемой ЭДС. Если вторичная обмотка является замкнутой цепью, то через нее протекает взаимно индуцированный ток, и, следовательно, электрическая энергия передается от одной цепи (первичной) к другой цепи (вторичной). Базовая конструкция трансформатора
В основном трансформатор состоит из двух индуктивных обмоток и многослойного стального сердечника. Катушки изолированы друг от друга, а также от стального сердечника.Трансформатор также может состоять из контейнера для сборки обмотки и сердечника (называемого баком), подходящих вводов для подключения клемм, маслорасширителя для подачи масла в бак трансформатора для охлаждения и т. Д. На рисунке слева показана основная конструкция трансформатор.Во всех типах трансформаторов сердечник изготавливается путем сборки (штабелирования) ламинированных листов стали с минимальным воздушным зазором между ними (для обеспечения непрерывного магнитного пути).
Используемая сталь имеет высокое содержание кремния и иногда подвергается термообработке, чтобы обеспечить высокую проницаемость и низкие гистерезисные потери.Ламинированные стальные листы используются для уменьшения потерь на вихревые токи. Листы нарезаются в форме E, I и L. Чтобы избежать высокого сопротивления в стыках, листы укладываются друг на друга, чередуя стороны стыка. То есть, если стыки сборки первого листа находятся на передней стороне, стыки следующей сборки остаются на задней стороне. Типы трансформаторов
Трансформаторы можно классифицировать по разным признакам, таким как типы конструкции, типы охлаждения и т. Д. (A) По конструкции трансформаторы можно разделить на два типа: (i) трансформатор с сердечником и (ii) трансформатор с корпусом, которые описаны ниже.
(i) Трансформатор с сердечником
В трансформаторе с сердечником обмотки имеют цилиндрическую форму, намотанную на стержни сердечника, как показано на рисунке выше. Цилиндрические катушки имеют разные слои, и каждый слой изолирован друг от друга.
Для изоляции можно использовать такие материалы, как бумага, ткань или слюда. Обмотки низкого напряжения располагаются ближе к сердечнику, так как их легче изолировать.
(ii) Трансформатор корпусного типа
Катушки предварительно намотаны и смонтированы слоями с изоляцией между ними.Трансформатор оболочечного типа может иметь простую прямоугольную форму (как показано на рис. Выше) или распределенную форму. (B) В зависимости от их назначения
- Повышающий трансформатор: Напряжение увеличивается (с последующим уменьшением тока) на вторичной обмотке.
- Понижающий трансформатор: Напряжение уменьшается (с последующим увеличением тока) на вторичной обмотке.
- Однофазный трансформатор
- Трехфазный трансформатор
- Силовой трансформатор: Используется в сети передачи, высокий рейтинг
- Распределительный трансформатор: Используется в распределительной сети, сравнительно более низкий номинал, чем у силовых трансформаторов.
- Измерительный трансформатор: Используется для реле и защиты в различных приборах в промышленности
- Трансформатор тока (ТТ)
- Трансформатор потенциала (ПТ)
- Маслонаполненный самоохлаждаемый тип
- Масляные с водяным охлаждением типа
- Пневматический (с воздушным охлаждением)
: основы и принципы работы | Основная теория переменного тока (AC)
Трансформатор — один из самых важных компонентов во всех схемах переменного тока.В основном используемые для «переключения» между различными значениями переменного напряжения и тока в энергосистемах, трансформаторы находят применение во многих других типах цепей, включая электронные усилители (для согласования импеданса) и даже цепи датчиков (определение физического положения).
Основные принципы
Прежде чем исследовать работу трансформатора, полезно рассмотреть работу простого индуктора, который представляет собой не что иное, как катушку из проволоки, обычно намотанную на материал ферромагнитного сердечника:
Если мы подадим на эту катушку переменное (AC) напряжение, оно будет генерировать переменное магнитное поле в сердечнике.
То, сколько магнитного потока (\ (\ phi \)) будет развиваться в сердечнике, зависит от того, какое напряжение мы прикладываем к катушке. Фундаментальная взаимосвязь между напряжением и магнитным потоком для любой проводящей катушки определяется Законом электромагнитной индукции Фарадея:
\ [V = N {d \ phi \ over dt} \]
Где,
\ (V \) = Напряжение, приложенное к катушке или индуцированное катушкой (вольт)
\ (N \) = Количество витков провода
\ (d \ phi \ over dt \) = Скорость изменения магнитного потока (Веберов в секунду)
Если приложенное напряжение синусоидальное (т.е.е. в форме синусоиды), то величина магнитного потока будет отражать косинусоидальную волну с течением времени. Мы можем продемонстрировать это математически, подставив \ (\ sin \ omega t \) (синус некоторой частоты \ (\ omega \) в любой конкретный момент времени \ (t \)) вместо \ (V \) в уравнении Фарадея и интегрирующий:
\ [V = N {d \ phi \ over dt} \]
\ [\ sin \ omega t = N {d \ phi \ over dt} \]
\ [\ sin \ omega t \> dt = N d \ phi \]
\ [\ int \ sin \ omega t \> dt = \ int N d \ phi \]
\ [\ int \ sin \ omega t \> dt = N \ int d \ phi \]
\ [- {1 \ over \ omega} \ cos \ omega t + \ phi_0 = N \ phi \]
\ [\ phi = — {1 \ over N \ omega} \ cos \ omega t + \ phi_0 \]
Таким образом, величина магнитного потока (\ (\ phi \)) в сердечнике в любой момент времени \ (t \) пропорциональна косинусу частотно-временной функции \ (\ omega t \) плюс любой остаточной магнетизм (\ (\ phi_0 \)), с которого начинался сердечник, до того, как на катушку было приложено какое-либо напряжение.
Величина тока, потребляемого этой катушкой индуктивности, зависит от сопротивления магнитной «цепи» сердечника и количества витков в катушке (\ (N \)). Чем меньше сопротивление, обеспечиваемое магнитным трактом, тем меньший ток потребуется для создания необходимого магнитного поля для балансировки приложенного напряжения. Если бы мы возьмем два совершенных индуктора (то есть без сопротивления провода) — один с тяжелым железным сердечником и один с легким железным сердечником (или даже с воздушным сердечником) — и приложим к ним одинаковое напряжение переменного тока, они оба будут генерировать точно такая же сила переменного магнитного поля, но индуктор с меньшим сердечником будет потреблять больше тока от источника при этом.Другими словами, последняя катушка индуктивности будет иметь меньшее реактивное сопротивление (т.е. меньшее сопротивление) для противодействия току.
Все станет интересно, если мы намотаем вторую катушку провода вокруг того же сердечника, что и первая.
Для анализа обозначим полярность напряжения на одном из пиков источника переменного тока:
В тот момент, когда верхний вывод источника положительный, а нижний — отрицательный, мы видим, что на первой катушке падает такое же напряжение (из-за самоиндукции), а на второй катушке падает такое же напряжение, как и на колодец (за счет взаимной индукции ).Полярность напряжений обеих катушек идентична, потому что они намотаны в одном направлении вокруг сердечника и испытывают одинаковый магнитный поток (\ (\ phi \)). Однако, когда мы исследуем направления тока через каждую катушку, мы видим, что они противоположны друг другу: левая катушка действует как нагрузка (потребляет энергию от источника переменного напряжения), а правая катушка действует как Источник (обеспечивающий энергией резистивную нагрузку).
Мы создали настоящий трансформатор : электромагнитный компонент, передающий энергию из электрической формы в магнитную и обратно в электрическую форму.
Источник переменного напряжения может возбуждать резистивную нагрузку без прямого проводящего соединения между ними, поскольку магнитный поток служит энергетической «связью» между двумя цепями.
Трансформаторы обычно изображаются в виде набора катушек с общим сердечником. Катушка, подключенная к источнику электроэнергии, называется первичной обмоткой , а обмотка, подключенной к электрической нагрузке, называется вторичной обмоткой . Если сердечник ферромагнитный, он отображается в виде набора параллельных линий между катушками:
Эффекты нагрузки
Мы можем исследовать поведение трансформатора, наблюдая за эффектом его питания от источника переменного тока постоянного напряжения и варьируя сопротивление нагрузки:
Посмотрите, как напряжение на обеих катушках не зависит от нагрузки, и точно так же, как магнитный поток остается неизменным при различных условиях нагрузки.Вторичная катушка действует как источник напряжения для резистивной нагрузки, отражая характер поведения источника первичной катушки.
На амплитуду магнитного потока не влияет вторичная нагрузка, чтобы удовлетворять закону напряжения Кирхгофа и закону Фарадея на первичной катушке: падение напряжения на катушке должно быть равным и противоположным приложенному напряжению источника, поэтому магнитный поток должен меняться с одинаковой скоростью. и достигают тех же пиков, пока напряжение первичного источника не меняется.
Продолжая наше исследование поведения трансформатора, мы теперь подключим его к источнику постоянного тока переменного тока и изменим сопротивление нагрузки:
Обратите внимание на то, что ток теперь остается неизменной 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
Трансформаторыв основном используются для переключения между различными уровнями напряжения и тока. Это достигается за счет создания трансформатора с первичной и вторичной обмотками, имеющими разное количество витков.Поскольку обе катушки имеют одинаковый магнитный поток, количество витков будет пропорционально тому, сколько напряжения создается на каждой катушке. Мы можем доказать это математически с помощью закона Фарадея, используя \ (d \ phi \ over dt \) как величину, разделяемую между первичной и вторичной катушками:
\ [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:
Каким бы способом трансформатор не изменял напряжение с первичной обмотки на вторичную, он должен смещать ток в другую сторону.
Вот несколько количественных примеров, предполагающих трансформаторы без потерь:
Обратите внимание, что первичная и вторичная мощности всегда равны друг другу для любой конфигурации трансформатора.Реальные трансформаторы страдают от некоторых внутренних потерь мощности и, как таковые, будут показывать уровни вторичной мощности немного ниже, чем первичные, но при условии равенства обеспечивается простой способ проверить наши расчеты отношения напряжения и тока.
Импеданс трансформатора
Идеальный трансформатор без потерь передает электроэнергию от подключенного источника (на первичной стороне) к подключенной нагрузке (на вторичной стороне) со 100-процентным КПД.
Идеальные трансформаторы также не накладывают ограничений на количество мощности, которое они могут передавать от первичной обмотки ко вторичной — другими словами, идеальный трансформатор не накладывает никаких ограничений на пропускную способность.
Настоящие трансформаторы, однако, не работают без потерь и фактически действуют как устройства ограничения тока. Механизмы этого включают потери на магнитный гистерезис, сопротивление проволоки, индуктивность рассеяния и т. Д.
Рассмотрим мысленный эксперимент, в котором мы замыкаем накоротко вторичную обмотку идеального трансформатора, который питается от источника переменного напряжения бесконечной мощности (т. Е. Источник имеет нулевое сопротивление). Какой ток пройдет через закороченную вторичную цепь?
На этот вопрос нет реального ответа.Если источник 480 В переменного тока не имеет ограничения по току (то есть способен подавать бесконечный ток на закороченную нагрузку), а трансформатор также не имеет ограничений по току, закороченная вторичная цепь также будет испытывать бесконечный ток, по крайней мере, в принципе.
Должно быть очевидно, что этот сценарий не может существовать в реальном мире. Даже при наличии источника бесконечного тока любой реалистичный трансформатор будет препятствовать току, подаваемому на короткое замыкание на вторичной стороне.Вопрос о том, «сколько тока пройдет через короткое замыкание» — это действительно вопрос о том, какое сопротивление предлагает трансформатор.
Давайте рассмотрим другой мысленный эксперимент, на этот раз с использованием реального трансформатора с короткозамкнутой вторичной обмоткой, питаемого от источника переменного напряжения переменного тока:
Представьте, что напряжение источника постепенно увеличивается до тех пор, пока амперметр вторичной цепи не зарегистрирует ток, равный номинальной мощности трансформатора при полной нагрузке.Для идеального трансформатора (идеальная связь мощности) это могло бы произойти при очень небольшом напряжении, приложенном к первичной обмотке. Однако из-за несовершенства и потерь реальных трансформаторов полный вторичный ток будет получен при первичном напряжении, равном некоторому небольшому проценту от нормального (номинального) первичного напряжения.
Предположим, например, что наш гипотетический трансформатор с номиналом первичной обмотки 480 В 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 короткозамкнутой вторичной обмотки может показаться надуманным, на самом деле он вполне уместен в реальных условиях. В системах электроснабжения нас часто интересует максимальное количество тока, которое будет протекать в условиях неисправности . Если два силовых проводника непосредственно касаются друг друга или если между ними возникает дуга с низким сопротивлением, протекающая через воздух, это почти полностью соответствует короткому замыканию.Это означает, что полное сопротивление трансформатора будет доминирующим фактором при ограничении тока повреждения: чем больше сопротивление у трансформатора, тем меньше ток повреждения будет проявляться в условиях короткого замыкания.
Один из способов применения процентного значения импеданса силового трансформатора к сценарию неисправности — использовать его как множитель 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, выделяемой при возникновении дуги , 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 при соответственно высоких температурах дуги.
Сопротивление трансформатора также полезно 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.
Порядок работы с трансформаторами
Что является основным компонентом в источниках питания постоянного или переменного тока? Конечно же, электрический трансформатор.Вы когда-нибудь задумывались, как работают трансформаторы? Если этот вопрос часто приходит вам в голову, вы определенно попали в нужное место.
Но прежде чем я начну, позвольте мне кратко рассказать о трансформаторах и различных типах
Что такое электрический трансформатор?
Электрический трансформаторЭлектрический трансформатор — это статическое устройство, которое используется для преобразования электрического сигнала переменного тока в одной цепи в электрический сигнал той же частоты в другой цепи с небольшой потерей мощности.Напряжение в цепи можно увеличивать или уменьшать, но с пропорциональным увеличением или уменьшением номинального тока.
Различные типы трансформаторов
Различные типы трансформаторов могут быть классифицированы на основе различных критериев, таких как функция, сердечник и т.
Д.
Классификация в соответствии с функцией :
Повышающий трансформатор
Повышающий трансформаторA ступенчатый Повышающий трансформатор — это тот, в котором первичное напряжение катушки меньше вторичного напряжения.Повышающий трансформатор может использоваться для увеличения напряжения в цепи. Он используется в гибких системах передачи переменного тока или FACTS от SVC.
Понижающий трансформатор
Понижающий трансформаторПонижающий трансформатор используется для понижения напряжения. Трансформатор типа
, в котором первичное напряжение катушки больше вторичного, называется понижающим трансформатором. В большинстве источников питания используется понижающий трансформатор для понижения опасно высокого напряжения до более безопасного низкого напряжения.
Отношение числа витков на каждой катушке, называемое соотношением витков, определяет соотношение напряжений. Понижающий трансформатор имеет большое количество витков на первичной (входной) катушке, которая подключена к источнику питания высокого напряжения, и небольшое количество витков на вторичной (выходной) катушке, чтобы обеспечить низкое выходное напряжение.
СООТНОШЕНИЕ ОБОРОТОВ = (Vp / Vs) = (Np / Ns) Где, Vp = первичное (входное) напряжение Vs = вторичное (выходное) напряжение Np = количество витков на первичной катушке Ns = количество витков на вторичной катушке Ip = первичный (входной) ток Is = вторичный (выходной) ток.
Классификация по сердечнику
1. Тип сердечника 2. Тип оболочки
Тип сердечника Трансформатор
В этом типе трансформатора обмотки относятся к значительной части схемы в типе сердечника трансформатор. Используются катушки фасонно-намотанные и цилиндрические на сердечнике. Имеет одну магнитную цепь.
Трансформатор с сердечникомВ трансформаторе с сердечником катушки намотаны спиральными слоями, причем разные слои изолированы друг от друга такими материалами, как слюда.Сердечник имеет два прямоугольных плеча, а катушки размещены на обоих концах сердечника.
Трансформатор кожухового типа
Трансформатор кожухового типа — самый популярный и эффективный тип трансформаторов.
Трансформатор корпусного типа имеет двойную магнитную цепь. Сердечник имеет три плеча, и обе обмотки размещены на центральных плечах. Сердечник охватывает большую часть обмотки. Обычно многослойные дисковые и многослойные змеевики используются в корпусе типа.
Каждая катушка высокого напряжения находится между двумя катушками низкого напряжения, а катушки низкого напряжения находятся ближе всего к верхней и нижней части ярм.Корпусная конструкция наиболее предпочтительна для работы при очень высоком напряжении трансформатора.
В трансформаторе кожухового типа естественное охлаждение отсутствует, поскольку обмотка кожухового типа окружена самим сердечником. Для лучшего обслуживания необходимо снять большое количество обмоток.
Другие типы трансформаторов
Типы трансформаторов различаются по способу размещения первичной и вторичной обмоток вокруг многослойного стального сердечника трансформатора:
• В зависимости от обмотки трансформатор может быть трех типов
1.
Двухобмоточный трансформатор (обычный тип) 2. Однообмоточный (автоматический) 3. Трехобмоточный (силовой трансформатор)
• По расположению катушек трансформаторы классифицируются как:
1. Цилиндрический тип 2. Дисковый тип
• Согласно применению
1. Силовой трансформатор 2. Распределительный трансформатор 3. Измерительный трансформатор
Измерительный трансформатор можно разделить на два типа:
a) Трансформатор тока b) Потенциальный трансформатор
• В зависимости от типа охлаждения трансформатора может быть двух типов
1.Естественное охлаждение 2. Погружное масло с естественным охлаждением 3. Погружное в масло с естественным охлаждением с принудительной циркуляцией масла
Работа трансформатора
Давайте теперь обратим внимание на наше основное требование: как работают трансформаторы? Трансформатор в основном работает по принципу взаимной индуктивности между двумя цепями, связанными общим магнитным потоком. Трансформатор в основном используется для преобразования электрической энергии.
Трансформаторы состоят из таких типов проводящих катушек, как первичная обмотка и вторичная обмотка.
Входная катушка называется первичной обмоткой, а выходная катушка — вторичной обмоткой трансформатора.
Между двумя катушками нет электрического соединения; вместо этого они связаны переменным магнитным полем, создаваемым в сердечнике трансформатора из мягкого железа. Две линии в середине символа схемы представляют сердечник. Трансформаторы теряют очень мало энергии, поэтому выходная мощность почти равна входной мощности.
Первичная и вторичная катушки обладают высокими взаимными индуктивностями.Если одна из катушек подключена к источнику переменного напряжения, то в ламинированном сердечнике образуется переменный магнитный поток.
Этот поток соединяется с другой катушкой, и возникает электромагнитная сила согласно закону электромагнитной индукции Фарадея.
e = M di / dt Где e индуцируется ЭДС M — взаимная индуктивность
Если вторая катушка замкнута, то ток в катушке передается от первичной обмотки трансформатора ко вторичной обмотке.
Идеальное уравнение мощности трансформатора
Пока мы сосредоточены на нашем вопросе о том, как работают трансформаторы, основное, что нам нужно знать, — это идеальное уравнение мощности трансформатора.
Уравнение идеальной мощности трансформатораЕсли вторичная обмотка присоединена к нагрузке, которая позволяет току течь в цепи, электрическая мощность передается из первичной цепи во вторичную цепь.
В идеале трансформатор должен работать безупречно; вся поступающая энергия преобразуется из первичного контура в магнитное поле и во вторичный контур. Если это условие выполняется, входящая электрическая мощность должна равняться выходной мощности:
Уравнение идеального трансформатора
Трансформаторы обычно имеют высокий КПД, поэтому эта формула является разумным приближением.
Если напряжение увеличивается, ток уменьшается во столько же раз. Импеданс в одной цепи преобразуется в квадрат отношения витков.
Например, если импеданс Z s присоединен к клеммам вторичной катушки, для первичной цепи кажется, что сопротивление будет ( Н p / N s ) 2 Z s . Это соотношение является обратным, так что полное сопротивление Z p первичной цепи кажется вторичной как ( N s / N p ) 2Zp .
Мы надеемся, что эта статья была краткой, но точно информативной о том, как работают трансформаторы. Вот простой, но важный вопрос для читателей — как выбрать трансформатор для проектирования блока питания.
Пожалуйста, дайте свои ответы в разделе комментариев ниже.
Фото:
Электрический трансформатор от wikimedia
Повышающий трансформатор от imimg
Понижающий трансформатор от mpja
Трансформатор типа сердечника по электрической информации
Трансформатор типа оболочки по электрической информации
Работа трансформатора по зашифрованному
Теория Эксплуатация однофазных трансформаторов
Определение трансформатора
Трансформатор электроэнергии — это статическое устройство, которое преобразует электрическую энергию из одной цепи в другую без какого-либо прямого электрического соединения.Он также выполняет это с помощью взаимной индукции между двумя обмотками. Он может преобразовывать мощность из одной цепи в другую без изменения ее частоты, но может иметь разные уровни напряжения в зависимости от необходимости.
Схема однофазного трансформатора
Обозначение трансформатора
Трансформатор Строительство
Три основные части трансформатора:
- Первичная обмотка : Обмотка, которая потребляет электроэнергию и создает магнитный поток, когда она подключена к источнику электроэнергии.
- Магнитный сердечник : Это относится к магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. Поток проходит через путь с низким сопротивлением, связанный со вторичной обмоткой, создавая замкнутую магнитную цепь.
- Вторичная обмотка : Обмотка, которая обеспечивает желаемое выходное напряжение за счет взаимной индукции в трансформаторе.
Принцип работы трансформаторов
Принцип работы однофазного трансформатора основан на законе электромагнитной индукции Фарадея.В основном, взаимная индукция между двумя или более обмотками отвечает за действие преобразования в электрическом трансформаторе.
Законы электромагнитной индукции Фарадея
Согласно закону Фарадея, «скорость изменения магнитной связи во времени прямо пропорциональна наведенной ЭДС в проводнике или катушке».
Основная теория трансформатора
Первичная обмотка питается от источника переменного тока.Переменный ток через первичную обмотку создает переменный поток, окружающий обмотку. Другая обмотка, также известная как вторичная обмотка, приближается к первичной обмотке. В конце концов, некоторая часть потока в первичной обмотке будет связана с вторичной. Поскольку этот поток непрерывно изменяется по амплитуде и направлению, происходит изменение магнитной связи и во второй обмотке. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, во вторичной обмотке индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), которая называется наведенной ЭДС.Если цепь вторичной обмотки замкнута, через нее будет протекать индуцированный ток. Это простейшая форма преобразования электроэнергии; это самый основной принцип работы трансформатора.
Принцип работы трансформатора был объяснен в следующих простых шагах:
- Как только первичная обмотка подключается к однофазному источнику питания, через нее начинает течь переменный ток.
- Переменный поток создается в сердечнике первичным переменным током.
- Переменный поток через сердечник связывается со вторичной обмоткой.
- Теперь, согласно законам электромагнитной индукции Фарадея, этот изменяющийся поток будет индуцировать напряжение во вторичной обмотке.
Сопутствующие товары
Вышеупомянутый тип трансформатора теоретически возможен, но не практически, потому что есть потери, связанные с работой трансформаторов.
Азия
АзияСообщение о COVID-19.
Hammond Power Solutions
Надежные трансформаторы для коммунальных нужд
Обеспечение надежных и эффективных трансформаторов сухого типа и маслонаполненных трансформаторов для коммунального рынка.
Hammond Power Solutions
Стремление к качеству и постоянному совершенствованию
HPS работает в соответствии с Системой управления качеством на основе ISO 9001.
Hammond Power Solutions
Трансформаторы для требовательных приводов
Обеспечение качественных трансформаторов, когда производительность и надежность жизненно важны.
Каталоги и литература по HPS
Наши брошюры по продукции HPS позволяют вам сконфигурировать и указать продукт, который вам нужен.
Возобновляемая энергия
Инфраструктура
Промышленное
Ирригация
Привод и автоматизация
Распределение энергии
Возобновляемая энергия
HPS производит трансформаторы на заказ для альтернативных энергетических систем, таких как энергия ветра и когенерация…
Инфраструктура
HPS поставляет как сухие, так и маслонаполненные трансформаторы крупным инфраструктурным организациям на всей территории …
Промышленное
HPS — один из ведущих поставщиков трансформаторов для преобразователей, дуговых печей и индукционных печей …
Орошение
Государственная политика уделяет большое внимание ирригационному сектору.HPS имеет …
Привод и автоматизация
HPS умеет создавать технические решения в соответствии с требованиями заказчика. У нас более 20 лет …
Распределение энергии
Масляные и сухие трансформаторы часто используются для распределения электроэнергии. Они предоставляют необходимые …
Воспользуйтесь множеством инструментов, которые помогут вам с техническими вопросами: обслуживание клиентов, ответы на часто задаваемые вопросы, руководство по устранению неполадок, руководства по установке, инструкции и веб-семинары.
HPS — крупнейший производитель сухих трансформаторов в Северной Америке. Мы разрабатываем и производим широкий спектр стандартных и нестандартных трансформаторов, которые экспортируются по всему миру в составе электрического оборудования и систем.
Файлы cookie помогают нам улучшить работу вашего сайта.Используя наш веб-сайт, вы соглашаетесь на использование файлов cookie.
(PDF) ТРАНСФОРМАТОР: Принцип действия трансформатора
Парвин Р.Карим, преподаватель. Электротехнический отдел. Al-Hawija Technical
институт Северный технический университет
Аналогичным образом, разделив уравнение (10) на уравнение (11), дает
…… .. ( 16)
Где a — коэффициент трансформации трансформатора.
В случае, трансформатор называется повышающим трансформатором, а для
трансформатор называется понижающим трансформатором. В идеальном трансформаторе
потери равны нулю. В этом случае входная мощность трансформатора равна выходной мощности
, что дает
…… .. (17)
Уравнение (17) может быть преобразовано в виде :
…….. (18)
Отношение первичного тока к вторичному:
…… .. (19)
Опять же, магнитодвижущая сила, создаваемая первичным током. будет равна
магнитодвижущей силе, создаваемой вторичным током, и ее можно выразить как:
…… .. (21)
…….. (22)
Из уравнения (22) можно сделать вывод, что соотношение первичного и вторичного тока обратно пропорционально коэффициенту трансформации трансформатора.
Входная и выходная мощность идеального трансформатора составляет:
…… .