Значение напряжения во вторичной и первичной обмотках трансформатора: Номинальные первичное и вторичное напряжения

Основные определения и термины, применяемые в трансформаторах

Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индукционно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока, в том числе для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения.

Рис.   1.   Схема   работы   однофазного трансформатора при холостом ходе

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции, заключающемся в том, что при изменении во времени магнитного поля, пронизывающего проводящий контур, в последнем наводится (индуцируется) электродвижущая сила (эдс).

Если к концам одной из обмоток однофазного трансформатора (рис. 1), в данном случае АХ обмотки 1У подведено переменное напряжение U1, то по ней протекает ток /х холостого хода, его также называют намагничивающим, он создает магнитное поле, изменяющееся с той же частотой, что и напряжение. При этом вследствие высокой магнитной проницаемости стали большая часть магнитного поля, которая называется основным магнитным нолем ф трансформатора, замыкается через контур магнитной системы, другая часть магнитного поля, называемого полем рассеяния Фр  замыкается через воздух, она не связана магнитно с обмоткой 2 и поэтому в трансформировании напряжения (энергии) не участвует. Согласно закону электромагнитной индукции изменяющееся основное магнитное поле Ф, пронизывающее обе обмотки, наводит в них эдс E1 и Е2. Напряжение U2l измеренное вольтметром и подведенное напряжение Uu практически можно считать равными эдс Е2 и Е1 соответственно. Если к концам ах обмотки подсоединить какую-либо электрическую нагрузку, то в ее цепи возникает ток, который одновременно вызовет увеличение тока в обмотке 1.
Таким образом, в рассматриваемом электромагнитном устройстве— трансформаторе происходит трансформация электрической энергии, подведенной к обмотке /, в электромагнитную и далее в электрическую, используемую в цепи нагрузки, подключенной в обмотке 2.

Трансформатор, в магнитной системе 3 которого создается однофазное магнитное поле, называется однофазным, если же создается трехфазное поле, то — трехфазным.
Обмотка, к которой подводится энергия (напряжение) преобразуемого переменного тока, называются первичной;  обмотка трансформатора, от которой отводится энергия преобразованного переменного тока, называется вторичной.

Под обмоткой трансформатора подразумевают совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются электродвижущие силы, наведенные в витках, с целью получения заданного напряжения.
Обмотка трансформатора, к которой подводится электроэнергия преобразуемого или от которой отводится энергия преобразованного переменного тока, называется основной. Силовой трансформатор имеет не менее двух основных обмоток.

Основная обмотка трансформатора, имеющая наибольшее номинальное напряжение, называется обмоткой высшего напряжения (ВН), наименьшее — обмоткой низшего напряжения (НН), а промежуточное между ними — обмоткой среднего напряжения (СН).
Трансформатор с двумя гальванически не связанными обмотками (ВН и НН) называется двухобмоточным, с тремя (ВН, СН и НН) — трехобмоточным. Одна из этих обмоток является первичной, две другие — вторичными. Если у трансформатора первичной является обмотка НН, его называют повышающим, если ВН — понижающим.

Значения вторичной эдс Е2 и соответственно напряжения U2 зависят от числа витков вторичной обмотки. Увеличение числа витков вторичной обмотки приводит к увеличению вторичных эдс и напряжения и наоборот.

Другим расчетным показателем трансформатора является коэффициент трансформации ky равный отношению напряжения на зажимах обмотки высшего напряжения к напряжению на зажимах обмотки низшего напряжения в режиме холостого хода (ненагруженного) трансформатора.

Двухобмоточный трансформатор имеет один коэффициент трансформации, равный отношению высшего напряжения к низшему, трехобмоточный трансформатор — три коэффициента трансформации, равные отношению высшего напряжения к низшему, высшего напряжения к среднему и среднего к низшему.
Для двух обмоток силового трансформатора, расположенных на одном стержне магнитной системы, коэффициент трансформации принимается равным отношению чисел их витков. Поэтому если, например, первичная обмотка с числом витков W\ является обмоткой высшего напряжения, а вторичная с числом витков w2— низшего напряжения, то k=U\fU2=Wi/w2y откуда U\ = kU2, W\ = kw2.

Таким образом, зная коэффициент трансформации и напряжение вторичной обмотки трансформатора, легко определить напряжение первичной обмотки и наоборот. Это относится также к значениям токов и к числам витков.
Для улучшения электрической изоляции токопроводящих частей и условий охлаждения трансформатора обмотки вместе с магнитной системой погружают в бак с трансформаторным маслом. Такие трансформаторы называют маслонаполненным и или масляными.

Некоторые трансформаторы специального назначения вместо масла наполняют негорючей синтетической жидкостью — совтолом. Трансформаторы, у которых основной изолирующей средой служит воздух, газ или твердый диэлектрик, а охлаждающей средой — атмосферный воздух, называют сухими.
Каждый трансформатор характеризуется номинальными данными, основные указывают в прикрепляемой к нему табличке. К ним относятся: мощность, напряжение, ток, частота и др.

Номинальная мощность трансформатора — это мощность, на которую он рассчитан.
Номинальная мощность 5 трансформаторов выражается полной электрической мощностью в киловольт-амперах (кВ-А) или мегавольтамперах (MB-А).

Номинальное первичное напряжение — это напряжение, на которое рассчитана первичная обмотка трансформатора; номинальное вторичное напряжение— напряжение на зажимах вторичной обмотки, получающееся при холостом ходе трансформатора и номинальном напряжении на зажимах первичной обмотки. Номинальные токи определяются соответствующими номинальными значениями мощности и напряжения.
Высшее номинальное напряжение трансформатора — это наибольшее из номинальных напряжений обмоток трансформатора.

Низшее номинальное напряжение — наименьшее из номинальных напряжений обмоток трансформатора.

Среднее номинальное напряжение — номинальное напряжение, являющееся промежуточным между высшим и низшим номинальным напряжением обмоток трансформатора.
Режим, при котором одна из обмоток трансформатора замкнута накоротко, а вторая находится под напряжением, называется коротким замыканием (к. з.). Если короткое замыкание происходит в процессе эксплуатации трансформатора при номинальных напряжениях, в обмотках возникают токи короткого замыкания, в 5—20 раз (и более) превышающие номинальные. При этом резко повышается температура обмоток и в них возникают большие механические усилия. Такое замыкание является аварийным и для предотвращения повреждения трансформатора применяется специальная защита, которая должна отключить его в течение долей секунды.

Если в порядке опыта замкнуть накоротко одну из обмоток трансформатора (рис. 2), в данном случае обмотку НН с числом витков W29 а к другой с числом витков w\ подвести пониженное напряжение и постепенно его повышать, то при определенном значении напряжения С/кз, называемом напряжением короткого замыкания, в обмотках будут проходить токи, соответственно равные номинальным значениям первичной и вторичной обмоток.

Равенство напряжений короткого замыкания параллельно включенных трансформаторов — одно из условий их нормальной работы. Напряжение икз указывают в табличке каждого трансформатора. Оно определено стандартами и зависит от типа и мощности трансформатора: для силовых трансформаторов малой и средней мощности оно составляет 5—7%, для мощных трансформаторов — 6—17% и более.

Рис. 2. Схема и поля рассеяния однофазного трансформатора в режиме короткого замыкания: а — условного, б — реального

При опыте короткого замыкания в магнитной системе создается незначительное магнитное поле Фк, обусловленное малым намагничивающим током вследствие небольшого подведенного напряжения ик. 3. Проходящие по первичной и вторичной обмоткам номинальные токи создают встречнонаправленные мдс, соответственно им поля рассеяния и Фp1 и Фр2, вынуждены замыкаться через воздух и металлические детали трансформатора (см. рис. 2, а). Поля рассеяния в реальном трансформаторе, в котором первичная и вторичная обмотки размещены на одном стержне магнитной системы, изображены на рис. 2 б.

Результирующее поле рассеяния Фр создает в обмотках индуктивное сопротивление, которое при аварийном коротком замыкании ограничивает ток в обмотках, предохраняя их от чрезмерного нагрева и разрушения. Чем больше иш, тем меньше опасность разрушения обмоток при аварийных коротких замыканиях. Однако напряжение короткого замыкания иш при расчете трансформатора ограничивают до определенного значения, в противном случае, поля рассеяния, создавая значительное индуктивное сопротивление, вызовут недопустимо большое реактивное падение напряжения в обмотках, в результате чего снизятся вторичное напряжение и соответственно мощность, получаемая потребителем. Напряжение короткого замыкания определяется для каждой пары обмоток: в двухобмоточном трансформаторе — для обмоток ВН — НН; в трехобмоточном трансформаторе — для обмоток ВН—НН; ВН — СН и СН — НН.

Потери трансформатора —  это активная мощность, расходуемая в магнитной системе, обмотках и других частях трансформатора при различных режимах работы.

Потери холостого хода Рхх — это потребляемая трансформатором активная мощность в режиме холостого хода при номинальном напряжении и номинальной частоте первичной обмотки.
При холостом ходе трансформатор не передает электрическую энергию, так как вторичная обмотка разомкнута. Потребляемая им активная мощность тратится на нагревание стали магнитной системы от перемагничивания и вихревыми токами, а также частично первичной обмотки. Эти суммарные потери называют потерями холостого хода трансформатора. Ввиду малого тока холостого хода потери в активном сопротивлении обмотки при этом незначительны (0,3—0,5% номинальной мощности трансформатора), поэтому ими пренебрегают и считают, что мощность расходуется только на потери в стали магнитной системы. Абсолютное значение потерь холостого хода трансформатора незначительно. Однако их стремятся максимально снизить, так как суммарные годовые потери холостого хода трансформатора сравнительно велики.

Потери короткого замыкания Рш — это потребляемая трансформатором активная мощность при опыте к. з., обусловленная потерями в активном сопротивлении первичной и вторичной обмоток и токоведущих частях трансформатора при прохождении номинального тока и добавочными потерями, вызванными полями рассеяния.

Напряжение Uкз, подводимое к трансформатору при опыте короткого замыкания, в зависимости от его конструкции и назначения в 5—20 раз меньше номинального, поэтому магнитное поле в магнитной системе незначительное, соответственно незначительны и потери в активной стали на перемагничивание. Ими пренебрегают, считая, что потребляемая мощность при коротком замыкании расходуется только на потери в активном сопротивлении обмоток и на добавочные потери, вызванные полями рассеяния. Поля рассеяния наводят в обмотках и других токоведущих частях трансформатора (отводы, вводы и др.) вихревые токи, а в стальных конструкциях (стенки бака, ярмовые балки, детали прессовки и др.) кроме вихревых токов создают гистерезисные потери (потери от перемагничивания). Добавочные потери от полей рассеяния вызывают перегревы отдельных частей трансформатора и снижают его коэффициент полезного действия (кпд). Поэтому при расчетах и конструировании трансформаторов поля рассеяния стараются уменьшить до оптимального значения, для этого первичную и вторичную обмотки размещают концентрически она одном стержне магнитной системы, максимально возможно уменьшая канал между ними (рис. 3). Чем ближе обмотки друг к другу, тем меньше поле рассеяния, а следовательно, добавочные потери от вихревых токов и перемагничивания.

 

Рис. 3. Размещение обмоток ВН и НН на стержне магнитной системы

При опыте короткого замыкания токи и потери мощности такие же, как и при полной нагрузке трансформатора, поэтому их часто называют нагрузочными потерями. Потери холостого хода и короткого замыкания нормируются стандартом.

Суммарные потери трансформатора при номинальной нагрузке составляют потери холостого хода и короткого замыкания. Зная эти потери и мощность, выдаваемую трансформатором в сеть, можно определить его кпд в процентах. Трансформаторы имеют сравнительно высокий кпд (98,5—99,3%).

Untitled Document

Принцип действия, устройство и работа. Трёхфазные трансформаторы. Опыты х.х .и к.з. Автотрансформаторы. Измерительные.

Трансформаторы

Общие сведения о трансформаторах. Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения. Трансформаторы получили очень широкое практическое применение при передаче электрической энергии на большие расстояния, для распределения энергии между ее приёмниками и в различных выпрямительных, сигнальных, усилительных и других устройствах. При передаче электрической энергии от электростанций к ее потребителям большое значение имеет величина тока, проходящего по проводам. В зависимости от силы тока выбирают сечение проводов линии передачи энергии и, следовательно, определяют стоимость проводов, а также и потери энергии в них. Если при одной и той же передаваемой мощности увеличить напряжение, то ток в той же мере уменьшится, а это позволит применять провода с меньшим поперечным сечением для устройства линии передачи электрической энергии и уменьшит расход цветных металлов, а также потери мощности в линии. При неизменной передаваемой мощности поперечное сечение провода и потери мощности в линии обратно пропорциональны напряжению. Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях синхронными генераторами при напряжении 11-18 кВ (в некоторых случаях при 30—35 кВ). Хотя это напряжение очень велико для непосредственного его использования потребителями, однако оно недостаточно для экономичной передачи электроэнергии на большие расстояния. Для увеличения напряжения применяют повышающие трансформаторы. Приемники электрической энергии (лампы накаливания, электродвигатели и т. д.) из соображений безопасности для лиц, пользующихся этими приемниками, рассчитываются на более низкое напряжение (до 380 В). Кроме того, высокое напряжение требует усиленной изоляции токопроводящих частей, что делает конструкцию аппаратов и приборов очень сложной. Поэтому высокое напряжение, при котором передается энергия, не может непосредственно использоваться для питания приемников, вследствие чего к потребителям энергия подводится через понижающие трасформаторы. Таким образом, электрическая энергия при передаче от места ее производства к месту потребления трансформируется несколько раз (3-4 раза). Кроме того, понижающие трансформаторы в распределительных сетях включаются неодновременно и не всегда на полную мощность, вследствие чего мощности установленных трансформаторов значительно больше (в 7-8 раз) мощностей генераторов, вырабатывающих электроэнергию на электростанциях. Трансформатор имеет две изолированные обмотки, помещенные на стальном магпитопроводе. Обмотка, включенная в сеть источника электрической энергии, называется первичной; обмотка, от которой энергия подается к приемнику, — вторичной. Обычно напряжения первичной и вторичной обмоток неодинаковы. Если вторичное напряжение больше первичного, то трансформатор называется повышающим, если же вторичное напряжение меньше первичного, то понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий. Принцип действия и устройство трансформатора. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника переменного тока, то по ней будет проходить переменный ток, который возбудит в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки трансформатора, индуктирует в этой обмотке эдс. Под действием этой эдс по вторичной обмотке и через приемник энергии будет протекать ток. Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, передается из первичной цепи во вторичную, но при другом напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вторичную цепь. Для улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками их помещают на стальном магнитопроводе. Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопроводы трансформаторов собирают из тонких пластин (толщиной 0,5 и 0,35 мм) трансформаторной стали, покрытых изоляцией (жаростойким лаком). Материалом магнитопровода является трансформаторная сталь Э-42, Э-43, Э-43А, Э-320, Э-330, Э-ЗЗОА и др. Холоднокатаная сталь имеет высокую магнитную проницаемость (больше чем горячекатаная) в направлении, совпадающем с направлением проката, тогда как перпендикулярно прокату магнитная проницаемость относительно низкая. Поэтому магнитопроводы из холоднокатаной стали делают так, чтобы магнитные линии замыкались по направлению проката стали. Магнитопроводы трансформаторов малой мощности изготовляют из ленты холоднокатаной стали. В трансформаторах больших мощностей магнитопроводы собирают из полос стали. Холоднокатаную сталь разрезают так, чтобы направление магнитных линий в собранном магнитопроводе совпадало с направлением прокатки стали. У горячекатаной стали (Э-42, Э-43 и др.) магнитная проницаемость одинакова во всех направлениях и при малых мощностях магнитопроводы собирают из пластин Ш-или П-образной формы, которые штампуются из листовой стали. В зависимости от формы магнитопровода и расположения обмоток на нем трансформаторы могут быть стержневыми и броневыми. Магнитопровод стержневого однофазного трансформатора имеет два стержня, на которых помещены его обмотки (изо,а). Эти стержни соединены ярмом с двух сторон так, что магнитный поток замыкается по стали. Магнитопровод броневого однофазного трансформатора (изо,б) имеет один стержень, на котором полностью помещены обмотки трансформатора. Стержень с двух сторон охватывается (бронируется) ярмом так, что обмотка частично защищена магнитопроводом от механических повреждений. Магнитопроводы однофазных трансформаторов: а — пластинчатый стержневой б — пластинчатый броневой в — ленточный стержневой г — ленточный броневой   ленточный кольцевой тороидальный Ленточные магнитопроводы из холоднокатаной стали подобны стержневым (изо,в) или броневым (изо,г). Трансформаторы большой мощности в настоящее время изготовляют исключительно стержневыми, а трансформаторы малой мощности часто делают броневыми. Расположение обмоток на магнитопроводе показано на рисунке. Ближе к стержню магнитопровода располагается обмотка низшего напряжения НН, так как ее легче изолировать от магнитопровода, чем обмотку высшего напряжения ВН. Обмотку высшего напряжения изолируют от обмотки низшего напряжения прокладками, рейками, шайбами и другими изоляционными деталями (чаще из электрокартона). При цилиндрических обмотках поперечному сечению магнитопровода желательно придать круглую форму, так как в этом случае в площади, охватываемой обмотками, не остается промежутков, не заполненных сталью. Чем меньше незаполненных промежутков, тем меньше длина витков обмоток и, следовательно, масса обмоточного провода при заданной площади поперечного сечения магнитопровода. Однако магнитопроводы круглого поперечного сечения не делают. Для изготовления магнитопровода круглого сечения надо было бы собрать его из большого числа стальных листов различной ширины. Поэтому у трансформаторов большой мощности магнитопровод имеет ступенчатое поперечное сечение с числом ступеней не более 9 — 10. Число ступеней сечения сердечника определяется числом углов в одной четверти круга. На рисунке показано поперечное сечение трехступенчатого магнитопровода. Для лучшего охлаждения в магнитопроводах и в обмотках мощных трансформаторов устраивают охлаждающие каналы в плоскостях, параллельных и перпендикулярных плоскости стальных листов. В трансформаторах малой мощности поперечное сечение магнитопровода имеет прямоугольную форму и обмоткам придают форму прямоугольных катушек. При малых токах радиальные механические усилия, возникающие при работе трансформатора и действующие на обмотки, будут малы, так что изготовление обмоток упрощается. В паспорте трансформатора указывают его номинальную мощность S, номинальные напряжения U1 и U2 и токи I1 и I2 первичной и вторичной обмоток при полной (номинальной) нагрузке. Номинальной мощностью трансформаторов называется полная мощность, отдаваемая его вторичной обмоткой при полной (номинальной) нагрузке. Номинальная мощность выражается в единицах полной мощности, т. е. в вольт-амперах или киловольт-амперах. В ваттах и киловаттах измеряют активную мощность трансформатора, т. е. ту мощность, которая может быть преобразована из электрической в механическую, тепловую, химическую, световую и т. д. Сечения проводов обмоток и всех частей машины или любого электрического аппарата определяются не активной составляющей тока или активной мощностью, а полным током, проходящим по проводнику, и, следовательно, полной мощностью. Трансформаторы малой мощности имеют большую удельную поверхность охлаждения, и естественное воздушное охлаждение является для них вполне достаточным. Трансформаторы большой мощности устраивают с масляным ох-лаждением, для чего помещают их в металлические баки, наполненные минеральным маслом. Наиболее широко распространено естественное охлаждение стенок бака трансформатора. Для увеличения охлаждающей поверхности в стенки баков вваривают стальные трубы или радиаторы. Масло в баке трансформатора в процессе эксплуатации соприкасается с окружающим воздухом и подвергается окислению, увлажнению и загрязнению, вследствие чего уменьшается его электрическая прочность. Для обеспечения нормальной эксплуатации трансформатора необходимо контролировать температуру масла, заменять его новым, производить периодическую сушку и очистку. Работа трансформатора под нагрузкой. При холостом ходе трансформатора (нагрузки нет) вторичная обмотка его разомкнута и ток в этой обмотке не проходит. В первичной обмотке при этом проходит ток холостого хода I0, который много меньше тока этой обмотки при номинальной нагрузке трансформатора. Намагничивающая сила холостого хода I01 возбуждает переменный магнитный поток, который замыкается по магнитопроводу и индуктирует в первичной и вторичной обмотках эдс, зависящие от числа витков этих обмоток 1 и 2, амплитуды магнитного потока Фm (Вб) и частоты его изменения f. Действующие значения эдс первичной E1 и вторичной Е2 обмоток: E1 = 4. 441fФm и E2 = 4.442fФm Так как при холостом ходе во вторичной обмотке тока нет, то напряжение на зажимах этой обмотки равно эдс, т. е. U2 = E2. В первичной обмотке проходит небольшой ток холостого хода и напряжение этой обмотки незначительно отличается от эдс, т. е. U1 E1. Отношение напряжений на зажимах первичной и вторичной обмоток трансформатора при холостом ходе (без нагрузки) называется коэффициентом трансформации и обозначается буквой n, т. е. n = U1/U2 = E1/E2 = 1/2 и U1 = (1/2)U2 = nU2. Таким образом, если в трансформаторе первичная и вторичная обмотки имеют различное число витков, то при включении первичной обмотки в сеть переменного тока с напряжением U1 на зажимах вторичной обмотки возникает напряжение U2, не равное напряжению U1. Если вторичную обмотку трансформатора замкнуть на какой-либо приемник энергии (изо, а), то во вторичной цепи будет проходить ток I2, а в первичной обмотке — ток I1. Магнитодвидущие силы первичной и вторичной совместно возбудят в магнитопроводе результирующий магнитный поток. Схема работы трансформатора (а) и его условное обозначение (б) Пренебрегая падением напряжения в сопротивлении первичной обмотки трансформатора и потоком рассеяния, можно допустить при любой его нагрузке приближенное равенство абсолютных величин приложенного напряжения и уравновешивающей это напряжение эдс первичной обмотки, т. е. U1 = E1. Поэтому при неизменном по величине приложенном напряжении U1 будет приблизительно неизменной эдс E1, индуктированная в первичной обмотке при любой нагрузке трансформатора. Так как эдс E1 зависит от магнитного потока, то и магнитный поток в магнитопроводе трансформатора при любом изменении нагрузки будет приблизительно неизменным и равным магнитному потоку при холостом ходе Фm. Следовательно, геометрическая сумма мдс первичной и вторичной обмоток трансформатора при нагрузке равна мдс холостого хода, т. е. i11+i22=i01, откуда i11 = i01- i22 или i1 = i0 — i’2, где I’2 =I2(2/1) = I2(1/n) — приведенный к первичной цепи ток вторичной обмотки. Таким образом, при нагрузке трансформатора ток первичной обмотки возбуждает магнитный поток в магнитопроводе с неизменной амплитудой (составляющая I0) и уравновешивает размагничивающее действие тока вторичной обмотки (составляющая -I’2). Ток I2, проходящий по вторичной обмотке при нагрузке трансформатора, создает свой магнитный поток, который согласно закону Ленца направлен встречно магнитному потоку в сердечнике и стремится его уменьшить; это бы вызвало уменьшение эдс Е1 и увеличение тока I1. Чтобы результирующий магнитный поток в сердечнике остался неизменным, встречный магнитный поток вторичной обмотки должен быть уравновешен магнитным потоком первичной обмотки. Следовательно, при увеличении тока вторичной обмотки I2 возрастает размагничивающий магнитный поток этой обмотки и одновременно увеличиваются как ток первичной обмотки I1, так и магнитный поток, создаваемый этим током. Так как магнитный поток первичной обмотки уравновешивает размагничивающий поток вторичной обмотки, то результирующий магнитный поток в сердечнике оказывается неизменным. В понижающем трансформаторе напряжение первичной обмотки U1 больше напряжения вторичной обмотки U2 в n раз и ток вторичной обмотки I2 больше тока первичной обмотки I1 также в n раз. В повышающем трансформаторе имеет место обратное соотношение между напряжениями его обмоток и между токами в них. Если, например, включить на полную нагрузку трансформатор, напряжения первичной и вторичной обмоток которого равны U1 = 220 В, U2 = 24 В, то при номинальном токе первичной обмотки I1 = 3A, ток во вторичной обмотке I2 = 3 •(220/24) = 27,5 A. Таким образом, в обмотке с более высоким напряжением ток меньше, чем в обмотке с более низким напряжением. Обмотка с более высоким напряжением имеет большее число витков и наматывается из провода с меньшим поперечным сечением, чем обмотка с более низким напряжением. При работе трансформатора под нагрузкой в первичной и во вторичной его обмотках проходят токи, создающие потоки рассеяния Фs1 и Фs2. Эти магнитные потоки сцеплены только с витками той обмотки, током которой они создаются, и всегда много меньше основного магнитного потока Фm, замыкающегося по магнитопроводу трансформатора (по стали), так как потоки рассеяния частично проходят в немагнитной среде. Потоки рассеяния индуктируют в обмотках эдс рассеяния, которые в небольшой степени изменяют напряжение вторичной обмотки трансформатора при изменении его нагрузки. Условное обозначение трансформатора показано на изо,б. Чтобы не устанавливать отдельный трансформатор на каждое рабочее напряжение, целесообразно на одном трансформаторе иметь несколько вторичных обмоток с различным числом витков. Такие трансформаторы, называемые многообмоточными, широко применяют в радиоприемниках, телевизорах, усилителях и другой аппаратуре, требующей для питания несколько переменных напряжений различной величины. Соотношения числа витков обмоток определяются их напряжениями, т. е. 2/1= U2/U1; 3/1 = U3U1. Ток в первичной обмотке равен суммарному току всех приведенных вторичных обмоток: I1 = I2U2/U1 + I3U3/U1 + …. Изменение тока в любой вторичной обмотке вызывает соответствующее изменение тока первичной обмотки. При этом несколько изменяются напряжения всех вторичных обмоток трансформатора, т. е. напряжение любой вторичной обмотки зависит от тока как в этой обмотке, так и в любой другой вторичной обмотке трансформатора.

Основы трансформаторов — Трансформаторы — Основы электроники

Трансформаторы

Трансформатор — это устройство, передающее электрическую энергию от одного
цепь к другой за счет электромагнитной индукции. Электрическая энергия
всегда передается без изменения частоты, но может включать
изменения амплитуд напряжения и тока. Потому что работает трансформатор
по принципу электромагнитной индукции, он должен использоваться с
входное напряжение источника, изменяющееся во времени. Есть много видов власти
подходящие под это описание; для простоты объяснения и понимания,
Действие трансформатора будет объяснено с использованием синусоидального переменного напряжения в качестве
источник ввода.

Компоненты трансформатора

В своей основной форме трансформатор состоит из:

• Первичная обмотка (катушка), которая получает энергию от источника переменного тока.
• Вторичная обмотка (катушка), которая получает энергию от первичной
  обмотки и подает ее на нагрузку.
• Сердечник, обеспечивающий путь для магнитных линий потока.

Первичная и вторичная катушки намотаны на материал сердечника определенного типа.
В некоторых случаях витки проволоки наматывают на цилиндрическую или прямоугольную
немагнитная форма. По сути, материал сердечника — воздух, а трансформатор —
называется трансформатор с воздушным сердечником . Трансформаторы, используемые на низких частотах,
такие как 50 и 60 Гц, требуют сердечника из магнитного материала с низким магнитным сопротивлением,
обычно железо. Этот тип трансформатора называется трансформатором с железным сердечником .

Схематические обозначения трансформаторов

На рисунке ниже показаны типовые схематические обозначения трансформаторов. Символ для
трансформатор с воздушным сердечником показан на виде А. Части В и С на рисунке показывают
трансформаторы с железным сердечником. Полосы между катушками используются для обозначения
железное ядро. Часто к трансформатору делают дополнительные подключения.
обмотки в точках, отличных от концов обмоток. Эти дополнительные
соединения называются нажимает . Когда кран подключен к центру
обмотки, он называется центральным отводом . Вид C на рисунке ниже
показывает схематическое изображение трансформатора с железным сердечником с центральным отводом.

Схематические обозначения различных типов трансформаторов.

Трансформатор без нагрузки

На рисунке ниже показан трансформатор с воздушным сердечником. Первичная обмотка
подключен к источнику синусоидального переменного напряжения. Напряжение источника управляет
ток через первичную обмотку и, будучи синусоидальным, подвергается непрерывному
изменяется по величине и направлению. Магнитное поле
(поток) накапливается (расширяется) и сжимается (сжимается) вокруг первичной обмотки.
Изменяющееся магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, режет вторичную.
обмотка. Наведенное напряжение (ЭДС) возникает в
первичная и вторичная обмотки изменяющимся магнитным полем.
Первичное индуцированное напряжение немного меньше
чем напряжение источника, и они противоположны по полярности друг другу.
Небольшая разница между напряжением источника и первичным наведенным
напряжение достаточно велико, чтобы обеспечить протекание небольшого первичного тока,
называется намагниченность , или возбуждение , ток , при
вторичка не подключена к нагрузке.

Трансформатор без нагрузки.

Величина тока возбуждения определяется тремя факторами:
(1) величина напряжения источника, (2) сопротивление провода первичной катушки
и потери в сердечнике, и (3) реактивное сопротивление первичной обмотки, которое зависит
от частоты возбуждающего тока. Эти два последних фактора
управляется трансформаторной конструкцией.

Ток возбуждения выполняет две функции:

1. Большая часть энергии возбуждения используется для поддержания магнитного поля
   Главная.
2. Небольшое количество энергии используется для преодоления сопротивления провода
   и потери в сердечнике, которые рассеиваются в виде тепла (потери мощности).

Взаимосвязь первичной и вторичной фаз

Вторичное напряжение трансформатора может быть синфазным или
в противофазе с первичным напряжением. Это зависит от направления
в котором намотаны обмотки и расположение соединений
во внешнюю цепь (нагрузку). Проще говоря, это означает, что два напряжения
могут подниматься и опускаться вместе, или одно может подниматься, пока другое падает.

Трансформаторы, у которых вторичное напряжение совпадает по фазе с
первичные называются трансформаторами с одинаковой обмоткой , а те
в которых напряжения сдвинуты по фазе на 180 градусов, называются
Трансформаторы разнообмоточные .

Точки используются для обозначения точек на условном обозначении трансформатора.
которые имеют одинаковую мгновенную полярность (точки, находящиеся в фазе).

Использование точек, указывающих фазу, показано на рисунке ниже. В части (А)
на рисунке первичная и вторичная обмотки намотаны сверху
вниз по часовой стрелке, если смотреть сверху на обмотки.
При построении таким образом верхний вывод первичного и верхнего
лидерство вторичного имеют такая же полярность. На это указывает
точки на символе трансформатора. Отсутствие фазовых точек указывает на
изменение полярности.

Мгновенная полярность зависит от направления намотки.

Часть (B) рисунка иллюстрирует трансформатор, в котором первичная
и вторичные намотаны в противоположных направлениях. Если смотреть сверху
обмотки, первичная обмотка намотана по часовой стрелке сверху вниз.
внизу, а вторичка намотана против часовой стрелки.
Обратите внимание, что верхние лиды первичного и вторичного каналов имеют напротив
полярности. На это указывают точки, расположенные на противоположных концах.
символ трансформатора. Таким образом, полярность напряжения на
клеммы вторичной обмотки трансформатора зависит от направления в
вторичка намотана относительно первичной.

Коэффициент сцепления

Коэффициент связи трансформатора зависит от
часть общей линии потока, которая пересекает как первичную, так и вторичную обмотки.
В идеале все линии потока, генерируемые первичной обмоткой, должны пересекать вторичную обмотку.
и все линии потока, генерируемого вторичной обмоткой, должны пересекать
начальный. Тогда коэффициент связи будет равен единице (единице), а максимальный
энергия будет передаваться от первичного к вторичному.
В практичных силовых трансформаторах используются сердечники из кремнистой стали с высокой проницаемостью.
и близкое расстояние между обмотками, чтобы обеспечить высокий коэффициент
муфты.

Линии потока, создаваемые одной обмоткой, которые не связаны с другой
обмотки называются поток рассеяния . Поскольку поток рассеяния, создаваемый
первичка не режет вторичку, она не может индуцировать напряжение в
вторичное. Следовательно, индуцированное во вторичной обмотке напряжение меньше
чем это было бы, если бы потока рассеяния не существовало. Поскольку эффект
потока рассеяния, чтобы снизить напряжение, наведенное во вторичной обмотке,
эффект можно воспроизвести, предположив, что индуктор подключен
последовательно с первичкой. Эта серия индуктивность рассеяния is
Предполагается, что часть приложенного напряжения падает, оставляя меньшее напряжение
по первичке.

Обороты и коэффициенты напряжения

Суммарное напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке
трансформатор определяется в основном коэффициентом числа
витков в первичной к числу витков во вторичной, а по
величина напряжения, подаваемого на первичку. См. рисунок ниже. Часть (А)
на рисунке изображен трансформатор, первичная обмотка которого состоит из десяти витков
провода, вторичная обмотка которого состоит из одного витка провода. Ты знаешь
что по мере того, как линии потока, создаваемые первичным устройством, расширяются и сжимаются,
они вырезали оба десять витков первичной обмотки и один виток
вторичное. Так как длина провода во вторичной обмотке
примерно такой же, как длина провода в каждом
Включите первичную обмотку, напряжение (ЭДС), индуцированное во вторичной обмотке, будет
такое же, как напряжение (ЭДС), индуцированное в каждом витке первичной обмотки .
Это означает, что при подаче напряжения на первичную обмотку 10 вольт,
встречная ЭДС в первичке почти 10 вольт. Таким образом, каждый ход в
первичная обмотка будет иметь наведенную встречную ЭДС, равную примерно одной десятой
общее приложенное напряжение, или один вольт. Поскольку одни и те же линии потока пересекают
витков как во вторичном, так и в первичном, каждый виток будет иметь
в нем индуцируется ЭДС в один вольт. Трансформатор в части (А)
рисунок ниже имеет только один виток во вторичной обмотке, таким образом, ЭДС на
вторичка — один вольт.

Обороты трансформатора и коэффициенты напряжения.

Трансформатор, представленный в части (B) рисунка выше, имеет десятивитковую
первичный и двухвитковый вторичный. Поскольку поток индуцирует один вольт на
очередь, общее напряжение на вторичной обмотке равно двум вольтам. Уведомление
что вольты на виток одинаковы как для первичной, так и для вторичной обмотки.
обмотки. Поскольку встречная ЭДС в первичке равна (или почти)
приложенного напряжения, пропорция может быть установлена, чтобы выразить значение
напряжение, индуцированное с точки зрения напряжения, приложенного к первичной и
количество витков в каждой обмотке. Эта пропорция также показывает
соотношение между числом витков в каждой обмотке и
напряжение на каждой обмотке. Эта пропорция выражается
уравнение

где

N _p — число витков в первичной обмотке
В _p — напряжение, приложенное к первичной обмотке
В _с — напряжение, наведенное во вторичной обмотке
9004 0 N _s — количество витков во вторичном

Обратите внимание, что уравнение показывает, что отношение вторичного напряжения
к первичному напряжению равно отношению вторичных витков к первичному
повороты. Уравнение можно записать как

Следующие формулы выводятся из приведенного выше уравнения:

Если известны любые три из величин в приведенных выше формулах,
четвертая величина может быть вычислена.

Пример
Трансформатор имеет 200 витков в первичной обмотке, 50 витков во вторичной обмотке и 120 витков во вторичной обмотке.
вольт, подаваемых на первичную обмотку ( В _р ). Какое напряжение
через вторичный ( В _с )?

Решение:

Трансформатор в приведенной выше задаче имеет меньше витков во вторичной обмотке, чем
в первичке. В результате напряжение на вторичной обмотке меньше.
чем на первичке. Трансформатор, в котором напряжение на
на вторичной обмотке меньше, чем напряжение на первичной
называемый понижающим трансформатором . Соотношение шага вниз четыре к одному
трансформатор пишется как 4:1. Трансформатор с меньшим количеством витков
первичном, чем во вторичном, будет создавать большее напряжение на
вторичного, чем напряжение, приложенное к первичному. трансформатор
в котором напряжение на вторичной обмотке больше, чем напряжение
применяется к первичной называется повышающий трансформатор . Соотношение
повышающего трансформатора «один на четыре» следует записать как 1:4. Уведомление
в двух соотношениях номинал первичной обмотки всегда указывается первым.

Влияние нагрузки

Когда сопротивление нагрузки подключено к вторичной обмотке (рисунок ниже),
напряжение, индуцированное во вторичной обмотке, вызывает протекание тока
во вторичной обмотке. Этот ток создает поле потока вокруг
вторичный (показан пунктирными линиями), который противостоит потоку
поле о первичном (закон Ленца). Таким образом, поток о вторичном
отменяет часть потока относительно первичного. Суммарный поток в ядре
трансформатор является общим как для первичной, так и для вторичной обмотки.
При меньшем потоке, окружающем обмотки, первичная и вторичная индукция
напряжения снижаются.
Снижение первичного индуцированного напряжения увеличивает разницу
между напряжением источника и первичным наведенным напряжением, тем самым
позволяя протекать большему первичному току.
Дополнительный ток в первичной обмотке генерирует больше
линий потока, почти восстанавливая исходное количество общих линий потока.

Простой трансформатор, показывающий соотношение потоков первичной и вторичной обмотки.

Обороты и коэффициенты тока

Количество силовых линий, развитых в ядре, пропорционально
сила намагничивания (в ампер-витках) первичной и вторичной обмоток.
Ампер ( I × N ) является мерой магнитодвижущей силы.
сила; определяется как магнитодвижущая сила, развиваемая одним ампер
тока, протекающего по катушке с одним витком. Поток, существующий в
сердечник трансформатора окружает как первичную, так и вторичную обмотки.
Поскольку поток одинаков для обеих обмоток, ампер-витки в обеих
первичная и вторичная обмотки должны быть одинаковыми.

Поэтому:

где

I _p N _p — ампер-витки в первичной обмотке
I _s N _{s 901 15 — ампер-витки во вторичной обмотке}

Разделив обе части уравнения на
I _p N _s , вы получаете:

С

затем

где

В _p — напряжение на первичной обмотке
В _с — напряжение на вторичной обмотке
I _p — ток на первичной обмотке
I 9 0041 _с — ток во вторичке

Обратите внимание, что уравнения показывают, что коэффициент текущей ликвидности является обратным
отношение витков и отношение напряжения. Это означает, что трансформатор, имеющий
меньше витков во вторичной обмотке, чем в первичной, приведет к понижению
напряжение, но увеличит ток.

Пример:
Трансформатор имеет отношение напряжения 6:1. Найдите ток в
вторичный, если ток в первичном 200 мА.

Решение:

Транспонирование для I _s :

Замена:

В приведенном выше примере показано, что хотя напряжение на вторичной обмотке
составляет одну шестую напряжения на первичной обмотке, ток во вторичной
в шесть раз больше тока в первичной обмотке.

На приведенные выше уравнения можно посмотреть с другой точки зрения.
Выражение

называется коэффициентом трансформации витков и может быть выражен
как единый фактор. Помните, соотношение оборотов указывает сумму на
трансформатор увеличивает или уменьшает приложенное напряжение
к первичке. Например, если вторичная обмотка трансформатора имеет
в два раза больше витков, чем в первичной обмотке, индуцированное напряжение
во вторичке будет в два раза больше напряжения на первичке.
Если во вторичной обмотке вдвое меньше витков, чем в первичной, то напряжение
на вторичной обмотке будет половина напряжения на первичной.
Однако коэффициент витков и коэффициент тока трансформатора имеют
обратное отношение. Таким образом, повышающий трансформатор 1:2 будет иметь половину
ток во вторичке как в первичке. Понижающий трансформатор 2:1.
ток во вторичной обмотке будет в два раза больше, чем в первичной.

Соотношение мощностей между первичной и вторичной обмотками

Как только что было объяснено, коэффициент трансформации трансформатора влияет на ток.
а также напряжение. Если напряжение во вторичной обмотке удвоится, ток
на вторичке вдвое меньше. И наоборот, если напряжение уменьшается вдвое в
во вторичной обмотке ток удваивается. Таким образом,
вся мощность, подводимая к первичной обмотке источником, также передается
к нагрузке вторичным (минус мощность, потребляемая вторичным
трансформатора в виде потерь). Обратитесь снова к трансформатору
проиллюстрировано на рисунке выше. Соотношение оборотов 10:1. Если вход
на первичку 0,1 А при 300 В, мощность в
первичный P = В × I = 30 Вт. Если
Трансформатор потерь не имеет, на вторичку подается 30 Вт.
Вторичная обмотка понижает напряжение до 30 В и увеличивает ток.
до 1 А. Таким образом, мощность, отдаваемая в нагрузку вторичной обмоткой, равна
P = В × I = 30 В × 1 А = 30 Вт.

Важно помнить, что за исключением мощности
потребляется внутри трансформатора, вся мощность передается на первичную
источником будет доставлено в нагрузку.

Как формула:

где

P _s — мощность, отдаваемая в нагрузку вторичкой
P _p — мощность, отдаваемая источником в первичку
P _L — потери мощности в трансформаторе

Transformer Basic Operation

Google Ads

• После изучения этого раздела вы сможете описать:
• • Базовая работа трансформатора.
• • Передаточное отношение.
• • Коэффициент мощности.
• • Коэффициент трансформации.
• • Потери в трансформаторе: медь, гистерезис и вихревые токи.
• • Эффективность трансформатора и ток без нагрузки.

Трансформаторы.

Трансформатор использует принципы электромагнетизма для изменения одного уровня напряжения переменного тока на другой. Работа Фарадея в 19 веке показала, что изменение тока в проводнике (например, в первичной обмотке трансформатора) создает вокруг проводника изменяющееся магнитное поле. Если в это изменяющееся магнитное поле поместить другой проводник (вторичную обмотку), в этой обмотке будет индуцироваться напряжение.

Передаточное отношение.

Фарадей также рассчитал, что напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке, будет иметь величину, зависящую от КОЭФФИЦИЕНТА ОБОРОТОВ трансформатора. т. е. если вторичная обмотка имеет половину числа витков первичной обмотки, то вторичное напряжение будет вдвое меньше напряжения на первичной обмотке. Точно так же, если вторичная обмотка имеет вдвое большее количество витков, чем первичная обмотка, вторичное напряжение будет вдвое больше первичного напряжения.

Коэффициент мощности.

Поскольку трансформатор является пассивным компонентом (у него нет внешнего источника питания), он не может вырабатывать на вторичной обмотке больше мощности, чем подается на первичную. Поэтому, если вторичное напряжение больше первичного напряжения на определенную величину, вторичный ток будет меньше первичного тока на аналогичную величину, т. е. если напряжение удвоится, ток уменьшится вдвое.

Рис. 11.1.1 Базовая работа трансформатора.

Коэффициент трансформации.

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

• В _P = первичное напряжение.
• I _P = первичный ток.
• В _S = вторичное напряжение.
• I _S = вторичный ток.
• N _P = количество витков в первичной обмотке.
• N _S = количество витков вторичной обмотки.

Потери трансформатора.

Формулы на рис. 11.1.1 относятся к идеальному трансформатору, т. е. трансформатору без потерь мощности, в котором вольт-ампер первичной обмотки = вольт-ампер вторичной обмотки.

Несмотря на то, что практичные трансформаторы могут быть чрезвычайно эффективными, в них будут возникать некоторые потери, поскольку не весь магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, будет связан со вторичной обмоткой. Потери мощности в трансформаторе бывают трех типов;

1. Потери меди.

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

Потери мощности в обмотке трансформатора можно рассчитать, используя ток в обмотке и ее сопротивление по формуле для мощности P = I ² R. По этой формуле потери в меди иногда называют I ² р потери. Чтобы свести к минимуму потери, сопротивление обмотки должно поддерживаться на низком уровне с использованием провода подходящей площади поперечного сечения и низкого удельного сопротивления.

2. Гистерезисные потери.

Каждый раз, когда переменный ток меняется на противоположное (один раз за цикл), крошечные «магнитные домены» в материале сердечника меняются местами. Это физические изменения в основном материале, требующие некоторой энергии. Количество используемой энергии зависит от «сопротивления» материала сердцевины; в больших сердечниках силовых трансформаторов, где гистерезисные потери могут быть проблемой, она в значительной степени решается за счет использования в качестве материала сердечника специальной стали с низким сопротивлением, ориентированной на зерна.

3. Потери на вихревые токи.

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

Ферритовые сердечники.

В высокочастотных трансформаторах потери на вихревые токи уменьшаются за счет использования сердечника из керамического материала, содержащего большую долю мельчайших металлических частиц, железной пыли или марганцево-цинкового. Керамика изолирует металлические частицы друг от друга, создавая эффект, аналогичный ламинату, и лучше работает на высоких частотах.

Благодаря способам снижения потерь, описанным выше, практические трансформаторы близки к идеалу по характеристикам. В больших силовых трансформаторах КПД около 98% может быть достигнуто. Поэтому для большинства практических расчетов можно предположить, что трансформатор является «идеальным», если не указаны его потери. Фактические вторичные напряжения в практическом трансформаторе будут лишь немного меньше рассчитанных с использованием теоретического коэффициента трансформации.

Ток без нагрузки.

Поскольку работа трансформатора почти идеальна, мощность как в первичной, так и во вторичной обмотках одинакова, поэтому, когда вторичная обмотка не нагружена, вторичный ток не течет, а мощность во вторичной обмотке равна нулю (V x I = 0). Следовательно, хотя к первичной обмотке приложено напряжение, ток не будет течь, поскольку мощность в первичной обмотке также должна быть равна нулю. В практических трансформаторах «ток без нагрузки» в первичной обмотке на самом деле очень низкий.