Трансформатор горит: причины, методы защиты, принцип работы

причины, методы защиты, принцип работы

Автор otransformatore На чтение 7 мин Опубликовано 10.12.2018

Основное предназначение трансформаторов — это повышение или понижение приходящего напряжения. Если он перестает выполнять свои функции, то говорят, что “трансформатор сгорел”.

Устройство и принцип действия трансформатора

Все такие аппараты, независимо от мощности и частоты сети, имеют похожее устройство и принцип действия. Они служат для изменения величины переменного напряжения и состоят из одной или нескольких катушек, намотанных на общем сердечнике.

Как работает трансформатор

Работа этого электроприбора основана на законе электромагнитной индукции Фарадея. При изменении величины магнитного потока, проходящего через проводник, в нем наводится электрический ток. Эти изменения происходят при изменении напряжения, поэтому такие устройства работают только от сети переменного тока.

В трансформаторе магнитный поток наводится обмоткой, подключенной к сети и называемой “первичная”. Катушка, в которой наводится ток называется вторичной. Величина изменения напряжения называется “коэффициент трансформации” и зависит от соотношения витков в первичной и вторичной обмотках. Ктр=Uперв/Uвтор=Nперв/Nвтор. При изменении числа витков, например, при переключении выводов, коэффициент трансформации меняется.

Одним из свойств электротрансформаторов является обратимость. При подаче во вторичную обмотку напряжения, равного Uвтор, на выводах первичной обмотки появляется напряжение, равное Uперв.

Информация! Вторичных обмоток может быть любое количество, с несколькими отводами от каждой катушки.

Устройство трансформаторов

Для эффективной работы этих устройств сопротивление магнитному потоку должно быть минимальным. Поэтому намотка катушек производится на замкнутом магнитопроводе. В аппаратах, работающих в сети 50Гц, магнитопровод для уменьшения потерь и нагрева выполнен из пластин электротехнического железа, в высокочастотных устройствах он изготавливается керамический, из магнитодиэлектриков и ферритов.

Магнитопровод изготавливается различной формы:

• “Ш”-образная. Собирается из пластин “Ш”-образной формы или полуколец из нескольких слоев электротехнической стали. Вставляется в катушку после намотки;
• Тороидальная. Похож на бублик, намотанный из полосы трансформаторного железа. Катушка наматывается на готовый сердечник.
• Собранный из “бубликов” соответствующих размеров, причем “бублик” сердечника имеет форму прямоугольного стержня. Собирается при помощи электросварки.

При работе трансформаторы нагреваются. В устройствах мощностью до нескольких киловатт охлаждение естественное, в более мощных аппаратах устанавливаются обдувающие вентиляторы, а в высоковольтных электротрансформаторах катушки находятся в баке с трансформаторным маслом.

По своему назначению трансформаторы можно разделить на три группы:

• Разделительные. Предназначены для гальванического разделения сетей. Коэффициент трансформации “1” – величина входного и выходного напряжения равна.
• Понижающие. Понижают напряжение для подключения низковольтных устройств.
• Повышающие. Напряжение на вторичной катушке выше, чем в первичной. Используются в основном на электростанциях и для подключения в/в установок в сеть 0,4кВ.

Кроме устройств с несколькими обмотками есть автотрансформаторы – аппараты, в которых всего одна катушка с несколькими выводами. Применяются в лабораториях и в стабилизаторах напряжения.

Важно! В сетях, в которых пониженное напряжение используется для безопасности людей, автотрансформаторы применять запрещается.

Причины выхода из строя трансформатора

Основными признаками сгоревшего электротрансформатора являются:

• характерный запах и потемнение изоляции;
• сильный нагрев, особенно без нагрузки;
• пониженное напряжение или его отсутствие во вторичной обмотке.

Горит трансформатор из-за нарушения изоляции между отдельными проводниками:

• При перегреве устройства. Это происходит вследствие перегрузки или короткого замыкания во вторичной сети.
• При нарушении изоляции из-за вибрации, возникающей при “гудении” устройства. Такая вибрация появляется если пластины магитопровода, которые должны быть плотно прижаты друг к другу, начинают вибрировать внутри аппарата.

Важно! Если к вторичной обмотке устройства подключен диодный мост, то подобная ситуация возникает также при пробое одного из диодов.

Виды неисправностей

Перед монтажом и при нарушениях работы электротрансформатор следует проверить на наличие неисправностей.

Обрыв обмотки, замыкание на корпус и другую обмотку

Эти неисправности определяются тестером или мегомметром. В исправном состоянии обмотки изолированы друг от друга и от корпуса, и величина изоляции составит 1-10 мОм, а сопротивление самой обмотки будет 0,1-100 Ом.

Внимание! Эти измерения проводятся для всех обмоток по отдельности.

Межвитковое замыкание

Не всегда электротрансформатор выходит из строя сразу. В некоторых случаях изоляция нарушается между двумя рядом расположенными витками из-за чего образуется короткозамкнутый виток. При подаче питания в первичную обмотку в нем наводится ток, виток греется и разрушает изоляцию рядом расположенных проводников.

Определить наличие межвиткового замыкания возможно только при помощи специального прибора. Без него эта неисправность выявляется путем визуального осмотра и поиска потемневшей изоляции, а также проверки тока трансформатора без нагрузки.

Ток холостого хода составляет от 30% в аппаратах мощностью 10ВА до 5% и меньше в устройствах мощностью 1000кВт и более. При этом должны отсутствовать гул и нагрев аппарата.

Сгоревший же трансформатор можно отремонтировать. Ремонт заключается в замене сгоревшей обмотки или полной перемотке всех катушек.

Определение числа витков и сечения провода

Перед началом ремонта необходимо определить сечение провода и число витков каждой обмотки. Измерение диаметра проводника производится микрометром. Если его нет, то допускается намотать на гвоздь 10 витков проводника, замерять штангенциркулем длину получившейся катушки и разделить на 10. Получившееся число будет диаметром проводника. Необходимый диаметр определяется также по специальным таблицам исходя из номинального тока катушки. При недостаточном сечении провода трансформатор будет гореть.

Важно! Для более точного измерения диаметра необходимо снять с провода изоляцию.

Если неизвестно число витков, то есть два варианта определения их количества.

Первичная обмотка в нерабочем состоянии

Расчёт производится по справочникам, при помощи онлайн-калькуляторов или специальными программами. Результат не очень точный, поэтому желательно намотать первичную обмотку, собрать аппарат и измерить ток холостого хода.

Исправная первичная обмотка

На нее наматывается 10-50 витков, в зависимости от мощности устройства. После сборки на ее выводах измеряется напряжение и вычисляется количество витков, необходимое для намотки по формуле N=(Nобм/Uобм)*U, где:

• N – необходимое число витков;
• Nобм – число витков в проверочной обмотке;
• Uобм – напряжение в проверочной обмотке;
• U – необходимое напряжение.

Ремонт трансформаторов

Ремонт и перемотка электротрансформаторов производится в определенном порядке:

• Разобрать магнитопровод. Железо сложить отдельно, по пластинам.
• Размотать сгоревшую катушку, считая число витков. Замерять микрометром диаметр провода.
• Намотать новые обмотки. Между слоями намотки и катушками проложить изоляционный материал. Его толщина зависит от диаметра провода.
• Собрать аппарат. Пластины трансформаторного железа необходимо плотно прижать, а при необходимости расклинить деревянными клиньями в катушке.

Для намотки необходимо использовать специальный станок. Намотать катушку руками, особенно с большим количеством витков из тонкого провода практически невозможно.

Совет! Если сгорела только одна из вторичных обмоток, то остальные не перематываются.

Частичная перемотка трансформатора

Для перемотки одной из вторичных катушек необходимо:

• разобрать устройство – вынуть сердечник и размотать сгоревшую катушку;
• снова собрать устройство, подключить его к сети и проверить работу в режиме холостого хода;
• после проверки снова разобрать прибор, намотать недостающие обмотки и произвести окончательную сборку и проверку в работе аппарата.

Защита от выхода из строя

Почему горит понижающий трансформатор? Прежде всего из-за перегрузки или короткого замыкания во вторичных сетях. Для предотвращения аварийной ситуации все катушки необходимо подключать через устройства защиты. При номинальном токе больше 1А используются модульные автоматы, с установкой на DIN-рейку, или автоматические выключатели другой конструкции. При токах менее 1А устройство подключается через предохранители.

Важно! При подключении первичной обмотки через модульный автомат, его необходимо выбирать серии “D”. Автоматы серии “С” срабатывают при подаче напряжения из-за высокого пускового тока трансформатора.

Сгоревший трансформатор — это не приговор. Его можно отремонтировать, но любую аварию проще и дешевле предотвратить, чем устранить. Лучше установить необходимые автоматы или предохранители, чем менять аппарат каждый раз, когда он будет сгорать.

Что делать при пожаре на подстанции?

  Связаться с персоналом электрической компании

В состав силовых подстанций входят трансформаторы, большие объемы масла, находящееся под напряжением оборудование и, в ряде случаев, со сжатым газом. Некоторые виды используемого масла могут содержать полихлорированные бифенилы (ПХБ).
При обнаружении возгорания на подстанции, как правило, в первую очередь необходимо вызвать пожарных, чтобы они были готовы обеспечить защиту окружающей подстанцию собственности. Персонал электрической компании должен сообщить пожарным, когда подстанция станет электрически безопасной. После этого пожарные могут перейти к тушению огня при помощи традиционного пожарных средств.
Большинство подстанций работают без присутствия персонала, хотя автоматическая система сигнализации должна вызвать представителя компании при возникновении аварийной ситуации. Если представитель компании не прибыл до приезда пожарных, необходимо связаться с электрической компанией, чтобы они выслали своего представителя.

Большинство персонала компаний знакомы с подстанциями, которые они обслуживают. Они  проходят подготовку по использованию специализированных средств подстанции для борьбы с огнем, и могут идентифицировать электрически безопасные места.

  Оборудование подстанции, подвергающееся воздействию огня

Ниже перечисляется наиболее распространенное электрическое оборудование, которое может быть повреждено огнем, и описывается характер повреждений.

1. Трансформаторы

Высокий выброс пламени на силовом трансформаторе подстанции

  Существует ряд рисков, о которых необходимо знать при тушении возгорания трансформатора. Как известно, трансформаторы являются устройствами, применяемыми для повышения или понижения напряжения. Они, как правило, содержат большие объемы изолирующего масла, которое, естественно, воспламеняемое, и имеет температуру воспламенения 145°C. Некоторые виды трансформаторного масла могут содержать ПХБ.
Трансформатор состоит из железного магнитопровода, на котором размещены две или три обмотки проводников. При изменении количества витков в обмотке, можно изменять напряжение. Витки обмотки должны быть изолированы друг от друга, чтобы выдержать напряжение. Эта изоляция тоже может быть воспламеняемой. Для целей изоляции и охлаждения, трансформаторы погружаются в большие металлические баки, содержащие масло. К другим элементам конструкции трансформатора относятся насосы, клапаны, радиаторы, и большой бак, называемый расширительным баком, размещаемый сверху основного бака трансформатора, и тоже содержащий масло.
Обычно удается погасить возгорание трансформатора до того, как выгорит все масло, и это позволяет сохранить окружающее оборудование от повреждений.

  2. Расширительные баки

Расширительный бак масляного трансформатора  

  Расширительные баки представляют собой большие емкости, расположенные на трансформаторах. Они предназначены для обеспечения расширения и сжатия масла, когда через трансформатор проходит электричество. В них не создается большого давления, но если один из таких баков будет поврежден, то возможно высвобождение большого объема горючего материала.

3. Взрывные клапаны

Эти устройства представляют собой вертикальные трубки с разрушаемыми дисками, установленные на верху трансформатора. Они предназначены для сброса давления в случае внутреннего отказа трансформатора. Для людей, выполняющих тушение пожара, они, как правило, опасности не представляют.

  4. Фарфоровые вводы

Этот пожар вызван повреждением ввода, изолированного пропитанной маслом бумагой на реакторе 400-кВ, 100-МВАр  

Функцией трансформаторных вводов является проведение высоковольтных соединений трансформатора, сквозь его заземленный металлический корпус, без подачи напряжения на корпус. Как правило, для изоляции вводы используют те же самые материалы, что и трансформатор — бумагу и масло.
Будучи подвергнут воздействию высокой температуре, материал вводов может взорваться. Это способно привести к  разбросу осколков фарфора, и дать огню еще больше масла в качестве горючего материала. Здесь нужно проявлять осторожность!

5.  Надземные конструкции

Пожар в надземных конструкциях подстанции

  Над электрическим оборудованием часто возводятся металлические конструкции для поддержки изоляторов и проводников высокого напряжения. Эти конструкции, подвергаясь высоким температурам, могут проседать и обрушаться.
Помимо очевидного риска, связанного с таким обрушением, оно способно разрушить трансформаторные вводы, последствия чего описаны выше.

6. Контрольные кабели

Подключенные к большим силовым трансформаторам, контрольные кабели несут ток низкого напряжения для управления охлаждающими вентиляторами, насосами и моторами. Они при отказе обычно оказываются изолированными.

  7. Кабельные траншеи

Упомянутые выше управляющие кабели прокладываются в кабельных траншеях. В случае пожара на подстанции, через кабельные траншеи может распространяться трансформаторное масло, которое протекает из горящего трансформатора или поврежденных фарфоровых вводов. Это может привести к весьма быстрому распространению пламени на близко расположенное оборудование.

  8. Выключатели

Высоковольтные элегазовые выключатели и трансформаторы тока 

  Это большие выключатели. Некоторые типы выключателей в своем составе имеют фарфоровые вводы и воспламеняющееся масло, риски от которых при пожаре описаны выше.

  9. Конденсаторы

 

Высоковольтная конденсаторная батарея

  Конденсаторы используются в некоторых (но не во всех) подстанциях. Конденсаторная батарея состоит из ряда небольших устройств, каждое из которых имеется размеры, приблизительно 25 на 45 на 60 сантиметров.

  Тремя основными рисками, о которых должны знать пожарные, в данном случае являются:

1. Отдельные конденсаторы представляют собой герметичные устройства, которые способны взрываться при нагреве.
2. В состав некоторых конденсаторов входят полихлорированные бифенилы (ПХБ), которые могут представлять опасность для здоровья персонала и для окружающей среды. В случае утечки ПХБ, следует проявлять крайнюю осторожность. Необходимо выполнять местные правила по защите окружающей среды.
3. Конденсаторы могут хранить опасные для жизни количества электричества даже после отключения питания. В случае возгорания, персонал электрической компании должен как можно быстрее обеспечить безопасность обращения с ними.
В такой ситуации пожарные должны принимать все необходимые меры для защиты себя и присутствующих при пожаре людей. И, конечно, необходимо строгое выполнение местных правил по защите окружающей среды.

10. Сеть заземления подстанции

  Под гравием основания всех электрических подстанций располагается обширная система сети заземления. Ее функция заключается в защите персонала от высоких уровней напряжения во время аварийных ситуаций (вне подстанций) на линиях передачи электроэнергии.
Например, если разряд молнии поразит одну из линий компании, он может вызвать перекрытие изоляции на станции, что увеличит напряжение заземления на несколько тысяч вольт. При нормальных обстоятельствах, персонал не будет подвергаться какой-либо опасности в силу того, что заземляющая сеть распределит это напряжение по большой площади.
Покрытие гравием сети заземления подстанции выполняет две важные функции:
1. Оно изолирует персонал от сети заземления.
2. При возгорании, оно охлаждает масло, которое может вытечь их трансформатора, или другого электрического оборудования. 

В Москве шторм: затопило метро, упал кран, из-за молнии горит трансформатор на подстанции : Новости Накануне.RU

В Москве шторм: затопило метро, упал кран, из-за молнии горит трансформатор на подстанции

Вместо долгожданного летнего дождя в Москву пришел настоящий шторм, который хоть и освежил город, но залил метро, а ветер повалил башенный кран в Раменском районе Подмосковья.

Так, по данным департамента транспорта Москвы, на Калужско-Рижской линии метрополитена сейчас нет движения поездов от станции Теплый стан до станции Новоясеневская – проверяют инфраструктуру. В обратном направлении поезда следуют с увеличенными интервалами.

«На станции Ясенево с городской территории поступает большое количество воды. Она попадает в вестибюль и частично на платформу станции. Службы метрополитена совместно с городскими службами принимают все усилия для оперативного восстановления движения на данном участке. Все пассажиры из поездов вышли на станциях, в тоннелях остановленных поездов с пассажирами нет», — сообщили в пресс-службе дептранса. Также было остановлено движение на Филевской линии между Багратионовской и Кунцевской. Горожане выкладывают в соцсетях видео, на которых вода буквально заливает подземные переходы метро словно бурный водопад.

На севере Москвы затопило Первую Хуторскую улицу. На дороге застряли два автомобиля, в том числе «скорая помощь». Пешеходы пересекают перекресток по пояс в воде, передает радио «Говорит Москва». На многих улицах упали деревья и различные конструкции, под ними часто оказываются машины. Тем временем, вода подтапливает первые этажи офисов и ресторанов, которые, впрочем, сегодня и так в большинстве своем работают в режиме навывнос – из-за новых антиковидных правил.

В Щелково молния во время грозы ударила в трансформаторную будку на подстанции – начался пожар, об отключениях и последствиях пока не сообщается.

В депатрансе также предупреждают, что из-за подтоплений в разных районах города могут задерживаться трамваи, например, на шоссе Энтузиастов, у Курского вокзала, на Комсомольской площади.

О пожарной опасности трансформаторов и маслонаполненных аппаратов на энергетических объектах

«Облик» современного трансформатора

По способу охлаждения трансформаторы делятся на сухие и масляные. У сухих трансформаторов обмотки и сердечник охлаждаются окружающим воздухом. Эти трансформаторы менее пожароопасны, чем масляные, так как в них горючим материалом является лишь твердая изоляция — бумажно-бакелитовые цилиндры, а также бумажная и хлопчатобумажная изоляция обмоток, пропитанная лаками.

Современные мощные трансформаторы имеют преимущественно масляное охлаждение: естественное или искусственное. С введением в трансформатор минерального масла увеличивается пожарная опасность, так как масло горит, а пары его в смеси с воздухом воспламеняются под действием электрической дуги, искр и т. п.
Минеральное изоляционное масло (трансформаторное) является продуктом дробной перегонки нефти. Масло обладает хорошими электроизоляционными свойствами. Благодаря своей малой вязкости и высокой текучести оно глубоко проникает в поры волокнистой изоляции (бумага, картон и др.), повышая ее электрическую прочность. Одновременно масло является хорошим переносчиком тепла и используется для охлаждения трансформаторов. Благодаря хорошим электроизолирующим свойствам и доступности масла оно широко применяется не только в трансформаторах, но также в выключателях, реакторах, реостатах, конденсаторах и кабелях.

Когда и чем опасен трансформатор

Горючими материалами в масляных трансформаторах являются: изоляционное масло, применяемое в больших количествах, деревянные детали (планки для крепления отводов, клинья, ярмовые балки — у трансформаторов малых габаритов), а также бумажная и хлопчатобумажная изоляция обмоток. В сухих трансформаторах минеральное масло отсутствует, а остальные горючие материалы аналогичны применяемым в масляных трансформаторах.

Эксплуатация трансформаторов протекает в большинстве случаев в таких условиях, при которых возможно воспламенение и горение изоляции. Так, в сухих трансформаторах при сильных перегревах обмоток хлопчатобумажная изоляция, пропитанная лаками, может воспламениться и гореть под воздействием кислорода окружающего воздуха.

В масляных трансформаторах при перегреве обмоток и магнитопровода или при образовании электрических дуг изоляционное масло может воспламениться, причем вероятность его воспламенения возрастает при перегреве масла, например, вследствие перегрузки трансформаторов. Так как в масле постоянно содержится некоторое количество растворенного кислорода и в него все время проникает воздух через отверстие в дыхательной пробке, то при работе трансформаторов всегда имеются условия для воспламенения масла. Газы, образующиеся при термическом распаде масла, могут прорвать стенку или крышку бака, и тогда горение масла получает полное развитие, превращаясь в пожар.

Перегрев и воспламенение изоляции трансформаторов возникают при различных аварийных явлениях, к которым относятся и различные короткие замыкания: межвитковые, между фазами, между фазой и корпусом, между обмотками высшего и низшего напряжения. Причинами коротких замыканий могут служить: плохое выполнение изоляции катушек заводом-изготовителем, например, повреждение ее во время запрессовки катушек, длительные перегрузки трансформаторов, при которых изоляция быстро стареет и становится хрупкой, замыкание отводов-проводов, отходящих от обмоток к выключателям, и др.

Большие переходные сопротивления в местах соединения в трансформаторе образуются на участках с плохо выполненными соединениями обмоток или обмоток и кабелей, идущих к выключателю, а также в других местах. В сухих трансформаторах участки с плохим контактом между токоведущими элементами (провода, стержни, шины) начинают дымить и могут вызвать обугливание изоляции обмоток и ее воспламенение. В масляных трансформаторах вокруг мест с большими переходными сопротивлениями начинается термическое разложение масла на газообразные части. На это обычно реагирует газовое реле. В трансформаторах без газового реле и других сигнальных и защитных устройств разложение масла приводит к тяжелым авариям.

Пожар в стали магнитопровода
Это явление заключается в чрезмерном нагреве вихревыми токами какой-либо части магнитопровода вследствие нарушения изоляции между листами стали или между магнитопроводом и стягивающими его шпильками. Перегрев магнитопровода может привести к разложению масла и к его воспламенению.

Внутренние разряды (перекрытия) с образованием электрической дуги в масле
Перекрытия могут возникать между обмотками высшего и низшего напряжения, между обмоткой высшего напряжения и стенкой бака трансформатора, а также по поверхностям фарфоровых изоляторов. Они образуются вследствие снижения электрической прочности масла при его увлажнении и загрязнении либо вследствие возникновения перенапряжений, вызываемых атмосферным электричеством или коммутационными процессами в системе нескольких включенных трансформаторов. В загрязненном и увлажненном масле, как правило, происходит длительный искровой разряд, который может перейти в дугу, вызывающую термическое разложение масла и даже его воспламенение. При перенапряжениях искровые разряды образуются даже в чистом масле.

На возникновение перекрытий также реагирует газовое реле, которое своевременно отключает трансформатор от сети. При отсутствии или несрабатывания газового реле и других приборов защиты длительно горящая электрическая дуга может вызвать сильный перегрев масла и его воспламенение. В сухих трансформаторах перенапряжения приводят к пробою твердой изоляции, а при длительно горящей дуге — к воспламенению изоляции. Из других причин, вызывающих опасные нагревы и воспламенения изоляции в трансформаторах, следует отметить понижение уровня масла в баках в результате утечки.

Опасность масляных выключателей

Масляные выключатели служат для отключения цепей переменного тока высокого напряжения и большей мощности под нагрузкой. Различают масляные выключатели с большим объемом масла (более 60 кг) — баковые и с малым объемом масла — горшковые.

В многообъемных масляных выключателях масло используется не только для гашения дуги, но и для изоляции токоведущих частей от стенок заземленного бака и друг от друга. В малообъемных масляных выключателях масло служит исключительно для гашения дуги, а токоведущие части от стенок бака изолируют при помощи твердых электроизоляционных материалов, а также воздуха.

Малообъемные масляные выключатели надежнее, чем многообъемные. Опасность взрыва или пожара от них значительно меньше, чем от баковых, так как масло применяется в небольших количествах, не превышающих 10–25 кг. Они применяются при напряжении в установках до 10 кВ и токе до 1000 А. Металлические горшки выключателей находятся под напряжением. В момент разрыва цепи между неподвижным розеточным контактом и подвижным стержнем возникает электрическая дуга, которая разлагает масло. Продукты разложения масла (водород, ацетилен, метан, этилен и др.) создают давление в дугогасительной камере. Возникает дутье масла и газов через щели камеры (поперечное) и продольное вслед за подвижным стержнем. Дуга деионизируется и гасится. Продукты разложения масла (газы с воздухом) взрывоопасны. В этом их пожарная опасность.

Причинами пожаров и взрывов масляных выключателей могут быть:

1. Недостаточный слой масла над контактами. Газовые пузыри, возникающие при гашении дуги, прорывают этот слой и образуют с воздухом взрывчатую смесь, которая может взорваться. Такая опасность создается в тех случаях, когда температура прорвавшихся газов и концентрация газовой смеси достаточны для самовоспламенения.
2.Наличие очень толстого слоя масла над контактами. Газовые пузыри при горении дуги энергично вытесняют масло. Оно быстро поднимается вверх и ударяет в крышку выключателя. Удар в крышку может быть такой силы, что она оторвется, а масло выплеснется из выключателя. Продолжающая гореть электрическая дуга может вызвать воспламенение оставшегося в выключателе масла.
3.Образование мощных электрических дугпри весьма больших токах короткого замыкания. Такие дуги масляный выключатель не всегда способен погасить. При длительном горении дуги выделяется из масла большое количество газов, вызывая быстрое повышение давления в выключателе. Давление может достигнуть такого предела, при котором выключатель взрывается. Взрыв, как правило, сопровождается воспламенением масла.
4. Неисправность выключающего устройства в масляном выключателе. В этом случае дуга может длительно гореть, вызывая бурное образование газов и быстрое повышение давления внутри выключателя. Непрерывно увеличивающиеся в объеме газовые пузыри могут прорваться через слой масла, не рассчитанный на такое большое давление. Кроме того, масло может быстро подняться и ударить в крышку выключателя, что приведет к таким же последствиям, как при наличии очень толстого слоя масла над контактами.
5. Образование внутренних искровых перекрытий, которые часто переходят в дуги. Перекрытия могут возникать между контактными устройствами, принадлежащими различным фазам, а также между контактными устройствами и стенкой бака выключателя. Причиной образования перекрытий может служить низкая электрическая прочность масла, связанная с его увлажнением и загрязнением продуктами старения и термического распада, образующимися при многократных выключениях.

В автогазовых безмасляных выключателях дуга гасится газами, обильно выделяемыми стенками газогенерирующих изоляционных материалов, к которым относятся фибра, органическое стекло и полихлорвинил. Автогазовые выключатели неопасные в пожарном отношении, но могут успешно работать при небольших мощностях. Существуют также воздушные выключатели, в которых дуга гасится сжатым воздухом. Они рассчитаны на большие мощности, чем масляные выключатели, и безопасны в пожарном отношении, но имеют сложную конструкцию.

Противопожарные мероприятия

Мероприятия, обеспечивающие пожарную безопасность трансформаторов, можно разделить на две группы. К первой относится мероприятие, связанное с оборудованием трансформаторов аппаратами защиты и различными предохранительными устройствами. Во вторую группу входят мероприятия, связаны с рациональным размещением трансформаторов и масляных выключателей, размещением соответствующего оборудования, а также планировкой помещения и открытых площадок и выбором средств тушения пожаров. На трансформаторах в общем случае должна предусматриваться релейная защита от повреждений и ненормальных режимов следующих видов:
— всех видов КЗ, включая и витковые, в обмотках и на выводах;
— замыканий внутри бака маслонаполненных трансформаторов, сопровождающихся выделением газа;
— междуфазных КЗ на ошиновках выводах ВН и НН;
— замыканий на землю на ошиновках выводов ВН и НН;
— токов внешних КЗ; перегрузок обмоток;
— повышения напряжения на выводах;
— нарушений в системе охлаждения;
— возгорания (пожара) масла.

Специальные способы релейной защиты здесь не рассматриваются. К простейшим предохранительным устройствам относятся: газовое реле, выхлопная труба, приборы теплового контроля, плавкие предохранители.

Газовое реле устанавливают на трубе, соединяющей бак трансформатора с расширительным бачком. Оно состоит из корпуса с двумя фланцами. Внутри корпуса расположены друг над другом два латунных поплавка с ртутными контактами. В нормальном состоянии поплавки плавают в масле, и ртуть не замыкает контакты. В аварийном состоянии внутри трансформатора, например, при КЗ, сопровождающихся разложением масла и выделением газов, пузырьки газов, поднимаясь вверх к крышке бака, заполняют корпус реле, вытесняя из него масло в расширительный бачок. С понижением уровня масла поплавки опускаются, и ртутные контакты замыкают сначала верхнего поплавка, а затем нижнего. Контакты верхнего поплавка включают световой и звуковой сигналы, предупреждая обслуживающий персонал, а нижнего — дают сигнал на отключение трансформатора через масляный выключатель. Газовое реле является действенной защитой трансформаторов от внутренних КЗ. Реле срабатывает также при утечке масла из трансформатора. Газовое реле устанавливают на всех трансформаторах мощностью от 560 кВ·А, а в цеховых — мощности 360 кВ·А и выше.
Выхлопная предохранительная трубаимеется на всех трансформаторах мощностью 1000 кВ·А и выше. Она предотвращает разрушение бака при резком повышении давления в трансформаторе в результате выделения газов при термическом разложении масла. Труба сообщается с баком трансформатора и расположена на его крышке несколько наклонно по отношению к горизонту. Верхний торец трубы плотно закрыт стеклянной пластинкой. При значительном увеличении давления внутри бака трансформатора масло и газы поднимаются вверх по трубе и разрушив стекло, выбрасываются наружу, в сторону и вниз.

Приборы теплового контроля (ртутный и ртутноконтактный термометры, дистанционный термометр сопротивления и термометрический сигнализатор) служат для определения температуры верхних, наиболее нагретых слоев масла. При мощности трансформатора более 1000 кВ·А устанавливают терморегуляторы. Увеличение температуры масла выше 95° С свидетельствует о повреждении внутри трансформатора или его перегрузке. Поэтому установка на трансформаторах приборов, контролирующих температуру масла, обязательна.

Сергей Семичаевский, научный сотрудник научно-испытательного центра УкрНИИ гражданской защиты

Джерело: журнал «Охорона праці і пожежна безпека»

Усі видання з охорони праці

Работники МЧС потушили загоревшийся трансформатор на заводе МАЗ

Фото Минского городского управления МЧС

12 июля, Минск /Корр. БЕЛТА/. Работники МЧС ликвидировали возгорание трансформатора на заводе МАЗ, сообщили БЕЛТА в Минском городском управлении МЧС.

«Сегодня в 9.16 в МЧС поступила информация о возгорании трансформатора в цеху на территории ОАО «МАЗ» по ул.Социалистическая, 2 в Минске. На место пожара были направлены подразделения МЧС», — рассказали спасатели.

По прибытии работников МЧС к месту вызова по внешним признакам наблюдался дым средней концентрации из сталелитейного цеха №1. Выяснилось, что в отдельном помещении в цеху горят трансформатор, масло и кабели на площади 40 кв.м.

Пожар ликвидирован в 9.51.

Пострадавших нет. Эвакуация не проводилась. На месте происшествия работали 19 единиц техники МЧС.

Причина инцидента устанавливается.-0-

Фото Минского городского управления МЧС

Неподалеку от ИК №6 горит трансформатор

Неподалеку от ИК №6 горит трансформатор

11:46 11.08.2018 На Грузовом проезде около исправительной колонии горит трансформатор.

Во Фрунзенском районе Петербурга горит трансформатор. Сигнал на пульт МЧС о возгорании на Грузовом проезде поступил из исправительной колонии №6, располагающейся неподалеку. Сотрудники спасательной службы выехали на место происшествия.

В это же время отмечается, что с возгоранием в ИК-6 справились своими силами. Помощь пожарных не потребовалась.

Информация об инциденте уточняется.

Ранее НЕВСКИЕ НОВОСТИ сообщали о том, что минувшей ночью в центре Петербурге на улице Думская взорвалась трансформаторная будка в одном из баров. В результате произошедшего на пересечении с улицей Ломоносова возникло возгорание. Прибывшие на место пожарные побороли пламя. Пострадавших нет. Причиной инцидента стало короткое замыкание в трансформаторе. 

Понравился материал?Подпишись на «Невские новости»

Материалы партнеров:

Трансформаторы сухие с литой изоляцией ТСКЛ, ТСЗЛ, ТЛС

Современные технологии, основанные на повышении энергоэффективности работы электрических сетей Украины и уменьшении потерь в распределительных сетях,. требуют новых конструктивных решений в трансформаторостроении,.в частности в сегменте сухих трансформаторов,. а именно трансформаторов типа ТСКЛ – трансформаторов сухих литых с усиленной кремнийорганической изоляцией обмоток. Такие трансформаторы имеют наибольшую эксплуатационную целесообразность в плане пожаробезопасности,. экологичности, надёжности, работы в условиях постоянных температурных перепадов связанных с температурой окружающей среды и нагружающих параметров трансформатора. Кроме того, данный тип трансформаторов подходит для  установки в жилищных кварталах,. общественных зданиях, местах, где выставлены требования по обеспечению пожаробезопасности, отсутствию возгораний трансформаторного оборудования при аварийных режимах.

В связи с этим, предприятие ELTIZ решило идти в ногу со временем и его современными требованиями к электросетям. Производственная команда предприятия ELTIZ успешно разработала трансформаторы типа ТСКЛ классом напряжения 35 кВ. Собственные конструкторские и технологические решения позволили с успехом провести испытания. таких трансформаторов и поставить их в одну линейку. с мировыми производителями сухих трансформаторов.

Так почему же ELTIZ выбрал именно тип ТСКЛ?

Все просто:

• во-первых – не боится перегрузок по мощности и напряжению;
• во-вторых – не требует предварительного прогрева при температуре окружающей среды -60°С;
• в-третьих – при таком типе обмоток в ней нечему гореть –.изоляция провода и самой обмотки выполнена из стеклонити и стеклопластика,.которая не горит и не поддерживает горение.

Кроме того, наши трансформаторы обладают рядом преимуществ и имеют широкую сферу применения.

Свяжитесь с нашим отделом продаж, чтобы получить подробную информацию о заказе, стоимости и срокам изготовления.

Основы работы с трансформаторами и принципы работы с трансформаторами

Одна из основных причин, по которой мы используем переменные напряжения и токи переменного тока в наших домах и на рабочих местах, заключается в том, что источники переменного тока можно легко генерировать при подходящем напряжении, преобразовывать (отсюда и название трансформатор) в гораздо более высокие напряжения, а затем распространять по стране с использованием национальная сетка пилонов и кабелей на очень большие расстояния.

Причина преобразования напряжения на гораздо более высокий уровень заключается в том, что более высокие напряжения распределения подразумевают более низкие токи при той же мощности и, следовательно, более низкие потери I ² * R в сетевой кабельной сети.Эти более высокие напряжения и токи передачи переменного тока затем могут быть снижены до гораздо более низкого, безопасного и пригодного для использования уровня напряжения, где его можно использовать для питания электрического оборудования в наших домах и на рабочих местах, и все это возможно благодаря базовому трансформатору напряжения .

Типовой трансформатор напряжения

Трансформатор напряжения можно рассматривать как электрический компонент, а не как электронный компонент. Трансформатор в основном представляет собой очень простое статическое (или стационарное) электромагнитное пассивное электрическое устройство, которое работает по принципу закона индукции Фарадея, преобразуя электрическую энергию из одного значения в другое.

Трансформатор делает это путем соединения двух или более электрических цепей с помощью общей колебательной магнитной цепи, которая создается самим трансформатором. Трансформатор работает на принципах «электромагнитной индукции» в форме взаимной индукции.

Взаимная индукция — это процесс, при котором катушка с проволокой индуцирует напряжение в другой катушке, расположенной в непосредственной близости от нее. Тогда мы можем сказать, что трансформаторы работают в «магнитной области», а трансформаторы получили свое название от того факта, что они «преобразуют» один уровень напряжения или тока в другой.

Трансформаторы

способны увеличивать или уменьшать уровни напряжения и тока источника питания без изменения его частоты или количества электроэнергии, передаваемой от одной обмотки к другой через магнитную цепь.

Однофазный трансформатор напряжения в основном состоит из двух электрических катушек с проволокой, одна из которых называется «Первичная обмотка», а другая — «Вторичная обмотка». В этом руководстве мы определим «первичную» сторону трансформатора как сторону, которая обычно принимает питание, а «вторичную» как сторону, которая обычно подает питание.В однофазном трансформаторе напряжения первичной обмоткой обычно является сторона с более высоким напряжением.

Эти две катушки не находятся в электрическом контакте друг с другом, а вместо этого намотаны вместе вокруг общей замкнутой магнитной железной цепи, называемой «сердечником». Этот сердечник из мягкого железа не является твердым, а состоит из отдельных пластин, соединенных вместе, чтобы помочь уменьшить потери сердечника.

Две обмотки катушки электрически изолированы друг от друга, но магнитно связаны через общий сердечник, что позволяет передавать электрическую мощность от одной катушки к другой.Когда электрический ток проходит через первичную обмотку, создается магнитное поле, которое индуцирует напряжение во вторичной обмотке, как показано.

Однофазный трансформатор напряжения

Другими словами, для трансформатора нет прямого электрического соединения между двумя обмотками катушки, что дало ему название также изолирующий трансформатор . Обычно первичная обмотка трансформатора подключается к источнику входного напряжения и преобразует или преобразует электрическую энергию в магнитное поле.В то время как работа вторичной обмотки заключается в преобразовании этого переменного магнитного поля в электрическую энергию, производящую требуемое выходное напряжение, как показано.

Конструкция трансформатора (однофазный)

• Где:
• V _P — первичное напряжение
• V _S — вторичное напряжение
• N _P — количество первичных обмоток
• N _S — количество вторичных обмоток
• Φ (phi) — это потокосцепление

Обратите внимание, что две обмотки катушки не связаны электрически, а связаны только магнитно.Однофазный трансформатор может увеличивать или уменьшать напряжение, подаваемое на первичную обмотку. Когда трансформатор используется для «увеличения» напряжения на его вторичной обмотке относительно первичной, он называется повышающим трансформатором . Когда он используется для «уменьшения» напряжения на вторичной обмотке относительно первичной, он называется понижающим трансформатором .

Однако существует третье условие, при котором трансформатор создает на своей вторичной обмотке такое же напряжение, какое прикладывается к его первичной обмотке.Другими словами, его выход идентичен по передаваемому напряжению, току и мощности. Этот тип трансформатора называется «трансформатором импеданса» и в основном используется для согласования импеданса или изоляции прилегающих электрических цепей.

Разница в напряжении между первичной и вторичной обмотками достигается за счет изменения количества витков катушки в первичной обмотке (N _P ) по сравнению с количеством витков катушки на вторичной обмотке (N _S ).

Поскольку трансформатор в основном является линейным устройством, теперь существует соотношение между количеством витков первичной катушки, деленным на количество витков вторичной катушки. Этот коэффициент, называемый коэффициентом трансформации, более известен как «коэффициент трансформации» трансформаторов (TR). Это значение коэффициента трансформации определяет работу трансформатора и соответствующее напряжение на вторичной обмотке.

Необходимо знать соотношение количества витков провода на первичной обмотке по сравнению с вторичной обмоткой.Передаточное число витков, которое не имеет единиц измерения, сравнивает две обмотки по порядку и записывается с двоеточием, например 3: 1 (3-к-1). В этом примере это означает, что если на первичной обмотке 3 вольта, то на вторичной обмотке будет 1 вольт, а на 1 вольт — 3 вольта. Тогда мы можем видеть, что если соотношение между количеством витков изменяется, результирующие напряжения также должны изменяться в том же соотношении, и это правда.

Трансформаторы — все о «соотношениях». Соотношение первичной и вторичной обмоток, отношение входа к выходу и коэффициент трансформации любого данного трансформатора будет таким же, как и его коэффициент напряжения.Другими словами, для трансформатора: «коэффициент трансформации = коэффициент напряжения». Фактическое количество витков провода на любой обмотке, как правило, не важно, просто соотношение витков, и это соотношение дается как:

A Трансформатор, коэффициент трансформации

Предполагая идеальный трансформатор и фазовые углы: Φ _P ≡ Φ _S

Обратите внимание, что порядок чисел при выражении трансформатора коэффициент передачи очень важен, так как коэффициент передачи 3: 1 выражает совершенно другое соотношение трансформатора и выходное напряжение, чем тот, в котором коэффициент передачи задан как 1: 3 .

Основы трансформатора, пример №1

Трансформатор напряжения имеет 1500 витков провода на первичной обмотке и 500 витков провода на вторичной обмотке. Каким будет коэффициент трансформации (TR) трансформатора.

Это соотношение 3: 1 (3 к 1) просто означает, что на каждую вторичную обмотку приходится три первичные обмотки. По мере того, как соотношение перемещается от большего числа слева к меньшему числу справа, значение первичного напряжения, следовательно, понижается, как показано.

Основы трансформатора, пример №2

Если к первичной обмотке того же трансформатора, указанного выше, приложено 240 В (среднеквадратичное значение), каким будет результирующее вторичное напряжение холостого хода.

Еще раз подтверждая, что трансформатор является «понижающим» трансформатором, поскольку первичное напряжение составляет 240 вольт, а соответствующее вторичное напряжение ниже 80 вольт.

Тогда основная цель трансформатора — преобразовывать напряжения с заданными соотношениями, и мы можем видеть, что на первичной обмотке есть заданное количество или количество обмоток (витков провода) на ней, чтобы соответствовать входному напряжению.Если вторичное выходное напряжение должно быть таким же, как входное напряжение на первичной обмотке, то на вторичный сердечник должно быть намотано такое же количество витков катушки, как и на первичном сердечнике, что дает равное соотношение витков 1: 1. (1 к 1). Другими словами, одна катушка включает вторичную обмотку, а другая — первичную.

Если выходное вторичное напряжение должно быть больше или выше входного напряжения (повышающий трансформатор), то на вторичной обмотке должно быть больше витков, обеспечивающих соотношение витков 1: N (1-к-N), где N представляет собой число передаточного числа витков.Аналогичным образом, если требуется, чтобы вторичное напряжение было ниже или ниже первичного (понижающий трансформатор), то количество вторичных обмоток должно быть меньше, обеспечивая соотношение витков N: 1 (N-к-1). .

Действие трансформера

Мы видели, что количество витков на вторичной обмотке по сравнению с первичной обмоткой, соотношение витков, влияет на величину напряжения, доступного от вторичной обмотки. Но если две обмотки электрически изолированы друг от друга, как создается это вторичное напряжение?

Ранее мы говорили, что трансформатор в основном состоит из двух катушек, намотанных на общий сердечник из мягкого железа.Когда к первичной катушке прикладывается переменное напряжение (V _P ), ток течет через катушку, которая, в свою очередь, создает вокруг себя магнитное поле, называемое взаимной индуктивностью , посредством этого потока тока в соответствии с законом Фарадея электромагнитная индукция. Сила магнитного поля нарастает по мере увеличения тока от нуля до максимального значения, которое задается как dΦ / dt.

По мере того, как магнитные силовые линии, устанавливаемые этим электромагнитом, расширяются наружу от катушки, сердечник из мягкого железа формирует путь и концентрирует магнитный поток.Этот магнитный поток связывает витки обеих обмоток, когда он увеличивается и уменьшается в противоположных направлениях под влиянием источника переменного тока.

Однако сила магнитного поля, индуцированного в сердечнике из мягкого железа, зависит от силы тока и количества витков в обмотке. Когда ток уменьшается, напряженность магнитного поля уменьшается.

Когда магнитные линии потока проходят вокруг сердечника, они проходят через витки вторичной обмотки, вызывая наведение напряжения во вторичной катушке.Величина индуцированного напряжения будет определяться: N * dΦ / dt (закон Фарадея), где N — количество витков катушки. Также это индуцированное напряжение имеет ту же частоту, что и напряжение первичной обмотки.

Тогда мы можем видеть, что одинаковое напряжение индуцируется в каждом витке катушки обеих обмоток, потому что один и тот же магнитный поток связывает витки обеих обмоток вместе. В результате общее индуцированное напряжение в каждой обмотке прямо пропорционально количеству витков в этой обмотке. Однако пиковая амплитуда выходного напряжения, доступного на вторичной обмотке, будет уменьшена, если магнитные потери сердечника велики.

Если мы хотим, чтобы первичная катушка создавала более сильное магнитное поле, чтобы преодолеть магнитные потери сердечника, мы можем либо послать через катушку больший ток, либо сохранить тот же ток, и вместо этого увеличить количество витков катушки (N _P ) обмотки. Произведение ампер на витки называется «ампер-витки», которое определяет силу намагничивания катушки.

Предположим, у нас есть трансформатор с одним витком в первичной обмотке и только с одним витком во вторичной.Если один вольт приложен к одному витку первичной катушки, при условии отсутствия потерь, должно протекать достаточно тока и генерироваться достаточно магнитного потока, чтобы индуцировать один вольт в одном витке вторичной обмотки. То есть каждая обмотка поддерживает одинаковое количество вольт на виток.

Поскольку магнитный поток изменяется синусоидально, Φ = Φ _max sinωt, то основное соотношение между наведенной ЭДС, (E) в обмотке катушки из N витков определяется выражением:

ЭДС = количество оборотов x скорость изменения

• Где:
• ƒ — частота потока в Герцах, = ω / 2π
• Ν — количество витков катушки.
• Φ — количество флюса в полотнах

Это известно как уравнение ЭДС трансформатора . Для ЭДС первичной обмотки N будет числом витков первичной обмотки (N _P ), а для ЭДС вторичной обмотки N будет числом витков вторичной обмотки (N _S ).

Также обратите внимание, что, поскольку трансформаторы требуют переменного магнитного потока для правильной работы, трансформаторы, следовательно, не могут использоваться для преобразования или подачи постоянного напряжения или тока, поскольку магнитное поле должно изменяться, чтобы индуцировать напряжение во вторичной обмотке.Другими словами, трансформаторы НЕ работают при установившемся постоянном напряжении , а только при переменном или пульсирующем напряжении.

Если первичная обмотка трансформатора была подключена к источнику постоянного тока, индуктивное реактивное сопротивление обмотки было бы равно нулю, поскольку постоянный ток не имеет частоты, поэтому эффективное сопротивление обмотки будет очень низким и равным только сопротивлению используемой меди. . Таким образом, обмотка будет потреблять очень высокий ток от источника постоянного тока, что приведет к ее перегреву и, в конечном итоге, сгоранию, потому что, как мы знаем, I = V / R.

Основы трансформатора, пример №3

Однофазный трансформатор имеет 480 витков на первичной обмотке и 90 витков на вторичной обмотке. Максимальное значение плотности магнитного потока составляет 1,1 Тл, когда на первичную обмотку трансформатора подается напряжение 2200 В, 50 Гц. Вычислить:

а). Максимальный поток в сердечнике.

б). Площадь поперечного сечения сердечника.

в). Вторичная наведенная ЭДС.

Так как номинальное вторичное напряжение равно вторичной наведенной ЭДС, другой более простой способ рассчитать вторичное напряжение из отношения витков дается как:

Электрическая мощность в трансформаторе

Еще одним из основных параметров трансформатора является его номинальная мощность. Номинальная мощность трансформатора получается простым умножением тока на напряжение, чтобы получить номинальную мощность в Вольт-ампер , (ВА). Небольшие однофазные трансформаторы могут быть рассчитаны только на вольт-амперы, но более мощные силовые трансформаторы рассчитаны на единицы киловольт-ампер , (кВА), где 1 киловольт-ампер равен 1000 вольт-амперам, а единицы Мега-вольт-ампер , (МВА), где 1 мегавольт-ампер равен 1 миллиону вольт-ампер.

В идеальном трансформаторе (без учета потерь) мощность, доступная во вторичной обмотке, будет такой же, как и мощность в первичной обмотке, они являются устройствами постоянной мощности и не изменяют мощность, а изменяют только отношение напряжения к току. Таким образом, в идеальном трансформаторе коэффициент мощности равен единице, поскольку напряжение V, умноженное на ток, I останется постоянным.

То есть электрическая мощность на одном уровне напряжения / тока на первичной стороне «преобразуется» в электрическую энергию на той же частоте с тем же уровнем напряжения / тока на вторичной стороне.Хотя трансформатор может повышать (или понижать) напряжение, он не может повышать мощность. Таким образом, когда трансформатор увеличивает напряжение, он снижает ток и наоборот, так что выходная мощность всегда равна входной мощности. Тогда мы можем сказать, что первичная мощность равна вторичной мощности (P _P = P _S ).

Мощность в трансформаторе

Где: Φ _P — это первичный фазовый угол, а Φ _S — вторичный фазовый угол.

Обратите внимание, поскольку потеря мощности пропорциональна квадрату передаваемого тока, то есть: I ² R, увеличение напряжения, скажем, удвоение (× 2) напряжения уменьшит ток на ту же величину, (÷ 2) при подаче того же количества мощности на нагрузку и, следовательно, уменьшении потерь в 4 раза. Если бы напряжение было увеличено в 10 раз, ток уменьшился бы в том же разы, уменьшив общие потери в 100 раз.

Основы трансформатора

— КПД

Трансформатору не требуются движущиеся части для передачи энергии.Это означает, что отсутствуют потери на трение или парусность, связанные с другими электрическими машинами. Однако трансформаторы действительно страдают от других типов потерь, называемых «потерями в меди» и «потерями в стали», но, как правило, они довольно малы.

Потери в меди, также известные как I ² R потери — это электрическая мощность, которая теряется при нагреве в результате циркуляции токов вокруг медных обмоток трансформатора, отсюда и название. Потери в меди представляют собой самые большие потери в работе трансформатора.Фактические потери мощности в ваттах можно определить (в каждой обмотке) возведением в квадрат ампер и умножением на сопротивление обмотки в омах (I ² R).

Потери в железе, также известные как гистерезис, представляют собой запаздывание магнитных молекул внутри сердечника в ответ на переменный магнитный поток. Это запаздывающее (или не совпадающее по фазе) состояние связано с тем, что для переворота магнитных молекул требуется мощность; они не меняют направление, пока поток не достигнет достаточной силы, чтобы повернуть их вспять.

Их перестановка приводит к трению, а трение вызывает нагрев в сердечнике, что является формой потери мощности. Гистерезис внутри трансформатора можно уменьшить, сделав сердечник из специальных стальных сплавов.

Интенсивность потерь мощности в трансформаторе определяет его КПД. Эффективность трансформатора отражается в потерях мощности (мощности) между первичной (входной) и вторичной (выходной) обмотками. Тогда результирующий КПД трансформатора будет равен отношению выходной мощности вторичной обмотки P _S к потребляемой мощности первичной обмотки P _P и, следовательно, будет высоким.

Идеальный трансформатор имел бы 100% КПД, передавая всю электрическую энергию, которую он получает с первичной стороны, на вторичную. Но настоящие трансформаторы, с другой стороны, не эффективны на 100%. При работе с полной нагрузкой их максимальный КПД составляет от 94% до 96%, что все еще неплохо для электрического устройства. Для трансформатора, работающего при постоянном напряжении и частоте переменного тока, его КПД может достигать 98%. КПД трансформатора η определяется как:

КПД трансформатора

Где: вход, выход и потери выражены в единицах мощности.

Обычно при работе с трансформаторами первичные ватты называются «вольт-ампер», ВА, , чтобы отличить их от вторичных ватт. Тогда приведенное выше уравнение эффективности можно изменить на:

Иногда легче вспомнить взаимосвязь между входом, выходом и эффективностью трансформатора с помощью изображений. Здесь три величины VA, W и η наложены в треугольник, дающий мощность в ваттах вверху с вольт-амперами и эффективность внизу.Это расположение представляет собой фактическое положение каждой величины в формулах эффективности.

Треугольник КПД трансформатора

и транспонирование вышеуказанных величин треугольника дает нам следующие комбинации одного и того же уравнения:

Затем, чтобы найти Вт (выход) = VA x эфф., Или найти VA (вход) = W / eff., Или найти КПД, эфф. = Вт / ВА и т. Д.

Основные сведения о трансформаторе

Затем подведем итоги этого учебника по основам работы с трансформатором.Трансформатор изменяет уровень напряжения (или уровень тока) на своей входной обмотке на другое значение на выходной обмотке с помощью магнитного поля. Трансформатор состоит из двух электрически изолированных катушек и работает по принципу Фарадея «взаимной индукции», в котором ЭДС индуцируется во вторичной катушке трансформатора магнитным потоком, создаваемым напряжениями и токами, протекающими в обмотке первичной катушки.

Как первичная, так и вторичная обмотки катушки намотаны вокруг общего сердечника из мягкого железа, сделанного из отдельных пластин для уменьшения вихревых токов и потерь мощности.Первичная обмотка трансформатора подключена к источнику переменного тока, который должен быть синусоидальным по своей природе, а вторичная обмотка подает электроэнергию на нагрузку. При этом трансформатор можно использовать в обратном направлении с источником питания, подключенным к вторичной обмотке, при условии соблюдения номинальных значений напряжения и тока.

Мы можем представить трансформатор в виде блок-схемы следующим образом:

Базовое представление трансформатора

Соотношение первичной и вторичной обмоток трансформаторов друг относительно друга дает либо повышающий трансформатор напряжения, либо понижающий трансформатор напряжения с отношением числа витков первичной обмотки к числу вторичных витков, называемым «витками». коэффициент »или« коэффициент трансформации ».

Если это отношение меньше единицы, n <1, тогда N _S больше, чем N _P , и трансформатор классифицируется как повышающий трансформатор. Если это отношение больше единицы, n> 1, то есть N _P больше, чем N _S , трансформатор классифицируется как понижающий трансформатор. Обратите внимание, что однофазный понижающий трансформатор также можно использовать в качестве повышающего трансформатора, просто поменяв местами соединения и сделав обмотку низкого напряжения первичной, и наоборот, пока трансформатор работает в пределах своей первоначальной проектной мощности в ВА.

Если соотношение витков равно единице, то есть n = 1, то и первичная, и вторичная обмотки имеют одинаковое количество витков катушки, поэтому напряжения и токи будут одинаковыми для первичной и вторичной обмоток.

Этот тип трансформатора 1: 1 классифицируется как изолирующий трансформатор, поскольку первичная и вторичная обмотки трансформатора имеют одинаковое количество вольт на виток. Эффективность трансформатора — это отношение мощности, которую он передает нагрузке, к мощности, которую он потребляет от источника питания.В идеальном трансформаторе нет потерь, поэтому нет потери мощности, тогда P _IN = P _OUT .

В следующем руководстве, посвященном Transformer Basics , мы рассмотрим физическую конструкцию трансформатора и рассмотрим различные типы магнитных сердечников и пластинки, используемые для поддержки первичной и вторичной обмоток.

Основы электрических трансформаторов

Что такое электрические трансформаторы?

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

Трансформаторы

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

Строительство электрического трансформатора

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

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

Как работают трансформаторы?

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

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

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

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

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

Видео предоставлено: Инженерное мышление

Как работает трансформатор — Принцип работы электротехники

Электрический трансформатор — КПД и потери

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

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

Типы трансформаторов

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

На основе проектирования

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

На базе поставки

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

По целевому назначению

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

На праве пользования

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

Эти трансформаторы используются для одновременного реле и защиты приборов.

По принципу охлаждения

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

Основные характеристики трансформатора

Все трансформаторы имеют общие черты, независимо от их типа:

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

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

Применение электрического трансформатора

Основные области применения электрического трансформатора:

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

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

Советы по поиску и устранению неисправностей электрического трансформатора

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

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

D&F Liquidators обслуживает потребности в строительных материалах для электротехники более 30 лет. Это международная информационная служба площадью 180 000 квадратных метров, расположенная в Хейворде, Калифорния. В нем хранится обширный перечень электрических разъемов, кабелепроводов, автоматических выключателей, распределительных коробок, проводных кабелей, предохранительных выключателей и т. Д.Он закупает электрические материалы у ведущих компаний по всему миру. Компания также ведет обширный инвентарь взрывозащищенной электротехнической продукции и современных решений в области электрического освещения. Поскольку компания D&F закупает материалы оптом, она занимает уникальное положение, предлагая конкурентоспособную структуру ценообразования. Кроме того, он может удовлетворить самые взыскательные запросы и отгрузить материал в тот же день.

Трансформатор

— Energy Education

Рис. 1. Трансформатор, устанавливаемый на площадку для распределения электроэнергии. ^[1]

Трансформатор — это электрическое устройство, которое использует электромагнитную индукцию для передачи сигнала переменного тока (AC) от одной электрической цепи к другой, часто изменяя (или «преобразуя») напряжение и электрический ток. Трансформаторы не пропускают постоянный ток (DC) и могут использоваться для снятия постоянного напряжения (постоянного напряжения) из сигнала, сохраняя при этом изменяющуюся часть (напряжение переменного тока). В электрической сети трансформаторы играют ключевую роль в изменении напряжения, чтобы уменьшить потери энергии при передаче электроэнергии.

Трансформаторы изменяют напряжение электрического сигнала, выходящего из электростанции, обычно увеличивая (также известное как «повышение») напряжение. Трансформаторы также снижают («понижают») напряжение на подстанциях, а также в распределительных трансформаторах. ^[2] Трансформаторы также используются в составе устройств, как трансформаторы тока.

Как работают трансформаторы

Часто кажется удивительным, что трансформатор сохраняет общую мощность неизменной при повышении или понижении напряжения.Следует иметь в виду, что при повышении напряжения ток падает:

[математика] P = I_1 V_1 = I_2 V_2 [/ математика]

Трансформаторы используют электромагнитную индукцию для изменения напряжения и тока. Это изменение называется действием трансформатора и описывает, как трансформатор изменяет сигнал переменного тока с его первичной на вторичную составляющую (как в приведенном выше уравнении). Когда на первичную катушку подается сигнал переменного тока, изменяющийся ток вызывает изменение магнитного поля (становится больше или меньше).Это изменяющееся магнитное поле (и связанный с ним магнитный поток) будет проходить через вторичную катушку, индуцируя напряжение на вторичной катушке, тем самым эффективно связывая вход переменного тока от первичного ко вторичному компоненту трансформатора. Напряжение, приложенное к первичному компоненту, также будет присутствовать во вторичном компоненте.

Как упоминалось ранее, трансформаторы не пропускают вход постоянного тока. Это известно как изоляция постоянного тока. ^[2] Это связано с тем, что изменение тока не может быть вызвано постоянным током; Это означает, что нет изменяющегося магнитного поля, индуцирующего напряжение на вторичном компоненте.

Рисунок 1. Простой рабочий трансформатор. ^[3] Ток [math] I_p [/ math] поступает с напряжением [math] V_p [/ math]. Ток проходит через [math] N_p [/ math] обмотки, создавая магнитный поток в железном сердечнике. Этот поток проходит через [math] N_s [/ math] витков провода на другом контуре. Это создает ток [math] I_s [/ math] и разность напряжений во второй цепи [math] V_s [/ math]. Электроэнергия ([математика] V \ умноженная на I [/ математика]) остается прежней.

Основным принципом, который позволяет трансформаторам изменять напряжение переменного тока, является прямая зависимость между соотношением витков провода в первичной обмотке и вторичной обмотке и отношением первичного напряжения к выходному напряжению.Отношение числа витков (или петель) первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки известно как коэффициент витков . Соотношение витков устанавливает следующую взаимосвязь с напряжением:

[математика] \ frac {N_p} {N_s} = \ frac {V_p} {V_s} = \ frac {I_s} {I_p} [/ math]

• [math] N_p [/ math] = Количество витков в первичной катушке
• [math] N_s [/ math] = Количество витков вторичной катушки
• [math] V_p [/ math] = напряжение на первичной обмотке
• [math] V_s [/ math] = Напряжение на вторичной обмотке
• [math] I_p [/ math] = Ток через первичный
• [math] I_s [/ math] = Ток через вторичную обмотку
  

Из этого уравнения, если количество витков в первичной обмотке больше, чем количество витков во вторичной обмотке ([math] N_p \ gt N_s [/ math]), то напряжение на вторичной катушке будет на меньше, чем на первичной катушке.Это известно как понижающий трансформатор, потому что он понижает или понижает напряжение. В таблице ниже показаны распространенные типы трансформаторов, используемых в электрической сети.

Тип трансформатора	Напряжение	Передаточное число	Текущий	Мощность
Понижение	входное (первичное) напряжение> выходное (вторичное) напряжение	[math] N [/ math] p > [math] N [/ math] s	[math] I [/ math] p <[math] I [/ math] s	[math] P [/ math] p = [math] P [/ math] s
Шаг вперед	входное (первичное) напряжение <выходное (вторичное) напряжение	[math] N [/ math] p <[math] N [/ math] s	[math] I [/ math] p > [math] I [/ math] s	[math] P [/ math] p = [math] P [/ math] s
Один к одному	входное (первичное) напряжение = выходное (вторичное) напряжение	[math] N [/ math] p = [math] N [/ math] s	[math] I [/ math] p = [math] I [/ math] s	[math] P [/ math] p = [math] P [/ math] s

Преобразователь один к одному будет иметь одинаковых значений для всего и используется в основном для цель обеспечения изоляции постоянного тока.

Понижающий трансформатор будет иметь первичное напряжение на более высокое, , чем вторичное, но на более низкое значение первичного тока, чем его вторичный компонент.

В случае повышающего трансформатора , первичное напряжение будет ниже на , чем вторичное напряжение, что означает на больший первичный ток , чем вторичный компонент.

КПД

В идеальных условиях напряжение и ток изменяются с одинаковым коэффициентом для любого трансформатора, что объясняет, почему значение первичной мощности равно значению вторичной мощности для каждого случая в приведенной выше таблице.По мере того, как одно значение уменьшается, другое увеличивается, чтобы поддерживать постоянный равновесный уровень мощности. ^[2]

Трансформаторы могут быть чрезвычайно эффективными. Эффективность мощных трансформаторов может достигать отметки 99% благодаря успехам в минимизации потерь в трансформаторе. Однако трансформатор всегда будет выдавать немного меньшую мощность, чем его входная мощность, поскольку полностью исключить потери невозможно. Есть некоторое сопротивление трансформатора.

Чтобы узнать больше о трансформаторах, см. Гиперфизику.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

Как работают электрические трансформаторы?

Как работают электрические трансформаторы? — Объясни это Рекламное объявление

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 23 августа 2021 г.

Могучие линии электропередач, которые пересекаются наша сельская местность или незаметное шевеление под улицами города несут электричество при очень высоких напряжениях от источника питания растения в наши дома.Для линии электропередачи нет ничего необычного в рейтинге. от 300 000 до 750 000 вольт, а некоторые линии работают при еще более высоком напряжении. [1] Но бытовая техника в наших домах использует напряжение в тысячи раз меньшее — обычно всего от 110 до 250 вольт. Если вы пытались включить тостер или телевизор от опоры электричества, мгновенно взорваться! (Даже не думайте пытаться, потому что электричество в воздушных линиях почти наверняка убьет вас.) какой-то способ уменьшить высоковольтное электричество от электростанций до электричество более низкого напряжения, используемое фабриками, офисами и домами.Устройство, которое это делает, гудит от электромагнитных волн. энергия, как она идет, называется трансформатором. Давайте подробнее рассмотрим, как это работает!

Фото: Взрыв из прошлого: Трансформатор странной формы на плотине Чикамауга недалеко от Чаттануги, Теннесси. Сфотографировано в 1942 году Альфредом Т. Палмером, Управление военного управления, любезно предоставлено Библиотекой Конгресса США.

Почему мы используем высокое напряжение?

Ваш первый вопрос, вероятно, такой: если наши дома и офисы с помощью копировальных аппаратов, компьютеры стиральные машины и электробритвы рассчитаны на 110–250 вольт, почему бы электростанциям просто не передавать электричество при таком напряжении? Почему они используют такое высокое напряжение? К Объясните это, нам нужно немного узнать о том, как распространяется электричество.

Как электричество течет по металлу проволока, электроны, которые несут свою энергию покачиваться сквозь металлическую конструкцию, ударяясь и разбиваясь о обычно тратит энергию как непослушный школьники бегут по коридору. Вот почему провода нагреваются, когда через них течет электричество (что очень полезно в электрических тостерах и других приборы, использующие ТЭНы). Оказывается, что чем выше напряжение электричества, которое вы используете, и тем ниже ток, тем меньше энергии тратится таким образом.Итак, электричество, которое приходит от электростанций передается по проводам под очень высоким напряжением в экономия энергии.

Фото: Спуск: эта старая подстанция (понижающий трансформатор) снабжает электроэнергией маленькую английскую деревню, где я живу. Его высота составляет около 1,5 м (5 футов), и его задача — преобразовывать несколько тысяч вольт входящей электроэнергии в сотни вольт, которые мы используем в наших домах.

Но есть и другая причина. Промышленные предприятия имеют огромные фабрики машины, которые намного больше и более энергоемкие, чем все, что вы есть дома.Энергия, которую использует прибор, напрямую связана (пропорциональна) к используемому напряжению. Таким образом, вместо того, чтобы работать от 110–250 вольт, энергоемкие машины могут использовать 10 000–30 000 вольт. Небольшим предприятиям и механическим цехам может потребоваться источники питания на 400 вольт или около того. Другими словами, разное электричество пользователям нужны разные напряжения. Имеет смысл отгружать высоковольтные электричество от электростанции, а затем преобразовать его в более низкое напряжение при достижении различных пунктов назначения. (Даже в этом случае централизованные электростанции по-прежнему очень неэффективны.Около двух третей энергии, поступающей на электростанцию, в виде сырого топлива, тратится на самом заводе и по пути к вам домой.)

На фото: изготовление больших электрических трансформаторов на заводе Westinghouse во время Второй мировой войны. Фото Альфреда Т. Палмера, Управление военного управления, любезно предоставлено Библиотекой Конгресса США.

Рекламные ссылки

Как работает трансформатор?

Трансформатор основан на очень простом факте об электричестве: когда по проводу течет колеблющийся электрический ток, он создает магнитное поле (невидимый образец магнетизма) или «магнитный поток» все вокруг него.Сила магнетизма (которая имеет довольно техническое название плотности магнитного потока) непосредственно связанный с величина электрического тока. Так что чем больше ток, тем сильнее магнитное поле. Теперь есть еще один интересный факт о электричество тоже. Когда магнитное поле колеблется вокруг куска провод, он генерирует электрический ток в проводе. Итак, если мы поставим вторая катушка проволоки рядом с первой, и посылает колеблющийся электрический ток в первую катушку, мы создадим электрический ток во втором проводе.Ток в первой катушке обычно называется первичным током, а ток во втором проводе это (сюрприз, сюрприз) вторичный ток. Что мы сделали вот пропустить электрический ток через пустое пространство от одной катушки провод к другому. Это называется электромагнитным индукция, потому что ток в первой катушке вызывает (или «индуцирует») ток во второй катушке. Мы можем сделать так, чтобы электрическая энергия передавалась более эффективно от одной катушки к другой, обернув их вокруг стержня из мягкого железа (иногда называемого сердечником):

Чтобы сделать катушку из проволоки, мы просто скручиваем проволоку в петли или («повороты», как их любят называть физики).Если вторая катушка имеет такое же количество витков, что и первая катушка, электрический ток в вторая катушка будет практически такого же размера, как и первая. катушка. Но (и вот что самое интересное), если у нас будет больше или меньше ходов во второй катушке мы можем сделать вторичный ток и напряжение больше или меньше, чем первичный ток и напряжение.

Важно отметить, что этот трюк работает, только если электрический ток каким-то образом колеблется. Другими словами, у вас есть использовать тип постоянно меняющегося электричества, называемый переменным ток (переменный ток) с трансформатором.Трансформаторы не работают с постоянным током (DC), где постоянный ток постоянно течет в одном и том же направление.

Понижающие трансформаторы

Если у первой катушки больше витков, чем у второй, вторичная напряжение меньше, чем первичное напряжение:

Это называется понижающей трансформатор. Если вторая катушка имеет половину столько витков, сколько первая катушка, вторичное напряжение будет вдвое меньше величина первичного напряжения; если во второй катушке на одну десятую меньше поворачивает, он имеет одну десятую напряжения.Всего:

Вторичное напряжение ÷ Первичное напряжение = Количество витков во вторичной обмотке ÷ Количество витков в начальной

Ток преобразуется в обратную сторону — увеличивается в размере — в понижающий трансформатор:

Вторичный ток ÷ Первичный ток = Количество витков в первичный ÷ Количество витков вторичного

Так понижающий трансформатор со 100 витками в первичной обмотке и 10 катушки во вторичной обмотке снизят напряжение в 10 раз, но одновременно умножьте ток в 10 раз.Сила в электрический ток равен току, умноженному на напряжение (Вт = вольт x ампер — один из способов запомнить это), так что вы можете увидеть мощность в вторичная катушка теоретически такая же, как мощность в первичная обмотка. (На самом деле между первичный и вторичный, потому что некоторая часть «магнитного потока» просачивается наружу сердечника часть энергии теряется из-за его нагрева и т. д.)

Повышающие трансформаторы

Изменяя ситуацию, мы можем сделать шаг вперед трансформатор, который увеличивает низкое напряжение в высокое:

На этот раз у нас больше витков на вторичной катушка, чем первичная.По-прежнему верно, что:

Вторичное напряжение ÷ Первичное напряжение = Количество витков в вторичный ÷ Количество витков первичной обмотки

и

Вторичный ток ÷ Первичный ток = Количество витков в первичный ÷ Количество витков вторичного

В повышающем трансформаторе мы используем больше витков во вторичной обмотке, чем в первичный, чтобы получить большее вторичное напряжение и меньшее вторичное Текущий.

Рассматривая как понижающие, так и повышающие трансформаторы, вы можете видеть, что это общее правило: катушка с наибольшим числом витков имеет наибольшее напряжение, а катушка с наименьшим числом витков имеет самый высокий ток.

Трансформаторы в вашем доме

Фото: Типичные домашние трансформаторы. Против часовой стрелки слева вверху: модем-трансформер, белый трансформер в iPod. зарядное устройство и зарядное устройство для мобильного телефона.

Как мы уже видели, в городах много огромных трансформаторов. и города, где подведена высоковольтная электроэнергия от входящих линий электропередач. преобразуется в более низкое напряжение. Но есть много трансформаторов в Ваш дом тоже. Большие электрические приборы, такие как стиральные и посудомоечные машины, используют относительно высокое напряжение. 110–240 вольт, но электронные устройства, такие как портативные компьютеры и зарядные устройства для MP3-плееров и мобильных телефонов, используют относительно крошечные напряжения: ноутбуку нужно около 15 вольт, зарядному устройству iPod — 12 вольт, а мобильному телефону обычно требуется менее 6 вольт, когда вы зарядить его аккумулятор.Таким образом, электронные устройства, подобные этим, имеют небольшие размеры. встроенные в них трансформаторы (часто устанавливаются в конце силового свинец) для преобразования 110–240 вольт бытовой питание на меньшее напряжение, которое они могут использовать. Если вы когда-нибудь задумывались, почему у таких вещей, как мобильные телефоны, есть большие толстые короткие шнуры питания, потому что они содержат трансформаторы!

Фотографии: электрическая зубная щетка, стоящая на зарядном устройстве. Батарея в щетке заряжается за счет индукции: нет прямого электрического контакта между пластиковой щеткой и пластиковым зарядным устройством в основании.Индукционное зарядное устройство — это особый вид трансформатора, разделенный на две части: одна в основании, а другая — в щетке. Невидимое магнитное поле связывает две части трансформатора вместе.

Зарядные устройства индукционные

Многие домашние трансформаторы (например, те, что используются в iPod и сотовые телефоны) предназначены для зарядки аккумуляторных батарей. Вы можете точно увидеть, как они работают: течет электричество в трансформатор из розетки на стене, попадает преобразуется в более низкое напряжение и перетекает в аккумулятор в вашем iPod или телефон.Но что происходит с чем-то вроде электрической зубной щетки, у которой нет кабель питания? Он заряжается немного другим типом трансформатор, одна из катушек которого находится в основании щетки, и другой в зарядном устройстве, на котором стоит щетка. Вы можете узнать О том, как работают подобные трансформаторы, читайте в нашей статье об индукционных зарядных устройствах.

Трансформаторы на практике

Если у вас есть дома некоторые из этих зарядных устройств для трансформаторов (обычные или индукционные), вы заметите, что они нагреваются после того, как пробыли какое-то время.Поскольку все трансформаторы выделяют некоторое количество отработанного тепла, ни один из них не является полностью эффективным: вторичная обмотка вырабатывает меньше электроэнергии, чем мы подаем в первичную, и именно отработанное тепло составляет большую часть разницы. В небольшом домашнем зарядном устройстве для мобильного телефона потери тепла довольно минимальны (меньше, чем у старомодной лампы накаливания), и обычно не о чем беспокоиться. Но чем больше трансформатор, тем больший ток он несет и тем больше тепла он производит.Для трансформатора подстанции, подобного изображенному на нашей фотографии выше, который имеет ширину примерно с небольшой автомобиль, отходящее тепло может быть действительно значительным: оно может повредить изоляцию трансформатора, серьезно сократить срок его службы и сделать его гораздо менее надежным ( не будем забывать, что сотни или даже тысячи людей могут зависеть от мощности одного трансформатора, который должен надежно работать не только изо дня в день, но из года в год). Вот почему вероятное повышение температуры трансформатора во время работы является очень важным фактором в его конструкции.Необходимо учитывать типичную «нагрузку» (насколько интенсивно он используется), сезонный диапазон наружных (окружающих) температур и даже высота (которая снижает плотность воздуха и, следовательно, эффективность его охлаждения) — все это необходимо учитывать. выяснить, насколько эффективно будет работать наружный трансформатор.

На практике большинство больших трансформаторов имеют встроенные системы охлаждения, использующие воздух, жидкость (масло или вода) или и то, и другое для отвода отработанного тепла. Обычно основная часть трансформатора (сердечник, а также первичная и вторичная обмотки) погружается в масляный бак с теплообменником, насос и охлаждающие ребра прикреплены.Горячее масло перекачивается из верхней части трансформатора через теплообменник (который охлаждает его) и обратно в нижнюю часть, чтобы повторить цикл. Иногда масло перемещается по охлаждающему контуру только за счет конвекции без использования отдельного насоса. В некоторых трансформаторах есть электрические вентиляторы, которые обдувают охлаждающие ребра теплообменника воздухом для более эффективного рассеивания тепла.

Изображение: Большие трансформаторы имеют встроенную систему охлаждения. В этом случае сердечник и катушка трансформатора (красный) находятся внутри большого масляного бака (серый).Горячее масло, взятое из верхней части резервуара, циркулирует через один или несколько теплообменников, которые отводят отработанное тепло с помощью охлаждающих ребер (зеленые), прежде чем возвращать масло в тот же резервуар внизу. Иллюстрация из патента США 4 413 674: Конструкция охлаждения трансформатора Рэндалла Н. Эйвери и др., Westinghouse Electric Corp., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Что такое твердотельные трансформаторы?

Из прочтения выше вы поняли, что трансформаторы могут быть очень большими, очень неуклюжими, а иногда и очень неэффективными.С середины 20 века всевозможные аккуратные электрические трюки, которые раньше выполнялись крупными (а иногда и механическими) компоненты были сделаны электронным способом, с использованием так называемой «твердотельной» технологии. Так, например, поменяли местами переключающее и усилительное реле. для транзисторов, в то время как магнитные жесткие диски все чаще заменяются флэш-памятью (в таких вещах, как твердотельные накопители, твердотельные накопители и карты памяти USB).

В течение последних нескольких десятилетий инженеры-электронщики работали над разработкой так называемых твердотельных трансформаторов (SST).По сути, это компактные высокомощные высокочастотные полупроводниковые схемы, которые повышают или понижают напряжение с большей надежностью и КПД по сравнению с традиционными трансформаторами; они также намного более управляемы, поэтому больше реагировать на изменения спроса и предложения. «Умные сети» (будущие системы передачи электроэнергии, питаемые от прерывистых источников возобновляемые источники энергии, такие как ветряные турбины и солнечные фермы), поэтому будут основным приложением. Несмотря на огромный интерес, SST технологии по-прежнему используются относительно мало, но, вероятно, будут самая захватывающая область проектирования трансформаторов будущего.

Рекламные ссылки

Узнать больше

На этом сайте

На других сайтах

Книги

Для читателей постарше

• Конструкция и применение трансформаторов Роберт М. Дель Веккио и др. CRC Press, 2018. Подробное руководство по трансформаторам питания.
• Справочник по проектированию трансформаторов и индукторов полковника Уильяма Т. Маклаймана. CRC Press, 2011. Подробное практическое руководство по проектированию электрических машин с использованием индуктивности.
• Электротрансформаторы и силовое оборудование Энтони Дж. Пансини. Fairmont Press, 1999. Объясняет теорию, конструкцию, установку и техническое обслуживание трансформаторов и различных типов трансформаторов перед тем, как перейти к рассмотрению соответствующих силовых устройств, таких как автоматические выключатели, предохранители и защитные реле.
• Трансформеры и моторы Джорджа Патрика Шульца. Newnes, 1997. Эта книга гораздо более практическая, чем некоторые другие книги, перечисленные здесь; он предназначен больше для электриков и людей, которым приходится работать с трансформаторами, чем для тех, кто хочет их проектировать.

Книги общего характера для младших читателей

• Д.К. Свидетель: Электричество Стива Паркера. Дорлинг Киндерсли, 2005. Исторический взгляд на электричество и то, как люди применяют его на практике.
• Сила и энергия Криса Вудфорда. Факты в файле, 2004. Одна из моих собственных книг описывает, как люди использовали энергию (включая электричество) на протяжении всей истории.

Патенты

Существуют сотни патентов на электрические трансформаторы различных типов.Вот несколько особенно интересных (ранних) из базы данных Управления по патентам и товарным знакам США:

• Патент США 351 589: Система распределения электроэнергии Люсьена Голара и Джона Гиббса, 26 октября 1886 г. Голлард и Гиббс описывают, как можно использовать трансформаторы для повышения и понижения напряжения для эффективного распределения энергии — основы современного электроснабжения. система во всем мире.
• Патент США 433702: Электрический трансформатор или индукционное устройство Николы Тесла, 5 августа 1890 г.Тесла описывает трансформатор со сдвигом фаз (такой, который может создавать разность фаз между первичным и вторичным токами).
• Патент США 497113: Трансформаторный двигатель, автор Отто Титус Блати, 9 мая 1893 г. Комбинированный трансформатор и двигатель, произведенный одним из изобретателей трансформатора.
• Патент США 1422653: Электрический трансформатор для регулирования или изменения напряжения подаваемого тока, Эдмунд Берри, 11 июля 1922 года. Трансформатор с круговой шкалой, позволяющей регулировать выходное напряжение.

Новостные статьи

• Трансформаторы: супергерои электротехнических изобретений Вацлава Смила. IEEE Spectrum. 25 июля 2017 года. На планете миллиарды трансформаторов — в вашем смартфоне, ноутбуке, зубной щетке и других местах; не пора ли нам оценить их немного больше? Включает в себя горшечную историю.
Интеллектуальные трансформаторы
• сделают сеть более чистой и гибкой, Субхашиш Бхаттачарья, IEEE Spectrum, 29 июня 2017 г. Взгляд в будущее, основанный на твердотельных трансформаторах.
• Мэттью Л. Уолд «Тренировка по замене важных трансформеров (не голливудских)». Нью-Йорк Таймс. 14 марта 2012 г. Если трансформаторы являются неотъемлемой частью электросети, как их можно удалить во время технического обслуживания или отказа компонентов?
• Next for the Grid: Solid State Transformers Майкл Канеллос, Green Tech Media, 15 марта 2011 г. Обзор того, как твердотельные трансформаторы могут революционизировать наши электрические сети.

Список литературы

1. ↑ Напряжение передачи варьируется от страны к стране в зависимости от расстояния, на которое необходимо передать электроэнергию, но обычно колеблется от 45 000 до 750 000 вольт. (45–750 кВ).Однако некоторые линии дальней связи работают при напряжении более 1 миллиона вольт (1 000 000 вольт или 1000 кв). См. «Технологии защиты систем передачи переменного тока сверхвысокого напряжения» Бин Ли и др. Elsevier, 2020, стр. 1–5. Линии высокого напряжения классифицируются как 45–300 кВ; диапазон сверхвысокого напряжения от 300 кВ до 750 кВ; а сверхвысокие напряжения обычно превышают 800 кВ, согласно данным «Воздушные линии электропередачи: планирование, проектирование, строительство» Фридриха Кисслинга и др., Springer, 2003/2014, стр.6.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США.Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Крис Вудфорд 2007, 2021. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитируйте эту страницу

Вудфорд, Крис.(2007/2021) Трансформаторы электрические. Получено с https://www.explainthatstuff.com/transformers.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

трансформаторов | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните, как работает трансформатор.
• Рассчитайте напряжение, ток и / или количество витков с учетом других величин.

Трансформаторы делают то, что подразумевает их название — они преобразуют напряжения из одного значения в другое (используется термин напряжение, а не ЭДС, потому что трансформаторы имеют внутреннее сопротивление). Например, многие сотовые телефоны, ноутбуки, видеоигры, электроинструменты и небольшие приборы имеют встроенный трансформатор (как на рис. 1), который преобразует 120 В или 240 В переменного тока в любое напряжение, используемое устройством. Трансформаторы также используются в нескольких точках систем распределения электроэнергии, как показано на Рисунке 2.Мощность передается на большие расстояния при высоком напряжении, потому что для данного количества мощности требуется меньший ток, а это означает меньшие потери в линии, как обсуждалось ранее. Но высокое напряжение представляет большую опасность, поэтому трансформаторы используются для получения более низкого напряжения в месте нахождения пользователя.

Рис. 1. Подключаемый трансформатор становится все более знакомым с ростом количества электронных устройств, которые работают от напряжения, отличного от обычных 120 В переменного тока. Большинство из них находятся в диапазоне от 3 до 12 В.(кредит: Shop Xtreme)

Рисунок 2. Трансформаторы изменяют напряжение в нескольких точках системы распределения электроэнергии. Электроэнергия обычно вырабатывается при напряжении более 10 кВ и передается на большие расстояния при напряжениях более 200 кВ, иногда даже до 700 кВ, для ограничения потерь энергии. Распределение электроэнергии по районам или промышленным предприятиям осуществляется через подстанцию ​​и передается на короткие расстояния с напряжением от 5 до 13 кВ. Оно снижено до 120, 240 или 480 В для безопасности на месте отдельного пользователя.

Тип трансформатора, рассматриваемый в этом тексте (см. Рисунок 3), основан на законе индукции Фарадея и очень похож по конструкции на устройство Фарадея, которое использовалось для демонстрации того, что магнитные поля могут вызывать токи. Две катушки называются первичной и вторичной . При нормальном использовании входное напряжение подается на первичную обмотку, а вторичная обмотка создает преобразованное выходное напряжение. Мало того, что железный сердечник улавливает магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, его намагниченность увеличивает напряженность поля.Поскольку входное напряжение переменного тока, изменяющийся во времени магнитный поток направляется во вторичную обмотку, вызывая ее выходное переменное напряжение.

Рис. 3. Типичная конструкция простого трансформатора имеет две катушки, намотанные на ферромагнитный сердечник, ламинированный для минимизации вихревых токов. Магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой, в основном ограничивается и увеличивается сердечником, который передает его вторичной обмотке. Любое изменение тока в первичной обмотке вызывает ток во вторичной обмотке.

Для простого трансформатора, показанного на рисунке 3, выходное напряжение В, , _, , почти полностью зависит от входного напряжения В, , _p и соотношения количества витков в первичной и вторичной катушках.Закон индукции Фарадея для вторичной обмотки дает ее индуцированное выходное напряжение В _с равным

.

[латекс] {V} _ {\ text {s}} = — {N} _ {\ text {s}} \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex],

, где N _s — количество витков вторичной обмотки, а Δ Φ / Δ t — скорость изменения магнитного потока. Обратите внимание, что выходное напряжение равно индуцированной ЭДС ( В _с = ЭДС _с ), при условии, что сопротивление катушки невелико (разумное предположение для трансформаторов).Площадь поперечного сечения катушек одинакова с обеих сторон, как и напряженность магнитного поля, поэтому Δ Φ / Δ t одинаковы с обеих сторон. Входное первичное напряжение В _p также связано с изменением магнитного потока на

[латекс] {V} _ {p} = — {N} _ {\ text {p}} \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex].

Причина этого немного более тонкая. Закон Ленца говорит нам, что первичная катушка противодействует изменению магнитного потока, вызванному входным напряжением В _p , отсюда знак минус (это пример самоиндукции , тема, которая будет исследована в некоторых подробнее в следующих разделах).Предполагая пренебрежимо малое сопротивление катушки, правило петли Кирхгофа говорит нам, что наведенная ЭДС в точности равна входному напряжению. Соотношение этих двух последних уравнений дает полезное соотношение:

[латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}}} {{ N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex]

Это известно как уравнение трансформатора , и оно просто утверждает, что отношение вторичного напряжения к первичному в трансформаторе равно отношению количества контуров в их катушках.Выходное напряжение трансформатора может быть меньше, больше или равно входному напряжению, в зависимости от соотношения количества витков в их катушках. Некоторые трансформаторы даже обеспечивают переменный выход, позволяя выполнять подключение в разных точках вторичной обмотки. Повышающий трансформатор — это тот, который увеличивает напряжение, тогда как понижающий трансформатор снижает напряжение. Если предположить, что сопротивление незначительно, выходная электрическая мощность трансформатора равна его входной.На практике это почти верно — КПД трансформатора часто превышает 99%. Приравнивание входной и выходной мощности,

P _p = I _p V _p = I _s V _s = P _s .

Перестановка терминов дает

[латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{I} _ {\ text {p}}} {{ I} _ {\ text {s}}} \\ [/ latex].

В сочетании с [латексом] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}} } {{N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex], мы находим, что

[латекс] \ frac {{I} _ {\ text {s}}} {{I} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {p}}} {{ N} _ {\ text {s}}} \\ [/ latex]

— это соотношение между выходным и входным токами трансформатора.Таким образом, если напряжение увеличивается, ток уменьшается. И наоборот, если напряжение уменьшается, ток увеличивается.

Пример 1. Расчет характеристик повышающего трансформатора

Портативный рентгеновский аппарат имеет повышающий трансформатор, входное напряжение которого 120 В преобразуется в выходное напряжение 100 кВ, необходимое для рентгеновской трубки. Первичная обмотка имеет 50 петель и потребляет ток 10,00 А. а) Какое количество петель во вторичной обмотке? (b) Найдите текущий выходной сигнал вторичной обмотки.

Стратегия и решение для (а)

Решаем [латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}}} {{N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex] для [latex] {N} _ {\ text {s}} \\ [/ latex] для N _s , номер петель во вторичной обмотке и введите известные значения.{4} \ end {array} \\ [/ latex].

Обсуждение для (а)

Для создания такого большого напряжения требуется большое количество контуров во вторичной обмотке (по сравнению с первичной). Это справедливо для трансформаторов с неоновой вывеской и трансформаторов, подающих высокое напряжение внутри телевизоров и электронно-лучевых трубок.

Стратегия и решение для (b)

Аналогичным образом мы можем найти выходной ток вторичной обмотки, решив [latex] \ frac {{I} _ {\ text {s}}} {{I} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N } _ {\ text {p}}} {{N} _ {\ text {s}}} \\ [/ latex] для [латекса] {I} _ {\ text {s}} \\ [/ latex] для I _s и ввод известных значений.{4}} = 12,0 \ text {mA} \ end {array} \\ [/ latex].

Обсуждение для (б)

Как и ожидалось, текущий выход значительно меньше входного. В некоторых зрелищных демонстрациях используются очень большие напряжения для получения длинных дуг, но они относительно безопасны, поскольку выход трансформатора не обеспечивает большой ток. Обратите внимание, что потребляемая мощность здесь составляет P _p = I _p V _p = (10,00 A) (120 В) = 1.20 кВт. Это равно выходной мощности P _p = I _s V _s = (12,0 мА) (100 кВ) = 1,20 кВт, как мы предполагали при выводе используемых уравнений.

Тот факт, что трансформаторы основаны на законе индукции Фарадея, проясняет, почему мы не можем использовать трансформаторы для изменения постоянного напряжения. Если нет изменений в первичном напряжении, то во вторичной обмотке нет индуцированного напряжения. Одна из возможностей — подключить постоянный ток к первичной катушке через переключатель.Когда переключатель размыкается и замыкается, вторичная обмотка вырабатывает напряжение, подобное показанному на рисунке 4. На самом деле это не практичная альтернатива, и переменный ток обычно используется везде, где необходимо увеличивать или уменьшать напряжения.

Рис. 4. Трансформаторы не работают для входа чистого постоянного напряжения, но если он включается и выключается, как показано на верхнем графике, выход будет выглядеть примерно так, как показано на нижнем графике. Это не тот синусоидальный переменный ток, который нужен большинству устройств переменного тока.

Пример 2. Расчет характеристик понижающего трансформатора

Зарядное устройство, предназначенное для последовательного подключения десяти никель-кадмиевых аккумуляторов (суммарная ЭДС 12.5 В постоянного тока) должен иметь выход 15,0 В для зарядки аккумуляторов. В нем используется понижающий трансформатор с первичной обмоткой на 200 контуров и входным напряжением 120 В. а) Сколько витков должно быть во вторичной катушке? (b) Если ток зарядки составляет 16,0 А, каков ток на входе?

Стратегия и решение для (а)

Можно ожидать, что вторичный узел будет иметь небольшое количество петель. Решение [латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}}} {{ N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex] для [latex] {N} _ {\ text {s}} \\ [/ latex] для N _s и ввод известных значений дает

[латекс] \ begin {array} {lll} {N} _ {\ text {s}} & = & {N} _ {\ text {p}} \ frac {{V} _ {\ text {s} }} {{V} _ {\ text {p}}} \\ & = & \ left (\ text {200} \ right) \ frac {15.0 \ text {V}} {120 \ text {V}} = 25 \ end {array} \\ [/ latex]

Стратегия и решение для (b)

Текущий ввод может быть получен путем решения [latex] \ frac {{I} _ {\ text {s}}} {{I} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ текст {p}}} {{N} _ {\ text {s}}} \\ [/ latex] для I _p и ввод известных значений. Это дает

[латекс] \ begin {array} {lll} {I} _ {\ text {p}} & = & {I} _ {\ text {s}} \ frac {{N} _ {\ text {s} }} {{N} _ {\ text {p}}} \\ & = & \ left (16.0 \ text {A} \ right) \ frac {25} {200} = 2.00 \ text {A} \ end {array} \\ [/ latex]

Обсуждение

Количество петель во вторичной обмотке невелико, как и ожидалось для понижающего трансформатора. Мы также видим, что небольшой входной ток дает больший выходной ток в понижающем трансформаторе. Когда трансформаторы используются для управления большими магнитами, они иногда имеют небольшое количество очень тяжелых контуров во вторичной обмотке. Это позволяет вторичной обмотке иметь низкое внутреннее сопротивление и производить большие токи. Заметим еще раз, что это решение основано на предположении о 100% КПД — или выходная мощность равна входной мощности ( P _p = P _с ), что является разумным для хороших трансформаторов.В этом случае первичная и вторичная мощность составляют 240 Вт. (Убедитесь в этом сами для проверки согласованности.) Обратите внимание, что никель-кадмиевые батареи необходимо заряжать от источника постоянного тока (как и аккумулятор на 12 В). Таким образом, выход переменного тока вторичной катушки необходимо преобразовать в постоянный ток. Это делается с помощью так называемого выпрямителя, в котором используются устройства, называемые диодами, которые пропускают только односторонний ток.

Трансформаторы

находят множество применений в системах электробезопасности, которые обсуждаются в разделе «Электробезопасность: системы и устройства».

Исследования PhET: Генератор

Генерируйте электричество с помощью стержневого магнита! Откройте для себя физику этих явлений, исследуя магниты и узнавая, как с их помощью загорается лампочка.

Щелкните, чтобы загрузить симуляцию. Запускать на Java.

Сводка раздела

• Трансформаторы используют индукцию для преобразования напряжения из одного значения в другое.
• Для трансформатора напряжения на первичной и вторичной обмотках связаны соотношением

  [латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}}} {{ N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex],

  , где V _p и V _s — напряжения на первичной и вторичной обмотках, имеющих N _p и N _s витков.

• Токи I _p и I _s в первичной и вторичной обмотках связаны соотношением [латекс] \ frac {{I} _ {\ text {s}}} {{I} _ {\ текст {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {p}}} {{N} _ {\ text {s}}} \\ [/ latex].
• Повышающий трансформатор увеличивает напряжение и снижает ток, тогда как понижающий трансформатор снижает напряжение и увеличивает ток.

Концептуальные вопросы

1. Объясните, что вызывает физические вибрации в трансформаторах при частоте, в два раза превышающей используемую мощность переменного тока.

Задачи и упражнения

1. Подключаемый трансформатор, показанный на рисунке 4, подает 9,00 В в систему видеоигр. (a) Сколько витков во вторичной обмотке, если ее входное напряжение составляет 120 В, а первичная обмотка имеет 400 витков? (б) Какой у него входной ток, когда его выход 1,30 А?

2. Американская путешественница в Новой Зеландии несет трансформатор для преобразования стандартных 240 В в Новой Зеландии в 120 В, чтобы она могла использовать в поездке небольшие электроприборы.а) Каково соотношение витков первичной и вторичной обмоток ее трансформатора? (б) Каково отношение входного тока к выходному? (c) Как новозеландец, путешествующий по Соединенным Штатам, мог использовать этот же трансформатор для питания своих устройств на 240 В от 120 В?

3. В кассетном магнитофоне используется подключаемый трансформатор для преобразования 120 В в 12,0 В с максимальным выходным током 200 мА. (а) Каков текущий ввод? б) Какая потребляемая мощность? (c) Является ли такое количество мощности приемлемым для небольшого прибора?

4.(а) Каково выходное напряжение трансформатора, используемого для аккумуляторных батарей фонаря, если его первичная обмотка имеет 500 витков, вторичная — 4 витка, а входное напряжение составляет 120 В? (b) Какой входной ток требуется для получения выходного сигнала 4,00 А? (c) Какая потребляемая мощность?

5. (a) Подключаемый трансформатор для портативного компьютера выдает 7,50 В и может обеспечивать максимальный ток 2,00 А. Каков максимальный входной ток, если входное напряжение составляет 240 В? Предположим 100% эффективность. (b) Если фактический КПД меньше 100%, потребуется ли входной ток больше или меньше? Объяснять.

6. Многоцелевой трансформатор имеет вторичную катушку с несколькими точками, в которых может быть снято напряжение, давая на выходе 5,60, 12,0 и 480 В. (a) Входное напряжение составляет 240 В на первичную катушку с 280 витками. Какое количество витков в частях вторичной обмотки используется для создания выходного напряжения? (b) Если максимальный входной ток составляет 5,00 А, каковы максимальные выходные токи (каждый из которых используется отдельно)?

7. Крупная электростанция вырабатывает электроэнергию напряжением 12,0 кВ.Его старый трансформатор когда-то преобразовывал напряжение до 335 кВ. Вторичная обмотка этого трансформатора заменяется, так что его выходная мощность может составлять 750 кВ для более эффективной передачи по пересеченной местности на модернизированных линиях электропередачи. (а) Каково соотношение оборотов в новой вторичной системе по сравнению со старой? (b) Каково отношение нового текущего выхода к старому (при 335 кВ) при той же мощности? (c) Если модернизированные линии передачи имеют одинаковое сопротивление, каково отношение потерь мощности в новых линиях к старым?

8.Если выходная мощность в предыдущей задаче составляет 1000 МВт, а сопротивление линии составляет 2,00 Ом, каковы были потери в старой и новой линии?

9. Необоснованные результаты Электроэнергия на 335 кВ переменного тока от линии электропередачи подается в первичную обмотку трансформатора. Отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки составляет N _s / N _p = 1000. (a) Какое напряжение индуцируется во вторичной обмотке? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какое предположение или предпосылка ответственны?

10. Создайте свою проблему Рассмотрим двойной трансформатор, который будет использоваться для создания очень больших напряжений. Устройство состоит из двух этапов. Первый — это трансформатор, который выдает намного большее выходное напряжение, чем его входное. Выход первого трансформатора используется как вход для второго трансформатора, который дополнительно увеличивает напряжение. Постройте задачу, в которой вы рассчитываете выходное напряжение последней ступени на основе входного напряжения первой ступени и количества витков или петель в обеих частях обоих трансформаторов (всего четыре катушки).Также рассчитайте максимальный выходной ток последней ступени на основе входного тока. Обсудите возможность потерь мощности в устройствах и их влияние на выходной ток и мощность.

Глоссарий

трансформатор:

Устройство, преобразующее напряжение из одного значения в другое с помощью индукции

уравнение преобразователя:

уравнение, показывающее, что отношение вторичного напряжения к первичному в трансформаторе равно отношению количества витков в их катушках; [латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}}} {{N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex]

повышающий трансформатор:

трансформатор, повышающий напряжение

понижающий трансформатор:

трансформатор, понижающий напряжение

Избранные решения проблем и упражнения

1.(а) 30.0 (б) 9.75 × 10 ⁻² A

3. (а) 20,0 мА (б) 2,40 Вт (в) Да, такая мощность вполне разумна для небольшого прибора.

5. (a) 0,063 A (b) Требуется больший входной ток.

7. (а) 2,2 (б) 0,45 (в) 0,20, или 20,0%

9. (a) 335 МВ (b) слишком высокое, намного выше напряжения пробоя воздуха на разумных расстояниях (c) входное напряжение слишком высокое

Объясняя принцип работы трансформатора

Энергия, передаваемая при работе

Электричество и магнетизм

Объяснение того, как работает трансформатор

Руководство для преподавателей для 14-16

Когда электрический ток проходит через длинную полую катушку с проволокой, внутри катушки возникает сильное магнитное поле, а снаружи — более слабое.Линии рисунка магнитного поля проходят через катушку, расходятся от конца и огибают снаружи и внутрь на другом конце.

Это не настоящие линии, как те, которые вы рисуете карандашом. Это линии, которые мы представляем себе, как на рисунке, чтобы показать картину магнитного поля: направление, в котором образец железа будет намагничен полем. Там, где поле наиболее сильное, очереди наиболее тесно переполнены.

В полой катушке линии образуют сплошные кольца.Если в катушке есть железный сердечник, он намагничивается и, кажется, делает поле намного сильнее, пока есть ток.

Железный сердечник трансформатора обычно представляет собой законченное кольцо с двумя намотанными на него катушками. Одна подключена к источнику электроэнергии и называется первичной обмоткой ; другой подает питание на нагрузку и называется вторичной обмоткой . Намагничивание из-за тока в первичной катушке проходит по всему кольцу.Первичная и вторичная катушки могут быть намотаны в любом месте кольца, потому что железо переносит изменения намагниченности от одной катушки к другой. Между двумя катушками нет электрического соединения. Однако они связаны магнитным полем в железном сердечнике.

Когда в первичной обмотке имеется устойчивый ток, во вторичной обмотке нет эффекта, но есть эффект во вторичной обмотке, если ток в первичной обмотке изменяется. Изменяющийся ток в первичной обмотке вызывает e.м.ф. во вторичном. Если вторичная обмотка подключена к цепи, то есть ток.

Понижающий трансформатор на 1200 витков на первичной обмотке, подключенный к 240 В переменного тока. будет производить 2 В переменного тока. через 10-витковую вторичную обмотку (при минимальных потерях энергии) и зажгите лампу на 2 В.

Повышающий трансформатор на 1000 витков на первичной обмотке, питаемый от 200 В переменного тока. а вторичная обмотка на 10000 витков даст напряжение 2000 В переменного тока.

Железный сердечник сам по себе является грубой вторичной обмоткой (как катушка с одним витком), и изменения первичного тока вызывают небольшие круговые напряжения в сердечнике.Железо является проводником, и если бы железный сердечник был твердым, индуцированные напряжения вызывали бы в нем неэффективные вторичные токи (называемые вихревыми токами ). Таким образом, сердечник сделан из очень тонких листов, скрепленных вместе, причем поверхность каждого листа покрыта, чтобы сделать его плохим проводником. Края листов можно увидеть, посмотрев на края сердечника трансформатора.

ТРАНСФОРМАТОРЫ — прикладное промышленное электричество

Что такое повышающие и понижающие трансформаторы

Это действительно очень полезное устройство.С его помощью мы можем легко умножить или разделить напряжение и ток в цепях переменного тока. Действительно, трансформатор сделал передачу электроэнергии на большие расстояния реальностью, поскольку напряжение переменного тока может быть «повышено», а ток «понижен» для снижения потерь мощности сопротивления проводов вдоль линий электропередач, соединяющих генерирующие станции с нагрузками. На обоих концах (как на генераторе, так и на нагрузках) уровни напряжения снижаются трансформаторами для более безопасной работы и менее дорогостоящего оборудования.

Трансформатор, который увеличивает напряжение от первичной к вторичной (больше витков вторичной обмотки, чем витков первичной обмотки), называется повышающим трансформатором .

И наоборот, трансформатор, предназначенный для работы с точностью до наоборот, называется понижающим трансформатором .

Давайте еще раз рассмотрим фотографию, показанную в предыдущем разделе:

Рис. 8.1. Поперечное сечение трансформатора, показывающее первичную и вторичную обмотки, имеет высоту несколько дюймов (приблизительно 10 см).

Это понижающий трансформатор, о чем свидетельствует большое число витков первичной обмотки и низкое число витков вторичной обмотки. В качестве понижающего блока этот трансформатор преобразует низковольтную слаботочную мощность в низковольтную сильноточную мощность.Провод большего сечения, используемый во вторичной обмотке, необходим из-за увеличения тока. Первичная обмотка, которая не должна проводить такой большой ток, может быть изготовлена ​​из провода меньшего сечения.

Обратимость работы трансформатора

Если вам интересно, — возможно работать с любым из этих типов трансформаторов в обратном направлении (питание вторичной обмотки от источника переменного тока и передача питания первичной обмотке нагрузки) для выполнения противоположной функции: может функционировать повышающий как понижение и виза-наоборот.

Однако, как мы видели в первом разделе этой главы, эффективная работа трансформатора требует, чтобы индуктивности отдельных обмоток были спроектированы для конкретных рабочих диапазонов напряжения и тока, поэтому, если трансформатор должен использоваться «в обратном направлении», как это должны использоваться в пределах исходных проектных параметров напряжения и тока для каждой обмотки, чтобы не оказаться неэффективным (или чтобы не повредил чрезмерным напряжением или током!).

Этикетки для изготовления трансформаторов

Трансформаторы

часто конструируются таким образом, что не очевидно, какие провода ведут к первичной обмотке, а какие — к вторичной.В электроэнергетике, чтобы избежать путаницы, в электроэнергетике используется обозначение «H» для обмотки более высокого напряжения (первичная обмотка в понижающем блоке; вторичная обмотка в повышающем) и «X». обозначения низковольтной обмотки. Следовательно, у простого силового трансформатора будут провода с маркировкой «H ₁ », «H ₂ », «X ₁ » и «X ₂ ». Обычно это имеет значение для нумерации проводов (H ₁ по сравнению с H ₂ и т. Д.), который мы рассмотрим немного позже в этой главе.

Практическое значение повышающих и понижающих трансформаторов

Тот факт, что напряжение и ток «скачкообразно изменяются» в противоположных направлениях (одно вверх, другое вниз), имеет смысл, если вы вспомните, что мощность равна напряжению, умноженному на ток, и поймете, что трансформаторы не могут производить мощность , а только преобразовывают ее. . Любое устройство, которое могло бы выдавать больше энергии, чем потребляло, нарушило бы закон сохранения энергии в физике, а именно, что энергия не может быть создана или уничтожена, а только преобразована.Как и в случае с первым рассмотренным нами примером трансформатора, эффективность передачи энергии от первичной к вторичной стороне устройства очень хорошая.

Практическое значение этого становится более очевидным, когда рассматривается альтернатива: до появления эффективных трансформаторов преобразование уровня напряжения / тока могло быть достигнуто только за счет использования двигателей / генераторных установок. Чертеж двигателя / генераторной установки показывает основной принцип: (рисунок ниже)

Рисунок 8.2 Мотор-генератор иллюстрирует основной принцип работы трансформатора.

В такой машине двигатель механически соединен с генератором, который предназначен для выработки требуемых уровней напряжения и тока при скорости вращения двигателя. Хотя и двигатели, и генераторы являются довольно эффективными устройствами, использование обоих таким образом усугубляет их неэффективность, так что общий КПД находится в диапазоне 90% или меньше. Кроме того, поскольку для двигателей / генераторных установок, очевидно, требуются движущиеся части, механический износ и балансировка являются факторами, влияющими как на срок службы, так и на производительность.С другой стороны, трансформаторы способны преобразовывать уровни переменного напряжения и тока с очень высоким КПД без движущихся частей, что делает возможным широкое распространение и использование электроэнергии, которую мы считаем само собой разумеющимся.

Справедливости ради следует отметить, что электродвигатели / генераторные установки не обязательно были заменены трансформаторами для всех приложений . Хотя трансформаторы явно превосходят мотор-генераторные установки для преобразования переменного напряжения и уровня тока, они не могут преобразовывать одну частоту переменного тока в другую или (сами по себе) преобразовывать постоянный ток в переменный или наоборот.Электродвигатели / генераторные установки могут выполнять все эти задачи с относительной простотой, хотя и с уже описанными ограничениями эффективности и механических факторов.

Электродвигатели / генераторные установки также обладают уникальным свойством аккумулирования кинетической энергии: то есть, если подача питания двигателя на мгновение прерывается по какой-либо причине, его угловой момент (инерция этой вращающейся массы) будет поддерживать вращение генератора на короткое время. 2µA} {I} [/ латекс]

Где,

[латекс] L = \ text {индуктивность катушки Генри} [/ латекс]

[латекс] N = \ text {Количество витков в катушке провода (прямой провод = 1)} [/ латекс]

[латекс] \ mu = \ text {Проницаемость основных материалов (абсолютная, а не относительная)} [/ латекс]

[латекс] A = \ text {Площадь рулона в квадратных метрах} [/ латекс]

[латекс] I = \ text {Среднее значение рулона в метрах} [/ латекс]

Итак, должно быть очевидно, что наши две катушки индуктивности должны иметь отношение витков катушки 10: 1, поскольку 10 в квадрате равно 100.Это похоже на то же соотношение, которое мы обнаружили между первичным и вторичным напряжениями и токами (10: 1), поэтому мы можем, как правило, сказать, что коэффициент трансформации напряжения и тока равен отношению витков обмотки между первичной и вторичной обмотками.

Рисунок 8.3 Пример понижающего трансформатора.

Понижающий трансформатор: (много витков: несколько витков).

Эффект повышения / понижения передаточных чисел катушки в трансформаторе аналогичен передаточным числам зубчатых колес в механических зубчатых передачах, преобразуя значения скорости и крутящего момента во многом таким же образом:

Рисунок 8.4 Редукторная передача снижает крутящий момент, одновременно увеличивая скорость.

Повышающие и понижающие трансформаторы для целей распределения энергии могут быть гигантскими по сравнению с показанными ранее силовыми трансформаторами, причем некоторые блоки могут быть высотой с дом. На следующей фотографии показан трансформатор подстанции высотой около двенадцати футов:

Рисунок 8.5 Трансформатор подстанции.

Существуют приложения, в которых необходима гальваническая развязка между двумя цепями переменного тока без какого-либо преобразования уровней напряжения или тока.В этих случаях используются трансформаторы под названием изолирующие трансформаторы с коэффициентами трансформации 1: 1. Настольный изолирующий трансформатор показан на рисунке ниже.

Рисунок 8.6 Изолирующий трансформатор изолирует питание от линии питания.

Поскольку трансформаторы в основном являются устройствами переменного тока, нам необходимо знать фазовые соотношения между первичной и вторичной цепями. Мы можем изобразить формы волны для первичной и вторичной цепей и увидеть фазовые соотношения.

Рисунок 8.7 Вторичное напряжение V (3,5) синфазно с первичным напряжением V (2) и понижено в десять раз.

Вторичное напряжение V (3,5) синфазно с первичным напряжением V (2) и понижено в десять раз.

При переходе от первичной обмотки, В (2) к вторичной, В (3,5), напряжение снижалось в десять раз, а ток увеличивался в десять раз. Формы сигналов как тока, так и напряжения являются синфазно при переходе от первичного к вторичному.

Рисунок 8.8 Первичный и вторичный токи синфазны. Вторичный ток увеличивается в десять раз.

Обозначения трансформатора

Похоже, что напряжение и ток двух обмоток трансформатора синфазны, по крайней мере, для нашей резистивной нагрузки. Это достаточно просто, но было бы неплохо знать , каким образом мы должны подключить трансформатор, чтобы обеспечить соблюдение правильного фазового соотношения. В конце концов, трансформатор — это не что иное, как набор индукторов с магнитной связью, а на индукторах обычно нет какой-либо маркировки полярности.Если бы мы посмотрели на немаркированный трансформатор, у нас не было бы способа узнать, как подключить его к цепи, чтобы получить синфазное (или не синфазное на 180 °) напряжение и ток:

Рисунок 8.9 На практике полярность трансформатора может быть неоднозначной.

Поскольку это практическая проблема, производители трансформаторов разработали своего рода стандарт маркировки полярности для обозначения фазовых соотношений. Он называется условным обозначением точки и представляет собой не что иное, как точку, помещенную рядом с каждой соответствующей ножкой обмотки трансформатора:

Рисунок 8.10 Пара точек указывает полярность.

Обычно трансформатор поставляется с какой-то схематической диаграммой, на которой отмечены выводы проводов для первичной и вторичной обмоток. На схеме будет пара точек, похожая на то, что видно выше. Иногда точки будут опускаться, но когда метки «H» и «X» используются для обозначения проводов обмотки трансформатора, предполагается, что нижние индексы обозначают полярность обмотки. Провода «1» (H ₁ и X ₁ ) показывают, где обычно размещаются точки маркировки полярности.

Подобное расположение этих точек рядом с верхними концами первичной и вторичной обмоток говорит нам о том, что любая мгновенная полярность напряжения, наблюдаемая на первичной обмотке, будет такой же, как и на вторичной обмотке. Другими словами, сдвиг фазы от первичного к вторичному будет равен нулю градусов.

С другой стороны, если точки на каждой обмотке трансформатора не совпадают , а не , фазовый сдвиг будет 180 ° между первичной и вторичной обмотками, например:

Рисунок 8.11 Не в фазе: основной красный — точка, дополнительный черный — точка.

Конечно, условное обозначение точек указывает только на то, какой конец каждой обмотки является каким относительно другой обмотки (ей). Если вы хотите самостоятельно изменить соотношение фаз, все, что вам нужно сделать, это поменять местами соединения обмотки следующим образом:

Рисунок 8.12 В фазе: основной красный — точка, дополнительный красный — точка.

Трансформаторы «повышают» или «понижают» напряжение в соответствии с соотношением витков первичной и вторичной обмоток.

[латекс] \ text {Коэффициент передачи напряжения} = \ frac {N_ {вторичный}} {N_ {первичный}} [/ latex]

[латекс] \ text {Текущий коэффициент передачи} = \ frac {N_ {первичный}} {N_ {вторичный}} [/ latex]

Где,

[латекс] N = \ text {Количество витков в обмотке} [/ латекс]

• Трансформатор, предназначенный для повышения напряжения от первичной до вторичной, называется повышающим трансформатором .Трансформатор, предназначенный для понижения напряжения с первичной обмотки на вторичную, называется понижающим трансформатором .
• Коэффициент трансформации трансформатора будет равен квадратному корню из отношения его первичной индуктивности к вторичной индуктивности (L).

[латекс] \ text {Коэффициент передачи напряжения} = \ sqrt {\ frac {L_ {вторичный}} {L_ {первичный}}} [/ латекс]

• Имея возможность передавать мощность от одной цепи к другой без использования соединительных проводов между двумя цепями, трансформаторы обеспечивают полезную функцию гальванической развязки .
• Трансформаторы, предназначенные для обеспечения гальванической развязки без скачков напряжения и тока вверх или вниз, называются изолирующими трансформаторами .
• Фазовое соотношение напряжения и тока между первичной и вторичной цепями трансформатора прямое: в идеале нулевой сдвиг фазы.
• Условное обозначение точек — это тип маркировки полярности для обмоток трансформатора, показывающий, какой конец обмотки является каким относительно других обмоток.

Трансформаторы с несколькими вторичными обмотками

Трансформаторы — очень универсальные устройства. Базовая концепция передачи энергии между взаимными индукторами достаточно полезна между одной первичной и одной вторичной обмотками, но трансформаторы не обязательно должны быть сделаны только с двумя наборами обмоток. Рассмотрим схему трансформатора:

Рисунок 8.13. Трансформатор с несколькими вторичными обмотками обеспечивает несколько выходных напряжений.

Здесь три катушки индуктивности имеют общий магнитный сердечник, магнитно «связывая» или «связывая» их вместе.Связь между коэффициентами витков обмотки и отношениями напряжений, наблюдаемая с одной парой взаимных индукторов, все еще сохраняется здесь для нескольких пар катушек.

Вполне возможно собрать трансформатор, подобный приведенному выше (одна первичная обмотка, две вторичные обмотки), в котором одна вторичная обмотка является понижающей, а другая — повышающей. Фактически, такая конструкция трансформатора была довольно распространена в цепях питания вакуумных ламп, которые требовались для подачи низкого напряжения на нити ламп (обычно 6 или 12 вольт) и высокого напряжения для пластин ламп (несколько сотен вольт) от источника питания. номинальное первичное напряжение 110 вольт переменного тока.

С таким трансформатором возможны не только напряжения и токи совершенно разных величин, но все цепи электрически изолированы друг от друга.

Рисунок 8.14 Фотография многообмоточного трансформатора с шестью обмотками, первичной и пятью вторичными обмотками.

Трансформатор на рисунке выше предназначен для обеспечения как высокого, так и низкого напряжения, необходимого в электронной системе с использованием электронных ламп. Низкое напряжение требуется для питания нитей вакуумных трубок, в то время как высокое напряжение требуется для создания разности потенциалов между пластиной и катодными элементами каждой трубки.Одного трансформатора с несколькими обмотками достаточно, чтобы обеспечить все необходимые уровни напряжения от одного источника 115 В. Провода для этого трансформатора (их 15!) На фотографии не показаны, они скрыты от глаз.

Если электрическая изоляция между вторичными цепями не имеет большого значения, аналогичный эффект может быть получен путем «постукивания» одной вторичной обмотки в нескольких точках по ее длине, как показано на рисунке ниже.

Рис. 8.15. Вторичная обмотка с одним ответвлением обеспечивает несколько напряжений.

Многополюсный коммутирующий трансформатор

Ответвитель — это не что иное, как соединение проводов, сделанное в некоторой точке обмотки между концами. Неудивительно, что соотношение витков обмотки / величины напряжения обычного трансформатора сохраняется для всех сегментов обмотки с ответвлениями. Этот факт можно использовать для производства трансформатора с несколькими передаточными числами:

Рисунок 8.16. Вторичная обмотка с ответвлениями, использующая переключатель для выбора одного из многих возможных напряжений.

Переменный трансформатор

Продолжая концепцию отводов обмотки, мы получаем «переменный трансформатор», в котором скользящий контакт перемещается по длине открытой вторичной обмотки и может соединяться с ней в любой точке по ее длине.Эффект эквивалентен наличию отвода обмотки на каждом витке обмотки и переключателя с полюсами на каждом положении отвода:

Рисунок 8.17 Скользящий контакт на вторичной обмотке непрерывно изменяет вторичное напряжение.

Одно из применений переменного трансформатора для потребителей — это регуляторы скорости для модельных поездов, особенно поездов 1950-х и 1960-х годов. Эти трансформаторы были по существу понижающими блоками, максимальное напряжение, получаемое от вторичной обмотки, было существенно меньше, чем первичное напряжение от 110 до 120 вольт переменного тока.Контакт с регулируемой разверткой обеспечивает простое средство управления напряжением с небольшими потерями энергии, намного более эффективное, чем управление с использованием переменного резистора!

Подвижно-скользящие контакты слишком непрактичны для использования в крупных промышленных силовых трансформаторах, но многополюсные переключатели и отводы обмотки являются обычным явлением для регулировки напряжения. В энергосистемах необходимо периодически вносить корректировки, чтобы приспособиться к изменениям нагрузок в течение месяцев или лет во времени, и эти схемы переключения обеспечивают удобное средство.Как правило, такие «переключатели ответвлений» не предназначены для работы с током полной нагрузки, а должны срабатывать только тогда, когда трансформатор обесточен (отсутствует питание).

Автотрансформатор

Учитывая, как мы можем отвести любую обмотку трансформатора, чтобы получить эквивалент нескольких обмоток (хотя и с потерей гальванической развязки между ними), имеет смысл полностью отказаться от гальванической развязки и построить трансформатор из одной обмотки. Действительно, это возможно, и получившееся устройство называется автотрансформатором :

. Рисунок 8.18 Этот автотрансформатор повышает напряжение с помощью одинарной ответвленной обмотки, экономя медь и жертвуя изоляцией.

Автотрансформатор, изображенный выше, выполняет функцию повышения напряжения. Понижающий автотрансформатор будет выглядеть примерно так, как показано на рисунке ниже.

Рисунок 8.19. Этот автотрансформатор понижает напряжение с помощью одной обмотки с ответвлениями для экономии меди. Автотрансформаторы

находят широкое применение в приложениях, требующих небольшого повышения или понижения напряжения на нагрузке. Альтернативой обычному (изолированному) трансформатору было бы либо иметь правильное соотношение первичной / вторичной обмоток, предназначенное для работы, либо использовать понижающую конфигурацию с вторичной обмоткой, подключенной последовательно («повышающий») или последовательно. противодействующая («вздергивающая») мода.Для иллюстрации того, как это будет работать, приведены первичные, вторичные напряжения и напряжения нагрузки.

Конфигурации автотрансформатора

Во-первых, «повышающая» конфигурация. На рисунке ниже полярность вторичной катушки ориентирована так, что ее напряжение напрямую складывается с первичным напряжением.

Рисунок 8.20. Обычный трансформатор, подключенный как автотрансформатор для повышения сетевого напряжения.

Далее «раскладывающаяся» конфигурация. На рисунке ниже полярность вторичной катушки ориентирована так, что ее напряжение напрямую вычитается из первичного напряжения:

Рисунок 8.21 Обычный трансформатор, подключенный как автотрансформатор для понижения напряжения в сети.

Основным преимуществом автотрансформатора является то, что та же функция повышения или понижения достигается только с одной обмоткой, что делает его дешевле и легче в производстве, чем обычный (изолирующий) трансформатор, имеющий как первичную, так и вторичную обмотки.

Пневматический автотрансформатор

Как и у обычных трансформаторов, обмотки автотрансформатора могут иметь ответвления для изменения коэффициента передачи.Кроме того, их можно сделать бесступенчато регулируемыми с помощью скользящего контакта, чтобы постучать по обмотке в любой точке по ее длине. Последняя конфигурация достаточно популярна, чтобы заслужить собственное имя: Variac . (рисунок ниже)

Рис. 8.22. Вариак — это автотрансформатор со скользящим ответвлением.

Маленькие вариаторы для настольного использования — это популярное оборудование для экспериментаторов в области электроники. Они могут понижать (а иногда и повышать) напряжение переменного тока в быту с широким и точным диапазоном регулировки простым поворотом ручки.

• Трансформаторы могут быть оснащены более чем одной парой первичной и одной вторичной обмоток. Это позволяет использовать несколько коэффициентов повышения и / или понижения в одном устройстве.
• Обмотки трансформатора также могут иметь «ответвления»: то есть пересекаться во многих точках для разделения одной обмотки на секции.
• Переменные трансформаторы могут быть изготовлены с помощью подвижного плеча, который перемещается по длине обмотки, контактируя с обмоткой в ​​любой точке по ее длине.Обмотка, разумеется, должна быть оголенной (без изоляции) в области движения плеча.
• Автотрансформатор — это одинарная катушка индуктивности с ответвлениями, используемая для повышения или понижения напряжения, как трансформатор, за исключением того, что обеспечивает гальваническую развязку.
• A Variac — регулируемый автотрансформатор.

Поскольку трехфазные сети так часто используются в системах распределения электроэнергии, вполне логично, что нам потребуются трехфазные трансформаторы, чтобы иметь возможность повышать или понижать напряжение.Это верно лишь отчасти, поскольку обычные однофазные трансформаторы могут быть объединены вместе для преобразования мощности между двумя трехфазными системами в различных конфигурациях, устраняя необходимость в специальном трехфазном трансформаторе. Однако для этих задач созданы специальные трехфазные трансформаторы, которые могут работать с меньшими требованиями к материалам, меньшими размерами и меньшим весом, чем их модульные аналоги.

Обмотки и соединения трехфазного трансформатора

Трехфазный трансформатор состоит из трех наборов первичной и вторичной обмоток, каждый набор намотан на одну ногу узла железного сердечника.По сути, это выглядит как три однофазных трансформатора, совместно использующих объединенный сердечник, как показано на рисунке ниже.

Рисунок 8.23 ​​Сердечник трехфазного трансформатора имеет три набора обмоток.

Эти наборы первичной и вторичной обмоток будут соединены в конфигурации Δ или Y, чтобы сформировать единый блок. Различные комбинации способов, которыми эти обмотки могут быть соединены вместе, будут в центре внимания этого раздела.

Независимо от того, используются ли комплекты обмоток с общим сердечником или каждая пара обмоток представляет собой отдельный трансформатор, варианты соединения обмоток одинаковы:

Первичная — Вторичная

• Y — Y
• Y — Δ
• Δ — Y
• Δ — Δ

Причины выбора конфигурации Y или Δ для соединений обмоток трансформатора те же, что и для любого другого трехфазного приложения: соединения Y обеспечивают возможность нескольких напряжений, в то время как соединения Δ имеют более высокий уровень надежности (если одна обмотка выходит из строя в открытом состоянии, два других могут поддерживать полное линейное напряжение нагрузки).

Вероятно, наиболее важным аспектом соединения трех наборов первичной и вторичной обмоток для формирования трехфазного блока трансформаторов является уделение внимания правильному фазированию обмоток (точки, используемые для обозначения «полярности» обмоток). Помните о правильном соотношении фаз между фазными обмотками Δ и Y: (рисунок ниже)

Рисунок 8.24 (Y) Центральная точка «Y» должна связывать либо все «-», либо все «+» точки намотки вместе. (Δ) Полярности обмоток должны складываться вместе (от + до -).

Правильная синхронизация фаз, когда обмотки не показаны в стандартной конфигурации Y или Δ, может быть непростой задачей. Позвольте мне проиллюстрировать это, начиная с рисунка ниже.

Рисунок 8.23. Входы A1, A2, A3 могут быть подключены к «Δ» или «Y», как и выходы B1, B2, B3.

Разводка фаз для трансформатора «Y-Y»

Три отдельных трансформатора должны быть соединены вместе для преобразования энергии из одной трехфазной системы в другую. Сначала я покажу электрические соединения для конфигурации Y-Y:

Рисунок 8.25 Разводка фаз для трансформатора «Y-Y».

Обратите внимание на рисунок выше, как все концы обмотки, отмеченные точками, подключены к своим соответствующим фазам A, B и C, в то время как концы без точек соединены вместе, образуя центры каждой буквы «Y». Соединение первичной и вторичной обмоток по схеме «Y» позволяет использовать нейтральные проводники (N ₁ и N ₂ ) в каждой энергосистеме.

Фазовая проводка для трансформатора «Y-Δ»

Теперь посмотрим на конфигурацию Y-Δ:

Рисунок 8.26 Подключение фаз для трансформатора «Y-Δ».

Обратите внимание на то, как вторичные обмотки (нижний набор, рисунок выше) соединены в цепочку, причем сторона с «точкой» одной обмотки соединена со стороной «без точки» следующей, образуя петлю Δ. В каждой точке соединения между парами обмоток выполняется подключение к линии второй энергосистемы (A, B и C).

Фазовая проводка для трансформатора «Δ-Y»

Теперь давайте рассмотрим систему Δ-Y на рисунке ниже.

Рисунок 8.27. Подключение фаз для трансформатора «Δ-Y».

Такая конфигурация (рисунок выше) позволит обеспечить несколько напряжений (линия-линия или линия-нейтраль) во второй энергосистеме от исходной энергосистемы, не имеющей нейтрали.

Фазовая проводка для трансформатора «Δ-Δ»

И, наконец, перейдем к конфигурации Δ-Δ:

Рисунок 8.28. Схема подключения фаз для трансформатора «Δ-Δ».

Когда нет необходимости в нейтральном проводе во вторичной энергосистеме, предпочтительны схемы подключения Δ-Δ (рисунок выше) из-за присущей надежности конфигурации Δ.

Фазовая проводка для трансформатора «V» или «открытый Δ»

Учитывая, что Δ-конфигурация может удовлетворительно работать без одной обмотки, некоторые разработчики энергосистем предпочитают создавать батарею трехфазных трансформаторов только с двумя трансформаторами, представляя конфигурацию Δ-Δ с отсутствующей обмоткой как на первичной, так и на вторичной стороне:

Рисунок 8.29 «V» или «разомкнутый Δ» обеспечивает питание 2-φ только с двумя трансформаторами.

Эта конфигурация называется «V» или «Open-Δ». Конечно, каждый из двух трансформаторов должен быть большего размера, чтобы выдерживать такое же количество мощности, как три в стандартной Δ-конфигурации, но общие размеры, вес и стоимость часто того стоят.Однако следует иметь в виду, что при отсутствии одного набора обмоток в форме Δ эта система больше не обеспечивает отказоустойчивость нормальной системы Δ-Δ. Если один из двух трансформаторов выйдет из строя, это определенно повлияет на напряжение и ток нагрузки.

Пример из реальной жизни

На следующей фотографии (рисунок ниже) показана группа повышающих трансформаторов на плотине гидроэлектростанции Гранд-Кули в штате Вашингтон. С этой точки зрения можно увидеть несколько трансформаторов (зеленого цвета), которые сгруппированы по три: по три трансформатора на гидроэлектрический генератор, соединенные вместе проводом в той или иной форме трехфазной конфигурации.

На фотографии не показаны соединения первичной обмотки, но похоже, что вторичные обмотки соединены по Y-образной схеме, так как из каждого трансформатора выступает только один большой высоковольтный изолятор. Это говорит о том, что другая сторона вторичной обмотки каждого трансформатора имеет потенциал земли или близок к нему, что может быть верно только в системе Y. В здании слева находится электростанция, в которой размещены генераторы и турбины. Справа наклонная бетонная стена — нижняя поверхность плотины:

Рисунок 8.Плотина гидроэлектростанции Гранд-Кули, 30

Мощность

Как уже отмечалось, трансформаторы должны быть хорошо спроектированы, чтобы обеспечить приемлемую связь по мощности, точное регулирование напряжения и низкие искажения тока возбуждения. Кроме того, трансформаторы должны быть спроектированы так, чтобы без проблем передавать ожидаемые значения тока первичной и вторичной обмоток. Это означает, что проводники обмотки должны быть изготовлены из проволоки соответствующего калибра, чтобы избежать проблем с нагревом.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор должен иметь идеальную связь (без индуктивности рассеяния), идеальное регулирование напряжения, идеально синусоидальный ток возбуждения, отсутствие гистерезиса или потерь на вихревые токи и достаточно толстый провод, чтобы выдерживать любой ток.К сожалению, для достижения этих проектных целей идеальный трансформатор должен быть бесконечно большим и тяжелым. Таким образом, при разработке практичной конструкции трансформатора необходимо идти на компромиссы.

Кроме того, изоляция проводов обмотки является проблемой там, где встречаются высокие напряжения, как это часто бывает в повышающих и понижающих распределительных трансформаторах. Обмотки должны быть не только хорошо изолированы от стального сердечника, но и каждая обмотка должна быть достаточно изолирована от другой, чтобы поддерживать электрическую изоляцию между обмотками.

Номинальные характеристики трансформатора

С учетом этих ограничений трансформаторы рассчитаны на определенные уровни напряжения и тока первичной и вторичной обмоток, хотя номинальный ток обычно выводится из номинального значения вольт-ампер (ВА), присвоенного трансформатору. Например, возьмите понижающий трансформатор с номинальным напряжением первичной обмотки 120 В, номинальным напряжением вторичной обмотки 48 В и номинальной мощностью 1 кВА (1000 ВА) в ВА. Максимальные токи обмотки можно определить как таковые: кВА (1000 ВА).Максимальные токи обмоток можно определить как таковые:

[латекс] \ text {Максимальный ток обмотки} [/ латекс]

[латекс] \ tag {8.1} I_ {Max} = \ frac {S} {E} [/ latex]

Иногда обмотки имеют номинальный ток в амперах, но это обычно наблюдается на небольших трансформаторах. Большие трансформаторы почти всегда имеют номинальное напряжение на обмотке и

ВА или кВА.

Потери энергии

Трансформаторы передают мощность с минимальными потерями.Как было сказано ранее, КПД современных силовых трансформаторов обычно превышает 95%. Однако хорошо знать, куда уходит часть этой утраченной силы и что вызывает ее потерю.

Конечно, возможны потери мощности из-за сопротивления обмоток проводов. Если не используются сверхпроводящие провода, всегда будет рассеиваться мощность в виде тепла через сопротивление проводников с током. Поскольку трансформаторы требуют таких длинных проводов, эти потери могут быть существенным фактором.Увеличение диаметра обмоточного провода — один из способов минимизировать эти потери, но только при значительном увеличении стоимости, размера и веса.

Вихретоковые потери

Помимо резистивных потерь, большая часть потерь мощности трансформатора происходит из-за магнитных эффектов в сердечнике. Возможно, наиболее значительным из этих «потерь в сердечнике» является потери на вихревые токи , которые представляют собой рассеяние резистивной мощности из-за прохождения индуцированных токов через железо сердечника. Поскольку железо является проводником электричества, а также отличным «проводником» магнитного потока, в железе будут индуцироваться токи, точно так же, как есть токи, индуцированные во вторичных обмотках из переменного магнитного поля.Эти индуцированные токи — как описано в пункте закона Фарадея о перпендикулярности — стремятся проходить через поперечное сечение сердечника перпендикулярно виткам первичной обмотки. Их круговое движение дало им необычное название: как водовороты в потоке воды, которые циркулируют, а не движутся по прямым линиям.

Железо является хорошим проводником электричества, но не так хорошо, как медь или алюминий, из которых обычно изготавливают проволочные обмотки. Следовательно, эти «вихревые токи» должны преодолевать значительное электрическое сопротивление, когда они циркулируют по сердечнику.Преодолевая сопротивление утюга, они рассеивают энергию в виде тепла. Следовательно, у нас есть источник неэффективности трансформатора, который трудно устранить.

Индукционный нагрев

Это явление настолько ярко выражено, что его часто используют как средство нагрева черных (железосодержащих) материалов. На фотографии ниже показан блок «индукционного нагрева», повышающий температуру большого участка трубы. Петли провода, покрытые высокотемпературной изоляцией, опоясывают окружность трубы, вызывая вихревые токи внутри стенки трубы за счет электромагнитной индукции.Чтобы максимизировать эффект вихревых токов, используется высокочастотный переменный ток, а не частота линии электропередачи (60 Гц). Блоки в правой части изображения вырабатывают высокочастотный переменный ток и регулируют величину тока в проводах, чтобы стабилизировать температуру трубы на заранее определенном «заданном уровне».

Рисунок 8.31 Индукционный нагрев: Первичная изолированная обмотка наводит ток во вторичную железную трубу с потерями.

Снижение вихревых токов

Основная стратегия уменьшения этих расточительных вихревых токов в сердечниках трансформаторов состоит в том, чтобы сформировать железный сердечник в виде листов, каждый из которых покрыт изоляционным лаком, чтобы сердечник был разделен на тонкие пластинки.В результате ширина сердечника очень мала для циркуляции вихревых токов:

Рисунок 8.32 Разделение стального сердечника на тонкие изолированные пластинки сводит к минимуму потери на вихревые токи.

Ламинированные сердечники , подобные показанному здесь, входят в стандартную комплектацию почти всех низкочастотных трансформаторов. Напомним, что на фотографии трансформатора, разрезанного пополам, железный сердечник состоял из множества тонких листов, а не из одной цельной детали. Потери на вихревые токи увеличиваются с увеличением частоты, поэтому трансформаторы, предназначенные для работы от высокочастотной энергии (например, 400 Гц, используемой во многих военных и авиационных приложениях), должны использовать более тонкие пластинки, чтобы снизить потери до приемлемого минимума.Это имеет нежелательный эффект увеличения стоимости изготовления трансформатора.

Другой аналогичный метод минимизации потерь на вихревые токи, который лучше подходит для высокочастотных приложений, — это изготовление сердечника из железного порошка, а не из тонких листов железа. Подобно ламинированным листам, эти гранулы железа индивидуально покрыты электроизоляционным материалом, который делает сердечник непроводящим, за исключением ширины каждой гранулы. Сердечники из порошкового железа часто используются в трансформаторах, работающих с радиочастотными токами.

Магнитный гистерезис

Еще одна «потеря в сердечнике» связана с магнитным гистерезисом . Все ферромагнитные материалы имеют тенденцию сохранять некоторую степень намагниченности после воздействия внешнего магнитного поля. Эта тенденция оставаться намагниченным называется «гистерезисом», и требуются определенные затраты энергии, чтобы преодолеть это противодействие, изменяющееся каждый раз, когда магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой, меняет полярность (дважды за цикл переменного тока).

Этот тип потерь может быть уменьшен за счет правильного выбора материала сердечника (выбор сплава сердечника с низким гистерезисом, о чем свидетельствует «тонкая» гистерезисная кривая B / H) и проектирования сердечника с минимальной магнитной индукцией (большая площадь поперечного сечения ).

Скин-эффект на высоких частотах

Потери энергии в трансформаторе увеличиваются с увеличением частоты. Скин-эффект внутри проводников обмотки уменьшает доступную площадь поперечного сечения для потока электрического заряда, тем самым увеличивая эффективное сопротивление при повышении частоты и создавая больше мощности, теряемой из-за резистивной диссипации. Потери в магнитном сердечнике также увеличиваются из-за того, что более высокие частоты, вихревые токи и эффекты гистерезиса становятся более серьезными. По этой причине трансформаторы значительных размеров предназначены для эффективной работы в ограниченном диапазоне частот.

В большинстве систем распределения электроэнергии, где частота сети очень стабильна, можно подумать, что чрезмерная частота никогда не будет проблемой. К сожалению, это происходит в виде гармоник, создаваемых нелинейными нагрузками.

Как мы видели в предыдущих главах, несинусоидальные сигналы эквивалентны аддитивным сериям нескольких синусоидальных сигналов с разными амплитудами и частотами. В энергосистемах эти другие частоты являются целыми числами, кратными основной (линейной) частоте, что означает, что они всегда будут выше, а не ниже проектной частоты трансформатора.В значительной степени они могут вызвать серьезный перегрев трансформатора. Силовые трансформаторы могут быть спроектированы для обработки определенных уровней гармоник энергосистемы, и эта способность иногда обозначается рейтингом «K-фактор».

Паразитная емкость и индуктивность

Помимо номинальной мощности и потерь мощности, трансформаторы часто имеют другие нежелательные ограничения, о которых следует знать разработчикам схем. Подобно их более простым аналогам — индукторам — трансформаторы обладают емкостью из-за изоляционного диэлектрика между проводниками: от обмотки к обмотке, от витка к витку (в одной обмотке) и от обмотки к сердечнику.

Частота резонанса трансформатора

Обычно эта емкость не имеет значения в приложениях питания, но приложения с малыми сигналами (особенно с высокими частотами) могут плохо переносить эту причуду. Кроме того, эффект наличия емкости наряду с расчетной индуктивностью обмоток дает трансформаторам способность резонировать с на определенной частоте, что определенно является проблемой проектирования в приложениях с сигналами, где приложенная частота может достигать этой точки (обычно резонансная частота мощности трансформатор находится далеко за пределами частоты переменного тока, для которой он был разработан).

Удерживание флюса

Сдерживание потока (обеспечение того, чтобы магнитный поток трансформатора не ускользнул, чтобы не мешать другому устройству, и убедиться, что магнитный поток других устройств экранирован от сердечника трансформатора) — еще одна проблема, которую разделяют как индукторы, так и трансформаторы.

Индуктивность утечки

Индуктивность рассеяния тесно связана с проблемой удержания потока. Поскольку индуктивность рассеяния эквивалентна индуктивности, последовательно соединенной с обмоткой трансформатора, она проявляется как последовательное сопротивление с нагрузкой.Таким образом, чем больше ток потребляет нагрузка, тем меньше напряжения на выводах вторичной обмотки. Обычно при проектировании трансформатора требуется хорошее регулирование напряжения, но существуют и исключительные области применения. Как указывалось ранее, для схем разрядного освещения требуется повышающий трансформатор с «слабым» (плохим) регулированием напряжения для обеспечения пониженного напряжения после возникновения дуги в лампе. Один из способов выполнить этот критерий проектирования — спроектировать трансформатор с путями рассеяния магнитного потока в обход вторичной (ых) обмотки (ов).Результирующий поток рассеяния будет создавать индуктивность рассеяния, которая, в свою очередь, приведет к плохому регулированию, необходимому для разрядного освещения.

Насыщенность ядра

Трансформаторы

также ограничены в своих характеристиках из-за ограничений магнитного потока сердечника. Для трансформаторов с ферромагнитным сердечником необходимо учитывать пределы насыщения сердечника. Помните, что ферромагнитные материалы не могут поддерживать бесконечную плотность магнитного потока: они имеют тенденцию «насыщаться» на определенном уровне (продиктованном материалом и размерами сердечника), а это означает, что дальнейшее увеличение силы магнитного поля (ммс) не приводит к пропорциональному увеличению магнитного поля. поток поля (Φ).

Когда первичная обмотка трансформатора перегружена чрезмерно приложенным напряжением, магнитный поток сердечника может достигать уровней насыщения в пиковые моменты цикла синусоидальной волны переменного тока. Если это произойдет, напряжение, индуцированное во вторичной обмотке, больше не будет соответствовать форме волны, как напряжение, питающее первичную катушку. Другими словами, перегруженный трансформатор будет искажать форму волны от первичной до вторичной обмоток, создавая гармоники на выходе вторичной обмотки. Как мы обсуждали ранее, содержание гармоник в энергосистемах переменного тока обычно вызывает проблемы.

Пиковые трансформаторы

Специальные трансформаторы, известные как обостряющие трансформаторы , используют этот принцип для создания коротких импульсов напряжения вблизи пиков формы волны напряжения источника. Ядро рассчитано на быстрое и резкое насыщение при уровнях напряжения значительно ниже пикового. Это приводит к сильно обрезанной форме волны синусоидального потока и импульсы вторичного напряжения только при изменении потока (ниже уровней насыщения):

Рис. 8.33. Осциллограммы напряжения и магнитного потока для пикового трансформатора.

Работа на частотах ниже нормы

Другой причиной ненормального насыщения сердечника трансформатора является работа на частотах ниже нормы. Например, если силовой трансформатор, предназначенный для работы на частоте 60 Гц, вместо этого вынужден работать на частоте 50 Гц, магнитный поток должен достичь более высоких пиковых уровней, чем раньше, чтобы создать такое же противодействующее напряжение, необходимое для балансировки с напряжением источника. Это верно, даже если напряжение источника такое же, как и раньше.

Рис. 8.34. Магнитный поток выше в сердечнике трансформатора, работающем на 50 Гц, по сравнению с 60 Гц для того же напряжения.

Поскольку мгновенное напряжение обмотки пропорционально скорости изменения мгновенного магнитного потока в трансформаторе, форма волны напряжения, достигающая того же пикового значения, но требующая большего количества времени для завершения каждого полупериода, требует, чтобы магнитный поток поддерживал та же скорость изменения, что и раньше, но на более длительные периоды времени. Таким образом, если поток должен расти с той же скоростью, что и раньше, но в течение более длительных периодов времени, он поднимется до более высокого пикового значения.

Математически это еще один пример исчисления в действии.Поскольку напряжение пропорционально скорости изменения потока, мы говорим, что форма волны напряжения — это производная формы волны потока, «производная» — это операция вычисления, определяющая одну математическую функцию (форму волны) с точки зрения скорости из-за смены другого. Однако, если мы возьмем противоположную точку зрения и свяжем исходную форму волны с ее производной, мы можем назвать исходную форму волны интегралом производной формы волны. В этом случае форма волны напряжения является производной формы волны магнитного потока, а форма волны магнитного потока является интегралом формы волны напряжения.

Интеграл любой математической функции пропорционален площади, накопленной под кривой этой функции. Поскольку каждый полупериод сигнала 50 Гц накапливает большую площадь между ним и нулевой линией графика, чем будет форма сигнала 60 Гц — а мы знаем, что магнитный поток является интегралом напряжения, — поток будет достигать более высоких значений в рисунок ниже.

Рис. 8.35. Изменение потока с той же скоростью возрастает до более высокого уровня при 50 Гц, чем при 60 Гц.

Еще одна причина насыщения трансформатора — наличие постоянного тока в первичной обмотке.Любая величина постоянного напряжения, падающего на первичную обмотку трансформатора, вызовет дополнительный магнитный поток в сердечнике. Это дополнительное «смещение» или «смещение» потока будет подталкивать форму волны переменного магнитного потока ближе к насыщению в одном полупериоде, чем в другом.

Рис. 8.36. Постоянный ток в первичной обмотке смещает пики формы сигнала в сторону верхнего предела насыщения.

Для большинства трансформаторов насыщение сердечника является очень нежелательным эффектом, и его можно избежать за счет хорошей конструкции: конструирования обмоток и сердечника так, чтобы плотности магнитного потока оставались значительно ниже уровней насыщения.Это гарантирует, что соотношение между mmf и Φ будет более линейным на протяжении всего цикла потока, что хорошо, поскольку способствует меньшим искажениям в форме волны тока намагничивания. Кроме того, проектирование сердечника для низких плотностей магнитного потока обеспечивает безопасный запас между нормальными пиками магнитного потока и пределами насыщения сердечника, чтобы приспособиться к случайным, ненормальным условиям, таким как изменение частоты и смещение постоянного тока.

Пусковой ток

Когда трансформатор первоначально подключен к источнику переменного напряжения, может возникнуть значительный скачок тока через первичную обмотку, называемый пусковым током .Это аналогично пусковому току, наблюдаемому у электродвигателя, который запускается при внезапном подключении к источнику питания, хотя бросок тока трансформатора вызван другим явлением.

Мы знаем, что скорость изменения мгновенного потока в сердечнике трансформатора пропорциональна мгновенному падению напряжения на первичной обмотке. Или, как указывалось ранее, форма волны напряжения является производной формы волны магнитного потока, а форма волны магнитного потока является интегралом формы волны напряжения.В непрерывно работающем трансформаторе эти две формы сигнала сдвинуты по фазе на 90 °. Поскольку поток (Φ) пропорционален магнитодвижущей силе (mmf) в сердечнике, а mmf пропорционален току обмотки, форма волны тока будет синфазной с формой волны магнитного потока, и оба будут отстать от формы волны напряжения на 90 °:

Рисунок 8.37. Непрерывный установившийся режим: магнитный поток, как и ток, отстает от приложенного напряжения на 90 °.

Предположим, что первичная обмотка трансформатора внезапно подключается к источнику переменного напряжения в точный момент времени, когда мгновенное напряжение достигает своего положительного пикового значения.Чтобы трансформатор создавал противоположное падение напряжения, чтобы уравновеситься с этим приложенным напряжением источника, должен создаваться магнитный поток быстро возрастающей величины. В результате ток в обмотке увеличивается быстро, но на самом деле не быстрее, чем при нормальных условиях:

Рисунок 8.38. Подключение трансформатора к сети при пиковом напряжении переменного тока: поток быстро увеличивается от нуля, как и в установившемся режиме.

И магнитный поток сердечника, и ток катушки начинаются с нуля и достигают тех же пиковых значений, которые наблюдаются при непрерывной работе.Таким образом, в этом сценарии нет «всплеска», «броска тока» или «тока».

В качестве альтернативы, давайте рассмотрим, что произойдет, если подключение трансформатора к источнику переменного напряжения произойдет в точный момент времени, когда мгновенное напряжение равно нулю. Во время непрерывной работы (когда трансформатор был запитан в течение некоторого времени) это момент времени, когда и магнитный поток, и ток обмотки достигают своих отрицательных пиков, испытывая нулевую скорость изменения (dΦ / dt = 0 и di / dt = 0). По мере того, как напряжение достигает своего положительного пика, формы волны магнитного потока и тока нарастают до своих максимальных положительных скоростей изменения и повышаются до своих положительных пиков по мере того, как напряжение опускается до нулевого уровня:

Рисунок 8.39 Запуск при e = 0 В — это не то же самое, что непрерывный запуск на рисунке выше. Эти ожидаемые формы сигналов неверны — Φ и i должны начинаться с нуля.

Однако существует значительная разница между работой в непрерывном режиме и условием внезапного пуска, предполагаемым в этом сценарии: во время непрерывной работы уровни магнитного потока и тока были на своих отрицательных пиках, когда напряжение было в нулевых точках; Однако в трансформаторе, который простаивает, и магнитный поток, и ток обмотки должны начинаться с ноль .

Когда магнитный поток увеличивается в ответ на возрастающее напряжение, он будет увеличиваться от нуля вверх, а не из ранее отрицательного (намагниченного) состояния, как это обычно бывает в трансформаторе, который какое-то время находится под напряжением. Таким образом, в трансформаторе, который только что «запускается», магнитный поток будет примерно в два раза больше обычного пикового значения, поскольку он «интегрирует» область под первым полупериодом формы волны напряжения:

Рис. 8.40. Начиная с e = 0 В, Φ начинается с начального состояния Φ = 0, увеличиваясь в два раза по сравнению с нормальным значением, если предположить, что это не насыщает сердечник.

Начиная с e = 0 В, Φ начинается с начального состояния Φ = 0, увеличиваясь в два раза по сравнению с нормальным значением, если предположить, что это не насыщает сердечник.

В идеальном трансформаторе ток намагничивания также увеличился бы примерно в два раза по сравнению с нормальным пиковым значением, генерируя необходимый mmf для создания этого потока, превышающего нормальный. Однако большинство трансформаторов не спроектированы с достаточным запасом между нормальными пиками магнитного потока и пределами насыщения, чтобы избежать насыщения в таких условиях, и поэтому сердечник почти наверняка будет насыщаться в течение этого первого полупериода напряжения.Во время насыщения для генерации магнитного потока необходимо непропорционально большое количество ммс. Это означает, что ток обмотки, который создает МДС, вызывающую магнитный поток в сердечнике, непропорционально возрастет до значения , легко превышающего , вдвое превышающего его нормальный пик:

Рисунок 8.41 Начиная с e = 0 В, ток также увеличивается в два раза по сравнению с нормальным значением для ненасыщенного сердечника или значительно выше в случае (рассчитанном на) насыщение.

Это механизм, вызывающий пусковой ток в первичной обмотке трансформатора при подключении к источнику переменного напряжения.Как видите, величина пускового тока сильно зависит от точного времени, когда электрическое подключение к источнику выполнено. Если трансформатор имеет некоторый остаточный магнетизм в его сердечнике в момент подключения к источнику, бросок тока может быть еще более серьезным. Из-за этого устройства максимальной токовой защиты трансформатора обычно бывают «медленного действия», чтобы выдерживать такие скачки тока без размыкания цепи.

Тепло и шум

Помимо нежелательных электрических эффектов, трансформаторы могут также проявлять нежелательные физические эффекты, наиболее заметными из которых являются выделение тепла и шума.Шум — это прежде всего неприятный эффект, но нагрев — потенциально серьезная проблема, поскольку изоляция обмотки будет повреждена, если будет допущен перегрев. Нагрев можно свести к минимуму за счет хорошей конструкции, гарантирующей, что сердечник не приближается к уровням насыщения, что вихревые токи сведены к минимуму, и что обмотки не будут перегружены или работают слишком близко к максимальной допустимой нагрузке.

Силовые трансформаторы большой мощности имеют сердечник и обмотки, погруженные в масляную ванну для передачи тепла и глушения шума, а также для вытеснения влаги, которая в противном случае нарушила бы целостность изоляции обмотки.Теплоотводящие «радиаторные» трубки на внешней стороне корпуса трансформатора обеспечивают конвективный путь потока масла для передачи тепла от сердечника трансформатора к окружающему воздуху:

Рисунок 8.42. Большие силовые трансформаторы погружены в теплоизолирующее масло.

Безмасляные или «сухие» трансформаторы часто оцениваются с точки зрения максимального «повышения» рабочей температуры (превышения температуры окружающей среды) в соответствии с системой буквенных классов: A, B, F или H. Эти буквенные коды: расположены в порядке от наименьшей термостойкости к высшей:

• Класс A: Повышение температуры обмотки не более чем на 55 ° C при температуре окружающего воздуха 40 ° C (макс.).
• Класс B: Повышение температуры обмотки не более чем на 80 ° Цельсия при температуре окружающего воздуха 40 ° Цельсия (максимальной).
• Класс F: Повышение температуры обмотки не более чем на 115 ° Цельсия при температуре окружающего воздуха 40 ° Цельсия (максимальной).
• Класс H: Повышение температуры обмотки не более чем на 150 ° C при температуре окружающего воздуха 40 ° C (макс.).

Звуковой шум — это эффект, в основном возникающий из явления магнитострикции. : небольшое изменение длины ферромагнитного объекта при намагничивании.Знакомый «гул», слышимый вокруг больших силовых трансформаторов, — это звук расширения и сжатия железного сердечника с частотой 120 Гц (в два раза выше частоты системы, которая в США составляет 60 Гц) — один цикл сжатия и расширения сердечника для каждого пика напряжения. форма волны магнитного потока плюс шум, создаваемый механическими силами между первичной и вторичной обмотками. Опять же, поддержание низких уровней магнитного потока в сердечнике является ключом к минимизации этого эффекта, что объясняет, почему феррорезонансные трансформаторы, которые должны работать в режиме насыщения для большей части формы волны тока, работают как в горячем состоянии, так и с шумом.

Потери из-за наматывающих магнитных сил

Еще одно шумовое явление в силовых трансформаторах — это физическая сила реакции между первичной и вторичной обмотками при большой нагрузке. Если вторичная обмотка разомкнута, через нее не будет тока и, следовательно, не будет создаваемой ею магнитодвижущей силы (ммс). Однако, когда вторичная обмотка «загружена» (в настоящее время подается на нагрузку), обмотка генерирует МДС, которой противодействует «отраженная» МДС в первичной обмотке, чтобы предотвратить изменение уровней магнитного потока сердечника.Эти противоположные МДС, возникающие между первичной и вторичной обмотками в результате вторичного (нагрузочного) тока, создают физическую силу отталкивания между обмотками, которая заставляет их вибрировать. Разработчики трансформаторов должны учитывать эти физические силы при конструкции обмоток, чтобы обеспечить адекватную механическую опору для выдерживания напряжений. Однако в условиях большой нагрузки (высокого тока) эти напряжения могут быть достаточно большими, чтобы вызвать слышимый шум, исходящий от трансформатора.

• Силовые трансформаторы ограничены по количеству мощности, которую они могут передавать от первичной обмотки (обмоток) ко вторичной. Большие блоки обычно имеют номинальные значения в ВА (вольт-амперы) или кВА (киловольт-амперы).
• Сопротивление в обмотках трансформатора снижает эффективность, так как ток рассеивает тепло, тратя энергию.
• Магнитные эффекты в железном сердечнике трансформатора также способствуют снижению эффективности. Среди эффектов — вихревой ток (циркулирующие индукционные токи в железном сердечнике) и гистерезис (потеря мощности из-за преодоления тенденции железа к намагничиванию в определенном направлении).
• Повышенная частота приводит к увеличению потерь мощности в силовом трансформаторе. Присутствие гармоник в энергосистеме является источником частот, значительно превышающих нормальные, что может вызвать перегрев больших трансформаторов.
• Как трансформаторы, так и катушки индуктивности обладают определенной неизбежной емкостью из-за изоляции проводов (диэлектрика), отделяющей витки обмотки от стального сердечника и друг от друга. Эта емкость может быть достаточно значительной, чтобы дать трансформатору естественную резонансную частоту , что может быть проблематичным в сигнальных приложениях.
• Индуктивность утечки возникает из-за того, что магнитный поток не на 100% связан между обмотками трансформатора. Любой поток, не связанный с , передающий энергию от одной обмотки к другой, будет накапливать и выделять энергию, как работает (само) индуктивность. Индуктивность утечки имеет тенденцию ухудшать регулировку напряжения трансформатора (вторичное напряжение «проседает» больше при заданной величине тока нагрузки).
• Магнитное насыщение сердечника трансформатора может быть вызвано чрезмерным первичным напряжением, работой на слишком низкой частоте и / или наличием постоянного тока в любой из обмоток.Насыщение можно минимизировать или избежать с помощью консервативной конструкции, которая обеспечивает достаточный запас прочности между пиковыми значениями плотности магнитного потока и пределами насыщения сердечника.
• Трансформаторы часто испытывают значительные пусковые токи при первоначальном подключении к источнику переменного напряжения. Пусковой ток наиболее велик, когда подключение к источнику переменного тока выполняется в момент, когда мгновенное напряжение источника равно нулю.
• Шум — обычное явление, проявляемое трансформаторами, особенно силовыми трансформаторами, и в первую очередь вызвано магнитострикцией сердечника.Физические силы, вызывающие вибрацию обмотки, также могут создавать шум в условиях большой (сильноточной) нагрузки вторичной обмотки.