Индукция трансформатора: Электромагнитная индукция. Трансформатор

Содержание

Каталог радиолюбительских схем. Максимальная индукция сердечника трансформатора

Максимальная индукция сердечника трансформатора

При заданной мощности габариты и масса трансформатора будут минимальны, если индукция в его магнитопроводе достигает максимально-допустимого для выбранного материала значения Но обычно эта величина неизвестна Чтобы избежать неожиданностей, индукцию обычно занижают, что приводит к неоправданному увеличению размеров трансформатора

Воспользовавшись приводимой ниже методикой, можно определить магнитные характеристики любой трансформаторной стали Из этой стали собирают «экспериментальный» магнитопровод сечением 5…10 кв.см (произведение размеров а и b) и наматывают на один из его кернов 50…100 витков мягкого изолированного провода сечением 1,5…2,5 кв.мм. Для дальнейших расчетов необходимо найти по формуле

Iср = 2h + 2c + 3,14*a

среднюю длину магнитной силовой линии и измерить активное сопротивление обмотки rоб Далее по схеме, показанной на рисунке, собирают испытательную установку Т1 —лабораторный регулируемый автотрансформатор (ЛАТР), L1 — обмотка на «экспериментальном» магнитопроводе. Габаритная мощность понижающего трансформатора Т2 — не менее 63 ВА, коэффициент трансформации — 8…10

Постепенно увеличивая напряжение, строят зависимость индукции в магнитопроводе В, Тл, от напряженности магнитного поля Н А/м, подобную показанной ниже.

Вычисляя эти величины по формулам

где U и I — показания вольтметра PV1, В, и амперметра РА1, A; F — частота, Гц, S — площадь сечения «экспериментального» магнитопровода, см2 , W — число витков его обмотки. Из полученного графика находят, как показано на рисунке, индукцию насыщения Bs, максимальную индукцию Bm и максимальную напряженность переменного магнитного поля Hm.

Расчет силовых трансформаторов при произвольных законах изменения напряжения и тока

Расчету трансформаторов посвящено много работ, например [1–5]. В данной статье представлен подход к их расчету,
основанный на обеспечении:

заданного нагрева магнитопровода (МП) при намагничивании его переменным напряжением произвольной формы и нагрева обмоток рабочим током произвольной формы;
получения заданной индуктивности рассеивания, то есть получения заданного значения напряжения короткого замыкания или заданной длительности фронта импульса.

Первый подход хорошо зарекомендовал себя при расчете дросселей с магнитопроводом при произвольной форме тока [6]. Созданная теория подтверждалась результатами статистической обработки значений удельной энергии промышленных дросселей, которая выявила зависимость удельной энергии дросселя как степень 1/7 от значения самой энергии в широких пределах изменения энергий от долей до тысяч джоулей.

Далее не рассматривается расчет «строчных» трансформаторов, которые по виду выполняемых функций являются двухобмоточными дросселями.

В трансформаторе закон изменения индукции задается напряжением, в дросселе — током. Другими словами, сердечник трансформатора намагничивается напряжением, а дросселя — током. Можно выделить несколько типичных несинусоидальных режимов работы трансформатора.

Минимальное и максимальное значения напряжения близки по абсолютному значению, но имеют противоположные знаки
(рис. 1а). Имеет место режим переменного тока.
Минимальное и максимальное значения напряжения намного отличаются друг от друга, например,
одно равно 5–10% другого (рис. 1б). Время действия положительного и отрицательного напряжения сильно отличаются.
Режим принято называть импульсным. Разность между максимальным и минимальным значением индукции называют перепадом ΔB
(иногда размахом), а половину этого значения — амплитудой переменной составляющей B_m.

В обоих режимах постоянная составляющая индуктированного напряжения равна нулю. В противном случае индукция в магнитопроводе стала бы непрерывно нарастать.

Дроссель и трансформатор состоят из одинаковых частей: магнитопровода и обмоток. Задачей конструктивного расчета трансформатора и дросселя является определение основных геометрических размеров магнитопровода, числа витков обмоток, сечения проводов обмоток, а для дросселя — еще и определение размеров воздушного зазора.

Исходными данными для расчета трансформатора являются:

Закон изменения напряжения u(t) и тока i(t) с заданными параметрами: средним
значением напряжения U_ср, эффективным значением тока I или амплитудой I_m
и коэффициентом амплитуды импульса k_a = I_m/I, а также скважностью импульсов
ν = τ_и/T (рис. 1б).
L_s — индуктивность рассеивания, или напряжение короткого замыкания u_к,
или τ_s = L_s/R_н — постоянная времени, где R_н — сопротивление нагрузки
трансформатора.

Если трансформатор работает совместно с формирующей линией, то при вычислении постоянной времени сопротивление
нагрузки должно быть удвоено, так как сопротивление нагрузки и, как правило, равное ему волновое сопротивление
линии включены последовательно с индуктивностью рассеивания трансформатора.

Далее будут рассмотрены броневые и стержневые типы трансформаторов. Самые плохие условия охлаждения, ввиду закрытости
магни-топровода катушками, имеет стержневой тип с катушками на обоих стержнях. Стержневой тип трансформатора с двумя
катушками эквивалентен тороидальному трансформатору. Удельные потери для этих магнитопроводов, как правило, должны
составлять 3–5 Вт/кг, а для остальных — 7–10 Вт/кг.

Предварительно по принятому значению удельных потерь в магнитопроводе при известном законе изменения индукции
определяют допустимую амплитуду переменной составляющей индукции В_mc или перепад индукции
ΔB_и.

Рассмотрим выбор и расчет режима работы магнитопроводов.

Самым простым является выбор рабочей индукции для работы на очень низких частотах — 10–20 Гц.
В этом случае могут быть применены шихтованные или витые магнитопро-воды из обычных трансформаторных
сталей с толщиной листа или ленты 0,3–0,5 мм. Для импульсных трансформаторов перепад индукций может
быть близким к значению 2В_s. Для обеспечения такого режима должно быть применено смещение рабочей
точки на кривой намагничивания путем подмагничивания МП постоянным током.

На частотах в десятки и сотни герц должен быть проведен традиционный выбор материалов и режимов работы.

На частотах несколько десятков килогерц потери в МП являются определяющими в выборе марки и толщины магнитного
материала. На этих частотах вихревые потери можно регулировать выбором толщины материала. Особо тонкими выпускаются
ленты из пермаллоев (толщиной 10–20 мк) и аморфные или нанокристаллические материалы (25 мк). Гистерезисные потери
не зависят от толщины материала, а на высоких частотах становятся определяющими. Необходимо выбирать материалы с
узкой петлей гистерезиса или с высокой начальной магнитной проницаемостью. Здесь МП из аморфных сплавов практически
не имеют преимуществ по сравнению с МП из высоколегированных сплавов (пермаллоев).

Радикальный способ снижения потерь — это уменьшение рабочего значения индукции вплоть до десятых долей тесла.
Повышенное значение индукции насыщения материала часто оказывается невостребованным. При малом значении индукции
размеры магнитопровода и трансформатора сильно возрастают.

Для повышения индукции и уменьшения размеров трансформатора может быть применен интенсивный обдув или масляное
охлаждение, повышающие теплосъем с поверхностей в 1,5-2 раза. Ферритовые сердечники при естественном охлаждении
позволяют работать с индукцией 0,3-0,4 Тл.

Выше 10-15 кГц — область работы ферри-товых сердечников или обычных сплавов с очень низкими значениями рабочей
индукции или принудительным охлаждением. К сожалению, изготовление ферритовых сердечников больших размеров связано
с технологическими трудностями. Выбор рабочей индукции производится расчетным путем или по графикам справочных
материалов [7, 8].

Объективным способом контроля качества расчета является экспериментальная проверка теплового режима магнитопровода
при выбранной рабочей индукции на опытном сердечнике или его модели. На сердечник наматывается контрольная обмотка
из тонкого провода с числом витков, обеспечивающим выбранное значение индукции при известной амплитуде импульса
контрольного генератора w=U_г × τ_и/(s × ΔВ_и).

Такой генератор имеет небольшую мощность, так как обеспечивает намагничивание сердечника только на холостом ходу.
Те участки сердечника, на которых будет располагаться обмотка, могут быть закрыты теплоизоляционным материалом.

Пример результатов проверки приведен на графиках (рис. 2). Выбором магнитного материала и величины рабочей индукции заканчивается первый этап расчета трансформатора.

В последующих выводах принято допущение, что тепловой режим магнитопровода не влияет на тепловой режим катушки. При тепловом расчете магнитопровода и катушек не должны учитываться поверхности их соприкосновения.

Второй этап — расчет обмоток. За основную переменную величину принимаем сечение магнитопровода (первая строка таблицы).
Сечение — единственный геометрический параметр, входящий в формулу закона электромагнитной индукции. Закон инвариантен
по отношению к форме сечения. Через сечение при выбранной конфигурации трансформатора могут быть определены все
остальные размеры трансформатора, например, короткая сторона сечения a=0,5×s^1/2 (вторая строка таблицы), длинная
сторона в=2а, высота окна h=4,6а, длина средней силовой линии l_c=(4,6+4,6+2+2+3,14)×а=k₂×s^1/2
(третья строка таблицы), длина витка l_м=k₄×s^1/2 , сечение окна
s_ок=k₆×s. При вычислении площади охлаждения катушек участки поверхности,
соприкасающиеся с маг-нитопроводом, исключены из общей площади охлаждения.

В таблице приведены данные об отношении открытой для охлаждения поверхности магнитопровода к его объему (k₁₂),
определяющие допустимые удельные потери в сердечнике Вт·м/кг.

Выбор в качестве аргумента сечения s удобен тем, что после определения основных геометрических размеров трансформатора
стержень с прямоугольным сечением может быть заменен стержнем любой формы (например, круглым, ступенчатым) с
равновеликим сечением при сохранении основных электрических параметров трансформатора. В таблице представлен ряд
типовых конструкций трансформаторов броневого и стержневого типов. Два первых — броневые с квадратным и прямоугольным
сечением магнитопровода, два следующих — стержневые с квадратным и прямоугольным сечением магнитопровода с катушками
на каждом стержне, и два последних — тоже стержневые с катушкой на одном стержне.

Проблема рассматривается без учета нелинейности вебер-амперных характеристик и при предположении, что в обмотках
отсутствуют дополнительные каналы охлаждения.

Напряжение, индукция, сечение магнитопровода и число витков связаны законом электромагнитной индукции:

при переменном напряжении:
отсюда может быть найдено число витков:
при синусоидальном напряжении:
при импульсном напряжении:
где ΔB_и=2B_mc — перепад индукций, B_mc — максимальное
значение индукции в материале сердечника.

Видно, что при произвольном законе изменения напряжения роль импульса намагничивания играет среднее значение
напряжения за ту часть периода, в которой напряжение выше (или ниже) нуля; эффективное значение тока вычисляется
за целый период. Импульсный режим отличается от периодического, в первую очередь, наличием скважности, отличием
амплитуд и длительностей положительной и отрицательной частей кривой напряжения.

Умножая левую и правую части первых уравнений при переменном режиме на I, а при импульсном режиме на I_и,
с учетом того, что I=I_m/k_a√v и T=1/f, получим:

при переменном напряжении:
при синусоидальном напряжении:
при импульсном напряжении:

Покажем, что МДС (Iw)1 катушек каждого магнитопровода имеет некоторое предельное значение, ограниченное
нагревом катушек. Пусть в окне сердечника площадью s_ок размещается w витков обмотки, коэффициент заполнения
окна проводниковым материалом k_м=0,35, тогда активное сопротивление обмотки:

где l_м1 — средняя длина одного витка обмотки, ρ=1,85 × 10^–8 Ом·м — удельное
сопротивление медного провода.

Для того чтобы сопротивление обмотки и выделяющаяся мощность не увеличивались с ростом рабочей частоты (кГц)
трансформатора, его обмотки должны быть намотаны проводом типа литцендрат. Жила провода литцендрат состоит из
многих изолированных проводников. Диаметр одного проводника (мм) не должен превышать значения [9]:

Мощность, выделяемая в катушке и рассеиваемая ее поверхностью:

где s_охл — поверхность охлаждения обмотки, то есть поверхность обмотки за исключением частей,
обращенных к стержню; q=650 Вт/м2 — допустимая плотность теплового потока при превышении температуры
поверхности обмотки над окружающим воздухом на 55 °С.

Для уменьшения индуктивности рассеивания (см. далее) бывает целесообразно при заданной площади окна снизить
толщину намотки, то есть занять обмоткой лишь часть ширины окна. Эта же задача возникает при необходимости
разместить в окне высоковольтную изоляцию первичной или вторичной обмотки.

Введем параметр ß

Предельная МДС зависит от геометрических размеров катушки, коэффициента теплоотдачи с ее поверхности,
удельного сопротивления провода и коэффициента использования ширины окна.

Поверхность охлаждения, площадь окна, площадь сечения сердечника, средняя длина витка для выбранной
формы сердечника могут быть выражены через сечение зазора s, и поэтому

для распространенных геометрических форм магнитопроводов приведены в таблице (при расчетах предполагается
использование системы СИ).

В каждой катушке стержня трансформатора имеется минимум две обмотки, их магнитодвижущие силы равны:
(Iw)₁=(Iw)₂=(Iw)_пред/2. С учетом этого уравнения (3) и (4) примут вид:

при переменном напряжении:
при синусоидальном напряжении:
при импульсном напряжении:

Это первая группа формул для определения сечения магнитопровода проектируемого трансформатора. Затем могут
быть определены остальные размеры, например, короткая сторона сечения магнитопровода a=√s при
квадратной или a=√(s/2) при прямоугольной форме сечения, высота окна h=4a и т. д.

Обратим внимание, что исходными данными для расчета трансформатора на переменном токе являются среднее напряжение
за полпериода и эффективный ток обмоток без учета фазы их взаимного расположения во времени. Другими словами,
размеры трансформатора зависят не от передаваемой активной мощности, а от полной или кажущейся мощности S.

Однако если производить расчет трансформатора исходя только из условий охлаждения, то может оказаться, что
индуктивность рассеивания L_s обмоток будет очень большой, что приведет к недопустимо большому падению напряжения
u_к при синусоидальном режиме работы трансформатора, искажению формы кривой при другом законе изменения напряжения
или к недопустимо большой длительности фронта τ_s/τ_и в импульсном режиме.

Значение индуктивности рассеивания L_s пропорционально площади сечения катушек трансформатора в плоскости,
перпендикулярной оси катушек, и обратно пропорционально их длине. Если одна обмотка короче другой, то индуктивность
рассеивания резко возрастает, поэтому длины обмоток должны совпадать. При малом числе витков для выполнения этого
условия секции с малым числом витков должны быть повторены необходимое число раз, а затем соединены параллельно.
Эффективная площадь рассеивания s_s представляет сумму третьей части от площади сечения обмоток и полной площади
сечения зазора между обмотками. Если обмотки занимают не всю ширину окна, то:

Значения коэффициента k_Ls приведены в таблице.

У стержневого трансформатора с двумя катушками длина катушек вдвое больше, чем у трансформаторов остальных видов,
а их толщина вдвое меньше. Индуктивность рассеивания получается примерно в 4 раза меньше, чем у других видов.
Она сопоставима с индуктивностью рассеивания трансформатора, выполненного на тороидальном сердечнике с обмоткой,
расположенной не по всей длине средней силовой линии МП (из-за необходимости выполнить выводы от нижней обмотки).
Однако, если на высоких частотах из-за плохого охлаждения сердечника придется вдвое снизить индукцию, то потребуется
вдвое увеличивать число витков, в четыре раза возрастет индуктивность рассеивания. Преимущества тороидальной конструкции
полностью теряются.

Подставим в формулу (12) значения витков (1) и (2) для обоих режимов и получим:

при переменном напряжении
при импульсном напряжении

Мы получили вторую пару формул для определения размеров трансформатора. Она определяет размеры трансформатора при
любой форме кривой напряжения. Предполагается, что известно значение индуктивности рассеивания и напряжение той
обмотки, относительно которой определяется эта индуктивность.

Если значение L_s неизвестно, то размеры могут быть определены через относительные величины: напряжение короткого
замыкания для синусоидального режима (понятие напряжение короткого замыкания существует только для синусоидального
режима, когда существует величина — круговая частота ω=2πf) или относительную длительность фронта импульса для
импульсного режима.

Умножим левую и правую части уравнения (13) для синусоидального режима на I, а для импульсного режима
(15) — на I_и и после несложных преобразований получим:

при синусоидальном напряжении
при импульсном напряжении

где u_к=100ω>L_sI/U — напряжение короткого замыкания в %, а
для импульсного режима τ_s/τ_и — относительная длительность фронта импульса.

Таким образом, мы получили третью пару формул для определения площади сечения магнитопровода.

Если известны L_s и u_к или τ_s/τ_и,
то вторая и третья группы формул дают одинаковый результат. Из найденных по (9-11) сечения s₁
и по (14, 16-18) сечения s₂ должно быть выбрано большее по величине,
и с ним проведены расчеты остальных геометрических параметров, чисел витков и др. Однако, если сечение,
найденное из (14, 16-18), окажется много больше сечения, полученного из (9-11) с учетом только тепловой
нагрузки трансформатора (через k_Iw),, то должен быть произведен повторный расчет с β s^20/21 ≡ s¹) значение р может быть принято равным отношению полученных на первом шаге
сечений s₁/s₂.

Тепловыделение внутри обмоток трансформатора, поверхность охлаждения и принятая допустимая температура поверхности
катушек определяют максимально допустимую плотность тока в проводах обмоток:

Значения коэффициента k_Δ также приведены в таблице.

С учетом найденных соотношений могут быть определены объемы меди обмотки и стали сердечника.

Зная плотность меди и стали, предполагая массу конструктивных элементов (10%), найдем массу этих частей и
общую массу трансформатора, кг:

Значения коэффициентов k_g , k_g и k_g приведены в таблице.

В формулу для определения общей массы трансформатора m_Т (21) может быть подставлено
значение сечения из (9). Получим выражение для вычисления массы трансформатора без учета влияния индуктивности
рассеивания:

Используя формулу (17), найдем выражение для массы через полную мощность и напряжение короткого замыкания:

Используя формулу (18), определим массу трансформатора при одновременном задании энергии импульса и постоянной времени цепи нагрузки:

Значения коэффициентов k_gSu=k_gWz приведены в таблице.

При анализе этих коэффициентов видно, что если проектировать трансформатор с одинаковым уровнем индукции
(если позволяют условия охлаждения МП), то самым легким является стержневой трансформатор с прямоугольным
сечением магнитопровода.

Порядок применения формул для инженерных расчетов покажем на примерах.

Пример 1

Требуется спроектировать трансформатор, работающий от генератора напряжения прямоугольной формы («меандр») с
амплитудой 375 В. Ток нагрузки в виде резонансного контура обуславливает синусоидальную форму тока с эффективным
значением I=I_m/(k_a√v) = 43 А, рабочая частота 15 кГц, индуктивность рассеивания
должна составлять 9,5 мкГн.

Высокая рабочая частота заставляет сразу обраться к применению ферритового магнитопровода. Коэффициент заполнения
материалом сердечника k_c=1. В соответствии с приведенным на рис. 2 графиком выбираем уровень рабочей индукции
B_cm=0,22 Тл.

Выбираем магнитопровод стержневого типа с прямоугольным сечением. Рассчитываем сечение магнитопровода без учета
требований к напряжению короткого замыкания по (9), первоначально с Β=1.

Теперь с учетом требований к индуктивности рассеивания рассчитаем по (16):

Очевидно, трансформатор должен быть выполнен на магнитопроводе с большим сечением — 8,6 см2. По найденному сечению
могут быть определены остальные размеры трансформатора. Например, а=0,71√s=0,02 м,
высота окна h=4a=0,08м; ширина окна 1,6а=0,032м; площадь окна 0,0026 м² и т. д.
Число витков рассчитываем по формуле (1):

Плотность тока вычисляем по формуле (19):

Сечение провода 43/2,9 = 14,8 мм2, или иначе:

Диаметр составляющих литцендрат проводников по (6) составит 1/√15 = 0,26 мм.

Число витков и сечение другой обмотки будут отличаться в коэффициент трансформации раз.

Масса трансформатора составит m_Т= k_gs((β+1)/2)s^3/2,
m_Т=1,40×10⁵×1×(8,6×10⁴)3/2 = 3,5 кг.

Пример 2

Требуется рассчитать трансформатор, работающий совместно с формирующей линией, импульсным напряжением 40 кВ,
током 300 А (импульсная мощность 12 МВт), длительностью импульса 360 мкс, длительностью фронта t_ф = 10% и частотой
повторения импульсов 1 Гц.

Скважность импульсов 1/0,00036 = 2780. Трансформатор, работающий на активную нагрузку без формирующей линии,
будет иметь постоянную времени фронта вдвое больше — 20%. Длительность фронта — 360×0,2 = 72 мкс = 3τ_s.
Постоянная времени фронта трансформатора тs составит 72/3=24 мкс. При этом сопротивление нагрузки
R_н=40 000/300=133 Ом, и индуктивность рассеивания L_s=τ_sR_н=24×133 = 3200 мкГ.

Расчет начинаем с выбора режима работы магнитного материала сердечника. При частоте повторения 1 Гц можно использовать
любой магнитомягкий материал — листовую трансформаторную сталь. Максимальное значение индукции может
быть ΔВ_и=2B_s=2,4 Тл.

Выбираем стержневой магнитопровод с квадратным (круглым, ступенчатым) сечением стержня с двумя катушками.

Рассчитываем сечение магнитопровода по энергии импульса без учета требований к длительности фронта (11)
первоначально β=1.

Теперь по энергии импульса с учетом требований к длительности фронта (18) находим s:

Масса трансформатора с сечением 255·10^–4 м² составит в соответствии с (21):

Редкие импульсы не могут сильно нагреть обмотки, поэтому первое сечение и магнитопровод получаются небольшими.
Второе большое сечение является следствием требований, связанных с длительностью фронта, то есть с индуктивностью
рассеивания. Два полученных сечения отличаются примерно в пять раз. Можно в 2-3 раза уменьшить толщину обмотки.
Проведем расчет по тем же формулам (11) и (18) при β=0,4:

Дальнейшие вычисления необходимо производить с этим значением сечения, например, масса трансформатора будет не 1006 кг, а:

Значение В может быть еще уменьшено.

Пример 3

Оценим размеры трансформатора с прямоугольной формой кривых рабочего напряжения и тока (меандр) 50 В, ток 1 А (эфф.) для работы на частоте 50 кГц.

Предполагаем применение ферритового броневого магнитопровода (Ш-образного) с индукцией 200 мТл.

По формуле (9) находим необходимое сечение магнитопровода: 0,31 см² = 31 мм².

По формуле (22) его массу: 0,012 кг =12 г и т. д.

Далее могут быть проанализированы другие варианты конструкций, иные соотношения размеров с целью проведения уточнений при той или иной оптимизации (по массе, объему, стоимости, введению каналов охлаждения и т. п.).

Расчет по разработанным формулам типовых, выпускаемых промышленностью рядов трансформаторов серии ТН, ОСМ дает совпадение расчетных параметров с фактическими.

Одинаково успешный расчет и малых, и больших трансформаторов при различных законах изменения напряжения и тока указывает на фундаментальность приведенной теории расчета.

Литература

1. Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов. М.: Госэнергоиздат, 1953.

2. Ицхоки Я. С. Импульсная техника. М.: Советское радио, 1949.

3. Булгаков Н. И. Расчет трансформаторов. М.: Госэнергоиздат, 1950.

4. Ицхоки Я. С. Импульсные устройства. М.: Советское радио, 1959.

5. Черкашин Ю. С. Определение условий эквивалентности электрических режимов мощных силовых и импульсных трансформаторов // Электричество. 1966. № 5.

6. Черкашин Ю. С. Расчет дросселей с маг-нитопроводом при произвольной форме тока // Силовая электроника. 2008. № 3.

7. Черкашин Ю. С. Процесс и энергия намагничивания листового магнитопровода при прямоугольном напряжении // Электричество. 1978. № 6.

8. Бабин С. В., Карасев В. В., Филиппов Ф. Е. Характеристики магнитопроводов трансформаторов тока при одновременном воздействии постоянного и переменного магнитного поля // Электротехническая промышленность. 1981. Вып. 6.

9. Черкашин Ю. С. Проектирование катушек индуктивности для мощных радиотехнических устройств // Радиотехника. 1986. № 6.

Возможно ли узнать мощность и ток трансформатора по его внешнему виду

Трансформатор — статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты.

Если на трансформаторе имеется маркировка, то вопрос определения его параметров исчерпывается сам собой, достаточно лишь вбить эти данные в поисковик и мгновенно получить ссылку на документацию для нашего трансформатора. Однако, маркировки может и не быть, тогда нам потребуется самостоятельно эти параметры вычислить.

Для определения номинальных тока и мощности неизвестного трансформатора по его внешнему виду, необходимо в первую очередь понимать, какие физические параметры устройства являются в данном контексте определяющими. А такими параметрами прежде всего выступают: эффективная площадь сечения магнитопровода (сердечника) и площадь сечения проводов первичной и вторичной обмоток.

Речь будем вести об однофазных трансформаторах, магнитопроводы которых изготовлены из трансформаторной стали, и спроектированы специально для работы от сети 220 вольт 50 Гц. Итак, допустим что с материалом сердечника трансформатора нам все ясно. Движемся дальше.

Сердечники бывают трех основных форм: броневой, стержневой, тороидальный. У броневого сердечника эффективной площадью сечения магнитопровода является площадь сечения центрального керна. У стержневого — площадь сечения стержня, ведь именно на нем и расположены обмотки. У тороидального — площадь сечения тела тороида (именно его обвивает каждый из витков).

Для определения эффективной площади сечения, измерьте размеры a и b в сантиметрах, затем перемножьте их — так вы получите значение площади Sс в квадратных сантиметрах.

Суть в том, что от эффективной площади сечения сердечника зависит величина амплитуды магнитного потока, создаваемого обмотками. Магнитный поток Ф включает в себя одним из сомножителей магнитную индукцию В, а вот магнитная индукция как раз и связана с ЭДС в витках. Именно поэтому площадь рабочего сечения сердечника так важна для нахождения мощности.

Далее необходимо найти площадь окна сердечника — того места, где располагаются провода обмоток. В зависимости от площади окна, от того насколько плотно оно заполнено проводниками обмоток, от плотности тока в обмотках — также будет зависеть мощность трансформатора.

Если бы, к примеру, окно было полностью заполнено только проводами обмоток (это невероятный гипотетический пример), то приняв произвольной среднюю плотность тока, умножив ее потом на площадь окна, мы получили бы общий ток в окне магнитопровода, и если бы затем разделили его на 2, а после — умножили на напряжение первичной обмотки — можно было бы сказать, что это и есть мощность трансформатора. Но такой пример невероятен, поэтому нам необходимо оперировать реальными значениями.

Итак, давайте найдем площадь сечения окна.

Наиболее простой способ определить теперь приблизительную мощность трансформатора по магнитопроводу — перемножить площадь эффективного сечения сердечника и площадь его окна (все в кв.см), а затем подставить их в приведенную выше формулу, после чего выразить габаритную мощность Pтр.

В этой формуле: j — плотность тока в А/кв.мм, f — частота тока в обмотках, n – КПД, Вm – амплитуда магнитной индукции в сердечнике, Кс — коэффициент заполнения сердечника сталью, Км — коэффициент заполнения окна магнитопровода медью.

Но мы поступим проще: примем сразу частоту равной 50 Гц, плотность тока j= 3А/кв.мм, КПД = 0,90, максимальную индукцию в сердечнике — ни много ни мало 1,2 Тл, Км = 0,95, Кс=0,35. Тогда формула значительно упростится и примет следующий вид:

Если же есть потребность узнать оптимальный ток обмоток трансформатора, то задавшись плотностью тока j, скажем теми же 3 А на кв.мм, можно умножить площадь сечения провода обмотки в квадратных миллиметрах на эту плотность тока. Так вы получите оптимальный ток. Или через диаметр провода d обмотки:

Узнав по сечению проводников обмоток оптимальный ток каждой из обмоток, разделите полученную по габаритам мощность трансформатора на каждый из этих токов — так вы узнаете соответствующие найденным параметрам напряжения обмоток.

Одно из этих напряжений окажется близким к 220 вольтам — это с высокой степенью вероятности и будет первичная обмотка. Далее вольтметр вам в помощь. Трансформатор может быть повышающим либо понижающим, поэтому будьте предельно внимательны и аккуратны если решите включить его в сеть.

Кроме того, перед вами может оказаться выходной трансформатор от акустического усилителя. Данные трансформаторы рассчитываются немного иначе чем сетевые, но это уже совсем другая и более глубокая история.

Ранее ЭлектроВести писали, что АББ получила заказ на более 20 млн. долл. США от компании MHI Vestas Offshore Wind на поставку надежных энергоэффективных и компактных трансформаторов WindSTAR, разработанных для установки на ветровых турбинах.

По материалам: electrik.info.

Магнитная индукция сердечника трансформатора | Домострой

Итак, мы решили поразвлечься и всерьёз сваять что-нибудь стоящее своими руками, как то: индуктивный фильтр для блока питания, дроссель для усилительного каскада, выходной трансформатор для однотактного УНЧ, или фиг его знает — чего ещё похуже.
Что объединяет этих жертв нашего волеизъявления?
Каждое из перечисленных моточных изделий содержит магнитомягкий магнитопровод, и через каждое из них протекает постоянный ток. И если к переменному току, даже значительных величин, магнитопровод относится сдержанно-положительно, то к постоянке питает явную антипатию и может резко войти в насыщение от её переизбытка.
При насыщении сердечника его относительная магнитная проницаемость резко уменьшается, что влечёт за собой пропорциональное уменьшение индуктивности изделия.

На этой странице порассуждаем о тороидальных магнитопроводах из ферритов, распылённого железа, электротехнической стали и их способности противостоять постоянному току.

Для наглядности рассмотрим график зависимости B от H , называемый петлёй гистерезиса, для распространённого, где-то даже народного, феррита марки N87 фирмы EPCOS.

Здесь:
H — напряжённость магнитного поля, а
B — магнитная индукция в сердечнике.

Зависимость приведена при температуре изделия +25 гр.С.

Интересующие нас параметры из datasheet-а производителя:

Начальная магнитная проницаемость —
µ = 2200 ,
Магнитная индукция насыщения при H=1200 А/м — Bнас = 0,490 Т .

Если внимательно присмотреться к графику, то легко заметить, что в области малых и средних индукций зависимость практически линейна и её наклон примерно равен µ . Именно на этот участок в большинстве случаев и должен приходиться диапазон рабочих индукций.
При дальнейшем повышении напря- жённости магнитного поля магнитная проницаемость начинает быстро падать, пока не наступает момент, при котором дальнейший рост магнитной индукции в сердечнике стопорится на определённой величине. В спецификациях это величина приводится, как значение магнитной индукции насыщения — Bнас , или Bs , т.е. величина, при которой значение магнитной проницаемости падает до неприлично малых значений.

Так что давайте без лишних прелюдий и телодвижений сделаем фундаментальный вывод — для нормальной работы катушки, намотанной на магнитопроводе, рабочие значения магнитной индукция в сердечнике не должны превышать величину 0,75 — 0,8 от значения справочной характеристики Bнас (Bs) .

Переходим к незамысловатым формулам!

Магнитная индукция в сердечнике равна:
B = µ×µ_{×n×I/l , где:
µ — магнитная проницаемость сердечника,
µ_{= 4π×10 -7 (Гн/м) — физическая константа, называемая магнитной постоянной,
n — количество витков обмотки,
I — ток в обмотке,
l — средняя длина магнитного контура.}}

Поскольку рабочий режим магнитопровода мы выбираем в линейной области петли гестерезиса, то в качестве значения µ можно использовать паспортную характеристику начальной магнитной проницаемости сердечника.

Теперь можно рисовать калькулятор для расчёта магнитной индукции в катушке с учетом выбранного типа сердечника и конкретного количества витков обмотки.

Для удобства восприятия, помещу сюда и значение индуктивности полученного моточного изделия. Формулы для вычислений этого параметра выглядят следующим образом:
L=0,0002×µ×h×n 2 ×ln(D_внешн/D_внутр) при соблюдении условия D_внешн/D_внутр>1,75 ,
L=0,0004×µ×h×n 2 ×(D_внешн-D_внутр)/(D_внешн+D_внутр) при D_внешн/D_внутр

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ В КАТУШКЕ С ТОРОИДАЛЬНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ.

Увы, но значительных токов через катушки на ферритовых кольцах, или торах из трансформаторной стали нам пропустить не удастся — нужны танцы с бубнами в виде немагнитных воздушных зазоров.
Другое дело — сердечники из распылённого железа, представляющие собой магнитопровод с немагнитными зазорами, технологически распределёнными по всему объёму магнитопровода. Их очевидный плюс — высокая индукция насыщения, минус — малые величины магнитной проницаемости.

В связи с этим, в некоторых случаях (в основном на низких частотах) предпочтительным является использование именно сердечников из ферритов (или железа) с пропилом для создания малого воздушного зазора. Данная мера позволяет в значительной мере увеличить величину допустимых токов через катушку без ввода магнитопровода в режим насыщения. Длина этого воздушного зазора позволяет регулировать как величину максимально-допустимой напряжённости магнитного поля в сердечнике, так и параметр изменившейся магнитной проницаемости, называемой эквивалентной магнитной проницаемостью сердечника с зазором — µ_эф . Значение этого параметра вычисляется по формуле:
µ_эф = µ/(1+l_з×µ/l) , где:
µ — начальная магнитная проницаемость сердечника,
l — средняя длина магнитного контура,
l_з — длина воздушного зазора (толщина пропила).

Давайте посчитаем этот параметр.

РАСЧЁТ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ СЕРДЕЧНИКА С ЗАЗОРОМ.

Таблица даёт приблизительную, но, в большинстве своём, приемлемую точность расчёта при величинах длины воздушного зазора 0,2-2 мм.

Для Ш-образных сердечников в качестве внутреннего и внешнего диаметров следует вводить справочную характеристику длины магнитного контура le .

Определив ниже магнитную проницаемость сердечника с зазором, следует ввести это значение в предыдущий калькулятор и заново произвести вычисления магнитной индукции и индуктивности катушки.

Для наглядности приведу два графика петли гистерезиса Ш-образного ферритового сердечника марки N87 без немагнитного воздушного зазора и с зазором около 1 мм. Феррит ETD 59/31/22, достаточно крупный, с средней длиной магнитного контура le = 139 мм.
Механизмы влияния зазора у Ш-образных и тороидальных сердечников абсолютно идентичны.

Эквивалентная магнитная проницаемость сердечника с зазором уменьшилась и составила величину 160 единиц. Соответственно, уменьшился и наклон петли, позволяя сердечнику работать при гораздо больших значениях напряжённости магнитного поля вдали от области магнитной индукции насыщения сердечника.
А учитывая то, что значение напряжённости H прямо пропорционально, протекающему через катушку току, можно с уверенностью сказать, что область безопасных индукций теперь соответствует более чем на порядок большим токам в обмотке.

Линейная область петли гистерезиса также заметно увеличилась, что позволяет увеличить максимальные рабочие значения магнитной индукция в сердечнике вплоть до 0,85-0,9 от значения справочной характеристики Bнас (Bs).

Максимальная индукция сердечника трансформатора

Воспользовавшись приводимой ниже методикой, можно определить магнитные характеристики любой трансформаторной стали Из этой стали собирают «экспериментальный» магнитопровод сечением 5. 10 кв.см (произведение размеров а и b) и наматывают на один из его кернов 50. 100 витков мягкого изолированного провода сечением 1,5. 2,5 кв.мм. Для дальнейших расчетов необходимо найти по формуле

Iср = 2h + 2c + 3,14*a

Вычисляя эти величины по формулам

где U и I — показания вольтметра PV1, В, и амперметра РА1, A; F — частота, Гц, S — площадь сечения «экспериментального» магнитопровода, см2 , W — число витков его обмотки. Из полученного графика находят, как показано на рисунке, индукцию насыщения Bs , максимальную индукцию Bm и максимальную напряженность переменного магнитного поля Hm .

Проектирование силового импульсного трансформатора. (10+)

Задача, которая стоит при проектировании силового импульсного трансформатора, проста. Необходимо получить устройство минимальных размеров, с минимально возможным числом витков обмотки. Но при этом сердечник не должен насыщаться. Эффект насыщения возникает из-за того, что материал сердечника под действием магнитного поля намагничивается. Степень намагничивания может быть разная. Но есть некоторая предельная степень намагничивания, больше которой сердечник намагнититься не может. Достижение этой величины приводит к тому, что дальше индуктивность катушек трансформатора резко падает, а ток через них резко растет. Более того, даже приближение к этой грани полного намагничивания крайне нежелательно, так как при этом характеристики трансформатора ухудшаются, а потери на нагрев растут.

Материал сердечников трансформатора

Нередко считается, что импульсные трансформаторы нужно выполнять на ферритах. Это верно лишь отчасти. Многие импульсные устройства работают на довольно низких частотах. Если частота меньше 3 кГц, то однозначно оправданным выбором будет трансформаторное железо. На частотах 3 — 7 кГц выбор не очевиден. Для частот выше 7 кГц потребуются ферриты. Сейчас появились сердечники из порошкового железа. Они сочетают в себе преимущества феррита и трансформаторного железа и хорошо показывают себя на частотах до 100 кГц. Однако они пока малодоступны.

Вашему вниманию подборки материалов:

Конструирование источников питания и преобразователей напряжения Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Теория проектирования трансформатора

Взглянем на формулы:

[Индукция, Тл] = 1. 2 / [Длина средней магнитной линии сердечника, мм]

Индукция в этих формулах как раз и показывает, насколько будет намагничиваться сердечник. Индукция насыщения трансформаторного железа составляет 1 Тл (Тесла). Для ферритов эта величина равна 0.3 Тл.

Для работы трансформатора обычно выбирается максимально приемлемая индукция меньше, чем индукция насыщения. Для железа берется 0.5 Тл. Для ферритов 0.15 Тл при частотах до 100 кГц, 0.05 — 0.07 для более высоких частот.

[Максимально возможная сила намагничивающего тока, A] = 0.25 * [Амплитудное значение напряжения, В] / [Частота, Гц] / [Индуктивность, Гн]

Коэффициент 0.25 возникает из следующих соображений. Напряжение действует на индуктивность половину периода. Если сигнал симметричный, то ток нарастает не с нуля, а от максимального отрицательного значения до максимального положительного.

Эта формула верна для симметричного меандра. Для других симметричных сигналов сила тока намагничивания будет меньше. Так что можно применять эту формулу с запасом, а можно использовать более точную формулу:

[Максимально возможная сила намагничивающего тока, A] = 0.25 * [Амплитудное значение напряжения, В] * [Обобщенный коэффициент заполнения] / [Частота, Гц] / [Индуктивность, Гн]

Вообще среднее напряжение на трансформаторе должно всегда быть равно 0. Если к обмотке приложено какое-то напряжение, то обмотка обязательно насытится. Но есть схемы, где симметричное напряжение на обмотке формируется источником (мостовая, полумостовая схемы источников питания, отчасти пушпульная), а есть такие, где источник формирует только половину напряжения, а вторая половина образуется самой катушкой при размагничивании. Приемы размагничивания будут описаны в отдельной статье. Подпишитесь на новости, чтобы быть в курсе. Здесь мы напомним только об одном. Сердечники без зазора очень плохо саморазмагничиваются. Они склонны к намагничиванию и сохранению такого состояния. Так что если размагничивание происходит принудительно, то нам подойдут замкнутые сердечники, если же размагничивание должно происходить самопроизвольно, то понадобится зазор.

Если в источнике питания не применяются специальные приемы, обеспечивающие симметричность напряжения на трансформаторе такие как полумост, мост с конденсатором последовательно трансформатору, то зазор тоже необходим. Например, он нередко нужен для пушпульной топологии и моста без конденсатора. В этих случаях может возникать небольшая асимметрия напряжения на трансформаторе за счет неодинаковых параметров силовых ключей. Чтобы ее компенсировать, нужно сделать небольшой зазор в сердечнике и подавать на трансформатор немного модифицированный меандр — с паузами между импульсами длительностью 3 — 5% от длительности импульсов, то есть с коэффициентом заполнения не более 95% — 97%. За это время сердечник будет успевать саморазмагнититься. Способ ограничения максимального коэффициента заполнения.

Надо понимать, что ток намагничивания никак не связан с общим током через первичную обмотку трансформатора. Если трансформатор нагружен, то индукция от тока в первичной обмотке компенсируется индукциями от токов вторичных обмоток и не намагничивает сердечник. Ток намагничивания — ток холостого хода трансформатора.

Стоит отметить, что в типовых схемах источников питания с якобы симметричным напряжением на трансформаторе на самом деле в самом начале работы и при переходных процессах, связанных с изменением входного напряжения или тока нагрузки, напряжение на трансформаторе асимметрично. Так что надо предусматривать некоторый запас по индукции. Если мы выберем рекомендованные выше значения индукции, то в моменты асимметрии сила тока намагничивания, а значит индукция, могут быть вдвое больше желаемых, что не превышает индукцию насыщения. Но на всякий случай, если позволяют габариты, лучше выбрать максимально приемлемую индукцию еще меньше. Это не только предотвратит насыщение, но и снизит потери на нагрев сердечника.

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Здравствуйте. По поводу расчёта числа витков первички в импульсном тр. непонятно конкретно способ нахождения ‘Максимально приемлемая индукция, Тл’, или оно определяется как индуктивность, Гн через реактивное сопротивление? Читать ответ.

Усилитель / Генератор синусоиды на тиристоре (динисторе, тринисторе, с.
Схемы усилителя и генератора синусоидального сигнала на тиристоре в нестандартно.

Как не перепутать плюс и минус? Защита от переполюсовки. Схема.
Схема защиты от неправильной полярности подключения (переполюсовки) зарядных уст.

Интегральный аналог конденсатора большой емкости. Умножитель, имитатор.
Умножитель емкости. Имитатор большого конденсатора на интегральной микросхеме.

Тульский завод трансформаторов

В конечном счете, мощность трансформатора определяется его допустимым
нагревом. Нагрев трансформатора вызван нагревом его магнитопровода
(сердечника) и нагревом проводов обмоток. Нагрев сердечника определяется
свойствами электротехнической стали (так называемыми удельными потерями,
которые зависят от величины электромагнитной индукции) и не зависит от
величины нагрузки, подключенной к трансформатору. Нагрев проводов
обмоток определяется величиной тока, протекающего через обмотки, и
удельного сопротивления материала обмоток (как правило, используются
медные провода, реже — алюминиевые). Мощность нагрева обмоток
пропорциональна квадрату силы тока и омическому (активному)
сопротивлению обмотки. Таким образом, минимальный нагрев трансформатора
будет иметь место в режиме холостого хода, когда нагрев обмоток
минимален — через первичную обмотку протекает только ток холостого хода,
а через вторичную обмотку ток совсем не протекает.

Большинством производителей проектируют трансформаторы таким образом,
чтобы при полной нагрузке перегрев трансформатора (то есть превышение
его температуры над температурой окружающей среды) не превышал 50…70 °.
Если нагрузка трансформатора превысит номинальную, то температура
перегрева превысит расчетную величину. Это приведет к ускоренному
старению материалов трансформатора и к уменьшению срока его службы. При
дальнейшем увеличении температуры перегрева трансформатор выйдет из
строя. Однако температура перегрева может быть снижена применением
принудительного охлаждения трансформатора — например, с помощью
воздушного охлаждения (обдув вентилятором) или водяного охлаждения
(прокачка холодной воды через специальную систему охлаждения,
совмещенную с магнитопроводом или обмотками трансформатора).
Следовательно, применение дополнительного охлаждения позволяет увеличить
мощность, которую трансформатор способен отдать в нагрузку.

Можно также снизить нагрев применением проводов большего сечения. Однако
для их размещения потребуется магнитопровод больших размеров
(габаритов), и в результате получится трансформатор большей габаритной
(номинальной) мощности. Поэтому увеличение номинальной мощности
трансформатора сопряжено с увеличением его размеров (при сохранении
температуры перегрева в допустимых пределах). Следует также заметить,
что увеличение размеров трансформатора приводит к увеличению площади
поверхности теплоотдачи и дает возможность рассеиванию большей тепловой
мощности потерь в окружающую среду.

Нет, не зависит. Мощность, отдаваемая в нагрузку (номинальная
мощность трансформатора) определяется только током и напряжением
нагрузки (или вторичной обмотки, что одно и то же). Поскольку мощность
трансформатора, как было показано выше (в ответе на вопрос 1)
определяется допустимым нагревом обмоток, который, в свою очередь,
пропорционален квадрату тока, для работы трансформатора не имеет
значения, какая доля тока является активной, а какая реактивной. Как
известно, соотношение активной и реактивной составляющей тока (а также
напряжения или мощности) количественно определяется косинусом ФИ
(Cosφ).
При выборе трансформатора имеет значение только полная мощность, которую
потребляет нагрузка и которая измеряется в ВА (вольт-амперы) и не имеет
значения величина
Cosφ.

В режиме холостого хода нагрев трансформатора определяется потерями
мощности в стали магнитопровода. Нагрев провода катушек на холостом ходу
отсутствует, поскольку ток в цепи вторичной обмотки не протекает, а
через первичную обмотку протекает незначительный ток холостого хода,
который практически не нагревает обмотку. В режиме холостого хода
перегрев трансформатора составляет от 5 ° до 15 °, если трансформатор
рассчитан правильно, а напряжение сети соответствует номинальному. Если
же напряжение сети превышает номинальное, то нагрев увеличится,
поскольку увеличатся потери в стали сердечника за счет увеличения
величины индукции. При значительном (более 10…15 %) увеличении питающего
напряжения возникнет насыщение стали магнитопровода. При этом, помимо
резкого увеличения мощности потерь в сердечнике, резко увеличится также
и ток холостого хода, что вызовет существенный нагрев обмоток. При
длительном воздействии повышенного напряжения трансформатор выйдет из
строя из-за перегрева.

Нет, нельзя. Мощность потерь на холостом ходу равна произведению
напряжения и
активной составляющей
тока холостого хода. Ток холостого хода равен векторной сумме активной и
реактивной составляющих, и без применения специальных измерительных
приборов эти токи определить невозможно. Приблизительно можно
руководствоваться следующей информацией: для тороидальных
трансформаторов активная составляющая тока составляет 40…60 % от
величины полного тока холостого хода; для трансформаторов с
магнитопроводом из пластин активная составляющая тока равна 5…20 % от
общего тока холостого хода.

Увеличение числа витков первичной обмотки трансформатора при заданном
магнитопроводе и заданном питающем напряжении приведет к снижению
величины индукции и, следовательно, — к уменьшению величины тока
холостого хода. Однако увеличение числа витков увеличит сопротивление
обмоток трансформатора, что увеличит потери мощности в обмотках.
Поскольку мощность потерь в обмотках нагруженного трансформатора в
несколько раз больше мощности потерь в магнитопроводе, при увеличении
числа витков КПД трансформатора уменьшится.

Иногда для подбора выходного напряжения трансформатора прибегают к
уменьшению или увеличению числа витков первичной обмотки. При этом
следует знать следующее. Уменьшение числа витков приведет к увеличению
величины индукции в стали магнитопровода и может привести к насыщению
магнитопровода, следствием чего может быть перегрев трансформатора и
выход его из строя (см. также ответ на вопрос 3). Увеличение числа
витков приведет к увеличению нагрева трансформатора под нагрузкой,
однако при этом будет повышена устойчивость трансформатора при возможных
повышениях питающего напряжения — трансформатор в этом случае не войдет
в насыщение. Кроме того, увеличение числа витков уменьшает пусковой ток
включения трансформатора. Однако увеличение числа витков приводит к
увеличению массы и стоимости трансформатора.

Известно, что расчетная плотность тока уменьшается с увеличением
габаритной мощности трансформатора. Так для трансформаторов мощностью
5…25 ВА плотность тока может составлять 5…10 А/мм2, а для
трансформаторов мощностью 4…5 кВА она не превышает 1…2 А/мм2. Плотность
тока выбирается из условий обеспечения требуемой температуры перегрева и
зависит от множества факторов: соотношения размеров магнитопровода,
условий охлаждения трансформатора, расчетной величины индукции и др.
Поэтому она может быть определена путем решения сложной системы
уравнений, описывающих работу трансформатора. Величины плотности тока
применительно к трансформаторам на конкретных сердечниках приведены в
книге
Котенева С.В., Евсеева А.Н. «Расчет и оптимизация тороидальных
трансформаторов и дросселей» (М.: Горячая линия — Телеком, 2013).

Можно. Но при этом надо помнить, что при включении в питающую сеть
наименьшего числа витков первичной обмотки (что соответствует
наибольшему напряжению вторичной обмотки) трансформатор не должен
входить в насыщение. Трансформатор должен быть рассчитан так, чтобы при
подключении к питающей сети секции первичной обмотки с наименьшим числом
витков величина индукции не превышала бы номинальную. Тогда при
подключении к сети всей обмотки индукция будет иметь значение меньше
номинального. При этом свойства электротехнической стали будут
использоваться не в полном объеме, а трансформатор будет иметь
избыточность (увеличенное число витков первичной обмотки). Вследствие
этого — увеличенная масса, большая стоимость. К такому способу прибегают
в тех случаях, когда сделать отводы во вторичной обмотке затруднительно
по технологическим соображениям, а также для более точной подгонки
выходного напряжения.

Практически не зависит. Для заданного магнитопровода величина
индукции зависит от числа витков и величины ЭДС (электродвижущей силы),
действующей в обмотке. При работе трансформатора на нагрузку величина
ЭДС несколько уменьшается, поскольку ток первичной обмотки вызывает
падение напряжения на омическом сопротивлении этой обмотки. Величина
этого падения составляет 1…5 %, примерно на такую же величину
уменьшается и индукция в магнитопроводе трансформатора.

Да, может работать. При увеличении частоты, например, в два раза
величина индукции также снижается в два раза. Это следует из формулы
(2.25) названной выше книги. Однако увеличение частоты магнитного потока
приводит к увеличению потерь в стали магнитопровода (это следует из
формулы (2.27) книги). Потери растут пропорционально степени 3/2 частоты
и степени 2 (квадрату) индукции, поэтому при повышении частоты потери в
магнитопроводе будут уменьшаться. Разумеется, все написанное верно при
неизменном питающем напряжении. Часто возникает вопрос о возможности
работы трансформаторов, рассчитанных на 50 Гц в сети с частотой 60 Гц (в
ряде стран в сети именно такая частота). Из сказанного выше следует, что
увеличение частоты сети с 50 Гц до 60 Гц никак не повлияет на
работоспособность трансформатора.

В тех случаях, когда мощности одного трансформатора недостаточно для
питания потребителей, можно прибегнуть к параллельному или
последовательному соединению обмоток трансформаторов. В зависимости от
способа соединения первичной и вторичной обмоток возможны четыре
различных варианта соединения трансформаторов. Варианты соединения
сведены в таблицу.

Способы соединения первичных и вторичных обмоток
Первичные обмотки соединены:	Вторичные обмотки соединены:
Первичные обмотки соединены:	Последовательно	Параллельно
Последовательно	Одинаковость обмоток не требуется	Допустимо. Мощность нагрузки между трансформаторами распределяется пропорционально напряжением вторичных обмоток; если вторичные обмотки одинаковы, то мощности их равны
Параллельно	Допустимо во всех случаях. Мощность нагрузки между трансформаторами распределяется пропорционально напряжениям вторичных обмоток; если вторичные обмотки одинаковы, то мощности их равны	Допустимо при одинаковости первичных и вторичных обмоток

Действительно, иногда возникает ситуация, когда необходимо запитать
однофазных потребителей от стандартной промышленной трехфазной сети.
Задача преобразования трех фаз в одну довольно часто встречается,
например, на различных производствах с мощными однофазными станками. В
частном секторе также часто возникают проблемы невозможности
равномерного распределения бытовых и профессиональных потребителей по
трем фазам питающей сети частного дома.

Казалось бы, можно однофазную нагрузку подключить к любой фазе сети.
Но при этом, если потребитель достаточно мощный, а нагрузка по двум
остальным фазам небольшая, может возникнуть так называемый перекос фаз:
уменьшение напряжения на той фазе, к которой подключена нагрузка, и
увеличение напряжения на двух других фазах. Чтобы этого не происходило,
следует применять специальные трансформаторы, преобразующие трехфазное
напряжение в однофазное. Такие трансформаторы решают проблему перекоса
фаз, а также обеспечивают гальваническую развязку потребителей от
питающей сети.

Последовательное и параллельное соединение дросселей позволяет
увеличить суммарную индуктивность и суммарный рабочий ток. Формулы для
вычисления индуктивности и тока приведены в таблице. В таблице приняты
следующие обозначения:
L₁,
L₂
и
i₁,
i₂
— соответственно номинальные значения индуктивности и тока первого и
второго дросселей;
L
и
I
— суммарные значения индуктивности и тока двух дросселей, соединенных
последовательно или параллельно.

Вид соединения	Формулы для вычисления
Вид соединения	Индуктивности	Тока
последовательное	L = L₁ + L₂	i = i₁ = i₂
параллельное		i = i₁ + i₂

Пропитка трансформаторов и дросселей электротехническим лаком
(Тульский завод трансформаторов использует лак марки МЛ-92) преследует
несколько целей. Во-первых, пленка лака после высыхания обладает очень
высокой электрической прочностью (то есть способностью без
электрического пробоя выдерживать высокое напряжение) — для данного лака
40…65 кВ/мм. Во-вторых, лаковое покрытие обеспечивает определенную
влагозащиту трансформатора от воздействия окружающей среды. В-третьих,
пропитка лаком уменьшает подвижность витков магнитопровода и провода
обмоток и несколько снижает уровень шума трансформатора или дросселя.

На Тульском заводе трансформаторов пропитке подвергаются все дроссели
и трансформаторы мощностью более 0,1 кВА.

Как известно, в нашей стране питающая трехфазная сеть 380/220 В
обязательно заземляется, то есть имеет, как говорят, гальваническую
связь с землей. Поэтому в электрической бытовой розетке два провода
неравнозначны: связанный с землей провод называется нулевым (или
нейтральным) проводом, а второй провод называется фазным проводом. При
касании фазного провода индикаторной отверткой индикатор светится, а при
касании нулевого провода — нет. Если человек прикоснется рукой или
другой частью тела к фазному проводу, через его тело будет протекать
переменный ток. Величина этого тока будет зависеть от сопротивления тела
человека и переходного сопротивления между телом и землей. Уменьшению
переходного сопротивления способствует влажность обуви, пола, одежды.
Человек начинает чувствовать ток величиной от 0,1…0,3 мА, а ток более
100 мА считается смертельным.

Применение разделительного трансформатора позволяет значительно
снизить риск поражения электрическим током, поскольку вторичная обмотка
такого трансформатора не имеет гальванической связи с землей. Применение
разделительного трансформатора необходимо также для обеспечения
нормальной работы некоторых типов газовых котлов.

Иногда в наличии оказывается трансформатор, рассчитанный на более высокое напряжение, чем напряжение питающей сети. Например, трансформатор рассчитан на напряжение 380 В, а его требуется подключить к сети 220 В, при этом напряжение вторичной обмотки оказывается достаточным для питания нагрузки. В таком случае следует иметь в виду, что трансформатор не сможет отдать в нагрузку номинальную мощность. Это связано с тем, что мощность равна произведению напряжения и тока; при уменьшении напряжения для сохранения мощности неизменной следует увеличить ток. Однако при увеличении тока через обмотки трансформатора будет увеличиваться нагрев обмоток, поскольку мощность потерь в обмотках будет возрастать пропорционально квадрату силы тока. Следовательно, при питании трансформатора пониженным напряжением необходимо так рассчитать режим работы, чтобы токи в обмотках не превышали номинальных величин. При этом мощность нагрузки снизится, то есть трансформатор не сможет отдать номинальную мощность.

Два наиболее распространённых примера питания нагрузки током несинусоидальной формы: регулирование мощности в нагрузке с помощью тиристорного регулятора с фазоимпульсным управлением и зарядное устройство для автомобильного аккумулятора. В первом случае форма напряжения представляет собой резаную вертикальной линией синусоиду, поскольку тиристор открывается с задержкой относительно нуля напряжения. Во втором случае форма тока представляет собой набор узких импульсов, поскольку ток заряда течёт только в те моменты времени, когда мгновенное значение напряжения на выходе зарядного устройства превышает напряжение заряжаемого аккумулятора.

При питании трансформатора напряжением, форма которого отличается от синусоидального, в общем случае нагрев трансформатора увеличится. Во-первых, увеличатся потери в стали магнитопровода. Это связано с тем, что в спектре несинусоидального напряжения имеются гармонические составляющие частот, кратных частоте основной гармоники 50 Гц. Как было показано в ответе на вопрос 10, увеличение частоты магнитного потока приводит к росту потерь в стали.

Во-вторых, возрастут потери в проводах обмоток при том же среднем значении тока, что и для сигнала синусоидальной формы. Количественно это характеризуется коэффициентом формы напряжения или тока. Попросту говоря, ток синусоидальной формы способен перенести большее количество энергии, чем ток такой же величины, но несинусоидальной формы. Это следует учитывать при выборе номинальной мощности трансформатора.

Удельное сопротивление алюминия в полтора раза больше, чем удельное сопротивление меди. Поэтому, для сохранения температуры перегрева трансформатора неизменной, сечение алюминиевого провода должно быть в полтора раза больше, чем сечение медного провода. Для укладки алюминиевого провода в общем случае необходим магнитопровод большего размера, чем для размещения медного провода. Следует также учитывать, что плотность (удельная масса) алюминия в три раза меньше аналогичного параметра меди; обмотки из алюминиевого провода при прочих равных условиях будут иметь массу примерно вдвое меньшую, чем обмотки из медного провода. Однако необходимость применения магнитопровода большего размера может привести к увеличению массы трансформатора. Кроме того, паять алюминий гораздо сложнее, чем медь, необходимо применять специальные флюсы и припои. В то же время трансформатор с обмотками из алюминиевого провода будет несколько дешевле, нежели его аналог с медными проводами.

Исходя из возможностей намоточного оборудования, разные производители для трансформаторов одной и той же мощности могут применять магнитопроводы с разным соотношением высоты к диаметру. Это первая причина различия в размерах трансформаторов одинаковой номинальной мощности. Другая причина — разные производители могут задавать разные температуры перегрева трансформатора. Выше, в ответе на вопрос 1, было показано, что увеличение температуры перегрева трансформатора приводит к снижению его размеров и массы. Поэтому, если имеются два трансформатора одинаковой номинальной мощности, но разных размеров, можно с уверенностью утверждать: меньший трансформатор будет сильнее нагреваться во время работы.

Если не рассматривать заведомо неверно рассчитанный и неправильно изготовленный трансформатор, то есть две главные группы причин выхода из строя трансформаторов: 1) неосторожное обращение при транспортировке и монтаже и 2) неправильная эксплуатация трансформатора. Трансформаторы боятся ударов, поскольку при ударе деформируются провода обмоток, а эмалевая изоляция повреждается; это может вызвать замыкание соседних витков обмоток, что приводит к локальным коротким замыканиям и резкому повышению температуры в местах таких замыканий. При этом величина выходного напряжения трансформатора будет отличаться от своего номинального значения. При монтаже трансформаторов следует помнить, что вся поверхность тороидального трансформатора образована витками проводов обмоток, и производить затяжку крепежных элементов (чашек) следует крайне осторожно. На Тульском заводе трансформаторов для трансформаторов мощностью 1,6 кВА и выше (а по желанию заказчика — и на меньшую мощность) применяются методы крепления, полностью исключающие механическое воздействие на витки обмоток.

При эксплуатации трансформаторов мощность подключённой нагрузки не должна превышать номинальную мощность трансформатора. Температура окружающей среды должна быть такой, чтобы температура трансформатора не превысила 120 °С (предельная температура нагрева эмальпровода). Чем меньше температура, тем медленнее происходит старение проводов обмоток. Одной из наиболее частых причин выхода из строя трансформаторов является их длительный перегрев по причине короткого замыкания в цепи нагрузки или подключения нагрузки с мощностью, превышающей номинальную мощность трансформатора. При таком перегреве происходит осыпание эмалевой изоляции проводов обмоток, что приводит к замыканию витков, ещё большему нагреву и, в конечном итоге, к расплавлению провода обмотки. Предохранитель в таких случаях срабатывает не всегда, поскольку перегрев может происходить при незначительном, но длительном превышении номинального тока.

Нет, нельзя. В основе работы трансформатора лежит закон электромагнитной индукции, который предусматривает изменение магнитного потока по величине и направлению. Это можно обеспечить подачей только переменного напряжения на первичную обмотку трансформатора. Напряжение автомобильного аккумулятора (равно как и любого другого химического источника электроэнергии) является постоянным (по величине и направлению). Для преобразования постоянного напряжения в переменное, пригодное для подачи на трансформатор, следует применять специальные коммутаторы на механических или электронных элементах. Устройство, включающее в себя коммутатор и трансформатор и предназначенное для преобразования постоянного напряжения в переменное, называется инвертором.

Такой вопрос иногда возникает, и он не так банален, как может показаться на первый взгляд. Возникает он обычно потому, что первичная обмотка трансформатора напоминает обмотку дросселя. Можно ли обмотку трансформатора использовать в качестве дросселя?

Вначале — о различиях. Главная функция трансформатора — изменять величину напряжения, подводимого к первичной обмотке. Главная функция дросселя — обеспечивать определённую (и постоянную) величину индуктивности в диапазоне токов от нуля до некоторого номинального значения. Невозможность дросселя выполнить функцию трансформатора обусловлена отсутствием в дросселе вторичной обмотки. В то же время, первичная обмотка трансформатора в некоторых условиях может выполнять функцию дросселя, но индуктивность такого «дросселя» будет существенно зависеть от величины протекающего тока. Чтобы исключить такую нежелательную зависимость, дроссели на сердечниках из трансформаторной стали обязательно имеют немагнитный зазор, который уменьшает относительную магнитную проницаемость, но позволяет обеспечить неизменность величины индуктивности во всём диапазоне рабочих токов дросселя. Кстати, существуют устройства, имеющие свойства и трансформаторов, и дросселей. Их называют трансреакторами. Реактор — одно из названий дросселя. Трансреакторы выполняются на магнитопроводах с немагнитным зазором и имеют первичную и вторичную обмотки. Подробно о трансреакторах написано в разделе «Информация».

Магнитный поток в трансформаторах

Сухие, тороидальные и масляные трансформаторы работают по принципу магнитной индукции, которая позволяет им преобразовывать ток одной величины в другую.

Принцип формирования магнитного потока

Магнитная индукция непосредственно связана с формированием магнитного потока на первичной обмотке трансформатора. Рассмотрим этот процесс подробнее.

После подключения первичной обмотки к источнику переменного тока, по ней начинает протекать электрический ток, который создает магнитное поле. Обмотка обычно представляет собой медную проволоку, с помощью которой обматывается магнитный сердечник. Образующиеся магнитные линии пронзают витки не только первичной, но и вторичной обмоток.

Часть из них замыкается в немагнитной среде, формируя рассеивающий поток на первичной обмотке. Рассеивающий поток пронизывает исключительно первичную обмотку, поэтому не используются для трансформации электроэнергии.

Когда вторичная обмотка подключается к приемнику питания, то по ней начинает протекать иной ток, формирующий собственное магнитное поле. Магнитный поток пронзает обе обмотки. Часть магнитных линий также замыкается в немагнитной среде, формируя рассеивающий поток вторичной обмотки, который сцеплен только с ее витками.

Потоки рассеяния

Потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток трансформатора ТМП и других разновидностей в сравнении с основным магнитным потоком значительно ниже, поскольку замыкаются через изоляцию и сталкиваются с высоким сопротивлением. Основной поток замыкается в стальном сердечнике и поэтому встречает на пути низкое сопротивление.

Величина рассеивающих потоков на обеих обмотках приблизительно равная. Оба потока сдвигаются по фазе на угол, равный 180°.

Если рассматривать активную нагрузку, то:

Рассеивающие потоки обмоток будут представлять по форме синусоиды с одинаковыми амплитудами, но расположенные в противофазе.

Той же синусоидой изображается основной магнитный поток, который относительно синусоид рассеивающего потока сдвигается на четверть периода.

Амплитуда основного потока существенно выше рассеивающих.

ПЕРВЫЙ ТРАНСФОРМАТОР. Фарадей. Электромагнитная индукция [Наука высокого напряжения]

ПЕРВЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

В августе 1831 года Фарадею пришло в голову расположить две обмотки на противоположных сторонах железного кольца, что представляло собой примитивный вариант трансформатора. Изобретение напоминало две половины железной баранки, стороны которой были обмотаны длинным куском проволоки. Половины ученый расположил друг напротив друга. Фарадей пропустил ток по проводу одного полукольца 29 августа 1831 года.

Чтобы углубиться в технические детали данного варианта трансформатора, использованного для получения электромагнитной индукции, можно изучить «Дневник» Фарадея, опубликованный Королевским институтом в 1932 году. В нем сказано, что было использовано кольцо из мягкого металла с внешним диаметром, равным шести дюймам, с обмотками из проволоки, спирали которой были разделены индийским хлопком. Затем Фарадей зарядил батарею из десяти пар пластин по четыре квадратных дюйма.

Ученый догадывался, что это произведет завихрения на первом полукольце, что-то вроде магнитной бури. А если на втором полукольце возникнет электрический ток, будет подтверждено, что магнетизм может создавать электричество. Использование стрежня из мягкого металла должно было усилить магнитное поле первого полукольца. Этот эксперимент был не очень сложным, и Фарадей решил, что другие ученые не обнаруживали описанного явления, потому что величина электрического тока была слишком маленькой, практически незаметной. По этой причине он разместил на проволоке второго полукольца чувствительное устройство для измерения тока, способное отмечать даже небольшие колебания, — гальванометр, основанный на движущей силе электричества, описанной Фарадеем в 1821 году.

Наконец, ученый пропустил электрический ток через проволоку первого полукольца, подключив ее к батарейке, и увидел, как стрелка гальванометра, измерявшего ток на втором полукольце, дрогнула. Фарадей испытал такую же надежду, как в юности, когда он мечтал найти следы Создателя в мире и решил глубже проникнуть в тайну электричества, заставлявшего шевелиться мертвых лягушек. Увиденное ошеломило ученого, и за эти несколько секунд он осознал масштаб своего открытия и то, как оно может изменить мир.

Фарадей, как всегда, очень скрупулезно подошел к своему открытию, он всю ночь подключал и отключал ток на металлическом кольце, чтобы удостовериться в постоянстве результатов. Он понял, что измерительное устройство улавливало электрический ток, когда интенсивность тока, проходящего по первому полукольцу, увеличивалась или уменьшалась, в момент когда контур замыкался или размыкался. И напротив, если ток был постоянным, ничего не происходило, и это объясняло, почему никто раньше не заметил данное явление: колебание стрелки было мгновенным и прекращалось при стабилизации электрического тока.

Фарадей открыл явление, связывавшее механическое движение и магнетизм с появлением электрического тока, — электромагнитную индукцию. Это явление было обратно тому, которое открыл Эрстед.

Тогда уже было известно, что статическое электричество обладает силой индукции, то есть электрически заряженное тело может передать заряд другому телу при приближении, заряд индуцируется от первого тела ко второму. Однако никто еще не смог доказать, что электрический ток ведет себя аналогично, то есть индуцирует электричество на ближайший контур. Фарадей смог доказать эту теорию, но совершенно неожиданным образом: индукция проявлялась не только при течении индукционного тока, но и при его изменении.

За несколько дней до своего 40-летия Фарадей отправил записку одному из своих лучших друзей, Ричарду Филлипсу:

«23 сентября 1831

Дорогой Филлипс,

[…] я сильно занят, снова работаю над электромагнетизмом, думаю, что у меня получилось нечто замечательное, но не могу еще утверждать это. Очень может быть, что после всех моих трудов я в конце концов вытащу водоросли вместо рыбы […]»

Благодаря систематическим экспериментам Фарадей рассмотрел все виды индукции. Он доказал, что существует несколько способов индуцировать ток на провод: подключая и отключая ток на соседнем кабеле; приближая и удаляя проволоку, по которой проходит стационарный ток; приближая и удаляя магнит и кабель; вращая магнит рядом с кабелем или кабель рядом с магнитом и так далее (см. схему).

Если магнит вводить в витки свернутого кабеля и вынимать из них, эффект тем сильнее, чем более мощный магнит, чем больше зона, ограниченная кабелем, чем быстрее вводится и вынимается магнит. В случае если ток индуцируется с одного кабеля на другой, эффект усиливается при более сильном индуцирующем токе и при большей скорости его изменения.

Все явления электромагнитной индукции резюмированы Фарадеем в простом законе, связывающем индукционный ток с силовыми магнитными линиями вокруг кабеля. Закон Фарадея гласит, что величина индуцированной на кабель электродвижущей силы, или способности заряда к движению, тем больше, чем больше изменение магнитного потока, проходящего через контур, то есть количество линий поля, проходящих через кабель. Иными словами, создание электрического тока — динамический процесс, требующий изменения интенсивности тока или положения магнита.

Шел октябрь 1831 года, то есть прошло всего несколько месяцев, как Фарадей решил направить все свои силы на понимание электромагнетизма.

^{Разные формы электромагнитной индукции.}

^{В трех представленных случаях проволока замыкается на гальванометр: a) если мы приближаем магнит к кабелю и удаляем от него, в кабеле появляется ток; b) если к кабелю подключается или отключается ток, он индуцируется на соседний кабель; с) если магнит вращать вокруг кабеля, в нем появляется ток.}

Азия

Сообщение о COVID-19.

Hammond Power Solutions
Надежные трансформаторы для коммунальных нужд
Обеспечение надежных и эффективных трансформаторов сухого типа и маслонаполненных трансформаторов для коммунального рынка.
Hammond Power Solutions
Приверженность качеству и постоянному совершенствованию
HPS работает в соответствии с Системой управления качеством на основе ISO 9001.
Hammond Power Solutions
Трансформаторы для требовательных приводов
Обеспечение качественных трансформаторов, когда производительность и надежность жизненно важны.

Каталоги и литература по HPS

Наши брошюры по продукции HPS позволяют вам сконфигурировать и указать продукт, который вам нужен.

Возобновляемая энергия
Инфраструктура
Промышленное
Орошение
Привод и автоматизация
Распределение энергии

Возобновляемая энергия

HPS производит трансформаторы на заказ для альтернативных энергетических систем, таких как энергия ветра и когенерация. ..

Инфраструктура

HPS поставляет как сухие, так и маслонаполненные трансформаторы крупным инфраструктурным организациям на всей территории …

Промышленное

HPS — один из ведущих поставщиков трансформаторов для преобразователей, дуговых печей и индукционных печей …

Орошение

Государственная политика уделяет большое внимание ирригационному сектору.HPS имеет …

Привод и автоматизация

HPS умеет создавать технические решения в соответствии с требованиями заказчика. У нас более 20 лет …

Распределение энергии

Масляные и сухие трансформаторы часто используются для распределения электроэнергии. Они предоставляют необходимые …

Воспользуйтесь множеством инструментов, которые помогут вам с вашими техническими вопросами: обслуживание клиентов, ответы на часто задаваемые вопросы, руководство по поиску и устранению неисправностей, руководства по установке, инструкции и веб-семинары.

HPS — крупнейший производитель сухих трансформаторов в Северной Америке. Мы разрабатываем и производим широкий спектр стандартных и нестандартных трансформаторов, которые экспортируются по всему миру в составе электрического оборудования и систем.

Файлы cookie помогают нам улучшить работу вашего веб-сайта.Используя наш веб-сайт, вы соглашаетесь на использование файлов cookie.

Взаимная индуктивность и основные операции | Трансформеры

Поведение индукторов, обернутых вокруг проводящего сердечника

Предположим, мы должны были намотать катушку изолированного провода вокруг петли из ферромагнитного материала и запитать эту катушку источником переменного напряжения: (Рисунок ниже (а))

Изолированная обмотка ферромагнитного контура имеет индуктивное сопротивление, ограничивающее переменный ток

В качестве индуктора мы ожидаем, что эта катушка с железным сердечником будет противодействовать приложенному напряжению своим индуктивным реактивным сопротивлением, ограничивая ток через катушку, как предсказывается уравнениями:

X _L = 2πfL и I = E / X (или I = E / Z)

Однако для целей этого примера нам необходимо более подробно рассмотреть взаимодействие напряжения, тока и магнитного потока в устройстве.

Закон Кирхгофа по напряжению описывает, как алгебраическая сумма всех напряжений в контуре должна быть равна нулю. В этом примере мы могли бы применить этот фундаментальный закон электричества для описания соответствующих напряжений источника и катушки индуктивности.

Здесь, как и в любой схеме с одним источником и одной нагрузкой, падение напряжения на нагрузке должно равняться напряжению, подаваемому источником, при условии, что нулевое напряжение падает вместе с сопротивлением любых соединительных проводов.

Другими словами, нагрузка (катушка индуктивности) должна создавать противодействующее напряжение, равное по величине источнику, чтобы оно могло уравновешиваться с напряжением источника и производить нулевую сумму напряжений алгебраического контура.

Откуда возникает это противодействующее напряжение? Если бы нагрузкой был резистор (рисунок выше (b)), падение напряжения происходит из-за потери электрической энергии, «трения» носителей заряда, протекающих через сопротивление.

При идеальной катушке индуктивности (без сопротивления в проводе катушки) противодействующее напряжение исходит от другого механизма: реакции на изменение магнитного потока в железном сердечнике. При изменении переменного тока изменяется магнитный поток Φ. Изменение магнитного потока вызывает противо-ЭДС.

Взаимосвязь между напряжением, током и магнитным потоком

Майкл Фарадей обнаружил математическую связь между магнитным потоком (Φ) и наведенным напряжением с помощью этого уравнения:

Мгновенное напряжение (падение напряжения в любой момент времени) на проволочной катушке равно количеству витков этой катушки вокруг сердечника (N), умноженному на мгновенную скорость изменения магнитного потока (dΦ / dt) соединение с катушкой.

На графике (рисунок ниже) это показано как набор синусоидальных волн (при условии, что источник синусоидального напряжения), волна потока на 90 ° отстает от волны напряжения:

Магнитный поток, как и ток, отстает от приложенного напряжения на 90 °

Вот почему переменный ток через катушку индуктивности отстает от формы волны приложенного напряжения на 90 °: потому что это то, что требуется для создания изменяющегося магнитного потока, скорость изменения которого создает противоположное напряжение, синфазное с приложенным напряжением.

Из-за своей функции обеспечения силы намагничивания (ммс) для сердечника этот ток иногда называют током намагничивания .

Следует отметить, что ток через индуктор с железным сердечником не является идеально синусоидальным (синусоидальным) из-за нелинейной кривой намагничивания B / H железа.

На самом деле, если катушка индуктивности изготовлена дешево с использованием как можно меньшего количества железа, плотность магнитного потока может достичь высоких уровней (приближаясь к насыщению), в результате чего форма волны тока намагничивания выглядит примерно так, как на рисунке ниже:

Когда плотность потока приближается к насыщению, форма волны тока намагничивания искажается

Когда ферромагнитный материал приближается к насыщению магнитного потока, требуются непропорционально большие уровни силы магнитного поля (ммс), чтобы обеспечить равное увеличение потока магнитного поля (Φ).

Поскольку mmf пропорционален току через намагничивающую катушку (mmf = NI, где «N» — количество витков провода в катушке, а «I» — ток через нее), требуется значительное увеличение mmf для питания необходимое увеличение магнитного потока приводит к значительному увеличению тока катушки.

Таким образом, ток катушки резко увеличивается на пиках, чтобы поддерживать форму волны потока, которая не искажается, с учетом колоколообразных полупериодов формы волны тока на приведенном выше графике.

Возбуждающий ток и его эффекты

Ситуация дополнительно осложняется потерями энергии в железном сердечнике. Эффекты гистерезиса и вихревых токов способствуют дальнейшему искажению и усложнению формы волны тока, делая ее еще менее синусоидальной и изменяя ее фазу так, чтобы она отставала чуть менее чем на 90 ° от формы волны приложенного напряжения.

Этот ток катушки является результатом суммы всех магнитных эффектов в сердечнике (намагниченность dΦ / dt плюс гистерезисные потери, потери на вихревые токи и т. Д.) называется возбуждающим током .

Искажение тока возбуждения индуктора с железным сердечником можно свести к минимуму, если он спроектирован и работает при очень низких плотностях магнитного потока. Вообще говоря, для этого требуется сердечник с большой площадью поперечного сечения, что делает индуктор громоздким и дорогим.

Однако для простоты предположим, что сердечник в нашем примере далек от насыщения и не имеет всех потерь, что приводит к идеально синусоидальному току возбуждения.

Как мы уже видели в главе, посвященной индукторам, если форма волны тока на 90 ° не совпадает по фазе с формой волны напряжения, это создает условия, при которых мощность попеременно поглощается и возвращается в цепь индуктором.

Если катушка индуктивности идеальна (без сопротивления провода, без потерь в магнитном сердечнике и т. Д.), Она будет рассеивать нулевую мощность.

Давайте теперь рассмотрим то же устройство индуктивности, только на этот раз со второй катушкой (рисунок ниже), намотанной вокруг того же железного сердечника.Первая обмотка будет обозначена как первичная обмотка , а вторая — как вторичная обмотка :

Ферромагнитный сердечник с первичной обмоткой (управляемый переменным током) и вторичной обмоткой.

Взаимная индукция

Если эта вторичная обмотка испытывает такое же изменение магнитного потока, что и первичная (что должно быть при условии идеального удержания магнитного потока через общий сердечник), и имеет такое же количество витков вокруг сердечника, напряжение и фаза равны. приложенному напряжению будет индуцироваться по всей его длине.

На следующем графике (рисунок ниже) форма волны индуцированного напряжения нарисована немного меньше, чем форма волны напряжения источника, просто для того, чтобы отличить одно от другого:

Вторичная обмотка с разомкнутой цепью воспринимает тот же поток Φ, что и первичная обмотка. Следовательно, наведенное вторичное напряжение e _s имеет ту же величину и фазу, что и первичное напряжение e _p.

Этот эффект называется взаимной индуктивностью : индукция напряжения в одной катушке в ответ на изменение тока в другой катушке.Как и обычная (само) индуктивность, она измеряется в единицах генри, но в отличие от нормальной индуктивности, она обозначается заглавной буквой «M», а не буквой «L»:

Во вторичной обмотке не будет тока, поскольку она разомкнута. Однако, если мы подключим к нему нагрузочный резистор, переменный ток будет проходить через катушку синфазно с индуцированным напряжением (потому что напряжение на резисторе и ток через него всегда синфазны друг с другом) . (Рисунок ниже)

Резистивная нагрузка на вторичной обмотке имеет синфазное напряжение и ток.

Сначала можно было ожидать, что этот ток вторичной обмотки вызовет дополнительный магнитный поток в сердечнике. На самом деле это не так. Если бы в сердечнике был индуцирован больший магнитный поток, это привело бы к увеличению напряжения в первичной катушке (помните, что e = dΦ / dt).

Этого не может произойти, потому что индуцированное напряжение первичной катушки должно оставаться на том же уровне и фазе, чтобы уравновеситься с приложенным напряжением, в соответствии с законом Кирхгофа для напряжения.Следовательно, на магнитный поток в сердечнике не может влиять ток вторичной обмотки.

Однако то, что изменяет , — это количество ммс в магнитной цепи.

Магнитодвижущая сила

Магнитодвижущая сила создается каждый раз, когда по проводам течет ток. Обычно это mmf сопровождается магнитным потоком в соответствии с уравнением mmf = ΦR «закона магнитного Ома».

В этом случае, однако, дополнительный магнитный поток не разрешен, поэтому единственный способ существования mmf вторичной катушки — это если противодействующий mmf генерируется первичной обмоткой равной величины и с противоположной фазой.

Действительно, вот что происходит: в первичной обмотке формируется переменный ток — 180 ° не совпадающий по фазе с током вторичной обмотки — для создания этого противодействующего МДС и предотвращения дополнительного магнитного потока в сердечнике.

Знаки полярности и стрелки направления тока были добавлены на иллюстрацию для пояснения фазовых соотношений: (Рисунок ниже)

Поток остается постоянным при приложении нагрузки. Тем не менее, противодействие МДС создается нагруженной вторичной обмоткой.

Не беспокойтесь, если этот процесс вас немного сбивает с толку. Трансформаторная динамика — сложный предмет. Важно понимать следующее: когда напряжение переменного тока подается на первичную катушку, оно создает магнитный поток в сердечнике, который индуцирует переменное напряжение во вторичной катушке синфазно с напряжением источника.

Любой ток, протекающий через вторичную катушку для питания нагрузки, индуцирует соответствующий ток в первичной катушке, потребляя ток от источника.

Взаимная индуктивность и трансформаторы

Обратите внимание, как первичная катушка ведет себя как нагрузка по отношению к источнику переменного напряжения, и как вторичная катушка ведет себя как источник по отношению к резистору.

Вместо того, чтобы энергия просто попеременно поглощалась и возвращалась в цепь первичной обмотки, теперь энергия передается вторичной обмотке, где она доставляется к рассеивающей (потребляющей энергию) нагрузке. Насколько «известно» источнику, он напрямую питает резистор.

Конечно, есть также дополнительный ток первичной обмотки, отстающий от приложенного напряжения на 90 °, которого достаточно для намагничивания сердечника и создания необходимого напряжения для балансировки относительно источника (ток возбуждения , ).

Мы называем этот тип устройства трансформатором , потому что он преобразует электрическую энергию в магнитную, а затем снова в электрическую. Поскольку его работа зависит от электромагнитной индукции между двумя неподвижными катушками и магнитного потока изменяющейся величины и «полярности», трансформаторы обязательно являются устройствами переменного тока.

Его схематический символ выглядит как две катушки индуктивности с одним и тем же магнитным сердечником: (рисунок ниже)

Условное обозначение трансформатора состоит из двух символов индуктивности, разделенных линиями, обозначающими ферромагнитный сердечник.

Две катушки индуктивности легко различить по вышеуказанному символу. Пара вертикальных линий представляет собой стальной сердечник, общий для обоих индукторов. В то время как многие трансформаторы имеют ферромагнитный материал сердечника, некоторые из них этого не делают, так как составляющие их индукторы магнитно связаны друг с другом через воздух.

На следующей фотографии показан силовой трансформатор того типа, который используется в газоразрядном освещении. Здесь отчетливо видны две катушки индуктивности, намотанные на железный сердечник. В то время как большинство конструкций трансформаторов заключают катушки и сердечник в металлический каркас для защиты, этот конкретный трансформатор открыт для просмотра и поэтому хорошо служит своей иллюстративной цели (рисунок ниже):

Пример трансформатора газоразрядного освещения.

Первичная и вторичная обмотки

Здесь видны обе катушки провода с изоляцией из медного лака.Верхняя обмотка больше нижней обмотки и имеет большее количество витков вокруг сердечника. В трансформаторах катушки индуктивности часто называют обмотками , , в связи с производственным процессом, при котором провод наматывается на материал сердечника .

Как было смоделировано в нашем начальном примере, активная катушка индуктивности трансформатора называется первичной обмоткой , а катушка без питания называется вторичной обмоткой .

На следующей фотографии (рисунок ниже) трансформатор показан разрезанным пополам, обнажая поперечное сечение железного сердечника, а также обеих обмоток.Как и в показанном ранее трансформаторе, в этом устройстве также используются первичная и вторичная обмотки с разным числом витков.

Калибр провода также может различаться между первичной и вторичной обмотками. Причина такого несоответствия в калибрах проволоки будет разъяснена в следующем разделе этой главы.

Кроме того, на этой фотографии видно, что железный сердечник состоит из множества тонких листов (пластин), а не из цельного куска. Причина этого также будет объяснена в следующем разделе этой главы.

На разрезе трансформатора показаны сердечник и обмотки.

Простое действие преобразователя с использованием SPICE

Легко продемонстрировать простую работу трансформатора с помощью SPICE, настроив первичную и вторичную обмотки моделируемого трансформатора как пару «взаимных» индукторов (рисунок ниже).

Коэффициент связи магнитного поля указан в конце строки «k» в описании схемы SPICE, этот пример установлен почти идеально (1.000). Этот коэффициент описывает, насколько близко «связаны» две катушки индуктивности с магнитным полем. Чем лучше эти две катушки индуктивности связаны магнитным полем, тем эффективнее должна быть передача энергии между ними.

Специальная схема для спаренных индукторов.

трансформатор
v1 1 0 ac 10 грех
rbogus1 1 2 1e-12
rbogus2 5 0 9e12
l1 2 0100
l2 3 5 100
** Эта строка сообщает SPICE, что два индуктора
** l1 и l2 магнитно «связаны» вместе
К l1 l2 0.999
vi1 3 4 ac 0
rload 4 5 1k
.ac lin 1 60 60
.print ac v (2,0) i (v1)
.print ac v (3,5) i (vi1)
.конец

Примечание. Поддельные резисторы R необходимы для удовлетворения определенных особенностей SPICE. Первый разрывает в противном случае непрерывный контур между источником напряжения и L ₁, что не было бы разрешено SPICE. Второй обеспечивает путь к земле (узел 0) от вторичной цепи, что необходимо, поскольку SPICE не может работать с любыми незаземленными цепями.

частота v (2) i (v1)
6.000E + 01 1.000E + 01 9.975E-03 Первичная обмотка
 
частота v (3,5) i (vi1)
6.000E + 01 9.962E + 00 9.962E-03 Вторичная обмотка

Обратите внимание, что при одинаковых индуктивностях для обеих обмоток (100 генри каждая), напряжения и токи переменного тока для них почти равны. Разница между первичным и вторичным токами — это ток намагничивания, о котором говорилось ранее: ток с запаздыванием на 90 °, необходимый для намагничивания сердечника.

Как видно здесь, он обычно очень мал по сравнению с первичным током, индуцированным нагрузкой, поэтому первичный и вторичный токи почти равны. То, что вы здесь видите, довольно типично для КПД трансформатора.

Эффективность менее 95% считается плохой для современных силовых трансформаторов, и такая передача мощности происходит без движущихся частей или других компонентов, подверженных износу.

Если мы уменьшим сопротивление нагрузки, чтобы потреблять больше тока с тем же напряжением, мы увидим, что ток через первичную обмотку в ответ увеличивается.

Даже несмотря на то, что источник переменного тока не подключен напрямую к сопротивлению нагрузки (скорее, он электромагнитно «связан»), величина тока, потребляемого от источника, будет почти такой же, как величина тока, потребляемого, если бы нагрузка была напрямую подключена к источнику.

Внимательно посмотрите на следующие два моделирования SPICE, показывающие, что происходит с разными номиналами нагрузочных резисторов:

трансформатор
v1 1 0 ac 10 грех
rbogus1 1 2 1e-12
rbogus2 5 0 9e12
l1 2 0100
l2 3 5 100
К l1 l2 0.999
vi1 3 4 ac 0
** Обратите внимание на значение сопротивления нагрузки 200 Ом.
rload 4 5 200
.ac lin 1 60 60
.print ac v (2,0) i (v1)
.print ac v (3,5) i (vi1)
.конец

частота v (2) i (v1)
6.000E + 01 1.000E + 01 4.679E-02
 
частота v (3,5) i (vi1)
6. 000E + 01 9.348E + 00 4.674E-02

Обратите внимание, как первичный ток близко следует за вторичным током. В нашем первом моделировании оба тока составляли приблизительно 10 мА, но теперь они оба составляют около 47 мА.В этом втором моделировании два тока ближе к равенству, потому что ток намагничивания остается таким же, как и раньше, в то время как ток нагрузки увеличился.

Обратите также внимание на то, как вторичное напряжение несколько снизилось с увеличением нагрузки (с большим током). Давайте попробуем другое моделирование с еще меньшим значением сопротивления нагрузки (15 Ом):

трансформатор
v1 1 0 ac 10 грех
rbogus1 1 2 1e-12
 
rbogus2 5 0 9e12
l1 2 0100
l2 3 5 100
К l1 l2 0.999
vi1 3 4 ac 0
rload 4 5 15
.ac lin 1 60 60
.print ac v (2,0) i (v1)
.print ac v (3,5) i (vi1)
.конец

частота v (2) i (v1)
   
6.000E + 01 1.000E + 01 1.301E-01
 
частота v (3,5) i (vi1)
6.000E + 01 1.950E + 00 1.300E-01

Наш ток нагрузки теперь составляет 0,13 ампера, или 130 мА, что значительно выше, чем в прошлый раз. Первичный ток очень близок к тому же, но обратите внимание, как вторичное напряжение упало намного ниже первичного напряжения (1.95 вольт против 10 вольт на первичной обмотке).

Причина этого — несовершенство конструкции нашего трансформатора: поскольку первичная и вторичная индуктивности не связаны идеально, (коэффициент k = 0,999 вместо 1.000), возникает «паразитная» индуктивность или индуктивность « утечки ». Другими словами, часть магнитного поля не связана с вторичной катушкой и, следовательно, не может передавать ей энергию: (рисунок ниже)

Индуктивность утечки возникает из-за того, что магнитный поток не разрезает обе обмотки.

Следовательно, этот поток «утечки» просто сохраняет и возвращает энергию в цепь источника через самоиндукцию, эффективно действуя как последовательный импеданс как в первичной, так и во вторичной цепи. Напряжение падает на этом последовательном импедансе, что приводит к снижению напряжения нагрузки: напряжение на нагрузке «проседает» по мере увеличения тока нагрузки. (Рисунок ниже)

Эквивалентная схема моделирует индуктивность рассеяния как последовательные индукторы, не зависящие от «идеального трансформатора».

Если мы изменим конструкцию трансформатора, чтобы обеспечить лучшую магнитную связь между первичной и вторичной обмотками, значения напряжения между первичной и вторичной обмотками снова будут намного ближе к равенству:

трансформатор
v1 1 0 ac 10 грех
rbogus1 1 2 1e-12
rbogus2 5 0 9e12
l1 2 0100
l2 3 5 100
** Коэффициент связи = 0,99999 вместо 0,999
к l1 l2 0,99999
vi1 3 4 ac 0
rload 4 5 15
.ac lin 1 60 60
.print ac v (2,0) i (v1)
.напечатать ac v (3,5) i (vi1)
.конец

частота v (2) i (v1)
6.000E + 01 1.000E + 01 6.658E-01

частота v (3,5) i (vi1)
6.000E + 01 9.987E + 00 6.658E-01

Здесь мы видим, что наше вторичное напряжение снова становится равным первичному, а вторичный ток также равен первичному току. К сожалению, построить настоящий трансформатор с такой связкой очень сложно.

Компромиссное решение — спроектировать как первичную, так и вторичную катушки с меньшей индуктивностью. Стратегия заключается в том, что меньшая индуктивность в целом приводит к меньшей индуктивности «утечки», вызывающей проблемы, для любой заданной степени неэффективности магнитной связи.Это приводит к напряжению нагрузки, которое ближе к идеальному при той же (сильноточной, большой) нагрузке и одинаковом коэффициенте связи:

трансформатор
v1 1 0 ac 10 грех
rbogus1 1 2 1e-12
    
rbogus2 5 0 9e12
** индуктивность = 1 генри вместо 100 генри
l1 2 0 1
l2 3 5 1
к l1 l2 0,999
vi1 3 4 ac 0
rload 4 5 15
.ac lin 1 60 60
.print ac v (2,0) i (v1)
.print ac v (3,5) i (vi1)
.конец

частота v (2) i (v1)
6.000E + 01 1.000E + 01 6.664E-01

частота v (3,5) i (vi1)
6.000E + 01 9.977E + 00 6.652E-01

Просто за счет использования первичной и вторичной катушек с меньшей индуктивностью, напряжение нагрузки для этой тяжелой нагрузки (большой ток) было возвращено почти до идеального уровня (9,977 вольт). Здесь можно спросить: «Если меньшая индуктивность — это все, что нужно для достижения почти идеальных характеристик при большой нагрузке, тогда зачем вообще беспокоиться об эффективности связи?

Если невозможно построить трансформатор с идеальной связью, но легко сконструировать катушки с низкой индуктивностью, то почему бы просто не построить все трансформаторы с катушками с низкой индуктивностью и не иметь отличный КПД даже при плохой магнитной связи? »

Ответ на этот вопрос находится в другом моделировании: тот же трансформатор с низкой индуктивностью, но на этот раз с более легкой нагрузкой (меньший ток) 1 кОм вместо 15 Ом:

трансформатор
v1 1 0 ac 10 грех
rbogus1 1 2 1e-12
rbogus2 5 0 9e12
l1 2 0 1
l2 3 5 1
К l1 l2 0.999
vi1 3 4 ac 0
rload 4 5 1k
.ac lin 1 60 60
.print ac v (2,0) i (v1)
.print ac v (3,5) i (vi1)
.конец

частота v (2) i (v1)
 
6.000E + 01 1.000E + 01 2.835E-02

частота v (3,5) i (vi1)
6.000E + 01 9.990E + 00 9.990E-03

При более низкой индуктивности обмотки первичное и вторичное напряжения ближе к равному, а первичный и вторичный токи — нет. В данном конкретном случае первичный ток равен 28.35 мА, в то время как вторичный ток составляет всего 9,990 мА: почти в три раза больше тока в первичной обмотке, чем во вторичной.

Почему это? Чем меньше индуктивность первичной обмотки, тем меньше индуктивное сопротивление и, следовательно, гораздо больший ток намагничивания. Значительная часть тока через первичную обмотку просто намагничивает сердечник, а не передает полезную энергию вторичной обмотке и нагрузке.

Идеальный трансформатор с идентичными первичной и вторичной обмотками будет демонстрировать одинаковое напряжение и ток в обоих наборах обмоток для любых условий нагрузки.В идеальном мире трансформаторы будут передавать электроэнергию от первичной обмотки к вторичной так плавно, как если бы нагрузка была напрямую подключена к первичному источнику питания, а трансформатора там вообще не было.

Однако вы можете видеть, что эта идеальная цель может быть достигнута только при наличии идеальной связи магнитного потока между первичной и вторичной обмотками. Поскольку этого невозможно достичь, трансформаторы должны быть спроектированы для работы в определенных ожидаемых диапазонах напряжений и нагрузок, чтобы работать как можно ближе к идеальным.

На данный момент самое важное, о чем следует помнить, — это основной принцип работы трансформатора: передача мощности от первичной цепи ко вторичной через электромагнитную связь.

ОБЗОР:

Взаимная индуктивность — это когда магнитный поток двух или более катушек индуктивности «связан» так, что в одной катушке индуцируется напряжение, пропорциональное скорости изменения тока в другой.
Трансформатор — это устройство, состоящее из двух или более катушек индуктивности, одна из которых питается от переменного тока, индуцируя переменное напряжение на второй катушке индуктивности.Если вторая катушка индуктивности подключена к нагрузке, мощность будет электромагнитно передаваться от источника питания первой катушки индуктивности к этой нагрузке.
Активный индуктор в трансформаторе называется первичной обмоткой . Индуктор без питания в трансформаторе называется вторичной обмоткой .
Магнитный поток в сердечнике (Φ) отстает на 90 ° от формы волны напряжения источника. Ток, потребляемый первичной обмоткой от источника для создания этого потока, называется током намагничивания , и он также отстает от напряжения питания на 90 °.
Полный первичный ток в ненагруженном трансформаторе называется возбуждающим током и состоит из тока намагничивания плюс любой дополнительный ток, необходимый для преодоления потерь в сердечнике. Он никогда не бывает идеально синусоидальным в реальном трансформаторе, но может быть сделан еще более синусоидальным, если трансформатор спроектирован и эксплуатируется таким образом, чтобы плотность магнитного потока была минимальной.
Поток сердечника индуцирует напряжение в любой катушке, намотанной вокруг сердечника. Индуцированное напряжение (я) идеально синфазны с напряжением первичной обмотки источника и имеют одинаковую форму волны.
Любой ток, протекающий через вторичную обмотку нагрузкой, будет «отражаться» в первичную обмотку и сниматься с источника напряжения, как если бы источник напрямую питал аналогичную нагрузку.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Взаимно- и самоиндукционные трансформаторы

Взаимоиндукция и самоиндукция, трансформаторы

Изменяющееся магнитное поле, создаваемое одной цепью (первичная обмотка )
может вызвать изменение напряжения и / или тока во второй цепи
( вторичный ).

Взаимная индуктивность , M, двух цепей описывает размер
напряжения во вторичной обмотке, вызванного изменениями тока
первичной:
изменение в I (первичный) V (вторичный) = - M * ---------------------- изменение во времени

Единицы измерения взаимной индуктивности: генри , сокращенно «H».
Цепь может создавать изменяющийся магнитный поток через себя,
который может вызвать в себе противоположное напряжение.Размер этого
противодействующее напряжение
изменение в я V (противоположный) = - L * ------------- изменение во времени
где L — это самоиндуктивность цепи,
снова измеряется в генриах.
Трансформаторы — это устройства, использующие взаимную индукцию.
для изменения напряжения и тока цепи переменного тока.
Трансформатор с первичной обмоткой Np витков и вторичной обмоткой
катушка нс витка будет иметь соотношения напряжения и тока
Против Ns Ip ---- = ---- = ---- Vp Np Is

Жаргон:
Ns> Np повышающий трансформатор Ns

Viewgraph 1

Viewgraph 2

Viewgraph 3

Viewgraph 4

Viewgraph 5

Viewgraph 6

Обзор 7

Viewgraph 8

Viewgraph 9

Просмотр 10

Viewgraph 11

Viewgraph 12

Просмотр 13

Обзор 14

B19: Индукция, трансформаторы и генераторы

В этой главе мы приводим примеры, выбранные для дальнейшего ознакомления вас с законом индукции Фарадея и законом Ленца. Последний пример — генератор, устройство, используемое на мировых электростанциях для преобразования механической энергии в электрическую.

По прямому проводу идет ток, идущий на север. К востоку от прямого провода, на том же уровне, что и прямой провод, проходит горизонтальная петля.Ток в прямом проводе увеличивается. Каким образом ток, индуцируемый в контуре изменяющимся магнитным полем прямого провода, направляется вокруг контура?

Решение

Я собираюсь изобразить данную ситуацию с нескольких разных точек зрения, просто чтобы помочь вам привыкнуть к визуализации такой ситуации. Если смотреть сверху и на юго-восток, конфигурация (не считая того факта, что силовые линии магнитного поля невидимы) выглядит так:

, где я включил лист бумаги на диаграмму, чтобы помочь вам визуализировать вещи.

Вот такая же конфигурация с юга, если смотреть прямо на север:

Обе диаграммы показывают, что у нас есть увеличивающееся количество направленных вниз линий магнитного поля, проходящих через петлю. Важно помнить, что полевая диаграмма — это схематический способ передачи информации о бесконечном наборе векторов. Кривого вектора не существует. Вектор всегда направлен по прямой. Вектор магнитного поля касается линий магнитного поля, характеризующих этот вектор.В месте расположения петли каждый вектор магнитного поля, изображенный на диаграмме выше, направлен прямо вниз. Хотя можно сказать, что у нас есть увеличивающееся количество силовых линий магнитного поля, направленных вниз через петлю, имейте в виду, что силовые линии характеризуют векторы.

При представлении моего решения на примерный вопрос: «Какое направление тока индуцируется в горизонтальной петле, которая проходит к востоку от прямого провода, по которому течет возрастающий ток на севере?» Я бы не стал рисовать ни одну из схем выше. На рисование первого уходит слишком много времени, а во втором нет хорошего способа показать направление тока в контуре. Вид сверху является наиболее удобным:

На этом виде (в котором направление вниз находится на странице) легко увидеть, что мы имеем увеличивающееся количество направленных вниз линий магнитного поля. через петлю (точнее, через область, ограниченную петлей). В тщетной попытке сохранить количество линий магнитного поля, направленных вниз через петлю, таким же, как и было, \ (\ vec {B} _ {PIN} \) должен быть направлен вверх, чтобы нейтрализовать вновь появляющиеся линии магнитного поля, направленные вниз.[Вспомните последовательность: изменение числа силовых линий магнитного поля индуцирует (по закону Фарадея) ток в петле. Этот ток создает (по закону Ампера) собственное магнитное поле (\ (\ vec {B} _ {PIN} \)). Закон Ленца связывает конечный продукт (\ (\ vec {B} _ {PIN} \)) с исходным изменением (увеличением числа нисходящих линий магнитного поля). ]

Это интересно. Мы знаем направление магнитного поля, создаваемого индуцированным током, еще до того, как узнаем направление самого индуцированного тока.Итак, в каком направлении должен быть индуцированный ток, чтобы создать направленное вверх магнитное поле (\ (\ vec {B} _ {PIN} \))? Ну, по правилу правой руки для чего-то фигурного, чего-то прямого, ток должен быть против часовой стрелки, если смотреть сверху.

Привет. Это ответ на вопрос. Мы закончили с этим примером. Вот еще один:

Пример 19-2

Человек перемещает стержневой магнит, выровненным северным полюсом вверх, из-под катушки с проволокой, как показано на рисунке
ниже.Какое направление тока в резисторе?

Магнитное поле стержневого магнита распространяется вверх через катушку.

Когда магнит выходит из-под катушки, он уносит с собой свое магнитное поле. Итак, что касается катушки, то мы имеем уменьшающееся количество направленных вверх силовых линий магнитного поля, проходящих через катушку. По закону Фарадея это вызывает в катушке ток. По закону Ампера ток создает магнитное поле \ (\ vec {B} _ {PIN} \).По закону Ленца \ (\ vec {B} _ {PIN} \) направлено вверх, чтобы компенсировать уходящие вверх направленные вверх силовые линии магнитного поля через катушку.

Итак, какое направление тока вызывает \ (\ vec {B} _ {PIN} \)? Об этом нам говорит правило правой руки. Направьте большой палец правой руки в направлении \ (\ vec {B} _ {PIN} \). Затем ваши пальцы будут скручены (против часовой стрелки, если смотреть сверху) в направлении тока.

Из-за способа намотки катушки такой ток будет направлен через резистор через верхнюю часть катушки вниз.

Это ответ на вопрос, заданный в примере. (Какое направление тока в резисторе?)

Когда вы помещаете две катушки провода рядом друг с другом, так что, когда вы создаете магнитное поле с помощью седла ЭДС, чтобы вызвать ток в одной катушке, это магнитное поле распространяется через область, окруженную другой катушкой, вы создаете трансформатор. Назовем катушку, в которой вы изначально вызываете ток, первичную катушку, а вторую — вторичную катушку.

Если вы вызываете изменение тока в первичной катушке, то магнитное поле, создаваемое этой катушкой, изменяется. Таким образом, поток через вторичную катушку изменяется, и, согласно закону индукции Фарадея, во вторичной катушке будет индуцироваться ток. Один из способов вызвать изменение тока в первичной катушке — это включить переключатель в первичную цепь (цепь, в которой соединена первичная катушка) и многократно открывать и закрывать ее.

Хорошо, достаточно преамбулы, вот вопрос: каково направление переходного тока, индуцируемого в схеме выше, когда переключатель замкнут?

Решение для примера 19-3:

После включения переключателя ток в первичной цепи очень быстро нарастает до \ (\ varepsilon / r \).Хотя время, необходимое для повышения тока до \ (\ varepsilon / r \), очень мало, именно в течение этого временного интервала изменяется ток. Следовательно, именно на этом временном интервале мы должны сосредоточить наше внимание, чтобы ответить на вопрос о направлении переходного тока в резисторе \ (R \) во вторичной цепи. Ток в первичной обмотке вызывает магнитное поле. Поскольку ток увеличивается, вектор магнитного поля в каждой точке пространства увеличивается по величине.

Увеличивающееся магнитное поле вызывает направленные вверх силовые линии магнитного поля в области, окруженной вторичной катушкой. До того, как переключатель был замкнут, через эту катушку не было силовых линий магнитного поля, поэтому ясно, что мы имеем здесь увеличивающееся количество направленных вверх силовых линий магнитного поля, проходящих через вторичную катушку. По закону Фарадея это вызовет ток в катушке. По закону Ампера, ток, индуцированный во вторичной обмотке, будет создавать собственное магнитное поле, которое я люблю называть \ (\ vec {B} _ {PIN} \) для «Магнитное поле P , созданное В ток. По закону Ленца, \ (\ vec {B} _ {PIN} \) должен быть направлен вниз, чтобы нейтрализовать некоторые из вновь появившихся направленных вверх силовых линий магнитного поля через вторичную обмотку. (Надеюсь, ясно, что то, что я называю линиями магнитного поля, проходящими через вторичную обмотку, — это силовые линии магнитного поля, проходящие через область, окруженную вторичной катушкой.)

Хорошо. Теперь вопрос в том, в какую сторону должен быть направлен ток вокруг катушки, чтобы создать направленное вниз магнитное поле \ (\ vec {B} _ {PIN} \), которое, как мы выяснили, оно создает.Как обычно, правило правой руки для чего-то фигурного, чего-то прямого дает ответ. Мы направляем большой палец правой руки в форме чашечки в направлении \ (\ vec {B} _ {PIN} \) и не можем не отметить, что пальцы изгибаются в направлении, которое лучше всего можно описать как «по часовой стрелке, если смотреть со стороны. над.»

Из-за способа намотки вторичной катушки такой ток будет направлен из вторичной обмотки в верхней части катушки и вниз через резистор \ (R \). Это ответ на вопрос
, заданный в примере.

Электрический генератор

Рассмотрим магнит, который вращается вблизи катушки с проволокой, как показано ниже.

В результате вращения магнита количество и направление силовых линий магнитного поля через
катушки постоянно меняются. Это индуцирует в катушке ток, который, как выясняется, тоже изменяется. Проверьте это на примере магнита, который, с нашей точки зрения, вращается по часовой стрелке. В
ориентация вращающегося магнита изображена здесь:

по мере вращения магнита количество линий его магнитного поля, проходящих вниз через катушку, уменьшается.В соответствии с законом Фарадея это индуцирует ток в катушке, который в соответствии с законом Ампера создает собственное магнитное поле. По закону Ленца поле (\ (\ vec {B} _ {PIN} \)), создаваемое индуцированным током, должно быть направлено вниз, чтобы компенсировать потерю направленных вниз силовых линий магнитного поля через катушку. Чтобы вызвать \ (\ vec {B} _ {PIN} \) вниз, индуцированный ток должен быть направлен по часовой стрелке, если смотреть сверху. В зависимости от того, как намотан провод и катушка подключена к цепи, ток, направленный по часовой стрелке, если смотреть сверху, в катушке, направляется из катушки в верхней части катушки и вниз через резистор.

На следующих диаграммах мы показываем магнит в каждой из нескольких последовательных ориентаций. Имейте в виду, что кто-то или что-то крутит магнит механическим способом. Вы можете предположить, например, что человек поворачивает магнит рукой. Когда магнит поворачивается, количество силовых линий магнитного поля изменяется особым образом для каждой из изображенных ориентаций. Вас, читателя, просят применить закон Ленца и правило правой руки для чего-то Curley, Something Straight, чтобы убедиться, что ток (вызванный вращающимся магнитом) через резистор в изображенном направлении:

As магнит продолжает вращаться по часовой стрелке, следующая ориентация, которую он достигает, является нашей отправной точкой, и процесс повторяется снова и снова.

Если пересчитать и экстраполировать, ток через резистор в серии диаграмм выше:

вниз, вниз, вверх, вверх, вниз, вниз, вверх, вверх,…

Для половины каждого оборота ток равен вниз, а на другой половине каждого оборота ток идет вверх. При количественной оценке этого поведения основное внимание уделяется ЭДС, индуцированной в катушке:

ЭДС в катушке синусоидально изменяется во времени как:

\ [\ varepsilon = \ varepsilon_ {MAX} \ sin (2 \ pi ft) \ label {19-1} \]

где:

\ (\ varepsilon \), что означает ЭДС, представляет собой изменяющуюся во времени разность электрических потенциалов между выводами катушки в непосредственной близости от вращающегося магнита. относительно катушки, как показано на схемах выше.Эта разность потенциалов возникает и может меняться из-за изменения магнитного потока, проходящего через катушку.
\ (\ varepsilon_ {MAX} \) — максимальное значение ЭДС катушки.
\ (f \) — частота колебаний ЭДС на катушке. Это точно равно скорости вращения магнита, выраженной в оборотах в секунду, что эквивалентно герцам.

Обсуждаемое нами устройство (катушка с вращающимся магнитом) называется генератором, точнее, электрическим генератором.Генератор является местом действия ЭДС, которая вызывает разность потенциалов между его выводами, синусоидально изменяющуюся со временем. Схематическое изображение такого изменяющегося во времени седла ЭДС:

Для вращения магнита требуется работа. Магнитное поле, вызванное током, индуцированным в катушке, оказывает на магнит крутящий момент, который всегда имеет тенденцию замедлять его. Итак, чтобы магнит продолжал вращаться, нужно постоянно прикладывать крутящий момент к магниту в том направлении, в котором он вращается.Генератор — это основная составляющая любой электростанции. Он преобразует механическую энергию в электрическую. Тип электростанции, с которой вы имеете дело, определяется тем, что ваша энергетическая компания использует для вращения магнита. Если для вращения магнита используется движущаяся вода, мы называем электростанцию гидроэлектростанцией. Если для вращения магнита используется паровая турбина, то силовая установка определяется по способу нагрева и испарения воды. Например, если нагревают и испаряют воду посредством сжигания угля, то электростанцию называют электростанцией, работающей на угле.Если нагреть и испарить воду с помощью ядерного реактора, то электростанцию называют атомной.

Рассмотрим «устройство, которое вызывает разность потенциалов между его выводами, синусоидально изменяющуюся во времени» в простой схеме:

Изменяющееся во времени гнездо ЭДС вызывает разность потенциалов на резисторе, в этой простой схеме в любой момент времени до напряжения на изменяющейся во времени точке ЭДС. В результате в резисторе возникает ток.Ток задается \ (I = \ frac {V} {R} \), нашим определяющим уравнением для сопротивления, решенным для тока \ (I \). Поскольку алгебраический знак разности потенциалов на резисторе постоянно меняется, направление тока в резисторе постоянно меняется. 2R \).«Устройство, которое вызывает разность потенциалов между его выводами, синусоидально изменяющуюся со временем», то, что я назвал «изменяющимся во времени местом ЭДС», обычно называют источником питания \ (AC \). Источник питания \ (AC \) обычно упоминается в терминах частоты колебаний и напряжения, которое источник питания \ (DC \), обычный источник ЭДС, должен поддерживать на своих выводах, чтобы вызвать одинаковая средняя мощность на любом резисторе, который может быть подключен к клеммам источника питания \ (AC \).Рассматриваемое напряжение обычно обозначается как \ (\ varepsilon_ {RMS} \) или \ (V_ {RMS} \), где вскоре станет очевидным обоснование названия нижнего индекса.

Поскольку мощность, выдаваемая обычным гнездом ЭДС, является постоянной, его средняя мощность — это значение, которое она всегда имеет.

Вот вымышленная схема

, которая вызовет такую же мощность резистора, что и рассматриваемый источник питания \ (AC \). Средняя мощность (которая является просто мощностью в случае цепи \ (DC \)) задается выражением \ (P_ {AVG} = I \ varepsilon_ {RMS} \), которое с помощью нашего определяющего уравнения сопротивления решенный для \ (I \), \ (I = V / R \), (где напряжение на резисторе, согласно проверке, \ (\ varepsilon_ {RMS} \)), можно записать \ (P_ {AVG} = \ frac {\ varepsilon ^ 2_ {RMS}} {R} \). 2_ {MAX}} {2} \), то есть у нас есть квадратный корень из среднего квадрата ЭДС \ (\ varepsilon \). И действительно, индекс «RMS» означает «среднеквадратичный корень». Среднеквадратичные значения удобны для схем, состоящих из резисторов и источников питания переменного тока, поскольку можно анализировать такие схемы, используя среднеквадратичные значения, так же, как анализируют цепи постоянного тока.

Подробнее о трансформаторе

Когда первичная обмотка трансформатора приводится в действие источником переменного тока, оно создает магнитное поле, которое изменяется синусоидально таким образом, что вызывает синусоидальную ЭДС с той же частотой, что и источник, быть наведенным во вторичной катушке.Среднеквадратичное значение ЭДС, индуцированной во вторичной катушке, прямо пропорционально среднеквадратичному значению синусоидальной разности потенциалов, наложенной на первичную обмотку. Константа пропорциональности — это отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки.

\ [\ varepsilon_ {SECONDARY} = \ frac {N_ {SECONDARY}} {N_ {PRIMARY}} V_ {PRIMARY} \ label {19-3} \]

Когда количество обмоток во вторичной катушке больше, чем количество обмоток в первичной обмотке, трансформатор называется повышающим трансформатором, а вторичное напряжение больше первичного напряжения.Когда количество обмоток вторичной обмотки меньше количества обмоток первичной обмотки, трансформатор называется понижающим трансформатором, а вторичное напряжение меньше первичного напряжения.

Электроэнергия в вашем доме

Когда вы подключаете тостер к розетке, вы приводите штыри вилки в контакт с двумя проводниками, между которыми существует изменяющаяся во времени разность потенциалов, характеризующаяся \ (115 \) вольт. \ (60 \) Гц переменного тока.\ (60 \) Гц — это частота колебаний разности потенциалов, возникающая в результате того, что магнит совершает 60 оборотов в секунду, возвращаясь на электростанцию. Повышающий трансформатор используется рядом с электростанцией для повышения выходного напряжения электростанции до высокого напряжения. Линии передачи с очень высоким потенциалом по отношению друг к другу обеспечивают проводящий путь к трансформатору рядом с вашим домом, где напряжение понижается. Линии электропередач с гораздо более низким потенциалом обеспечивают токопроводящий путь к проводам в вашем доме.\ (115 \) вольт — это среднеквадратичное значение разности потенциалов между двумя проводниками в каждой паре щелей в розетках. Поскольку \ (\ varepsilon_ {RMS} = \ frac {1} {\ sqrt {2}} \ varepsilon_ {MAX} \), мы имеем \ (\ varepsilon_ {MAX} = \ sqrt {2} \ space \ varepsilon_ {RMS } \), поэтому \ (\ varepsilon_ {MAX} = \ sqrt {2} (115 \, \ mbox {volts}) \) или \ (\ varepsilon_ {MAX} = 163 \, \ mbox {volts} \) . Таким образом,

\ [\ varepsilon = (163 \ space \ mbox {volts}) \ sin [2 \ pi (60Hz) t] \]

, что можно записать как,

\ [\ varepsilon = (163 \ пробел \ mbox {volts}) \ sin [(377 \, \ frac {\ mbox {rad}} {s} t] \]

Авторы и авторство

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 рассчитаны на использование источника переменного тока, а это означает, что колебания напряжения питания зависят от колебаний тока. Таким образом, увеличение тока приведет к увеличению напряжения и наоборот.

Трансформаторы

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

Строительство электрического трансформатора

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

Сердечник передает поток на вторичную обмотку, чтобы создать магнитную цепь, которая замыкает магнитный поток, а внутри сердечника размещается путь с низким сопротивлением, чтобы максимизировать потокосцепление. Вторичная обмотка помогает завершить движение потока, который начинается на первичной стороне, 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 путем укладки многослойных стальных листов, оставляя минимально необходимый воздушный зазор между ними для обеспечения непрерывности магнитного пути.

Как работают трансформаторы?

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

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

В зависимости от 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 кредит: 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 во время 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 эффективность 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 основании 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 основе поставки

Однофазный Трансформатор Однофазный трансформатор имеет только один набор обмоток.Отдельные однофазные блоки могут дать те же результаты, что и трехфазные переключатели, 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 основанию назначения

Повышающий трансформатор
Этот тип определяется количеством витков провода. Таким образом, если вторичный набор имеет большее количество витков, чем первичная сторона, 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 основании использования

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 transformer Этот электрический трансформатор подразделяется на трансформаторы тока и напряжения.
Трансформатор тока
Трансформатор потенциала

Эти трансформаторы используются для реле и защиты приборов одновременно.

На основе охлаждения

Самоохлаждающиеся масляные трансформаторы Этот тип обычно используется в небольших трансформаторах мощностью до 3 МВА и предназначен для самоохлаждения за счет окружающего воздушного потока.
Масляные трансформаторы с водяным охлаждением В электрическом трансформаторе этого типа 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 обмотки не имеют электрического соединения (за исключением автотрансформаторов). Передача мощности осуществляется посредством магнитного потока.
Для передачи энергии не требуются движущиеся части, поэтому отсутствуют потери на трение или ветер, как в других электрических устройствах.
Потери, которые происходят в трансформаторах, меньше, чем в других электрических устройствах, и включают:
Потери в меди (потери электроэнергии из-за тепла, создаваемого циркуляцией токов вокруг медных обмоток, считаются самыми большими потерями в трансформаторах)
Потери в сердечнике (потери на вихревые токи и гистерезис, вызванные запаздыванием магнитных молекул в ответ на переменный магнитный поток внутри сердечника)

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

Применение электрического трансформатора

Основные области применения электрического трансформатора:

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

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

Советы по поиску и устранению неисправностей электрического трансформатора

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

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

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

Что такое трансформатор (и как он работает)?

Что такое трансформатор?

Принцип работы трансформатора

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

Теория трансформатора

Допустим, у вас есть одна обмотка (также известная как катушка), которая питается от переменного электрического источника. Переменный ток, протекающий через обмотку, создает непрерывно изменяющийся и переменный поток, окружающий обмотку.

Если к этой обмотке приблизить другую обмотку, некоторая часть этого переменного магнитного потока соединится со второй обмоткой. Поскольку этот магнитный поток постоянно изменяется по своей амплитуде и направлению, во второй обмотке или катушке должна быть изменяющаяся магнитная связь.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, во второй обмотке возникает ЭДС. Если цепь этой вторичной обмотки замкнута, то через нее будет протекать ток. Это основной принцип работы трансформатора .

Давайте использовать электрические символы, чтобы помочь наглядно это представить. Обмотка, которая получает электроэнергию от источника, известна как «первичная обмотка».На схеме ниже это «Первая катушка».

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

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

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

Если на первичной обмотке больше витков, чем на вторичной, то напряжение будет уменьшаться (понижаться).

Если на первичной обмотке меньше витков, чем на вторичной обмотке, то напряжение увеличится (пошагово).

Хотя приведенная выше схема трансформатора теоретически возможна в идеальном трансформаторе, это не очень практично. Это потому, что на открытом воздухе только очень небольшая часть потока, создаваемого первой катушкой, будет связываться со второй катушкой.Таким образом, ток, протекающий по замкнутой цепи, подключенной ко вторичной обмотке, будет чрезвычайно мал (и его трудно измерить).

Скорость изменения потокосцепления зависит от количества связанного потока со второй обмоткой. Таким образом, в идеале почти весь поток первичной обмотки должен быть связан со вторичной обмоткой. Это эффективно и рационально достигается за счет использования трансформатора с сердечником. Это обеспечивает общий для обеих обмоток путь с низким сопротивлением.

Назначение сердечника трансформатора — обеспечить путь с низким сопротивлением, через который проходит максимальное количество магнитного потока, создаваемого первичной обмоткой, и соединяется с вторичной обмоткой.

Ток, который первоначально проходит через трансформатор при его включении, называется пусковым током трансформатора.

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

Детали и конструкция трансформатора

Три основные части трансформатора:

Первичная обмотка трансформатора
Магнитный сердечник трансформатора
Вторичная обмотка трансформатора

Первичная обмотка трансформатора

Который создает магнитный поток, когда он подключен к источнику электроэнергии.

Магнитный сердечник трансформатора

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

Вторичная обмотка трансформатора

Поток, создаваемый первичной обмоткой, проходит через сердечник и соединяется со вторичной обмоткой. Эта обмотка также намотана на тот же сердечник и дает желаемый выход трансформатора .

Как работают повышающие и понижающие трансформаторы?

Что такое электромагнитная индукция?

Если магнетизм может быть произведен из электричества, Фарадей выдвинул гипотезу, что электричество может быть произведено с помощью магнетизма.Фарадей использовал аппарат, состоящий из сердечника из мягкого железа, подобного показанному ниже. Катушка слева была подключена к батарее, а катушка справа — к гальванометру. Когда ток течет через левую катушку, подключенную к батарее, создается магнитное поле. Сила магнитного поля увеличивается за счет железного сердечника. Хотя Фарадей не мог создать ток в левом проводе, но, как ни странно, он заметил, что ток возникает при изменении тока.Фарадей пришел к выводу, что, хотя постоянное магнитное поле не производит электрического тока, изменение магнитного поля действительно вызывает ток. Такой ток называется индуцированным током . Процесс, при котором ток возникает при изменении магнитных полей, называется электромагнитной индукцией.

Примечание: Электромагнитная индукция была независимо открыта Майклом Фарадеем и Джозефом Генри в 1831 году. Связь между электродвижущей силой, ЭДС (напряжением) и магнитным потоком была формализована в уравнении, которое теперь называется Закон индукции Фарадея

Как работают трансформаторы

Трансформатор — это устройство, повышающее или понижающее напряжение переменного тока. Ток в одной катушке индуцирует ток в другой катушке.

Трансформатор состоит из двух катушек (одна катушка является первичной, а другая — вторичной), намотанных вокруг металлического сердечника. (см. изображения —) Когда переменный ток проходит через первичную катушку и индуцируется магнитное поле — электромагнитная индукция вызывает ток во вторичной катушке. Если количество витков провода одинаково в обеих катушках, индуцированное напряжение во вторичной катушке будет одинаковым.Если количество витков вторичной обмотки больше, чем первичной обмотки, напряжение на вторичной обмотке будет больше. Это пример повышающего трансформатора.

Как количество петель влияет на напряжение?

Если количество витков вторичной катушки меньше, чем первичной, то напряжение будет меньше. Это называется понижающим трансформатором.

СТУПЕНЧАТЫЙ ТРАНСФОРМАЦИЯ 10 КАТУШЕК В 2 КАТУШКИ 5: 1 ВОЛЬТ

Если количество витков вторичной обмотки больше, чем первичной, то напряжение будет больше. Это называется повышающим трансформатором.

СТУПЕНЧАТЫЙ ТРАНСФОРМАТОР 2 КАТУШКИ НА 10 КАТУШЕК 1: 5 ВОЛЬТ

Почему трансформаторы важны для передачи электроэнергии.

Повышающие трансформаторы используются компаниями при передаче электроэнергии по линиям электропередачи. Затем компании используют понижающие трансформаторы для создания 120 В, используемых в домах.Повышающие трансформаторы также используются в домашних телевизорах, где требуется высокое напряжение. Понижающие трансформаторы также используются в радиоприемниках, компьютерах и калькуляторах

Проверьте свой
Понимание: