Режим работы трансформатора: Трансформаторы. Режимы работы — Всё об энергетике

Трансформаторы. Режимы работы и рабочие характеристики

Приведенные при рассмотрении принципа действии трансформа­тора соотношения справедливы лишь для идеального трансформатора, в котором пренебрегают сопротивлениями обмоток и потерями в сердечнике и считают, что магнитный поток замыкается только по сердечнику. В реальных условиях необходимо учитывать падения напряжения в обмотках и фактическую картину распределения магнитных полей. В частности, при холостом ходе МДС F₀ кроме основного магнитного потока взаимоиндукции Ф₀, замыкающегося по сердечнику, создает магнитный поток рассеяния Ф_рс1, который замыкается, в основном, по воздуху и сцепляется только с первичной обмоткой (рис. 1).

Рис. 1 — Холостой ход однофазного трансформатора

Под действием этого магнитного потока в первичной обмотке индуктируется ЭДС самоиндукции е_рс1, действующее значение которой обычно рассчитывают по соотношению

где х_рс1 — индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки.

Для упрощения записи это сопротивление часто обозначают просто х₁  Оно равно

где L₁ — индуктивность рассеяния, определяемая по специальным формулам.

Таким образом, реально существующий магнитный поток рассеяния Ф_рс1 первичной обмотки и соответствующая ему ЭДС Е_рс1 учитываются путем введения некоторого индуктивного сопротивления рассеяния х₁, падение напряжения на котором уравновешивает ЭДС, т.е. в векторной форме равенство

записывают в виде

Такой подход значительно упрощает анализ и расчет режимов работы трансформатора. Сопротивление х₁ практически постоянно, а величина Е_рс1 пропорциональна току первичной обмотки.

Полное сопротивление первичной обмотки, кроме сопротивления х₁ учитывает также активное сопротивление r₁, т.е.

Электрическая схема замещения фазы первичной обмотки трансформатора на холостом ходу полностью аналогична схеме замещения катушки со стальным сердечником (рис. 2).

Рис. 2 — Электрическая схема замещения фазы трансформатора на холостом ходу

Уравнение электрического равновесия трансформатора для режима холостого хода может быть записано в виде

или

Таким образом, подводимое к первичной обмотке напряжение уравновешивается ЭДС самоиндукции Е₁₀ и падением напряжения на сопротивлениях r₁ и х₁ обмотки. Поскольку падение напряжения  достаточно мало, последнее уравнение для режима холостого хода часто записывают в виде

Векторная диаграмма трансформатора в режиме холостого хода является графической иллюстрацией и решением уравнений

Векторы как это следует из уравнений

отстают от вектора Фом на 90° (рис.3). Величина напряжения U₂₀ =Е₂₀ отличается от Е₁₀ в отношении коэффициента трансформации. Ток холостого хода I₀ не синусоидален и его представляют в виде двух составляющих: I_0а — активной, определяющей потери энергии в стали сердечника и в обмотке; I_0р — реактивной, необходимой для создания МДС F₀ и потоков Ф₀ и Ф_рс1.

Рис. 3 — Векторная диаграмма холостого хода трансформатора

Таким образом, можно записать

Обычно I_0а<< I_0р и приближенно считают, что в режиме холостого хода ток I₀, в основном, намагничивающий, т.е.

I₀ ? I_0р.

В целом вектор тока  опережает вектор Ф_о  на некоторый угол ?, называемый углом потерь

где r_m и x_m – активное и индуктивное сопротивления ветви намагничивания.

Следует отметить, что на рис. 3 векторы

показаны для наглядности в сильно увеличенном масштабе.

Нагрузочным или рабочим называется режим работы трансформатора, при котором к первичной обмотке подведено напряжение U₁, а к вторичной подключены потребители Z_Н (рис. 4), так  что I₂  > 0.

Рис. 4 — Нагрузочный режим однофазного трансформатора

Это основной режим, при котором вторичный ток изменяется в пределах 0<I₂ ? I_2Н , а коэффициент мощности cos?₂ определяется характером нагрузки и может изменяться от нуля до 1,0. Особенности взаимодействий в рабочем режиме трансформатора определяются тем, что ток I₂ создает МДС F₂ = I₂W₂ и соответствующий магнитный поток Ф₂, действующие встречно по отношению к МДС F₁ и потоку Ф₀, т.е. в соответствии с принципом Ленца реакция вторичной обмотки направлена на уменьшение основного магнитного потока взаимоиндукции Ф₀, созданного при холостом ходе. Однако, поскольку подводимое к первичной обмотке напряжение не изменяется, а оно, в основном, уравновешивается ЭДС Е₁₀, то поток Ф₀ не должен изменяться, что соответствует уравнению равновесия:

Для поддержания неизменным магнитного потока при переходе от холостого хода трансформатора к нагрузке МДС I₀W₁ первичной обмотки увеличивается до такой величины I₁W₁, при которой компенсируется размагничивающее действие МДС вторичной обмотки I₂W₂. При этом закон Ома для магнитной цепи трансформатора в рабочем режиме записывается в виде:

Левые части соотношений одинаковы, поэтому справедливо равенство:

которое называют уравнением равновесия МДС трансформатора.

Из последнего равенства получают уравнения равновесия токов, которые записывают в виде:

или

При нагрузках, близких к номинальной, током холостого хода иногда пренебрегают и уравнение второе уравнение упрощается:

откуда следует соотношение:

Таким образом, соотношение токов при нагрузках, близких к номинальной, определяется соотношением числа витков, причем оно обратно пропорционально коэффициенту трансформации. Поэтому для номинального режима можно записать приближенное равенство:

из которого следует, что полная мощность, потребляемая трансформатором из сети, примерно равна полной мощности, отдаваемой потребителю.

Схема замещения первичной обмотки при переходе от режима холостого хода к нагрузке не изменяется, однако первичный ток увеличивается до значения I₁ (рис.5, а), что должно найти отражение в уравнении равновесия ЭДС первичной обмотки при нагрузке:

Ток вторичной обмотки подобно току первичной обмотки создает магнитный поток рассеяния Ф_рс2, действие которого учитывается или величиной ЭДС самоиндукции Е_рс2, или уравновешивающим ее па­дением напряжения I₂x₂, на индуктивном сопротивлении рассеяния

где  L₂ — индуктивность рассеяния вторичной обмотки.

Рис. 5 — Схемы замещения первичной (а) и вторичной (б)  обмоток трансформатора при нагрузке

Электрическая схема замещения вторичной обмотки показана на рис.5, б, на которой r₂ — её активное сопротивление, а полное сопротивление нагрузки:

Уравнение электрического равновесия вторичной обмотки при нагрузке имеет вид:

Это уравнение источника электрической энергии, что и представляет собой трансформатор по отношению к нагрузке. Как видно, при работе под нагрузкой напряжение на нагрузке отличается от ЭДС Е₂  на величину падения напряжения на внутренних сопротивлениях вторичной обмотки. Следует отметить, что соотношение между ЭДС Е₂ и напряжением U₂  зависит также от характера нагрузки, о чем будет сказано ниже.

Векторные диаграммы первичной и вторичной обмоток являются графическим решением уравнений:

Для вторичной обмотки (рис. 5, б) сдвиг по фазе между током I₂ и напряжением U₂ , (угол ?₂) определяется соотношением параметров нагрузки:

а угол ?₂ — соотношением реактивных и активных сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки, т.е.

Рис. 6 — Векторные диаграммы первичной (а) и вторичной (б) обмоток трансформатора

На рис.6  векторные диаграммы изображены для случая активно-индуктивной нагрузки.На векторной диаграмме первичной обмотки (рис. 4, а) вектор тока получают, пристраивая к вектору тока холостого хода вектор тока измененный в отношении 1/к и повернутый на 180°, т.е. вектор

Построение вектора первичного напряжения U₁  аналогично построе­нию для режима холостого хода, однако векторы падений напряжения

ориентируются по отношению к вектору тока .

Сдвиг по фазе между током I₁ и напряжением U₁ обозначают ?₁. Угол ?₁, определяет, как известно, при заданных значениях тока и напряже­ния, подводимую к трансформатору от сети активную P₁ = U₁I₁cos?₁ и реактивную  Q₁ = U₁I₁sin?₁ мощности. Чем больше угол ?₁, тем меньше активная и тем больше реактивная мощности.

Режим короткого замыкания

Короткое замыкание (к.з.) трансформатора представляет собой такой режим его работы, когда вторичная обмотка замкнута накоротко (Z_н = 0) и, следовательно, вторичное напряжение U₂ равно нулю.

При внезапном коротком замыкании, когда к первичной обмотке подводится номинальное напряжение, токи в обмотках превышают номинальные значения в 10…20 раз. Такое к.з. может иметь место при эксплуатации трансформатора и является аварийным. Возникают недопустимые перегревы обмоток и значительные электродинамические усилия, которые приводят к разрушению трансформатора. Для защиты трансформатора от коротких замыканий применяются быстродействующие автоматы защиты.

В процессе испытания трансфор­маторов производят опыт короткого замыкания, но при таком понижен­ном первичном напряжении, чтобы токи в обмотках были равны номи­нальным. Это напряжение, выраженное в % от номинального (u_к %), заносится на заводскую табличку трансформатора. Измерения при таком испытательном коротком замыкании, также как и измерения при холостом ходе позволяют определить ряд важных параметров трансформатора.

Приведенный трансформатор

Приведение вторичной обмотки трансформатора к первичной

Для упрощения анализа и расчета режимов работы трансформатора пользуются способом, при котором одна из его обмоток приводится к другой. Смысл приведения состоит в том, чтобы сделать ЭДС первичной и вторичной обмоток одинаковыми, электромагнитную связь между обмотками заменить электрической связью и получить единую электрическую схему замещения трансформатора, построить другую, более простую и наглядную векторную диаграмму. Чаще всего вторичную обмотку приводят к первичной. Для этого условно заменяют реальную вторичную обмотку некоторой фиктивной обмоткой с числом витков:

т.е. увеличивают число ее витков в k раз. Таким образом, коэффициент приведения вторичной обмотки к первичной равен коэффициенту трансформации. Все параметры приведенной обмотки обозначают со штрихами:

и т.д. В приведенной обмотке в соответствии с новым числом витков увеличиваются все ЭДС, напряжения и падения напряжения, т.е.:

Важным условием приведения является то, чтобы мощности и потери энергии во вторичной обмотке не изменялись. Для этого должны выполняться равенства:

из которых получаются соотношения для тока и активного сопротивления приведенной вторичной обмотки:

Аналогично  последнему соотношению изменяются индуктивное сопротивление рассеяния приведенной вторичной обмотки и параметры нагрузки:

Для полных сопротивлений справедливы соотношения:

Если таким образом изменить (условно конечно) все электрические величины вторичной обмотки, то энергетические соотношения в реальном и приведенном трансформаторе сохраняются без изменений и поэтому приведение правомерно. При этом необходимо помнить, что приведение — это чисто аналитический прием, позволяющий упростить расчеты и анализ физических процессов в реальном трансформаторе.

Схема замещения и уравнения электрического равновесия приведенного трансформатора

Поскольку в приведенной вторичной обмотке ЭДС

равна ЭДС E₁, то оказывается возможным схемы замещения первичной обмотки (рис. 5,а) и вторичной обмотки (рис. 5,б) с измененными параметрами объединить в одну схему замещения, соединив электрически точки равного потенциала. Такая полная двухконтурная схема замещения показана на рис. 7. Ее часто называют Т-образной схемой замещения приведенного трансформатора.

Рис. 7 — Т-образная схема замещения приведенного трансформатора

На этой схеме ветвь c – d  с сопротивлениями r_m и x_m и током I₀ называют ветвью намагничивания, ветвь А – с с током I₁ — первичной ветвью, ветвь с – а– х – d с током

— вторичной ветвью или вторичным контуром. Параметры схемы имеют строго определенные наименования: r_m — активное сопротивление ветви намагничивания, учитывающее потери в стали магнитопровода на перемагничивание и вихревые токи:

— индуктивное сопротивление взаимоиндукции (ветви намаг­ничивания).

Величина:

поэтому принимают, что:

r₁ и r₂’ — активные сопротивления первичной и приведенной вторичной обмоток; x₁ и x₂^‘ — индуктивные сопротивления рассеяния первичной и приведенной вторичной обмоток;

 — приведенное сопротивление нагрузки. Уравнения равновесия токов и ЭДС приведенного трансформатора  записываются на основании 1 и 2 законов Кирхгофа:

Полная векторная диаграмма приведенного трансформатора (рис.8) является графическим решением приведенных уравнений электрического равновесия.

Рис. 8  — Векторная диаграмма приведенного трансформатора

Она объединяет векторные диаграммы первичной и вторичной обмоток, показанные на рис. 6 , при этом векторы ЭДС

и

между собой, а все построения для вторичной обмотки производятся для приведенных параметров.

Как отмечалось выше, в режимах номинальной нагрузки ток холостого хода I₀ очень мал по сравнению с током I_1н. Тем более он несоизмеримо мал по сравнению с током короткого замыкания, поэтому в этих режимах им можно пренебречь и в расчетах пользоваться упрощенной схемой замещения (рис. 9).

Рис. 9  —  Упрощенная схема замещения приведенного трансформатора

Сопротивления r_k = r₁ +r₂^‘  и x_k= x₁ + x₂называют сопротивлениями короткого замыкаия.

Уравнения электрического равновесия для упрощенной схемы имеют вид:

Опытное определение параметров схемы замещения трансформатора

Для определения параметров схемы замещения трансформатора проводят его испытания в режиме холостого хода и опытного короткого замыкания.

Схема опыта холостого хода приведена на рис.10 . Первичную обмотку подключают на номинальное напряжение и измеряют ток холостого хода I₀ , мощность P₀, напряжение на разомкнутой  вторичной обмотке U₂₀ .

Рис. 10 — Схема опыта холостого хода

Мощность P₀, потребляемая из сети, расходуется на потери в меди  ?P_m1 = I₀²r₁  и потери в стали       ?P_ст= I₀²r_m при этом, поскольку  r_m»r₁, потерями в первичной обмотке ?P_m1  пренебрегают и считают, что вся потребляемая из сети мощность расходуется на потери в стали, т. е.:

откуда:

Исходя из схемы замещения (рис. 5, а ) и пренебрегая величиной z₁ по сравнению с z_m  можно определить величину z_m из соотношения:

откуда:

Коэффициент мощности при холостом ходе определяется из соотношения:

Коэффициент трансформации равен:

Схема опыта короткого замыкания приведена на рис. 11.

Рис. 11 — Схема опыта короткого замыкания

 В этом опыте вторичная обмотка замыкается накоротко, а на первичной обмотке с помощью регулятора устанавливают такое напряжение U_1k, при котором ток в первичной обмотке равен номинальному I_1k = I_1н. Величина U_1k  имеет весьма важное эксплуатационное значение и всегда указывается на щитке трансформатора. Обычно она указывается в процентах от номинального напряжения и для однофазных трансформаторов составляет 3%…5%.

Поскольку в рассматриваемом режиме U₂=0, то трансформатор не отдает потребителю полезной мощности и вся мощность P_1k, потребляемая из сети, расходуется на потери. Т.к. потери в стали  ?Р_ст пропорциональны квадрату магнитной индукции  ?Р_ст ? В² ? Е² ? U₁², то, ввиду малости напряжения U_1k, этими потерями пренебрегают и считают, что вся потребляемая мощность расходуется на потери в обмотках, т. е:

откуда получаем:

Полное сопротивление короткого замыкания равно:

поэтому :

Принимая далее, что :

получаем все параметры Т-образной схемы замещения трансформатора.

Рабочие характеристики трансформатора

Зависимость вторичного напряжения трансформатора от величины и характера нагрузки

Изменением напряжения двухобмоточного трансформатора при заданной нагрузке называется выраженная в процентах от номинального вторичного напряжения разность:

где U_2o и U_2н — вторичные напряжения при холостом ходе и при нагрузке.

Существуют определенные ГОСТом допустимые нормы изменения напряжения трансформатора при номинальной нагрузке. Часто в конструкции трансформатора предусматривается возможность в небольших пределах регулировать вторичное напряжение путем изменения числа витков первичной или вторичной обмоток, имеющих дополнительные выводы.

Физически влияние величины нагрузки на вторичное напряжение объясняется изменением (увеличением) падения напряжения на соп­ротивлениях обмоток трансформатора при увеличении тока нагрузки I₂ (или I₂’).

Логическая цепочка этого процесса такова:

При возрастании тока  увеличивается и ток I1 вызывая увеличение падения напряжения в сопротивлениях первичной обмотки. Поскольку:

то это приводит к некоторому снижению ЭДС E₁, и соответствующему изменению магнитного потока взаимоиндукции, а это влечет за собой уменьшение . В свою очередь падение напряжения на сопротивлениях вторичной обмотки создают дополнительные изменения напряжения  .

Влияние характера нагрузки (отношения x_н /r_н) на величину вторичного напряжения при неизменном токе нагрузки удобно проследить, пользуясь упрощенной векторной диаграммой (рис. 1), на которой показаны режимы работы трансформатора для случаев ?₂ > 0, ?₂ = 0  и ?₂ < 0, а также геометрическое место концов вектора при изменении угла ?₂  пределах :

Построение упрощенных диаграмм производятся следующим образом: из точки 0 как из центра проводится дуга окружности радиусом, равным в принятом масштабе величине напряжения ; под углом ?₂ проводятся направления вектора вторичного напряжения ; во всех случаях нагрузки треугольник короткого замыкания распо­лагается таким образом, чтобы вершина А была на дуге  , вер­шина С — на направлении вектора ; а катет ВС совпадал с направлением вектора тока .

Рис. — 12.  Упрощенная векторная диаграмма приведенного  трансформатора при различных по характеру нагрузках

Точки С, С₁ и C₂ определяют величину приведенного вторичного напряжения при соответствующем значении ?₂ . Если треугольник ABC поместить в положение 0 B’ C’, то дуга, проведенная из вершины С радиусом, равным , пройдет через точки С, С₁ и C₂ и является, таким образом, геометрическим местом конца вектора напряжения  .Из рис. 12 хорошо видно, что при активно-индуктивной (?₂ > 0) и чисто активной нагрузке (?₂ = 0) приведенное вторичное напряжение меньше первичного напряжения  .

При активно-емкостной нагрузке (?₂ < 0) вторичное напряжение может стать даже больше первичного.

Физически это объясняется следующим образом. Реактивная мощность, необходимая для создания магнитного поля взаимоиндукции определяется, главным образом, реактивным сопротивлением рассеяния x_k. При активно-емкостной нагрузке эта реактивная мощность может забираться от нагрузки и при определенной величине емкости в нагрузке избыток реактивной мощности отдается в первичную сеть. При этом растет ЭДС:

что приводит к перевозбуждению трансформатора, т.е. к возрастанию потока и увеличению напряжения .

Внешняя характеристика трансформатора

Внешней характеристикой трансформатора называют зависимость:

при   и cos?₁ = const (рис. 13).

Рис. 13 —  Внешняя характеристика трансформатора

Из рис. 13 следует, что внешняя характеристика трансформатора при увеличении тока нагрузки до номинального является достаточно жесткой. Изменение напряжения составляет всего несколько процентов и зависит от характера нагрузки, что находится в соответствии с векторной диаграммой (рис. 12 ).

При активной и активно-индуктивной нагрузке напряжение  уменьшается, при активно-емкостной нагрузке оно может несколько возрастать.  На практике величина изменения напряжения обычно рассчитывается по приближенной формуле:

где  ? = I₂/I_2н нагрузка трансформатора в относительных единицах;

Потери в трансформаторе и его КПД

Трансформатор потребляет из сети мощность:

где m₁ – число фаз.

Часть этой мощности, как отмечалось, теряется в виде потерь в обмотках:

другая часть — в виде потерь в сердечнике на гистерезисе и вихревые токи.

Электромагнитная мощность:

передается во вторичную обмотку посредством магнитного поля.

Полезная мощность равна:

Потери в стали:

мало изменяются при изменении нагрузки и относятся к категории постоянных потерь. Потери в обмотках:

являются переменными т. к. изменяются при изменении тока. Коэффициент полезного действия трансформатора показывает соотношение между мощностью, которая передается из первичной обмотки во вторичную и обратно, и мощностью, которая преобразуется в тепло. КПД определяется по формуле:

КПД силовых трансформаторов обычно достигает 94…98%. Рассчитывают трансформаторы таким образом, чтобы КПД имел наибольшее значение при нагрузке ? = 0,5 – 0,7 от номинальной. Обычно трансформаторы работают с некоторой недогрузкой — в области максимального значения КПД рис. 14.

Рис. 14 — Коэффициент полезного действия трансформатора

При передаче значительной реактивной мощности (при уменьшении cos?₂) КПД уменьшается, что показано на рис. 1, кривая 2.

Параллельная работа трансформаторов

Параллельная работа трансформаторов возможна лишь в том случае, если в обмотках трансформаторов не возникают уравнительные токи, а нагрузка распределяется пропорционально номинальным мощностям трансформаторов. Практически это сводится к выполнению следующих условий:

1. Напряжения обмоток высшего и низшего напряжения, указанные на заводских табличках, должны быть соответственно равны, т.е. должны быть равны коэффициенты трансформации k₁ = k₂ …k_n.

2. Напряжения короткого замыкания u_к, указываемые на заводских табличках трансформаторов, должны быть также равны; при параллельной работе трансформаторов допускают отклонения в пределах ±10 %.

3. Мощности параллельно работающих трансформаторов не должны значительно отличаться одна от другой. Допускается различие мощностей не больше чем в 3 раза.

4. Схемы и группы соединений обмоток трансформаторов, предназначенных для параллельной работы, должны быть одинаковыми. Это требование может быть выполнено, если условные обозначения схем и групп соединений, указанные на заводских табличках, будут одинаковыми.

5. Обмотки фаз трансформаторов, включенных для параллельной работы, должны совпадать, т. е. одинаково обозначенные выводы обмоток фаз должны быть присоединены к одной, а не к разным шинам.

Рассмотрим последствия нарушения названных условий.

Допустим, что не выполнено первое условие (k₁ < k₂ ). Это значит, что при одном и том же напряжении на первичных обмотках трансформаторов U₁, вторичные ЭДС трансформаторов будут неодинаковы Е₁ > Е₂. Под действием возникшей разности потенциалов в замкнутом контуре  вторичных обмоток пойдет уравнительный ток, который создаст падение напряжения в обмотках. В трансформаторе 1 это вызовет уменьшение напряжения на зажимах вторичной обмотки, в трансформаторе 2 – увеличение вторичного напряжения. В результате напряжение на внешних шинах будет иметь среднее значение. При нагрузке уравнительный ток накладывается на ток нагрузки, вследствии чего трансформатор 1 будет перегружен, а трансформатор 2 – недогружен. ГОСТ допускает расхождение в коэффициентах трансформации не больше ±0,5% от их среднего значения.

Если трансформаторы имеют неодинаковые номинальные напряжения короткого замыкания  u_1К  ? u_2К, значит неодинаковы сопротивления короткого замыкания Z_1К ? Z_2К. При работе трансформаторов в параллель напряжения вторичных обмоток одинаковы т. е. I₁₂Z_1К = I₂₂Z_2К, а это возможно лишь при неодинаковых токах трансформаторов. Это значит, что при параллельной работе трансформаторов нагрузка между ними будет распределяться непропорционально их номинальным мощностям. Чтобы не вызвать аварии трансформатора, имеющего меньшее значение u_К, необходимо снижать общую нагрузку. Это ведет к неполному использованию трансформаторов. Согласно ГОСТ необходимо, чтобы разница напряжений короткого замыкания не превышала ±10% от их среднего значения, а соотношение номинальных мощностей параллельно работающих трансформаторов было не больше, чем 3:1.

Несоблюдение четвертого условия вызывает настолько большой уравнительный ток, что трансформаторы могут выйти из строя из-за перегрева обмоток. Даже при минимальном расхождении групп соединения трансформаторов (например, у одного группа ?/? – 0, а у другого ?/? – 11) уравнительный ток будет примерно в 5 раз больше номинального, что равносильно короткому замыканию.

Во избежание ошибок присоединение трансформаторов к сети без нулевого провода ( пятое условие ) производят следующим образом. Включают оба трансформатора со стороны высшего напряжения, затем один из них присоединяют к шинам низкого напряжения выводами обмоток всех фаз, а другой — выводами обмотки одной фазы, например С. Затем между выводами обмоток фаз В и А второго трансформатора и шинами низкого напряжения, к которым соответственно присоединены выводы обмоток фаз В и А первого трансформатора, включают вольтметр или лампу. Если обозначения выводов обмоток фаз на трансформаторах нанесены правильно, то между всеми парами одноименных выводов напряжение равно нулю (лампа не горит или вольтметр показывает нуль) и выводы В и А второго трансформатора могут быть соединены с шинами, к которым соответственно присоединены выводы В и А первого трансформатора.

Контрольные лампы или вольтметры при указанной проверке должны быть взяты на двойное рабочее напряжение трансформатора со стороны низшего напряжения.

Режимы работы трансформатора — Студопедия

Существуют такие три режима работы трансформатора: холостой ход, режим короткого замыкания, рабочий режим. Трансформатор «на холостом ходу», когда выводы от вторичных обмоток никуда не подключены. Если сердечник трансформатора изготовлен из магнитомягкого материала, тогда ток холостого хода показывает, какие в трансформаторе происходят потери на перемагничивание сердечника и вихревые токи.

В режиме короткого замыкания выводы вторичной обмотки соединены между собой накоротко, а на первичную обмотку подают небольшое напряжение, с таким расчетом, чтобы ток короткого замыкания был равен номинальному току трансформатора. Величину потерь (мощность) можно посчитать, если напряжение во вторичной обмотке умножить на ток короткого замыкания. Такой режим трансформатора находит свое техническое применение в измерительных трансформаторах.

Если подключить нагрузку к вторичной обмотке, то в ней возникает ток, индуцирующий магнитный поток, направленный противоположно магнитному потоку в первичной обмотке. Теперь в первичной обмотке ЭДС источника питания и ЭДС индукции питания не равны, поэтому ток в первичной обмотке увеличивается до тех пор, пока магнитный поток не достигнет прежнего значения.

Для трансформатора в режиме активной нагрузки справедливо равенство:
U_2/U_1 =N_2/N_1 , где U2, U1 – мгновенные напряжения на концах вторичной и первичной обмоток, а N1, N2 – количество витков в первичной и вторичной обмотке. Если U2 > U1, трансформатор называется повышающим, в противном случае перед нами понижающий трансформатор. Любой трансформатор принято характеризовать числом k, где k – коэффициент трансформации.

Во всех маслонаполненных электрических аппаратах масло используется как основной диэлектрик для повышения электрической прочности. Кроме того, в трансформаторах масло — это основная охлаждающая среда, а в высоковольтных масляных выключателях — и дугогасящая.

Масло многообъемных масляных выключателей дополнительно проверяют на содержание взвешенного угля после отключения КЗ (если токи КЗ превышают половину паспортного значения). Срок периодических испытаний сокращают при неблагоприятных для изоляционного масла условиях эксплуатации. К таким условиям относят, например, высокую рабочую температуру, влажный климат. Изоляционное масло, которое не удовлетворяет указанным требованиям, восстанавливают.
При эксплуатации уровень масла в трансформаторах и выключателях постепенно понижается вследствие его испарения и периодических отборов для испытаний. Поэтому периодически масло доливают. В отдельных случаях смешение масел приводит к ухудшению их качества. В связи с этим смешивать масла можно лишь при наличии подтверждения лабораторными испытаниями.

В процессе эксплуатации стабильность параметров масла постепенно снижается из-за окисления кислородом воздуха, под действием солнечного света, из-за высокой температуры, разложения материалов изоляции и т.д. Для контроля качества масла в маслонаполненном оборудовании применяют различные виды химического анализа (сокращенный и полный) и испытания масла. Для контроля качества эксплуатационного масла применяется сокращенный анализ. В него входят: внешний осмотр пробы (определение цвета, наличия механических примесей и капель воды), определение кислотного числа, реакций водной вытяжки, температуры вспышки в закрытом тигле и пробивного напряжения.

.

Режимы работы трансформатора. Потери и К.П.Д. трансформатора. — Студопедия

Тема 3.1: ТРАНСФОРМАТОРЫ

Назначение трансформаторов и их применение

Устройство трансформатора

Принцип действия однофазного трансформатора.

Режимы работы трансформатора. Потери и К.П.Д. трансформатора.

1. Трансформатор предназначен для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Увеличение напряжения осуществляется с помощью повышающих трансформаторов, уменьшение — понижающих.

Трансформаторы применяют в линиях электропередачи, в технике связи, в автоматике, измерительной технике и других областях.

В соответствии с назначением различают: силовые трансформаторы для питания электрических двигателей и осветительных сетей; специальные трансформаторы для питания сварочных аппаратов, электропечей и других потребителей особого назначения; измерительные трансформаторы для подключения измерительных приборов.

По числу фаз трансформаторы делятся на одно- и трехфазные. Трансформаторы, используемые в технике связи, подразделяют на низко- и высокочастотные.

Расчетные мощности трансформаторов различны — от долей вольт-ампер до десятков тысяч киловольт-ампер; рабочие частоты — от единиц герц до сотен килогерц.

Трансформатор — простой, надежный и экономичный электрический аппарат. Он не имеет движущихся частей и скользящих контактных соединений, его КПД достигает 99%. КПД трансформатора, определяемый как отношение мощности на выходе Р₂ к мощности на входе P₁, зависит от нагрузки. Современные трансформаторы рассчитывают таким образом, что максимум КПД достигается при нагрузке, равной примерно половине номинального значения.

2 Трансформатор представляет собой замкнутый магнитопровод, на котором расположены две или несколько обмоток. В маломощных высокочастотных трансформаторах, используемых в радиотехнических схемах, магнитопроводом может являться воздушная среда.

Для уменьшения потерь на гистерезис магнитопровод изготовляют из магнитомягкого материала — трансформаторной стали, имеющей узкую петлю намагничивания. Для уменьшения потерь на вихревые токи в материал магнитопровода вводят примесь кремния, повышающую его электрическое сопротивление, а сам магнитопровод собирают из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,35–0,5 мм, изолированных друг от друга теплостойким лаком или специальной бумагой.

Различают трансформаторы стержневого (рис. 1, а) и броневого (рис. 1, б) типов. Последний хорошо защищает обмотки катушек от механических повреждений. Верхнюю часть магнитопровода, называемую ярмом, крепят после насадки на стержень катушек (обмоток). Стержни и ярмо соединяют очень плотно, чтобы исключить воздушные зазоры на стыках. В маломощных трансформаторах находят широкое применение кольцевые магнитопроводы, которые собирают из штампованных колец или навивают из длинной ленты. В этих магнитопроводах отсутствует воздушный зазор, поэтому магнитный поток рассеяния мал. В трансформаторах, рассчитанных на повышенные частоты, кольцевые магнитопроводы часто прессуют из ферромагнитного порошка, смешанного с изоляционным лаком.

Обмотки трансформаторов изготовляют из медного провода и располагают на одном и том же или на разных стержнях, рядом или одну под другой. В последнем случае непосредственно к стержню примыкает обмотка низшего напряжения, а поверх нее размещается обмотка высшего напряжения.

Обмотку трансформатора, к которой подводится напряжение питающей сети, называют первичной, а обмотку, к которой подсоединяется нагрузка,— вторичной. На сердечнике может быть размещено несколько вторичных обмоток с разным числом витков, что позволяет получить различные по значению вторичные напряжения.

При работе трансформатора за счет токов в об­мотках, а также вследствие перемагничивания магни­топровода и вихревых токов выделяется теплота. Трансформаторы небольшой мощности (до 10 кВА), для которых достаточно воздушного охлаждения, называют сухими.

В мощных трансформаторах применяют масляное охлаждение (рис. .2). Магнитопровод 1 с обмотками 2, 3 размещается в баке 4, заполненном минеральным (трансформаторным) маслом. Масло не только отводит теплоту за счет конвекции или принудительной циркуляции, но и является хорошим диэлектриком (изолятором). Масляные трансформаторы надежны в работе и имеют меньшие размеры и массу по сравнению с сухими трансформаторами той же мощности. При изменении температуры объем масла меняется. При повышении температуры излишек масла погло­щается расширителем 5, а при понижении температуры масло из расширителя возвращается в основной бак.

В тех случаях, когда требуется плавно изменять вторичное напряжение, применяют скользящий контакт для изменения числа витков обмотки (примерно так же, как это делается в ползунковых реостатах). Скользящий контакт широко используется в автотрансформаторах, рассчитанных на регулирование напряжения в небольших пределах (рис. 3).

3. Работа трансформатора основана на явлении взаимной индукции, которое является следствием закона электромагнитной индукции.

Рассмотрим более подробно сущность процесса трансформации тока и напряжения в однофазном трансформаторе, принципиальная схема которого представлена на рис.4.

При подключении первичной обмотки трансформа­тора к сети переменного тока напряжением U₁ по обмотке; начнет проходить ток I₁ (рис. 4), который создаст в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней ЭДС E₂, которую можно использовать для питания нагрузки.

Поскольку первичная и вторичная обмотки транс форматора пронизываются одним и тем же магнитным потоком Ф, выражения индуцируемых в обмотке ЭДС можно записать в виде

где f — частота переменного тока; w₁, w₂ — число витков обмоток.

Поделив одно равенство на другое, получим .

Отношение чисел витков обмоток трансформатора называют коэффициентом трансформации k.

Таким образом, коэффициент трансформации показывает, как относятся действующие значения ЭДС вторичной и первичной обмоток.

На основании закона электромагнитной индукции можно написать

Поделив одно равенство на другое, получим

Следовательно, в любой момент времени отношение мгновенных значений ЭДС вторичной и первичной обмоток равно коэффициенту трансформации. Нетрудно понять, что это возможно только при полном совпадении по фазе ЭДС е₁ и е₂.

Если цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута (режим холостого хода), то напряжение на зажимах обмотки равно ее ЭДС: U₂=E₂, а напряжение источника питания почти полностью уравновешивается ЭДС первичной обмотки U=E₁. Следовательно, можно написать, что .

Таким образом, коэффициент трансформации может быть определен на основании измерений напряжения на входе и выходе ненагруженного трансформатора. Отношение напряжений на обмотках недогруженного трансформатора указывается в его паспорте.

Учитывая высокий КПД трансформатора, можно полагать, что , где  — мощность, потребляемая из сети;  — мощность, отдаваемая в нагрузку.

Таким образом, , откуда

Отношение токов первичной и вторичной обмоток приближенно равно коэффициенту трансформации, поэтому ток I₂ во столько раз увеличивается (уменьшается), во сколько раз уменьшается (увеличивается) U₂.

4 РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА

Существует пять характерных режимов работы трансформатора:

1. Рабочий режим;

2. Номинальный режим;

3. Оптимальный режим;

4. Режим холостого хода;

5. Режим короткого замыкания.

РАБОЧИЙ РЕЖИМ характеризуется следующими признаками:

Напряжение первичной обмотки близко к номинальному значению или равно ему U₁≈U_1ном;

Ток первичной обмотки меньше своего номинального значения или равен ему I₁≤I_1ном.

В рабочем режиме эксплуатируются большинство трансформаторов. Например, силовые трансформаторы работают с напряжениями и токами обмоток отличными от номинальных. Так происходит из-за переменчивого характера их нагрузки.

Измерительные, импульсные, сварочные, разделительные, выпрямительные, вольтодобавочные и другие трансформаторы, также обычно эксплуатируются в рабочем режиме просто из-за того, что напряжение сети к которой они подключены отличается от номинального.

НОМИНАЛЬНЫЙ РЕЖИМ — характерные признаки:

Напряжение первичной обмотки равно номинальному U₁=U_1ном;

Ток первичной обмотки равен номинальному I₁=I_1ном.

Номинальный режим работы является частным случаем рабочего режима. В таком режиме могут работать все трансформаторы, но, как правило, с бóльшими в сравнении с рабочим режимом потерями и как следствие, с меньшим КПД (коэффициентом полезного действия). Из-за этого при эксплуатации трансформатора его избегают.

ОПТИМАЛЬНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ характеризуется условием:

              (1)

где P_хх — потери холостого хода;

P_кз — потери короткого замыкания;

k_нг — коэффициент нагрузки трансформатора, определяемый по формуле:

          (2)

где I₂ — ток нагрузки вторичной обмотки;

I_2ном — номинальный ток вторичной обмотки.

В оптимальном режиме работы трансформатор работает с максимальным КПД, поэтому выражение (1) по существу представляет собой условие максимального КПД.

РЕЖИМ ХОЛОСТОГО ХОДА — характерные признаки:

Вторичная обмотка трансформатора разомкнута или к ней подключена нагрузка с сопротивлением гораздо большим сопротивления номинальной нагрузки обмотки трансформатора;

К первичной обмотке приложено напряжение U_1хх= U_1ном;

Ток вторичной обмотки I₂≈0.

РЕЖИМ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ характеризуется:

Вторичная обмотка замкнута накоротко или к ней подключена нагрузка сопротивлением гораздо меньшим внутреннего сопротивления трансформатора;

К первичной обмотке приложена такая величина напряжения U₁, что ток первичной обмотки равен её номинальному току I ₁= I _1ном.

Напряжение вторичной обмотки U₂=0.

Режим короткого замыкания является рабочим режимом для трансформаторов тока и сварочных трансформаторов, в тоже время являясь аварийным для других трансформаторов.

В процессе трансформирования электрической энергии часть энергии теряется в трансформаторе на покрытие потерь. Эти потери разделяются на электрические и магнитные:

1). Электрические потери обусловлены нагревом обмоток трансформатора при прохождении по ним электрического тока. Их мощность Рэ равна сумме потерь в первичной обмотке Р_э1 и во вторичной обмотке Р_э2:

Р_э = Р_э1+Р_э2.

Электрические потери называют переменными, т. к. их величина зависит от нагрузки трансформатора. При номинальном токе для мощных трансформаторов они обычно составляют (0,5÷2)% номинальной мощности. Уменьшение электрических потерь достигается соответствующим выбором площади сечения проводов обмоток трансформатора (снижение электрических потерь в проводах).

2). Магнитные потери происходят главным образом в магнитопроводе трансформатора. Причина этих потерь — систематическое перемагничивание магнитопровода переменным магнитным полем. Их мощность Р_м равна сумме потерь от гистерезиса Р_г и от вихревых токов Р_в.т.

Р_м = Р_г+Р_в.т.

Магнитные потери для мощных трансформаторов составляют (0,3÷0,5)% номинальной мощности. С целью уменьшения магнитных потерь магнитопровод трансформатора изготовляют из электротехнической стали (снижение потерь от перемагничивания) и делают его шихтованным в виде пакетов из тонких пластин, изолированных с двух сторон (снижение потерь от вихревых токов).

Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора определяется как отношение активной мощности на выходе вторичной обмотки Р₂ (полезная мощность) к активной мощности на входе первичной обмотки Р1 (подводимая мощность):

Ƞ = Р₂/Р₁=Р₂/(Р₂+Р_э+Р_м).

Благодаря отсутствию в трансформаторе вращающихся и трущихся деталей потери энергии в нём по сравнению с вращающимися машинами малы, а КПД высок и достигает в трансформаторах большой мощности (0,98÷0,99). В трансформаторах малой мощности КПД достигает (0,5÷0,7). Максимальное значение КПД трансформатор имеет при такой нагрузке, когда электрические потери Р_э равны магнитным потерям Р_м.

Режимы работы силовых трансформаторов. — Студопедия.Нет

Режим работы силового трансформатора определяется его нагрузкой, напряжением на обмотках, температурой масла, обмоток, условиями окружающей среды и другими параметрами. Можно выделить три режима работы трансформатора: нормальный режим работы, режим перегрузки и аварийный режим.

Нормальный режим работы характеризуется условиями (рабочими параметрами), при которых трансформатор может проработать весь гарантированный заводом-изготовителем срок службы. К нормальному режиму относятся следующие режимы: номинальный режим, режим холостого хода, режим параллельной работы и др.

Номинальный режим трансформатора соответствует его работе с номинальным напряжением, номинальной нагрузкой при температуре окружающей среды (воздуха) +20°С. Данный режим является идеализированным.

Нормальный нагрузочный режим. Практически при работе трансформатора его параметры отклоняются от номинальных, эти отклонения в нормальном режиме лежат в пределах допустимых стандартами, техническими условиями и другими нормативными документами.+

Режим холостого хода характеризуется работой трансформатора без нагрузки. С точки зрения эксплуатации данный режим является нежелательным, так как связан с непроизводственными расходами электроэнергии.

Режим параллельной работы трансформаторов допускается при условии, что ни один из них не будет перегружен. Это достигается при соблюдении следующих условий: группы соединений обмоток трансформатора должны быть одинаковы; коэффициенты трансформации не должны отличаться более чем на 0,5%; соотношение номинальных мощностей трансформаторов должно быть не более 1:3; напряжения короткого замыкания должны отличаться не более чем на 10%; должна быть выполнена фазировка трансформаторов.

Режим перегрузки характеризуется отклонением параметров трансформатора (нагрузка, температура) за пределы, установленные нормативными документами для нормального нагрузочного режима. При длительной работе трансформатора в режиме перегрузки происходит сокращение срока его службы. Перегрузка трансформатора может быть систематической, вызванной суточными изменениями графиков нагрузки, и аварийной, вызванной аварийным отключением какого-либо элемента системы электроснабжения. Режим перегрузки трансформатора допускается стандартами и техническими условиями в течении определенного времени (ГОСТ 14209-97).

Аварийный режим работы трансформатора связан со значительными отклонениями параметров трансформатора от номинальных значений. Работа трансформатора в данном режиме недопустима, так как может привести к его значительным повреждениям. Аварийный режим работы может быть связан с внутренними повреждениями в трансформаторе или с внешними повреждениями в системе электроснабжения. Признаками возникновения аварийного режима связанного с внутренними повреждениями может быть:

· сильный и неравномерный шум или потрескивание внутри бака трансформатора;

· повышенный нагрев трансформатора при нагрузке, не превышающей номинальную и нормальной работе охлаждающих устройств;

· выброс масла из расширителя или разрыв диафрагмы выхлопной трубы;

· течь масла или уменьшение уровня масла ниже уровня масломерного стекла в расширителе.

Аварийный режим, связанный с внутренними повреждениями трансформатора, как правило, отключается газовой или дифференциальной защитами.

Аварийный режим, связанный с внешними повреждениями, как правило, характеризуется значительным увеличением тока трансформатора и отключается максимальной токовой защитой.

Автотрансформаторы.

В некоторых случаях бывает необходимо изменять напряжение в небольших пределах. Это проще всего сделать недвухобмоточными трансформаторами, а однообмоточными, называемыми автотрансформаторами. Если коэфициент трансформации мало отличается от единицы, то разница между величиной токов в первичной и во вторичной обмотках будет невелика. Что же произойдет, если объединить обе обмотки? Получится схема автотрансформатора (рис. 1).

Автотрансформаторы относят к трансформаторам специального назначения. Автотрансформаторы отличаются от трансформаторов тем, что у них обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего напряжения, т. е. цепи этих обмоток имеют не только магнитную, но и гальваническую связь.

В зависимости от включения обмоток автотрансформатора можно получить повышение или понижение напряжения.

Рис. 1 Схемы однофазных автотрансформаторов: а — понижающего, б — повышающего.

Если присоединить источник переменного напряжения к точкам А и Х, то в сердечнике возникнет переменный магнитный поток. В каждом из витков обмотки будет индуктироваться ЭДС одной и той же величины. Очевидно, между точками а и Х возникнет ЭДС, равная ЭДС одного витка, умноженной на число витков, заключенных между точками а и Х.

Если присоединить к обмотке в точках a и Х какую-нибудь нагрузку, то вторичный ток I2 будет проходить по части обмотки и именно между точками a и Х. Но так как по этим же виткам проходит и первичный ток I1, то оба тока геометрически сложатся, и по участку aХ будет протекать очень небольшой по величине ток, определяемый разностью этих токов. Это позволяет часть обмотки сделать из провода малого сечения, чтобы сэкономить медь. Если принять во внимание, что этот участок составляет большую часть всех витков, то и экономия меди получается весьма ощутимой.

Таким образом, автотрансформаторы целесообразно использовать для незначительного понижения или повышения напряжения, когда в части обмотки, являющейся общей для обеих цепей автотрансформатора, устанавливается уменьшенный ток что позволяет выполнить ее более тонким проводом и сэкономить цветной металл. Одновременно с этим уменьшается расход стали на изготовление магнитопровода, сечение которого получается меньше, чем у трансформатора.

В электромагнитных преобразователях энергии — трансформаторах — передача энергии из одной обмотки в другую осуществляется магнитным полем, энергия которого сосредоточена в магнитопроводе. В автотрансформаторах передача энергии осуществляется как магнитным полем, так и за счет электрической связи между первичной и вторичной обмотками.

Трансформатор и автотрансформатор

Автотрансформаторы успешно конкурируют с двухобмоточными трансформаторами, когда их коэффициент трансформации — мало отличается от единицы и но более 1,5 — 2. При коэффициенте трансформации свыше 3 автотрансформаторы себя не оправдывают.

В конструктивном отношении автотрансформаторы практически не отличаются от трансформаторов. На стержнях магнитопровода располагаются две обмотки. Выводы берутся от двух обмоток и общей точки. Большинство деталей автотрансформатора в конструктивном отношении не отличаются от деталей трансформатора.

Лабораторные автотрансформаторы (ЛАТРы)

Автотрансформаторы применяются также в низковольтных сетях в качестве лабораторных регуляторов напряжения небольшой мощности (ЛАТР). В таких автотрансформаторах регулирование напряжения осуществляется при перемещении скользящего контакта по виткам обмотки.

Лабораторные регулируемые однофазные автотрансформаторы состоят из кольцеобразного ферромагнитного магнитопровода, обмотанного одним слоем изолированного медного провода (рис. 2).

От этой обмотки сделано несколько постоянных ответвлений, что позволяет использовать эти устройства как понижающие или повышающие автотрансформаторы с определенным постоянным коэффициентом трансформации. Кроме того, на поверхности обмотки, очищенной от изоляции, имеется узкая дорожка, по которой перемещают щеточный или роликовый контакт для получения плавно регулируемого вторичного напряжения в пределах от нуля до 250 В.

При замыкании соседних витков в ЛАТР не происходит витковых замыканий, так как токи сети и нагрузки в совмещенной обмотке автотрансформатора близки друг к другу и направлены встречно.

Лабораторные автотрансформаторы изготовляют номинальной мощностью 0,5; 1; 2; 5; 7,5 кВА.

Схема лабораторного регулируемого однофазного автотрансформатора

Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР)

Трехфазные автотрансформаторы

Наряду с однофазными двухобмоточными автотрансформаторами часто применяются трехфазные двухобмоточные и трехфазные трехобмоточные автотрансформаторы.

В трехфазных автотрансформаторах фазы обычно соединяют звездой с выведенной нейтральной точкой (рис. 3). При необходимости понижения напряжения электрическую энергию подводят к зажимам А, В, С и отводят от зажимов а, b, с, а при повышении напряжения — наоборот. Их применяют в качестве устройств для снижения напряжения при пуске мощных двигателей, а также для ступенчатого регулирования напряжения на зажимахнагревательных элементов электрических печей.

Рис. 3. Схема трехфазного автотрансформатора с соединением фаз обмотки звездой с выведенной нейтральной точкой

Трехфазные высоковольтные трехобмоточные трансформаторы используются также в высоковольтных электрических сетях.

Трехфазные автотрансформаторы, как правило, на стороне высшего напряжения соединяются в звезду с нулевым проводом. Соединение в звезду обеспечивает снижение напряжения, на которое рассчитывается изоляция автотрансформатора.

Применение автотрансформаторов улучшает КПД энергосистем, обеспечивает снижение стоимости передачи энергии, но приводит к увеличению токов короткого замыкания.

Недостатки автотрансформаторов.

Недостатком автотрансформатора является необходимость выполнения изоляции обеих обмоток на большее напряжение, так как обмотки имеют электрическую связь.

Существенный недостаток автотрансформаторов — гальваническая связь между первичной и вторичной цепями, что не позволяет использовать их в качестве силовых в сетях 6 — 10 кВ при понижении напряжения до 0,38 кВ, так как напряжение 380 В подводится к оборудованию, на котором работают люди.

При авариях из-за наличия электрической связи между обмотками в автотрансформаторе высшее напряжение может оказаться приложенным к обмотке низшего. При этом все части эксплуатируемой установки окажутся соединенными с высоковольтной частью, что не допускается по условиям безопасности обслуживания и из-за возможности пробоя изоляции токопроводящих частей присоединенного электрооборудования.

здушных линий передач

Рабочий режим работы трансформатора — Студопедия.Нет

Ленца, противоположен знаку магнитного потока Ф₁, создаваемому первичной обмоткой (рис. 1.6). В результате суммарный магнитный поток в сердечнике уменьшится, а это приведет к уменьшению ЭДС E₁ в первичной обмотке. Вследствие этого часть приложенного напряжения U₁ окажется неуравновешенной, что приведет к увеличению тока в первичной обмотке. Ток в первичной обмотке будет возрастать до тех пор, пока не прекратится размагничивающее действие тока нагрузки. После этого суммарный магнитный поток восстановится приблизительно до прежнего значения Ф₀.

При увеличении сопротивления вторичной обмотки уменьшаются ток 1₂ и магнитный поток Ф₂, что приводит к возрастанию суммарного магнитного потока и, следовательно, к возрастанию Е₁. В результате нарушится равновесие между приложенным напряжением U₁ и ЭДС Е₁: их разность уменьшится, а следовательно уменьшится и ток I₁ до такого значения, при котором суммарный магнитный поток вернется к прежнему значению [4, ст. 134 – 135].

Таким образом, магнитный поток в трансформаторе остается практически постоянным как в режиме холостого хода, так и режиме переменной нагрузки. Это свойство трансформатора называют способностью саморегулирования, то есть способностью автоматически регулировать значение первичного тока I₁ при изменении тока нагрузки I₂ [4, ст. 134 – 135].

Коэффициент полезного действия трансформатора

Преобразование электрической энергии в трансформаторе сопровождается потерями. Коэффициент полезного действия трансформатора (к.п.д.) – это отношение отдаваемой активной мощности к потребляемой (10) [4, ст. 136]:

;                                                                 (10)

где Р₁ – мощность, потребляемая из сети,

Р₂ – мощность, отдаваемая нагрузке.

Для практического определения к.п.д. трансформатора при номинальной нагрузке, необходимо измерить мощности в первичной и вторичной обмотках. Это измерение можно значительно упростить, включив во вторичную обмотку активную нагрузку. Тогда cos φ ≈ 1 (поток рассеяния невелик), и мощность Р₂ может быть вычислена по показаниям амперметра и вольтметра, включенных во вторичную цепь. Такой метод определения к.п.д. называется методом непосредственных измерений. Он весьма прост, но имеет два существенных недостатка: малую точность и неэкономичность.

Первый из них обусловлен тем, что к.п.д. трансформаторов очень высок (до 99%): поэтому мощности Р₂ и Р₁ иногда мало отличаются по величине. В этом случае незначительные ошибки в показаниях приборов приведут к большим ошибкам в значении к.п.д. Неэкономичность этого способа связана с большим расходом электроэнергии за время испытания, так как трансформатор приходится нагружать до номинальной мощности. Поэтому метод непосредственных измерений не нашел промышленного применения, но может быть использован для трансформаторов малой мощности с небольшим к.п.д. (например, в учебной практике).

На практике к.п.д. трансформаторов определяют косвенным методом, т.е. путем раздельного определения потерь, исходя из того, что к.п.д. трансформатора может быть представлен в виде (11) [4, ст. 137]:

;                                                          (11)

где Р_ст – потери в стали (в сердечнике),

Р_м – потери в меди (в обмотках).

Потери в стали и потери в меди измеряют в опытах холостого хода и короткого замыкания, соответственно.

В опыте холостого хода, в котором на первичную обмотку подают номинальное напряжение, а вторичную обмотку оставляют разомкнутой, определяют потери в стали, т.е. потери на гистерезис и вихревые токи. Так как при номинальном напряжении на первичной обмотке магнитный поток практически постоянен, то независимо от того, нагружен трансформатор или нет, потери в стали для него являются постоянной величиной. Таким образом, можно считать, что в режиме холостого хода энергия, потребляемая трансформатором из сети, расходуется только на потери в стали, поэтому мощность этих потерь измеряют ваттметром, включенным в цепь первичной обмотки. При этом не учитываются потери на нагревание провода первичной обмотки током холостого хода. Но этот ток невелик, и потери от него также невелики. В этом опыте определяется также коэффициент трансформации k и ток холостого хода I₀₁.

Если вторичную обмотку трансформатора замкнуть накоротко, а на первичную обмотку подать такое пониженное напряжение, при котором токи в обмотках не превышают номинальных значений, то энергия, потребляемая трансформатором из сети, расходуется в основном на тепловые потери в проводах обмоток трансформатора. При короткозамкнутой вторичной обмотке к первичной подводится пониженное напряжение, поэтому магнитный поток очень мал и потери в стали, зависящие от значения магнитного потока, также малы. Этот опыт называют опытом короткого замыкания. Следовательно, ваттметр, включенный в цепь первичной обмотки трансформатора в этом опыте, покажет мощность, соответствующую потерям в меди (Р_м) [4, ст. 137].

§65. Режимы работы трансформатора и его характеристики

Режим холостого хода. При разомкнутой вторичной обмотке трансформатор работает в режиме холостого хода. Ток холостого хода i₀, проходящий по первичной обмотке, имеет две составляющие: активную i_0a и реактивную i_0р. При этом

Í = Í_0a + Í_0р

Реактивная составляющая называется намагничивающим током, этот ток создает магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. Активная составляющая обеспечивает поступление в трансформатор электрической энергии, необходимой для компенсации потерь энергии в стали магнитопровода. Она невелика, поэтому ток холостого хода практически можно считать равным намагничивающему току: I₀≈ I_0р. При проектировании трансформаторов магнитное сопротивление магнитопровода стремятся сделать малым, чтобы ток холостого хода для мощных трансформаторов составлял 3—4%, а трансформаторов средней мощности — 8—10% номинального тока.

Э. д. с, индуцированные в первичной и вторичной обмотках, согласно закону электромагнитной индукции пропорциональны скорости изменения магнитного потока. Следовательно, они пропорциональны максимальному значению магнитного потока Фm и частоте его изменения. В каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется э. д. с, действующее значение которой E_В = 4,44 fФ_т , где 4,44 = 2√2 — постоянная.

Соответственно:

E₁ = 4,44 fω₁Ф_т; E₂ = 4,44 fω₂Ф_т

При холостом ходе э. д. с. Е₁ практически равна питающему напряжению U₁, так как падение напряжения в первичной обмотке, создаваемое небольшим током холостого хода, мало. Если изменяется напряжение U₁, то будут меняться э. д. с. Е₁, магнитный поток Ф_т и ток холостого хода I₀. Зависимость э. д. с. Е₁ от тока холостого хода называется характеристикой холостого хода (рис. 221, а). При малых напряжениях U₁ и э. д. с. Е₁ магнитный поток трансформатора мал, и для его создания требуется небольшой ток холостого хода. В этом случае магнитная система трансформатора не насыщена и ток I₀ возрастает пропорционально U₁ (так же как и ток возбуждения в генераторе постоянного тока). При дальнейшем увеличении напряжения U₁ магнитная цепь трансформатора насыщается и ток I₀ начинает расти быстрее, чем э. д. с. Е₁. Значительное увеличение напряжения U₁ свыше номинального недопустимо, так как при этом резко увеличивается ток холостого хода.

Нагрузочный режим. При подключении нагрузки Z_H к вторичной обмотке трансформатора (рис. 222) он начинает отдавать нагрузке некоторую мощность. Соответственно увеличивается и мощность, получаемая первичной обмоткой из питающей сети. Следовательно, при увеличении тока i₂ во вторичной обмотке возрастает и ток i₁ в первичной обмотке.

Магнитный поток трансформатора определяется значением питающего напряжения U₁ и практически не зависит от нагрузки. Поэтому результирующая м. д. с, создаваемая при нагрузке то-

Рис. 221. Характеристики силовых и выпрямительных трансформаторов: а — холостого хода; б— внешние (φ2> 0 — активно-индуктивная нагрузка, (φ2<0— активно-емкостная)

Рис. 222. Схема магнитных потоков в трансформаторе при нагрузке

ками i₁, и i₂, должна оставаться такой же, как и при холостом ходе:

F₁ + F₂ = _F0

где

F₁=I₁ω₁ — м. д. с. первичной обмотки при нагрузке;
F₂=I₂ω₂—м. д. с. вторичной обмотки при нагрузке;
F₀=I₀ω₀—м. д. с. первичной обмотки при холостом ходе.

Уравнение (78) называется уравнением равновесия магнитодвижущих сил трансформатора. Если поделить обе его части на
ω1, то получим: Í₁= Í₀ — Í₂ω₂/ ω₁, откуда следует, что наличие тока I₂ во вторичной обмотке трансформатора вызывает автоматически увеличение тока I₁, в первичной обмотке. Обычно в трансформаторах большой и средней мощности ток I0 составляет несколько процентов от номинального значения тока I₀. Поэтому при нагрузках, близких к номинальной, можно считать, что Í₁ ≈ Í₂ω₂/ ω₁

Токи i₁ и i₂, проходя по обмоткам трансформатора, создают в них падения напряжения — активные и реактивные (индуктивные). Активные падения напряжения возникают в результате прохождения токов i₁ и i₂ по активным сопротивлениям R₁ и R₂ обмоток. Реактивные падения напряжения обусловливаются действием потоков рассеяния Ф_?1 и Ф_?2, создаваемых токами i₁, и i₂. В отличие от основного потока Ф, который замыкается по сердечнику и сцеплен одновременно с обеими обмотками, потоки Ф_?1 и Ф_?2 сцеплены каждый только со своей собственной обмоткой и индуцируют в них э. д. с. самоиндукции е_L1 и е_L2. Эти э. д: с, как было показано в § 51, создают индуктивные сопротивления Х₁ и Х₂ обмоток, в которых при прохождении токов i₁ и i₂ возникают падения напряжения.

Для определения изменения вторичного напряжения трансформатора при нагрузке напряжения U2 обычно приводят к первичному, умножая его на коэффициент трансформации п. т. е. U’₂=U’₂n. Точно так же приводят к первичной обмотке ток I₂, умножая его на 1/n, т. е. I’₂ = I’₂/n. Величины U’₂ и I’₂ называются приведенными вторичным напряжением и вторичным током.

Изменение вторичного напряжения можно определить по внешней характеристике трансформатора (см. рис. 221,б), которая представляет собой графическую зависимость приведенного вторичного напряжения U’₂ от приведенного вторичного тока I’₂. При холостом ходе приведенное вторичное напряжение U’₂ будет равно

Рис. 223. Внешняя характеристика сварочного трансформатора

первичному U₁, при нагрузке же из-за падений напряжений в сопротивлениях R₁, R₂, Х₁ и Х₂ первичной и вторичной обмоток оно будет меньше U₁. В трансформаторах средней и большой мощности реактивное падение напряжения обычно в несколько раз превышает активное. Поэтому и активно-индуктивная нагрузка вызывает большее изменение напряжения, чем активная (изменение напряжения возрастает с уменьшением cos?₂ в цепи нагрузки). В трансформаторах малой мощности, наоборот, активное падение напряжения обычно больше реактивного и изменение напряжения уменьшается с увеличением cosφ₂.

Обычно изменение напряжения ?U при работе трансформатора под нагрузкой определяют при номинальном значении первичного напряжения U_1НОМ и выражают в процентах:

Δu% = [(U_1НОМ — U₂n) / U_1НОМ ] 100

Величину ?u % иногда называют относительной потерей напряжения в трансформаторе. В силовых и выпрямительных трансформаторах изменение напряжения при номинальном токе обычно составляет 2—6% (в зависимости от cos?2).

Короткое замыкание. В паспорте трансформатора указывают не изменение напряжения, которое различно для разных cosφ2, а результирующее падение напряжения в его обмотках при номинальном нагрузочном токе. Это падение напряжения называют напряжением короткого замыкания, и его можно определить опытным путем, если питать трансформатор с замкнутой накоротко вторичной обмоткой пониженным напряжением UK (опыт короткого замыкания). В этом случае напряжение UK будет равно такому напряжению U1, при котором по обмоткам замкнутого накоротко трансформатора протекают номинальные токи.

Напряжение короткого замыкания является весьма важным эксплуатационным показателем, его выражают в процентах от U_1НОМ:

u_k% = (U_k / U_1НОМ) 100

Для трансформаторов средней мощности u_k% = 5-7%, для мощных трансформаторов 6—12%.

Если короткое замыкание происходит в процессе эксплуатации трансформатора при номинальном напряжении, то в обеих обмотках возникают большие токи, превышающие номинальное значение в 10—20 раз, при этом повышается температура обмоток и на них действуют большие электромагнитные силы. Такое замыкание является аварийным и требует специальной защиты, которая должна отключить трансформатор в течение долей секунды. Установившийся ток короткого замыкания трансформатора в общем случае

I_k = I_ном (100 / u_k%)

где I_ном — номинальный ток первичной обмотки.

Для ограничения токов короткого замыкания мощные трансформаторы выполняют с повышенными значениями u_к%, т. е. с повышенным внутренним индуктивным сопротивлением обмоток.

Характеристики сварочных трансформаторов. В некоторых случаях желательно, чтобы трансформатор имел крутопадающую внешнюю характеристику (рис. 223). Такую характеристику должны, например, иметь сварочные трансформаторы, так как она обеспечивает устойчивое горение электрической дуги. Кроме того, при электросварке режим короткого замыкания является нормальным рабочим режимом и при крутопадающей характеристике ток I_кз ? I_ном.

Для получения крутопадающей характеристики последовательно с вторичной обмоткой трансформатора включают реактор с большим индуктивным сопротивлением (рис. 224, а). В некоторых конструкциях сварочных трансформаторов магнитопровод добавочного реактора совмещают с магнитопроводом трансформатора (рис. 224,б). Регулирование тока I₂ электрической дуги осуществляется в таких трансформаторах двумя способами: ступенчатое — путем изменения числа витков вторичной обмотки и плавное — путем изменения воздушного зазора d. При изменении воздушного зазора изменяется индуктивность реактора и, следовательно, наклон внешней характеристики трансформатора.

Рис. 224. Принципиальные схемы сварочных трансформаторов: а —с внешней индуктивностью (реактором), б – с реактором на общем сердечнике; 1 — трансформатор; 2 — реактор

Типы

, основы, конструкция и принцип работы

Обычно трансформаторы

— это устройства, способные преобразовывать величины из одного значения в другое. В этой статье мы сосредоточимся на трансформаторе напряжения , который представляет собой статический электрический компонент, способный преобразовывать переменное напряжение из одного значения в другое без изменения частоты, используя принципы электромагнитной индукции .

В одной из наших предыдущих статей, посвященных переменному току, мы упоминали, насколько важен трансформатор в истории переменного тока.Это был главный фактор, благодаря которому стал возможен переменный ток. Первоначально, когда использовались системы на основе постоянного тока, их нельзя было передавать на большие расстояния из-за потери мощности в линиях по мере увеличения расстояния (длины), что означает, что электростанции постоянного тока должны были быть размещены повсюду, таким образом, основная цель AC должен был решить проблему передачи, и без трансформатора это было бы невозможно, поскольку потери все равно существовали бы даже с AC.

С установленным трансформатором переменный ток может передаваться от генерирующих станций при очень высоком напряжении, но при низком токе, что устраняет потери в линии (проводах) из-за значения I ² R (что дает потери мощности в линия).Затем трансформатор используется для преобразования энергии высокого напряжения с низким током в энергию с низким напряжением и высоким током для окончательного распределения в пределах сообщества без изменения частоты и с той же мощностью, которая была передана от генерирующей станции (P = IV) .

Чтобы лучше понять трансформатор напряжения, лучше всего использовать его наиболее упрощенную модель, которая представляет собой однофазный трансформатор.

Однофазный трансформатор

Однофазный трансформатор является наиболее распространенным (по количеству используемых) трансформаторов напряжения. Он присутствует в большинстве «включенных» бытовых приборов, которые мы используем дома и везде.

Используется для описания принципа действия, конструкции и т. Д. Трансформатора, поскольку другие трансформаторы похожи на разновидность или модификацию однофазного трансформатора. Например, некоторые люди называют трехфазный трансформатор состоящим из трех однофазных трансформаторов.

Однофазный трансформатор состоит из двух катушек на обмотку (первичная и вторичная обмотки).Эти две обмотки расположены таким образом, что между ними отсутствует электрическое соединение. , таким образом, они намотаны вокруг общего магнитного железа, обычно называемого сердечником трансформатора , таким образом, две катушки имеют только магнитное соединение между собой. . Это гарантирует, что мощность передается только посредством электромагнитной индукции, а также делает трансформаторы полезными для разъединения соединений.

Принцип действия трансформатора:

Как упоминалось ранее, трансформатор состоит из двух катушек; первичная обмотка и вторичная обмотка .Первичная катушка всегда представляет собой вход трансформатора, а вторичная катушка — выход трансформатора.

Два основных эффекта определяют работу трансформатора:

Во-первых, ток, текущий через провод, создает магнитное поле вокруг провода. Величина результирующего магнитного поля всегда прямо пропорциональна величине тока, проходящего через провод. Величина магнитного поля увеличивается, если провод намотан в виде катушки.Это принцип, по которому магнетизм индуцируется первичной катушкой. Подавая напряжение на первичную обмотку, он индуцирует магнитное поле вокруг сердечника трансформатора .

Второй эффект , который в сочетании с первым объясняет принцип работы трансформатора, основанный на том факте, что , если проводник наматывается на кусок магнита и магнитное поле изменяется, изменение магнитного поля будет индуцируют в проводнике ток, величина которого будет определяться числом витков катушки проводника.Это принцип, по которому вторичная катушка возбуждается.

Когда на первичную обмотку подается напряжение, вокруг сердечника создается магнитное поле, сила которого зависит от приложенного тока. Созданное магнитное поле, таким образом, индуцирует ток во вторичной катушке, который зависит от величины магнитного поля и количества витков вторичной катушки.

Этот принцип работы трансформатора также объясняет, почему пришлось изобрести переменный ток, потому что трансформатор будет работать только при изменении приложенного напряжения или тока, и только тогда будут работать принципы электромагнитной индукции.Таким образом, трансформатор тогда не мог использоваться для DC .

Строительство трансформатора

В основном трансформатор состоит из двух частей: две индукционные катушки и ламинированный стальной сердечник . Катушки изолированы друг от друга, а также изолированы, чтобы предотвратить контакт с сердечником.

Таким образом, конструкция трансформатора будет рассмотрена под конструкцией катушки и сердечника.

Сердечник трансформатора

Сердечник трансформатора всегда строится из многослойных стальных листов вместе, обеспечивая минимальный воздушный зазор между ними.Сердечник трансформаторов в последнее время всегда состоит из многослойного стального сердечника вместо стального сердечника для снижения потерь из-за вихревых токов.

Есть три основных формы многослойных стальных листов на выбор: E, I и L.

При укладке пластин вместе для формирования сердцевины их всегда укладывают таким образом, чтобы стороны стыка чередовались. Например, листы собираются с лицевой стороны во время первой сборки, они будут с обратной стороны для следующей сборки, как показано на изображении ниже.Это сделано для предотвращения высокого сопротивления в суставах.

Катушка

При конструировании трансформатора становится очень важным указать тип трансформатора как повышающий или понижающий, поскольку это определяет количество витков, которые будут существовать в первичной или вторичной катушке.

Типы трансформаторов:

В основном существует трансформаторов напряжения трех типов ;

1.Понижающие трансформаторы

2. Повышающие трансформаторы

3. Изолирующие трансформаторы

Понижающие трансформаторы — это трансформаторы, которые дают пониженное значение напряжения, приложенного к первичной обмотке на вторичной обмотке, в то время как для повышающего трансформатора трансформатор дает повышенное значение напряжения, приложенного к первичной обмотке. катушка, на вторичной катушке.

Изолирующие трансформаторы — это трансформаторы, которые подают одинаковое напряжение на первичную обмотку на вторичной обмотке и поэтому в основном используются для изоляции электрических цепей.

Исходя из приведенного выше объяснения, создание трансформатора определенного типа может быть достигнуто только путем расчета количества витков в каждой из первичной и вторичной катушек для обеспечения требуемой выходной мощности, что, таким образом, может определяться соотношением витков. Вы можете прочитать связанное руководство, чтобы узнать больше о различных типах трансформаторов.

Коэффициент трансформации трансформатора и уравнение ЭДС:

Коэффициент трансформации трансформатора (n) определяется уравнением ;

n = Np / Ns = Vp / Vs 

, где n = передаточное число

Np = количество витков в первичной обмотке

Нс = количество витков вторичной обмотки

Vp = напряжение на первичной обмотке

Вс = напряжение на вторичной обмотке

Эти отношения, описанные выше, можно использовать для вычисления каждого из параметров в уравнении.

Приведенная выше формула известна как трансформаторы напряжения действие .

Поскольку мы сказали, что мощность остается прежней после преобразования;

Эта формула, приведенная выше, называется действием тока трансформатора . Что служит доказательством того, что трансформатор не только преобразует напряжение, но и ток.

Уравнение ЭДС:

Количество витков катушки первичной или вторичной катушки определяет величину тока, который она индуцирует или индуцируется им.Когда ток, подаваемый на первичную обмотку, уменьшается, напряженность магнитного поля уменьшается, как и ток, индуцируемый во вторичной обмотке.

E = N (dΦ / dt) 

Величина напряжения, индуцированного во вторичной обмотке, определяется уравнением:

Где N — количество витков вторичной обмотки.

Поскольку поток изменяется синусоидально, магнитный поток Φ = Φ _max sinwt

, таким образом,

E = N * w * Φmax * cos (вес)
Emax = NwΦmax 

Среднеквадратичное значение индуцированной ЭДС получается путем деления максимального значения ЭДС на √2

Это уравнение известно как уравнение ЭДС трансформаторов .

Где: N — количество витков в обмотке катушки

f — частота потока в герцах

Φ — плотность магнитного потока в Weber

со всеми этими значениями, трансформатор может быть сконструирован.

Электроэнергетика

Как объяснялось ранее, трансформаторы были созданы для обеспечения того, чтобы стоимость электроэнергии, генерируемой на генерирующих станциях, доставлялась конечным пользователям с небольшими потерями или без них, таким образом, в идеальном трансформаторе, мощность на выходе (вторичная обмотка) всегда равна такая же, как входная мощность .Таким образом, трансформаторы называются устройствами постоянной мощности, хотя они могут изменять значения напряжения и тока, но это всегда делается таким образом, чтобы на выходе была одинаковая мощность на входе.

Таким образом,

P  s  = P  p  

, где Ps — мощность на вторичной стороне, а Pp — мощность на первичной стороне.

Поскольку P = IvcosΦ
затем I  s  V  s  cosΦ  s  = I  p  V  p  cosΦ  p  

КПД трансформатора

КПД трансформатора определяется уравнением;

КПД = (выходная мощность / входная мощность) * 100% 

Хотя выходная мощность идеального трансформатора должна быть такой же, как входная мощность, большинство трансформаторов далеки от идеального трансформатора и имеют потери из-за нескольких факторов.

Некоторые из потерь, которые может испытывать трансформатор, перечислены ниже;

1. Потери меди

2. Гистерезисные потери

3. Вихретоковые потери

1. Потери меди

Эти потери иногда называют потерями в обмотке или потерями I ² R. Эти потери связаны с мощностью, рассеиваемой проводником, используемым для обмотки, когда ток проходит через него из-за сопротивления проводника.Величину этой потери можно рассчитать по формуле;

P = I  2  R 

2. Гистерезисные потери

Это потери, связанные с сопротивлением материалов, используемых для сердечника трансформатора. Поскольку переменный ток меняет свое направление на противоположное, он влияет на внутреннюю структуру материала, используемого для сердечника, поскольку он имеет тенденцию претерпевать физические изменения, которые также потребляют часть энергии

3.Вихретоковые потери

Это потеря, которую обычно преодолевают за счет использования ламинированных тонких листов стали. Потери на вихревые токи возникают из-за того, что сердечник также является проводником и индуцирует ЭДС во вторичной катушке. Токи, индуцированные в сердечнике согласно закону Фарадея, будут противодействовать магнитному полю и вести к рассеиванию энергии.

Принимая во внимание влияние этих потерь при расчетах КПД трансформатора, мы имеем:

КПД = (входная мощность - потери / входная мощность) * 100% 

Все параметры выражены в единицах мощности.

Трансформатор

Эта статья про электрическое устройство. Для франшизы игрушечной линии см Трансформеры. Для использования в других целях, см Трансформатор (значения).

Распределительный трансформатор на опоре с центральным отводом вторичной обмотки. Этот тип трансформатора обычно используется в Соединенных Штатах для обеспечения «двухфазного» питания 120/240 В для жилого и небольшого коммерческого использования. Обратите внимание, что центральная «нейтральная» клемма заземлена на «бак» трансформатора, а заземленный провод (справа) используется для одной ветви первичного фидера.

Трансформатор — это устройство, которое передает электрическую энергию от одной цепи к другой через индуктивно связанные проводники — катушки трансформатора. Переменный ток в первой или первичной обмотке создает переменный магнитный поток в сердечнике трансформатора и, таким образом, изменяющееся магнитное поле через вторичную обмотку . Это изменяющееся магнитное поле индуцирует изменяющуюся электродвижущую силу (ЭДС) или «напряжение» во вторичной обмотке. Этот эффект называется индуктивной связью.

Если нагрузка подключена ко вторичной обмотке, электрический ток будет течь во вторичной обмотке, а электрическая энергия будет передаваться от первичной цепи через трансформатор к нагрузке. В идеальном трансформаторе индуцированное напряжение во вторичной обмотке ( В _с ) пропорционально первичному напряжению ( В _p ) и определяется отношением количества витков во вторичной обмотке. ( N _с ) на количество витков в первичной обмотке ( N _p ) следующим образом:

При соответствующем выборе соотношения витков трансформатор, таким образом, позволяет «повышать» напряжение переменного тока (AC), делая N _s больше, чем N _p , или «понижать» сделав N _s меньше N _p .

В подавляющем большинстве трансформаторов обмотки представляют собой катушки, намотанные на ферромагнитный сердечник, трансформаторы с воздушным сердечником являются заметным исключением.

Трансформаторы

различаются по размеру от соединительного трансформатора размером с миниатюру, скрытого внутри сценического микрофона, до огромных устройств весом в сотни тонн, используемых для соединения частей электрических сетей. Все они работают по одним и тем же основным принципам, хотя диапазон конструкций широк. Несмотря на то, что новые технологии устранили необходимость в трансформаторах в некоторых электронных схемах, трансформаторы по-прежнему используются почти во всех электронных устройствах, предназначенных для бытового («сетевого») напряжения.Трансформаторы необходимы для передачи электроэнергии высокого напряжения, что делает передачу на большие расстояния экономически целесообразной.

История

Дискавери

Эксперимент Фарадея с индукцией между витками проволоки ^[1]

Явление электромагнитной индукции было независимо открыто Майклом Фарадеем и Джозефом Генри в 1831 году. Однако Фарадей был первым, кто опубликовал результаты своих экспериментов и, таким образом, получил признание за открытие. ^[2] Взаимосвязь между электродвижущей силой (ЭДС) или «напряжением» и магнитным потоком была формализована в виде уравнения, теперь называемого «законом индукции Фарадея»:

.

, где — величина ЭДС в вольтах, а Φ _B — магнитный поток, проходящий через цепь (в веберах). ^[3]

Фарадей провел первые эксперименты по индукции между витками проволоки, в том числе намотал пару катушек на железное кольцо, создав таким образом первый тороидальный трансформатор с замкнутым сердечником. ^[4]

Катушки индукционные

Кольцо-трансформер Фарадея

Первым типом трансформатора, который получил широкое распространение, была индукционная катушка, изобретенная преподобным Николасом Калланом из Мэйнут-колледжа, Ирландия, в 1836 году. Он был одним из первых исследователей, которые осознали, что чем больше витков вторичной обмотки имеет относительно первичная обмотка, тем больше увеличивается ЭДС. Индукционные катушки возникли в результате усилий ученых и изобретателей по получению более высоких напряжений от батарей.Поскольку батареи вырабатывают постоянный ток (DC), а не переменный ток (AC), индукционные катушки основывались на вибрирующих электрических контактах, которые регулярно прерывали ток в первичной обмотке для создания изменений магнитного потока, необходимых для индукции. Между 1830-ми и 1870-ми годами усилия по созданию улучшенных индукционных катушек, в основном путем проб и ошибок, постепенно раскрыли основные принципы работы трансформаторов.

К 1870-м годам были доступны эффективные генераторы, вырабатывающие переменный ток (генераторы переменного тока), и было обнаружено, что переменный ток может питать индукционную катушку напрямую, без прерывателя.В 1876 году русский инженер Павел Яблочков изобрел систему освещения на основе набора индукционных катушек, в которой первичные обмотки были подключены к источнику переменного тока, а вторичные обмотки могли быть подключены к нескольким собственным «электрическим свечам» (дуговым лампам). дизайн. ^{[5] [6]} Катушки, которые использовал Яблочков, по сути, работали как трансформаторы. ^[5]

В 1878 году компания Ganz в Венгрии начала производство оборудования для электрического освещения и к 1883 году установила более пятидесяти систем в Австро-Венгрии.Их системы использовали исключительно переменный ток и включали в себя дуговые лампы и лампы накаливания, а также генераторы и другое оборудование. ^[7]

Люсьен Голлар и Джон Диксон Гиббс сначала представили устройство с открытым железным сердечником, названное «вторичным генератором», в Лондоне в 1882 году, а затем продали идею компании Westinghouse в США. ^[8] Они также выставили изобретение в Турине, Италия, в 1884 году, где оно было применено для системы электрического освещения. ^[9] Однако эффективность их биполярных устройств с открытым сердечником оставалась очень низкой. ^[10]

Индукционные катушки с разомкнутыми магнитными цепями неэффективны для передачи мощности нагрузкам. Примерно до 1880 года парадигма передачи энергии переменного тока от источника высокого напряжения к нагрузке низкого напряжения была последовательной схемой. Трансформаторы с открытым сердечником с соотношением около 1: 1 были последовательно соединены с их первичными обмотками, чтобы обеспечить возможность использования высокого напряжения для передачи при подаче низкого напряжения на лампы.Неотъемлемым недостатком этого метода было то, что отключение одной лампы влияло на напряжение, подаваемое на все остальные в той же цепи. Многие конструкции регулируемых трансформаторов были введены для компенсации этой проблемной характеристики последовательной цепи, включая те, которые используют методы регулировки сердечника или обхода магнитного потока вокруг части катушки. ^[11]

Эффективные и практичные конструкции трансформаторов не появлялись до 1880-х годов, но в течение десятилетия трансформаторы сыграли важную роль в «Войне токов» и в том, что системы распределения переменного тока одержали победу над своими аналогами постоянного тока, и в этом положении они остались доминирующими. с тех пор. ^[12]

Трансформаторы с закрытым сердечником и внедрение параллельного подключения

Чертеж прототипа компании Ganz 1885 года. Мощность: 1400 ВА, частота: 40 Гц, коэффициент напряжения: 120/72 В

Прототипы первых в мире трансформаторов с высоким КПД. Их построила компания Z.B.D. 16 сентября 1884 г. ^[13]

Осенью 1884 года инженеры компании ^[14] Ganz Кароли Зиперновски, Отто Блати и Микса Дери определили, что устройства с открытым сердечником неосуществимы, поскольку они не могут надежно регулировать напряжение.В их совместной заявке на патент на «Z.B.D.» трансформаторы, они описали две конструкции с замкнутыми магнитными цепями: трансформаторы с «замкнутым сердечником» и «оболочка-сердечник». В замкнутом сердечнике первичная и вторичная обмотки были намотаны на замкнутое железное кольцо; в оболочке-сердечнике обмотки прошли через железный сердечник . В обеих конструкциях магнитный поток, соединяющий первичную и вторичную обмотки, почти полностью проходил внутри железного сердечника без какого-либо намеренного пути через воздух.Новый Z.B.D. трансформаторы достигли КПД 98 процентов, что было в 3,4 раза выше, чем у биполярных устройств с открытым сердечником Голяра и Гиббса. ^[15] Патент также включает пункт об использовании своего изобретения в параллельных системах снабжения и распределения потребителей. ^[16] Когда они использовали его в параллельно соединенных системах распределения электроэнергии, трансформаторы с замкнутым сердечником наконец сделали технически и экономически целесообразным обеспечение электроэнергией для освещения в домах, на предприятиях и в общественных местах. ^{[17] [18]} Блати предложил использовать закрытые сердечники, Зиперновски — шунтирующие соединения, а Дери провел эксперименты; ^[19] Блати также открыл формулу трансформатора Vs / Vp = Ns / Np. ^{[ необходима ссылка ]} Подавляющее большинство трансформаторов, используемых сегодня, основаны на основных принципах, открытых тремя инженерами. Сообщается, что они также популяризировали слово «трансформатор» для описания устройства для изменения ЭДС электрического тока, ^{[17] [20]} , хотя этот термин уже использовался к 1882 году. ^{[21] [22]} В 1886 году компания Ganz установила первую в мире электростанцию, которая использовала генераторы переменного тока для питания параллельно соединенной общей электрической сети, паровой электростанции Рим-Черки. ^[23]

Конструкция Стэнли 1886 года для индукционных катушек с открытым сердечником и регулируемым зазором ^[24]

Хотя Джордж Вестингауз купил патенты Голларда и Гиббса в 1885 году, компания Edison Electric Light имела опцион на права США на Z.B.D. трансформаторы, требующие от Westinghouse разработки альтернативных конструкций на тех же принципах. Он поручил Уильяму Стэнли разработать устройство для коммерческого использования в Соединенных Штатах. ^[25] Первая запатентованная конструкция Стэнли предназначалась для индукционных катушек с одинарными сердечниками из мягкого железа и регулируемыми зазорами для регулирования ЭДС, присутствующей во вторичной обмотке. (См. Рисунок слева.) ^[24] Эта конструкция впервые была коммерчески использована в США в 1886 году. ^[12] Но вскоре его команда Вестингауза работала над конструкцией, ядро ​​которой состояло из набора тонких «Е-образных» «железные пластины, разделенные по отдельности или попарно тонкими листами бумаги или другого изоляционного материала.Затем предварительно намотанные медные катушки можно было вставить на место и уложить прямые железные пластины для создания замкнутой магнитной цепи. Вестингауз подал заявку на патент на новый дизайн в декабре 1886 года; он был предоставлен в июле 1887 года. ^{[19] [26]}

Прочие ранние трансформаторы

В 1889 году инженер русского происхождения Михаил Доливо-Добровольский разработал первый трехфазный трансформатор в Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft («General Electricity Company») в Германии. ^[27]

В 1891 году Никола Тесла изобрел катушку Тесла, резонансный трансформатор с воздушным сердечником и двойной настройкой для генерации очень высоких напряжений на высокой частоте. ^{[28] [29]}

Преобразователи звуковой частоты («повторяющиеся катушки») использовались первыми экспериментаторами при разработке телефона. ^{[ необходима ссылка ]}

Основные принципы

Трансформатор основан на двух принципах: во-первых, электрический ток может создавать магнитное поле (электромагнетизм), а во-вторых, изменяющееся магнитное поле внутри катушки с проволокой индуцирует напряжение на концах катушки (электромагнитная индукция). .Изменение тока в первичной катушке изменяет создаваемый магнитный поток. Изменяющийся магнитный поток индуцирует напряжение во вторичной катушке.

Идеальный трансформер. Вторичный ток возникает из-за воздействия вторичной ЭДС на импеданс нагрузки (не показан).

Идеальный трансформатор показан на рисунке рядом. Ток, проходящий через первичную катушку, создает магнитное поле. Первичная и вторичная катушки намотаны вокруг сердечника с очень высокой магнитной проницаемостью, такого как железо, так что большая часть магнитного потока проходит как через первичную, так и через вторичную катушки.Если нагрузка подключена к вторичной обмотке, ток и напряжение нагрузки будут в указанных направлениях, учитывая первичный ток и напряжение в указанных направлениях (на практике каждое из них будет переменным током).

Закон индукции

Напряжение, индуцированное на вторичной катушке, можно рассчитать по закону индукции Фарадея, который гласит:

, где V _s — мгновенное напряжение, N _s — количество витков вторичной катушки, а Φ — магнитный поток, проходящий через один виток катушки.Если витки катушки ориентированы перпендикулярно линиям магнитного поля, магнитный поток является произведением плотности магнитного потока B и площади A , через которую он прорезает. Площадь постоянна, равна площади поперечного сечения сердечника трансформатора, тогда как магнитное поле изменяется со временем в соответствии с возбуждением первичной обмотки. Поскольку в идеальном трансформаторе через первичную и вторичную обмотки проходит одинаковый магнитный поток, ^[30] мгновенное напряжение на первичной обмотке равно

.

Взяв соотношение двух уравнений для V _s и V _p дает основное уравнение ^[31] для повышения или понижения напряжения

N _p / N _s известен как коэффициент и является основной функциональной характеристикой любого трансформатора.В случае повышающих трансформаторов это иногда может быть указано как обратное, N _s / N _p . Коэффициент витков обычно выражается как несводимая доля или отношение: например, трансформатор с первичной и вторичной обмотками, соответственно, 100 и 150 витков, имеет соотношение витков 2: 3, а не 0,667 или 100: 150. .

Уравнение идеальной мощности

Идеальный трансформатор как элемент схемы

Если вторичная обмотка подключена к нагрузке, которая пропускает ток, электрическая энергия передается от первичной цепи к вторичной цепи.В идеале трансформатор совершенно работоспособен; вся поступающая энергия преобразуется из первичной цепи в магнитное поле и во вторичную цепь. Если это условие выполняется, входящая электрическая мощность должна быть равна исходящей мощности:

дает уравнение идеального трансформатора

Трансформаторы обычно имеют высокий КПД, поэтому эта формула является разумным приближением.

Если напряжение увеличивается, ток уменьшается во столько же раз.Импеданс в одной цепи преобразуется на квадрат отношения витков. ^[30] Например, если импеданс Z _s присоединен к клеммам вторичной катушки, первичная цепь будет иметь полное сопротивление ( Н _p / Н _с ) ² Z _с . Это соотношение является обратным, так что полное сопротивление Z _p первичной цепи кажется вторичной как ( N _s / N _p ) ² Z _p .

Детальная операция

Упрощенное описание выше не учитывает несколько практических факторов, в частности первичный ток, необходимый для создания магнитного поля в сердечнике, и вклад в поле из-за тока во вторичной цепи.

В моделях идеального трансформатора обычно используется сердечник с незначительным сопротивлением и двумя обмотками с нулевым сопротивлением. ^[32] Когда напряжение подается на первичную обмотку, протекает небольшой ток, возбуждая поток вокруг магнитной цепи сердечника. ^[32] Ток, необходимый для создания магнитного потока, называется током намагничивания ; Поскольку предполагалось, что идеальный сердечник имеет сопротивление, близкое к нулю, ток намагничивания незначителен, хотя по-прежнему необходим для создания магнитного поля.

Изменяющееся магнитное поле индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) на каждой обмотке. ^[33] Поскольку идеальные обмотки не имеют импеданса, они не имеют связанного с ними падения напряжения, поэтому напряжения V _P и V _S , измеренные на выводах трансформатора, равны соответствующим ЭДС.Первичная ЭДС, действующая в противовес первичному напряжению, иногда называется «обратной ЭДС». ^[34] Это связано с законом Ленца, который гласит, что индукция ЭДС всегда будет такой, что она будет препятствовать развитию любого такого изменения магнитного поля.

Практические соображения

Поток утечки

Поток утечки трансформатора

Основная статья: Индуктивность утечки

Идеальная модель трансформатора предполагает, что весь поток, создаваемый первичной обмоткой, связывает все витки каждой обмотки, включая ее самого.На практике некоторый поток проходит по путям, выводящим его за пределы обмоток. ^[35] Такой поток называется потоком рассеяния и приводит к индуктивности рассеяния последовательно с взаимно связанными обмотками трансформатора. ^[34] Утечка приводит к тому, что энергия поочередно накапливается и разряжается из магнитных полей с каждым циклом подачи питания. Это не прямая потеря мощности (см. «Параллельные потери» ниже), но приводит к худшему регулированию напряжения, в результате чего вторичное напряжение не может быть прямо пропорционально первичному, особенно при большой нагрузке. ^[35] Трансформаторы поэтому обычно проектируются с очень низкой индуктивностью рассеяния. Тем не менее, невозможно полностью устранить поток утечки, потому что он играет важную роль в работе трансформатора. Комбинированный эффект потока утечки и электрического поля вокруг обмоток — это то, что передает энергию от первичной обмотки к вторичной. ^[36]

В некоторых приложениях желательна повышенная утечка, и в конструкцию трансформатора могут намеренно вводиться длинные магнитные пути, воздушные зазоры или байпасные магнитные шунты для ограничения подаваемого им тока короткого замыкания. ^[34] Протекающие трансформаторы могут использоваться для питания нагрузок с отрицательным сопротивлением, таких как электрические дуги, ртутные лампы и неоновые вывески; или для безопасного обращения с грузами, которые периодически замыкаются накоротко, например, с электродуговыми сварочными аппаратами. ^[37]

Воздушные зазоры также используются для предотвращения насыщения трансформатора, особенно трансформаторов звуковой частоты в цепях, в которых через обмотки протекает постоянный ток. ^[38]

Индуктивность утечки также полезна при параллельной работе трансформаторов.Можно показать, что если удельная индуктивность двух трансформаторов одинакова (типичное значение составляет 5%), они автоматически «правильно» разделят мощность (например, блок 500 кВА параллельно с блоком 1000 кВА, чем больше один будет нести вдвое больше тока). ^{[ необходима ссылка ]}

Влияние частоты

Трансформатор универсальный уравнение ЭДС

Если магнитный поток в сердечнике чисто синусоидальный, соотношение для любой из обмоток между его действующим напряжением E _{среднеквадратичное значение} обмотки и частотой питания f , числом витков N , поперечным сечением сердечника площадь сечения a и пиковая плотность магнитного потока B задаются универсальным уравнением ЭДС: ^[32]

Если поток не содержит четных гармоник, можно использовать следующее уравнение для среднего напряжения за полупериод E _avg любой формы волны:

Член производной по времени в законе Фарадея показывает, что поток в сердечнике является интегралом по времени приложенного напряжения. ^[39] Гипотетически идеальный трансформатор работал бы с возбуждением постоянным током, при этом магнитный поток сердечника линейно увеличивался со временем. ^[40] На практике магнитный поток возрастет до точки, при которой происходит магнитное насыщение сердечника, вызывая огромное увеличение тока намагничивания и перегрев трансформатора. Поэтому все практические трансформаторы должны работать с переменным (или импульсным) током. ^[40]

ЭДС трансформатора при заданной магнитной индукции увеличивается с частотой. ^[32] Работая на более высоких частотах, трансформаторы могут быть физически более компактными, потому что данный сердечник может передавать больше мощности без достижения насыщения, а для достижения того же полного сопротивления требуется меньше витков. Однако такие свойства, как потери в сердечнике и скин-эффект в проводнике, также увеличиваются с увеличением частоты. В самолетах и ​​военной технике используются источники питания 400 Гц, которые уменьшают вес сердечника и обмотки. ^[41] И наоборот, частоты, используемые для некоторых систем электрификации железных дорог, были намного ниже (например,грамм. 16,7 Гц и 25 Гц), чем обычные рабочие частоты (50–60 Гц) по историческим причинам, связанным в основном с ограничениями ранних электрических тяговых двигателей. Таким образом, трансформаторы, используемые для понижения высокого напряжения в воздушной линии (например, 15 кВ), намного тяжелее для той же номинальной мощности, чем трансформаторы, предназначенные только для более высоких частот.

Работа трансформатора при его расчетном напряжении, но на более высокой частоте, чем предполагалось, приведет к уменьшению тока намагничивания; при более низкой частоте ток намагничивания будет увеличиваться.Работа трансформатора на частоте, отличной от его расчетной, может потребовать оценки напряжений, потерь и охлаждения, чтобы установить, насколько безопасна работа. Например, трансформаторы могут нуждаться в оборудовании реле избыточного возбуждения «вольт на герц» для защиты трансформатора от перенапряжения на частоте выше номинальной.

Одним из примеров современной конструкции являются трансформаторы, используемые для электрических многоэлементных высокоскоростных поездов, особенно те, которые требуются для работы через границы стран, использующих различные стандарты электрификации.Такие трансформаторы можно размещать только под пассажирским салоном. Они должны работать на разных частотах (до 16,7 Гц) и напряжениях (до 25 кВ), удовлетворяя повышенные требования к мощности, необходимые для работы поездов на высокой скорости.

Знание собственных частот обмоток трансформатора важно для определения переходной характеристики обмоток на импульсные и коммутационные перенапряжения.

Энергетические потери

Идеальный трансформатор не имел бы потерь энергии и имел бы 100% КПД.В практических трансформаторах энергия рассеивается в обмотках, сердечнике и окружающих конструкциях. Более крупные трансформаторы обычно более эффективны, а трансформаторы, рассчитанные на распределение электроэнергии, обычно работают лучше, чем 98%. ^[42]

Экспериментальные трансформаторы со сверхпроводящей обмоткой достигают КПД 99,85%. ^[43] Повышение эффективности может сэкономить значительную энергию и, следовательно, деньги в большом высоконагруженном трансформаторе; компромисс заключается в дополнительных начальных и эксплуатационных расходах на сверхпроводящую конструкцию.

Потери в трансформаторах (исключая связанные схемы) зависят от тока нагрузки и могут быть выражены как потери «без нагрузки» или «при полной нагрузке». Сопротивление обмотки преобладает над потерями нагрузки, тогда как потери на гистерезис и вихревые токи составляют более 99% потерь без нагрузки. Потери холостого хода могут быть значительными, так что даже холостой трансформатор приводит к утечке электроэнергии и эксплуатационным расходам; Для проектирования трансформаторов с меньшими потерями требуется более крупный сердечник, высококачественная кремнистая сталь или даже аморфная сталь для сердечника и более толстый провод, что увеличивает начальную стоимость, так что существует компромисс между начальной стоимостью и эксплуатационной стоимостью.(См. Также энергоэффективный трансформатор). ^[44]

Потери трансформатора подразделяются на потери в обмотках, называемые потерями в меди, и потери в магнитной цепи, называемые потерями в стали. Потери в трансформаторе возникают из:

Сопротивление обмотки

Ток, протекающий по обмоткам, вызывает резистивный нагрев проводников. На более высоких частотах скин-эффект и эффект близости создают дополнительное сопротивление обмотки и потери.

Гистерезис потерь

Каждый раз, когда магнитное поле меняет направление, небольшое количество энергии теряется из-за гистерезиса внутри сердечника.Для данного материала сердечника потери пропорциональны частоте и являются функцией максимальной плотности потока, которой он подвергается. ^[44]

Вихревые токи

Ферромагнитные материалы также являются хорошими проводниками, и сердечник, сделанный из такого материала, также представляет собой один короткозамкнутый виток по всей своей длине. Поэтому вихревые токи циркулируют внутри сердечника в плоскости, перпендикулярной потоку, и ответственны за резистивный нагрев материала сердечника.Потери на вихревые токи являются сложной функцией квадрата частоты источника питания и обратного квадрата толщины материала. ^[44] Потери на вихревые токи можно уменьшить, сделав сердечник пакета пластин электрически изолированным друг от друга, а не сплошным блоком; во всех трансформаторах, работающих на низких частотах, используются ламинированные или аналогичные сердечники.

Магнитострикция

Магнитный поток в ферромагнитном материале, таком как сердечник, заставляет его физически расширяться и слегка сжиматься с каждым циклом магнитного поля, эффект, известный как магнитострикция.Это производит жужжащий звук, обычно связанный с трансформаторами, ^[31] , и может вызвать потери из-за нагрева от трения.

Механические потери

Помимо магнитострикции, переменное магнитное поле вызывает колебания сил между первичной и вторичной обмотками. Они вызывают вибрацию в ближайших металлических конструкциях, усиливают жужжание и потребляют небольшое количество энергии. ^[45]

Случайные потери

Индуктивность утечки сама по себе в значительной степени не имеет потерь, поскольку энергия, подаваемая в ее магнитные поля, возвращается в источник питания в следующем полупериоде.Однако любой поток утечки, который перехватывает соседние проводящие материалы, такие как опорная конструкция трансформатора, вызывает вихревые токи и преобразуется в тепло. ^[46] Существуют также радиационные потери из-за колеблющегося магнитного поля, но они обычно невелики.

Точечное соглашение

Основная статья: Точечное соглашение

В условных обозначениях трансформаторов обычно бывает точка на конце каждой катушки внутри трансформатора, особенно для трансформаторов с несколькими первичными и вторичными обмотками.Точки указывают направление каждой обмотки относительно других. Напряжения на точечном конце каждой обмотки синфазны; Ток, протекающий в точечный конец первичной катушки, приведет к тому, что ток будет течь из точечного конца вторичной катушки.

Эквивалентная цепь

См. Схему ниже

Физические ограничения практического трансформатора могут быть сведены воедино в модели эквивалентной схемы (показанной ниже), построенной на идеальном трансформаторе без потерь. ^[47] Потери мощности в обмотках зависят от тока и представлены последовательными сопротивлениями R _p и R _s . Рассеивание магнитного потока приводит к падению части приложенного напряжения, не влияя на взаимную связь, и, таким образом, может быть смоделировано как реактивные сопротивления каждой индуктивности рассеяния X _p и X _s последовательно с идеально связанной областью.

Потери в стали вызваны в основном гистерезисом и эффектами вихревых токов в сердечнике и пропорциональны квадрату потока сердечника для работы на данной частоте. ^[48] Поскольку магнитный поток в сердечнике пропорционален приложенному напряжению, потери в стали могут быть представлены сопротивлением R _C , параллельным идеальному трансформатору.

Сердечник с конечной проницаемостью требует тока намагничивания I _м для поддержания взаимного потока в сердечнике. Ток намагничивания синфазен с потоком; Эффекты насыщения приводят к тому, что отношения между ними нелинейны, но для простоты этот эффект обычно игнорируется в большинстве эквивалентов схем. ^[48] При синусоидальном питании поток в сердечнике отстает от наведенной ЭДС на 90 °, и этот эффект может быть смоделирован как намагничивающее реактивное сопротивление (реактивное сопротивление эффективной индуктивности) X _м параллельно с составляющей потерь в сердечнике . R _c и X _m иногда вместе называют намагничивающей ветвью модели. Если вторичная обмотка разомкнута, ток I ₀ , принимаемый ветвью намагничивания, представляет собой ток холостого хода трансформатора. ^[47]

Вторичный импеданс R _s и X _s часто перемещается (или «направляется») на первичную сторону после умножения компонентов на коэффициент масштабирования импеданса ( N _p / N _с ) ² .

Эквивалентная схема трансформатора с импедансом вторичной обмотки относительно первичной обмотки

Результирующую модель иногда называют «точной эквивалентной схемой», хотя она сохраняет ряд приближений, таких как предположение о линейности. ^[47] Анализ можно упростить, переместив ветвь намагничивания влево от первичного импеданса, сделав неявное предположение, что ток намагничивания низкий, а затем суммировав первичный и приведенный вторичный импедансы, что приведет к так называемому эквивалентному импедансу.

Параметры эквивалентной схемы трансформатора можно рассчитать по результатам двух испытаний трансформатора: испытания на обрыв и испытание на короткое замыкание.

Типы

Для различных применений используются трансформаторы самых разных конструкций, хотя они имеют несколько общих черт.Важные распространенные типы трансформаторов включают:

Автотрансформатор

Основная статья: Автотрансформатор

В автотрансформаторе части одной и той же обмотки действуют как первичная, так и вторичная. Обмотка имеет не менее трех отводов для электрических соединений. Автотрансформатор может быть меньше, легче и дешевле, чем стандартный двухобмоточный трансформатор, однако автотрансформатор не обеспечивает гальванической развязки.

Автотрансформаторы часто используются для повышения или понижения напряжений в диапазоне 110-117-120 вольт и напряжений в диапазоне 220-230-240 вольт, например.g., для вывода 110 или 120 В (с ответвлениями) от входа 230 В, что позволяет использовать оборудование из области 100 или 120 В в области 230 В.

Регулируемый автотрансформатор изготавливается путем обнажения части катушек обмотки и соединения вторичной обмотки через скользящую щетку, обеспечивающую переменное передаточное число. ^[49] Такое устройство часто называют торговой маркой Variac .

Трансформаторы многофазные

Трехфазный понижающий трансформатор, установленный между двумя полюсами электросети

Для трехфазных источников питания может использоваться группа из трех отдельных однофазных трансформаторов, или все три фазы могут быть объединены как один трехфазный трансформатор.В этом случае магнитные цепи соединены вместе, и сердечник, таким образом, содержит трехфазный поток магнитного потока. ^[50] Возможен ряд конфигураций обмоток, вызывающих различные атрибуты и фазовые сдвиги. ^[51] Одной из конкретных многофазных конфигураций является зигзагообразный трансформатор, используемый для заземления и подавления гармонических токов. ^[52]

Снимок экрана моделирования МКЭ магнитного потока внутри трехфазного силового трансформатора (полная анимация)

Трансформаторы утечки

Трансформатор утечки

Трансформатор рассеяния, также называемый трансформатором поля рассеяния, имеет значительно более высокую индуктивность рассеяния, чем другие трансформаторы, иногда увеличиваемую за счет магнитного байпаса или шунта в сердечнике между первичной и вторичной обмотками, который иногда регулируется установочным винтом.Это обеспечивает трансформатору внутреннее ограничение тока из-за слабой связи между его первичной и вторичной обмотками. Выходной и входной токи достаточно малы, чтобы предотвратить тепловую перегрузку при любых условиях нагрузки, даже если вторичная обмотка закорочена.

Трансформаторы утечки используются для дуговой сварки и высоковольтных газоразрядных ламп (неоновые лампы и люминесцентные лампы с холодным катодом, которые соединены последовательно до 7,5 кВ переменного тока). Тогда он действует как трансформатор напряжения и как магнитный балласт.

Другие области применения — защищенные от короткого замыкания трансформаторы сверхнизкого напряжения для игрушек или дверных звонков.

Резонансные трансформаторы

Для получения дополнительной информации по этой теме см. Резонансная индуктивная связь.

Резонансный трансформатор — это разновидность трансформатора утечки. Он использует индуктивность рассеяния вторичных обмоток в сочетании с внешними конденсаторами для создания одной или нескольких резонансных цепей. Резонансные трансформаторы, такие как катушка Тесла, могут генерировать очень высокое напряжение и способны обеспечивать гораздо более высокий ток, чем электростатические генераторы высокого напряжения, такие как генератор Ван де Граафа. ^[53] Одно из применений резонансного трансформатора — инвертор CCFL. Еще одно применение резонансного трансформатора — соединение между каскадами супергетеродинного приемника, где избирательность приемника обеспечивается настроенными трансформаторами в усилителях промежуточной частоты. ^[54]

Трансформаторы звуковые

Звуковые трансформаторы — это трансформаторы, специально разработанные для использования в аудиосхемах. Их можно использовать для блокирования радиочастотных помех или составляющей постоянного тока аудиосигнала, для разделения или объединения аудиосигналов или для обеспечения согласования импеданса между цепями с высоким и низким импедансом, например, между выходом лампового (вентильного) усилителя с высоким сопротивлением и громкоговоритель с низким импедансом или между выходом инструмента с высоким сопротивлением и входом с низким сопротивлением микшерного пульта.

Такие трансформаторы изначально были разработаны для соединения различных телефонных систем друг с другом, сохраняя при этом их соответствующие источники питания изолированными, и до сих пор широко используются для соединения профессиональных аудиосистем или компонентов системы.

Будучи магнитными устройствами, аудиопреобразователи чувствительны к внешним магнитным полям, например, создаваемым проводниками переменного тока с током. «Гул» — это термин, обычно используемый для описания нежелательных сигналов, исходящих от «сетевого» источника питания (обычно 50 или 60 Гц).Аудиопреобразователи, используемые для сигналов низкого уровня, например, от микрофонов, часто включают экранирование для защиты от посторонних сигналов с магнитной связью.

Измерительные трансформаторы

Измерительные трансформаторы используются для измерения напряжения и тока в электроэнергетических системах, а также для защиты и управления энергосистемами. Если напряжение или ток слишком велики для удобного использования прибором, их можно уменьшить до стандартизированного низкого значения. Измерительные трансформаторы изолируют цепи измерения, защиты и управления от высоких токов или напряжений, присутствующих в измеряемых или контролируемых цепях.

Трансформаторы тока, предназначенные для размещения вокруг проводов.

Трансформатор тока — это трансформатор, предназначенный для обеспечения тока во вторичной обмотке, пропорционального току, протекающему в первичной обмотке. ^[55]

Трансформаторы напряжения (ТН), также называемые «трансформаторами напряжения» (ТН), имеют точно известный коэффициент трансформации по величине и фазе в диапазоне импедансов измерительной цепи. Трансформатор напряжения предназначен для создания незначительной нагрузки на измеряемый источник питания.Низкое вторичное напряжение позволяет релейной защите и измерительным приборам работать при более низких напряжениях. ^[56]

Измерительные трансформаторы тока и напряжения имеют предсказуемые характеристики при перегрузках. Для правильной работы реле защиты от сверхтоков требуется, чтобы трансформаторы тока обеспечивали предсказуемый коэффициент трансформации даже во время короткого замыкания.

Классификация

Трансформаторы можно отнести к классу электрических машин без движущихся частей; как таковые они описываются как статические электрические машины.Их можно классифицировать по-разному; неполный список:

• По мощности : от долей вольт-ампера (ВА) до более тысячи МВА;
• По диапазону частот : мощность, аудио или радиочастота;
• По классу напряжения : от нескольких вольт до сотен киловольт;
• По типу охлаждения : с воздушным, масляным, вентиляторным или водяным охлаждением;
• По приложению : например, источник питания, согласование импеданса, стабилизатор выходного напряжения и тока или изоляция цепи;
• По назначению : распределитель, выпрямитель, дуговая печь, выход усилителя и т. Д.;
• По соотношению витков обмотки : повышающее, понижающее, разделительное с равным или почти равным соотношением, переменное, несколько обмоток.

Строительство

Ядра

Трансформатор с ламинированным сердечником, показывающий край пластин вверху фото

Сердечник стальной многослойный

Трансформаторы

для использования на мощных или звуковых частотах обычно имеют сердечники из высокопроницаемой кремнистой стали. ^[57] Сталь имеет проницаемость, во много раз превышающую проницаемость свободного пространства, и, таким образом, сердечник служит для значительного уменьшения тока намагничивания и ограничения потока на пути, который плотно соединяет обмотки. ^[58] Первые разработчики трансформаторов вскоре поняли, что сердечники, изготовленные из твердого железа, приводят к недопустимым потерям на вихревые токи, и их конструкции смягчали этот эффект с сердечниками, состоящими из пучков изолированных железных проводов. ^[8] Более поздние конструкции сконструировали сердечник путем наложения слоев тонких стальных пластин, принцип, который до сих пор используется. Каждая пластина изолирована от соседей тонким непроводящим слоем изоляции. ^[50] Уравнение универсального трансформатора указывает минимальную площадь поперечного сечения сердечника, чтобы избежать насыщения.

Эффект расслоения заключается в ограничении вихревых токов высокоэллиптическими путями, которые ограничивают небольшой поток, и, таким образом, уменьшают их величину. Более тонкие листы уменьшают потери, ^[57] , но их строительство более трудоемко и дорого. ^[59] Тонкие пластинки обычно используются в высокочастотных трансформаторах, а некоторые типы очень тонких стальных пластин могут работать на частотах до 10 кГц.

Ламинирование сердечника значительно снижает потери на вихревые токи

Одна общая конструкция ламинированного сердечника состоит из чередующихся стопок стальных листов Е-образной формы, покрытых I-образными деталями, что и привело к названию «трансформатор E-I». ^[59] Такая конструкция имеет тенденцию к большим потерям, но при этом очень экономична в производстве. Нарезанный сердечник или С-образный сердечник изготавливается путем наматывания стальной полосы вокруг прямоугольной формы и последующего соединения слоев. Затем его разрезают на две части, образуя две С-образные формы, и сердцевину собирают, связывая две С-половинки вместе стальной лентой. ^[59] Их преимущество в том, что поток всегда направлен параллельно металлическим зернам, что снижает сопротивление.

Остаточная намагниченность стального сердечника означает, что он сохраняет статическое магнитное поле при отключении питания.Когда затем снова подается питание, остаточное поле вызывает высокий пусковой ток, пока эффект остаточного магнетизма не уменьшится, обычно после нескольких циклов приложенного переменного тока. ^[60] Устройства защиты от перегрузки по току, такие как предохранители, должны быть выбраны так, чтобы обеспечить прохождение этого безвредного броска тока. На трансформаторах, подключенных к длинным воздушным линиям электропередачи, индуцированные токи из-за геомагнитных возмущений во время солнечных бурь могут вызвать насыщение сердечника и срабатывание устройств защиты трансформатора. ^[61]

В распределительных трансформаторах

можно достичь низких потерь холостого хода за счет использования сердечников, сделанных из кремнистой стали с низкими потерями и высокой проницаемостью или аморфного (некристаллического) металлического сплава. Более высокая начальная стоимость материала сердечника компенсируется в течение срока службы трансформатора меньшими потерями при малой нагрузке. ^[62]

Твердые ядра

Сердечники из порошкового железа используются в схемах (например, импульсных источниках питания), работающих на частотах выше основных и до нескольких десятков килогерц.Эти материалы сочетают в себе высокую магнитную проницаемость с высоким удельным объемным электрическим сопротивлением. Для частот, выходящих за пределы диапазона VHF, распространены сердечники, сделанные из непроводящих магнитных керамических материалов, называемых ферритами. ^[59] Некоторые радиочастотные трансформаторы также имеют подвижные сердечники (иногда называемые «пробками»), которые позволяют регулировать коэффициент связи (и полосу пропускания) настроенных радиочастотных цепей.

Сердечники тороидальные

Малый трансформатор с тороидальным сердечником

Тороидальные трансформаторы построены вокруг кольцевого сердечника, который, в зависимости от рабочей частоты, изготовлен из длинной полосы кремнистой стали или пермаллоя, намотанной в катушку, порошкового железа или феррита. ^[63] Ленточная конструкция обеспечивает оптимальное выравнивание границ зерен, повышая эффективность трансформатора за счет уменьшения сопротивления сердечника. Форма замкнутого кольца устраняет воздушные зазоры, присущие конструкции сердечника E-I. ^[37] Поперечное сечение кольца обычно квадратное или прямоугольное, но доступны и более дорогие сердечники с круглым поперечным сечением. Первичная и вторичная катушки часто наматываются концентрически, чтобы покрыть всю поверхность сердечника.Это минимизирует необходимую длину провода, а также обеспечивает экранирование, чтобы минимизировать магнитное поле сердечника от создания электромагнитных помех.

Тороидальные трансформаторы более эффективны, чем более дешевые ламинированные типы E-I при аналогичном уровне мощности. Другие преимущества по сравнению с типами EI включают меньший размер (около половины), меньший вес (около половины), меньший механический гул (что делает их лучше в усилителях звука), более низкое внешнее магнитное поле (около одной десятой), низкие потери без нагрузки ( что делает их более эффективными в резервных цепях), монтаж на одном болте и больший выбор форм.Основные недостатки — более высокая стоимость и ограниченная мощность (см. «Классификация» выше). Из-за отсутствия остаточного зазора на магнитном пути тороидальные трансформаторы также имеют тенденцию демонстрировать более высокий пусковой ток по сравнению с ламинированными типами E-I.

Ферритовые тороидальные сердечники используются на более высоких частотах, обычно от нескольких десятков килогерц до сотен мегагерц, для уменьшения потерь, физических размеров и веса импульсного источника питания. Недостатком конструкции тороидального трансформатора является более высокая трудоемкость намотки.Это связано с тем, что необходимо пропускать всю длину обмотки катушки через отверстие сердечника каждый раз, когда к катушке добавляется один виток. Как следствие, тороидальные трансформаторы редко превышают номинальные значения в несколько кВА. Небольшие распределительные трансформаторы могут достичь некоторых преимуществ тороидального сердечника, разделив его и заставив открыть, а затем вставив катушку, содержащую первичную и вторичную обмотки.

Сердечники воздушные

Физический сердечник не является обязательным условием, и функционирующий трансформатор может быть изготовлен просто путем размещения обмоток рядом друг с другом, такое расположение называется трансформатором с воздушным сердечником.Воздух, входящий в состав магнитной цепи, по существу не имеет потерь, поэтому трансформатор с воздушным сердечником исключает потери из-за гистерезиса в материале сердечника. ^[34] Индуктивность рассеяния неизбежно высока, что приводит к очень плохому регулированию, и поэтому такие конструкции не подходят для использования в распределении энергии. ^[34] Однако они имеют очень широкую полосу пропускания и часто используются в радиочастотных приложениях, ^[64] , для которых удовлетворительный коэффициент связи поддерживается за счет тщательного перекрытия первичной и вторичной обмоток.Они также используются для резонансных трансформаторов, таких как катушки Тесла, где они могут достичь достаточно низких потерь, несмотря на высокую индуктивность рассеяния.

Обмотки

Обмотки обычно располагаются концентрически, чтобы минимизировать утечку потока.

Вид в разрезе обмоток трансформатора. Белый: изолятор. Зеленая спираль: кремнистая сталь с ориентированной зернистостью. Черный: Первичная обмотка из бескислородной меди. Красный: вторичная обмотка. Вверху слева: тороидальный трансформатор. Справа: C-core, но E-core будет аналогичным.Черные обмотки выполнены из пленки. Вверху: одинаково низкая емкость между всеми концами обеих обмоток. Поскольку большинство жил имеют как минимум умеренную проводимость, им также необходима изоляция. Внизу: самая низкая емкость на одном конце вторичной обмотки, необходимая для маломощных высоковольтных трансформаторов. Внизу слева: уменьшение индуктивности рассеяния приведет к увеличению емкости.

Проводящий материал, используемый для обмоток, зависит от области применения, но во всех случаях отдельные витки должны быть электрически изолированы друг от друга, чтобы обеспечить прохождение тока через каждый виток. ^[39] Для небольших силовых и сигнальных трансформаторов, в которых малы токи и небольшая разность потенциалов между соседними витками, катушки часто наматываются из эмалированного магнитного провода, такого как провод Formvar. Более мощные силовые трансформаторы, работающие при высоком напряжении, могут быть намотаны медными прямоугольными ленточными проводниками, изолированными пропитанной маслом бумагой и блоками плотного картона. ^[65]

Высокочастотные трансформаторы, работающие на частотах от десятков до сотен килогерц, часто имеют обмотки из плетеной литцовой проволоки для минимизации потерь на скин-эффект и эффект близости. ^[39] В больших силовых трансформаторах также используются многопроволочные проводники, поскольку даже на низких частотах мощности в противном случае возникло бы неравномерное распределение тока в сильноточных обмотках. ^[65] Каждая жила изолирована по отдельности, и жилы расположены так, что в определенных точках обмотки или по всей обмотке каждая часть занимает разные относительные положения в проводнике в целом. Перестановка выравнивает ток, протекающий в каждой жилке проводника, и снижает потери на вихревые токи в самой обмотке.Многожильный провод также более гибкий, чем сплошной провод аналогичного размера, что облегчает производство. ^[65]

Для сигнальных трансформаторов обмотки могут быть расположены таким образом, чтобы минимизировать индуктивность рассеяния и паразитную емкость для улучшения высокочастотной характеристики. Это можно сделать, разделив каждую катушку на секции, и эти секции поместить слоями между секциями другой обмотки. Это известно как многослойная обмотка или чередующаяся обмотка.

Как первичная, так и вторичная обмотки силовых трансформаторов могут иметь внешние соединения, называемые ответвлениями, с промежуточными точками на обмотке, чтобы можно было выбирать соотношение напряжений.В распределительных трансформаторах ответвления могут быть подключены к автоматическому переключателю ответвлений под нагрузкой для регулирования напряжения в распределительных цепях. Преобразователи звуковой частоты, используемые для передачи звука на громкоговорители громкоговорителя, имеют ответвители, позволяющие регулировать импеданс каждого динамика. Трансформатор с центральным отводом часто используется в выходном каскаде усилителя мощности звука в двухтактной схеме. Трансформаторы модуляции в передатчиках AM очень похожи.

Обмотки некоторых трансформаторов защищены эпоксидной смолой.Пропитав трансформатор эпоксидной смолой под вакуумом, можно заменить воздушные пространства внутри обмоток эпоксидной смолой, тем самым герметизируя обмотки и помогая предотвратить возможное образование короны и поглощение грязи или воды. Это позволяет производить трансформаторы, более подходящие для влажной или грязной среды, но с более высокой стоимостью производства. ^[66]

Охлаждающая жидкость

Трехфазный трансформатор с масляным охлаждением, вид в разрезе. Масляный резервуар виден вверху. Излучающие плавники способствуют отведению тепла.

Высокие температуры могут повредить изоляцию обмотки. ^[67] Малые трансформаторы не выделяют значительного тепла и охлаждаются за счет циркуляции воздуха и излучения тепла. Силовые трансформаторы мощностью до нескольких сотен кВА могут охлаждаться за счет естественного конвективного воздушного охлаждения, иногда с помощью вентиляторов. ^[68] В более крупных трансформаторах одной из конструктивных проблем является отвод тепла. Некоторые силовые трансформаторы погружены в трансформаторное масло, которое охлаждает и изолирует обмотки. ^[69] Масло представляет собой минеральное масло высокой степени очистки, которое остается стабильным при рабочей температуре трансформатора. Внутренние трансформаторы, заполненные жидкостью, согласно строительным нормам многих юрисдикций требуют использования негорючей жидкости или размещения в огнеупорных помещениях. ^[70] Сухие трансформаторы с воздушным охлаждением предпочтительнее для использования внутри помещений даже при номинальной мощности, когда конструкция с масляным охлаждением была бы более экономичной, поскольку их стоимость компенсируется сниженной стоимостью строительства здания.

Бак, заполненный маслом, часто имеет радиаторы, через которые масло циркулирует за счет естественной конвекции; в некоторых больших трансформаторах используется принудительная циркуляция масла с помощью электрических насосов, которым помогают внешние вентиляторы или теплообменники с водяным охлаждением. ^[69] Масляные трансформаторы подвергаются длительным процессам сушки, чтобы гарантировать полное отсутствие водяного пара в трансформаторе перед подачей охлаждающего масла. Это помогает предотвратить электрический пробой под нагрузкой. Масляные трансформаторы могут быть оснащены реле Бухгольца, которые обнаруживают газ, выделяющийся во время внутренней дуги, и быстро обесточивают трансформатор, чтобы предотвратить катастрофический отказ. ^[60] Масляные трансформаторы могут выйти из строя, разорваться и сгореть, что приведет к отключению электроэнергии и потерям. Установка маслонаполненных трансформаторов обычно включает меры противопожарной защиты, такие как стены, удерживание масла и спринклерные системы пожаротушения.

Полихлорированные дифенилы обладают свойствами, которые когда-то благоприятствовали их использованию в качестве охлаждающих жидкостей, хотя опасения по поводу их устойчивости к окружающей среде привели к широкому запрету на их использование. ^[71] Сегодня можно использовать нетоксичные, стабильные масла на основе силикона или фторированные углеводороды там, где стоимость огнестойкой жидкости компенсирует дополнительные затраты на строительство хранилища трансформатора. ^{[67] [70]} До 1977 года даже трансформаторы, которые номинально были заполнены только минеральными маслами, также могли быть загрязнены полихлорированными бифенилами в концентрации 10-20 частей на миллион. Поскольку минеральное масло и жидкость на основе ПХД смешиваются, оборудование для обслуживания, используемое как для трансформаторов, заполненных ПХД, так и для маслонаполненных трансформаторов, может переносить небольшие количества ПХД, загрязняя маслонаполненные трансформаторы. ^[72]

Некоторые «сухие» трансформаторы (не содержащие жидкости) заключены в герметичные резервуары под давлением и охлаждаются азотом или газообразным гексафторидом серы. ^[67]

Экспериментальные силовые трансформаторы в диапазоне 2 МВА были построены со сверхпроводящими обмотками, что исключает потери в меди, но не потери в стали сердечника. Они охлаждаются жидким азотом или гелием. ^[73]

Сушка изоляции

Конструкция маслонаполненных трансформаторов требует, чтобы изоляция, покрывающая обмотки, была тщательно высушена перед введением масла. Есть несколько разных методов сушки. Общим для всех является то, что они проводятся в вакууме.Вакуум затрудняет передачу энергии (тепла) изоляции. Для этого есть несколько разных методов. Традиционная сушка осуществляется путем циркуляции горячего воздуха над активной частью и цикла с периодами вакуума (вакуумная сушка горячим воздухом, HAV). Для более крупных трансформаторов чаще всего используется испаренный растворитель, который конденсируется на более холодной активной части. Преимущество состоит в том, что весь процесс можно проводить при более низком давлении и без влияния добавленного кислорода. Этот процесс обычно называют сушкой в ​​паровой фазе (VPD).

Для распределительных трансформаторов, которые меньше и имеют меньший вес изоляции, можно использовать резистивный нагрев. Это метод, при котором в обмотки вводят ток для нагрева изоляции. Преимущество заключается в том, что обогревом можно очень хорошо управлять, и он является энергоэффективным. Этот метод называется низкочастотным нагревом (LFH), поскольку ток подается с гораздо более низкой частотой, чем номинальная частота сети, которая обычно составляет 50 или 60 Гц. Более низкая частота снижает влияние индуктивности в трансформаторе, поэтому напряжение, необходимое для индукции тока, может быть уменьшено. ^[74]

Клеммы

Очень маленькие трансформаторы будут иметь провода, подключенные непосредственно к концам катушек и выведенные к основанию блока для подключения цепей. Более крупные трансформаторы могут иметь тяжелые болтовые клеммы, шины или высоковольтные изоляционные вводы из полимеров или фарфора. Большой ввод может быть сложной конструкцией, поскольку он должен обеспечивать тщательный контроль градиента электрического поля, не допуская утечки масла из трансформатора. ^[75]

Приложения

Изображение электрической подстанции в Мельбурне, Австралия, демонстрирующее 3 из 5 трансформаторов 220/66 кВ, каждый мощностью 185 МВА.

Основное применение трансформаторов — повышение напряжения перед передачей электроэнергии на большие расстояния по проводам.Провода обладают сопротивлением и поэтому рассеивают электрическую энергию со скоростью, пропорциональной квадрату тока, протекающего через провод. Преобразуя электрическую энергию в высоковольтную (и, следовательно, слаботочную) форму для передачи и затем обратно, трансформаторы обеспечивают экономичную передачу энергии на большие расстояния. Следовательно, трансформаторы сформировали отрасль электроснабжения, позволяя размещать генерацию удаленно от точек спроса. ^[76] К моменту, когда она достигает потребителя, вся электроэнергия в мире, за исключением крошечной, проходит через серию трансформаторов. ^[46]

Трансформаторы

также широко используются в электронной продукции для понижения напряжения питания до уровня, подходящего для содержащихся в них цепей низкого напряжения. Трансформатор также электрически изолирует конечного пользователя от контакта с напряжением питания.

Сигнальные и звуковые трансформаторы используются для соединения каскадов усилителей и для согласования таких устройств, как микрофоны и проигрыватели, с входом усилителей. Аудиотрансформаторы позволяли телефонным цепям поддерживать двусторонний разговор по одной паре проводов. ^{a b c} Диксон, Ллойд. «Справочник по магнитному дизайну». Инструменты Техаса. http://focus.ti.com/lit/ml/slup126/slup126.pdf.

ETOS® для операторов — ETOS®

Растущее количество и более высокий средний возраст силовых трансформаторов, а также все более строгие технические требования к мониторингу, контролю и регулированию создают все более серьезные проблемы для работы менеджеров активов и управления сетями.В то же время процессу принятия решений часто мешают незапланированные простои, увеличивающийся срок службы оборудования и потеря знаний. Для эффективной эксплуатации и обслуживания существующих систем и предотвращения критических ошибок силовых трансформаторов необходимо наличие правильного оборудования. Различные элементы должны быть оптимально согласованы друг с другом в системе, бесперебойно работать вместе и обеспечивать наилучшую возможную поддержку существующих процессов управления и обслуживания.

Мы предлагаем модульные системные решения для различных типов силовых трансформаторов, классов мощности и моделей.У нас также есть многолетний опыт управления и контроля силовых трансформаторов. ETOS® впервые позволяет нам предоставить полную открытую систему для автоматизации силовых трансформаторов. Он включает в себя оборудование для мониторинга и безопасности, (интеллектуальные) датчики, полевые устройства для управления, регулирования и мониторинга, вышестоящего мониторинга парка и все аксессуары, необходимые для подключения и связи.

Мы предлагаем решения для трансформаторов всех производителей независимо от возраста — для одного трансформатора или для всего парка.Подкомпоненты разделены на уровень процесса, уровень поля и уровень управления. Особенность этой установки заключается в том, что ее компоненты легко подключаются к системе, что позволяет адаптировать ее к вашим потребностям. Для нас очень важно удобство использования при интеграции и последующей эксплуатации.

Мы также можем легко расширить или обновить ваши существующие силовые трансформаторы, что позволит вам эффективно контролировать и контролировать свои трансформаторы — для максимальной доступности и надежности. Мы можем обеспечить автоматизацию всего процесса — от оценки ситуации на месте и консультирования до планирования проекта, поставки и ввода в эксплуатацию.Испытайте нас!

Дизайн и упаковка ETOS®.

Ваш универсальный магазин. С самого начала.

От оценки исходной ситуации и обучения вашего персонала до последующего расширения — наши специалисты в вашем распоряжении на каждом этапе вашего проекта и даже за его пределами.

• Осмотр объектов.
• Регистрация состояния силовых трансформаторов.
• Сбор данных о датчиках на месте.
• Установление потребности в новом оборудовании и / или модернизации (датчики, защитные устройства, полевые устройства и связь).
• Проверка других интерфейсов и источников данных, таких как интеграция информации системы управления.
• Уточнение путей / маршрутов связи: использование уже существующих путей или планирование развития параллельного пути связи.

• Разработка детальных стратегий для всей системы.
• Проведение измерений на оборудовании (опция).
• Определение этапов расширения проекта.
• Предлагает рекомендуемые действия по контролю и контролю силового трансформатора.
• Анализ и разработка концепций безопасности связи.

8254 Командное слово и режимы работы

Предварительное условие — 8254 Программируемый интервальный таймер
После включения питания состояние 8254 не определено.Режим, значение счета и выход всех счетчиков не определены. Как работает каждый счетчик, определяется при его программировании. Каждый счетчик должен быть запрограммирован, прежде чем его можно будет использовать. Неиспользуемые счетчики программировать не нужно. Счетчики программируются путем записи контрольного слова, а затем начального счета.

Управляющее слово 8254 —
Формат управляющего слова 8254:

Здесь, используя значение SC1 и SC0, мы выбираем конкретный счетчик:

Значения RW1 и RW0 используются для определения операции чтения-записи:

Значения M2, M1, M0 используются для определения рабочих режимов 8254:

Младший бит управляющего слова используется для выбора значения счетчика двоичным или двоичным.Если бит равен 0, он работает как двоичный счетчик, а если его значение равно 1, он работает как счетчик BCD.

Режимы работы 8254:

1. Режим 0 (прерывание по счетчику терминала) — Режим 0 обычно используется для подсчета событий. После того, как командное слово записано, OUT изначально имеет низкий уровень и будет оставаться на низком уровне до тех пор, пока счетчик не достигнет нуля, он уменьшается на 1 после каждого тактового цикла. Затем OUT становится высоким и остается высоким до тех пор, пока в счетчик не будет записан новый счетчик или новое управляющее слово режима 0.GATE = 1 включает счет, GATE = 0 отключает счет.
2. Режим 1 (один выстрел с аппаратным перезапуском) — OUT будет изначально на высоком уровне. OUT перейдет на низкий уровень в импульсе CLK после запуска одноразового импульса и останется на низком уровне, пока счетчик не достигнет нуля.
3. Режим 2 (генератор скорости) — Первоначально значение OUT низкое. Когда подсчет включен, он становится высоким, и этот процесс периодически повторяется. Значение счетчика = входная частота / выходная частота.Этот режим работает как делитель частоты.
4. Режим 3 (генератор прямоугольных сигналов) — Подсчет включается, когда GATE = 1, и отключается, когда GATE = 0. Этот режим используется для генерации прямоугольной формы волны и генерируется период времени (равный счетчику).
   Если N подсчитано и четно, то время действия волны = N / 2 и время выключения = N / 2
   Если N нечетное время включения = (N + 1) / 2 и время выключения = (N — 1) / 2
5. Режим 4 (строб, запускаемый программным обеспечением) — В этом режиме подсчет включается с помощью GATE = 1 и отключается с помощью GATE = 0.Первоначально значение OUT высокое и становится низким, когда значение счета находится на последней стадии. Счетчик перезагружается снова для последующего тактового импульса.
6. Режим 5 (запускаемый аппаратно строб) — OUT изначально будет высоким. Подсчет запускается нарастающим фронтом GATE. Когда начальный счет истечет, OUT перейдет на низкий уровень на один тактовый импульс, а затем снова перейдет на высокий уровень. После записи контрольного слова и начального счета счетчик не будет загружен до тактового импульса после запуска.

Если вам нравится GeeksforGeeks и вы хотите внести свой вклад, вы также можете написать статью, используя свой вклад.geeksforgeeks.org или отправьте свою статью по адресу [email protected]. Смотрите, как ваша статья появляется на главной странице GeeksforGeeks, и помогайте другим гикам.

Пожалуйста, улучшите эту статью, если вы обнаружите что-то неправильное, нажав кнопку «Улучшить статью» ниже.

Теги статей:

Почему важны рейтинги системы изоляции трансформатора? — MCI Transformer Corporation

Как и любое другое устройство, использующее электричество, трансформаторы выделяют тепло как побочный продукт своей работы.Это тепло, генерируемое в процессе, обычно увеличивает внутреннюю температуру трансформатора — это происходит, когда средняя температура обмоток превышает температуру окружающей среды при нормальной полной нагрузке. Это часто может стать серьезной проблемой для инженеров-конструкторов, пытающихся повысить надежность и производительность своей продукции в полевых условиях. Более того, если эти продукты используются в экстремальных условиях.

Поскольку трансформаторы с меньшим превышением температуры обеспечивают более эффективную работу, и наоборот, производители стремятся разрабатывать трансформаторы с меньшим превышением температуры.Здесь вступает в действие система изоляции.

Система изоляции — это самая высокая внутренняя температура, которую может выдержать трансформатор. Трансформатор, работающий в температурных пределах своей системы изоляции, обычно имеет ожидаемый срок службы 20-25 лет. Повышенная температура часто является основной причиной сокращения срока службы трансформатора. Кроме того, поломки системы изоляции вызывают максимальное количество отказов трансформатора, поэтому практически все, что нарушает изоляционные свойства внутри трансформатора, является пагубным для срока службы трансформатора.

Рассчитанный в градусах Цельсия при наивысшем номинальном значении температуры, рейтинг системы изоляции можно определить как максимально допустимую рабочую температуру трансформатора для обеспечения его нормального срока службы. Эти значения основаны на максимальной температуре окружающей среды 40 ^o C. Класс изоляции определяется общей суммой превышения температуры, температуры окружающей среды и допуска на горячие точки (см. Рисунок ниже **) . Это означает, например, что трансформатор с повышением температуры на 80 ^o C будет работать при средней температуре обмотки 120 ^o C при полной номинальной нагрузке в окружающей среде 40 ^o C.

Источник: Основы проектирования электрооборудования — Модуль 4 — Понимание распределения и использования мощности трансформаторов, Дэвид Р. Карпентер, доктор философии

Эти максимальные температурные пределы установлены стандартами NEMA, и превышение любого из них сократит ожидаемый срок службы трансформатора.

Ранее рейтинг изоляции обозначался буквенной системой. Это было изменено на фактическую номинальную температуру (класс A = класс 05 ° C, класс B = класс 150 ° C, класс F = класс 180 ° C и класс H = класс 220 ° C).

Помимо ожидаемого срока службы, характеристики систем изоляции также помогают определить перегрузочную способность трансформатора. Более низкий рост температуры обычно приводит к более высокой перегрузочной способности. В большинстве сухих трансформаторов используется одинаковая изоляция на обмотках, которая обычно рассчитана на 220 ^o C, независимо от проектного повышения температуры. Вот почему блок с повышением температуры 80 ^o C предлагает больше места для случайных перегрузок, чем блок с повышением температуры 150 ^o C, не повреждая изоляцию и не влияя на срок службы трансформатора.

Кроме того, когда дело доходит до оценки трансформаторов при принятии решения о покупке, рейтинги систем изоляции могут быть важным фактором, который следует учитывать в связи с растущей потребностью в энергоэффективности этих устройств.

Класс изоляции, который следует использовать в конкретном трансформаторе, безусловно, является критическим соображением при проектировании и должен учитываться с другими аспектами, такими как регулирование напряжения, стоимость материалов и доступность для достижения наилучших результатов.

MCI Transformer Corporation — один из пользующихся наибольшим доверием производителей трансформаторов, известный своими высокими стандартами безопасности, надежностью и предельной приверженностью качеству.Наши продукты проходят испытания на соответствие строгим стандартам различных отраслей промышленности.

Свяжитесь с нами, чтобы узнать, как мы можем быстрее вывести ваш продукт на рынок!

Transformers G1 Руководство коллекционера Wiki и фотоархив | Transformerland.com

Эквивалент в Японии: Начиная с G1 — Fight! Трансформеры супер роботов (1985)

Generation One, первоначально известная просто как «Трансформеры», является первой серией Трансформеров.В США линия игрушек работала с 1984 по 1990 год; в Европе с 1985 по 1993 год (за исключением Великобритании, где было выпущено ограниченное количество выпусков в 1984 году) и в Японии с 1985 по 1992 год (со многими отличиями от других регионов)

Линия, безусловно, самая разнообразная по стилю и дизайну игрушек. В первые годы, 1984–1985 годы, основное внимание уделялось игрушкам, которые изначально производились в разных цветах для других брендов, таких как Diaclone и Microchange от Takara, Macross от Bandai и Dorvack и Beetras от Такатоку. Эти игрушки имели разную этику дизайна, но большинство из них были преобразованы в узнаваемые реальные автомобили и имели ограниченную артикуляцию в режиме робота.

В это время на рынке присутствовало множество конкурирующих брендов роботов, изменяющих форму, поэтому Hasbro разработала «рубиновый знак» как знак подлинности. Эти черные и серебряные квадратные наклейки занимали видное место на игрушке и меняли цвет при нагревании, чтобы показать преданность персонажа.

В 1986 году успех Transformers оправдал вложения в новые уникальные конструкции. Многие из них пошли по стопам своих предшественников, включая использование некоторых ранее не выпускавшихся дизайнов, написанных для предыдущих линий.Основная тема переместилась на Трансформеры, которые могли объединяться в команды, чтобы образовывать более крупных роботов. Это не была новая концепция, но в том году на нее пришла почти половина релизов.

После мультфильма в 1986 году оригинальная сюжетная нить оборвалась и утратила свое влияние на дизайн игрушек. В последующие годы появлялось все больше и больше роботов с вымышленными или научно-фантастическими альтернативными режимами и игрушками, сосредоточенными в группах на определенных трюках. Многие из этих уловок включали «партнера» меньшего размера, который мог стать головой, оружием или двигателем более крупной фигуры.Некоторые роботы могли быть замаскированы под монстров или людей, спрятавшись в полой «оболочке». Однако с каждым годом сборные представлены все больше.

Поскольку в конце 80-х продажи в США начали замедляться, компания Transformers сократила штат, пытаясь предлагать игрушки по более низкой цене и извлечь выгоду из популярной концепции «микро» игрушек. Некоторые из этих небольших роботов, Micromasters, продавались группами по четыре или шесть простых крошечных фигурок. Большие игрушки просто содержали одну фигурку Micromaster и базу или игровой набор.Предыдущие подгруппы также увидели новые конструкции, которые уменьшили и упростили свои концепции.

Когда линия подошла к концу, последняя подгруппа бросила старую этику: Мастера Действий. Популярные персонажи из начала серии были визуализированы как фигурки, не трансформирующиеся, включая оружие или транспортные средства, которые могли трансформироваться. В конце 1990 года сериал был отменен в США из-за резких продаж. Япония увидит новые образцы еще в течение двух лет, а Европа — еще три.