Всего комментариев: 0

Элементы конструкции силовых трансформаторов

Мощный трансформатор высокого напряжения представляет собой сложное устройство, состоящее из большого числа конструктивных элементов, основными из которых являются: магнитная система (магнитопровод), обмотки, изоляция, выводы, бак, охлаждающее устройство, механизм регулирования напряжения, защитные и измерительные устройства, тележка.

Магнитная система

В магнитной системе проходит магнитный поток трансформатора (отсюда название «магнитопровод»). Магнитопровод является конструктивной и механической основой трансформатора. Он выполняется из отдельных листов электротехнической стали, изолированных друг от друга. Качество электротехнической стали влияет на допустимую магнитную индукцию и потери в магнитопроводе.

В течение многих лет применялась горячекатаная сталь ЭЧ1, ЭЧ2 с толщиной листов 0,5-0,35 мм, допускающая индукцию 1,4-1,45 Тл, с удельными потерями 2,5-3,5 Вт/кг. В настоящее время применяется холоднокатаная текстурованная сталь марок 3405, 3406, т.е. сталь с определенной ориентировкой зерен, допускающая индукцию до 1,7 Тл, с удельными потерями 0,9-1,1 Вт/кг. Применение такой стали позволило значительно уменьшить сечение магнитопровода за счет большей допустимой магнитной индукции, уменьшить диаметр витков обмотки, уменьшить массу и габариты трансформаторов. Масса трансформаторов на единицу мощности в 1930г. достигала 3,33 т/(МВА), а в настоящее время 0,74 т/(МВА).

Уменьшение удельных потерь в стали, тщательная сборка магнитопровода, применение бесшпилечных конструкций, соединение стержней с ярмом с помощью косой шихтовки позволяют уменьшить потери холостого хода и ток намагничивания трансформатора. В современных мощных трансформаторах ток намагничивания составляет 0,5-0,6% I_ном, тогда как в трансформаторе с горячекатаной сталью ток достигал 3%; потери холостого хода уменьшились вдвое.

Листы трансформаторной стали должны быть тщательно изолированы друг от друга. Первоначально применялась бумажная изоляция — листы оклеивались с одной стороны тонким слоем специальной бумаги. Бумага создает потную электрическую изоляцию между листами, но легко повреждается при сборке и увеличивает размеры магнитопровода. Широко применяется изоляция листов лаком с толщиной слоя 0,01 мм. Лаковая пленка создает достаточно надежную изоляцию между листами, обеспечивает хорошее охлаждение магнитопровода, обладает высокой нагревостойкостью и не повреждается при сборке. Последнее время все шире применяется двустороннее жаростойкое покрытие листов стали, наносимое на металлургическом заводе после проката. Толщина покрытия меньше 0,01 мм, что обеспечивает лучшие свойства магнитной системы. Стяжка стержней осуществляемся стеклобандажами, ярм — стальными полу бандажами или бандажами.

Магнитопровод и его конструктивные детали составляют остов трансформатора. На остове устанавливают обмотки и крепят проводники, соединяющие обмотки с вводами, составляя активную часть.

Рис.1. Обмотки трансформатора:
а — концентрическая, б — чередующаяся

Обмотки трансформаторов

Обмотки трансформаторов могут быть концентрическими и чередующимися. В первом случае обмотки НН и ВН выполняют в виде цилиндров и располагают на стержне концентрически одна относительно другой (рис.1,а). Такое выполнение принято в большинстве силовых трансформаторов. Во втором случае обмотки ВН и НН выполняются в виде невысоких цилиндров с одинаковыми диаметрами и располагаются на стержне одна над другой (рис.1,б). В такой обмотке значительное число паек, она менее компактна и применяется для специальных электропечных трансформаторов или для сухих трансформаторов, так как обеспечивает лучшее охлаждение обмоток.

Обмотки трансформаторов должны обладать достаточной электрической и механической прочностью. Изоляция обмоток и отводов от нее должна без повреждений выдерживать коммутационные и атмосферные перенапряжения. Обмотки должны выдерживать электродинамические усилия, которые появляются при протекании токов КЗ. Необходимо предусмотреть надежную систему охлаждения обмоток, чтобы не возникал недопустимый перегрев изоляции.

Для проводников обмотки используются медь и алюминий. Как известно, медь имеет малое электрическое сопротивление, легко поддается пайке, механически прочна, что и обеспечило широкое применение меди для обмоток трансформаторов. Алюминий дешевле, обладает меньшей плотностью, но большим удельным сопротивлением, требует новой технологии выполнения обмоток. В настоящее время трансформаторы с алюминиевой обмоткой изготовляются на мощность до 6300 кВА.

В современных трансформаторах для обмотки применяется транспонированный провод, в котором отдельные проводники в параллельном пучке периодически изменяют свое положение. Это выравнивает сопротивление элементарных проводников, увеличивает механическую прочность, уменьшает толщину изоляции и размеры магнитопровода.

Изоляция трансформатора

Изоляция трансформатора является ответственной частью, так как надежность работы трансформатора определяется в основном надежностью его изоляции.

В масляных трансформаторах основной изоляцией является масло в сочетании с твердыми диэлектриками: бумагой, электрокартоном, гетинаксом, деревом (маслобарьерная изоляция).

Значительный эффект дает применение изоляции из специально обработанной бумаги (стабилизированной), которая менее гигроскопична, имеет более высокую электрическую прочность и допускает большой нагрев. В сухих трансформаторах широко применяются новые виды изолирующих материалов повышенной нагревостойкости на основе кремнийорганических материалов.

Активную часть трансформатора вместе с отводами и переключающими устройствами для регулирования напряжения помещают в бак. Основные части бака — стенки, дно и крышка. Крышку используют для установки вводов, выхлопной трубы, крепления расширителя, термометров и других деталей. На стенке бака укрепляют охладительные устройства — радиаторы.

В трансформаторах небольшой мощности бак выполняется с верхним разъемом: при ремонтах необходимо снять крышку трансформатора, а затем поднять активную часть из бака.

Если масса активной части более 25т, то она устанавливается на донную часть бака, а затем накрывается колоколообразной верхней частью бака и заливается маслом. Такие трансформаторы с нижним разъемом не нуждаются в тяжелых грузоподъемных устройствах для выемки активной части, так как при ремонтах после слива масла поднимается верхняя часть бака, открывая доступ к обмоткам и магнитопроводу.

Для уменьшения потерь от потоков рассеяния стальные баки экранируются с внутренней стороны пакетами из электротехнической стали или пластинами из немагнитных материалов (медь, алюминий).

Расширитель трансформатора

Расширитель трансформатора представляет собой цилиндрический сосуд, соединенный с баком трубопроводом и служащий для уменьшения площади соприкосновения масла с воздухом. Бак трансформатора полностью залит маслом, изменение объема масла при нагреве и охлаждении приводит к колебанию уровня масла в расширителе; при этом воздух вытесняется из расширителя или всасывается в него. Масло очень гигроскопично, и если расширитель непосредственно связан с атмосферой, то влага из воздуха поступает в масло, резко снижая его изоляционные свойства. Для предотвращения этого расширитель связан с окружающей средой через силикагелевый воздухоосушитель. Силикагель поглощает влагу из всасываемого воздуха. При резких колебаниях нагрузки силикагелевый фильтр полностью не осушает воздух, поэтому постепенно влажность воздуха в расширителе повышается. Для предотвращения этого применяются герметичные баки с газовой подушкой из инертного газа или свободное пространство в расширителе заполняется инертным газом (азотом), поступающим из специальных эластичных емкостей. Возможно применение специальной пленки — мембраны на границе масло-воздух. Осушение воздуха в расширителе осуществляют термовымораживателями.

К баку трансформатора крепится термосифонный фильтр, заполненный силикагелем или другим веществом, поглощающим продукты окисления масла. При циркуляции масла через фильтр происходит непрерывная регенерация его.

Рис.2. Трансформатор трехфазный трехобмоточный ТДТН-16000-110-80У1
1 — бак, 2 — шкаф автоматического управления дутьем, 3 — термосифонный фильтр,
4 — ввод ВН, 5 — ввод НН, 6 — ввод СН, 7 — установка трансформаторов тока 110 кВ,
8 — установка трансформаторов тока 35 кВ, 9 — ввод 0 ВН, 10 — ввод 0 СН,
11 — расширитель, 12 — маслоуказатель стрелочный, 13 — клапан предохранительный,
14 — привод регулятора напряжения, 15 — электродвигатель системы охлаждения,
16 — радиатор, 17 — каретка с катками

Для контроля за работой трансформатора предусматриваются контрольно-измерительные и защитные устройства. К контрольным устройствам относятся маслоуказатель и термометры. Маслоуказатель устанавливается на расширителе, термометр — на крышке бака. К защитным устройствам относятся реле понижения уровня масла и газовое реле.

На мощных трансформаторах 330-750 кВ дополнительно применяются устройства контроля изоляции вводов (КИВ) и манометры, контролирующие давление масла в герметичных вводах ВН. Основные конструктивные узлы трансформаторов показаны на рис.2.

Конструкция трансформаторов напряжения | Электрические аппараты | Обладнання

Сторінка 52 із 54

23.2. КОНСТРУКЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

При напряжении до 35 кВ конструкции ТН и силовых трансформаторов аналогичны. При этом индукция в магнитопроводе значительно меньше, чем у силовых трансформаторов. Это снижает погрешность, позволяет в некоторых случаях проводить испытания индуцированным напряжением Для испытания трансформатора напряжения на выводы вторичной обмотки подается удвоенное напряжение частотой 50 Гц. На первичной обмотке появляется также удвоенное напряжение Индукция не должна превышать индукцию насыщения.
При эксплуатации возможны случаи, когда первичная обмотка, рассчитанная на работу при фазном напряжении, попадает под линейное напряжение вместо фазного При этом магнитопровод не должен насыщаться.

Для напряжений до 35 кВ выпускаются однофазные ТН, у которых оба или один из выводов обмотки высокого напряжения изолированы от 3   земли (второй вывод заземлен)  На рис. 23 5, а показан однофазный ТН на напряжение 6 кВ с масляной изоляцией. Оба вывода первичной обмотки изолированы от корпуса.

Рис. 23 5 ТН с масляной (а) и литой (б) изоляцией

Перспективным является отказ от масляной изоляции. В этом случае при меняется заливка трансформатора напряжения эпоксидным компаундом. Наряду с резким сокращение 1 массы и габаритов упрощается эксплуатация, делается ненужным уход за маслом Трансформаторы с литой пластмассовой изоляцией пожаробезопасны, удобны в передвижных установках и КРУ Для сравнения на рис 23 5 показаны ТН с одинаковыми параметрами при масляной и литой изоляции Габариты трансформатора напряжения в значительной степени определяются изоляцией Поэтому там, где возможно, ТН включаются между фазой сети и землей, что исключает необходимость в изоляции заземленного вывода первичной обмотки Линейное напряжение получается путем соединения в звезду вторичных обмоток таких ТН Такие способы позволяют уменьшить габариты, массу и стоимость трансформатора напряжения.

Рис 23 6 Схемы включения трансформатора напряжения в трехфазных цепях

Основные схемы включения однофазных ТН нормального исполнения показаны на рис 23 6 В схеме рис 23 6 о используются ТН, у которых оба вывода первичной обмотки изолированы от земли. Такая схема удобна при измерении мощности и энергии К каждому ТН может подключаться номинальная нагрузка   Схема позволяет получать как фазное, так и линейное напряжение Uca=—[Uab + Ubc). В последнем случае измерительные приборы подключаются между точками а и с. Однако при таком включении создаются дополнительные погрешности за счет тока приборов, проходящего через обе вторичные обмотки. В этом случае нагрузка трансформатора напряжения должна быть меньше номинальной.
В схеме рис. 23.6, б могут применяться ТН с одним заземленным выводом первичной обмотки. Каждая из обмоток подключена к фазному напряжению сети, поэтому номинальное напряжение ТН должно равняться £/Ном/]/»3. Нагрузка подключается по схеме звезды или треугольника.3 раз. Во избежание недопустимого нагрева и резкого возрастания погрешности магнитопроводы не должны насыщаться при таком увеличении индукции.
В установках с заземленной нейтралью заземление одной из фаз сети вызывает КЗ и срабатывание релейной защиты. Напряжение на неповрежденных фазах при этом не поднимается выше (l,2-f-l,3) U„.
Габариты и стоимость трансформатора напряжения могут быть уменьшены путем объединения трех однофазных ТН в один трехфазный Применяются трехстержневые и пятистержневые ТН. Трехфазные трехстержневые ТН выполняются с изолированной нулевой точкой на стороне высокого напряжения. Если нулевую точку заземлить, то при заземлении одной фазы в сетях с изолированной нейтралью возникает аварийный режим работы [3.1].
Для контроля сопротивления изоляции систем с изолированной нейтралью применяются трехфазные пятистержневые ТН (рис. 23.7). При заземлении одной из фаз магнитные потоки, созданные обмотками неповрежденных фаз, замыкаются по крайним стержням, имеющьм малое магнитное сопротивление. Дополнительные обмотки, соединенные в открытый треугольник а\Хи обеспечивают работу сигнализации и релейной защиты. При симметричном режиме в сети на выходе  напряжение отсутствует.

Рис. 23.7. ТН с пятистержневым магнитопроводом

При напряжениях выше 35 кВ ввиду резкого возрастания габаритов и стоимости трансформатора напряжения нормальной конструкции применяются каскадные ТН. В двухкаскадном ТН на напряжение 110 кВ (рис. 23.8) каждый каскад имеет свой магнитопровод (/ и 11). Обмотки высокого напряжения ВН каждого каскада рассчитаны на 50 % фазного напряжения. Один из выводов каждой обмотки ВН соединен с магнитопроводом. На стороне низкого напряжения НН выходные обмотки ах, аяха предназначены для питания измерительных приборов и реле в схеме защиты. Обмотка связи weB\ расположена на магнитопроводе 1, а обмотка связи о>св2 — на магнитопроводе 11.
При отсутствии обмоток связи, если нагрузка не подключена к выходным обмоткам, напряжение разделится поровну между обмотками ВН, так как их индуктивные сопротивления холостого хода одинаковы.
При включении нагрузки вторичный ток размагничивает магнитопровод / и поток в нем уменьшается. Реактивное сопротивление ступени / также уменьшается. Это ведет к тому, что напряжение между ступенями поделится неравномерно, причем большая часть ляжет на ступень 11.
Обмотки связи служат для выравнивания распределения напряжения между обмотками при включении нагрузки. При холостом ходе ЭДС в этих обмотках одинаковы, так как равны потоки в магнитопроводах / и 11. Обмотки wCB включены встречно друг другу и уравнительный ток равен нулю. При включении нагрузки поток в магнитопроводе / падает. ЭДС в обмотке wCB2 становится больше, чем ЭДС в обмотке Шсви В результате в этих обмотках протекает уравнительный ток, который размагничивает магнитопровод II и подмагничивает магнитопровод /. Этот ток таков, что верхний элемент воспринимает на себя половину нагрузки, включенной на выходных обмотках.
Более совершенным является вариант рис. 23.8, б. При этом же напряжении 110/1/^3 кВ ТН имеет один магнитопровод. На верхнем горизонтальном стержне магнитопровода расположены обмотки связи гё>Св1 и первая обмотка высокого напряжения ВНи на нижнем — обмот-5ка связи о>св2, вторая обмотка высокого напряжения ВН2 и две обмотки низкого напряжения НН. Один из концов каждой обмотки ВЯ; и bhz соединяется с магнитопроводом. Каждая обмотка ВН имеет изоляцию относительно магнитопровода, рассчитанную на напряжение >/г Уф, что уменьшает размеры трансформатора напряжения. Собранный магнитопровод с изоляционными стойками показан на рис. 23 8, г.

Рис. 23.8. Каскадные трансформаторы напряжения

В трансформаторах на напряжение 110 кВ для снижения атмосферных перенапряжений необходимо равномерное распределение напряжения по катушкам обмотки ВН. С этой целью поверх обмоток ВН располагаются экраны Эк, которые электрически соединяются с последними витками этих обмоток. Магнитопровод с обмотками крепится на изоляционных стойках, устанавливается в фарфоровый кожух и заливается маслом.
ТН на напряжение 220 кВ собирается из двух ТН на 110 кВ. Аналогично выполняются ТН на напряжения до 500 кВ. Для выравнивания напряжения между каскадами применяют охранные кольца. Изоляция верхних элементов, подвергающихся большей электрической нагрузке, соответственно усиливается.
Результирующее активное и индуктивное сопротивление обмоток каскадных ТН значительно больше, чем у ТН нормального исполнения. Поэтому для получения высокого класса точности приходится снижать нагрузку.
Как указывалось, для трансформатора напряжения характерна малая плотность тока в обмотках. В том случае, когда ТН используется как источник мощности и погрешность не играет особой роли, нагрузку обмоток можно значительно увеличить. Так, например, для трансформатора напряжения типа НОМ-10 при классе точности 0,5 допустима нагрузка 80 В-А, хотя максимальная мощность, которая может быть снята со вторичной обмотки, равна 720 В-А.

Устройство и элементы конструкции силовых трансформаторов | Трансформаторы

Силовые трансформаторы (автотрансформаторы) в зависимости от мощности и напряжения условно делят на восемь габаритов. Так, например, к нулевому габариту относят трансформаторы мощностью до 5 кВ-А включительно, мощностью свыше 5 кВ-А — до 100 кВ-А напряжением до 35 кВ (включительно) к I габариту, выше 100 до 1000 — ко II, выше 1000 до 6300 — к III; выше 6300 — к IV, а напряжением выше 35 до 110 кВ (включительно) и мощностью до 32 000 кВ-А — к V габариту. Для отличия по конструктивным признакам, назначению, мощности и напряжению их подразделяют на типы.
Каждому типу трансформаторов присваивают обозначение, состоящее из букв и цифр. Буквы в типах масляных и сухих трансформаторов обозначают: О — однофазный, Т — трехфазный, Н — регулирование напряжения под нагрузкой, Р — с расщепленными обмотками; по видам охлаждения: С — естественно-воздушное, М — естественная циркуляция воздуха   и   масла, Д — принудительная циркуляция воздуха и естественная циркуляция масла, ДЦ — принудительная циркуляция воздуха и масла, MB — принудительная циркуляция воды и естественная циркуляция масла, Ц— принудительная циркуляция воды и масла. Вторичное употребление буква С в обозначении типа показывает, что трансформатор трехобмоточный.

Рис. 1. Устройство силового масляного трансформатора мощностью 1000—6300 кВ-А класса напряжения 35 кВ:
1 — бак, 2 — вентиль, 3 — болт заземления, 4 — термосифонный фильтр, 5 — радиатор, 6 — переключатель, 7 — расширитель, 8 — маслоуказатель, 9—воздухоосушитель, 10 — выхлопная труба, 11 — газовое реле, 12 — ввод ВН, 13 — привод переключающего устройства, 14 — ввод НН, 15 — подъемный рым, 16 — отвод НН, 17 — остов, 18 — отвод ВН, 19 — ярмовая балка остова (верхняя и нижняя), 20 — регулировочные ответвления  обмоток ВН,   21 — обмотка  ВН   (внутри  НН),   22 — каток тележки

Цифры в числителе указывают мощность трансформатора (в киловольт-амперах), в знаменателе — класс напряжения обмотки ВН (в киловольтах), например: ТМ-100/6 — трехфазный, с масляным охлаждением и естественной циркуляцией, мощностью 100 кВ-А, напряжением 6 кВ; ТД-10000/110 — трехфазный, с дутьевым охлаждением, мощностью 10 000 кВ-А, напряжением 110 кВ; ТДТ-20 000/110 — трехфазный, трехобмоточный, с дутьевым охлаждением, мощностью 20 000 кВ-А, напряжением 110 кВ; ТС-630/10 — трехфазный, сухого исполнения, мощностью 630 кВ-А, напряжением 10 кВ.
В обозначении автотрансформатора добавляют букву А. Если автотрансформатор понижающий, то буква А стоит в начале обозначения, если повышающий — в конце.
В условном обозначении типа трансформатора указывают также год разработку конструкции, климатическое исполнение и категорию размещения, например: ТДЦ-63 000/110-75У1 (У — предназначен для работы в условиях умеренного климата, 1 — на открытом воздухе).
По стандарту номинальные мощности трехфазных трансформаторов и автотрансформаторов должны соответствовать ряду: 5; 6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250 и т. д.
Составными частями масляного трансформатора являются: остов обмотки, переключающее устройство, вводы, отводы, изоляция, бак, охладители, защитные и контрольно-измерительные и вспомогательные устройства.
Конструкция, включающая в собранном виде остов трансформатора, обмотки с их изоляцией, отводы, части регулирующего устройства, а также все детали, служащие для их механического соединения, называется активной частью трансформатора. На рис. 1 показано устройство и компоновка основных частей силового масляного трансформатора мощностью 1000— 6300 кВ-А.

Трансформаторы — устройство, принцип работы и область применения, основные типы и характеристики

электрика, сигнализация, видеонаблюдение, контроль доступа (СКУД), инженерно технические системы (ИТС)

Трансформаторы — это устройства предназначенные для преобразования электроэнергии. Их основная задача — изменение значения переменного напряжения.

Трансформаторы используются как в виде самостоятельных приборов, так и в качестве составных элементов других электротехнических устройств.

Достаточно часто трансформаторы используются при передаче электроэнергии на дальние расстояния. Непосредственно на электрогенерирующих предприятиях они позволяют существенно повысить напряжение, которое вырабатывается источником переменного тока.

Повышая напряжение до 1150 кВт, трансформаторы обеспечивают более экономную передачу электроэнергии: значительно снижаются потери электричества в проводах и появляется возможность уменьшить площадь сечения кабелей, используемых в линиях электропередач.

Принцип работы трансформатора основан на эффекте электромагнитной индукции. Классическая конструкция состоит из металлического магнитопровода и электрически не связанных обмоток выполненных из изолированного провода. Та обмотка, на которую подается электроэнергия, называется первичной. Вторая — подсоединённая к устройствам, потребляющим ток, называется вторичной.

После того как трансформатор подсоединяют к источнику переменного тока в его первичная обмотка формирует переменный магнитный поток. По магнитопроводу он передается на витки вторичной обмотки, индуцируя в них переменную ЭДС (электродвижущую силу). При наличии устройства потребления в цепи вторичной обмотки возникает электрический ток.

Соотношение между входным и выходным напряжением трансформатора прямо пропорционально отношению количества витков соответствующих обмоток.

Эта величина называется коэффициентом трансформации: Ктр=W₁/W₂=U₁/U₂, где:

• W1, W2 — количество витков первичной и вторичной обмоток соответственно;
• U1,U2 — входное и выходное напряжения соответственно.

Обмотки могут быть расположены либо в виде отдельных катушек либо одна поверх другой. У маломощных устройств обмотки выполняются из провода с хлопчатобумажной или эмалевой изоляцией. Микро трансформатор имеет обмотки из алюминиевой фольги толщиной не более 20—30 мкм. В качестве изолирующего материала выступает оксидная пленка, полученная естественным окислением фольги.

ВИДЫ И ТИПЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Трансформаторы — это достаточно широко распространенные устройства, поэтому существует множество их разновидностей. По конструктивному исполнению и назначению они делятся на:

Автотрансформаторы.

Они имеют одну обмотку с несколькими отводами. За счет переключения между этими отводами можно получить разные показатели напряжения. К недостаткам следует отнести отсутствие гальванической развязки между входом и выходом.

Импульсные трансформаторы.

Предназначены для преобразования импульсного сигнала незначительной продолжительности (около десятка микросекунд). При этом форма импульса искажается минимально. Обычно используется в цепях обработки видеосигнала.

Разделительный трансформатор.

Конструкция этого устройства предусматривает полное отсутствие электрической связи между первичной и вторичными обмотками, то есть обеспечивает гальваническую развязку между входными и выходными цепями. Используется для повышения электробезопасности и, как правило, имеет коэффициент трансформации равный единице.

Пик—трансформатор.

Используется для управления полупроводниковыми электрическими устройствами типа тиристоров. Преобразует синусоидальное напряжение переменного тока в пикообразные импульсы.

Стоит выделить способ классификации трансформаторов по способу их охлаждения.

Различают сухие устройства с естественным воздушным охлаждением в открытом, защищенном и герметичном исполнении корпуса и с принудительным воздушным охлаждением.

Устройства с жидкостным охлаждением могут использовать различные типы теплообменной жидкости. Чаще всего это масло, однако встречаются модели где в качестве теплообменного вещества используется вода или жидкий диэлектрик.

Кроме того производят трансформаторы с комбинированным охлаждением жидкостно-воздушным. При этом каждый из способов охлаждения может быть как естественным, так и с принудительной циркуляцией.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

К основным техническим характеристиками трансформаторов можно отнести:

• уровень напряжения: высоковольтный, низковольтный, высоко потенциальный;
• способ преобразования: повышающий, понижающий;
• количество фаз: одно- или трехфазный;
• число обмоток: двух- и многообмоточный;
• форму магнитопровода: стержневой, тороидальный, броневой.

Один из основных параметров — это номинальная мощность устройства, выраженная в вольт-амперах. Точные граничные показатели могут несколько различаться в зависимости от количества фаз и других характеристик. Однако, как правило, маломощными считаются устройства, преобразовывающие до нескольких десятков вольт-ампер.

Приборами средней мощности считаются устройства от нескольких десятков до нескольких сотен, а трансформаторы большой мощности работают с показателями от нескольких сотен до нескольких тысяч вольт-ампер.

Рабочая частота – различают устройства с пониженной частотой (менее стандартной 50 Гц), промышленной частоты – ровно 50 Гц, повышенной промышленной частоты (от 400 до 2000 Гц) и повышенной частоты (до 1000 Гц).

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Трансформаторы получили широкое распространение, как в промышленности, так и в быту. Одной из основных областей их промышленного применения является передача электроэнергии на дальние расстояния и ее перераспределение.

Не менее известны сварочные (электротермические) трансформаторы. Как видно из названия, данный тип устройств применяется в электросварке и для подачи питания на электротермические установки. Также достаточно широкой областью применения трансформаторов является обеспечение электропитания различного оборудования.

В зависимости от назначения трансформаторы делят на:

Силовые.

Являются наиболее распространенным типом промышленного трансформатора. Применяются для повышения и понижения напряжения. Используется в линиях электропередач. По пути от электрогенерирующих мощностей до потребителя электроэнергия может несколько раз проходить через повышающие силовые трансформаторы, в зависимости от удалённости конкретного потребителя.

Перед подачей непосредственно на приборы потребления (станки, бытовые и осветительные приборы) электроэнергия претерпевает обратные преобразования, проходя через силовые понижающие трансформаторы.

Тока.

Выносные измерительные трансформаторы тока используются для обеспечения работоспособности цепей учета электроэнергии защиты энергетических линий и силовых автотрансформаторов. Они имеют различные размеры и эксплуатационные показатели. Могут размещаться в корпусах небольших приборов или являться отдельными, габаритными устройствами.

В зависимости от выполняемых функций различают следующие виды:

• измерительные — подающее ток на приборы измерения и контроля;
• защитные — подключаемые к защитным цепям;
• промежуточные — используется для повторного преобразования.

Напряжения.

Они применяются для преобразования напряжения до нужных величин. Кроме того, такие устройства используются в цепях гальванической развязки и электро- радио- измерениях.

© 2012-2021 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Устройство трансформатора | Электротехника

Устройство трансформатора. Магнитопровод. Трансформаторы в зависимости от конфигурации магнитопровода подразделяют на стержневые, броневые и тороидальные.

В стержневом трансформаторе (рис. 213, а) обмотки 2 охватывают стержни магнитопровода 1; в броневом (рис. 213,б), наоборот, магнитопровод 1 охватывает частично обмотки 2 и как бы

Рис. 213. Устройство стержневого (а), броневого (б) и тороидального (в) трансформаторов

бронирует их; в тороидальном (рис. 213, в) обмотки 2 намотаны на магнитопровод 1 равномерно по всей окружности.

Трансформаторы большой и средней мощности обычно выполняют стержневыми. Их конструкция более простая и позволяет легче осуществлять изоляцию и ремонт обмоток. Достоинством их являются также лучшие условия охлаждения, поэтому они требуют меньшего расхода обмоточных проводов. Однофазные трансформаторы малой мощности чаще всего выполняют броневыми и тороидальными, так как они имеют меньшую массу и стоимость по сравнению со стержневыми трансформаторами из-за меньшего числа катушек и упрощения процесса сборки и изготовления. Тяговые трансформаторы с регулированием напряжения на стороне низшего напряжения — стержневого типа, а с регулированием на стороне высшего напряжения — броневого типа.
Магнитопроводы трансформаторов (рис. 214) для уменьшения потерь от вихревых токов собирают из листов электротехнической

Рис. 214. Магнитопроводы однофазного тягового (а) и силового трехфазного (б) трансформаторов: 1 — стержень; 2 — ярмовые балки; 3 — стяжные шпильки; 4 — основание для установки катушек; 5 — ярмо

стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Обычно применяют горячекатаную сталь с высоким содержанием кремния или холоднокатаную сталь. Листы изолируют один от другого тонкой бумагой или лаком. Стержни магнитопровода трансформатора средней мощности имеют квадратное или крестовидное сечение, а у более мощных трансформаторов — ступенчатое, по форме приближающееся к кругу (рис. 215, а). При такой форме обеспечивается минимальный периметр стержня при заданной площади поперечного сечения, что позволяет уменьшить длину витков обмоток, а следовательно, и расход обмоточных проводов. В мощных трансформаторах между отдельными стальными пакетами из которых собираются стержни, устраивают каналы шириной 5—6 мм для циркуляции охлаждающего масла. Ярмо, соединяющее стержни, имеет обычно прямоугольное сечение, площадь которого на 10—15% больше площади сечения стержней. Это уменьшает нагрев стали и потери мощности в ней.

В силовых трансформаторах магнитопровод собирают из прямоугольных листов. Сочленение стержней и ярма обычно выполняют с взаимным перекрытием их листов внахлестку. Для этого листы в двух смежных слоях сердечника располагают, как показано на рис. 215, б, г, т. е. листы стержней 1, 3 и ярма 2, 4 каждого последующего слоя перекрывают стык в соответствующих листах предыдущего слоя, существенно уменьшая магнитное сопротивление в месте сочленения. Окончательную сборку магнитопровода осуществляют после установки катушек на стержни (рис. 215, в).

В трансформаторах малой мощности магнитопроводы собирают из штампованных листов П- и Ш-образной формы или из штампованных колец (рис. 216, а—в).

Большое распространение получили также магнитопроводы (рис. 216,г—ж), навитые из узкой ленты электротехнической стали (обычно из холоднокатаной стали) или из специальных железо-никелевых сплавов.

Обмотки. Первичную и вторичную обмотки для лучшей магнитной связи располагают как можно ближе друг к другу: на каждом стержне 1магнитопровода размещают либо обе обмотки 2 и 3

Рис. 215 Формы поперечного сечения (а) и последовательность сборки магнитопровода (б — г)

Рис. 216. Сердечники однофазных трансформаторов малой мощности, собранные из штампованных листов (о, б), колец (в) и стальной ленты (г—ж)

концентрически одну поверх другой (рис. 217,а), либо обмотки 2 и 3 выполняют в виде чередующихся дисковых секций — катушек (рис. 217,б). В первом случае обмотки называют концентрическими, во втором — чередующимися, или дисковыми. В силовых трансформаторах обычно применяют концентрические обмотки, причем ближе к стержням обычно располагают обмотку низшего напряжения, требующую меньшей изоляции относительно магнито-провода трансформатора, снаружи — обмотку высшего напряжения.

В трансформаторах броневого типа иногда применяют дисковые обмотки. По краям стержня устанавливают катушки, принадлежащие обмотке низшего напряжения. Отдельные катушки соединяют последовательно или параллельно. В трансформаторах э. п. с, у которых вторичная обмотка имеет ряд выводов для изменения напряжения, подаваемого к тяговым двигателям, на каждом стержне располагают по три концентрических обмотки (рис. 217, в). Ближе к стержню размещают нерегулируемую часть 4 вторичной обмотки, в середине — первичную обмотку 5 высшего напряжения и поверх нее — регулируемую часть 6 вторичной обмотки. Размещение регулируемой части этой обмотки снаружи упрощает выполнение выводов от отдельных ее витков.

В трансформаторах малой мощности используют многослойные обмотки из провода круглого сечения с эмалевой или хлопчатобумажной изоляцией, который наматывают на каркас из электрокартона; между слоями проводов прокладывают изоляцию из специальной бумаги или ткани, пропитанной лаком.

В мощных трансформаторах, устанавливаемых на э. п. с, тяговых подстанциях и пр., применяют непрерывные спиральные

Рис. 217. Расположение концентрических (а), дисковых (б) и концентрических трехслойных (в) обмоток трансформатора

(рис. 218, а) и винтовые параллельные (рис. 218,б) обмотки, обладающие высокой механической прочностью и надежностью. Непрерывную спиральную обмотку используют в качестве первичной (высшего напряжения) и регулируемой части вторичной обмотки (низшего напряжения). Эта обмотка состоит из ряда последовательно соединенных плоских катушек, имеющих одинаковые размеры. Катушки расположены друг над другом. Между ними устанавливают прокладки и рейки из электрокартона, которые образуют горизонтальные и вертикальные каналы для прохода охлаждающей жидкости (масла).

Для повышения электрической прочности при воздействии атмосферных напряжений две первые и две последние катушки первичной (высоковольтной) обмотки обычно выполняют с усиленной изоляцией. Усиление изоляции ухудшает охлаждение, поэтому площадь сечения проводов этих катушек берут большей, чем для остальных катушек первичной обмотки.

Винтовую параллельную обмотку используют в качестве нерегулируемой части вторичной обмотки. Ее витки наматывают по винтовой линии в осевом направлении подобно резьбе винта. Обмотку выполняют из нескольких параллельных проводов прямоугольного сечения, прилегающих друг к другу в радиальном направлении. Между отдельными витками и группами проводов располагают каналы для прохода охлаждающей жидкости.

Рис. 218. Непрерывная спиральная (а) и винтовая (б) обмотки мощных трансформаторов электрического подвижного состава: 1 — выводы; 2,6 — каналы для прохода охлаждающей жидкости; 3 — катушки; 4 — опорные кольца; 5 — рейки; 7 — бакелитовый цилиндр; 8 — проводники обмотки

Рис. 219. Устройство трансформаторов общего назначения (а) и тягового (б) с масляным охлаждением: 1— термометр; 2 — выводы обмотки высшего напряжения; 3—выводы обмотки низшего напряжения; 4, 6 — пробки для заливки масла; 5 — масломерное стекло; 7 — расширитель; 8 — сердечник; 9, 10 — обмотки высшего и низшего напряжений; 11 — пробка для спуска масла; 12 —бак для охлаждения масла; 13 — трубы для охлаждения масла; 14 — теплообменник; 15 — воздуховоды; 16, 18 — стойки для установки переключателя выводов трансформатора; 17 — заводской щиток; 19 — насос для циркуляции масла; 20 — опорные балки

Число параллельных проводов определяется током, проходящим по обмотке.

Система охлаждения. Способ охлаждения трансформатора зависит от его номинальной мощности. При увеличении мощности трансформатора необходимо увеличивать и интенсивность его охлаждения.

Трансформаторы малой мощности обычно выполняют с естественным воздушным охлаждением и называют «сухими». Отвод тепла в них происходит путем непосредственной теплоотдачи от нагретых поверхностей обмотки и магнитопровода к окружающему воздуху. В некоторых случаях трансформаторы малой мощности помещают в корпус, залитый термореактивными компаундами на основе эпоксидных смол или других подобных материалов.

В трансформаторах средней и большой мощности сердечник с обмотками целиком погружают в бак, наполненный тщательно очищенным минеральным (трансформаторным) маслом (рис. 219, а). Такой способ отвода тепла называют естественным масляным охлаждением. Трансформаторное масло обладает более высокой теплопроводностью, чем воздух, и хорошо отводит тепло от обмоток и сердечника трансформатора к стенкам бака, имеющего большую площадь охлаждения, чем сам трансформатор. Погружение трансформатора в бак с маслом обеспечивает также повышение электрической прочности изоляции его обмоток и предотвращает ее старение под влиянием атмосферных воздействий. Баки трансформаторов мощностью 20—30 кВ*А имеют гладкие стенки. В более мощных трансформаторах (например, в трансформаторах, устанавливаемых на тяговых подстанциях) для повышения теплоотдачи поверхность охлаждения увеличивают, применяя баки с ребристыми стенками или трубчатые. Нагревающееся внутри бака масло поднимается кверху, а охлаждающееся в трубах опускается вниз, создавая, таким образом, естественную циркуляцию, способствующую охлаждению трансформатора.

На э. п. с. переменного тока применяют трансформаторы с масляным охлаждением и принудительной циркуляцией масла через теплообменник, охлаждаемый воздухом (рис. 219,б). Такая система охлаждения позволяет существенно повысить индукцию в сердечнике и плотность тока в обмотках, т. е. уменьшить массу и габаритные размеры трансформатора.

В систему охлаждения обычно вводят струйное реле, которое не допускает включения трансформатора, если через него не циркулирует масло.

Масло в трансформаторе во время работы нагревается и расширяется. При уменьшении нагрузки оно, охлаждаясь, возвращается к первоначальному объему. Поэтому масляные трансформаторы снабжают дополнительным баком — расширителем, соединенным с внутренней полостью бака.При нагревании трансформатора масло переходит в расширитель. Применение расширителя позволяет значительно сократить поверхность соприкосновения масла с воздухом, что уменьшает его загрязнение и увлажнение.

При работе трансформатора масло, нагреваясь, разлагается и загрязняется, поэтому его периодически очищают или заменяют. Масляные трансформаторы во избежание опасности пожара и взрыва устанавливают в специально огражденных помещениях. Наибольшая температура обмоток трансформатора не должна превышать 105 °С, сердечника — 110 °С, верхних слоев масла — 95 °С.

Для защиты от возможной аварии трансформаторы средней и большой мощности снабжают специальными газовыми реле. Газовое реле устанавливают в трубопроводе между основным баком и расширителем. При значительном выделении взрывоопасных газов, образующихся в результате разложения масла, газовое реле автоматически выключает трансформатор, предупреждая развитие аварии. В трансформаторах мощностью более 1000 кВ*А устанавливают также выхлопную трубу, закрытую стеклянной мембраной. При образовании большого количества газов они выдавливают мембрану и выходят в атмосферу — этим предотвращается деформация бака.

Многообмоточные трансформаторы. Наиболее распространены двухобмоточные однофазные трансформаторы (рис. 220, а). При необходимости получения от одного трансформатора нескольких различных напряжений u₂₁, u₂₂, u₂₃ (рис. 220, б) используют многообмоточные трансформаторы, у которых на магнитопроводе расположено несколько вторичных обмоток с различным числом витков. Например, тяговые трансформаторы электровозов имеют обычно четыре обмотки: первичную (высшего напряжения) и три вторичные (низшего напряжения). Одна из них (тяговая) служит для питания через выпрямитель цепи тяговых двигателей, вторая — для питания электрических потребителей собственных нужд (цепей вспомогательных машин, управления, освещения и пр.) и третья — для питания электрических печей отопления пассажирских вагонов. Если на электровозе предусмотрено рекуперативное торможение, то в ряде случаев применяют специальную вторичную обмотку для питания обмоток возбуждения тяговых двигателей в этом режиме. На некоторых электровозах каждый тяговый двигатель питается от собственного выпрямительного блока и в трансформаторе предусматривают соответствующее число вторичных обмоток.

Рис. 220. Схемы двухобмоточного (а) и многообмоточного (б) трансформаторов

Конструкция трансформатора | Техника и Программы

Существует три основных типа конструкции трансформаторов: броневой, стержневой и тороидальный трансформаторы (рис. 14). Каждый из них может иметь сердечник либо пластинчатый, либо ленточный разъемный, либо ленточный неразъемный. Наиболее распространенные варианты конструкции сердечника показаны на рис. 15. В разъемных и пластинчатых сердечниках после сборки остаются очень маленькие воздушные промежутки – зазоры, которые немного ухудшают их магнитные свойства.

На самом деле принципиальной разницы между трансформаторами нет, в усилителях можно использовать любые и отдавать предпочтение какому-либо определенному типу нет особого смысла. К сожалению, существует мнение, что трансформатор непременно должен быть тороидальным, типа, поставь тор, и звучание само по себе станет хорошим. Это не так. Главное не конструкция трансформатора, а качество его изготовления. Поэтому лучше поставить качественный броневой трансформатор, чем плохонький тороидальный.

Давайте рассмотрим особенности каждой из конструкций.

Броневой трансформатор

Технологичный в изготовлении, недорогой и популярный. Наиболее доступный для самостоятельного изготовления. Выпускаются на мощности, начиная от 0,5 ВА. При самостоятельном изготовлении или перемотке трансформатора с пластинчатым сердечником очень важно хорошо собрать сердечник, иначе он может гудеть или дребезжать. Броневой трансформатор имеет наихудшее охлаждение (в нормальном трансформаторе греется обмотка), поэтому меньше всех выдерживает длительные перегрузки. Иногда встречаются трансформаторы, каркас которых разделен на несколько секций, в каждой из которых намотана своя обмотка (при «традиционном» способе намотки обмотки наматываются по всей длине каркаса и располагаются одна поверх другой – сначала первичная, потом вторичные).

Такие трансформаторы наиболее удобны для перемотки, но имеют самые большие потоки рассеяния.

Стержневой трансформатор

Обычно выпускается на мощности от 40 ВА и больше. Часто использовался в отечественной аудиоаппа-

Рис. 15

ратуре 70-х…80-х годов XX века. Главная его особенность – каждая из обмоток состоит из двух половинок, намотанных на боковые стержни (поэтому у такого трансформатора много выводов). Эти полуобмотки должны быть правильно соединены между собой, поэтому если вы вынимаете такой трансформатор из аппаратуры, не удаляйте провода, соединяющие полуобмотки.

Если же у вас новый трансформатор, то подключать его надо очень внимательно и осторожно – не всегда на него есть документация по соединению обмоток, и иногда эта документация не очень понятна. Для стержневого трансформатора условные и реальные начала обмоток могут не совпадать! Поэтому при соединении вторичных обмоток последовательно или параллельно обя-

зательно производите измерения, как описано ниже.

И еще. Половинки вторичной обмотки, намотанные на разные стержни, можно вполне использовать как самостоятельные вторичные обмотки.

Тороидальный трансформатор

Довольно сложный в изготовлении (особенно самостоятельно) поэтому обычно более дорогой. Ленточный неразъемный сердечник вообще не имеет зазора, а тороидальная форма обеспечивает минимально возможную длину магнитной цепи, поэтому обмотки трансформатора содержат несколько меньшее число витков и имеют меньшее сопротивление. Отсутствие зазора и равномерное распределение обмоток по сердечнику заметно уменьшают потоки рассеяния, снижая как индуктивные сопротивления обмоток, так и создаваемые помехи. Кроме того, трансформатор охлаждается лучше других и лучше выдерживает перегрузки током.

С другой стороны, из-за отсутствия зазора трансформатор наиболее чувствителен к превышению напряжения питания и к подмагничиванию постоянным током (т.к. переход от линейного участка к насыщению более острый).

Главным преимуществом тороидального трансформатора являются наименьшие поля рассеяния, поэтому если вы делаете усилитель, где каждый канал собран на своей плате, причем там находится все полностью, вплоть до своего выпрямителя с трансформатором… Вот тогда вам нужен именно тор – от него помех намного меньше, поэтому его можно ставить близко к остальной схеме.

Номинальная и габаритная мощности. Номинальная мощность – это та мощность, с которой транс

форматор работает длительное время при допустимой величине нагрева. В паспортных данных на трансформатор она обозначается Бтр. Номинальная мощность трансформатора равна сумме номинальных мощностей вторичных обмоток через которые протекают номинальные токи. Номинальная мощность трансформатора должна быть не меньше, чем мощность, потребляемая от него нагрузкой.

Габаритная мощность относится к сердечнику – это такой оценочный параметр, показывающий какую долговременную максимальную мощность можно с этим сердечником получить при наилучшей конструкции обмоток, когда диаметры проводов обмоток максимальны, а числа витков – минимальны. Ее можно найти в справочных данных на сердечники. Идеальный трансформатор может быть любого размера – работа трансформатора не зависит от величины магнитного потока. В реальном трансформаторе приходится учитывать размер обмоток. Числа витков всегда определены однозначно величинами рабочих напряжений. А диаметр проводов обмоток определяется током этих обмоток. Чем больше напряжение и ток, тем больше число витков и диаметр провода. С другой стороны, напряжение и ток дают мощность. Поэтому обмотки определенной мощности имеют определенный объем, и размер сердечника должен быть таким, чтобы эти обмотки на нем поместились. Полностью эту мощность снять не удается: например некоторое место занимает экранная обмотка, межслойная и межобмоточная изоляция (особенно когда много вторичных обмоток), каркас, значит места для проводов становится меньше, снижается диаметр провода, а следовательно ток и мощность, отдаваемая трансформатором. Поэтому номинальная мощность трансформатора всегда оказывается меньше габаритной, это надо учитывать при его изготовлении.

Габаритная мощность полезна при оценке незнакомого трансформатора, измерив размеры магнитопро- вода, можно в справочнике найти его габаритную мощность, тогда номинальная мощность будет приблизительно 0,6…0,8 от габаритной.

Источник: Рогов И.Е. Конструирование источников питания звуковых усилителей. – Москва: Инфра- Инженерия, 2011. – 160 с.

| Электротехнические услуги

Трансформаторы — это электрические машины, которые играют очень важную роль в энергосистеме здания. Они в основном предназначены для изменения любого напряжения переменного тока с помощью электромагнитной индукции.

Если у вас есть здание или, возможно, предприятие, занимающееся производством, то нет сомнений, что у вас есть потребность в постоянном снабжении электроэнергией. Наряду с этим возникает необходимость иметь дело с нестабильностью напряжения, а также с неисправностями на некоторых машинах из-за проблем с напряжением.

Здесь на помощь приходит трансформатор. По сути, это решение для устранения таких сбоев. Однако могут быть случаи, когда трансформатор может работать неэффективно из-за плохой конструкции — случая, которого можно было бы избежать, если бы такие конструктивные проблемы были решены заранее.

К счастью, NY Engineers специализируется в этой области. С помощью наших услуг по 3D-проектированию и моделированию трансформаторов мы сможем разработать надежный и индивидуальный дизайн для вашего трансформатора, что позволит вам изготовить его в соответствии с вашими требованиями.

Имея филиалы в нескольких местах по всей территории США, вы можете легко связаться с нами, будь вы из Чикаго, Нью-Йорка, Нью-Джерси и т. Д.

Зная различные типы трансформаторов, вы сможете определить, какой из них наиболее подходит для вашего предприятия. Кроме того, сообщив нам желаемый тип трансформатора, мы сможем узнать, как мы можем продолжить разработку вашего дизайна.

Имейте в виду, что трансформаторы подразделяются на следующие категории на основе их классификации:

классифицируются как повышающие и понижающие в зависимости от уровня их напряжения.Эти трансформаторы считаются наиболее широко используемым типом во всех приложениях. Важно помнить, что между ними не будет никакой разницы в первичной и вторичной мощности.

Повышающий трансформатор, как следует из названия, преобразует низковольтный сильный переменный ток в систему высокого напряжения и низкого переменного тока. Это достигается увеличением витков катушки на вторичных обмотках, чем на первичной.

С другой стороны, понижающий трансформатор преобразует переменный ток высокого напряжения с низким током в переменный ток низкого напряжения с высоким током.В отличие от повышающего варианта, у этого варианта на первичной обмотке больше витков, чем на вторичной.

Обычный трансформатор имеет две обмотки с двух разных сторон. Однако в автотрансформаторе первичная и вторичная обмотки соединены друг с другом. По сути, это трансформатор особого типа, поскольку две обмотки соединены между собой электрически и магнитно.

По сравнению со стандартными двухобмоточными трансформаторами, автотрансформатор имеет более низкие начальные значения.Кроме того, он также имеет меньшее падение напряжения и намного более эффективен. Однако его использование в обычных распределительных цепях небезопасно. Причина в том, что высоковольтные первичные цепи напрямую подключены к вторичной цепи.

Каждый тип трансформатора предназначен для выполнения определенной функции. Тем не менее, по применению трансформатор можно классифицировать следующим образом:

• Силовой трансформатор — силовой трансформатор обычно имеет большие размеры и в основном используется для передачи больших мощностей, особенно в сетях передачи с более высоким напряжением.Поскольку они рассчитаны на 100% -ный КПД, они в основном используются на передающих подстанциях и генерирующих станциях.
• Измерительный трансформатор — , как следует из названия, этот тип трансформатора используется для измерения электрических величин, таких как мощность, ток, напряжение и т. Д. Его можно дополнительно классифицировать как потенциал и ток, причем первый используется для измерения напряжения и последний для измерения токов.
• Распределительный трансформатор — этот тип трансформатора используется для распределения электроэнергии, вырабатываемой электростанциями, в промышленные и бытовые объекты.По сравнению с другими типами трансформаторов, распределительный тип имеет КПД только около 50-70% и не всегда полностью загружен.

можно классифицировать как трансформаторы с воздушным сердечником и железным сердечником в зависимости от используемой в сердечнике среды.

В трансформаторе с воздушным сердечником обе обмотки намотаны на немагнитной полосе, и связь между ними осуществляется по воздуху. Трансформаторы с воздушным сердечником обычно имеют меньшую взаимную индукцию по сравнению с трансформаторами с железным сердечником.Однако они могут уменьшить или даже устранить текущие потери и гистерезис.

Между тем, трансформатор с железным сердечником имеет обе обмотки, намотанные на железные пластины, а связь осуществляется через железо. Благодаря магнитным свойствам железа сопротивление потоку связи меньше. По сравнению с трансформаторами с воздушным сердечником трансформаторы с железным сердечником имеют более высокий КПД.

Что касается источника питания, то трансформатор может быть однофазным или трехфазным.Однофазный трансформатор — это в основном стандартный трансформатор с первичной и вторичной обмотками. Обычно он используется для увеличения или уменьшения вторичного напряжения.

Между тем, трехфазный трансформатор имеет три первичные обмотки и три вторичные обмотки, которые соединены друг с другом.

В некоторых приложениях один трехфазный трансформатор идеален по сравнению с тремя однофазными блоками, поскольку он может предложить более высокий КПД при более низкой стоимости и может быть установлен в ограниченном пространстве.Проблема, однако, в том, что его тяжелее транспортировать, и в этом случае однофазные термометры более предпочтительны.

Помимо различных типов трансформаторов, мы также принимаем во внимание различные компоненты, из которых состоит трансформатор. Таким образом, наша команда не упустит ни одной детали, которая должна войти в конструкцию вашего трансформатора.

Чтобы дать вам представление, вот самые основные компоненты трансформатора, которые мы тщательно помним:

Сердечник — это тот, который служит для поддержки обмотки.Кроме того, он предлагает путь к магнитному потоку с низким сопротивлением. Как правило, он сделан из многослойного сердечника из мягкого железа, что снижает потери на вихревые волны и гистерезис.

Другой важный компонент трансформатора — это обмотка. Стандартный трансформатор будет иметь два набора обмоток, изолированных друг от друга. Каждая обмотка имеет несколько витков медных проводников, которые соединяются вместе, а затем соединяются последовательно.

Обмотка классифицируется по диапазону напряжения и входному и выходному питанию.Что касается диапазона напряжений, обмотка может быть как высокого, так и низкого напряжения. В классе высокого напряжения обмотка сделана из медного проводника, который тоньше, чем у класса низкого напряжения. Между тем обмотка низкого напряжения имеет более толстые медные проводники и меньше витков, чем обмотка высокого напряжения.

Когда дело доходит до классификации входного и выходного источника питания, обмотка может быть первичной (подается входное напряжение) или вторичной (подается выходное напряжение).

обычно используется картон и изоляционная бумага в качестве средств изоляции первичной и вторичной обмоток друг от друга, а также сердечника трансформатора. Другой изоляционный материал — трансформаторное масло. Этот тип изоляционного материала обеспечивает дополнительную изоляцию и охлаждение как сердечника, так и катушки в сборе.

Сапун представляет собой цилиндрический контейнер, содержащий силикагель. Как только воздух проходит через гель, влага поглощается кристаллами кремнезема.По сути, сапун отвечает за поддержание уровня влажности внутри трансформатора. Влага обычно увеличивается из-за изменений давления внутри расширителя, в основном из-за колебаний температуры, которые приводят к сжатию и расширению трансформаторного масла.

В основном, сапун предназначен для предотвращения контакта влаги с маслом, поскольку это может привести к плохой бумажной изоляции или даже к внутренним неисправностям.

Этот компонент служит для сохранения изоляционного масла.Он представляет собой металлический цилиндрический барабан, расположенный над трансформатором. Его функция — позволять маслу расширяться и сжиматься при изменении температуры.

Охлаждающие трубки предназначены для охлаждения изоляционного масла путем его естественной или принудительной циркуляции по трубкам. При естественной циркуляции холодное масло опускается вниз и циркулирует, в то время как горячее масло поднимается вверх. Между тем, принудительная циркуляция включает использование насоса для циркуляции масла.

Назначение взрывного устройства — предотвратить взрыв трансформатора путем удаления кипящего масла в случае серьезных внутренних неисправностей.

Выходное напряжение трансформатора может изменяться в зависимости от его нагрузки и входного напряжения. В условиях высокой нагрузки напряжение на выходной клемме будет уменьшаться. С другой стороны, он увеличивается в условиях без нагрузки. Вот где необходимо устройство РПН. Его основная цель — уравновесить колебания напряжения.

Устройство РПН может работать как под нагрузкой, так и без нагрузки. Вариант под нагрузкой уравновешивает отклонения без необходимости изолировать трансформатор от источника питания, тогда как устройство РПН выполняет ответвления после успешной изоляции трансформатора.

Наконец, реле Бухгольца служит для обнаружения любой неисправности, которая может произойти в трансформаторе. По сути, это реле, которое работает за счет газов, которые выделяются при разложении изоляционного масла во время внутренних неисправностей. Несмотря на свою простую функцию, это действительно жизненно важное устройство безопасности, которое обнаруживает и защищает трансформатор от любых возможных внутренних неисправностей.

Проектирование индивидуальных трансформаторов с помощью одного расчетного уравнения

На протяжении многих лет я наблюдал, что есть две категории людей, когда дело доходит до разработки магнетиков.Во-первых, у вас есть те, кто умеет собирать деталь. Обычно это опытные инженеры или техники, которые знают, что существуют простые и понятные методологии проектирования, обеспечивающие успех. Во-вторых, у вас есть остальной инженерный мир, который глубоко напуган магнетизмом. Кажется, есть бесконечные неразрешимые уравнения, скрывающие элегантную простоту «с чего начать дизайн».

Ничто не заменит создание и повторение деталей, это единственный способ по-настоящему получить знания и опыт.Мы видели, как это применимо к конструкции индуктора, и теперь мы собираемся обратить внимание на второй магнитный элемент — трансформатор.

Два типа элементов магнитной цепи

В теории цепей доступно всего два типа магнетиков — простой индуктор и идеальный трансформатор. Если у вас одна обмотка на сердечнике, у вас есть индуктор. Если у вас две или более обмоток или даже один ответвитель на одной обмотке, у вас есть трансформатор. Это не будет идеальный трансформатор, который возможен только в моделировании, но мы все равно называем его трансформатором.

Как мы увидим, когда вы пытаетесь построить идеальный трансформатор, необходимо добавить дополнительные индуктивные компоненты, чтобы полностью объяснить его работу. Вот что делает магнетизм таким интересным — правильный контроль над этими дополнительными компонентами отличает эксперта от новичка. Детальные методы построения приводят к очень продвинутым проектам без необходимости бесконечных уравнений.Но давайте начнем с самого начала. Как мы узнали из предыдущих статей, большинство публикаций по магнетизму делают процесс проектирования излишне сложным. Что касается индуктора, мы показали, что существует только одно уравнение, которое необходимо соблюдать для правильного проектирования. Помимо этого уравнения, инженерам рекомендуется использовать итерацию проектирования, чтобы исследовать возможности задачи проектирования. Для индуктора уравнение:

Это единственное уравнение говорит нам, что для данной индуктивности и пикового тока, который он должен выдерживать, необходимо определенное минимальное количество витков на выбранном сердечнике, чтобы не насыщать материал сердечника.Это так просто. От того, как вы разместите эти витки с помощью проволоки, фольги, литца или других материалов, будет зависеть производительность индуктора. Трансформаторы более сложны, поскольку на них есть две или более обмоток. Однако они являются основным элементом симулятора цепей, и их символ на вашей схеме также прост.

Как видно из схем на Рисунке 3, работу идеального трансформатора легко определить.Если трансформатор имеет коэффициент трансформации n: 1, выходное напряжение трансформатора просто равно входному напряжению, деленному на n. Точно так же входной ток трансформатора равен выходному току, деленному на n.

Эта простая эквивалентная схема с двумя источниками дает нам важную информацию. Обратите внимание, что мощность на первой обмотке в точности равна мощности на выходе из второй обмотки. Другими словами, в идеальном трансформаторе нет накопителя энергии. Следствием этого является то, что трансформатору не присваивается номинальная мощность.Мы можем вложить неограниченную мощность в одну обмотку и получить неограниченную мощность из второй обмотки.

Это возможно из-за отсутствия накопителя энергии. Если вы работали с трансформаторами линейной частоты, вы это уже знаете. Трансформатор с номинальной мощностью 50 Вт на этикетке вполне способен дать вам 500 Вт в течение короткого времени без каких-либо негативных последствий. При замене линейных источников питания на коммутаторы этот факт легко упустить из виду.

Строительство трансформатора

На рис. 4 показано, как устроен трансформатор.У нас есть ядро, которое обычно не имеет пробелов. Первичные и вторичные витки обычно наматываются друг на друга, хотя есть исключения. Ядро имеет площадь поперечного сечения для данного размера и формы сердечника и проницаемость, определяемую материалом сердечника. При изготовлении трансформатора существует бесконечный выбор обмоток и их расположения.

Независимо от того, как расположены витки или выбран сердечник, сделать идеальный трансформатор невозможно.Идеальный трансформатор может существовать только в теоретическом элементе схемы. Сердечник, используемый для ограждения полей трансформатора, добавляет устройству множество дополнительных схемных элементов. Первым и наиболее важным из них является индуктивность намагничивания, и она отображается в эквивалентной схеме, как показано ниже.

Обратите внимание, что у нас все еще есть идеальный трансформатор в этой модели схемы, способный обрабатывать неограниченную мощность. Однако параллельно с этим идеальным устройством находится намагничивающая индуктивность трансформатора.Этот элемент схемы ведет себя как любой другой индуктор — если мы пропустим через него слишком большой ток, мы можем насытить материал. Обычно это разрушительное событие, которого следует избегать при любых обстоятельствах.

Ток, протекающий через индуктивность намагничивания, НЕ является током нагрузки. Ток намагничивания определяется формой волны напряжения, приложенного к трансформатору, и не имеет ничего общего с током, протекающим в идеальной части трансформатора.

На рисунке 6 показано, как мы используем магнитный материал в конструкции трансформатора. Для преобразователя прямого типа поток в сердечнике начинается с нуля в начале каждого цикла и увеличивается до пикового уровня материала в конце времени включения переключателя (-ов). Для мостовых преобразователей мы можем управлять ядром в двух квадрантах, и это может уменьшить размер ядра. Однако следует соблюдать осторожность, чтобы поток сердечника оставался центрированным около нуля, что может быть трудно контролировать.

Одно уравнение для трансформаторов

На рисунке 7 показана форма волны приложенного напряжения на трансформаторе и соответствующий ток намагничивания.Ток нарастает во время включения переключателя и снова снижается до нуля в течение периода сброса. Сброс осуществляется по различным схемам. Каждый из них включает приложение отрицательного напряжения к первичной обмотке трансформатора для уменьшения тока намагничивания. Наклон тока намагничивания во время включения переключателя, показанный синим цветом, определяется значением индуктивности и напряжением, приложенным к трансформатору. Легко показать, что существует эквивалентность этой намагничивающей индуктивности и тока следующим образом:

Наличие ОДНОГО УРАВНЕНИЯ, которое является КЛЮЧЕВЫМ уравнением для трансформаторов, является открытием.Чтобы начать наматывать трансформаторы, не нужно углубляться. Для трансформатора, работающего в преобразователе, мы знаем максимальное напряжение и максимальное время включения переключателя. Если мы возьмем максимальный уровень магнитного потока 0,3 Тл для ферритового материала, то любой заданный сердечник с его площадью имеет определенное количество витков, необходимых для предотвращения насыщения. Уровень магнитного потока 0,3 Тл, который используется при проектировании надежных коммерческих источников питания. Источники высокой надежности могут снизить этот уровень до 0,25 или 0,2 Тл, в зависимости от приложения.

Теоретически мы могли бы удвоить это значение до 0,6 Тл для мостовых преобразователей, учитывая, что поток может колебаться в обоих направлениях. Однако нам нужно позаботиться о первоначальном запуске трансформатора. Поток может быть нулевым. Большие переходные процессы в преобразователе могут варьироваться от очень легкой до полной нагрузки. Это осторожное суждение, подкрепленное обширным тестированием, которое определяет, какая часть доступного запаса будет использоваться.

Прочие расчетные уравнения и соображения

Наличие ОДНОГО УРАВНЕНИЯ все упрощает.Однако, читая учебники по магнетике или заметки по применению, вы обнаружите множество дополнительных расчетных уравнений и ограничений. Как и в случае с конструкцией индуктора, большинство из них — дополнительная попытка исключить итерацию конструкции и найти «оптимальную» конструкцию за одну попытку. На мой взгляд, это бесполезно. Невозможно оптимизировать каждую конструкцию с одним и тем же набором ограничений и рекомендаций, когда устройства и конструкции охлаждения сильно различаются от одного приложения к другому. В этом отношении мы игнорируем общепринятые рекомендации по коэффициенту заполнения, произведению площади окна и плотности тока в проводнике.Допущения, содержащиеся в учебниках, просто не применимы к современным магнитным структурам. Они заимствованы из старых времен магнетизма линейной частоты. Гораздо лучше использовать ЕДИНОЕ УРАВНЕНИЕ и учиться на ходу.

Сводка

Для создания конструкции трансформатора необходимо одно расчетное уравнение. Это уравнение можно найти во всех книгах по магнетизму, но оно не выделено как ЕДИНОЕ УРАВНЕНИЕ, которое необходимо. Он похоронен под сотнями других уравнений. Как только это будет понято, очень просто приступить к проектированию и сборке собственных трансформаторов.

Трансформаторы представляют собой интригующий элемент, поскольку они не накапливают энергию и, следовательно, не имеют явной номинальной мощности. Это приводит к очень большому разнообразию размеров и форм, которые вы увидите в производственных проектах. Сердечник трансформатора мощностью 100 Вт одной компании будет использоваться на мощности 800 Вт другой компанией. Поначалу это вызывает недоумение, но понимание ОДНОГО УРАВНЕНИЯ дает понимание.

Предлагаемый нами подход заключается в использовании ОДНОГО УРАВНЕНИЯ и быстрого построения и повторения проектов. Практический опыт проектирования трансформаторов ничем не заменит.

Об авторе

Доктор Рэй Ридли является президентом Ridley Engineering с 1991 года. Он занимается проектированием и исследованием источников питания более 35 лет. Он получил степень бакалавра наук в области электротехники в мае 1981 года в Бостонском университете, Бостон, Массачусетс. Он получил степень магистра наук в области электротехники и доктора философии по электротехнике в Политехническом институте Вирджинии и Государственном университете в Блэксбурге, штат Вирджиния.

Список литературы

Эта статья изначально была опубликована в журнале Bodo’s Power Systems.

| Типы и расчетные формулы трансформаторов

Трансформатор передает электроэнергию из одной цепи в другую без изменения частоты. Он содержит первичную и вторичную обмотки. Первичная обмотка подключается к основному питанию, а вторичная — к требуемой цепи. В нашей проектной схеме мы взяли дизайн маломощного (10 кВА) однофазного силового трансформатора 50 Гц в соответствии с нашими требованиями в проекте.

Трансформатор бывает трех типов:

1. Тип сердечника
2. Тип корпуса
3. Тороидальный

В сердечнике обмотки типа окружают часть сердечника, тогда как сердечник в оболочке окружает обмотки. В типе Core есть два основных типа, а именно тип E-I и тип U-T. В этой конструкции трансформатора мы использовали сердечник типа E-I. Мы выбрали сердечник E-I, поскольку обмотка намного проще по сравнению с тороидальной, но эффективность очень высока (95% -96%). Это связано с тем, что в тороидальных сердечниках потери магнитного потока намного меньше.

Трансформаторов, используемых в проекте:

1. Трансформатор серии: Для обеспечения необходимого повышающего или понижающего напряжения и
2. Управляющий трансформатор: Для измерения выходного напряжения и питания.

Расчетные формулы:

Для выбора входных и выходных обмоток SWG и сердечника трансформатора в соответствии с заданными спецификациями мы берем ссылку на данные обмоток из таблицы эмалированных медных проводов и размеров таблицы штамповок трансформатора.

Процедура проектирования выполняется при условии, что даны следующие спецификации трансформатора: —

• Вторичное напряжение (Вс)
• Вторичный ток (Is)
• Передаточное число (n2 / n1)

Исходя из этих данных, мы рассчитываем ширину язычка, высоту стопки, тип сердечника, площадь окна следующим образом: —

• Вторичный вольт-ампер (SVA) = вторичное напряжение (Vs) * вторичный ток (Is)
• Первичный вольт-ампер (PVA) = вторичный вольт-ампер (SVA) / 0.9 (при КПД трансформатора 90%)
• Первичное напряжение (Vp) = вторичное напряжение (Vs) / соотношение витков (n2 / n1)
• Первичный ток (Ip) = Первичный вольт-ампер (PVA) / Первичное напряжение (Vp)
• Требуемая площадь поперечного сечения жилы определяется как: — Площадь жилы (CA) = 1,15 * sqrt (первичные вольт-амперы (PVA))
• Общая площадь ядра (GCA) = Площадь ядра (CA) * 1,1
• Число витков обмотки определяется соотношением, которое определяется как: — Число витков на вольт (Tpv) = 1 / (4.44 * 10-4 * площадь сердечника * частота * плотность потока)

Данные обмотки эмалированного медного провода

(при 200 А / см²)

Размеры штамповок трансформатора (таблица сердечников):

Для работы от сети частота составляет 50 Гц, а плотность потока можно принять равной 1 Вт / см2. для штамповок из обычной стали и 1,3 Вт / кв. см для штамповок из CRGO, в зависимости от используемого типа.

Отсюда

• Первичные витки (n1) = Число витков на вольт (Tpv) * Первичное напряжение (V1)
• Число витков вторичной обмотки (n2) = число витков на вольт (Tpv) * напряжение вторичной обмотки (V2) * 1,03 (Предположим, что падение напряжения в обмотках трансформатора составляет 3%)
• Ширина язычка пластин приблизительно определяется по формуле: —

Ширина языка (Tw) = Sqrt * (GCA)

Плотность тока

Это допустимая токовая нагрузка провода на единицу площади поперечного сечения.Выражается в ампер / см². Вышеупомянутая таблица проводов рассчитана на продолжительную работу при плотности тока 200 А / см². Для прерывистого или прерывистого режима работы трансформатора можно выбрать более высокую плотность до 400 А / см², то есть вдвое большую, чем нормальная плотность, чтобы сэкономить на стоимости единицы. Это выбрано, поскольку повышение температуры для случаев прерывистой работы меньше для случаев непрерывной работы.

Итак, в зависимости от выбранной плотности тока, мы теперь вычисляем значения первичного и вторичного токов, которые нужно искать в таблице проводов для выбора SWG: —

n1a = первичный ток (Ip) вычислен / (плотность тока / 200)

n2a = Расчетный вторичный ток (Is) / (плотность тока / 200)

Для этих значений первичного и вторичного токов мы выбираем соответствующие SWG и число оборотов на квадратный см из таблицы проводов.Затем приступаем к расчету следующим образом: —

• Площадь первичной обмотки (Па) = Число витков первичной обмотки (n1) / (Число витков первичной обмотки на кв. См)
• Вторичная площадь (sa) = Вторичные витки (n2) / (Вторичные витки на кв. См)
• Общая площадь окна, необходимая для сердечника, определяется как: —

Общая площадь (TA) = Основная площадь (pa) + Дополнительная площадь (sa)

• Дополнительное пространство, необходимое для первого и изоляционного, может быть использовано как 30% дополнительного пространства по сравнению с фактической площадью обмотки.Это значение является приблизительным и может быть изменено в зависимости от фактического метода намотки.

Площадь окна (Wacal) = Общая площадь (TA) * 1,3

Для вычисленного выше значения ширины язычка мы выбираем номер сердечника и площадь окна из основной таблицы, гарантируя, что выбранная площадь окна больше или равна общей площади сердечника. Если это условие не выполняется, мы выбираем большую ширину шпунта, обеспечивая такое же условие с соответствующим уменьшением высоты стопки, чтобы поддерживать примерно постоянную общую площадь сердечника.

Таким образом, мы получаем доступную ширину язычка (Twavail) и площадь окна ((avail) (aWa)) из основной таблицы

• Высота стопки = Общая площадь ядра / ширина язычка ((доступно) (atw)).

Для коммерческих целей прежнего размера мы приближаем отношение высоты штабеля к ширине язычка к ближайшим следующим значениям: 1,25, 1,5, 1,75. В худшем случае мы принимаем отношение равным 2. Однако можно принять любое отношение до 2, что потребовало бы создания собственного прежнего.

Если соотношение больше 2, мы выбираем большую ширину язычка (aTw), обеспечивая все условия, указанные выше.

• Высота стопки (ht) / ширина язычка (aTw) = (некоторое соотношение)
• Измененная высота стопки = ширина языка (aTw) * Ближайшее значение стандартного соотношения
• Модифицированная общая площадь сердцевины = Ширина языка (aTw) * Измененная высота штабеля.

Такая же процедура проектирования применяется к управляющему трансформатору, где нам нужно обеспечить, чтобы высота стопки была равна ширине язычка.

Таким образом, мы находим номер ядра и высоту стека для заданных спецификаций.

Конструирование трансформатора на примере:

• Данные следующие: —
• п. напряжение (Вс) = 60 В

С ток (Is) = 4,44 A

• Оборотов на передаточное число (n2 / n1) = 0,5

Теперь осталось произвести расчеты следующим образом: —

• Вольт-Ампер (SVA) = Vs * Is = 60 * 4,44 = 266,4 ВА
• Первичный вольт-ампер (PVA) = SVA / 0.9 = 296,00 ВА
• Первичное напряжение (Vp) = V2 / (n2 / n1) = 60 / 0,5 = 120 В
• Первичный ток (Ip) = PVA / Vp = 296,0 / 120 = 2,467 A
• Площадь ядра (CA) = 1,15 * sqrt (PVA) = 1,15 * sqrt (296) = 19,785 см²
• Общая площадь жилы (GCA) = CA * 1,1 = 19,785 * 1,1 = 21,76 см²
• Оборотов на вольт (Tpv) = 1 / (4,44 * 10-4 * CA * частота * Плотность потока) = 1 / (4,44 * 10-4 * 19,785 * 50 * 1) = 2,272 витков на вольт
• Первичные обороты (N1) = Tpv * Vp = 2,276 * 120 = 272.73 витка
• Оборотов в секундах (N2) = Tpv * Vs * 1,03 = 2,276 * 60 * 1,03 = 140,46 оборотов
• Ширина языка (TW) = Sqrt * (GCA) = 4,690 см
• Мы выбираем плотность тока 300 А / см², но плотность тока в таблице проводов указана для 200 А / см², затем
• Значение поиска первичного тока = Ip / (плотность тока / 200) = 2,467 / (300/200) = 1,644 A
• Значение поиска вторичного тока = Is / (плотность тока / 200) = 4,44 / (300/200) = 2,96 A

Для этих значений первичного и вторичного токов мы выбираем соответствующие SWG и число оборотов на кв. См из таблицы проводов.

SWG1 = 19 SWG2 = 18

витков на 1 кв. См первичной обмотки = 87,4 см² витков на кв. См вторичной обмотки = 60,8 см²

• Первичная площадь (Па) = n1 / витков на кв. См (первичная) = 272,73 / 87,4 = 3,120 см²
• Вторичная площадь (sa) = n2 / витков на кв. См (вторичная) = 140,46 / 60,8 = 2,310 см²
• Общая площадь (ат) = pa + sa = 3,120 + 2,310 = 5,430 см²
• Площадь окна (Wa) = общая площадь * 1.3 = 5,430 * 1,3 = 7,059 см²

Для вычисленного выше значения ширины язычка мы выбираем номер сердечника и площадь окна из основной таблицы, гарантируя, что выбранная площадь окна больше или равна общей площади сердечника. Если это условие не выполняется, мы выбираем большую ширину шпунта, обеспечивая такое же условие с соответствующим уменьшением высоты стопки, чтобы поддерживать примерно постоянную общую площадь сердечника.

Таким образом, мы получаем доступную ширину язычка (Twavail) и площадь окна ((avail) (aWa)) из основной таблицы:

• Таким образом, доступная ширина шпунта (atw) = 3.81см
• Доступная площадь окна (awa) = 10,891 см²
• Номер ядра = 16
• Высота стопки = gca / atw = 21,99 / 3,810 = 5,774 см

Из соображений производительности мы приближаем отношение высоты стопки к ширине язычка (aTw) к ближайшим следующим значениям: 1,25, 1,5 и 1,75. В худшем случае принимаем коэффициент равным 2.

Если соотношение больше 2, мы выбираем большую ширину язычка, обеспечивая все условия, указанные выше.

• Высота стопки (ht) / ширина язычка (aTw) = 5.774 / 3,81 = 1,516
• Измененная высота стопки = ширина языка (aTw) * Ближайшее значение стандартного соотношения = 3,810 * 1,516 = 5,715 см
• Модифицированная общая площадь сердцевины = ширина язычка (aTw) * модифицированная высота штабеля = 3,810 * 5,715 = 21,774 см²

Таким образом находим номер ядра и высоту стека для заданных спецификаций.

Конструкция небольшого трансформатора управления на примере:

Данные следующие: —

• п. напряжение (Вс) = 18 В
• сек. Ток (Is) = 0.3A
• оборотов на передаточное число (n2 / n1) = 1

Теперь осталось произвести расчеты следующим образом: —

• Вольт-Ампер (SVA) = Vs * Is = 18 * 0,3 = 5,4 ВА
• Первичный вольт-ампер (PVA) = SVA / 0,9 = 5,4 / 0,9 = 6 ВА
• Prim. Напряжение (Vp) = V2 / (n2 / n1) = 18/1 = 18V
• Prim. ток (Ip) = PVA / Vp = 6/18 = 0,333A
• Площадь ядра (CA) = 1,15 * sqrt (PVA) = 1,15 * sqrt (6) = 2,822 см²
• Площадь поперечного ядра (GCA) = CA * 1,1 = 2,822 * 1,1 = 3.132 см²
• Оборотов на вольт (Tpv) = 1 / (4,44 * 10-4 * CA * частота * плотность потока) = 1 / (4,44 * 10-4 * 2,822 * 50 * 1) = 15,963 витков на вольт
• Prim. Оборотов (N1) = Tpv * Vp = 15,963 * 18 = 287,337 витков
• оборотов в секундах (N2) = Tpv * Vs * 1,03 = 15,963 * 60 * 1,03 = 295,957 оборотов
• Ширина языка (TW) = Sqrt * (GCA) = sqrt * (3,132) = 1,770 см

Мы выбираем плотность тока как 200 А / см², но плотность тока в таблице проводов указана для 200 А / см², затем

• Значение поиска первичного тока = Ip / (плотность тока / 200) = 0.333 / (200/200) = 0,333A
• Значение поиска вторичного тока = Is / (плотность тока / 200) = 0,3 / (200/200) = 0,3A

Для этих значений первичного и вторичного токов мы выбираем соответствующие SWG и число оборотов на кв. см от проволочного стола.

SWG1 = 26 SWG2 = 27

Поворот на кв. см первичной обмотки = 415 витков Оборотов на кв. см вторичной обмотки = 504 витка

• Первичная площадь (Па) = n1 / витков на квадратный см (первичная) = 287.337/415 = 0,692 см²
• Вторичная площадь (sa) = n2 / витков на кв. См (вторичная) = 295,957 / 504 = 0,587 см²
• Общая площадь (ат) = pa + sa = 0,692 + 0,587 = 1,280 см²
• Площадь окна (Wa) = общая площадь * 1,3 = 1,280 * 1,3 = 1,663 см²

Для вычисленного выше значения ширины язычка мы выбираем номер сердечника и площадь окна из основной таблицы, гарантируя, что выбранная площадь окна больше или равна общей площади сердечника. Если это условие не выполняется, мы выбираем большую ширину шпунта, обеспечивая такое же условие с соответствующим уменьшением высоты стопки, чтобы поддерживать примерно постоянную общую площадь сердечника.

Таким образом, мы получаем доступную ширину язычка (Twavail) и площадь окна ((avail) (aWa)) из основной таблицы

• Таким образом, ширина язычка (atw) = 1,905 см
• Доступная площадь окна (awa) = 18,969 см²
• Номер ядра = 23
• Высота стопки = gca / atw = 3,132 / 1,905 = 1,905 см

Отсюда и разработан управляющий трансформатор.

Силовые трансформаторы — конструкция и применение

Силовые трансформаторы увеличивают или уменьшают величину напряжения и тока в энергосистеме.Это преобразование происходит из-за принципа индукции Фарадея и изменения ампер-витков (или витков обмотки). Обратите внимание, передаваемая мощность остается прежней (за вычетом нескольких потерь в сердечнике и меди).

Силовой трансформатор состоит из 6 основных компонентов.

• Сердечник
• Обмотка
• Втулки
• Устройство РПН
• Бак
• Охлаждение

Как энергетик, понимание конструкции компонентов означает, что вы можете правильно подобрать трансформаторы.

Конструкция сердечника

Ядро служит посредником. Поскольку первичная и вторичная обмотки электрически изолированы, сердечник поддерживает процесс индукции, обеспечивая путь для движения магнитного потока от первичной обмотки ко вторичной. Для поддержки этой миссии он должен правильно выполнять две вещи
— Обеспечивать хорошую магнитную проницаемость.
— Минимизируйте утечку флюса.
Это достигается с использованием ламинированных листов холоднокатаной стали с ориентированной зернистостью (CRGO).

Ламинированные листы формуются либо в стержневом, либо в оболочковом типе. Обратите внимание на их различия на изображениях ниже.

• Трансформатор с сердечником. Обратите внимание, как обмотки герметизируют сердечник (ламинированные листы).
• Еще один пятиконечный трансформатор с сердечником.

Трансформатор кожухового типа, хотя и дорогой в изготовлении (из-за дополнительного материала), лучше, чем трансформатор с сердечником по следующим причинам.
1. Обеспечивает высокую способность выдерживать токи короткого замыкания. По сути, ламинированные листы металла вокруг обмоток скрепляют их, когда они изгибаются или скручиваются во время короткого замыкания.
2.Внешние ответвления обеспечивают дополнительный путь для потока утечки. Без этого пути эвакуации, как и в случае сердечника, происходит локальный перегрев.
3. Он лучше выдерживает скачки напряжения благодаря чередованию дисковых обмоток (поясняется ниже).

Конструкция обмотки

Обмотки проводят ток. Таким образом, вы можете увеличить индуцированное напряжение за счет увеличения витков вокруг сердечника и уменьшить напряжение за счет уменьшения витков.

Для первичной и вторичной обмоток использование непрерывно транспонированного проводника (CTC) обеспечивает высокую механическую стабильность (за счет компенсации магнитных полей).Для третичных или стабилизирующих обмоток используется плоский медный проводник.

• Непрерывный транспонированный проводник CTC
• Плоский медный проводник
• Метод поворота обмотки трансформатора. Слоистые и спиральные обмотки обычно используются для третичных обмоток. Дисковые обмотки обычно используются в первичных и вторичных обмотках.

Хотя обмотки можно просто вращать по спирали вокруг сердечника, чередование витков (см. Изображение) создает мини-конденсаторы, которые помогают устранить скачок входящего напряжения и скрыть его в обмотках.Вставка экранированного провода (плоской меди) между витками — еще один способ отвода перенапряжения.

Для отвода тока каждый дюйм меди изолирован (крафт-бумагой): между витками, между обмоткой НН и сердечником, между обмоткой ВН и обмоткой НН, между обмоткой ВН и сердечником.

• Вторичная обмотка на многослойных листах металлического сердечника
• Обратите внимание на изоляцию между витками, между катушками и между катушкой и рамой (вверху).Также обратите внимание на экранированный провод.

Конструкция ввода

обеспечивают путь для прохождения тока от проводника под напряжением (высокого напряжения) к обмоткам внутри резервуара (без подачи питания на резервуар). Вы должны иметь дело с двумя точками соприкосновения. Один, вверху, куда приземляется дирижер. Фарфоровый изолятор сохраняет зазор между фазой и землей. Во-вторых, внутри ввода мини-конденсаторы, созданные из бумаги и фольги, поддерживают зазор (конденсаторы снижают напряжение).Этот тип ввода называется емкостным или конденсаторным. Это типично для трансформаторов с напряжением высокого, сверхвысокого и сверхвысокого напряжения. При средних напряжениях и ниже втулки из смолы (сухие) являются альтернативой.

Устройство РПН

По мере увеличения или уменьшения нагрузки напряжение на подстанции соответственно уменьшается или увеличивается.Чтобы поддерживать стабильное напряжение, количество витков обмотки может быть добавлено или удалено (помните, что добавление вторичных витков увеличивает напряжение или наоборот). Это функция устройства РПН — стабилизировать напряжение путем изменения оборотов. Обмотки устройства РПН остаются в основном баке (вокруг сердечника), в то время как оператор и его аксессуары устанавливаются в отдельном отсеке.

Между каждым ответвлением внутри трансформатора существует разность потенциалов в сотни вольт.Таким образом, когда вы подключаете или отключаете отводное соединение, искрение регулируется вакуумными выключателями. Когда вы соединяете два положения ответвлений, разность потенциалов управляет циркулирующим током. Превентивный автотрансформатор действует как индуктор, ограничивая броски тока, связанные с циркулирующим током. Это ваш РПН реактивного типа. Другой вариант — резистивный РПН.

• Вакуумные переключатели (белые баллоны) на LTC
• Механизм переключения ответвлений
• Превентивный автотрансформатор регулирует пусковой ток при перекрытии двух положений ответвлений

Дизайн резервуара

Дизайн резервуара — это то, где вы проявляете творческий подход, чтобы соответствовать требованиям местоположения и проекта. Вы можете указать вводы с любой стороны, установить системы охлаждения, снизить уровень шума с помощью уникальной панели резервуара, выбрать изолированные фазовые шинопроводы — изолированные или несегрегированные шинные каналы и т. Д.

Еще одно важное проектное решение — выбрать три однофазных или один трехфазный трансформатор. Повышающие трансформаторы генераторов на крупных электростанциях, трансформаторы на подстанциях сверхвысокого напряжения идут по трехфазному маршруту.

Три однофазных трансформатора имеют каждый блок изолирован от другого и, таким образом, обеспечивают непрерывность обслуживания при выходе из строя одного блока. Одиночный трехфазный трансформатор, будь то сердечник или оболочка, не будет работать даже при отключении одной батареи. Однако этот трехфазный трансформатор дешевле в производстве, занимает меньше места и работает относительно с более высоким КПД.

Конструкция системы охлаждения

При протекании тока в медной обмотке выделяется тепло.Вихревой ток и ток возбуждения в сердечнике выделяют тепло. Минеральное масло извлекает это тепло. Обычно естественный конвекционный поток масла отводит тепло: горячее масло поднимается вверх -> движется к радиаторам -> масло охлаждается, оседает и перемещается в основной бак -> масло снова нагревается и поднимается (процесс повторяется).

Для улучшения охлаждения прикрепите группу вентиляторов к радиаторам или теплообменникам. Для дальнейшего улучшения, принудительно перемещайте масло (через резервуар или обмотки) с помощью насосов.

Поскольку масло может поглощать влагу / кислород / мусор, система консервации масла или фильтрации помогает продлить срок службы трансформатора.

Масло расширяется и сжимается под нагрузкой трансформатора. Поскольку бак герметичен и находится под вакуумом, объем масла контролируется двумя способами.
Метод 1. Используйте бак расширителя. Основной бак полностью заполнен. Излишки масла проливаются в этот резервуар.
Метод 2: Основной бак не заполнен полностью (но сердечник и обмотки погружены в воду). «Одеяло» из газообразного азота заполняет пустоту наверху. По мере расширения нефти выделяется газ.Когда он сжимается, внешний баллон с азотом заполняет газ.

Мощность трансформатора ограничена номинальной тепловой мощностью. Это означает, что трансформатор может работать сверх своего номинального значения в МВА, пока температура его верхнего масла остается в пределах 65 ° C, превышающей температуру окружающей среды (см. Стандарт IEEE C57.12.00-2015). Например, если температура окружающей среды составляет 45 ° C, трансформатор может быть доведен до значения менее 45 ° C + 65 ° C = 110 ° C.

Не рекомендуется длительная перегрузка трансформатора из-за насыщения его сердечника (более высокие потери), сокращения срока службы и ухудшения изоляции обмотки.

После того, как катушки установлены, три первичные обмотки и три вторичные обмотки могут быть соединены треугольником или звездой (или звездой).Один из таких вариантов показан ниже.

Хотя может показаться, что вы замыкаете накоротко, привязав один конец катушки к заземлению нейтрали (звездой) и привязав одну катушку к другой (треугольником), это не так. Эти связи работают по закону Ленца.

Использование любой комбинации: треугольник-звезда, звезда-треугольник, звезда-звезда или дельта-треугольник оказывает огромное влияние на конструкцию энергосистемы.Так что выбор подключения имеет решающее значение.

Преимущества трансформатора «звезда-земля»

• Обеспечивает экономию изоляции, что ведет к снижению затрат на трансформатор.
• Упрощенная фазировка, т.е. отсутствие сдвига фаз — упрощает параллельное включение трансформаторов.

Недостатки трансформатора «звезда-земля»

• Гармоники (нежелательные частоты) распространяются через трансформатор, потенциально вызывая радиопомехи.
• Ток нулевой последовательности протекает через трансформатор.
• Внешнее замыкание на землю вызывает отключение трансформатора (если соединение нейтрали допускает возврат тока короткого замыкания, то в зоне дифференциальной защиты входящий ток не совпадает с выходным током).
• Существует возможность по-разному нагружать фазы, что приводит к несбалансированной системе высокого напряжения.

Преимущества трансформатора треугольник-звезда-звезда

• Поскольку обмотка треугольником улавливает ток нулевой последовательности, можно предположить, что реле на входе трансформатора треугольник-звезда срабатывает только при замыканиях на землю на стороне высокого напряжения.Это позволяет устанавливать очень чувствительные настройки звукоснимателя. Напротив, комбинация звезда-звезда пропускает ток нулевой последовательности, что затрудняет оценку места повреждения. Одним словом, релейная защита улучшена.

Недостатки трансформатора треугольник-звезда-земля

• Из-за фазового сдвига, связанного с этими трансформаторами, необходимо уделять больше внимания конструкции. При параллельном подключении и подключении трансформатора тока возникают потенциальные ошибки.
• Высокая стоимость изоляции приводит к дорогостоящему трансформатору.

Дополнительные сведения о плюсах и минусах различных конфигураций обмоток можно найти в статье General Electric под названием «Почему лучше».

Чтобы охватить преимущества каждой комбинации, силовой трансформатор может быть изготовлен с тремя наборами обмоток (вместо двух), обычно с первичной звездой, вторичной звездой и третичным треугольником.

В трехобмоточном трансформаторе звезда-звезда-треугольник треугольная третичная обмотка позволяет подключать:

• Группа конденсаторов — для коррекции напряжения или коэффициента мощности
• Реакторы — для предотвращения напряжения от выпуклости (эффект Ферранти) на линиях сверхвысокого напряжения в условиях малой нагрузки.
• Подстанционный трансформатор — питание переменного тока для оборудования внутри подстанции
• С точки зрения защиты и управления он улавливает ток нулевой последовательности (замыкание на землю). Если вы вставите трансформатор тока в третичную обмотку, вы можете измерить этот ток. Поскольку эта обмотка также улавливает 3-е гармоники, она называется стабилизирующей обмоткой.
• Третичные треугольники индуцируют ток только в одном направлении, независимо от того, где происходит короткое замыкание — со стороны высокого или низкого уровня. Таким образом, направленное реле может быть поляризовано с использованием третичного треугольного трансформатора тока.

Не вдаваясь в подробности, для экономии средств и безопасности соединение звездой является предпочтительным соединением для передачи высокого напряжения. В этом сценарии общая точка — нейтраль — заземлена. Это приводит к снижению напряжения между фазой и нейтралью или между фазой и землей в 1 / sqrt (3). Вы не получите этого снижения при подключении по схеме «треугольник» (без заземления).

Имеет смысл использовать трансформатор треугольник-звезда только рядом с генерирующей станцией, где треугольник подключен к клеммам генератора, а звезда подключена к линиям передачи высокого напряжения. При заземлении звездой со стороны высокого напряжения обмотка трансформатора может быть изолирована для более низких напряжений (фаза-земля). Система передачи также будет иметь более низкие требования к изоляции. Это обеспечивает огромную экономию затрат на проектирование и строительство системы передачи.

Однако заземление нейтрали трансформатора имеет недостаток. Когда одна линия или все три линии на стороне звезды замыкаются накоротко на землю, заземленная нейтраль трансформатора служит обратным путем для тока короткого замыкания. Эти токи короткого замыкания, если их не устранить за доли секунды, могут серьезно повредить трансформатор и все подключенное к нему оборудование. Токи замыкания на землю также богаты токами третьей гармоники. Третья гармоника в линии передачи нарушает все каналы связи (например, несущая линии электропередачи — ретрансляция пилот-сигнала) в непосредственной близости.

Но не все потеряно с комбинацией звезда-треугольник / треугольник-звезда (из-за заземления нейтрали). Соединение треугольником обеспечивает высокий импеданс для третьей гармоники и улавливает ток замыкания на землю, тем самым предотвращая его распространение с одной стороны на другую.

• Трансформаторы типа «треугольник»: применяются на генерирующих станциях и центрах нагрузки.
• Трансформаторы звезда-звезда-треугольник: применяются на передающих подстанциях (765 кВ, 500 кВ, 345 кВ).
• Заземление нейтрали обеспечивает более высокие токи замыкания на землю, однако экономия средств за счет более низких требований к изоляции делает заземление нейтрали приемлемым.

Поддержите этот блог, поделившись статьей

Руководство о трансформаторах и способах их проектирования

Трансформаторы — самые неуловимые электронные компоненты. Мне пришлось узнать об этом в старшей школе, в основном потому, что у них есть много функций, которые нужно учитывать при разработке. Кроме того, трансформаторы — это, как правило, третий компонент, который я изучал в школе после резисторов и конденсаторов. Сегодня мы уберем все ненужные детали и сосредоточимся только на практических вещах, необходимых при разработке.

В этом уроке я рассмотрю следующие темы

1. Что такое трансформатор
2. Основные параметры трансформатора
3. Применение трансформаторов
4. Осмотр неизвестного трансформатора
5. Самостоятельное проектирование трансформатора.

1. ЧТО ТАКОЕ ТРАНСФОРМАТОР:

Трансформатор — это пассивное электронное устройство, в котором две обмотки проводов электрически разделены и магнитно связаны через общий сердечник.Материал сердечника значительно различается. На высоких частотах преобладает воздушный сердечник, а на низких частотах преобладает ламинированный стальной сердечник. Две обмотки определяют, будет ли это повышающий трансформатор или понижающий трансформатор. Когда первичная обмотка имеет больше витков, чем вторичная, меньше магнитных линий пересекает вторичную обмотку и на нее наводится меньшее напряжение. Противоположность логике: меньшее количество оборотов на первичной обмотке по сравнению с вторичной означает, что трансформатор будет повышать напряжение на выходе.

Существует также третий тип, в котором трансформатор будет иметь одинаковое количество витков с обеих сторон — изолирующий трансформатор. Вы будете использовать это, когда хотите отделить сетевое заземление от заземления вашей цепи, в качестве меры безопасности. Как я уже упоминал ранее, трансформатор является пассивным устройством, а это означает, что независимо от того, повышаете ли вы напряжение или понижаете его, потребление МОЩНОСТИ на входе всегда будет выше, чем на выходе.

Например, если у вас 10 В / 1 А на первичной обмотке и 5 В на вторичной обмотке, ток на вторичной стороне никогда не будет выше 2 А, а на самом деле всегда будет меньше из-за потерь, о которых мы поговорим. потом.По частоте существует несколько типов трансформаторов. Часто их классифицируют как

1. Сетевые трансформаторы — которые работают с частотой сети (50 Гц, 60 Гц) и часто довольно громоздки
2. Аудиопреобразователи — работающие в звуковом диапазоне (20 Гц-20 кГц)
ВЧ трансформаторы
3. — часто предназначены для работы на частотах выше 20 кГц.

2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТРАНСФОРМАТОРА:

Диапазон частот — Первое, что вам нужно определить в трансформаторе, это диапазон частот, в котором он будет работать.Сетевые трансформаторы обычно работают на частоте 50 Гц или 60 Гц. Звуковые трансформаторы работают в слышимом диапазоне, а радиочастотные трансформаторы — в звуковом диапазоне.

Максимальная мощность — Затем вам нужно определить, сколько мощности вам нужно. 1 Вт, 10 Вт, 100 Вт и т. Д. Этот параметр часто очень важен, потому что он будет отображаться как постоянная величина в расчетах при проектировании трансформатора.

Потери — Этот параметр становится важным при более высоких мощностях, поскольку потери рассеиваются в виде тепла и вибрации.Это приведет к потере прочности изоляции обмотки с течением времени и может привести к внутреннему короткому замыканию в трансформаторе, что является для трансформаторов режимом катастрофического отказа. Есть несколько типов потерь, некоторые из которых легко понять, а некоторые — немного сложнее.

Начнем с простых. Первый тип потерь — это потеря активного сопротивления, вызванная неизбежным омическим сопротивлением проводника, из которого сделаны обмотки. Как вы знаете из закона Ома, любое падение напряжения, умноженное на ток, равняется заданной мощности.Это также имеет место здесь, и это рассеяние мощности со временем приводит к отслаиванию эмали провода и приводит к короткому замыканию. Это также самый большой фактор, способствующий потерям мощности в трансформаторах.

Далее у вас есть гистерезисные потери. Сначала я начну с примера. Постоянный магнит, как вы все знаете, имеет постоянные северный и южный полюса. Они не теряют силы и не меняют позиции со временем. Чтобы намагнитить материал в позиции, вам нужно пропустить в него некоторый начальный ток.Чтобы размагнитить данный материал и изменить полярность, вы должны сначала нейтрализовать полярность, которую он имеет сейчас, а затем довести ее до другой крайности. Итак, вы можете видеть, что для размагничивания материала требуется больше усилий, чем для его намагничивания. В трансформаторах используются мягкие магниты, в которых остаточная намагниченность сведена к минимуму, но не исключается полностью. Потеря мощности возникает из-за дополнительной силы, необходимой для снижения остаточной намагниченности до нуля перед изменением направления ЭДС.

Другой тип потерь — это потери на вихревые токи. Поскольку материал сердечника является электропроводящим и образует плотный замкнутый контур вокруг обмоток, его можно легко рассматривать как закороченную на один виток обмотку, в которой возникает замкнутая токовая петля. Поскольку все обычные проводники имеют заданное сопротивление, произойдет падение напряжения, и мощность будет рассеиваться в соответствии с законом Ома P = V x I. Чтобы свести к минимуму эти потери, инженеры используют тонкие многослойные стальные листы, украшенные изоляционной смолой, чтобы электрически изолировать листы друг от друга.Таким образом, поперечное сечение каждого листа уменьшается, и в каждом из них индуцируется меньший ток.

3. ПРИМЕНЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА:

Трансформаторы — неотъемлемая часть современной техники. Трансформатор может понижать напряжение сети до рабочего диапазона или повышать для питания высокопроизводительного устройства. Используется в ЭЛТ-экранах, ламповых усилителях для согласования высокого импеданса ламп с низким импедансом динамиков. Практически никогда не бывает жизнеспособного обходного пути. Вам это нужно, и все! В большинстве случаев вы не можете найти на нем параметры трансформатора.Задача инженера — определить параметры. Приведем пример того, как найти некоторые параметры такого трансформатора.

4. ИЗУЧЕНИЕ НЕИЗВЕСТНОГО ТРАНСФОРМАТОРА:

Для начала нужно осмотреть глаз. Проверьте его размер, его основной тип, посмотрите, в какой части оборудования он был ранее, чтобы получить представление о его типе. Также проверьте провода. Их толщина даст вам хорошее представление о том, какой из них является основным, а какой второстепенным. В обмотках низкого напряжения и высокого тока обычно используются более толстые провода, и наоборот.

Затем найдите более безопасный диапазон напряжения для работы при проверке трансформатора. Используйте известный понижающий трансформатор, выходное напряжение которого вам известно. В нашем примере мы будем использовать трансформатор на 10 В. Подключим его к ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ СТОРОНЕ неизвестного трансформатора. Помните, что я сказал об обнаружении высокого / низкого напряжения. Менее толстый провод — это сторона высокого напряжения. Итак, после подключения мы измеряем вторичную обмотку неизвестного трансформатора.

Допустим, мы измеряем около 1 В.Это означает, что трансформатор снизил напряжение в 10 раз. Отсюда вы можете определить коэффициент намотки. Это мера того, сколько обмоток во вторичной обмотке относительно первичной. в данном случае соотношение 1:10. Это означает, что если вы подаете 220 В на первичную обмотку, вы получите 22 В на вторичной. Затем, если вы хотите использовать его в качестве звукового трансформатора для лампового усилителя, вам необходимо определить отраженное сопротивление нагрузки на первичной обмотке трансформатора. Он равен квадрату передаточного числа, умноженного на нагрузку.2 х 8 = 800 Ом. На первичной стороне трансформатора будет нагрузка 800 Ом, на вторичной — 8 Ом.

Это одно из применений трансформаторов для согласования импеданса несогласованных цепей. Ламповый усилитель с высоким сопротивлением не будет эффективно обеспечивать ток нагрузки без такого трансформатора. Это доказано теоремой Тевенина о максимальной передаче тока, которая гласит, что для наиболее эффективного использования мощности внешнего источника с конечным сопротивлением нагрузка должна иметь такое же сопротивление, что и источник, если смотреть с его выходных клемм.

5. РАЗРАБОТКА СОБСТВЕННОГО ТРАНСФОРМАТОРА:

Ладно, ребята, вот и настоящая сделка. Каждый инженер однажды попадал в ситуацию, когда ему нужен трансформатор индивидуальной конструкции. У каждого инженера своя тактика при проектировании. Это то, чему я доверял на протяжении многих лет, до сих пор без сожаления.

1. Ваш проект начинается с определения необходимой мощности вторичной обмотки трансформатора. Это дается формулой P2 = I2.V2 . В нашем примере мы предположим, что это 50 Вт.
2. Зная номинальную мощность вторичной обмотки, нам нужно определить номинальную мощность первичной обмотки, исходя из ожидаемого КПД трансформатора. Обычно трансформаторы малой мощности более неэффективны, а для трансформаторов мощностью до 10 Вт можно предположить КПД 80%. От 10 Вт до примерно 50 Вт, эффективность может быть от 80% до 90%, а выше 50 Вт эффективность остается на уровне около 90% (за исключением высокоэффективных тороидальных сердечников, которые мы не будем рассматривать сегодня).
3. Затем превратите процент эффективности в коэффициент.Просто разделите это на сотню. Мощность, требуемая от первичной обмотки, определяется формулой P1 = P2 / Eff (где Eff — коэффициент полезного действия). Для трансформатора мощностью 50 Вт и принятого коэффициента 0,9 номинальная мощность первичной обмотки может быть принята равной 55 Вт (P1 = 50 / 0,9) Оставшиеся 5 Вт будут рассеиваться в виде тепловых потерь.
4. Далее вам нужно найти необходимую площадь поперечного сечения жилы, необходимую для нужной вам мощности. Это дается очень простой формулой S = √P1 .2.
5. Теперь давайте воспользуемся тем, что у нас есть, и посчитаем количество витков сердечника. К настоящему времени вы должны знать, с каким напряжением будет работать ваш трансформатор, как первичный, так и вторичный. Предположим, что первичное напряжение составляет В1 = 220 В , а вторичное В2 = 25 В . Формулы, которые дают необходимое количество витков, следующие: W1 = 40 x V1 / S и W2 = 44 x V2 / S . Это дает нам 1100 витков для первичной обмотки в нашем примере и 138 витков для вторичной обмотки.
6. Почти готово, осталось рассчитать калибр проволоки для обмотки. Я европеец, поэтому буду работать с диаметром провода мм, а не AWG. Формула очень проста d = 0,02x√I (мА) , где ток выражается в мА. Теперь вам нужно рассчитать ток, который будет обрабатывать ваша обмотка.
7. Для первичной обмотки это I = 55 Вт / 220 В = 0,25 А или 250 мА . Для вторичной обмотки ток составляет I = 50/25 = 2 А или 2000 мА . Теперь вы можете добавить эти числа в формулу, и мы получим d = 0.02 x √250 = 0,32 мм для первичной обмотки и d = 0,02 x √2000 = 0,89 мм .
8. Всегда хорошо округлять до большего размера. Например, стандартный размер провода для первичной обмотки будет 0,4 мм , а для вторичной 1 мм

Следуя этим шагам, вы сможете спроектировать свой собственный трансформатор. Надеюсь, этот урок был бы полезен. Если у вас есть какие-либо предложения, сомнения или отзывы, пожалуйста, используйте поле для комментариев ниже 🙂

Как построить понижающие трансформаторы с помощью расчетов

Понижающий трансформатор — это устройство, которое понижает более высокий потенциал переменного тока до более низкого потенциала переменного тока в соответствии с его коэффициентом намотки и спецификациями.

В этой статье мы собираемся обсудить, как спроектировать и построить базовый понижающий трансформатор, который обычно применяется в источниках питания от сети.

Введение

Это, вероятно, поможет любителям электроники разработать и построить свои собственные трансформаторы, основанные на их конкретных потребностях. На следующих страницах представлен упрощенный метод компоновки, позволяющий получить удовлетворительно разработанные трансформаторы. С другой стороны, процесс проектирования может стать предметом экспериментов.

Таблицы, представленные в этой статье, сокращают расчеты обрезки, которые помогают проектировщику найти подходящий размер проволоки или даже сердцевины для ламинирования. Здесь представлены исключительно относящиеся к делу данные и расчеты, чтобы проектировщик не был сбит с толку нежелательными деталями.

Здесь мы конкретно обсудим трансформаторы, которые имеют 2 или более обмоток изолированного медного провода вокруг железного сердечника. Это одна первичная обмотка и одна или несколько вторичных обмоток.

Каждая обмотка электрически изолирована друг от друга, однако магнитно соединена с помощью ламинированного железного сердечника. Небольшие трансформаторы имеют корпусную структуру, т. Е. Обмотки окружены сердечником, как показано на рис. 1. Мощность, подаваемая вторичной обмоткой, фактически передается от первичной, хотя на уровне напряжения, зависящем от передаточного отношения обмотки a. пара обмоток.

Видеоинтерпретация

Базовая конструкция трансформатора

На начальном этапе проектирования трансформатора необходимо четко выразить оценки первичного и вторичного напряжения и номинальный ток вторичной обмотки.

После этого определите содержание сердечника, которое будет использоваться: штамповка из обычной стали или холоднокатаная штамповка с ориентированным зерном (CRGO). CRGO отличается большей допустимой плотностью потока и меньшими потерями.

Наилучшее возможное поперечное сечение жилы примерно определяется по:

Площадь жилы: 1,152 x √ (выходное напряжение x выходной ток) кв. См.

Что касается трансформаторов, имеющих несколько вторичных обмоток, необходимо учитывать сумму произведения выходного напряжения на ампер каждой обмотки.

Количество витков на первичной и вторичной обмотках определяется по формуле для отношения витков на вольт как:

Оборотов на вольт = 1 / (4,44 x 10 ^-4 частота x площадь сердечника x плотность потока)

Здесь частота обычно составляет 50 Гц для домашнего источника питания в Индии. Плотность потока можно рассматривать как приблизительно 1,0 Вебер / кв. М. предназначен для штамповки обычной стали и примерно 1,3 Вебера / кв.м. для штамповки CRGO.

Расчет первичной обмотки

Ток в первичной обмотке представлен по формуле:

Первичный ток = сумма вольт и ампер, деленных на первичные вольт x КПД

КПД малого трансформаторы могут отклоняться от 0.От 8 до 0. §6. Значение 0,87 отлично подходит для обычных трансформаторов.

Необходимо определить подходящий размер провода для обмотки. Диаметр провода зависит от номинального тока обмотки, а также от допустимой плотности тока провода.

Плотность тока может достигать 233 ампер / кв. См. в небольших трансформаторах и минимум 155 ампер / кв. см. в больших.

Данные обмотки

Обычно значение 200 ампер / кв. См. можно считать, согласно которому создается Таблица №1.Количество витков в первичной обмотке выражается формулой:

Первичная Оборотов = Число витков на вольт x Первичное напряжение

Площадь, потребляемая обмоткой, определяется плотностью изоляции, техникой намотки и проводом. диаметр.

В таблице №1 приведены расчетные значения витков на квадратный см. через которое мы можем рассчитать площадь окна, потребляемую первичной обмоткой.

Площадь первичной обмотки = Число витков первичной обмотки / Число витков на кв.см из Таблицы № 1

Расчет вторичной обмотки

Учитывая, что у нас есть предполагаемый номинальный вторичный ток, мы можем определить размер провода для вторичной обмотки, просто просматривая Таблицу № 1 напрямую.

Количество витков на вторичной обмотке рассчитывается идентичным методом, когда дело касается первичной обмотки, но необходимо добавить около 3% лишних витков, чтобы компенсировать внутреннее падение напряжения вторичной обмотки трансформатора при нагрузке.Следовательно,

Число витков вторичной обмотки = 1,03 (число витков на вольт x вторичное вольт)

Площадь окна, необходимая для вторичной обмотки, определена в Таблице № 2 как

Площадь вторичного окна = Число витков вторичной обмотки / число витков на квадратный см. (из Таблицы № 2 ниже)

Расчет размера сердечника

Основным критерием выбора сердечника может быть общая площадь окна доступного пространства обмотки.

Общая площадь окна = площадь основного окна + сумма площадей второстепенных окон + пространство для первого окна и изоляция.

Необходимо немного больше места для поддержки первого и изоляции между обмотками. Конкретное количество дополнительной области может отличаться, даже если для начала можно было бы рассмотреть 30%, хотя это, возможно, потребуется настроить позже.

Таблица размеров штамповки трансформатора

Идеальные размеры сердечников, обладающих более значительным оконным пространством, обычно определяются из таблицы 2, принимая во внимание зазор между слоями при их укладке (элемент укладки сердечника может быть принят равным 0.9), теперь у нас есть

Общая площадь ядра = Площадь ядра / 0,9 см2. В общем, предпочтительна квадратная центральная конечность.

Для этого ширина язычка ламинирования составляет

Ширина язычка = √ Общая площадь сердцевины (кв. См)

Теперь еще раз обратитесь к Таблице № 2 и в качестве последнего пункта найдите подходящий размер сердцевины. , имеющей достаточную площадь окна и близкое значение ширины язычка, как рассчитано. При необходимости измените высоту штабеля, чтобы получить желаемую секцию сердечника.

Высота штабеля = Общая площадь сердечника / Фактическая ширина язычка

Стопка не должна быть намного ниже ширины язычка, а должна быть больше. Однако он не должен превышать ширину язычка более чем в 1 1/2 раза.

Схема сборки сердечника

Как собрать трансформатор

Обмотка выполняется поверх изолирующего каркаса или бобины, которая устанавливается на среднюю стойку ламинированного сердечника. Обычно сначала наматывают первичную обмотку, а затем вторичную, сохраняя изоляцию между двумя слоями обмотки.

Последний изолирующий слой наносится поверх обмотки для защиты всех от механических повреждений и вибрации. Когда используются тонкие провода, их отдельные концы необходимо припаять к более тяжелым проводам, чтобы вывести клеммы за пределы первого.

Ламинирование, как правило, накладывается на основу альтернативным ламинированием в обратном порядке. Ламинирование должно быть плотно связано с помощью подходящей зажимной рамы или с помощью гаек и болтов (в случае, если в ламинирующем узле предусмотрены сквозные отверстия).

Как применять экранирование

Это может быть разумной идеей использовать электростатический экран между первичной и вторичной обмотками, чтобы избежать электрических помех, передаваемых через вторичную обмотку от первичной обмотки.

Экран для понижающих трансформаторов может быть изготовлен из медной фольги, которую можно намотать между двумя обмотками на несколько большее расстояние. Изоляция должна быть покрыта всей фольгой, и должны быть приняты соответствующие меры, чтобы два конца фольги никогда не соприкасались друг с другом.Кроме того, с этим экранирующим полем можно припаять провод и соединить его с линией заземления схемы или с пластиной трансформатора, которая может быть зажата с линией заземления схемы.

Для проектирования тороидального трансформатора вы можете обратиться к следующему PDF-документу:

https://www.homemade-circuits.com/wp-content/uploads/2021/04/torroidal-transformer_compressed.pdf

Программное обеспечение для проектирования трансформаторов | ИНТЕГРИРОВАННОЕ ПО для проектирования

Конструкция трансформатора:

INTEGRATED Engineering Software (IES) с гордостью предлагает инструменты, идеально подходящие для производства трансформаторов и оптимизации конструкции.Анализ трансформатора — одно из наиболее широко используемых приложений для нашего программного обеспечения для электромагнитного моделирования, и наши клиенты зависят от точных и надежных результатов. IES на протяжении десятилетий помогает отраслям энергетики, распределения и обрабатывающей промышленности, решая сложные проектные задачи, стремясь сделать энергосистемы и их компоненты более эффективными, доступными и экологически безопасными.

Наши программы обращаются к наиболее фундаментальным аспектам работы трансформаторов среднего и высокого напряжения, предоставляя ответы на такие переменные конструкции трансформатора, как:

• ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ расчеты: напряженность электрического поля, параметры линии передачи, емкость, анализ коронного кольца, анализ начального частичного разряда (PDI), потери импеданса, диэлектрическая прочность изоляционных конструкций между обмотками, выводами, хвостовиками вводов и башнями резервуаров.
• МАГНИТНЫЕ расчеты: взаимные индуктивности катушек; пути потока; потеря мощности в активной зоне; потеря потока и паразитные взаимодействия с другим оборудованием.
• ТЕПЛОВЫЕ расчеты: Джоулев нагрев катушек или потери в сердечнике (комбинация потерь на гистерезис и потерь на вихревые токи)

Комплексный, интуитивно понятный и адаптивный набор решающих программ для моделирования от INTEGRATED обеспечивает не только возможность уверенного определения характеристик трансформатора, но также обеспечивает основу для оптимизации, а также определения наиболее идеальных параметров схемы для вашего проекта.Благодаря использованию нашей полностью запатентованной технологии метода граничных элементов (BEM), IES предоставляет наиболее точные численные полевые решения для моделирования трансформаторов во всей отрасли. Для пользователей, которые предпочитают метод конечных элементов (МКЭ) в качестве стандарта анализа, многие из наших инструментов предлагают полностью двойной подход, включающий решения БЭМ и МКЭ, чтобы обеспечить гибкость и удобство для профессионалов отрасли.

Программное обеспечение для моделирования INTEGRATED — это поистине бесценный инструмент для проектирования, позволяющий экономить время и деньги при оптимизации и производственном процессе, а также помогать понять проблемные области конструкции трансформатора, уникальные для каждого пользователя.

ИНТЕГРИРОВАННОЕ Программное обеспечение для проектирования, которое может применяться к различным аспектам проектирования ТРАНСФОРМАТОРА: