Ответы на вопросы о трансформаторах.

За время работы нашей компании, а это, на минуточку, более 15 лет, нами был накоплен ценный опыт, который помогает в решении повседневных сложных задач наших заказчиков, и которым мы бы хотели поделиться с пользователями нашего сайта. Благодаря рубрике «Вопрос-ответ» мы производим обратную связь с нашими клиентами, и некоторые вопросы нам показались интересными. Одни вопросы задают очень часто, другие – не очень, однако, в любом случае, мы приняли решение осветить в данной статье те моменты, которые, безусловно, являются очень важными в процессе повседневной эксплуатации трансформаторов.

Итак, начнем с вопросов, которые являются ключевыми. На эти вопросы мы отвечали не раз, однако, они по-прежнему волнуют многих наших посетителей:

— На каком принципе основывается работа трансформатора?

Ответ: В основе принципа действия любого трансформатора лежит явление электромагнитной индукции. Т.е. явлении, связанном с возникновением электрического тока в замкнутом контуре трансформатора.

 

— Что такое анцапфа?

Ответ: Анцапфа – это, так называемый, переключатель ПБВ (сокр., переключение без возбуждения). В силовом трансформаторе такой переключатель устанавливается со стороны высшего напряжения (ВН) и предназначается, в первую очередь, для изменения коэффициента трансформации. При изменениях высшего напряжения в пределах +- 10% от номинального значения, анцапфа позволяет поддерживать напряжение на вторичной обмотке постоянным. Переключение положения ПБВ (анцапфы) необходимо производить только при отключенном трансформаторе (снимая напряжение на стороне ВН).

 

— Почему сердечник трансформатора изготавливают из нескольких изолированных пластин, а не из цельного куска стали?

Ответ: Сердечник трансформатора изготавливается с использованием изолированных пластин для уменьшения или практически полного исключения потерь, вызываемых протеканием вихревых токов. Таким образом, благодаря сердечнику из изолированных пластин, общая сумма потерь, будет в разы ниже, чем потери при использовании цельного сердечника.

Стоит отметить, что сердечник может быть изготовлен цельным, однако, обязательным условием является высокое удельное сопротивление материала (это могут быть, например, ферритовые сплавы).

 

— Зачем пластины сердечника трансформатора стягиваются шпильками?

Ответ: Сделано это для того, чтобы обеспечить максимально плотное прилегание изолированных пластин друг к другу, а также, чтобы сделать пакет пластин сердечника прочным и достаточно устойчивым к механическим повреждениям.

 

— Что такое холостой ход трансформатора? Как трансформатор работает в этом режиме?

Ответ: Режим холостого хода трансформатора — это такой режим работы трансформатора, при котором одна из его обмоток запитана от источника переменного тока (напряжения) (линия электропередач), а цепи остальных обмоток разомкнуты. В реальности, такой режим работы встречается у трансформатора, в случае, когда он подключен к сети, а нагрузка, запитываемая от его вторичной обмотки, ещё не подключена.

За время ведения рубрики «Вопрос-ответ» нам не раз приходилось вникать в тонкости частных проблем, возникающих у пользователей. Часто, вопросы задают студенты, или просто люди сомневающиеся, как, например, в следующих вопросах:

— Что происходит на вторичных обмотках трансформатора в случае понижения напряжения на первичной обмотке трансформатора?

Ответ: Напряжение на вторичных обмотках трансформатора снижается строго пропорционально коэффициенту трансформации.

 

— Мы имеем в собственности шесть смежных земельных участков без электричества, однако, рядом проходит ЛЭП на 380В. Для целей электропитания будущих строений, мы собираемся приобрести понижающий трансформатор. Пожалуйста, подскажите какой выбрать?

Ответ: Для начала, необходимо определить планируемую суммарную мощность потребления. Здесь, следует учесть возможность увеличения количества потребителей (и соответственно увеличения потребления). Затем присылайте заявку нам, а мы, по Вашим данным, подберем подходящий вариант понижающего трансформатора.

 

Нам также задают вопросы, которые косвенно касаются выбора трансформатора. Можно назвать их «вопросы от любознательных». И хотя информацию по таким вопросам, часто, можно найти в открытом доступе, мы охотно идем навстречу:

— От чего зависит межповерочный интервал трансформаторов тока?

Ответ: Сроки межповерочных интервалов трансформаторов устанавливаются, непосредственно, заводом-изготовителем, исходя из характеристик данной конкретной модели трансформатора. Как правило, межповерочный интервал трансформатора составляет 4 года.

 

— Что означают обозначения обмоток защиты 5Р и 10Р на трансформаторе?

Ответ: Обозначения 5Р и 10Р применяются для отображения погрешности релейной защиты в 5% и 10% соответственно.

 

— Трансформатор тока и трансформатор оперативного тока – в чем разница?

Ответ: Главное отличие состоит в назначении этих трансформаторов. Трансформаторы тока предназначаются для преобразования тока до таких значений, которые были бы удобны для измерения, а, следовательно, используются для подключения различного измерительного оборудования. Трансформатор оперативного тока предназначается для питания различных цепей управления оборудованием (реле, приводы, и т.п.), автоматики, а также сигнализации и защиты.

 

— Чем отличаются трансформаторы с изолированной нейтралью и глухо заземленной нейтралью?

Ответ: В цепях трансформаторов с глухозаземленной нейтралью, вторичную обмотку соединяют по схеме «звезда с нулевым выводом», и поэтому такой трансформатор имеет 4 вывода. Один из выводов – нулевой. При этом, он соединен с контуром заземления. В цепях трансформаторов с изолированной нейтралью, используют схему соединения вторичной обмотки — «звезда», выводов при этом получается 3. Трансформаторы с глухозаземленной нейтралью, при обрыве одной из фаз – безопаснее, а с изолированной – не прекращают подачу электроэнергии.

Электрический трансформатор. Основное оборудование электрических станций и подстанций.

Основное оборудование электрических станций и подстанций

Трансформатор

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

Трансформатор осуществляет преобразование переменного напряжения и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения — электроэнергетике, электронике и радиотехнике.

Конструктивно трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток (катушек), охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкого материала.

Базовые принципы действия трансформатора

Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:

• Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм)
• Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)

На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток намагничивания создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе.

В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку.

В некоторых трансформаторах, работающих на высоких или сверхвысоких частотах, магнитопровод может отсутствовать.

Форма напряжения во вторичной обмотке связана с формой напряжения в первичной обмотке довольно сложным образом. Благодаря этой сложности удалось создать целый ряд специальных трансформаторов, которые могут выполнять роль усилителей тока, умножителей частоты, генераторов сигналов и т.д.

Исключение — силовой трансформатор. В случае классического трансформатора переменного тока, предложенного П.Яблочковым, он преобразует синусоиду входного напряжения в такое же синусоидальное напряжение на выходе вторичной обмотки.

В случае силового трансформатора, работающего в схеме Преобразователя Мотовилова, он преобразует постоянный силовой ток первичной обмотки в постоянный силовой ток вторичной обмотки при прямоугольном переменном напряжении на обеих обмотках. Последнее выпрямляется в постоянное напряжение так, что на входе и выходе схемы Мотовилова действуют постоянные токи при постоянном напряжении.

Основные части конструкции трансформатора

Основными частями конструкции трансформатора являются:

• магнитопровод
• обмотки
• каркас для обмоток
• изоляция
• система охлаждения
• прочие элементы (для монтажа, доступа к выводам обмоток, защиты трансформатора и т.п.)

В практичной конструкции трансформатора производитель выбирает между тремя различными базовыми концепциями:

• Стержневой
• Броневой
• Тороидальный

Любая из этих концепций не влияет на эксплуатационные характеристики или эксплуатационную надежность трансформатора, но имеются существенные различия в процессе их изготовления. Каждый производитель выбирает концепцию, которую он считает наиболее удобной с точки зрения изготовления, и стремится к применению этой концепции на всём объёме производства.

В то время как обмотки стержневого типа заключают в себе сердечник, сердечник броневого типа заключает в себе обмотки. Если смотреть на активный компонент (т.e. сердечник с обмотками) стержневого типа, обмотки хорошо видны, но они скрывают за собой стержни магнитной системы сердечника. Видно только верхнее и нижнее ярмо сердечника. В конструкции броневого типа сердечник скрывает в себе основную часть обмоток.

Ещё одно отличие состоит в том, что ось обмоток стержневого типа, как правило, имеет вертикальное положение, в то время как в броневой конструкции она может быть горизонтальной или вертикальной.

Режимы работы трансформатора

Режим холостого хода

Данный режим характеризуется разомкнутой вторичной цепью трансформатора, вследствие чего ток в ней не течёт. По первичной обмотке протекает ток холостого хода, главной составляющей которого является реактивный ток намагничивания. С помощью опыта холостого хода можно определить КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике (т. н. «потери в стали»).

Режим нагрузки

Этот режим характеризуется работой трансформатора с подключенными источником в первичной и нагрузкой во вторичной цепи трансформатора. В вторичной обмотке протекает ток нагрузки, а в первичной — ток, который можно представить как сумму тока нагрузки (пересчитанного из соотношения числа витков обмоток и вторичного тока) и ток холостого хода. Данный режим является основным рабочим для трансформатора.

Режим короткого замыкания

Этот режим получается в результате замыкания вторичной цепи накоротко. Это разновидность режима нагрузки, при котором сопротивление вторичной обмотки является единственной нагрузкой. С помощью опыта короткого замыкания можно определить потери на нагрев обмоток в цепи трансформатора («потери в меди»). Это явление учитывается в схеме замещения реального трансформатора при помощи активного сопротивления.

Режим холостого хода

При равенстве вторичного тока нулю (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток, протекающий через первичную обмотку, равен переменному току намагничивания, нагрузочные токи отсутствуют. Для трансформатора с сердечником из магнитомягкого материала (ферромагнитного материала, трансформаторной стали) ток холостого хода характеризует величину потерь в сердечнике (на вихревые токи и на гистерезис) и реактивную мощность перемагничивания магнитопровода. Мощность потерь можно вычислить, умножив активную составляющую тока холостого хода на напряжение, подаваемое на трансформатор.

Для трансформатора без ферромагнитного сердечника потери на перемагничивание отсутствуют, а ток холостого хода определяется сопротивлением индуктивности первичной обмотки, которое пропорционально частоте переменного тока и величине индуктивности.

Напряжение на вторичной обмотке в первом приближении определяется законом Фарадея.

Режим короткого замыкания

В режиме короткого замыкания, на первичную обмотку трансформатора подаётся переменное напряжение небольшой величины, выводы вторичной обмотки соединяют накоротко. Величину напряжения на входе устанавливают такую, чтобы ток короткого замыкания равнялся номинальному (расчётному) току трансформатора. В таких условиях величина напряжения короткого замыкания характеризует потери в обмотках трансформатора, потери на омическом сопротивлении. Мощность потерь можно вычислить, умножив напряжение короткого замыкания на ток короткого замыкания.

Данный режим широко используется в измерительных трансформаторах тока.

Режим нагрузки

При подключении нагрузки к вторичной обмотке во вторичной цепи возникает ток нагрузки, создающий магнитный поток в магнитопроводе, направленный противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате в первичной цепи нарушается равенство ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения.

Мгновенный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора определяется интегралом по времени от мгновенного значения ЭДС в первичной обмотке и в случае синусоидального напряжения сдвинут по фазе на 90° по отношению к ЭДС. Наведённая во вторичных обмотках ЭДС пропорциональна первой производной от магнитного потока и для любой формы тока совпадает по фазе и форме с ЭДС в первичной обмотке.

Виды трансформаторов

Силовой трансформатор

Силовой трансформатор переменного тока — трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии. Слово «силовой» отражает работу данного вида трансформаторов с большими мощностями. Необходимость применения силовых трансформаторов обусловлена различной величиной рабочих напряжений ЛЭП (35-750 кВ), городских электросетей (как правило 6,10 кВ), напряжения, подаваемого конечным потребителям (0,4 кВ, они же 380/220 В) и напряжения, требуемого для работы электромашин и электроприборов (самые различные от единиц вольт до сотен киловольт).

Силовой трансформатор постоянного тока используется для непосредственного преобразования напряжения в цепях постоянного тока. Термин «силовой» показывает отличие таких трансформаторов от измерительных устройств класса «Трансформатор постоянного тока».

Автотрансформатор

Автотрансформатор — вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения. Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию — это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно.

Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью. Применение автотрансформаторов экономически оправдано вместо обычных трансформаторов для соединения эффективно заземленных сетей с напряжением 110 кВ и выше при коэффициентах трансформации не более 3-4. Существенным достоинством является меньший расход стали для сердечника, меди для обмоток, меньший вес и габариты, и в итоге — меньшая стоимость.

Трансформатор тока

Трансформатор тока — трансформатор, питающийся от источника тока. Типичное применение — для снижения первичного тока до величины, используемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации, кроме того, трансформатор тока осуществляет гальваническую развязку (отличие от шунтовых схем измерения тока). Номинальное значение тока вторичной обмотки 1А, 5А. Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, равен току первичной обмотки, деленному на коэффициент трансформации. ВНИМАНИЕ! Вторичная обмотка токового трансформатора должна быть надёжно замкнута на низкоомную нагрузку измерительного прибора или накоротко. При случайном или умышленном разрыве цепи возникает скачок напряжения, опасный для изоляции, окружающих электроприборов и жизни техперсонала! Поэтому по правилам технической эксплуатации необходимо неиспользуемые вторичные обмотки закорачивать, а все вторичные обмотки трансформаторов тока подлежат заземлению.

Трансформатор напряжения

Трансформатор напряжения — трансформатор, питающийся от источника напряжения. Типичное применение — преобразование высокого напряжения в низкое в цепях, в измерительных цепях и цепях РЗиА. Применение трансформатора напряжения позволяет изолировать логические цепи защиты и цепи измерения от цепи высокого напряжения.

Импульсный трансформатор

Импульсный трансформатор — это трансформатор, предназначенный для преобразования импульсных сигналов с длительностью импульса до десятков микросекунд с минимальным искажением формы импульса. Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса (максимально крутой фронт и срез, относительно постоянная амплитуда). Он служит для трансформации кратковременных видеоимпульсов напряжения, обычно периодически повторяющихся с высокой скважностью. В большинстве случаев основное требование, предъявляемое к ИТ заключается в неискажённой передаче формы трансформируемых импульсов напряжения; при воздействии на вход ИТ напряжения той или иной формы на выходе желательно получить импульс напряжения той же самой формы, но, быть может, иной амплитуды или другой полярности.

Разделительный трансформатор

Разделительный трансформатор — трансформатор, первичная обмотка которого электрически не связана со вторичными обмотками. Силовые разделительные трансформаторы предназначены для повышения безопасности электросетей, при случайных одновременных прикасаниях к земле и токоведущим частям или нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения изоляции. Сигнальные разделительные трансформаторы обеспечивают гальваническую развязку электрических цепей.

Согласующий трансформатор

Согласующий трансформатор — трансформатор, применяемый для согласования сопротивления различных частей (каскадов) электронных схем при минимальном искажении формы сигнала. Одновременно согласующий трансформатор обеспечивает создание гальванической развязки между участками схем.

Пик-трансформатор

Пик-трансформатор — трансформатор, преобразующий напряжение синусоидальной формы в импульсное напряжение с изменяющейся через каждые полпериода полярностью.

Сдвоенный дроссель

Сдвоенный дроссель (встречный индуктивный фильтр) — конструктивно является трансформатором с двумя одинаковыми обмотками. Благодаря взаимной индукции катушек он при тех же размерах более эффективен, чем обычный дроссель. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике.

Трансфлюксор

Трансфлюксор — разновидность трансформатора, используемая для хранения информации. Основное отличие от обычного трансформатора — это большая величина остаточной намагниченности магнитопровода. Иными словами трансфлюксоры могут выполнять роль элементов памяти. Помимо этого трансфлюксоры часто снабжались дополнительными обмотками, обеспечивающими начальное намагничивание и задающими режимы их работы. Эта особенность позволяла (в сочетании с другими элементами) строить на трансфлюксорах схемы управляемых генераторов, элементов сравнения и искусственных нейронов.

История создания трансформаторов

Для создания трансформаторов необходимо было изучение свойств материалов: неметаллических, металлических и магнитных, создания их теории.

Столетов Александр Григорьевич (профессор Московского университета) сделал первые шаги в этом направлении — обнаружил петлю гистерезиса и доменную структуру ферромагнетика (1880-е).

Братья Гопкинсоны разработали теорию электромагнитных цепей.

В 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции, лежащее в основе действия электрического трансформатора, при проведении им основополагающих исследований в области электричества.

Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своём приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного тока.

В 1848 году французский механик Г.Румкорф изобрёл индукционную катушку особой конструкции. Она явилась прообразом трансформатора.

30 ноября 1876 года, дата получения патента Яблочковым Павлом Николаевичем, считается датой рождения первого трансформатора переменного тока. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки.

Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон. В 1885г. венгерские инженеры фирмы «Ганц и К°» Отто Блати, Карой Циперновский и Микша Дери изобрели трансформатор с замкнутым магнитопроводом, который сыграл важную роль в дальнейшем развитии конструкций трансформаторов.

Большую роль для повышения надежности трансформаторов сыграло введение масляного охлаждения (конец 1880-х годов, Д.Свинберн). Свинберн помещал трансформаторы в керамические сосуды, наполненные маслом, что значительно повышало надежность изоляции обмоток.

С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току. Русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский в 1889г. предложил трёхфазную систему переменного тока с тремя проводами (трехфазная система переменного тока с шестью проводами изобретена Николой Тесла), построил первый трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутой обмоткой типа «беличья клетка» и трехфазной обмоткой на роторе (трехфазный асинхронный двигатель изобретен Николой Тесла), первый трёхфазный трансформатор с тремя стержнями магнитопровода, расположенными в одной плоскости. На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891г. Доливо-Добровольский демонстрировал опытную высоковольтную электропередачу трёхфазного тока протяжённостью 175 км. Трёхфазный генератор имел мощность 230 кВт при напряжении 95 В.

1928 год можно считать началом производства силовых трансформаторов в СССР, когда начал работать Московский трансформаторный завод (впоследствии — Московский электрозавод).

В начале 1900-х годов английский исследователь-металлург Роберт Хедфилд провёл серию экспериментов для установления влияния добавок на свойства железа. Лишь через несколько лет ему удалось поставить заказчикам первую тонну трансформаторной стали с добавками кремния.

Следующий крупный скачок в технологии производства сердечников был сделан в начале 30-х годов XX в, когда американский металлург Норман П. Гросс установил, что при комбинированном воздействии прокатки и нагревания у кремнистой стали появляются незаурядные магнитные свойства в направлении прокатки: магнитное насыщение увеличивалось на 50%, потери на гистерезис сокращались в 4 раза, а магнитная проницаемость возрастала в 5 раз.



Трансформатор тока и напряжения — Всё о электрике

Измерительные трансформаторы тока и напряжения – конструкции, технические характеристики

Измерительные трансформаторы тока и напряжения предназначены для уменьшения первичных токов и напряжений до значений, наиболее удобных для подключения измерительных приборов, реле защиты, устройств автоматики. Применение измерительных трансформаторов обеспечивает безопасность работающих, так как цепи высшего и низшего напряжения разделены, а также позволяет унифицировать конструкцию приборов и реле.

Трансформаторы тока классифицируют:

по конструкции — втулочные, встроенные, проходные, опорные, шинные, разъемные;

роду установки — наружные, для закрытых и комплектных распределительных устройств;

числу ступеней трансформации — одноступенчатые и каскадные;

коэффициентам трансформации — с одним или несколькими значениями;

числу и назначению вторичных обмоток.

Т — трансформатор тока;

Ф — с фарфоровой изоляцией;

Н — наружной установки;

К — каскадный, с конденсаторной изоляцией или катушечный;

О — одновитковый стержневой;

Ш — одновитковый шинный;

В — с воздушной изоляцией, встроенный или с водяным охлаждением;

Л — с литой изоляцией;

М — маслонаполненный, модернизированный или малогабаритный;

Р — для релейной защиты;

Д — для дифференциальной защиты;

З — для защиты от замыканий на землю.

Технические характеристики трансформаторов тока

Номинальный первичный и вторичный ток трансформаторов тока

Трансформаторы тока характеризуются номинальным первичным током Iном1 (стандартная шкала номинальных первичных токов содержит значения от 1 до 40000 А) и номинальным вторичным током Iном2, который принят равным 5 или 1 А. Отношение номинального первичного к номинальному вторичному току представляет собой коэффициент трансформации КТА= Iном1/ Iном2

Токовая погрешность трансформаторов тока

Трансформаторы тока характеризуются токовой погрешностью ∆I=(I2K-I1)*100/I1 (в процентах) и угловой погрешностью (в минутах). В зависимости от токовой погрешности измерительные трансформаторы тока разделены на пять классов точности: 0,2; 0,5; 1; 3; 10. Наименование класса точности соответствует предельной токовой погрешности трансформатора тока при первичном токе, равном 1—1,2 номинального. Для лабораторных измерений предназначены трансформаторы тока класса точности 0,2, для присоединений счетчиков электроэнергии — трансформаторы тока класса 0,5, для присоединения щитовых измерительных приборов -классов 1 и 3.

Нагрузка трансформаторов тока

Нагрузка трансформатора тока — это полное сопротивление внешней цепи Z2, выраженное в омах. Сопротивления r2 и х2 представляют собой сопротивление приборов, проводов и контактов. Нагрузку трансформатора можно также характеризовать кажущейся мощностью S2 В*А. Под номинальной нагрузкой трансформатора тока Z2ном понимают нагрузку, при которой погрешности не выходят за пределы, установленные для трансформаторов данного класса точности. Значение Z2ном дается в каталогах.

Электродинамическая стойкость трансформаторов тока

Электродинамическую стойкость трансформаторов тока характеризуют номинальным током динамической стойкости Iм.дин. или отношением kдин = Термическая стойкость определяется номинальным током термической стойкости Iт или отношением kт= Iт / I1ном и допустимым временем действия тока термической стойкости tт.

Конструкции трансформаторов тока

По конструкции различают трансформаторы тока катушечные, одновитковые (типа ТПОЛ), многовитковые с литой изоляцией (типа ТПЛ и ТЛМ). Трансформатор типа ТЛМ предназначен для КРУ и конструктивно совмещен с одним из штепсельных разъемов первичной цепи ячейки.

Для больших токов применяют трансформаторы типа ТШЛ и ТПШЛ, у которых роль первичной обмотки выполняет шина. Электродинамическая стойкость таких трансформаторов тока определяется стойкостью шины.

Для ОРУ выпускают трансформаторы типа ТФН в фарфоровом корпусе с бумажно-масляной изоляцией и каскадного типа ТРН. Для релейной защиты имеются специальные конструкции. На выводах масляных баковых выключателей и силовых трансформаторов напряжением 35 кВ и выше устанавливаются встроенные трансформаторы тока. Погрешность их при прочих равных условиях больше, чем у отдельно стоящих трансформаторов.

Технические характеристики измерительных трансформаторов напряжения

Номинальные первичное и вторичное напряжение измерительных трансформаторов напряжения

Трансформаторы напряжения характеризуются номинальными значениями первичного напряжения, вторичного напряжения (обычно 100 В), коэффициента трансформации К=U1ном/U2ном. В зависимости от погрешности различают следующие классы точности трансформаторов напряжения: 0,2;0,5; 1:3.

Нагрузка трансформаторов напряжения

Вторичная нагрузка трансформатора напряжения—это мощность внешней вторичной цепи. Под номинальной вторичной нагрузкой понимают наибольшую нагрузку, при которой погрешность не выходит за допустимые пределы, установленные для трансформаторов данного класса точности.

Конструкции трансформаторов напряжения

В установках напряжением до 18 кВ применяются трехфазные и однофазные трансформаторы, при более высоких напряжениях — только однофазные. При напряжениях до 20 кВ имеется большое число типов трансформаторов напряжения: сухие (НОС), масляные (НОМ, ЗНОМ, НТМИ, НТМК), с литой изоляцией (ЗНОЛ). Следует отличать однофазные двухобмоточные трансформаторы НОМ от однофазных трехобмоточных трансформаторов ЗНОМ. Трансформаторы типов ЗНОМ-15, -20 -24 и ЗНОЛ-06 устанавливаются в комплектных токопроводах мощных генераторов. В установках напряжением 110 кВ и выше применяют трансформаторы напряжения каскадного типа НКФ и емкостные делители напряжения НДЕ.

Схемы включения трансформаторов напряжения

В зависимости от назначения могут применяться разные схемы включения трансформаторов напряжения. Два однофазных трансформатора напряжения, соединенные в неполный треугольник, позволяют измерять два линейных напряжения. Целесообразна такая схема для подключения счетчиков и ваттметров. Для измерения линейных и фазных напряжений могут быть использованы три однофазных трансформатора (ЗНОМ, ЗНОЛ), соединенные по схеме «звезда — звезда», или трехфазный типа НТМИ. Так же соединяются в трехфазную группу однофазные трехобмоточные трансформаторы типа ЗНОМ и НКФ.

Присоединение расчетных счетчиков к трехфазным трансформаторам напряжения не рекомендуется, т.к. они имеют, обычно, несимметричную магнитную систему и увеличенную погрешность. Для этой цели желательно устанавливать группу из двух однофазных трансформаторов соединенных в неполный треугольник.

Трансформаторы напряжения выбирают по условиям Uуст ≤U1ном, S2≤ S2ном в намечаемом классе точности. За S2ном принимают мощность всех трех фаз однофазных трансформаторов напряжения, соединенных по схеме звезды, и удвоенную мощность однофазного трансформатора, включенного по, схеме неполного треугольника.

Трансформаторы тока и напряжения

Перед тем, как рассказать об измерительных трансформаторах – немного теории. Трансформатор – элемент электрической цепи, преобразующий величину переменного напряжения. Трансформаторы могут быть:

• понижающими, выдающие на выходе меньшее напряжение, чем на входе;
• повышающими, выполняющие противоположное преобразование;
• разделительные, не изменяющие величину напряжения, применяющиеся для гальванической развязки между участками электрической сети.

Повышающие и понижающие трансформаторы обратимы: если подать номинальное выходное напряжение трансформатора на его вторичную обмотку, на первичной мы получим номинальное входное напряжение.

С токами в обмотках происходит обратная картина. Первичная обмотка рассчитывается на ток, соответствующий номинальной мощности трансформатора. Под мощность выбирается и сечение магнитопровода, и диаметр обмоточного провода первичной обмотки.

Ток вторичной обмотки понижающего трансформатора может быть больше тока в первичной во столько раз, во сколько меньше ее напряжение. Это отношение называется коэффициентом трансформации. Поэтому сечение обмоточного провода вторичной обмотки у понижающего трансформатора больше. У понижающего – все наоборот. У разделительного – все одинаково.

Зачем нужны измерительные трансформаторы напряжения

В электроустановках до 1000 В измерение напряжения производят, подключая вольтметры непосредственно к шинам или другим контролируемым участкам сети. Но в сетях 6 кВ и выше это невозможно, потому что:

• при измерении высокого напряжения требуется понизить его величину до размера, воспринимаемого рамкой стрелочного прибора или электронным преобразователем цифрового. Резистивные делители не выполнят задачу с требуемой точностью, а применение понижающего трансформатора сделает прибор громоздким;
• изоляция проводников для подключения прибора должна выдерживать номинальное напряжение электроустановки. Кроме того, должны соблюдаться междуфазные расстояния, требуемые ПУЭ. Выполнить это невозможно.

Трансформатор напряжения НОЛ

Поэтому для измерений величину напряжения понижают, и для этого нужен трансформатор напряжения

Трансформаторы напряжения и их конструкция

На какое бы напряжение не была рассчитана первичная обмотка трансформатора напряжения, напряжение на вторичной его обмотке стандартно – 100 В. Это сделано для унификации: счетчику электроэнергии без разницы, в какой электроустановке работать – 6 кВ, 10 кВ или более. Если он предназначен для эксплуатации с трансформаторами напряжения, в его технических характеристиках в графе «номинальное напряжение» указано: «3х100 В». Цифра «3» означает, что для измерений к нему подключаются три фазы.

Конструктивно трансформаторы напряжения выполняются:

• элемент преобразования одной фазы напряжения в своем корпусе, при трехфазном напряжении устанавливаются три таких трансформатора;
• один корпус содержит трансформатор для преобразования всех трех фаз.

Трехфазный трансформатор напряжения НАМИ

Первичные обмотки трехфазных трансформаторов соединяются в звезду.

Вторичных обмоток у трансформаторов напряжения несколько:

• обмотка для приборов учета, имеющая класс точности 0,5s;
• обмотка для измерительных приборов – класс точности 0,5;
• обмотка для устройств релейной защиты – класс 10Р;
• обмотка для разомкнутого треугольника – класс 10Р.

Класс точности имеет значение при учете и измерениях. Но есть еще один нюанс: измерительная обмотка трансформатора работает в заявленном классе точности, если не превышена допустимая нагрузка на нее. Поэтому, вместе с классом, на бирке трансформатора указывается допустимая мощность, превышать которую нельзя.

Трансформатор напряжения НОМ-10

Еще один фактор, изменяющий класс точности – сопротивление соединительных проводников. Если прибор учета или амперметр находится вдали от трансформатора напряжения и подключен контрольным кабелем с жилами недостаточного сечения, то значение напряжения на нем будет меньше, чем на трансформаторе.

Выводы вторичной обмотки трансформатора напряжения, используемого для коммерческого учета, закрывают крышкой и пломбируют.

Первичные обмотки трансформаторов напряжения защищают предохранителями. Для защиты вторичных обмоток раньше тоже применяли предохранители, но теперь их заменили автоматические выключатели.

А теперь – вспомним теорию в начале статьи. Основная опасность при работе на трансформаторах напряжения состоит в явлении обратной трансформации. Если по каким-то причинам на вторичную обмотку попадет напряжение 100 В, то первичная окажется под номинальным напряжением электроустановки. Работающие в ячейке люди окажутся под напряжением. Поэтому при выводе в ремонт трансформатора напряжения принимают меры. Исключающие обратную трансформацию.

Зачем нужны трансформаторы тока

Одна из причин, из-за которых в электроустановках выше 1000 В устанавливают трансформаторы тока – та же, что и для трансформаторов напряжения. Невозможно обеспечить изоляцию цепей для подключения приборов.

Но есть дополнительные факторы, вынуждающие использовать их и в электроустановках выше 1000 В:

• максимальный ток, на который рассчитаны электросчетчики прямого включения – 100 А. Токи выше 100 А требуется понизить.
• включение амперметров последовательно с нагрузкой снижает надежность электроснабжения;
• вольтметр подключается к шинам через предохранители или автоматический выключатель, выводы амперметра защитить невозможно. Ток короткого замыкания в амперметре равен току КЗ на шинах. Ошибки в эксплуатации приводят к тяжелым последствиям, а неисправности прибора выводят его из строя навсегда. Поэтому и требуется выполнить гальваническую развязку амперметра с сетью.
• Заменить амперметр прямого подключения можно, только отключив нагрузку.

Принцип действия и конструкция трансформаторов тока

Трансформатор тока тоже имеет первичную и вторичную обмотку. Но особенность его в том, что первичная обмотка имеет один или несколько витков, а в большинстве изделий представляет собой шину, проходящую через корпус трансформатора. Вариант – трансформаторы, не имеющие собственной первичной обмотки. Они надеваются на шину с измеряемым током или через них пропускается провод, жила кабеля.

Варианты конструктивного исполнения трансформаторов тока до 1000 В

Вторичная обмотка у трансформатора тока на напряжение до 1000 В одна, но у высоковольтных их – минимум две, но бывает и больше. Работает он аналогично повышающему трансформатору, поэтому – все, что сказано в начале статьи о соотношении токов в них для него справедливо.

Номинальный ток вторичной обмотки трансформатора тока всегда равен 5 А, на какой бы ток не была рассчитана первичная. Классы точности обмоток для подключения аппаратуры различаются так же, как и у трансформаторов напряжения.

Но вот подключить к трансформатору тока, используемому для учета электроэнергии, ничего больше не получится. По правилам, кроме счетчика, там не должно быть ничего. И если для аппаратов выше 1000 В это требование легко выполнить (один трансформатор имеет несколько обмоток), то для электроустановок до 1000 В при необходимости устанавливают по два трансформатора на одну фазу: один – для учета, другой – для всего остального (амперметры, ваттметры, устройства защиты, компенсация реактивной мощности). Выводы вторичной обмотки для коммерческого учета у всех трансформаторов закрываются крышкой и пломбируются.

Установка трансформаторов тока в ячейке выше 1000 В

Трансформатор тока должен работать в замкнутой на нагрузку или накоротко вторичной обмоткой. Иначе на ней наводится ЭДС далеко не безопасной величины как для людей, так и для электрооборудования. При обрыве во вторичных цепях можно получить смертельный удар током, даже проведя рукой рядом с клеммами амперметра или счетчика. А электронные схемы на входе приборов выйдут из строя под действием высокого напряжения.

Поэтому для замены амперметров и электросчетчиков в токовых цепях устанавливают специальные клеммы, на которых перед демонтажем прибора обмотку трансформатора закорачивают. Для приборов учета рядом устанавливают клеммы для отключения цепей напряжения. Это функции совмещены в специальном устройстве, называющимся «колодка клеммная измерительная». Для коммерческих цепей учета эти коробки пломбируются, для чего винт, крепящий ее крышку, имеет прорезь в головке (как у винтов крепления крышки корпуса электросчетчика).

Видео про трансформаторы тока

Почему нельзя размыкать вторичную обмотку трансформатора тока и зачем ее обязательно заземлять? Попутно вы узнаете о технических характеристиках и конструкции трансформаторов тока, особенностях их применения.

Трансформаторы тока и напряжения

Без электроснабжения невозможно представить нашу жизнь. Чтобы электрическая система работала без сбоев или не пришла в негодность из-за неисправности в кабеле или в силовом оборудовании, её параметры необходимо контролировать, замерять. Диагностика, заключающаяся в проведении электрических измерений, способна выявить причины сбоев и вовремя устранить их. Для этого применяются приборы, измеряющие величины токов, напряжений, мощности.

Но если в электроустановках с низким напряжением возможно подключение измерительных приборов напрямую, непосредственно к измеряемому узлу, то в высоковольтных цепях проблематично отследить параметры без применения измерительных трансформаторов. В электроустановках напряжение доходит до 750 кВ и выше, а токи устанавливаются в десятки килоампер и более. Для «прямого» измерения потребовались бы громоздкое и дорогое оборудование, а иногда измерения вообще не возможно было бы произвести. Также, при обслуживании приборов, напрямую подключенных к сети высокого напряжения, персонал подвергался бы опасности поражения током.

Измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН) способствуют расширению пределов измерений обычных измерительных устройств и одновременно изолируют их от цепей высокого напряжения. Измерительные трансформаторы создаются с высоким классом точности. Во время эксплуатации их метрологические характеристики подлежат первичной и периодической поверке на правильность работы.

Наиболее часто в сетях переменного тока применяются электромагнитные трансформаторы. Они состоят из магнитопровода, первичной и одной или нескольких вторичных обмоток. ТТ преобразовывает замеряемый высокий ток в малый, а ТН — измеряемое высшее напряжение в низшее. Измерительные трансформаторы включаются в цепи между высоковольтным оборудованием и контрольно-измерительными приборами: амперметрами, вольтметрами, ваттметрами, приборами релейной защиты, телемеханики и автоматики, счетчиками энергии.

Зачем нужны измерительные трансформаторы напряжения

Измерительные ТН относятся к преобразователям электрической энергии, которые:

• трансформируют напряжение участка сети или установки в напряжение приемлемой величины для осуществления измерений с помощью стандартных измерительных устройств, питания релейной защиты, устройств сигнализации, автоматики, телемеханики;
• изолируя вторичные приборы и цепи, защищают оборудование от высокого напряжения и персонал, имеющего доступ к обслуживанию электроустановок, от поражения током.

Подключение ТН к высоковольтной части электроустановки осуществляется соединением его первичной обмотки «в параллель» к цепи высокого напряжения. Номинал вторичных обмоток трансформатора напряжения составляет обычно 100 В. Так как сопротивление измерительных приборов, подключаемых к вторичной обмотке, велико, током можно пренебречь. Поэтому основной режим работы ТН подобен режиму холостого хода типового силового трансформатора.

Трансформаторы напряжения и их конструкция

Трансформаторы напряжения подразделяются:

• по числу фаз: на одно- и трехфазные;
• по числу вторичных обмоток: двухобмоточный ТН имеет одну вторичную обмотку, трехобмоточный — две: основную и дополнительную;
• по назначению вторичных обмоток: с основной вторичной обмоткой, с дополнительной, со специальной компенсационной — для контроля изоляции цепи;
• по особенностям исполнений — на трансформаторы защищенного типа, водозащищенного типа (защита от капель и влаги), герметичные, со встроенным предохранителем и с антирезонансной конструкцией;
• по принципу действия и особенностям конструкций: на каскадные, ёмкостные, заземляемые и не заземляемые.

У каскадного ТН первичная обмотка разделена на несколько поочередно соединенных секций, передача энергии от которых к вторичным обмоткам происходит посредством связующих и выравнивающих обмоток. У ёмкостного ТН в конструкции имеется ёмкостный делитель. Заземляемый однофазный ТН — устройство, у которого один конец первичной обмотки должен быть заземлен. У заземляемого трехфазного ТН должна быть заземлена нейтраль первичной обмотки. Все части первичной обмотки не заземляемого ТН изолированы от земли.

Зачем нужны трансформаторы тока

Трансформатор тока — базовый измерительный аппарат в электроэнергетике, применяемый для преобразования тока первичной сети во вторичный стандартный ток величиной 5 А или 1 А. Первичная обмотка соединяется непосредственно с цепью высокого напряжения последовательным способом подключения. Вторичная обмотка включается во вторичные цепи измерений, защиты и учета. 5А — часто встречающийся номинал вторичной обмотки.

Принцип действия и конструкция трансформаторов тока

Первичная обмотка ТТ включается в разрез линейного провода (последовательно с нагрузкой), в котором измеряется сила тока. Вторичная обмотка замкнута на измерительное устройство с малым сопротивлением. Поэтому, в отличие от силового трансформатора, для которого режим короткого замыкания является аварийным, нормальным режимом для измерительного ТТ являются условия, близкие к КЗ, так как сопротивление во вторичной цепи у него мало.

Через первичную обмотку, имеющую определённое количество витков, течет ток. Вокруг катушки наводится магнитный поток, который улавливается магнитопроводом. Пересекая перпендикулярно ориентированные витки вторичной обмотки, магнитный поток формирует электродвижущую силу. Под влиянием последней возникает ток, протекающий по катушке и нагрузке на выходе. Одновременно на зажимах вторичной цепи образуется падение напряжения.

По конструктиву и применению ТТ условно подразделяются на несколько разновидностей:

• Опорные монтируются на опорной плоскости.

• Проходные используются в качестве ввода и устанавливаются в металлических конструкциях, в проемах стен или потолков.

• Встраиваемые размещаются в полости оборудования: электрических выключателей, генераторов и других электроаппаратов и машин.

• Разъемные не имеют своей первичной обмотки. Их магнитопроводы из двух половинок, стягиваемых болтами, можно размыкать и закреплять вокруг проводников под током. Эти проводники исполняют роль первичных обмоток.

• Шинные изготавливаются тоже без первичных обмоток — их роль выполняют пропущенные сквозь окна магнитопроводов ТТ токоведущие шины распредустройств.

• Накладные надеваются сверху на проходной изолятор.

• Переносные предназначаются для лабораторных и контрольных измерений.

По выполнению первичной обмотки ТТ подразделяются на одновитковые и многовитковые, а по числу вторичных обмоток — на устройства с одной обмоткой и с несколькими вторичными обмотками (до четырёх, пяти). По числу ступеней трансформации — на одноступенчатые и каскадные.

К общей классификации трансформаторов обоих типов относятся: количество коэффициентов трансформации (однодиапазонные и многодиапазонные), критерии по материалу диэлектрика между первичной и вторичной обмотками и по материалу внешней изоляции — маслонаполненные, газонаполненные, сухие, с литой, фарфоровой и прессованной изоляцией, с вязкими заливочными компаундами, комбинированные бумажно-масляные. ТТ и ТН устанавливаются на открытом воздухе, в закрытых и в подземных установках, на морских и речных судах, внутри оболочек электроустановок и связываются контрольными проводами и кабелями с оборудованием вторичных цепей. По диапазону рабочего напряжения выделяют трансформаторы, функционирующие в устройствах до 1000 В и выше 1000 B. Трансформаторы также классифицируются по классу точности.

Видео про трансформаторы тока

Кратко о назначении трансформатора тока, составе и особенностях конструкции, о схеме и принципе работы. Почему нельзя допускать размыкание вторичных цепей трансформатора тока без предварительного их замыкания накоротко? Почему на напряжение выше 330 кВ изготавливаются ТТ каскадного типа? Об этом и об измерительном трансформаторе тока для подстанции 750 кВ вы узнаете из видео.

{SOURCE}

Обслуживание трансформаторов напряжения и их вторичных цепей

Общие сведения. Трансформаторы напряжения служат для преобразования высокого напряжения в низкое стандартных значений (100, 100/√3, 100/3 В), используемое для питания измерительных приборов и различных реле управления, защиты и автоматики. Они, так же как и трансформаторы тока, изолируют (отделяют) измерительные приборы и реле от высокого напряжения, обеспечивая безопасность их обслуживания.
По принципу устройства, схеме включения и особенностям работы электромагнитные трансформаторы напряжения мало, чем отличаются от силовых трансформаторов. Однако по сравнению с последними мощность их не превышает десятков или сотен вольт-ампер. При малой мощности режим работы трансформаторов напряжения приближается к режиму холостого хода. Размыкание вторичной обмотки трансформатора напряжения не приводит к опасным последствиям.
На напряжении до 35 кВ трансформаторы напряжения, как правило, включаются через предохранители для того, чтобы при повреждении трансформатора напряжения он не стал причиной развития аварии. На напряжении 110 кВ и выше предохранители не устанавливаются, так как согласно имеющимся данным повреждения таких трансформаторов напряжения происходят редко.
Включение и отключение трансформаторов напряжения производятся разъединителями.
Для защиты трансформатора напряжения от тока короткого замыкания во вторичных цепях устанавливают съемные трубчатые предохранители или автоматические выключатели максимального тока . Предохранители устанавливают в том случае, если трансформатор напряжения не питает быстродействующих защит, так как эти защиты могут ложно подействовать при недостаточно быстром перегорании плавкой вставки. Установка же автоматических выключателей обеспечивает эффективное срабатывание специальных блокировок, выводящих из действия отдельные виды защит при обрыве цепей напряжения.
Для безопасного обслуживания вторичных цепей в случае пробоя изоляции и попадания высокого напряжения на вторичную обмотку один из зажимов вторичной обмотки или нулевая точка присоединяется к заземлению. В схемах соединения вторичных обмоток в звезду чаше заземляется не нулевая точка, а начало обмотки фазы b . Это объясняется стремлением сократить на 1/3 число переключающих контактов во вторичных цепях, так как заземленная фаза может подаваться на реле помимо рубильников и вспомогательных контактов разъединителей.

Рис. 4.1. Схемы трансформаторов напряжения типов НКФ-110 (а), НКФ-220 (б):
ВН — первичная обмотка; НН — вторичные обмотки; П — выравнивающие обмотки;
Р — связующие обмотки; М — магнитопровод; U ф — фазное напряжение

При использовании трансформаторов напряжения для питания оперативных цепей переменного тока допускается заземление нулевой точки вторичных обмоток через пробивной предохранитель, что вызывается необходимостью повышения уровня изоляции оперативных цепей.
На время производства работ непосредственно на трансформаторе напряжения и его ошиновке правилами безопасности предписывается создание видимого разрыва не только со стороны ВН, но также и со стороны вторичных цепей, чтобы избежать появления напряжения на первичной обмотке за счет обратной трансформации напряжения от вторичных цепей, питающихся от какого-либо другого трансформатора напряжения. Для этого во вторичных цепях трансформатора напряжения устанавливаются рубильники или используются съемные предохранители. Отключение автоматических выключателей, а также разрыв вторичных цепей вспомогательными контактами разъединителей не обеспечивают видимого разрыва цепи и поэтому считаются недостаточными.

Особенности конструкции. На подстанциях находят применение как однофазные, так и трехфазные двух- и трехобмоточные трансформаторы напряжения. Это главным образом масляные трансформаторы напряжения, магнито-проводы и обмотки которых погружены в масло. Масляное заполнение бака или фарфорового корпуса предохраняет от увлажнения и изолирует обмотки от заземленных конструкций. Оно играет также роль охлаждающей среды.
В закрытых распределительных устройствах до 35 кВ успешно используются трансформаторы напряжения с литой эпоксидной изоляцией. Они обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с маслонаполненными при установке в комплектных распределительных устройствах.
На подстанциях 110-500 кВ применяются каскадные трансформаторы напряжения серии НКФ. В каскадном трансформаторе напряжения обмотка ВН делится на части, размещаемые на разных стержнях одного или нескольких магнитопроводов, что облегчает ее изоляцию. Так, у трансформатора напряжения типа НКФ-110 обмотка ВН разделена на две части (ступени), каждая из которых размещается на противоположных стержнях двухстержневого магнитопровода (рис. 4.1, а ). Магнитопровод соединен с серединой обмотки ВН и находится по отношению к земле под потенциалом U ф /2, благодаря чему обмотка ВН изолируется от магнитопровода только на U ф /2 , что существенно уменьшает размеры и массу трансформатора.
Ступенчатое исполнение усложняет конструкцию трансформатора. Появляется необходимость в дополнительных обмотках. Показанная на рис. 4.1 выравнивающая обмотка П предназначена для равномерного распределения мощности, потребляемой вторичными обмотками, по обеим ступеням.
Каскадные трансформаторы напряжения на 220 кВ и выше имеют два и более магнитопровода (рис. 4.1, б ). Число магнитопроводов обычно вдвое меньше числа ступеней каскада. Для передачи мощности с обмоток одного магнитопровода на обмотки другого служат связующие обмотки Р. Вторичные обмотки у трансформаторов напряжения серии НКФ располагаются вблизи заземляемого конца X обмотки ВН, имеющего наименьший потенциал относительно земли.

Рис. 4.2. Схема включения емкостного делителя напряжения типа НДЕ-500
Наряду с обычными электромагнитными трансформаторами напряжения для питания измерительных приборов и релейной защиты применяют емкостные делители напряжения. Они получили распространение на линиях электропередачи напряжением 500 кВ и выше. Принципиальная схема емкостного делителя напряжения типа НДЕ-500 приведена на рис 4.2. Напряжение между конденсаторами распределяется обратно пропорционально емкостям U 1 / U 2 = C 2 / C 1 , где C 1 и C 2 — емкости конденсаторов; U 1 и U 2 — напряжения на них. Подбором емкостей добиваются получения на нижнем конденсаторе С2 некоторой требуемой доли общего напряжения U ф . Если теперь к конденсатору С2 подключить понижающий трансформатор Т, то он будет выполнять те же функции, что и обычный трансформатор напряжения.
Емкостный делитель напряжения типа НДЕ-500 состоит из трех конденсаторов связи тина СМР-166/√3-0,014 и одного конденсатора отбора мощности тина ОМР-15-0,017. Первичная обмотка трансформатора Т рассчитана на напряжение 15кВ. Она имеет восемь ответвлений для регулирования напряжения. Заградитель L препятствует ответвлению токов высокой частоты в трансформатор Т во время работы высокочастотной связи, аппаратура которой подключается к конденсаторам через фильтр присоединения ФП. Реактор LR улучшает электрические свойства схемы при увеличении нагрузки. Балластный фильтр или резистор R служит для гашения феррорезонансных колебаний во вторичной цепи при внезапном отключении нагрузки.
Схемы включения. Однофазные и трехфазные трансформаторы напряжения включаются по схемам, приведенным на рис. 4.3. Два двухобмоточных трансформатора напряжения могут быть включены на междуфазное напряжение по схеме открытого треугольника (рис. 4.3, а). Схема обеспечивает получение симметричных линейных напряжений Uab , Ubc , Uca и применяется в установках 6-35 кВ. Вторичные цепи защищаются двухполюсным автоматическим выключателем SF , при срабатывании которого подается сигнал о разрыве цепей напряжения. Последовательно с автоматическим выключателем установлен двухполюсный рубильник S , создающий видимый разрыв вторичной цепи. По условиям безопасности на шинках вторичного напряжения заземлена фаза b . Рубильники и автоматические выключатели размещаются в шкафах вблизи трансформаторов напряжения.
Три однофазных двухобмоточных трансформатора напряжения могут быть соединены в трехфазную группу по схеме звезда-звезда с заземлением нейтралей обмоток ВН и НН (рис. 4.3, б ). Схема позволяет включать измерительные приборы и реле на линейные напряжения и напряжения фаз по отношению к земле. В частности, такая схема используется для включения вольтметров контроля изоляции в сетях напряжением до 35 кВ, работающих с изолированной нейтралью. Рассматриваемая схема не применяется для включения счетчиков электрической энергии из-за большой погрешности в напряжении трансформаторов напряжения, работающих в нормальном режиме под напряжением, в √3 раз меньшим номинального.
Вторичные цепи трансформаторов напряжения защищены трубчатыми предохранителями F во всех трех фазах, так как заземлена не фаза, а нейтраль вторичной обмотки.
Трехфазный трехстержневой двухобмоточный трансформатор напряжения типа НТМК, включенный по схеме на рис. 4.3, в , используется для измерения линейных и фазных напряжений в сетях 6-10 кВ. Однако он непригоден для измерения напряжения по отношению к земле, так как для этого необходимо заземление нейтрали первичных обмоток, а оно отсутствует.
На рис. 4.3, г показана схема включения трехфазного трехобмоточного трансформатора напряжения типа НТМИ, предназначенного для сетей 6-10 кВ, работающих с изолированной (или компенсированной) нейтралью. Трансформаторы напряжения типа НТМИ изготовляются групповыми, т.е. состоящими из трех однофазных трансформаторов. В эксплуатации находятся также трехфазные трехобмоточные трансформаторы напряжения старой серии, которые выпускались с бронестержневыми магнитопроводами (три стержня и два боковых ярма). Основные вторичные обмотки защищены трехполюсными автоматическими выключателями SF . Вспомогательные контакты автоматических выключателей используются для сигнализации о разрыве цепей напряжения и блокирования защит минимального напряжения и АРВ. Дополнительные вторичные обмотки, соединенные в разомкнутый треугольник, обычно служат для сигнализации о замыкании фазы на землю. К зажимам этой обмотки непосредственно подключаются только реле повышения напряжения, поэтому в этой цепи отсутствует рубильник. При необходимости провод от начала дополнительной обмотки ад может заводиться через четвертый нож рубильника S . Таким же образом соединяются в трехфазные группы и однофазные трехобмоточные трансформаторы напряжения 3НОМ в сетях 6-35кВ.

Рис. 4.3. Схемы включения однофазных и трехфазных трансформаторов напряжения

Переключение питания цепей напряжения с одного трансформатора напряжения на другой предусматривается на подстанциях, имеющих две секции или системы тип и более, а также при установке трансформаторов напряжения на вводах линий. Переключение может производиться вручную при помощи рубильников (ключей) или автоматически — вспомогательными контактами разъединителей либо контактами реле повторителей, управляемых в свою очередь вспомогательными контактами разъединителей или выключателей. Обычно переключаются сразу все цепи напряжения электрической цепи, и только иногда переключающие рубильники устанавливаются на панелях отдельных комплектов защит и автоматики.
На рис. 4.4 показаны возможные схемы переключения цепей напряжения на подстанциях с двойной системой шин.

Рис. 4.4. Принципиальные схемы переключения цепей напряжения с одного трансформатора напряжения TV 1 на другой TV 2:
а — схема первичных соединений; б — переключение при помощи рубильника; в — то же вспомогательными контактами разъединителей SA 1 и SA 2; г — то же контактами реле-повторителей КСС.1 и КСТ.1; д — включение реле-повторителей

Рис. 4.5. Схема включения трансформаторов напряжения типа НКФ на 110-330 кВ:
1 — обмотка первичная; 2 — обмотка основная; 3 — обмотка дополнительная; ФИП — фиксирующий измерительный прибор (индикатор повреждений)

Однофазные трансформаторы напряжения 110-330 кВ серии НКФ чаще включают по схеме, показанной на рис. 4.5. К сборным типам указанные трансформаторы напряжения присоединяются разъединителями без предохранителей. В цепях основной и дополнительной обмоток предусмотрены рубильники S 1 и S 2 для отключения трансформатора напряжения от шин вторичного напряжения при переводе питания их от другого трансформатора напряжения. От короткого замыкания вторичные цепи защищены тремя автоматическими выключателями SF 1, SF 2 и SF 3. В проводе от зажима на шине и (3 U 0 ) автомат не установлен, поскольку в нормальном режиме работы на зажимах дополнительной обмотки отсутствует рабочее напряжение. Исправность же цепей 3 U 0 периодически контролируется измерением напряжения небаланса. При исправной цепи измеряемое напряжение равно 1-3В, а при нарушении цепи показание вольтметра пропадает. Подключение прибора производится кратковременным нажатием кнопки. Шина и используется при проверках защит от замыканий на землю, получающих питание от цепи 3 U 0 .
Схемы включения трансформаторов напряжения 500 кВ и выше независимо от их типа (каскадные или с емкостным делителем) мало отличаются от рассмотренной. Нет отличий и в оперативном обслуживании вторичных цепей
Контроль исправности вторичных цепей основной обмотки в ряде случаев производится при помощи трех реле минимального напряжения, включенных на междуфазные напряжения. При отключении автоматического выключателя (сгорании предохранителя) эти реле подают сигнал о разрыве цепи. Более совершенным является контроль с использованием комплектного реле, подключаемого к шинам вторичного напряжения (рис. 4.6). Реле KV 1 включено на три фазы фильтра напряжения обратной последовательности ZV . Оно срабатывает при нарушении симметрии линейных напряжений (обрыв одной или двух фаз). При размыкании его контактов срабатывает реле KV 2, подающее сигнал о разрыве цепи напряжения. Реле KV 2 срабатывает также и при трехфазном (симметричном КЗ), когда реле KV 1 не работает. Таким образом, обеспечивается подача сигнала во всех случаях нарушения цепей напряжения со стороны как НН, так и ВН. Устройство действует с выдержкой времени, превышающей время отключения КЗ в сети ВН, чтобы исключить подачу ложного сигнала.

Рис. 4.6. Схема включения реле для контроля исправности цепей напряжения: ZV — фильтр напряжения обратной последовательности; KV 1, KV 2 — реле напряжения
Блокировка защит при повреждениях в цепях напряжения подает сигнал о появившейся неисправности и выводит из действия (блокирует) те защиты, которые могут при этом ложно сработать, лишившись напряжения. Напряжение исчезает полностью или искажается по значению и фазе при перегорании предохранителей, срабатывании автоматических выключателей или обрыве фаз. Устройства блокировок выпускаются промышленностью в виде комплектных реле, которыми снабжаются отдельные панели релейной защиты. На линиях дальних электропередач 500 кВ и выше трансформаторы напряжения устанавливаются непосредственно на вводе линии. Питание цепей напряжения реле и приборов каждой линии производится от подключенного к ней трансформатора напряжения.
На рис. 4.7 приведена схема первичных соединений подстанции 500 кВ и схема вторичных цепей трансформаторов напряжения TV 1- TV 3. В случае выхода из строя одного из трансформаторов напряжения (допустим, TV 1) возникает необходимость переключения питания обмоток реле и приборов линии W 1 от другого трансформатора напряжения. Для этого рубильник S 1 (или S 2 ) поочередно ставят в положение «Другие Т V «, а рубильниками S3 (или S 4) соответственно подают питание от трансформатора напряжения TV 2 или TV 3 .Очередность переключения рубильников определяется местными инструкциями, так как это связано с обеспечением надежности работы блокировок линейных защит. Одновременное отключение рубильников S 1 и S 2 (основной и дополнительной обмоток) может привести к отказу некоторых видов блокировок и ложному отключению линии.

Рис. 4.7. Переключение цепей напряжения с одного трансформатора напряжения Т V 1,
подключенного к линии W1, на другие (TV2 или Т V 3):
а — схема первичных соединений подстанции 500 кВ; б — схема цепей напряжения линии

Обслуживание трансформаторов напряжения и их вторичных цепей оперативным персоналом заключается в надзоре за работой самих трансформаторов напряжения и контроле за исправностью цепей вторичного напряжения. Надзор за работой производится во время осмотров оборудования, при этом обращают внимание на общее состояние трансформаторов напряжения: наличие в них масла, отсутствие течей и состояние резиновых прокладок, отсутствие разрядов и треска внутри трансформаторов напряжения, отсутствие следов перекрытий на поверхности изоляторов и фарфоровых покрышек, степень загрязненности изоляторов, отсутствие трещин и сколов изоляции, а также состояние армировочных швов. При обнаружении трещин в фарфоре трансформатор напряжения должен быть отключен и подвергнут детальному осмотру и испытанию.
Трансформаторы напряжения 6-35 кВ с небольшим объемом масла не имеют расширителей и маслоуказателей. Масло в них не доливают до крышки на 20-30 мм. И это пространство над поверхностью масла выполняет роль расширителя. Обнаружение следов вытекания масла из таких трансформаторов напряжения требует срочного вывода их из работы, проверки уровня масла и устранения течи.
При осмотрах проверяют состояние уплотнений дверей шкафов вторичных соединений и отсутствие щелей, через которые может проникнуть снег, пыль и влага; осматривают рубильники, предохранители и автоматические выключатели, а также ряды зажимов.
В эксплуатации необходимо следить за тем, чтобы плавкие вставки предохранителей были правильно выбраны. Надежность действия предохранителей обеспечивается в том случае, если номинальный ток плавкой вставки меньше в 3-4 раза тока КЗ в наиболее отдаленной от трансформатора напряжения точке вторичных цепей. Ток КЗ должен измеряться при включении трансформатора напряжения в работу или определяться расчетом. Набор предохранителей на соответствующие токи должен всегда храниться в шкафах вторичных соединений.
На щитах управления и релейных щитах необходимо систематически контролировать наличие напряжения от трансформатора напряжения по вольтметрам и сигнальным устройствам (табло, сигнальные лампы, звонок). В нормальном режиме работы реле защиты и автоматики должны получать питание от трансформатора напряжения той системы шин, на которую включена данная электрическая цепь. При оперативных переключениях необходимо соблюдать установленную последовательность операций не только с аппаратами высокого напряжения, но и с вторичными цепями напряжения, чтобы не лишить напряжения устройства защиты и автоматики.
В случае исчезновения вторичного напряжения вследствие перегорания предохранителей НН их следует заменить, а отключившиеся автоматические выключатели включить, причем первыми должны восстанавливаться цепи основной обмотки, а потом дополнительной. Если эти операции окажутся неуспешными, должны приниматься меры к быстрейшему восстановлению питания защит и автоматики от другого трансформатора напряжения согласно указаниям местной инструкции.
К замене перегоревших предохранителей ВН приступают после выполнения необходимых в этом случае операций с устройствами тех защит, которые могут сработать на отключение электрической цепи. Без выяснения и устранения причины перегорания предохранителей ВН установка новых предохранителей не рекомендуется.

Применяются трехполюсные автоматические выключатели типа АП50-3М и двухполюсные типа АП50-2М с электромагнитным расцепителем на номинальные токи от 2,5 до 50 А, время отключения короткого замыкания t ср =0,017 с.

Трансформация на частоту напряжения — Энциклопедия по машиностроению XXL

Трансформация на частоту напряжения 54 9.  [c.465]

Если в распределительном фидере необходимо предусмотреть отвод, то для ослабления влияния входного сопротивления отвода на распределение напряжения вдоль фидера отвод подключают через высокочастотный трансформатор (рис. 12,8,6) с коэффициентом трансформации п 2,2. В этом случае входное сопротивление отвода примерно в пять раз превышает волновое сопротивление фидера и не влияет на его основные параметры. Конденсатор небольшой емкости обеспечивает Разрыв в диапазоне звуковых частот, вследствие чего сигналы первой программы имеют малое затухание. Если воздушная фидерная линия имеет кабельные вставки, то в связи с нарушением однородности возникает отраженная волна. Если кабельная вставка коротка, то ее можно рассматривать как включение конденсатора между проводами, что дополнительно вызывает увеличение затухания радиосигналов.  [c.386]

Первичная обмотка понижающего трансформатора присоединяется к источнику т. в. ч. Индуктор присоединяется к вторичной обмотке. Коэффициент трансформации подбирается таким образом, чтобы получить на индукторе необходимое напряжение. Промышленностью для частот 1000 — 10 000 гц выпускался трансформатор типа ВТО-500 мощностью 500 ква, первичная обмотка которого может иметь от 15 до 30 витков, вторичная — от 1 до 3 витков. Этот трансформатор нерегулируемый, коэффициент трансформации его устанавливается при изготовлении.  [c.95]

Измерение (проверку) коэффициента трансформации производят от источника переменного тока частотой 50 Гц при отсутствии зазора между сердечником и ярмом. На первичной обмотке устанавливают напряжение 60 В, на вторичной обмотке при этом должно быть на-  [c.166]

Частоту вращения тяговых двигателей на моторных вагонах переменного тока регулируют так же, как на моторных вагонах постоянного тока, т. е. путем изменения напряжения и ослабления возбуждения. Напряжение на тяговых двигателях регулируют ступенями путем изменения коэффициента трансформации силового трансформатора. Ступени подведенного к тяговым двигателям напряжения называются ступенями регулирования.  [c.188]

На рис. 8.19 приведена блок-схема инверторного источника питания для дуговой сварки. Переменное напряжение питающей сети поступает на низкочастотный выпрямитель НВ и после выпрямления преобразуется инвертором ИНВ в переменное напряжение повышенной частоты 1…20 кГц. Силовой трансформатор Т включен между инвертором и выходным неуправляемым высокочастотным выпрямителем ВВ. Трансформация осуществляется на повыщенной частоте, что позволяет существенно снизить размеры силового трансформатора. Формирование внешних характеристик и регулирование сварочного режима осуществляются системой управления блока обратных связей (БОС).  [c.148]

В настоящее время большое внимание уделяется миниатюризации источников питания. В этом направлении много сделано Ю. И. Коневым. Энергия, потребляемая от сети промышленной частоты, преобразуется полупроводниковыми преобразователями в промежуточную по-повышенной частоты 10…50 кГц. При таком методе построения выпрямительных блоков трансформация и последующая фильтрация напряжения производятся на повышенной частоте, что существенно уменьшает массу и габаритные размеры трансформаторов и фильтров.  [c.14]

Относительно высокое значение сопротивления излучения пьезоэлектрических кристаллов на практике неудобно тем, что оно требует подведения к кристаллу сравнительно высоких напряжений [см. выражение (118)]. При этом возрастают требования к изоляции как самого кристалла, так и питающей линии, что особенно неудобно, если линия реализуется в виде гибкого кабеля. Наряду с током возбуждения кристалла /д генератор высокой частоты нагружается еще и реактивным током обусловленным емкостями соединительной линии и самого кристалла. Для компенсации этого тока параллельно с кристаллом иногда включают соответствующую индуктивность. При этом генератор работает только на сопротивление излучения кристалла однако высокие требования к изоляции кристалла и линии не устраняются и в этом случае. До некоторой степени требования к изоляции можно уменьшить, помещая непосредственно у излучателя трансформатор высокой частоты (см., например, фиг. 104) или включая последовательно с кристаллом индуктивность. Это делает возможным согласование высокого сопротивления кристалла с генератором при низковольтной линии. По соображениям изоляции напряжение в линии иногда понижают настолько, что оно становится даже меньше, чем на колебательном контуре генератора. При этом, естественно, возникает необходимость большой трансформации напряжения у кристалла,  [c.125]

Выработанная электроэнергия многократно трансформируется сначала повышается напряжение для высоковольтной передачи на большое расстояние — до районной понизительной подстанции, затем для передачи с меньшим напряжением — от районной до заводской подстанции, затем снова трансформируется (до 380—500 в и более) и с этим напряжением подводится к электрическим печам. В зависимости от типа электрической печи возможна дополнительная трансформация электрической энергии при прямом нагреве устанавливается трансформатор, понижающий напряжение до 5—20 в и выше, при индукционном нагреве требуется преобразователь частоты, повышающий промышленную частоту тока с 50 до 2000 гц и более. При каждой трансформации теряется часть энергии в мощных 2—4%, в менее мощных 4—5%, в преобразователях частоты до 20—25%, в сетях до 10—15%. Общие электрические потери могут быть весьма большими. К- п. д. сети от электрического генератора до электротермической установки составляет величину порядка т сет 0,80 0,85.  [c.241]

Современные методы Ч. т. Наиболее широкое применение получили в современной радиотехнике методы Ч. т., основанные на использовании электронной лампы. Однако еще не изжили себя различные разновидности магнитных трафсорматоров частоты, широко использующихся гл. обр. в машинных передатчиках. Находят себе применение методы трансформации низких частот с помощью синхронного электродвигателя или фонического колеса. Представляют интерес также» методы Ч. т., основанные на использовании конденсаторов, диэлектрич. постоянная к-рых является функцией приложенного к обкладкам напряжения (сегнетова соль).  [c.410]

Ч. т. путем автопараметри ч е-ского возбуждения нелинейных систем (см. Резонанс, Резонанс параметрический). Сущность этого метода состоит в использовании колебательных систем, параметры к-рых зависят от амплитуды тока или напряжения и которые самовозбуждаются при воздействии на них внешней эдс Е sin n of (так называемые потенциально-автоколебательные системы). В этом случае в названной системе устанавливаются незатухающие колебания. Примером таких систем является невозбужденный регенератор. Т. о., воздействуя на систему, настроенную на частоту nf, частотой f, получаем требуемый эффект Ч. т. с требуемым коэф-том трансформации п (так называемый резонанс и-го рода). Практически же трансформировать частоту f с большим коэфициентом трансформации п пока еще чрезвычайно трудно. Ширина полосы настройки, в которой наступает самовозбуждение системы.  [c.410]

В области температур, где реологические свойства становятся существенными, обобщенная диаграмма интерпретируется через изоциклические кривые, образующиеся на основе не зависящих от времени нагружения мгновенных диаграмм циклического упругопластического деформирования, и изохронные, получаемые путем введения с целью отражения эффекта частоты и длительности нагружения функции общего времени деформирования, а для учета высокотемпературной выдержки под напряжением — функций, характерных для описания обычной ползучести, но с поцик-ловой трансформацией деформаций, накопленных в исходном нагружении. В последнем случае трактовка данных выполняется в форме гипотезы старения и по параметру времени выдержки для данного полуцикла нагружения, т. е. вводятся изохронные кривые длительного малоциклового нагружения.  [c.105]

В области температур, где реологические свойства становятся существенными, обобщенная диаграмма интерпретируется через изоциклические кривые, образующиеся на основе не зависящих от времени нагружения мгновенных диаграмм циклического упругопластического деформирования, и изохронные, получаемые путем введения с целью отражения эффекта частоты и длительности нагружения функции общего времени деформирования, а для учета высокотемпературной выдержки под напряжением — функций, характерных для описания обычной ползучести, но с поцикловой трансформацией деформаций, накопленных в исходном нагружении.  [c.54]

Использование современных пьезокерамических материалов позволяет добиться коэффициента трансформации по напряжению более 1000, что обеспечивает получение выходных напряжений до 10 кВ. Помимо режима трансформатора напряжений эти устройства, успешно применяются и как трансформаторы тока. Авторами работы [48] принята следующая классификация пьезотрансформаторов по рабочей частоте 1) низкочастотные — на резонансную частоту /рпромышленные частоты 1000, 400 и 50 Гц. В них используются низкочастотные пьезоэлементы, работаюш,ие на колебаниях изгиба, биморфные или многослойные, свободные или механически нагруженные для уменьшения рабочей частоты 2) среднечастотные — на диапазон /р=10—500 кГц, с однослойными или многослойными пьезоэлементами, работающими на продольных акустических колебаниях основной или высших мод 3) высокочастотные — на /р>500 кГц. В них используются тонкие пьезопластины на высших модах продольных акустических колебаний по ширине или многослойные конструкции, работающие на колебаниях вдоль толщины пьезоэлемента.  [c.142]

Трансформаторы. Аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения, но той же частоты называется трансформатором. Он представляет собой сердечник из мягкой стали, на котором намотаны две обмотки. Обмотка, к которой подводится напряжение, называется первичной, а обмотка, к которой подключаются потребители, — вторичной. Переменный ток, проходя по первичной обмотке, создает переменный магнитный поток, который во вторичной обмотке наводит ЭДС. Между числом витков и напряжениями обмоток существует следующая зависимость во сколько раз число витков первичной обмотки больше (или меньше) числа витков вторичной обмотки, во столько же раз напряжение первичной обмотки больше (или меньше) напряжения вторичной обмотки. Число, показывающее эту зависимость, называется коэффициентом трансформации. Трансформаторы, применяемые для понижения напряжения, называются понижающими. Коэф-  [c.34]

Низкочастотные или широкополосные трансформаторы предназначены дл трансформации напряжения переменного тока в диапазоие частот от единиц и даже долей герца до сотен килогерц. Они подразделяются на входные, междукаскадные и выходные. Широкополосность таких трансформаторов обеспечивается специальной конструкцией обмоток и сердечника.  [c.380]

При практич. выполнении однофазного А., обмотки к-рого располагаются на двух сердечниках, возможно двоякое выполнение соединений обмоток, как показано на фиг. 9 и 10. Каких-либо значительных преимуществ одна система перед другой не имеет. Следует только отметить, что при схеме на фиг. 10 напряжения относительно земли в обмотках распределены симметрично, что имеет вначение в некоторых случаях для А. высокого напряжения. Обмотки А. могут выполняться кан концентрическими (фиг. 2, а), так и дисковыми чередующимися (фиг. 2,6). Трехфазные А. могут выполняться соединенными в звезду (фиг. 11), треугольник (фиг. 12), открытый треугольник (фиг. 13) и зигзаг (фиг. 14). Наибольшее распространение имеет соединение в звезду, к-рое часто выполняется с выводом нулевой точки. А. высокого напряжения большой мощности с соединением обмоток в звезду с выведенной нулевой точкой снабжаются обычно специальной обмоткой, соединенной в тр-к (фиг. 15). Назначение этой обмотки — компенсация потоков тройной частоты, возникающих при соединении питающей обмотки в звезду, и уменьшение искажения трехфазной системы при нагрузке А. токами нулевой последовательности. С помощью Л. возможна также трансформация трехфазного напряукения в двухфазное и наоборот.  [c.175]

Группа стандартов устанавливает методы испытания трансформаторов питания, согласующих трансформаторов, дросселей фильтров выпрямителей, а именно ГОСТ 22765.4—79 — методы измерения коэффициента трансформации согласующих тра сфо1р1маторах непрерывных сигналов низкой частоты, ГОСТ 22765.5—80 — методы измерения асимметрии обмоток по напряжению в тех же трансформаторах, ГОСТ 22765.6—80 — методы измерения температуры пере—трева 1в трансформаторах питания на напряжение до 1000 В и дросселях фильтров вьшрямителей низкочастотных, 22765.7—80 — методы измерения индуктивности в трансформаторах малой мощности и дросселях фильтров выпрямителей низкочастотных, 22765.8—82 — метод измерения коэффициента нелинейных искажений в согласующих трансформаторах непрерывных сигналов низкой частоты и т. д.  [c.9]

В рассматриваемой схеме уровнемера приняты следующие обозначения Г — генератор синусоидальных колебаний с усилителем мощности и элементом сравнения, питающий мостовую измерительную схему стабилизированным напряжением 1/,. частотой 50 кГц ТрЗ—входной трансформатор усилителя ФД—фазовый детектор ПУОС— преобразовательное устройство обратной связи Д — детектор ВП — вторичный прибор 1/ = /У, = — напряжение на обмотках 1—2 и 2—3 трансформатора Тр1 и. = /7о.с% — напряжение на обмотке 6—7 трансформатора Тр2 выходное напряжение преобразовательного устройства обратной связи 1— коэффициент трансформации обмотки 6—7 трансформатора Тр2 — напряжение на обмотке 4—5 трансформатора Тр2 Кг — коэффициент трансформации обмотки 4—5 трансформатора Тр2.  [c.559]

На моторных вагонах электропоездов переменного тока ЭР9М и ЭР9Е применяется постоянное соединение тяговых двигателей, поэтому частоту вращения двигателей увеличивают путем повыщения выпрямленного напряжения t/g на зажимах тяговых двигателей. Повышение выпрямленного напряжения на коллекторах тяговых двигателей производят ступенями, изменяя коэффициент трансформации тягового трансформатора. Ступени подведенного к тяговым двигателям напряжения называют ступенями регулирования. Количество их зависит от принятых пределов колебаний тока при пуске электропоезда.  [c.272]

---

Способ блокировки от обратной трансформации и сигнализации о несанкционированной подаче напряжения на шины низкого напряжения трансформаторной подстанции и со стороны отходящих линий

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам блокировки при несанкционированной подаче напряжения на шины низкого напряжения трансформаторной подстанции. Технический результат заключается в повышении безопасности электрических сетей. Достигается за счёт определения, с применением логических устройств, отходящих от трансформаторной подстанции линий электропередачи низкого напряжения, в которые несанкционированно подано напряжение, и факта несанкционированной подачи напряжения на шины низкого напряжения трансформаторной подстанции, посредством отключения коммутационных аппаратов, отходящих от трансформаторной подстанции линий электропередачи низкого напряжения и вводного коммутационного аппарата на вводе низкого напряжения трансформаторной подстанции для исключения возможности обратной трансформации и несанкционированной подачи напряжения в сеть высокого напряжения, а также сигнализации и информирования персонала электросетевой организации о факте несанкционированной подачи напряжения в отходящие от трансформаторной подстанции линии электропередачи низкого напряжения или на шины низкого напряжения трансформаторной подстанции, предотвращения возможности попадания людей под напряжение. 1 ил.

 

Изобретение относится к области автоматики электрических сетей и предназначено для блокировки от обратной трансформации и сигнализации о несанкционированной подаче напряжения на шины низкого напряжения трансформаторной подстанции и со стороны отходящих линий.

Известен способ запрета автоматического включения резерва (АВР) на устойчивое трехфазное короткое замыкание на шинах подстанции, в котором при исчезновении всех трех линейных напряжений фиксируют появление тока короткого замыкания между вводным выключателем и выключателем АВР, при его отключении, обусловленном срабатыванием защиты, начинают отсчет времени бестоковой паузы АПВ вводного выключателя и, если в момент окончания отсчета снова появляется ток короткого замыкания, то подают сигнал на запрет срабатывания выключателя подстанционного АВР (патент РФ № 2173017, МПК Н02J 9/06, Н 02 J 13/00, опубл.27.08.2001 Бюл. № 24).

Недостатками известного способа является неприменимость его для блокировки от обратной трансформации и сигнализации о несанкционированной подаче напряжения на шины низкого напряжения трансформаторной подстанции и со стороны отходящих линий.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей способа за счёт блокировки от обратной трансформации и сигнализации о несанкционированной подаче напряжения на шины низкого напряжения трансформаторной подстанции и со стороны отходящих линий и повышение безопасности обслуживания электрических сетей за счёт определения, с применением логических устройств, отходящих от трансформаторной подстанции линий электропередачи низкого напряжения, в которые несанкционированно подано напряжение и факта несанкционированной подачи напряжения на шины низкого напряжения трансформаторной подстанции, посредством отключения коммутационных аппаратов отходящих от трансформаторной подстанции линий электропередачи низкого напряжения и вводного коммутационного аппарата на вводе низкого напряжения трансформаторной подстанции для исключения возможности обратной трансформации и несанкционированной подачи напряжения в сеть высокого напряжения, а также сигнализации и информирования персонала электросетевой организации о факте несанкционированной подачи напряжения в отходящие от трансформаторной подстанции линии электропередачи низкого напряжения или на шины низкого напряжения трансформаторной подстанции, предотвращении возможности попадания людей под напряжение.

В результате использования предлагаемого изобретения предотвращается, за счёт отключения коммутационных аппаратов отходящих от трансформаторной подстанции линий электропередачи низкого напряжения и вводного коммутационного аппарата на вводе низкого напряжения трансформаторной подстанции, а также сигнализации и информирования персонала электросетевой организации о факте несанкционированной подачи напряжения в отходящие от трансформаторной подстанции линии электропередачи низкого напряжения, развитие ситуации, при которой из-за напряжения, поданного несанкционированно в сеть с низкой стороны трансформаторной подстанции и посредством его трансформации на трансформаторной подстанции поданного и на высокую сторону трансформаторной подстанции и, соответственно, в линию электропередачи с высокой стороны, а также из-за несанкционированного наличия напряжения на линии электропередачи низкого напряжения, могут попасть под напряжение люди. Применение способа, таким образом, повышает безопасность электрических сетей.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе блокировки от обратной трансформации и сигнализации о несанкционированной подаче напряжения на шины низкого напряжения трансформаторной подстанции и со стороны отходящих линий, согласно изобретению, заключающемся в измерении напряжения на вводе подстанции, измеряют напряжение на вводе низкого напряжения трансформаторной подстанции между силовым трансформатором и вводным коммутационным аппаратом низкой стороны и напряжения в отходящих от трансформаторной подстанции линиях электропередачи низкого напряжения за коммутационными аппаратами каждой отходящей линии электропередачи со стороны потребителей данных линий, напряжение на шинах низкого напряжения трансформаторной подстанции между коммутационными аппаратами отходящих линий и вводным коммутационным аппаратом, фиксируют исчезновение напряжения на вводе низкого напряжения трансформаторной подстанции между силовым трансформатором и вводным коммутационным аппаратом низкой стороны и напряжения в отходящих от трансформаторной подстанции линиях электропередачи низкого напряжения за коммутационными аппаратами каждой отходящей линии электропередачи со стороны потребителей данных линий электропередачи, напряжения на шинах низкого напряжения трансформаторной подстанции между коммутационными аппаратами отходящих линий и вводным коммутационным аппаратом, отключают коммутационные аппараты в отходящих от трансформаторной подстанции линиях электропередачи низкого напряжения и коммутационный аппарат на вводе низкого напряжения, блокируя таким образом возможность обратной трансформации, контролируют наличие напряжения на вводе низкого напряжения трансформаторной подстанции между силовым трансформатором и вводным коммутационным аппаратом низкой стороны и напряжения в отходящих от трансформаторной подстанции линиях электропередачи низкого напряжения за коммутационными аппаратами каждой отходящей линии электропередачи со стороны потребителей данных линий электропередачи и напряжение на шинах низкого напряжения трансформаторной подстанции между коммутационными аппаратами отходящих линий и вводным коммутационным аппаратом и, если оно появится со стороны какой-либо отходящей линии электропередачи со стороны потребителей данной линии электропередачи или на шинах низкого напряжения трансформаторной подстанции, при отсутствии его на вводе низкого напряжения трансформаторной подстанции между силовым трансформатором и вводным коммутационным аппаратом низкой стороны, то фиксируют факт несанкционированной подачи напряжения в данную линию электропередачи со стороны потребителей или факт несанкционированной подачи напряжения на шины низкого напряжения трансформаторной подстанции и в этом случае сигнализируют о факте несанкционированной подачи напряжения в отходящие от трансформаторной подстанции линии электропередачи низкого напряжения со стороны потребителей с указанием конкретной линии, в которую подано напряжение, или о факте несанкционированной подачи напряжения на шины низкого напряжения трансформаторной подстанции, посредством передачи информации диспетчеру сети и отображения информации на месте.

Сущность предлагаемого способа пояснена чертежом, согласно которому: Т1 – силовой трансформатор; КА2 – вводной коммутационный аппарат с высокой стороны трансформаторной подстанции; КА3 – вводной коммутационный аппарат с низкой стороны трансформаторной подстанции; КА4 – коммутационный аппарат отходящей линии низкого напряжения; КА5 – коммутационный аппарат отходящей линии низкого напряжения; ДНН6 – датчик наличия напряжения; ДНН7 – датчик наличия напряжения; НЕ8 – элемент, реализующий логическую функцию НЕ; И-НЕ9 – элемент, реализующий логическую функцию И-НЕ; И10 — элемент, реализующий логическую функцию И; Память 11 – запоминающий элемент; НЕ12 – элемент, реализующий логическую функцию НЕ; И13- элемент, реализующий логическую функцию И; Память 14 – запоминающий элемент; ПД и ОИ15 – устройство передачи данных и отображения информации на месте; УОКА 16 – устройство отключения коммутационного аппарата; И-НЕ19 – элемент, реализующий логическую функцию И-НЕ; И20 — элемент, реализующий логическую функцию И; Память 21 – запоминающий элемент; НЕ22 – элемент, реализующий логическую функцию НЕ; И23- элемент, реализующий логическую функцию И; Память 24 – запоминающий элемент; ПД и ОИ25 – устройство передачи данных и отображения информации на месте; УОКА 26 – устройство отключения коммутационного аппарата; ЛЭП27 – отходящая линия электропередачи низкого напряжения; ЛЭП28 – отходящая линия электропередачи низкого напряжения; ДНН29 – датчик наличия напряжения; НЕ30 – элемент, реализующий логическую функцию НЕ; И-НЕ31 – элемент, реализующий логическую функцию И-НЕ; И32 — элемент, реализующий логическую функцию И; Память 33 – запоминающий элемент; НЕ34 – элемент, реализующий логическую функцию НЕ; И35- элемент, реализующий логическую функцию И; Память 36 – запоминающий элемент; ПД и ОИ37 – устройство передачи данных и отображения информации на месте; УОКА 38 – устройство отключения коммутационного аппарата.

Способ реализуется следующим образом. С помощью датчика наличия напряжения ДНН6 контролируют напряжение на вводе низкого напряжения трансформаторной подстанции между силовым трансформатором Т1 и вводным коммутационным аппаратом низкой стороны КА3, с помощью датчика наличия напряжения ДНН7 контролируют наличие напряжения на отходящей линии ЛЭП27 за коммутационным аппаратом данной линии КА 4, с помощью датчика наличия напряжения ДНН17 контролируют напряжение на отходящей линии ЛЭП28 за коммутационным аппаратом данной линии КА 5, с помощью датчика наличия напряжения ДНН29 контролируют напряжение на шинах низкого напряжения трансформаторной подстанции между коммутационными аппаратами отходящих линий КА4 и КА5 и вводным коммутационным аппаратом КА3. В нормальном режиме на выходах ДНН6, ДНН7, ДНН17 и ДНН29 присутствуют сигналы. С выхода ДНН6 сигналы подаются на входы элементов И-НЕ 9, И 10, И32, И20, И-НЕ19, НЕ22, НЕ12, НЕ34. С выхода ДНН7 сигналы подаются на входы элементов И13, И-НЕ9, НЕ8. С выхода ДНН17 сигналы подаются на входы элементов И23, И-НЕ19, НЕ18. С выхода ДНН29 сигналы подаются на входы элементов И35, И-НЕ31, НЕ30.

С выходов элементов И – НЕ 9, И 10, И 13, И20, И23, И-НЕ19, И-НЕ31, И32, И35 сигналы отсутствуют, схема не запускается.

При исчезновении напряжения на вводе низкого напряжения трансформаторной подстанции между силовым трансформатором Т1 и вводным коммутационным аппаратом низкой стороны КА3 и на отходящих линиях ЛЭП27 и ЛЭП 28, а также на шинах низкого напряжения трансформаторной подстанции, исчезают сигналы с выходов датчиков ДНН 6, ДНН 7, ДНН17, ДНН29 что приводит к появлению сигнала на выходах элементов И-НЕ 9, И-НЕ19, И-НЕ31. Эти сигналы запоминаются, соответственно, элементами Память 11, Память21 и Память33 и подаются на входы устройств отключения коммутационных аппаратов УОКА 16, УОКА26 и УОКА38, отключающих, соответственно в этом случае коммутационные аппараты КА 4, коммутирующий линию ЛЭП27, КА5, коммутирующий линию ЛЭП 28, КА3, коммутирующий ввод низкого напряжения трансформаторной подстанции. Таким образом блокируется возможность обратной трансформации, если напряжение будет подано с низкой стороны, то за счёт отключенного положения КА 4, КА5 и КА3 оно не может быть подано на силовой трансформатор Т1.

С помощью датчика наличия напряжения ДНН6 контролируют напряжение на вводе низкого напряжения трансформаторной подстанции между силовым трансформатором Т1 и вводным коммутационным аппаратом низкой стороны КА3, с помощью датчика наличия напряжения ДНН7 контролируют наличие напряжения на отходящей линии ЛЭП27 за коммутационным аппаратом данной линии КА 4. Если напряжение появится со стороны отходящей линий низкого напряжения ЛЭП27 и не появится на вводе низкого напряжения трансформаторной подстанции между силовым трансформатором и вводным коммутационным аппаратом низкой стороны, то появится и сигнал с датчика ДНН 7, который будет подан на один из входов элемента И 13 и не будет сигнала с датчика ДНН 6. Следовательно, на втором входе элемента И 13 будет присутствовать сигнал с элемента НЕ 12. В этом случае с выхода элемента И 13 сигнал будет подан на вход элемента Память 14, запомнен им и подан в устройство передачи данных и отображения информации ПДиОИ15. Будет реализована сигнализация о факте несанкционированной подачи напряжения в линию ЛЭП27 с помощью передачи информации диспетчеру сети и отображение информации на месте (звуковым, световым сигналом, или (и) выводится на монитор, отображается другим способом).

Возврат схемы в исходное состояние происходит при появлении напряжения на вводе низкого напряжения трансформаторной подстанции между силовым трансформатором Т1 и вводным коммутационным аппаратом низкой стороны КА3 и отсутствии напряжения со стороны отходящей линии ЛЭП27. В этом случае присутствует сигнал с выхода элемента ДНН 6 и отсутствует с выхода ДНН 7, следовательно, на оба входа элемента И 10 будут поданы сигналы, появится сигнал на его выходе и сбросит элементы Память 11 и Память 14, возвращая, таким образом, схему в исходное состояние.

В то же время с помощью датчика наличия напряжения ДНН6 контролируют напряжение на вводе низкого напряжения трансформаторной подстанции между силовым трансформатором Т1 и вводным коммутационным аппаратом низкой стороны КА3, с помощью датчика наличия напряжения ДНН17 контролируют наличие напряжения на отходящей линии ЛЭП28 за коммутационным аппаратом данной линии КА 5. Если напряжение появится со стороны отходящей линий низкого напряжения ЛЭП28 и не появится на вводе низкого напряжения трансформаторной подстанции между силовым трансформатором и вводным коммутационным аппаратом низкой стороны, то появится и сигнал с датчика ДНН17, который будет подан на один из входов элемента И 23 и не будет сигнала с датчика ДНН 6. Следовательно, на втором входе элемента И 23 будет присутствовать сигнал с элемента НЕ 22. В этом случае с выхода элемента И 23 сигнал будет подан на вход элемента Память 24, запомнен им и подан в устройство передачи данных и отображения информации ПДиОИ25. Будет реализована сигнализация о факте несанкционированной подачи напряжения в линию ЛЭП28 посредством передачи информации диспетчеру сети и отображение информации на месте (звуковым, световым сигналом, или (и) выводится на монитор, отображается другим способом).

Возврат схемы в исходное состояние происходит при появлении напряжения на вводе низкого напряжения трансформаторной подстанции между силовым трансформатором и вводным коммутационным аппаратом низкой стороны и отсутствии напряжения со стороны отходящей линии ЛЭП28. В этом случае присутствует сигнал с выхода элемента ДНН 6 и отсутствует с выхода ДНН17, следовательно, на оба входа элемента И 20 будут поданы сигналы, появится сигнал на его выходе и сбросит элементы Память 21 и Память 24, возвращая, таким образом, схему в исходное состояние.

В то же время с помощью датчика наличия напряжения ДНН6 контролируют напряжение на вводе низкого напряжения трансформаторной подстанции между силовым трансформатором и вводным коммутационным аппаратом низкой стороны, с помощью датчика наличия напряжения ДНН29 контролируют наличие напряжения на шинах низкого напряжения трансформаторной подстанции между коммутационными аппаратами отходящих линий КА4 и КА5 и вводным коммутационным аппаратом КА3. Если напряжение появится на вводе низкого напряжения трансформаторной подстанции между силовым трансформатором и вводным коммутационным аппаратом низкой стороны и не появится на вводе низкого напряжения трансформаторной подстанции между силовым трансформатором и вводным коммутационным аппаратом низкой стороны, то появится и сигнал с датчика ДНН29, который будет подан на один из входов элемента И 35 и не будет сигнала с датчика ДНН 6. Следовательно, на втором входе элемента И 35 будет присутствовать сигнал с элемента НЕ 34. В этом случае с выхода элемента И 35 сигнал будет подан на вход элемента Память 36, запомнен им и подан в устройство передачи данных и отображения информации ПДиОИ37. Будет реализована сигнализация о факте несанкционированной подачи напряжения на шины низкого напряжения трансформаторной подстанции посредством передачи информации диспетчеру сети и отображение информации на месте (звуковым, световым сигналом, или (и) выводится на монитор, отображается другим способом).

Возврат схемы в исходное состояние происходит при появлении напряжения на вводе низкого напряжения трансформаторной подстанции между силовым трансформатором и вводным коммутационным аппаратом низкой стороны и отсутствии напряжения со стороны шин низкого напряжения трансформаторной подстанции. В этом случае присутствует сигнал с выхода элемента ДНН 6 и отсутствует с выхода ДНН29, следовательно, на оба входа элемента И 32 будут поданы сигналы, появится сигнал на его выходе и сбросит элементы Память 33 и Память 36, возвращая, таким образом, схему в исходное состояние.

Применение предлагаемого способа предотвращает, за счёт отключения коммутационных аппаратов отходящих от трансформаторной подстанции линий электропередачи низкого напряжения, вводного коммутационного аппарата со стороны низкого напряжения, для исключения возможности обратной трансформации и несанкционированной подачи напряжения в сеть высокого напряжения, а также сигнализации и информирования персонала электросетевой организации о факте несанкционированной подачи напряжения в отходящие от трансформаторной подстанции линии электропередачи низкого напряжения и на шины низкого напряжения трансформаторной подстанции, развитие ситуации, при которой из-за напряжения, поданного несанкционированно в отходящие от трансформаторной подстанции линии электропередачи низкого напряжения или на шины низкого напряжения, посредством его трансформации силовым трансформатором, поданного и на высокую сторону трансформаторной подстанции и, соответственно, в электрическую сеть с высокой стороны, а также из-за несанкционированного наличия напряжения на линии электропередачи низкого напряжения или на шины низкого напряжения трансформаторной подстанции, могут попасть под напряжение люди. Применение способа, таким образом, повышает безопасность электрических сетей.

Способ блокировки от обратной трансформации и сигнализации о несанкционированной подаче напряжения на шины низкого напряжения трансформаторной подстанции и со стороны отходящих линий, заключающийся в измерении напряжения на вводе подстанции, отличающийся тем, что измеряют напряжение на вводе низкого напряжения трансформаторной подстанции между силовым трансформатором и вводным коммутационным аппаратом низкой стороны и напряжения в отходящих от трансформаторной подстанции линиях электропередачи низкого напряжения за коммутационными аппаратами каждой отходящей линии электропередачи со стороны потребителей данных линий, напряжение на шинах низкого напряжения трансформаторной подстанции между коммутационными аппаратами отходящих линий и вводным коммутационным аппаратом, фиксируют исчезновение напряжения на вводе низкого напряжения трансформаторной подстанции между силовым трансформатором и вводным коммутационным аппаратом низкой стороны и напряжения в отходящих от трансформаторной подстанции линиях электропередачи низкого напряжения за коммутационными аппаратами каждой отходящей линии электропередачи со стороны потребителей данных линий электропередачи, напряжения на шинах низкого напряжения трансформаторной подстанции между коммутационными аппаратами отходящих линий и вводным коммутационным аппаратом, отключают коммутационные аппараты в отходящих от трансформаторной подстанции линиях электропередачи низкого напряжения и коммутационный аппарат на вводе низкого напряжения, блокируя таким образом возможность обратной трансформации, контролируют наличие напряжения на вводе низкого напряжения трансформаторной подстанции между силовым трансформатором и вводным коммутационным аппаратом низкой стороны и напряжения в отходящих от трансформаторной подстанции линиях электропередачи низкого напряжения за коммутационными аппаратами каждой отходящей линии электропередачи со стороны потребителей данных линий электропередачи и напряжение на шинах низкого напряжения трансформаторной подстанции между коммутационными аппаратами отходящих линий и вводным коммутационным аппаратом и, если оно появится со стороны какой-либо отходящей линии электропередачи со стороны потребителей данной линии электропередачи или на шинах низкого напряжения трансформаторной подстанции, при отсутствии его на вводе низкого напряжения трансформаторной подстанции между силовым трансформатором и вводным коммутационным аппаратом низкой стороны, то фиксируют факт несанкционированной подачи напряжения в данную линию электропередачи со стороны потребителей или факт несанкционированной подачи напряжения на шины низкого напряжения трансформаторной подстанции и в этом случае сигнализируют о факте несанкционированной подачи напряжения в отходящие от трансформаторной подстанции линии электропередачи низкого напряжения со стороны потребителей с указанием конкретной линии, в которую подано напряжение, или о факте несанкционированной подачи напряжения на шины низкого напряжения трансформаторной подстанции, посредством передачи информации диспетчеру сети и отображения информации на месте.

Передвижные КТП 10/0.4 на шасси и салазках / Описание

Передвижные КТП на шасси рассчитаны для принятия электроэнергии переменного тока с промышленной частотой 50 ГЦ, электрическим напряжением от 6 до 10 киловольт и трансформации ее в электроэнергию электротока с напряжением 0,4 киловольт. Передвижные КТП с параметрами входного и выходного напряжения 10/0,4 предназначены для обеспечения электропотребителей на рудных и угольных карьерах. Помимо этого такие трансформаторные подстанции могут использоваться при снабжении электроэнергией карьеров при разработке полезных ископаемых при помощи использования открытых методов добычи.

По своим параметрам эти передвижные трансформаторные станции полностью отвечают требованиям, которые предъявляются  к такого типа оборудованию ГОСТом 14695.

Установка и монтаж

Установки разрешается размещать на высоте до 1000 метров над океаном. Установки рассчитаны на функционирование при условии колебаний температуры окружающего воздуха в приделах от -45 до +40 градусов. Угол наклона при установке трансформаторной подстанции допускается до пяти градусов. При работе установки допускается загрязненность атмосферного воздуха пылевыми частицами до концентраций в 100 миллиграмм на один метр кубический. При эксплуатации оборудования допускается влажность не более 98%. Окружающая среда, в которой планируется эксплуатация подстанции, не должна содержать большое количество агрессивных испарений или газов, которые способны оказать негативное влияние на компоненты трансформаторной станции.

Силовой трансформаторный отсек монтируется на шасси. Оборудуются  подстанции кабельными или воздушными электросиловыми вводами. Установки приспособлены к функционированию в сети имеющей изолированную или заземленную нейтрали.

Комплектация и конструкция

В состав трансформаторной передвижной подстанции входят отсек высокого напряжения, отсек РУНН, трансформаторный отсек для установки силового трансформатора и башня для монтажа воздушного высоковольтного электросилового ввода. В случае если подстанция оснащается кабельным вводом, то в основании ВН имеются специальные изготовленные отверстия, рассчитанные на подключение высоковольтных кабельных силовых линий. Отделение силового трансформатора отделяется от отсеков НН и ВН специальными перегородками, изготовленными при помощи использования металла. Двери установки блокируются при помощи замков имеющих высокую секретность. Трансформаторный отсек оснащен дверью со специальными замками-блокираторами.

УВН комплектуется приводами разъединителей с ручным управлением. Разъединители оснащаются специальными ножами заземления. УВН в своем составе имеет высоковольтные предохранительные элементы. Основание отсека НН имеет два отверстия специально сделанных для проведения электрокабелей.

В случае исполнения подстанции с воздушным электросиловым вводом то подключение к линии электропередачи осуществляется посредством специального механического разъединителя, который монтируется на ближайшей к подстанции опоре ЛЭП. При исполнении подстанции с кабельными вводами и выводами транспортировка подстанции осуществляется только в собранном виде. При воздушном варианте вводов башня, предназначаемая для монтажа воздушных вводов, транспортируется отдельно от подстанции, и ее монтаж осуществляется в месте проведения монтажа оборудования.

Дополнительно

Оборудование заводами-производителями выпускается подготовленным для установки силовых трансформаторов с мощностями, варьирующими от 25 до 4000  кВА. Подстанции соответствуют требованиям, которые предъявляются к такому типу оборудования в соответствии с ГОСТами 14695-80 и 15163-96. Силовой трансформатор не входит в комплект поставки при стандартной комплектации.

Как использовать преобразования мощности для машинного обучения

Последнее обновление 28 августа 2020 г.

Алгоритмы машинного обучения, такие как линейная регрессия и гауссовский наивный байесовский алгоритм, предполагают, что числовые переменные имеют гауссовское распределение вероятностей.

Ваши данные могут не иметь гауссовского распределения, а вместо этого могут иметь гауссово-подобное распределение (например, почти гауссово, но с выбросами или перекосом) или совершенно другое распределение (например, экспоненциальное).

Таким образом, вы можете добиться лучшей производительности в широком диапазоне алгоритмов машинного обучения, преобразовав входные и / или выходные переменные в распределение Гаусса или более Гаусса.Преобразования мощности, такие как преобразование Бокса-Кокса и преобразование Йео-Джонсона, обеспечивают автоматический способ выполнения этих преобразований для ваших данных и представлены в библиотеке машинного обучения Python scikit-learn.

В этом руководстве вы узнаете, как использовать степенные преобразования в scikit-learn, чтобы сделать переменные более гауссовскими для моделирования.

После прохождения этого руководства вы будете знать:

• Многие алгоритмы машинного обучения предпочитают или лучше работают, когда числовые переменные имеют гауссовское распределение вероятностей.
• Преобразование мощности — это метод преобразования числовых входных или выходных переменных для получения гауссовского или более гауссовского распределения вероятностей.
• Как использовать PowerTransform в scikit-learn, чтобы использовать преобразования Бокса-Кокса и Йео-Джонсона при подготовке данных для прогнозного моделирования.

Начните свой проект с моей новой книги «Подготовка данных для машинного обучения», включая пошаговые руководства и файлы исходного кода Python для всех примеров.

Приступим.

Как использовать степенные преобразования с помощью scikit-learn
Фотография Яна Д. Китинга, некоторые права защищены.

Обзор учебного пособия

Это руководство разделено на пять частей; их:

1. Сделайте данные более гауссовыми
2. Преобразование мощности
3. Набор данных сонара
4. Преобразование Бокса-Кокса
5. Преобразование Йео-Джонсона

Сделайте данные более гауссовскими

Многие алгоритмы машинного обучения работают лучше, когда распределение переменных гауссово.

Напомним, что наблюдения для каждой переменной можно считать основанными на распределении вероятностей. Гауссово — это обычное распределение с уже знакомой формой колокола. Распределение настолько распространено, что его часто называют «нормальным , ».

Подробнее о распределении вероятностей по Гауссу см. В руководстве:

Некоторые алгоритмы, такие как линейная регрессия и логистическая регрессия, явно предполагают, что действительные переменные имеют гауссовское распределение.Другие нелинейные алгоритмы могут не иметь этого предположения, но часто работают лучше, когда переменные имеют гауссовское распределение.

Это применимо как к входным переменным с действительным знаком в случае задач классификации и регрессии, так и к целевым переменным с действительным знаком в случае задач регрессии.

Существуют методы подготовки данных, которые можно использовать для преобразования каждой переменной, чтобы сделать распределение гауссовым или, если не гауссовым, то более гауссовым.

Эти преобразования наиболее эффективны, когда распределение данных с самого начала почти гауссово и подвержено перекосу или выбросам.

Другой распространенной причиной преобразований является устранение асимметрии распределения. Неискаженное распределение — это примерно симметричное распределение. Это означает, что вероятность попасть по обе стороны от среднего значения распределения примерно равна

.

— стр. 31, Прикладное прогнозное моделирование, 2013 г.

Преобразования мощности относятся к классу методов, которые используют степенную функцию (например, логарифм или показатель степени), чтобы сделать распределение вероятностей переменной гауссовым или более гауссовым.

Подробнее о создании переменных по Гауссу см. В руководстве:

Хотите начать подготовку данных?

Пройдите бесплатный 7-дневный ускоренный курс по электронной почте (с образцом кода).

Нажмите, чтобы зарегистрироваться, а также получите бесплатную электронную версию курса в формате PDF.

Загрузите БЕСПЛАТНЫЙ мини-курс

Преобразование мощности

Преобразование мощности сделает распределение вероятностей переменной более гауссовым.

Это часто описывается как устранение перекоса в распределении, хотя в более общем плане описывается как стабилизация дисперсии распределения.

Логарифмическое преобразование — это конкретный пример семейства преобразований, известных как степенные преобразования. С точки зрения статистики, это преобразования, стабилизирующие дисперсию.

— стр. 23, Разработка функций для машинного обучения, 2018 г.

Мы можем применить преобразование мощности напрямую, вычислив логарифм или квадратный корень переменной, хотя это может быть, а может и не быть лучшим преобразованием мощности для данной переменной.

Замена данных логарифмом, квадратным корнем или обратным значением может помочь устранить перекос.

— стр. 31, Прикладное прогнозное моделирование, 2013 г.

Вместо этого мы можем использовать обобщенную версию преобразования, которая находит параметр ( лямбда, ), который наилучшим образом преобразует переменную в гауссовское распределение вероятностей.

Есть два популярных подхода для таких автоматических преобразований мощности; их:

• Преобразование Бокса-Кокса
• Преобразование Йео-Джонсона

Преобразованный набор обучающих данных затем можно передать в модель машинного обучения для изучения задачи прогнозного моделирования.

Гиперпараметр, часто называемый лямбда, используется для управления характером преобразования.

… статистические методы могут использоваться для эмпирической идентификации подходящего преобразования. Бокс и Кокс (1964) предлагают семейство преобразований, которые индексируются параметром, обозначенным как лямбда

.

— стр. 32, Прикладное прогнозное моделирование, 2013 г.

Ниже приведены некоторые общие значения лямбда

.

• лямбда = -1. является обратным преобразованием.
• Лямбда = -0,5 — это преобразование, обратное квадратному корню.
• лямбда = 0,0 — это логарифмическое преобразование.
• лямбда = 0,5 — это преобразование квадратного корня.
• лямбда = 1.0 — без преобразования.

Оптимальное значение этого гиперпараметра, используемого в преобразовании для каждой переменной, может быть сохранено и повторно использовано для преобразования новых данных в будущем идентичным образом, например, тестового набора данных или новых данных в будущем.

Эти преобразования мощности доступны в библиотеке машинного обучения Python scikit-learn через класс PowerTransformer.

Класс принимает аргумент с именем « method », который может иметь значение « yeo-johnson » или « box-cox » для предпочтительного метода. Он также автоматически стандартизирует данные после преобразования, что означает, что каждая переменная будет иметь нулевое среднее значение и единичную дисперсию. Это можно отключить, установив для аргумента « стандартизировать » значение Ложь .

Мы можем продемонстрировать PowerTransformer на небольшом рабочем примере. Мы можем сгенерировать выборку случайных гауссовых чисел и наложить перекос на распределение, вычислив показатель степени. Затем PowerTransformer можно использовать для автоматического устранения перекоса данных.

Полный пример приведен ниже.

# демонстрация степенного преобразования данных с перекосом из numpy import exp из numpy.random import randn из склеарна.предварительная обработка импорта PowerTransformer из matplotlib import pyplot # генерировать образец данных по Гауссу данные = randn (1000) # добавляем перекос в распределение данных данные = exp (данные) # гистограмма необработанных данных с перекосом pyplot.hist (данные, ячейки = 25) pyplot.show () # преобразовать данные в строки и столбцы data = data.reshape ((len (данные), 1)) # power преобразовать необработанные данные power = PowerTransformer (method = ‘yeo-johnson’, standardize = True) data_trans = мощность.fit_transform (данные) # гистограмма преобразованных данных pyplot.hist (data_trans, бункеры = 25) pyplot.show ()

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 140002 18 19 20

# демонстрация преобразования мощности для данных с перекосом из numpy import exp из numpy.random import randn from sklearn.preprocessing import PowerTransformer from matplotlib import pyplot # сгенерировать образец данных по Гауссу data = randn (1000) # добавить перекос к распределению данных data = exp (data) # гистограмма необработанных данных с перекосом pyplot.hist (data, bins = 25) pyplot.show () # преобразовать данные в строки и столбцы data = data.reshape ((len (data), 1)) # power преобразовать необработанные данные power = PowerTransformer (method = ‘yeo-johnson’, standardize = True) data_trans = power.fit_transform (data) # гистограмма преобразованных данных pyplot.hist (data_trans, bins = 25) pyplot.show ()

При выполнении примера сначала создается выборка из 1000 случайных значений Гаусса и добавляется перекос к набору данных.

Гистограмма создается из искаженного набора данных и четко показывает распределение, сдвинутое в крайнее левое положение.

Гистограмма искаженного гауссовского распределения

Затем используется PowerTransformer , чтобы сделать распределение данных более гауссовым и стандартизировать результат, центрируя значения на среднем значении 0 и стандартном отклонении 1.0.

Создается гистограмма данных преобразования, показывающая распределение данных более гауссовой формы.

Гистограмма искаженных гауссовских данных после степенного преобразования

В следующих разделах мы подробнее рассмотрим, как использовать эти два степенных преобразования в реальном наборе данных.

Теперь давайте представим набор данных.

Набор данных сонара

Набор данных сонара — это стандартный набор данных машинного обучения для двоичной классификации.

Он включает 60 входных данных с действительным знаком и целевую переменную 2-го класса.В наборе данных 208 примеров, и классы достаточно сбалансированы.

Базовый алгоритм классификации может достичь точности классификации около 53,4% с помощью повторной стратифицированной 10-кратной перекрестной проверки. Наивысшая производительность для этого набора данных составляет около 88 процентов при повторной стратифицированной 10-кратной перекрестной проверке.

Набор данных описывает отраженные от радара камни или моделируемые мины.

Подробнее о наборе данных можно узнать здесь:

Нет необходимости загружать набор данных; мы загрузим его автоматически из наших проработанных примеров.

Сначала загрузим и обобщим набор данных. Полный пример приведен ниже.

# загрузить и суммировать набор данных сонара из панд импортировать read_csv из pandas.plotting import scatter_matrix из matplotlib import pyplot # Загрузить набор данных url = «https://raw.githubusercontent.com/jbrownlee/Datasets/master/sonar.csv» набор данных = read_csv (url, header = None) # суммируем форму набора данных печать (dataset.shape) # суммируем каждую переменную печать (набор данных.описывать()) # гистограммы переменных dataset.hist () pyplot.show ()

# загрузить и суммировать набор данных сонара из pandas import read_csv from pandas.plotting import scatter_matrix from matplotlib import pyplot # Загрузить набор данных url = «https://jsuserrawtent.com» /Datasets/master/sonar.csv « dataset = read_csv (url, header = None) # обобщить форму набора данных print (dataset.shape) # суммировать каждую переменную print (dataset.describe ()) # гистограммы переменных dataset.hist () pyplot.show ()

При выполнении примера сначала обобщается форма загруженного набора данных.

Это подтверждает 60 входных переменных, одну выходную переменную и 208 строк данных.

Предоставляется статистическая сводка входных переменных, показывающая, что значения являются числовыми и находятся в диапазоне приблизительно от 0 до 1.

(208, 61) 0 1 2 … 57 58 59 счет 208.000000 208.000000 208.000000 … 208.000000 208.000000 208.000000 среднее 0,029164 0,038437 0,043832 … 0,007949 0,007941 0,006507 стандарт 0,022991 0,032960 0,038428 … 0,006470 0,006181 0,005031 мин 0,001500 0,000600 0,001500 … 0,000300 0,000100 0,000600 25% 0,013350 0.016450 0,018950 … 0,003600 0,003675 0,003100 50% 0,022800 0,030800 0,034300 … 0,005800 0,006400 0,005300 75% 0,035550 0,047950 0,057950 … 0,010350 0,010325 0,008525 макс 0,137100 0,233900 0,305900 … 0,044000 0,036400 0,043900 [8 строк x 60 столбцов]

(208, 61) 0 1 2 …57 58 59 счетчик 208.000000 208.000000 208.000000 … 208.000000 208.000000 208.000000 среднее значение 0,029164 0,038437 0,043832 … 0,007949 0,007941 0,006507 стандартное 0,022991 0,032960 0,038428 … 0,006470 0,006183000 0,000300 9000 0,000300 9000 0,0003 0,000 0,000600 25% 0,013350 0,016450 0,018950 … 0,003600 0,003675 0.003100 50% 0,022800 0,030800 0,034300 … 0,005800 0,006400 0,005300 75% 0,035550 0,047950 0,057950 … 0,010350 0,010325 0,008525 макс. 0,137100 0,233900 0,305900 … 0,044000 0,036400 0,043900 строк]

Наконец, для каждой входной переменной создается гистограмма.

Если мы проигнорируем беспорядок на графиках и сосредоточимся на самих гистограммах, мы увидим, что многие переменные имеют искаженное распределение.

Набор данных является хорошим кандидатом для использования степенного преобразования, чтобы сделать переменные более гауссовскими.

Гистограммы входных переменных для набора данных двоичной классификации сонара

Теперь давайте подберем и оценим модель машинного обучения на необработанном наборе данных.

Мы будем использовать алгоритм k-ближайшего соседа с гиперпараметрами по умолчанию и оценивать его с помощью многократной стратифицированной k-кратной перекрестной проверки. Полный пример приведен ниже.

# оценить knn на необработанном наборе данных сонара из среднего значения импорта из numpy import std из панд импортировать read_csv из склеарна.model_selection импорт cross_val_score из sklearn.model_selection import RepeatedStratifiedKFold from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier из sklearn.preprocessing import LabelEncoder из matplotlib import pyplot # загрузить набор данных url = «https://raw.githubusercontent.com/jbrownlee/Datasets/master/sonar.csv» набор данных = read_csv (url, header = None) data = dataset.values # разделить на столбцы ввода и вывода X, y = данные [:,: -1], данные [:, -1] # убедитесь, что входные данные являются числами с плавающей запятой, а выход — целочисленной меткой Х = Х.astype (‘float32’) y = LabelEncoder (). fit_transform (y.astype (‘str’)) # определить и настроить модель model = KNeighborsClassifier () # оценить модель cv = RepeatedStratifiedKFold (n_splits = 10, n_repeats = 3, random_state = 1) n_scores = cross_val_score (модель, X, y, оценка = ‘точность’, cv = cv, n_jobs = -1, error_score = ‘поднять’) # отчет о производительности модели print (‘Точность:% .3f (% .3f)’% (среднее (n_scores), std (n_scores)))

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 140002 14 18 19 20 21 22 23 24 25

# оценить knn в наборе сырых данных сонара из numpy import mean from numpy import std from pandas import read_csv from sklearn.model_selection import cross_val_score из sklearn.model_selection import RepeatedStratifiedKFold из sklearn.neighbours import KNeighborsClassifier из sklearn.preprocessing import LabelEncoder 000 из matplotlibase 000: загрузка из matplotlib .com / jbrownlee / Datasets / master / sonar.csv « dataset = read_csv (url, header = None) data = dataset.values ​​ # разделить на столбцы ввода и вывода X, y = data [: ,: -1], data [:, -1] # убедитесь, что входные данные являются числами с плавающей запятой, а выход — целочисленной меткой X = X.astype (‘float32’) y = LabelEncoder (). fit_transform (y.astype (‘str’)) # определение и настройка модели model = KNeighborsClassifier () # оценка модели cv = RepeatedStratifiedKFold (n_splits = 10, n_repeats = 3, random_state = 1) n_scores = cross_val_score (модель, X, y, scoring = ‘precision’, cv = cv, n_jobs = -1, error_score = ‘поднять’) # отчет о производительности модели print (‘Точность:% .3f (% .3f)’% (среднее (n_scores), std (n_scores)))

При выполнении примера оценивается модель KNN на необработанном наборе данных сонара.

Примечание : Ваши результаты могут отличаться из-за стохастической природы алгоритма или процедуры оценки или различий в числовой точности. Попробуйте запустить пример несколько раз и сравните средний результат.

Мы можем видеть, что модель достигла средней точности классификации около 79,7 процента, показывая, что у нее есть навыки (лучше, чем 53,4 процента) и что она находится в хорошем состоянии (88 процентов).

Теперь давайте рассмотрим степенное преобразование набора данных Бокса-Кокса.

Преобразование Бокса-Кокса

Преобразование Бокса-Кокса названо в честь двух авторов метода.

Это преобразование мощности, которое предполагает, что значения входной переменной, к которой оно применяется, являются строго положительными . Это означает, что 0 и отрицательные значения не поддерживаются.

Важно отметить, что процедура Бокса-Кокса может применяться только к строго положительным данным.

— стр.123, Разработка и выбор функций, 2019.

Мы можем применить преобразование Бокса-Кокса, используя класс PowerTransformer и задав аргументу « method » значение « box-cox ». После определения мы можем вызвать функцию fit_transform () и передать ее нашему набору данных, чтобы создать версию нашего набора данных с преобразованием Бокса-Кокса.

… pt = PowerTransformer (метод = ‘box-cox’) data = pt.fit_transform (данные)

… pt = PowerTransformer (method = ‘box-cox’) data = pt.fit_transform (data)

В нашем наборе данных нет отрицательных значений, но могут быть нулевые значения. Это может вызвать проблемы.

Давай все равно попробуем.

Полный пример создания преобразования Бокса-Кокса для набора данных сонара и построения гистограмм результатов приведен ниже.

# визуализируем преобразование box-cox для набора данных сонара из панд импортировать read_csv из панд импортировать DataFrame из панд.построение графика импорта scatter_matrix из sklearn.preprocessing import PowerTransformer из matplotlib import pyplot # Загрузить набор данных url = «https://raw.githubusercontent.com/jbrownlee/Datasets/master/sonar.csv» набор данных = read_csv (url, header = None) # получаем только числовые входные значения data = dataset.values ​​[:,: -1] # выполнить преобразование набора данных box-cox pt = PowerTransformer (метод = ‘box-cox’) data = pt.fit_transform (данные) # преобразовать массив обратно в фрейм данных набор данных = DataFrame (данные) # гистограммы переменных набор данных.hist () pyplot.show ()

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 140002 14 18 19

# визуализировать преобразование box-cox для набора данных сонара из pandas import read_csv from pandas import DataFrame from pandas.plotting import scatter_matrix from sklearn.preprocessing import PowerTransformer from matplotlib import pyplot # Загрузить набор данных url = «https://raw.githubusercontent.com/jbrownlee/Datasets/master/sonar.ua» = read_csv (url, header = None) # получить только числовые входные значения data = dataset.values ​​[:,: -1] # выполнить преобразование box-cox набора данных pt = PowerTransformer ( method = ‘box-cox’) данные = пт.fit_transform (data) # преобразовать массив обратно в фрейм данных dataset = DataFrame (data) # гистограммы переменных dataset.hist () pyplot.show ()

Выполнение примера приводит к следующей ошибке:

ValueError: преобразование Бокса-Кокса может применяться только к строго положительным данным

ValueError: преобразование Бокса-Кокса может применяться только к строго положительным данным

Как и ожидалось, мы не можем использовать преобразование для необработанных данных, потому что это не строго положительное значение .

Один из способов решения этой проблемы — сначала использовать преобразование MixMaxScaler для масштабирования данных до положительных значений, а затем применить преобразование.

Мы можем использовать объект Pipeline для последовательного применения обоих преобразований; например:

… # выполнить преобразование набора данных box-cox scaler = MinMaxScaler (диапазон_функций = (1, 2)) power = PowerTransformer (метод = ‘box-cox’) pipeline = Pipeline (steps = [(‘s’, scaler), (‘p’, power)]) данные = конвейер.fit_transform (данные)

… # выполнить преобразование набора данных box-cox scaler = MinMaxScaler (feature_range = (1, 2)) power = PowerTransformer (method = ‘box-cox’) pipeline = Pipeline (steps = [(‘s’, scaler), (‘p’, power)]) data = pipeline.fit_transform (data)

Обновленная версия применения преобразования Бокса-Кокса к масштабированному набору данных приведена ниже.

# визуализировать коробку-Кокс преобразование масштабированного набора данных сонара из панд импортировать read_csv из панд импортировать DataFrame из pandas.plotting import scatter_matrix из sklearn.preprocessing import PowerTransformer из sklearn.preprocessing import MinMaxScaler из sklearn.pipeline import Pipeline из matplotlib import pyplot # Загрузить набор данных url = «https://raw.githubusercontent.com/jbrownlee/Datasets/master/sonar.csv» набор данных = read_csv (url, header = None) # получаем только числовые входные значения данные = набор данных.значения [:,: -1] # выполнить преобразование набора данных box-cox scaler = MinMaxScaler (диапазон_функций = (1, 2)) power = PowerTransformer (метод = ‘box-cox’) pipeline = Pipeline (steps = [(‘s’, scaler), (‘p’, power)]) data = pipeline.fit_transform (данные) # преобразовать массив обратно в фрейм данных набор данных = DataFrame (данные) # гистограммы переменных dataset.hist () pyplot.show ()

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 140002 18 19 20 21 22 23

# визуализировать преобразование коробки-Кокса масштабированного набора данных сонара из pandas import read_csv from pandas import DataFrame from pandas.plotting import scatter_matrix from sklearn.preprocessing import PowerTransformer from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler from sklearn.pipeline import Pipeline from matplotlib import pyplot 9000serlib import pyplot 9000serlib import pyplot 9000serwraws = https://support.google.com/support/dataSetaset/ .com / jbrownlee / Datasets / master / sonar.csv « dataset = read_csv (url, header = None) # получить только числовые входные значения data = dataset.values ​​[:,: -1] # выполнить преобразование набора данных box-cox scaler = MinMaxScaler (feature_range = (1, 2)) power = PowerTransformer (method = ‘box-cox’) pipeline = Pipeline (steps = [(‘s ‘, scaler), (‘ p ‘, power)]) data = pipeline.fit_transform (data) # преобразовать массив обратно в фрейм данных dataset = DataFrame (data) # гистограммы переменных dataset.hist () pyplot.show ()

Выполнение примера преобразует набор данных и строит гистограммы для каждой входной переменной.

Мы видим, что форма гистограмм для каждой переменной выглядит более гауссовой, чем исходные данные.

Гистограммы входных переменных с преобразованием Бокса-Кокса для набора данных сонара

Затем давайте оценим ту же модель KNN, что и в предыдущем разделе, но в данном случае на преобразовании Бокс-Кокса масштабированного набора данных.

Полный пример приведен ниже.

# оценить knn на наборе данных сонара box-cox из среднего значения импорта из numpy import std из панд импортировать read_csv из sklearn.model_selection импорт cross_val_score из sklearn.model_selection import RepeatedStratifiedKFold from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier из sklearn.preprocessing import LabelEncoder из sklearn.preprocessing import PowerTransformer из склеарна.предварительная обработка импорта MinMaxScaler из sklearn.pipeline import Pipeline из matplotlib import pyplot # загрузить набор данных url = «https://raw.githubusercontent.com/jbrownlee/Datasets/master/sonar.csv» набор данных = read_csv (url, header = None) data = dataset.values # разделить на столбцы ввода и вывода X, y = данные [:,: -1], данные [:, -1] # убедитесь, что входные данные являются числами с плавающей запятой, а выход — целочисленной меткой X = X.astype (‘float32’) y = LabelEncoder (). fit_transform (y.astype (‘str’)) # определить конвейер scaler = MinMaxScaler (диапазон_функций = (1, 2)) power = PowerTransformer (метод = ‘box-cox’) model = KNeighborsClassifier () pipeline = Pipeline (steps = [(‘s’, scaler), (‘p’, power), (‘m’, model)]) # оценить конвейер cv = RepeatedStratifiedKFold (n_splits = 10, n_repeats = 3, random_state = 1) n_scores = cross_val_score (конвейер, X, y, оценка = ‘точность’, cv = cv, n_jobs = -1, error_score = ‘поднять’) # отчет о производительности конвейера print (‘Точность:%.3f (% .3f) ‘% (среднее (n_scores), std (n_scores)))

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 140002 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 31

# оценить knn в наборе данных сонара box-cox из numpy import mean from numpy import std from pandas import read_csv from sklearn.model_selection import cross_val_score из sklearn.model_selection import RepeatedStratifiedKFold из sklearn.neighbours import KNeighborsClassifier из sklearn.preprocessing import LabelEncoder from sklearn.preprocessing import 0002 from sklearn. Конвейер из matplotlib import pyplot # load dataset url = «https: // raw.githubusercontent.com/jbrownlee/Datasets/master/sonar.csv « набор данных = read_csv (url, header = None) data = dataset.values ​​ # разделить на столбцы ввода и вывода X, y = data [ :,: -1], data [:, -1] # убедитесь, что входные данные являются числами с плавающей запятой, а выход — целочисленными метками X = X.astype (‘float32’) y = LabelEncoder (). Fit_transform (y .astype (‘str’)) # определить конвейер scaler = MinMaxScaler (feature_range = (1, 2)) power = PowerTransformer (method = ‘box-cox’) model = KNeighborsClassifier () pipeline = Pipeline (steps = [(‘s’, scaler), (‘p’, power), (‘m’, model)]) # оценить конвейер cv = RepeatedStratifiedKFold (n_splits = 10, n_repeats = 3, random_state = 1) n_scores = cross_val_score (pipeline, X, y, scoring = ‘precision’, cv = cv, n_jobs = -1, error_score = ‘raise’) # отчет о производительности конвейера print ( ‘Точность: % .3f (% .3f) ‘% (среднее (n_scores), std (n_scores)))

Примечание : Ваши результаты могут отличаться из-за стохастической природы алгоритма или процедуры оценки или различий в числовой точности. Попробуйте запустить пример несколько раз и сравните средний результат.

Запустив этот пример, мы видим, что преобразование Бокса-Кокса приводит к повышению производительности с 79,7% точности без преобразования до примерно 81,1% с преобразованием.

Теперь давайте подробнее рассмотрим преобразование Йео-Джонсона.

Преобразование Йео-Джонсона

Преобразование Йео-Джонсона также названо в честь авторов.

В отличие от преобразования Бокса-Кокса, оно не требует, чтобы значения каждой входной переменной были строго положительными. Он поддерживает нулевые и отрицательные значения. Это означает, что мы можем применить его к нашему набору данных без предварительного масштабирования.

Мы можем применить преобразование, определив объект PowerTransform и установив для аргумента « method » значение « yeo-johnson » (по умолчанию).

… # выполнить преобразование Йео-Джонсона набора данных pt = PowerTransformer (метод = ‘yeo-johnson’) data = pt.fit_transform (данные)

… # выполнить преобразование yeo-johnson набора данных pt = PowerTransformer (method = ‘yeo-johnson’) data = pt.fit_transform (data)

Пример ниже применяет преобразование Йео-Джонсона и создает графики гистограммы для каждой из преобразованных переменных.

# визуализировать преобразование йо-джонсона набора данных сонара из панд импортировать read_csv из панд импортировать DataFrame из pandas.plotting import scatter_matrix из sklearn.preprocessing import PowerTransformer из matplotlib import pyplot # Загрузить набор данных url = «https://raw.githubusercontent.com/jbrownlee/Datasets/master/sonar.csv» набор данных = read_csv (url, header = None) # получаем только числовые входные значения данные = набор данных.значения [:,: -1] # выполнить преобразование Йео-Джонсона набора данных pt = PowerTransformer (метод = ‘yeo-johnson’) data = pt.fit_transform (данные) # преобразовать массив обратно в фрейм данных набор данных = DataFrame (данные) # гистограммы переменных dataset.hist () pyplot.show ()

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 140002 14 18 19

# визуализировать преобразование йо-джонсона набора данных сонара из pandas import read_csv from pandas import DataFrame from pandas.plotting import scatter_matrix from sklearn.preprocessing import PowerTransformer from matplotlib import pyplot # Загрузить набор данных url = «https://raw.githubusercontent.com/jbrownlee/Datasets/master/sonar.ua» = read_csv (url, header = None) # получить только числовые входные значения data = dataset.values ​​[:,: -1] # выполнить преобразование yeo-johnson набора данных pt = PowerTransformer ( method = ‘yeo-johnson’) data = pt.fit_transform (data) # преобразовать массив обратно в фрейм данных dataset = DataFrame (data) # гистограммы переменных dataset.hist () pyplot.show ()

Выполнение примера преобразует набор данных и строит гистограммы для каждой входной переменной.

Мы можем видеть, что форма гистограмм для каждой переменной выглядит более гауссовой, чем необработанные данные, во многом как преобразование бокс-Кокса.

Гистограммы преобразованных входных переменных Йео-Джонсона для набора данных сонара

Затем давайте оценим ту же модель KNN, что и в предыдущем разделе, но в данном случае на преобразовании Йео-Джонсона необработанного набора данных.

Полный пример приведен ниже.

# оценить knn на наборе данных сонара yeo-johnson из среднего значения импорта из numpy import std из панд импортировать read_csv из sklearn.model_selection импорт cross_val_score из sklearn.model_selection import RepeatedStratifiedKFold from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier из sklearn.preprocessing import LabelEncoder из sklearn.preprocessing import PowerTransformer из склеарна.предварительная обработка импорта MinMaxScaler из sklearn.pipeline import Pipeline из matplotlib import pyplot # загрузить набор данных url = «https://raw.githubusercontent.com/jbrownlee/Datasets/master/sonar.csv» набор данных = read_csv (url, header = None) data = dataset.values # разделить на столбцы ввода и вывода X, y = данные [:,: -1], данные [:, -1] # убедитесь, что входные данные являются числами с плавающей запятой, а выход — целочисленной меткой X = X.astype (‘float32’) y = LabelEncoder (). fit_transform (y.astype (‘str’)) # определить конвейер power = PowerTransformer (метод = ‘yeo-johnson’) model = KNeighborsClassifier () pipeline = Pipeline (steps = [(‘p’, power), (‘m’, model)]) # оценить конвейер cv = RepeatedStratifiedKFold (n_splits = 10, n_repeats = 3, random_state = 1) n_scores = cross_val_score (конвейер, X, y, оценка = ‘точность’, cv = cv, n_jobs = -1, error_score = ‘поднять’) # отчет о производительности конвейера print (‘Точность:%.3f (% .3f) ‘% (среднее (n_scores), std (n_scores)))

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 140002 14 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

# оценить knn в наборе данных сонара yeo-johnson из numpy import mean from numpy import std from pandas import read_csv from sklearn.model_selection import cross_val_score из sklearn.model_selection import RepeatedStratifiedKFold из sklearn.neighbours import KNeighborsClassifier из sklearn.preprocessing import LabelEncoder from sklearn.preprocessing import 0002 from sklearn. Конвейер из matplotlib import pyplot # load dataset url = «https: // raw.githubusercontent.com/jbrownlee/Datasets/master/sonar.csv « набор данных = read_csv (url, header = None) data = dataset.values ​​ # разделить на столбцы ввода и вывода X, y = data [ :,: -1], data [:, -1] # убедитесь, что входные данные являются числами с плавающей запятой, а выход — целочисленными метками X = X.astype (‘float32’) y = LabelEncoder (). Fit_transform (y .astype (‘str’)) # определить конвейер power = PowerTransformer (method = ‘yeo-johnson’) model = KNeighborsClassifier () pipeline = Pipeline (steps = [(‘p’, power ), (‘m’, model)]) # оценить конвейер cv = RepeatedStratifiedKFold (n_splits = 10, n_repeats = 3, random_state = 1) n_scores = cross_val_score (pipeline, X, y, scoring = ‘ точность ‘, cv = cv, n_jobs = -1, error_score =’ raise ‘) # отчет о производительности конвейера print (‘ Точность:%.3f (% .3f) ‘% (среднее (n_scores), std (n_scores)))

Примечание : Ваши результаты могут отличаться из-за стохастической природы алгоритма или процедуры оценки или различий в числовой точности. Попробуйте запустить пример несколько раз и сравните средний результат.

Выполняя этот пример, мы видим, что преобразование Йео-Джонсона приводит к повышению производительности с 79,7% точности без преобразования до примерно 80,8% с преобразованием, что меньше, чем преобразование Бокса-Кокса, которое достигло примерно 81.1 процент.

Иногда повышение производительности может быть достигнуто путем предварительной стандартизации необработанного набора данных перед выполнением преобразования Йео-Джонсона.

Мы можем изучить это, добавив StandardScaler в качестве первого шага в конвейер.

Полный пример приведен ниже.

# оценить knn на стандартизированном наборе данных сонара yeo-johnson из среднего значения импорта из numpy import std из панд импортировать read_csv из склеарна.model_selection импорт cross_val_score из sklearn.model_selection import RepeatedStratifiedKFold from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier из sklearn.preprocessing import LabelEncoder из sklearn.preprocessing import PowerTransformer из sklearn.preprocessing import StandardScaler из sklearn.pipeline import Pipeline из matplotlib import pyplot # загрузить набор данных url = «https://raw.githubusercontent.com/jbrownlee/Datasets/master/sonar.csv» набор данных = read_csv (url, header = None) данные = набор данных.значения # разделить на столбцы ввода и вывода X, y = данные [:,: -1], данные [:, -1] # убедитесь, что входные данные являются числами с плавающей запятой, а выход — целочисленной меткой X = X.astype (‘float32’) y = LabelEncoder (). fit_transform (y.astype (‘str’)) # определить конвейер scaler = StandardScaler () power = PowerTransformer (метод = ‘yeo-johnson’) model = KNeighborsClassifier () pipeline = Pipeline (steps = [(‘s’, scaler), (‘p’, power), (‘m’, model)]) # оценить конвейер cv = RepeatedStratifiedKFold (n_splits = 10, n_repeats = 3, random_state = 1) n_scores = cross_val_score (конвейер, X, y, оценка = ‘точность’, cv = cv, n_jobs = -1, error_score = ‘поднять’) # отчет о производительности конвейера print (‘Точность:%.3f (% .3f) ‘% (среднее (n_scores), std (n_scores)))

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 140002 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 31

# оценить knn на стандартизированном наборе данных сонара yeo-johnson из numpy import mean from numpy import std from pandas import read_csv from sklearn.model_selection import cross_val_score из sklearn.model_selection import RepeatedStratifiedKFold из sklearn.neighbours import KNeighborsClassifier из sklearn.preprocessing import LabelEncoder из sklearn.preprocessing import 0002 из sklearn.preprocessing import 000300030003000300030002 из sklearn.preprocessing import 00030003 Конвейер из matplotlib import pyplot # load dataset url = «https: // raw.githubusercontent.com/jbrownlee/Datasets/master/sonar.csv « набор данных = read_csv (url, header = None) data = dataset.values ​​ # разделить на столбцы ввода и вывода X, y = data [ :,: -1], data [:, -1] # убедитесь, что входные данные являются числами с плавающей запятой, а выход — целочисленными метками X = X.astype (‘float32’) y = LabelEncoder (). Fit_transform (y .astype (‘str’)) # определить конвейер scaler = StandardScaler () power = PowerTransformer (method = ‘yeo-johnson’) model = KNeighborsClassifier () pipeline = Pipeline (steps = [(‘s’, scaler), (‘p’, power), (‘m’, model)]) # оценить конвейер cv = RepeatedStratifiedKFold (n_splits = 10, n_repeats = 3, random_state = 1) n_scores = cross_val_score (pipeline, X, y, scoring = ‘precision’, cv = cv, n_jobs = -1, error_score = ‘raise’) # отчет о производительности конвейера print (‘Accuracy:%.3f (% .3f) ‘% (среднее (n_scores), std (n_scores)))

Примечание : Ваши результаты могут отличаться из-за стохастической природы алгоритма или процедуры оценки или различий в числовой точности. Попробуйте запустить пример несколько раз и сравните средний результат.

Запустив этот пример, мы видим, что стандартизация данных до преобразования Йео-Джонсона привела к небольшому увеличению производительности с 80,8% до примерно 81.6 процентов, что немного выше результатов преобразования Бокса-Кокса.

Дополнительная литература

Этот раздел предоставляет дополнительные ресурсы по теме, если вы хотите углубиться.

Учебники

Книги

Набор данных

API

Статьи

Сводка

В этом руководстве вы узнали, как использовать степенные преобразования в scikit-learn, чтобы сделать переменные более гауссовскими для моделирования.

В частности, вы выучили:

• Многие алгоритмы машинного обучения предпочитают или лучше работают, когда числовые переменные имеют гауссовское распределение вероятностей.
• Преобразование мощности — это метод преобразования числовых входных или выходных переменных для получения гауссовского или более гауссовского распределения вероятностей.
• Как использовать PowerTransform в scikit-learn, чтобы использовать преобразования Бокса-Кокса и Йео-Джонсона при подготовке данных для прогнозного моделирования.

Есть вопросы?
Задайте свои вопросы в комментариях ниже, и я постараюсь ответить.

Получите представление о современной подготовке данных!

Подготовьте данные машинного обучения за считанные минуты

…с всего несколькими строками кода Python

Узнайте, как это сделать, в моей новой электронной книге:
Подготовка данных для машинного обучения

Он предоставляет руководств для самообучения с полным рабочим кодом на:
Выбор функций , RFE , Очистка данных , Преобразования данных , Масштабирование , Снижение размерности , и многое другое …

Используйте современные методы подготовки данных в

своих проектах машинного обучения
Посмотреть, что внутри

Используя PowerTransformer Sklearn.Недавно меня кратко представили… | Патрик Л. Кэвинс

Пример данных до и после их преобразования с помощью силового трансформатора [1]

Преобразование данных является важной частью набора инструментов специалиста по данным. Поскольку мы изменяем данные , мы должны быть осторожны с методами и причинами, которые мы используем для этих манипуляций. В этой статье мы рассмотрим использование модуля силового трансформатора sklearn, который содержит как преобразование Бокса-Кокса, так и преобразование Йео-Джонсона.

Наиболее распространенное статистическое допущение, которое делают специалисты по данным, состоит в том, что их данные основаны на гауссовском распределении, и, кроме того, многие из наиболее распространенных моделей машинного обучения построены на этом предположении. Поскольку многие инструменты машинного обучения требуют данных, подобных гауссу, первая проверка перед реализацией модели заключается в том, чтобы определить, являются ли данные подобными Гауссу. 2).

Проверка на нормальность

Для этого кода я собираюсь работать с частью набора данных Ames Housing. Если у вас есть доступ, вы можете использовать свою копию. Если нет, то я дал ссылку здесь. Если вы изучите данные, мы можем использовать любое количество различных функций, но я решил использовать Garage Area. Быстрый EDA покажет, что существует одно нулевое значение, для простоты я пошел дальше и заменил это нулевое значение нулем. Также в данных есть множество нулей, давайте просто предположим, что нули представляют дома, в которых нет гаража.

 # Загрузить данные 
 df = pd.read_csv ('./ train.csv') # Проверка на нули / EDA 
 nulls = df ['Garage Area']. Isnull (). Sum () 
 print (f ' Количество нулей: {nulls} ') # Замените Null на 0 
 df [' Garage Area '] = df [' Garage Area ']. Replace (np.nan, 0) 
 nulls = df [' Garage Area ' ] .isnull (). sum () 
 print (f'The numbers of nulls: {nulls} ') # Удаление нулей из pd.series (если ноль, мы можем предположить, что гаража поблизости нет) 
 garage_area = df [ «Площадь гаража»] 
 Garage_area = Garage_area [garage_area! = 0] 

Итак, предположим, что вы думаете об использовании метода силового трансформатора.Мы не только хотим проверить нормальность перед применением преобразования, но также можем собрать дополнительную информацию о текущем распределении данных, например, эксцесс и перекос. Самый простой способ сделать это — построить простую гистограмму.

 # Построить гистограмму данных 
 ax = sns.distplot (garage_area, kde = True) 
 ax.set (xlabel = 'Площадь гаража (ft²)', ylabel = 'Counts', title = 'Частота размеров гаража (ft²) ') 
 plt.show () 

Гистограмма объекта Garage Area из Ames, набор данных IA

Как упоминалось выше, эксцесс и перекос — это два общих термина, с которыми вы можете столкнуться при описании нормальности.На гистограмме переменной площади гаража ясно видно, что распределение неравномерное (нормальное). Мы можем формально рассчитать перекос распределения, используя статистическую модель SciPy, в данном случае 0,80 .

Таблица, обобщающая эвристику для асимметрии

Хорошая эвристика, которую вы можете использовать для оценки этого значения, находится в таблице ниже, и в этом случае распределение площади гаража умеренно искажено. Менее распространенная описательная статистика, с которой вы можете столкнуться, — это эксцесс. Как и перекос, эксцесс описывает распределение.Одна из причин, по которой мы меньше говорим о эксцессе, заключается в том, что его номенклатура может сбивать с толку. Чтобы упростить ситуацию, давайте просто поговорим о положительном и отрицательном эксцессе. Положительный эксцесс (больше 1) означает, что плечи распределения слишком узкие, а отрицательный эксцесс (меньше 0) означает, что плечи распределения слишком широкие. В этом случае мы имеем эксцесс, равный 0,81 , и, следовательно, распределение показывает положительный избыточный эксцесс.

Теперь, когда мы визуально проверили и описали текущее распределение переменной площади гаража, мы можем использовать статистический подход, называемый тестом Д’Агостино K2.Проще говоря, этот статистический тест вычисляет эксцесс и перекос распределения и сравнивает его с нормальным распределением. В нашем случае возвращенное значение p было равно 3,07 x 10–45, и поэтому образец не выглядит гауссовым, и мы можем отклонить нулевую гипотезу.

Когда дело доходит до статистических тестов на нормальность, как Шапиро-Уилка, так и Д’Агостино, я хочу включить это важное предостережение. С небольшими выборками, скажем, менее 50, тесты нормальности малоэффективны. В этих случаях очень важны визуальный осмотр, перекос и эксцесс данных.Вы также можете рассмотреть возможность использования тестов на выбросы, таких как Grubs, а затем повторно протестировать перекос и эксцесс.

Использование модуля силового трансформатора Sklearn

Теперь, когда мы оценили нормальность наших данных, давайте перейдем к использованию модуля силового трансформатора в sklearn. Как следует из названия, мы собираемся изменить (или преобразовать) данные в нашей входной переменной, в области гаража. Это может показаться тревожным, но помните, что мы постоянно меняем данные. Некоторые распространенные примеры — преобразование единиц измерения, сантиметр в метр или преобразование между градусами Цельсия и Фаренгейта.Ключевым отличием является то, что преобразования, которые я только что описал, не изменяют распределение данных, но преобразование мощности изменит распределение данных . Модуль предварительной обработки силового трансформатора sklearn содержит два различных преобразования:

• Преобразование Бокса-Кокса : можно использовать только для положительных значений
• Преобразование Йео-Джонсона : можно использовать как для положительных, так и для отрицательных значений

Зачем нужен модуль силовых трансформаторов?

При создании модели линейной регрессии мы делаем некоторые предположения относительно данных, которые мы используем в модели.Эти предположения резюмируются в L.I.N.E. Акроним .

• В СТРОКЕ, N = Нормальность (ошибки следуют нормальному распределению)
• В СТРОКЕ, E = Равенство дисперсии, гомоскедастичность

Преобразование Бокса-Кокса

Преобразование Бокса-Кокса

Прежде чем мы получим начал с использования модуля sklearn, давайте закодируем пример, используя математику. В этом примере я выбрал два произвольных значения лямбда, 0,1 и 1,0, чтобы продемонстрировать силу преобразования box-cox.

Распределение площади гаража с лямбда = 0,1 Распределение площади гаража с лямбда = 1,5

Как вы можете видеть на гистограммах выше, масштаб лямбда сильно влияет на результирующее распределение объекта. Поскольку распределения сейчас находятся в разных масштабах, их трудно сравнивать. Хорошая стратегия, используемая по умолчанию в модуле силового трансформатора sklearn, состоит в том, чтобы стандартизировать данные перед их преобразованием.

Визуализация изменений

Если вам интересно посмотреть, как параметр лямбда влияет на размер преобразования, я предлагаю использовать метод нормализации, такой как Z-оценка или Min-Max Scaler.В этом примере я пошел дальше и использовал Z-оценку, которая дает нулевое среднее значение, и поэтому мы должны переключиться с Бокс-Кокса на Йео-Джонсон.

На гистограммах ниже показаны нормализованные характеристики площади гаража, а затем нанесенный на график использованный seaborn kdeplot .

ТРАНСФОРМАТОРЫ — прикладное промышленное электричество

Что такое повышающие и понижающие трансформаторы

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

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

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

Давайте еще раз рассмотрим фотографию, показанную в предыдущем разделе:

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

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

Обратимость работы трансформатора

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

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

Этикетки для изготовления трансформаторов

Трансформаторы

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

Практическое значение повышающих и понижающих трансформаторов

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

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

Рисунок 8.2 Мотор-генератор иллюстрирует основной принцип работы трансформатора.

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

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

Электродвигатели / генераторные установки также обладают уникальным свойством аккумулирования кинетической энергии: то есть, если подача питания двигателя на мгновение прерывается по какой-либо причине, его угловой момент (инерция этой вращающейся массы) будет поддерживать вращение генератора на короткое время. длительность, таким образом изолируя любые нагрузки, питаемые от генератора, от «сбоев» в основной энергосистеме. 2µA} {I} [/ латекс]

Где,

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

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

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

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

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

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

Рисунок 8.3 Пример понижающего трансформатора.

Понижающий трансформатор: (много витков: несколько витков).

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

Рисунок 8.4 Зубчатая передача понижает крутящий момент, уменьшая крутящий момент, одновременно увеличивая скорость.

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

Рисунок 8.5 Трансформатор подстанции.

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

Рисунок 8.6 Разделительный трансформатор изолирует питание от линии питания.

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

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

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

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

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

Условные обозначения трансформатора

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

Рисунок 8.9 На практике полярность трансформатора может быть неоднозначной.

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

Рисунок 8.10 Пара точек указывает полярность.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Где,

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

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

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

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

Трансформаторы с несколькими вторичными обмотками

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Многополюсный коммутирующий трансформатор

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

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

Переменный трансформатор

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

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

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

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

Автотрансформатор

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

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

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

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

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

Конфигурации автотрансформатора

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

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

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

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

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

Пневматический автотрансформатор

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

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

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

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

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

Обмотки и соединения трехфазного трансформатора

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

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

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

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

Первичная — Вторичная

• Y — Y
• Y — Δ
• Δ — Y
• Δ — Δ

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

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

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

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

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

Разводка фаз для трансформатора «Y-Y»

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

Рисунок 8.25 Фазовая разводка для трансформатора «Y-Y».

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

Разводка фаз для трансформатора «Y-Δ»

Теперь посмотрим на конфигурацию Y-Δ:

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

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

Фазовая проводка для трансформатора «Δ-Y»

Теперь давайте рассмотрим систему Δ-Y на рисунке ниже.

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

Такая конфигурация (рисунок выше) позволит обеспечить несколько напряжений (между фазой или между фазой и нейтралью) во второй энергосистеме от исходной энергосистемы, не имеющей нейтрали.

Фазовая проводка для трансформатора «Δ-Δ»

И, наконец, перейдем к конфигурации Δ-Δ:

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

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

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

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

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

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

Пример из реальной жизни

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

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

Рисунок 8.Плотина гидроэлектростанции Гранд Кули 30

Мощность

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

Идеальный трансформатор

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

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

Номинальные характеристики трансформатора

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

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

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

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

ВА или кВА.

Потери энергии

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

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

Вихретоковые потери

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

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

Индукционный нагрев

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

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

Снижение вихревых токов

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

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

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

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

Магнитный гистерезис

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

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

Скин-эффект на высоких частотах

Потери энергии в трансформаторе увеличиваются с увеличением частоты. Скин-эффект внутри проводников обмотки уменьшает доступную площадь поперечного сечения для потока электрического заряда, тем самым увеличивая эффективное сопротивление при повышении частоты и создавая большие потери мощности из-за резистивной диссипации. Потери в магнитном сердечнике также увеличиваются из-за более высоких частот, вихревых токов и эффектов гистерезиса, которые становятся более серьезными. По этой причине трансформаторы значительных размеров предназначены для эффективной работы в ограниченном диапазоне частот.

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

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

Паразитная емкость и индуктивность

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

Частота резонанса трансформатора

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

Удерживание флюса

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

Индуктивность утечки

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

Насыщенность ядра

Трансформаторы

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

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

Пиковые трансформаторы

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

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

Работа на частотах ниже нормы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Пусковой ток

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Тепло и шум

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

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

Рисунок 8.42. Большие силовые трансформаторы погружены в теплоизолирующее масло.

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

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

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

Потери из-за наматывающих магнитных сил

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

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

Руководство по обратноходовым трансформаторам

Что такое трансформаторы обратного хода?

Обратный трансформатор — это спаянная катушка индуктивности с сердечником с зазором. Во время каждого цикла, когда входное напряжение подается на первичную обмотку, энергия накапливается в зазоре сердечника. Затем он передается на вторичную обмотку, чтобы обеспечить нагрузку энергией.Обратные трансформаторы используются для преобразования напряжения и изоляции цепей в обратноходовых преобразователях.

Трансформаторы

с обратной связью являются наиболее популярным выбором для экономичных и высокоэффективных изолированных источников питания мощностью до 120 Вт. Они обеспечивают изоляцию цепи, возможность подключения нескольких выходов и возможность появления положительного или отрицательного выходного напряжения. Их также можно регулировать в широком диапазоне входного напряжения и условий нагрузки. Поскольку энергия накапливается в трансформаторе, топология обратного хода не требует отдельного катушки индуктивности выходного фильтра, как в других изолированных топологиях.Это уменьшает количество компонентов и упрощает требования к схеме. В этой статье обсуждаются обратноходовые трансформаторы и приложения, для которых они лучше всего подходят.

Что такое обратный ход?

В обратноходовой топологии энергия накапливается в магнитном поле трансформатора в течение первой половины цикла переключения и затем передается вторичной обмотке (ам), подключенной к нагрузке, во второй половине цикла. Обратные трансформаторы имеют конструкцию с зазором, что позволяет хранить большое количество энергии без насыщения сердечника.Этот аспект накопления энергии отличает обратную связь от других топологий, таких как прямой режим, в котором энергия передается немедленно от первичного к вторичному. Обратные трансформаторы также известны как связанные индукторы, потому что они имеют конструкцию сердечника с зазором и накапливают энергию в сердечнике.

Как работает контроллер обратного хода?

фигура 1

Топология обратного хода основана на топологии понижающего и повышающего напряжения, в которой трансформатор обеспечивает изоляцию и, при необходимости, преобразование напряжения по коэффициенту передачи.Схема, показанная на Рис. 1 представляет собой типичную схему обратного хода.

Наиболее часто используемым переключателем (SW) в обратном преобразователе является MOSFET (металл-оксидный полупроводниковый полевой транзистор), но иногда используются биполярный транзистор, а иногда и GaN (нитрид галлия) или SiC (карбид кремния). Контроллер обратного хода размыкает и замыкает переключатель с соответствующим рабочим циклом для достижения необходимого выходного напряжения. Рабочий цикл обратноходовых трансформаторов обычно не превышает 0.5. Для достижения необходимого выходного напряжения в соответствии с этим уравнением можно использовать различные комбинации соотношений витков и рабочих циклов:

V _выход = V _дюйм * (N _s / N _p ) * (D / (1-D)) где:
В _{на выходе} это выходное напряжение
В _в входное напряжение
N _с = вторичные витки
N _p = первичные витки
D = рабочий цикл = t _на / (t _на + t _на )

Базовый цикл обратного хода включает следующие части:

1. Когда ПО полевого транзистора (полевого транзистора) закрыто (включено), ток проходит через первичную обмотку трансформатора.Это создает магнитное поле, в котором энергия накапливается в сердечнике. Комбинация полярности обмотки (обозначенная точками полярности) смещает выходной диод в обратном направлении, чтобы гарантировать отсутствие передачи энергии на вторичную обмотку (нагрузку), когда переключатель замкнут. Во время этой части цикла ток в первичной обмотке со временем нарастает для сохранения энергии (= ½LI ² ).
2. Когда полевой транзистор открывается (ВЫКЛ), магнитное поле схлопывается, передавая накопленную энергию вторичной обмотке и, в конечном итоге, нагрузке.При закрытии переключателя ток во вторичной обмотке достигает своего пика и снижается по мере того, как накопленная энергия передается нагрузке.

фигура 2 Рисунок 3

Если полевой транзистор снова включить до того, как вся энергия обратного хода будет передана вторичной обмотке, вторичный ток никогда не достигнет нуля. Это называется режимом непрерывной проводимости (CCM). Пример формы волны CCM показан на Рис. 2 . Если накопленная энергия обратного хода полностью опорожняется во вторичной обмотке до того, как FET снова включается, вторичный ток достигает нуля до конца периода, создавая «время простоя» (t _idle ) во время цикла.Это называется режимом прерывистой проводимости (DCM). Пример формы сигнала DCM показан на Рис. 3 . Трансформаторы могут быть разработаны для CCM, DCM или того и другого. Обратные трансформаторы могут работать как в режимах CCM, так и в DCM, в зависимости от входного напряжения и условий нагрузки.

При проектировании обратноходового трансформатора условия максимальной нагрузки при минимальном входном напряжении в наихудшем случае создают наивысший (пиковый) первичный ток. Выберите трансформатор, у которого пиковый первичный ток (Ipk) или первичный ток насыщения (Isat) намного выше ожидаемого пикового значения первичного тока для вашего приложения.Если пиковое значение первичного тока, потребляемого приложением, превышает номинальное значение трансформатора, насыщение сердечника приведет к падению первичной индуктивности. Если в этот момент нагрузке требуется больше энергии, запас энергии трансформатора будет превышен, и нагрузка не получит требуемую энергию. Это приведет к потере регулирования, поэтому пиковый первичный ток (Ipk) или первичный ток насыщения (Isat) обратного трансформатора является критическим параметром.

Каковы типичные применения обратноходовых трансформаторов?

Обратные трансформаторы можно использовать во многих приложениях, в том числе:

• Источники питания DC-DC
• Телеком
• Светодиодное освещение
• Питание через Ethernet (PoE)
• Зарядка конденсатора
• Зарядка аккумулятора
• Микроинверторы на солнечных батареях
• Источники питания AC-DC

Готовые обратноходовые трансформаторы доступны для многих приложений, где требуются низкая стоимость, небольшие размеры и высокий КПД.Обычно они используются в контроллерах постоянного и переменного тока в диапазоне напряжения электросвязи (телекоммуникации) от 37 до 72 В постоянного тока, иногда при расширенных напряжениях в диапазоне от 2 до 400 В постоянного тока, а также в универсальном диапазоне входного напряжения сети переменного тока (85 — 265 В переменного тока).

Трансформаторы

с обратным ходом обычно используются для выходного тока ниже примерно 10 А и выходной мощности ниже примерно 100 Вт. Компания Coilcraft предлагает стандартные, готовые к использованию обратноходовые трансформаторы с мощностью от нескольких ватт до примерно 120 Вт.Когда требуются более высокие ток и мощность, более эффективными альтернативами становятся топологии прямого режима, двухтактные или полумостовые / полные мосты.

Как выбрать обратноходовой трансформатор Coilcraft, который наилучшим образом соответствует требованиям моего приложения?

Как и в случае с любым другим электронным компонентом, выбор обратноходовых трансформаторов предполагает множество конкурирующих компромиссов в отношении производительности, размера, эффективности, стоимости и веса. Для достижения высокого уровня хранения энергии без насыщения сердечника требуется тщательный выбор размера сердечника.Размер (диаметр) провода следует выбирать тщательно, чтобы обеспечить высокий выходной ток без перегрева изоляции провода. Форма сердечника и выбор бобины должны быть оптимизированы, чтобы минимизировать длину намотки и достичь минимально возможного DCR. Высокая частота коммутации может использоваться для уменьшения размера трансформатора, но необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать увеличения потерь переменного тока из-за потерь в сердечнике, эффекта близости и скин-эффекта.

Coilcraft предлагает полезное руководство по выбору подходящего готового обратноходового трансформатора на основе:

• Независимо от того, питаете ли вы свое приложение от источника постоянного тока или от источника входного сигнала линии переменного тока
• Требуемый диапазон входного напряжения трансформатора (В _мин. в наихудшем случае)
• Требуемое выходное напряжение (я)
• Требуемый выходной среднеквадратичный ток или мощность.Приблизительная выходная мощность: P _{на выходе} = V _{на выходе} * I _{на выходе}

Coilcraft отображает свои обратноходовые трансформаторы по диапазону входного напряжения и сортирует в этой категории по выходной мощности.

Список литературы

Маммано, Роберт А., 2017. Основы проектирования источников питания . Инструменты Техаса.
Полковник Вм. T. McLyman, 1988. Справочник по проектированию трансформаторов и индукторов . 2-е изд., Марсель Деккер.

Что дальше?

Подробнее: Начало работы Серия

Фазовый сдвиг в трансформаторе звезда-треугольник — значение и объяснение

Фазовый сдвиг — это угловое смещение между максимальным положительным значением переменных величин, имеющих одинаковую частоту.Другими словами, угловое смещение между высоковольтным и низковольтным выводом и соответствующими нейтральными точками (действительными или мнимыми), выраженное относительно стороны высокого напряжения, известно как сдвиг (или сдвиг) фазы трансформатора.

Отсутствует фазовый сдвиг между трехфазным трансформатором звезда-звезда и треугольник-треугольник. Большая часть силового трансформатора подключена по схеме звезда-треугольник или треугольник. В трансформаторах такого типа, даже в нормальном рабочем состоянии, межфазные напряжения и межфазное напряжение на стороне высокого напряжения смещены от соответствующего напряжения на стороне низкого напряжения.Точно так же ток с двух сторон смещается.

Рассматривается трехфазный трансформатор со звездой-треугольником с соединением Y первичной обмотки и соединением вторичной обмотки треугольником, как показано на рисунке ниже. Маркировка полярности указана на каждой фазе. Точки на обмотках обозначают выводы, которые являются положительными одновременно с выводами без точек.

Фазы на сторонах звезды обозначены как A, B, C, а фазы на стороне треугольника обозначены как a, b, c.Маркировка указана на схеме, соответствующей соединениям + 90º, в которых положительные последовательности на стороне треугольника опущены на 90º, что соответствует стороне звезды. Таким образом, линейные токи протекают через фазы а и А.

Альтернативный способ — обозначить дельту как b → a, c → b и a → c; Таким образом мы получаем стандартное соединение yd ₁ , -30º. Если полярность на стороне треугольника также поменяна местами, мы имеем стандартное соединение yd ₁₁ , 30º. Y _d11 используются для линейного напряжения, а yd ₁ используются для линейных токов и фазного напряжения (между фазой и нейтралью).Коэффициент линейного преобразования принимается равным единице.

Напряжения прямой и обратной последовательности на первичной (звезда) и вторичной (треугольник) сторонах трансформатора показаны ниже. Когда поток мощности меняется на противоположный, и дельта трансформатора действует как первичная, а звезда — как вторичная, тогда вектор напряжения не изменяется, но все векторы тока меняются местами.

Таким образом, величина фазового сдвига одинакова для компонентов прямой и обратной последовательности.Направление сдвига фаз в случае обратной последовательности фаз является обратным тому, что применяется к компоненту прямой последовательности фаз (из-за обратной последовательности фаз).

Величина и направление фазового сдвига зависят от группы трансформатора и распределения опорных фаз. Фазовый сдвиг величин нулевой последовательности не нужно учитывать в трансформаторе звезда-треугольник, потому что токи нулевой последовательности не протекают в линиях на стороне, соединенной треугольником.

Ideal Transformer — обзор

13.3.2 Трансформаторы

Трансформатор — это устройство, которое позволяет передавать электрическую энергию в виде переменного тока от одной цепи к другой через магнитное поле. Это также позволяет преобразовывать эту энергию из одного уровня напряжения и тока в другой с минимальными потерями. Электрическая энергия наиболее эффективно передается на большие расстояния при очень высоких напряжениях, в сотни киловольт и, соответственно, умеренных уровнях тока.Распределение на месте при 230 В (или 115 В в США) безопасно и удобно. Преобразование высокого напряжения, используемого для передачи, в гораздо более низкое, используемое для распределения, выполняется трансформаторами. Они играют ключевую роль в системе электроснабжения. В дополнение к их использованию в распределении энергии и источниках питания, трансформаторы также используются во многих электронных системах, особенно в радиочастотной беспроводной связи. Трансформаторы могут быть размером с железнодорожный локомотив или меньше, чем пуговица на рубашке.Они могут работать на низких частотах (50 Гц и менее) или на радиочастотах (порядка гигагерц). Их можно сравнить с механическими коробками передач (которые используются в автомобилях, велосипедах и т. Д.), Которые преобразуют механическую энергию, передаваемую им, скажем, на высокой скорости и с низким крутящим моментом, в более низкую скорость, но с более высоким крутящим моментом, или наоборот.

На рисунке 13.5 (а) показана катушка или обмотка из Н ₁ витков, намотанных на магнитопровод. Катушка подключена к источнику постоянного тока. источник напряжения В ₁ .Ток I ₁ определяется сопротивлением катушки R ₁ , как показано эквивалентной схемой, показанной на рисунке 13.5 (b). Магнитный поток, индуцированный током I ₁ , определяется следующим образом (см. Также Hughes, 1995; R. J. Smith, 1984; Slemon and Straughen, 1980).

Рис. 13.5. Простая магнитная цепь, возбуждаемая постоянным током. источник: (а) магнитная цепь; (б) электрическая эквивалентная схема.

Ток I ₁ создает магнитодвижущую силу (ммс), F , Н ₁ I ₁ ампер (иногда используемую единицу измерения называют ампер-витками).

(13,1) F = N1I1

соответствующая напряженность магнитного поля H (измеряется в ампер / метр или ампер-виток / метр) составляет

(13,2) H = Fl

, где l — длина магнитный путь.

Связь между напряженностью поля H и плотностью потока B (измеряется в теслах) является свойством рассматриваемого материала. Для свободного пространства (и воздуха) эти две величины линейно пропорциональны соотношению (называемому проницаемостью) μ ₀ = 4π × 10 ⁻⁷ (измеряется в генри / метр).Для ферромагнитных материалов, таких как железо, сталь или ферриты, зависимость сильно нелинейна, как описано в хорошо известной петле B – H . При заданной напряженности поля H в этих материалах создается более высокая плотность потока B , чем в воздухе. Относительная магнитная проницаемость μ _r описывает, насколько больше плотность потока для данной напряженности поля. Он может иметь значение от нескольких сотен и более. Обратите внимание, что поскольку взаимосвязь между B и H является нелинейной, μ _r не является константой для конкретного материала; это зависит от значения H, или B.

(13,3) B = μ0μrH

Магнитный поток Φ (измеренный в веберах) рассчитывается из плотности потока как

(13,4) ϕ = BA

, где A — площадь поперечного сечения материала. перпендикулярно потоку.

На рисунке 13.6 (a) показана та же магнитная цепь, что и на рисунке 13.5 (a), но возбуждение изменено на переменное. источник напряжения (вида В = В _p sin ω t ). В этом случае поток также является синусоидальным (без учета влияния нелинейности петли B – H).Однако, согласно закону Фарадея, напряжение В индуцируется в проводнике, если он находится в изменяющемся магнитном поле, где

Рис. 13.6. Простая магнитная цепь, возбуждаемая переменным током. источник: (а) магнитная цепь; (б) электрическая эквивалентная схема.

(13,5) ν = Ndϕdt

Это индуцированное напряжение противостоит приложенному, в дополнение к резистивному падению напряжения i ₁ R ₁ . Он представлен в эквивалентной схеме на Рисунке 13.6 (б) индуктором L _M . Катушка индуктивности используется, поскольку и находятся в фазе с Φ, но v не совпадают по фазе на 90 ° (из-за производного члена). Следовательно, ток в этом случае определяется как сопротивлением катушки, так и ее индуктивностью. Последнее зависит от магнитных свойств сердечника. Подстановка соотношений из (13.1) — (13.4) в (13.5) приводит к

(13.6) ν = N1dϕdt = μ0μrAlN12didi

Поскольку напряжение v представляет собой напряжение на катушке индуктивности, можно сравнить уравнение (13.6) с соотношением для индуктора v = L d i / d t . Следовательно, индуктивность с точки зрения магнитных свойств выражается как

(13,7) L = μ0μrAlN12

Предполагая, что поток синусоидален, его можно выразить как Φ = Φ _пик sin ω t . Тогда из (13.5)

(13.8) ν1 = N1dϕdt = N1ωϕpeakcosωt

Среднеквадратичное значение v ₁ ( V ₁ ) равно

(13.9) V1 = N1ωϕpeak2 = 2π2N1fϕpeak = 4⋅44N1fϕpeak

Это важное соотношение показывает выбор, доступный проектировщикам. Например, на высоких частотах и ​​количество витков, и / или магнитный поток (и, следовательно, площадь поперечного сечения сердечника) могут быть уменьшены для данного входного напряжения.

На рис. 13.7 (а) показана та же магнитная цепь, что и раньше, с добавлением второй обмотки Н ₂ витков. Две обмотки обычно называют первичной и вторичной .Выходное напряжение холостого хода этой второй (вторичной) обмотки В ₂ можно найти с помощью уравнения (13.5). Предполагая, что поток одинаков в обеих обмотках, v ₂ равно

Рис. 13.7. Трансформатор с разомкнутой вторичной обмоткой: а) магнитопровод; (б) электрическая эквивалентная схема.

(13.10) ν2 = N2dϕdt

Объединение уравнений (13.5) и (13.10) приводит к важному соотношению напряжений для идеального трансформатора.

(13.11) ν1ν2 = N1N2

Идеальным трансформатором в данном контексте является трансформатор, где

1.

Нет потерь мощности ни в обмотках, ни в сердечнике (механизмы потерь в трансформаторах описаны более подробно см. Slemon and Straughen, 1980).

2.

Поток в обеих обмотках одинаковый.

3.

Для создания магнитного потока в сердечнике требуется пренебрежимо малый ток (ток намагничивания).Другими словами, реактивное сопротивление L _M на рисунке 13.6 очень велико.

Эквивалентная схема практического сердечника с двумя обмотками показана на рисунке 13.7 (b). Здесь показан идеальный трансформатор, резистор R ₁ и катушка индуктивности L _M . Резистор R ₁ представляет сопротивление первой обмотки и используется для учета того факта, что в практическом трансформаторе потери мощности в обмотках не пренебрежимо малы, как указано для идеального в предположении (1) выше. .В результате выходное напряжение холостого хода вторичной обмотки, В, ₂ , немного меньше, чем было бы получено уравнением (13.11) с использованием входного напряжения В, , _{, 1} и отношения витков. В эквивалентной схеме это представлено падением напряжения на резисторе R ₁ , которое представляет собой разницу между реальным входным напряжением В ₁ и В ′ ₁ = В ₂ N ₁ / N ₂ .Точно так же в практическом трансформаторе током намагничивания не всегда можно пренебречь, как в предположении (3) выше. Это индуктор L _M .

На рисунке 13.8 (а) показан трансформатор с нагрузкой R _L , подключенной к вторичной обмотке. В результате наведенного напряжения v ₂ во вторичной обмотке по вторичной цепи протекает ток i ₂ . Однако этот ток, протекающий во вторичной обмотке, создает МДС, которая, согласно закону Ленца, противодействует потоку в сердечнике, который в первую очередь индуцировал В ₂ .Таким образом, чистый mmf в магнитной цепи уменьшается, что, в свою очередь, уменьшает магнитный поток Φ. Согласно уравнению (13.5), уменьшенный поток приводит к уменьшению напряжения, индуцированного в первичной обмотке, которое противодействует входному напряжению В, ₁ . Увеличенная разница между ними приводит к увеличению текущего i ₁ до тех пор, пока не будет достигнуто новое состояние равновесия. Следовательно, увеличение тока во вторичной обмотке приводит к увеличению тока в первичной обмотке.

Рис. 13.8. Трансформатор с нагруженной вторичной обмоткой: а) магнитопровод, принципиальная схема трансформатора; (б) электрическая эквивалентная схема.

Первичный ток состоит из двух компонентов. Один из них — ток намагничивания i _M (ток, который течет в первичной обмотке, когда ток не течет во вторичной). Другой — это i ′ ₁ компонент, возникающий в результате протекания тока во вторичной обмотке. Следовательно,

(13.12) i1 = i′1 + iM

Эквивалентная схема на Рисунке 13.8 (b) показывает это соотношение.

В идеальном трансформаторе магнитный поток одинаков в обеих обмотках (предположение (2) выше), и МДС, создаваемые двумя обмотками, можно считать равными и противоположными друг другу. Следовательно,

(13.13) N1i′1 = N2i2

или

(13.14) i′i2 = N1N2

Обратите внимание, что объединение уравнений (13.11) и (13.14) приводит к

ν1i′1 = ν2i2

As Можно ожидать, что потребляемая мощность идеального трансформатора такая же, как и выходная мощность, поскольку отсутствуют потери.

Аналогично, использование уравнений (13.11) и (13.14) приводит к соотношению

(13.15) RL = ν2i2 = ν1N2N1i′1N1N2 = ν1i′1 [N2N1] 2 = R′L [N2N1] 2

где R ′ _L — это кажущееся сопротивление, «видимое при взгляде на первичную обмотку» в результате подключения R _L к вторичной обмотке. Это соотношение составляет основу использования трансформаторов для согласования импеданса . Возможно, более полезно выразить это как

(13.16) R′L = RL [N1N2] 2

На практике поток в двух обмотках не совсем одинаковый, и предположение (2) для идеального трансформатора не относится строго к практическому.Как показано на рисунке 13.9 (а), часть потока «утекает» из сердечника и связана только с одной из обмоток. В описании схемы на рис. 13.9 (а) показано, что эффект этого потока рассеяния должен индуцировать напряжение, которое противодействует входному напряжению. Этот эффект представлен в эквивалентной схеме катушкой индуктивности. Таким образом, пересмотренная эквивалентная схема трансформатора включает две катушки индуктивности L, , _{, 1,} и , L, , _2, , чтобы учесть индуктивность рассеяния , двух обмоток.Эквивалентная схема показана на рисунке 13.9 (b). При проектировании и изготовлении трансформаторов уделяется большое внимание минимизации потока утечки с помощью таких мер, как наматывание двух обмоток друг на друга и использование сердечников тороидальной формы, если это возможно.

Рис. 13.9. Трансформатор с нагруженной вторичной обмоткой, показывающий поток рассеяния и результирующую индуктивность: (а) магнитная цепь, показывающая поток рассеяния; (б) электрическая эквивалентная схема.

Эквивалентная схема, показанная на рисунке 13.9 (б) чаще используется в упрощенном виде. Упрощение выполняется в два этапа. Во-первых, предположим, что падением напряжения в R ₁ и L ₁ из-за тока намагничивания i ′ _M можно пренебречь. Следовательно, L _M могут быть подключены напрямую через источник на другой стороне R ₁ и L ₁ без внесения каких-либо ошибок. Компонент R _M добавлен, чтобы представить потерю энергии в сердечнике, вызванную переменным магнитным потоком.На втором этапе используется уравнение (13.16). Это позволяет объединить вторичное сопротивление и индуктивность рассеяния с первичными. Резистор R ₂ отображается на первичной обмотке как R ′ ₂ , и его можно комбинировать с R ₁ , чтобы получить R _W как

(13,17) RW = R1 + R2 [N2N1] 2

Аналогично,

(13.18) LW = L1 + L2 [N2N1] 2

Упрощенная эквивалентная схема показана на рисунке 13.10.

Рис. 13.10. Упрощенная схема замещения трансформатора.

Может использоваться для расчета регулирования трансформатора. Это мера изменения напряжения между током холостого хода и током полной нагрузки. Он определяется как

(13.19) Регулировка = Vout (без нагрузки) −Vout (полная нагрузка) Vout (полная нагрузка)

Эквивалентная схема на рисунке 13.10 обычно используется на низких частотах (50 и 60 Гц). На высоких частотах необходимо учитывать паразитную емкость обмоток.Это можно смоделировать как конденсатор на первичной обмотке. Этот конденсатор эффективно включен последовательно с катушкой индуктивности, представляющей индуктивность рассеяния, и поэтому цепь является резонансной. В некоторых схемах трансформатор спроектирован как часть настроенной нагрузки усилителя, как в разделе 9.2 (см. J. Smith, 1986). На высоких частотах влияние индуктивности намагничивания может быть меньше, но индуктивности рассеяния больше.

В следующих разделах будет видно, что форма волны тока, потребляемого выпрямителями, подключенными к накопительным конденсаторам (см. Рисунок 13.21) далека от синусоидальности. Об этом всегда нужно помнить при проектировании источников питания и используемых в них трансформаторов. Информацию о практическом проектировании трансформаторов можно найти в нескольких специализированных текстах. Уиттингтон и др. . (1992) занимается проектированием трансформаторов для импульсных источников питания (см. Раздел 13.4).

Рис. 13.21. Входное напряжение и ток, а также формы сигналов напряжения нагрузки.

SAQ 13.1

Напряжение, ток и мощность были измерены на первичной стороне трансформатора вместе с вторичным напряжением при разомкнутой и короткозамкнутой вторичной обмотке.Результаты измерений, выполненных на частоте 50 Гц, следующие:

	Первичное напряжение (В)	Ток (A)	Мощность (Вт)	Вторичное напряжение (В)
Обрыв	240	0,1	12	20
Короткий	10	1	8	0

упрощенная эквивалентная цепь Определите первичнуюТакже определите мощность, рассеиваемую в трансформаторе, и выходное напряжение вторичной обмотки, когда она выдает вторичный ток 8 А от первичного источника питания 240 В.

Основы электрических трансформаторов

Что такое электрические трансформаторы?

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

Трансформаторы

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

Строительство электрического трансформатора

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

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

Как работают трансформаторы?

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

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

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

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

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

Видео кредит: Инженерное мышление

Как работает трансформатор — Принцип работы электротехники

Электрический трансформатор — КПД и потери

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

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

Типы трансформаторов

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

На основе проектирования

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

На основе поставки

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

По основанию назначения

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

На основании использования

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

Эти трансформаторы используются для реле и защиты приборов одновременно.

На основе охлаждения

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

Основные характеристики трансформатора

Все трансформаторы имеют общие черты, независимо от их типа:

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

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

Применение электрического трансформатора

Основные области применения электрического трансформатора:

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

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

Советы по поиску и устранению неисправностей электрического трансформатора

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

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

D&F Liquidators обслуживает потребности в строительных материалах для электротехники более 30 лет. Это международная информационная служба площадью 180 000 квадратных метров, расположенная в Хейворде, Калифорния. В нем хранится обширный перечень электрических разъемов, кабелепроводов, автоматических выключателей, распределительных коробок, проводных кабелей, предохранительных выключателей и т. Д.Он закупает электрические материалы у ведущих компаний по всему миру. Компания также ведет обширный инвентарь взрывозащищенной электротехнической продукции и современных решений в области электрического освещения.