Принцип работы трансформатора напряжения | Статьи ЦентрЭнергоЭкспертизы

Администрация2022-02-01T10:19:50+03:00

Статьи 0 Комментариев

Эксплуатация электрической энергии требует постоянных ее преобразований. Для снижения потерь при транспортировке она требует увеличения напряжения до сотен киловольт (вплоть до 1150 кВ), в местах потребления электроэнергии напряжение переменного тока наоборот снижается для привычных 380 (220) вольт. Да и компоненты самого электрооборудования зачастую нуждаются в более низких напряжениях, нежели привычные 220 вольт.

Трансформация переменного напряжения до требуемых величин производится при помощи силовых трансформаторов напряжения (ТН), специальных устройств, на контакты первичных обмоток которых подается исходное напряжение, а со вторичных обмоток снимается требуемое его значение.

Напряжение для линий электропередач и потребителей преобразуется посредством силовых трехфазных трансформаторов подстанций, масляных трансформаторов, рассчитанных на высокие номинальные мощности. Питание электротехники обеспечивает применение понижающих однофазных трансформаторов.

Сегодня все чаще находят применение импульсные блоки питания, использующие более высокие частоты переменного тока. Их можно встретить в компьютерах, любой бытовой технике, электроприборах, сварочных инверторах и т.д. За счет отказа от силовых трансформаторов номинальной частоты 50 Гц, они в разы компактнее, легче, однако и они не обходятся без импульсных трансформаторов, работающих на частотах в десятки килогерц.

Устройство и принцип действия ТН

В своем принципе действия силовые, как в принципе и трансформаторы любого другого назначения опираются на электромагнитную индукцию – физическое явление, отвечающее за появление электрического поля в проводниках при изменениях внешнего магнитного поля.

Чтобы понять принцип действия трансформатора, рассмотрим его упрощенную схему. Как правило, она представлена двумя обмотками из медного изолированного провода (первичной и вторичной) объединенными единым замкнутым магнитопроводом. Обмотки могут находиться на одной катушке, двумя отдельными катушками быть расположены на разных сердечниках одного магнитопровода, но суть их кроется в одном – магнитный поток проходит через центральные оси обеих катушек. Тело магнитопровода может быть собрано из пластин электротехнической стали (для снижения вихревых токов) или навито из стальной ленты. Для импульсных трансформаторов их изготавливают ферритовыми.

Преобразования переменного напряжения в ТН происходят следующим образом. При подаче на вход трансформатора переменного напряжения вокруг витков первичной катушки образуется электромагнитное поле, формированию переменных магнитных полей способствует сердечник магнитопровода. Проходя через обмотки вторичной катушки, переменное магнитное поле наводит в ней ЭДС индукции, которая в случае подключения нагрузки вызывает появление тока во вторичных цепях.

Соотношение выходного напряжения к входному определяется коэффициентом трансформации, который также зависит от соотношения витков вторичной и первичной обмоток, так:

• для понижающего трансформатора количество витков вторичной обмотки меньше чем первичной;
• у повышающего трансформатора, наоборот количество витков вторичной обмотки превышает первичную;
• в случае, когда количество витков совпадает (коэффициент трансформации равен 1), напряжения также будут равны, такая конструкция характерна для разделительных трансформаторов, их целью считается обеспечение гальванической развязки сетей.

Принцип работы мы рассмотрели на примере однофазного силового трансформатора, однако сказанное справедливо и в отношении трехфазных ТН.

Остались вопросы?

Заполните форму обратно связи ниже, наши специалисты свяжутся с Вами, проконсультируют, расскажут про возможные способы решения Вашей задачи.

заказать консультацию

Ваше имя (обязательно)

Ваш e-mail (обязательно)

Телефон

Сообщение

Прикрепить файл

Даю согласие на обработку данных

---

3.

2. Принцип работы и устройство трансформатора

Общетехнические дисциплины / Общая энергетика / 3.2.     Принцип работы и устройство трансформатора

В трансформаторе передача электрической энергии из первичной обмотки во вторичную осуществляется, как и во всех электрических машинах, посредством магнитного потока (Ф), который является переменным, т.е. изменяющимся во времени. В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции

, в соответствии с которым значение электродвижущей силы, наведенной в контуре, пропорционально скорости изменения потока (Ф), пронизывающего этот контур. Если в контуре имеется несколько последовательно соединенных витков (w), то наведенная в катушке ЭДС будет в w раз больше.

Принцип работы трансформатора рассмотрим на примере простейшего однофазного двухобмоточного трансформатора (рис. 3.2).

Трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода 3 и двух обмоток с числом витков w₁ и w₂.

Обмотки трансформатора служат для создания магнитного поля, посредством которого осуществляется передача электрической энергии и обеспечивается наведение в обмотках ЭДС, требуемой по условиям эксплуатации. Обмотки выполняют из медных или алюминиевых изолированных проводов круглого или прямоугольного сечения.

Обмотку w₁ трансформатора, к которой подводится электрическая энергия (напряжение u₁), называют первичной, а обмотку w₂, от которой энергия отводится (напряжение u₂), — вторичной.

Магнитопровод трансформатора служит для усиления магнитной связи между обмотками и является конструктивным основанием (остовом) для установки и крепления обмоток, отводов и других деталей трансформатора (рис. 3.3).

Магнитопровод набирают из изолированных листов специальной электротехнической стали с относительным содержанием кремния до 5%. Толщину листов выбирают из условий получения приемлемого уровня потерь от индуктированных в них вихревых токов при заданной частоте питающего трансформатор источника переменного тока и технологических условий при производстве магнитопровода. При частоте 50Гц в современных силовых трансформаторах толщина листов равна 0,27—0,35мм.

Часть магнитопровода, на которой располагается обмотка, называют стержнем, а часть магнитопровода, замыкающая стержни, на которых не располагаются обмотки, называется ярмом.

Если первичную обмотку трансформатора при разомкнутой вторичной включить в сеть переменного тока с напряжением u₁, то по ней потечет ток i₁ = i₀, называемый током холостого хода. Обусловленная током i₀магнитодвижущая сила (МДС) пер

вичной обмотки (i₀w₁) создает в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток (Ф), который почти полностью, за исключением некоторого рассеяния, сцеплен со всеми витками первичной и вторичной обмоток. Магнитный поток (Ф), как описывает закон электромагнитной индукции, наведет в первичной обмотке ЭДС самоиндукции (

e₁), значение которой пропорционально числу витков w₁, а во вторичной обмотке — ЭДС (e₂), пропорциональную числу витков w₂.

Отношение индуктированных в первичной и вторичной обмотках ЭДС, равное отношению чисел витков этих обмоток, называют коэффициентом трансформации:

K = e

l/e₂ = w_l/w₂.

Таким образом, подбирая число витков обмоток, можно при заданном напряжении u_l, которое примерно равно ЭДС e_l, получить требуемое выходное напряжение трансформатора:

u₂ = e₂.

Если u_l > u₂ (w_l > w₂), т.е. K > 1, трансформатор называют понижающим, а при u_l < u₂ (w_l < w₂) — повышающим.

При подключении вторичной обмотки к сопротивлению нагрузки (Z_н

) по ней потечет переменный ток i₂. При этом в первичной обмотке возникнет ток i₁, который поддерживает магнитный поток постоянным. Вследствие этого обеспечивается равновесие между ЭДС (e_l), наведенной в первичной обмотке, и напряжением в сети (u_l).

Таким образом, при нагрузке трансформатора магнитный поток создается совместным действием магнитодвижущих сил первичной и вторичной обмоток.

При замкнутом магнитопроводе, собранном из пластин электротехнической стали, обладающей небольшим магнитным сопротивлением, МДС первичной обмотки (i₀w₁)(при разомкнутой вторичной обмотке) составляет 0,2—3,0% МДС обмоток при номинальной нагрузке, поэтому можно принять, что

i₁w₁ » i₂w₂.

Следовательно, токи, протекающие в первичной и вторичной обмотках, обратно пропорциональны отношению чисел их витков:

i₁/i₂ = w₂/w₁.

Для силовых трансформаторов установлены стандартные обозначения (маркировка) начал и концов (выводов) обмоток.

В однофазном трансформаторе начало и конец обмотки высшего напряжения (ВН) обозначается соответственно прописными буквами А и X, а обмотки низшего напряжения (НН) — строчными латинскими буквами а и х.

При наличии третьей обмотки с промежуточным (средним) напряжением (СН) начало и конец обмотки обозначают соответственно А_m и Х_m.

В трехфазном трансформаторе начала и концы обмоток ВН обозначаются соответственно А, В, С и X, Y, Z и т.д.

В трехфазных трансформаторах обмотки могут быть соединены по схемам «звезда», «треугольник» или «зигзаг», которые соответственно обозначают русскими буквами У и Д и латинской Z. При выводе от нейтрали (общей точки обмоток фаз) у схемы «звезда» или «зигзаг» отвод (ответвление) обозначают следующим образом: добавляя к буквенным обозначениям схем соединения обмоток индекс «н». Например: У_н.

Схемы соединения трехфазного трансформатора обозначаются в виде дроби, в числителе которой ставят обозначение схемы соединения обмотки ВН, а в знаменателе — схемы соединения обмотки НН. Например, для трансформатора с обмоткой ВН, соединенной по схеме треугольник, и с обмоткой НН, соединенной по схеме звезда с выведенной нейтралью, обозначение имеет вид: Д/У_н.

При обслуживании трансформаторов кроме схем соединения необходимо знать взаимное направление ЭДС в обмотках ВН и НН. Если две обмотки 1 и 2 размещены на одном и том же стержне и пронизываются одним и тем же потоком Ф, то при одинаковом направлении намотки и обозначении выводов (концов) (рис. 3.4, а) наведенные ЭДС одинаково направлены (от концов к началам) и, следовательно, совпадают по фазе.

Для характеристики сдвига фаз линейных ЭДС обмоток ВН и НН введено понятие группы соединения обмоток трансформатора.

Группа соединения обозначается целым числом, которое получено от деления на 30° угла сдвига между линейными ЭДС на одноименных выводах обмоток ВН и НН трансформатора, причем отсчет угла производится от вектора ЭДС обмотки ВН по направлению движения часовой стрелки.

На рис. 3.4, а сдвиг между ЭДС Е₁ и Е₂ обмоток АХ и ах равен нулю, поэтому группа соединений обмоток обозначается как I/I-0, где «I» говорит об однофазном варианте трансформатора, при этом ЭДС высшего напряжения (Е₁) ассоциируется с минутной стрелкой часов и условно направляется на циферблате часов на цифру 12. Часовая стрелка часов представляет собой ЭДС низшего напряжения (Е₂)и обозначает группу соединения.

Фазовый сдвиг между фазными ЭДС обмоток ВН и НН зависит как от обозначения выводов, так и от направления намотки. При размещении обмоток на одном стержне этот сдвиг может быть равным либо 0, либо 180°.

На рис. 3.4, б, в при изменении обозначений концов обмотки НН (рис. 3.4, б) или изменении направления намотки обмотки НН (рис. 3.4, в) ЭДС Е₂ поворачивается на угол 180°, что дает группу соединений I/I-6.

В трехфазных трансформаторах схемы соединения У, Д, Z могут образовывать 12 различных групп со сдвигом фаз линейных ЭДС через 30°. На рис. 3.5 для примера приведены схема соединения обмоток У/У и соответствующая векторная диаграмма для нулевой группы, которая обозначается У/У-0 (рис. 3.5, а), а также векторная диаграмма для одиннадцатой группы при соединении обмоток У/Д (обозначение У/Д-11) (рис. 3.5, б).

Из всех возможных групп соединения трехфазных двухобмоточных трансформаторов стандартизировано только две группы: 0 и 11 — с выводом в случае

необходимости нулевой точки «звезды» или «зигзага», а для однофазных трансформаторов — только с соединением I/I-0.

Для трансформации трехфазного тока и напряжения применяют или три однофазных трансформатора (рис. 3.6, а), или один трехфазный трансформатор (рис. 3.6, б), в котором общий для трех фаз магнитопровод может быть образован из трех однофазных.

В самом деле, если три однофазных трансформатора расположить, как показано на рис. 3.7, а, то стержни магнитопроводов, на которых не размещены обмотки, можно конструктивно объединить в один. Учитывая, что в трехфазной системе сумма фазных токов равна нулю:

I_A + I_B + I_C=0,

а следовательно, и сумма потоков равна нулю, то надобность в объединенном стержне вообще отпадает. Полученный таким образом магнитопровод (рис. 3.7, б) является пространственным трехфазным.

В реальных конструкциях используют магнитопровод, называемый плоским стержневым трехфазным. Он образуется, если у пространственного магнитопровода убрать ярма фазы В и все три стержня расположить в одной плоскости (рис. 3.7, в).

Трехфазные трансформаторы с плоскими стержневыми магнитопроводами получили наибольшее распространение, а свойственная им магнитная несимметрия фаз существенного значения при эксплуатации не имеет.

На рис. 3.8 представлена конструкция пространственного ленточного магнитопровода, состоящего из трех овальных секций, имеющих фасонную форму сечения и навитых из ленты холоднокатаной стали переменной ширины при безотходном раскрое стали и высоком коэффициенте заполнения сечения стержня активной сталью. Обмотки наматываются после сборки системы непосредственно на стержни на специальном стенде.

Определение, типы, принцип работы, схема

Трансформатор простейшим образом можно описать как вещь, которая повышает или понижает напряжение. В повышающем трансформаторе выходное напряжение увеличивается, а в понижающем трансформаторе выходное напряжение уменьшается. Повышающий трансформатор уменьшит выходной ток, а понижающий трансформатор увеличит выходной ток для поддержания одинаковой входной и выходной мощности системы.

Трансформатор в основном представляет собой устройство регулирования напряжения, которое широко используется при распределении и передаче энергии переменного тока. Идея трансформатора была впервые обсуждена Майклом Фарадеем в 1831 году и была развита многими другими выдающимися учеными. Однако общая цель использования трансформаторов заключалась в поддержании баланса между электричеством, которое вырабатывалось при очень высоком напряжении, и потреблением, которое производилось при очень низком напряжении.

JEE Main 2021 LIVE Physics Paper Solutions 24 февраля Shift-1 На основе памяти

Содержание

• Что такое трансформатор?
• Тип трансформатора
• Принцип работы трансформатора
• Части трансформатора
• Уравнение ЭДС трансформатора
• Коэффициент трансформации напряжения

Что такое трансформатор?

Трансформатор — это устройство, используемое для передачи электроэнергии. Ток передачи переменный. Он обычно используется для увеличения или уменьшения напряжения питания без изменения частоты переменного тока между цепями. Трансформатор работает на основных принципах электромагнитной индукции и взаимной индукции.

Тип трансформатора

Трансформаторы

используются в различных областях, таких как энергосистема, распределительный сектор, передача и потребление электроэнергии. Существуют различные типы трансформаторов, которые классифицируются на основе следующих факторов:

• Диапазон рабочего напряжения.
• Среда, используемая в ядре.
• Устройство обмотки.
• Место установки.

На основе уровней напряжения

Обычно используемый тип трансформатора, в зависимости от напряжения они классифицируются как:

• Повышающий трансформатор:  Они используются между генератором и электросетью. Вторичное выходное напряжение выше, чем входное напряжение.
• Понижающий трансформатор:  Эти трансформаторы используются для преобразования высоковольтного первичного источника питания в низковольтный вторичный выходной сигнал.

В зависимости от используемой среды ядра

В трансформаторе используются различные типы сердечников.

• Трансформатор с воздушным сердечником: Потокосцепление между первичной и вторичной обмотками осуществляется по воздуху. Катушка или обмотки намотаны на немагнитную полосу.
• Трансформатор с железным сердечником:  Обмотки намотаны на несколько железных пластин, сложенных вместе, что обеспечивает идеальный путь связи для создания потока.

На основе схемы обмотки

• Автотрансформатор:  У него будет только одна обмотка, намотанная на многослойный сердечник. Первичная и вторичная обмотки имеют одну и ту же катушку. Авто также означает «я» на греческом языке.

В зависимости от места установки

• Силовой трансформатор:  Используется на электростанциях, поскольку они подходят для высоковольтных приложений
• Распределительный трансформатор:  В основном используется на распределительных линиях для бытовых целей. Они предназначены для передачи низкого напряжения. Он очень прост в установке и характеризуется низкими магнитными потерями.
• Измерительные трансформаторы:  Эти классифицируются далее. Они в основном используются для измерения напряжения, тока, мощности.
• Защитные трансформаторы:  Они используются для защиты компонентов. В цепях некоторые компоненты должны быть защищены от колебаний напряжения и т. д. Защитные трансформаторы обеспечивают защиту компонентов.

Принцип работы трансформатора

Трансформатор работает по принципу электромагнитной индукции и взаимной индукции Фарадея.

Обычно на сердечнике трансформатора имеется две катушки: первичная и вторичная обмотки. Пластины сердечника соединены в виде полос. Две катушки имеют высокую взаимную индуктивность. Когда переменный ток проходит через первичную катушку, он создает переменный магнитный поток. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, это изменение магнитного потока индуцирует ЭДС (электродвижущую силу) во вторичной катушке, которая связана с сердечником, имеющим первичную катушку. Это взаимная индукция.

В целом, трансформатор выполняет следующие операции:

1. Передача электрической энергии от одной цепи к другой
2. Передача электроэнергии посредством электромагнитной индукции
3. Передача электроэнергии без изменения частоты
4. Две цепи связаны взаимной индукцией

На рисунке показано формирование линий магнитного потока вокруг провода с током. Нормаль плоскости, содержащей силовые линии, параллельна нормали поперечного сечения провода.

На рисунке показано формирование различных линий магнитного потока вокруг намотанной проволоки. Интересно, что верно и обратное: когда линия магнитного потока колеблется вокруг куска провода, в нем индуцируется ток. Это было то, что Майкл Фарадей обнаружил в 1831 году, что является фундаментальным принципом работы электрических генераторов, а также трансформаторов.

Детали однофазного трансформатора

Основные части однофазного трансформатора состоят из;

1. Сердечник

Сердечник служит опорой для обмотки трансформатора. Он также обеспечивает путь с низким магнитным сопротивлением для потока магнитного потока. Обмотка намотана на сердечник, как показано на рисунке. Он состоит из многослойного сердечника из мягкого железа, чтобы уменьшить потери в трансформаторе. Такие факторы, как рабочее напряжение, ток, мощность и т. д., определяют состав сердечника. Диаметр сердечника прямо пропорционален потерям в меди и обратно пропорционален потерям в стали.

2. Обмотки

Обмотки представляют собой набор медных проводов, намотанных на сердечник трансформатора. Медные провода используются из-за:

• Высокая проводимость меди сводит к минимуму потери в трансформаторе, поскольку при увеличении проводимости сопротивление току уменьшается.
• Высокая пластичность меди — свойство металлов, позволяющее изготавливать из нее очень тонкие провода.

Существуют в основном два типа обмоток. Первичные обмотки и вторичные обмотки.

• Первичная обмотка: Набор витков обмоток, на которые подается ток питания.
• Вторичная обмотка: Набор витков обмотки, из которой берется выход.

Первичная и вторичная обмотки изолированы друг от друга с помощью изоляционных покрытий.

3. Изоляционные материалы

Изоляция необходима для трансформаторов, чтобы отделить обмотки друг от друга и избежать короткого замыкания. Это облегчает взаимную индукцию. Изоляционные материалы влияют на долговечность и стабильность трансформатора.

В качестве изоляционной среды в трансформаторе используются:

• • • • Изоляционное масло
      • Изолента
      • Изоляционная бумага
      • Ламинирование на основе древесины

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор не имеет потерь. В его обмотках отсутствуют магнитный поток рассеяния, омическое сопротивление и потери в стали в сердечнике.

Уравнение ЭДС трансформатора

N ₁ – количество витков в первичке.

N ₂ – количество витков во вторичной обмотке.

Φ _м – максимальный поток в вебере (Вб).

T – период времени. Время берется за 1 цикл.

Образующийся поток представляет собой синусоидальную волну. Оно возрастает до максимального значения Φ _м и уменьшается до отрицательного максимума Φ _м . Таким образом, поток достигает максимума за четверть цикла. Затраченное время равно Т/4.

Средняя скорость изменения потока = Φ _м /(T/4) = 4fΦ _м

Где f = частота

Т = 1/ф

ЭДС индукции на оборот = скорость изменения потока на оборот

Форм-фактор = среднеквадратичное значение / среднее значение

Среднеквадратичное значение = 1,11 (4fΦ _м ) = 4,44 fΦ _м [форм-фактор синусоиды равен 1,11]

Среднеквадратичное значение ЭДС, индуцированной в обмотке = Среднеквадратичное значение ЭДС на виток x количество витков

Первичная обмотка

Действующее значение ЭДС индукции = E ₁ = 4,44 фФм * Н ₁

Вторичная обмотка:

Действующее значение ЭДС индукции = E ₂ = 4,44 фФм * N ₂

Это уравнение ЭДС трансформатора.

Для идеального трансформатора без нагрузки,

E ₁ = напряжение питания на первичной обмотке.

E ₂ = напряжение на клеммах (теоретическое или расчетное) на вторичной обмотке.

Коэффициент трансформации напряжения

К называется коэффициентом трансформации напряжения, который является константой.

Случай 1: если N _{2 >} N _1, K>1 называется повышающим трансформатором.

Случай 2: если N ₂ < N ₁ , K<1, трансформатор называется понижающим.

Эффективность трансформатора

Сравнение выхода системы с входом подтвердит эффективность трансформатора. Система называется лучшей, когда ее эффективность высока.

\(\begin{array}{l}КПД\влево ( \eta \right ) = \frac{Выходная мощность}{Входная мощность}\times 100\end{array} \)

\(\begin{array}{l}Эффективность\влево ( \eta \right ) = \frac{P_{out}}{P_{out}+ P_{loses}}\times 100\end{array} \) 9{2}P_{см}}\times 100\end{массив} \)

Применение трансформатора

• Трансформатор передает электрическую энергию по проводам на большие расстояния.

• Трансформаторы

  с несколькими вторичными обмотками используются в радио- и телеприемниках, для которых требуется несколько разных напряжений.

• Трансформаторы используются в качестве регуляторов напряжения.

Решенные примеры, связанные с трансформатором

1. Трансформатор имеет 600 витков первичной обмотки и 20 витков вторичной обмотки. Определить вторичное напряжение, если вторичная цепь разомкнута, а первичное напряжение равно 140 В.

Дано

Общее количество витков первичной обмотки (N ₁ ) = 600 витков

Общее количество витков вторичной обмотки (N ₂ ) = 20 витков

Первичное напряжение (В ₁ ) = 140 В

Решение:

Напряжение на первичной обмотке = N ₁ В ₁

Напряжение на вторичной обмотке = N ₂ В ₂

Напряжение на один виток

 

\(\begin{array}{l}V_{t} = \frac{V_{2}}{N_{2}} = \frac{V_{1}}{N_{1}}\end{array} \)

 

\(\begin{array}{l}k = \frac{V_{2}}{N_{2}} = \frac{V_{1}}{N_{1}}\end{array} \)

 

k — это коэффициент трансформации

 

\(\begin{array}{l}V_{2} = \frac{N_{2}}{N_{1}}\times V_{1}\end{массив} \)

 

\(\begin{array}{l}V_{2} = \frac{20}{600}\times \times 140\end{array} \)

 

В ₂ = 4,6 В

2. Трансформатор имеет первичную обмотку с 1600 витками и вторичную обмотку с 1000 витками. Если сила тока в первичной обмотке 6 ампер, то какова сила тока во вторичной обмотке.

Дано:

Первичная катушка (N ₁ ) = 1600 петель

Вторичная катушка (N ₂ ) = 1000 петель

Ток в первичной обмотке (I ₁ ) = 4 А

Решение:

\(\begin{массив}{l}\frac{I_{2}}{I_{1}} = \frac{N_{1}}{N_{2}}\end{массив} \)

\(\begin{массив}{l}\frac{I_{2}}{4} = \frac{1600}{1000}\end{массив} \)

I ₂ = 6,4 А

Ток вторичной обмотки 6,4 Ампера

Часто задаваемые вопросы о трансформаторе

Каков принцип работы трансформатора?

Трансформатор работает по принципу взаимной индукции.

Перечислите три типа трансформаторов в зависимости от уровня напряжения?

В зависимости от уровня напряжения трансформаторы бывают трех типов
Повышающий трансформатор
Понижающий трансформатор
Изолирующий трансформатор

Каковы основные части трансформатора?

Железный сердечник
Первичная обмотка
Вторичная обмотка

Почему горят и взрываются трансформаторы?

Трансформаторы горят и взрываются при ударах молнии, перегрузках, коррозии, скачках напряжения и т. д.

Что такое трансформатор?

Трансформатор — это устройство, используемое для повышения или понижения напряжения переменного тока.

Что такое повышающий трансформатор?

Повышающий трансформатор — это трансформатор, выходное напряжение которого больше входного.

Что такое понижающий трансформатор?

Понижающий трансформатор — это трансформатор, выходное напряжение которого меньше входного.

Определить коэффициент трансформации трансформатора.

Коэффициент трансформации трансформатора представляет собой отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки.

Работа трансформатора: принцип, основы и типы

Трансформатор преобразует электрическую энергию из одной электрической цепи в другую. В частности, повышающий трансформатор увеличивает напряжение при его передаче из первичной цепи во вторичную. С другой стороны, понижающий трансформатор снижает напряжение при его передаче из первичной цепи во вторичную. Для того, чтобы понять, как это делает трансформатор, нужно узнать о работе трансформатора.

Работа трансформатора: принцип

Преобразование энергии осуществляется за счет взаимной индукции между обмотками. Простейшая форма трансформатора показана на рисунке 1, на котором изображен трансформатор, состоящий из двух катушек индуктивности, первичной и вторичной обмоток. Две катушки соединены ламинированным стальным сердечником, который позволяет магнитному потоку проходить по ламинированному пути.

Рисунок 1. Схема трансформатора. Источник: Джорджия Панаги, StudySmarter.

При подключении первичной обмотки к внешнему источнику переменного напряжения в обмотках индуцируется магнитный поток по закону Фарадея.

Закон Фарадея гласит, что переменное магнитное поле индуцирует электродвижущую силу, противодействующую изменениям магнитного поля.

Когда переменный ток проходит через первичную обмотку, магнитное поле изменяется, вызывая электродвижущую силу. Возникающее магнитное поле разрезает обмотку вторичной катушки, что создает в этой обмотке переменное напряжение за счет электромагнитной индукции.

Трансформаторы могут достигать своей цели только при подаче переменного тока. Это связано с тем, что постоянный ток не создает электромагнитной индукции.

Большая часть магнитного потока связана со вторичной обмоткой, что называется «основным потоком», в то время как оставшийся поток не связан со вторичной обмоткой и известен как «поток рассеяния».

Поток рассеяния — это небольшая часть потока, которая просачивается за пределы пути магнитного потока.

ЭДС индукции известна как ЭДС взаимной индукции, и ее частота равна приложенной электродвижущей силе.

Когда вторичная обмотка представляет собой замкнутую цепь, по цепи протекает взаимно индуцированный ток, передавая электрическую энергию из первичной цепи во вторичную.

Сердечник трансформатора

Сердечник трансформатора состоит из ламинированных стальных листов, расположенных таким образом, что между каждым листом имеется минимальный воздушный зазор. Это делается для обеспечения непрерывного пути магнитного потока. Используемый тип стали обеспечивает высокую проницаемость и снижает потери на вихревые токи и низкие потери на гистерезис.

Гистерезисные потери возникают из-за намагничивания и размагничивания сердечника, когда ток подается в обоих направлениях.

Сталь обладает высокой проницаемостью, что означает, что ее способность проводить магнитный поток намного выше, чем у воздуха, что позволяет возникать магнитному потоку.

Вихревые токи циркулируют в проводниках подобно завихрениям в потоке, вызванном переменными магнитными полями, текущими по замкнутому контуру.

Типы трансформаторов

Существуют различные типы трансформаторов с различными геометрическими вариациями.

Трансформатор с сердечником

В трансформаторе с сердечником обмотки имеют цилиндрическую форму и расположены в сердечнике, как показано на рисунке 2 ниже. Цилиндрические катушки имеют разные слои, причем каждый слой изолирован от другого. Трансформаторы стержневого типа существуют как в малом, так и в крупногабаритном исполнении. Эффективная площадь сердечника трансформатора может быть уменьшена за счет использования ламинирования и изоляции.

Рис. 2. Трансформатор с сердечником. Источник: МайТек.

Трансформатор кожухового типа

В трансформаторе кожухового типа катушки смонтированы слоями и уложены друг на друга с изоляцией между ними. Трансформатор оболочкового типа может иметь простую прямоугольную форму, как показано на рис. 3 (слева), или может иметь распределенную конфигурацию (справа).

Рис. 3. Прямоугольный трансформатор (слева) и распределенный трансформатор (справа). Источник: CircuitsToday.

Зигзагообразный или соединительный трансформатор звездообразного типа

Зигзагообразный трансформатор имеет зигзагообразное соединение, при котором токи в обмотках на сердечнике протекают в противоположных направлениях во избежание насыщения.

Рис. 4. Зигзагообразная конфигурация трансформатора.

Использование и назначение трансформатора

Трансформаторы классифицируются в зависимости от их использования, назначения и поставки. Существуют две основные цели, для которых используются трансформаторы:

• Повышающие трансформаторы используются для увеличить напряжение на вторичной обмотке. У повышающего трансформатора на вторичной обмотке больше витков, чем на первичной.
• Понижающие трансформаторы используются для снижения напряжения на вторичной обмотке. У понижающего трансформатора на вторичной обмотке меньше витков, чем на первичной.

Уравнение коэффициента трансформации определяет соотношение между вторичным и первичным напряжениями В ₁ и В ₂ измеряется в Вольтах, токи I ₁ и I ₂ измеряются в Амперах, а количество витков в катушках n ₁ и n ₂ . Это соотношение можно использовать для уменьшения или увеличения количества пропорционально второй или первичной обмотке.

a=n1n2=V1V2=I2I1

Уравнение идеального трансформатора

Отношение напряжений равно отношению числа витков, как показано в предыдущих уравнениях. В идеальном трансформаторе без потерь электроэнергии, включая потери в сердечнике, потери на вихревые токи или потери на гистерезис, входная мощность равна выходной мощности.

Следовательно, КПД трансформатора равен 100 %, или отношение выходной мощности к потребляемой равно 1. Это также показано в приведенном ниже уравнении идеального трансформатора, где I ₁ и V ₁ — ток и напряжение первичной обмотки соответственно, а I ₂ и В ₂ — ток и напряжение вторичной обмотки соответственно.

Входная мощность=Выходная мощностьV1·I1=V2·I2

Входное напряжение 5 В подается на первичную обмотку трансформатора, а выходное напряжение 15 В индуцируется во вторичной обмотке. Если мы заменим первичное входное напряжение на 25 В, каково будет новое индуцированное выходное напряжение вторичной катушки?

Мы используем уравнение трансформатора, чтобы определить соотношение между первичным и вторичным напряжениями. Затем мы используем это отношение для определения нового индуцированного напряжения во вторичной обмотке на основе нового первичного входного напряжения.

a=V1V2=515=0,330,33=25VV2’⇒V2’=25V0,33=75V

Однофазные и трехфазные трансформаторы

Трансформаторы также можно классифицировать по типу питания. Существует два типа питания:

• Однофазные трансформаторы содержат один проводник и один нулевой провод. Они работают с использованием цикла напряжения, работающего в фазе времени, и широко используются в современных технологиях для преобразования значений переменного тока в желаемые.