Мощность трансформатора от чего зависит: Все о трансформаторах — принцип работы, характеристики, свойство и применение

Как узнать мощность трансформатора?

Определение мощности силового трансформатора

Для изготовления трансформаторных блоков питания необходим силовой однофазный трансформатор, который понижает переменное напряжение электросети 220 вольт до необходимых 12-30 вольт, которое затем выпрямляется диодным мостом и фильтруется электролитическим конденсатором.

Эти преобразования электрического тока необходимы, поскольку любая электронная аппаратура собрана на транзисторах и микросхемах, которым обычно требуется напряжение не более 5-12 вольт.

Чтобы самостоятельно собрать блок питания, начинающему радиолюбителю требуется найти или приобрести подходящий трансформатор для будущего блока питания. В исключительных случаях можно изготовить силовой трансформатор самостоятельно. Такие рекомендации можно встретить на страницах старых книг по радиоэлектронике.

Но в настоящее время проще найти или купить готовый трансформатор и использовать его для изготовления своего блока питания.

Полный расчёт и самостоятельное изготовление трансформатора для начинающего радиолюбителя довольно сложная задача. Но есть иной путь. Можно использовать бывший в употреблении, но исправный трансформатор. Для питания большинства самодельных конструкций хватит и маломощного блока питания, мощностью 7-15 Ватт.

Если трансформатор приобретается в магазине, то особых проблем с подбором нужного трансформатора, как правило, не возникает. У нового изделия обозначены все его главные параметры, такие как мощность, входное напряжение, выходное напряжение, а также количество вторичных обмоток, если их больше одной.

Но если в ваши руки попал трансформатор, который уже поработал в каком-либо приборе и вы хотите его вторично использовать для конструирования своего блока питания? Как определить мощность трансформатора хотя бы приблизительно? Мощность трансформатора весьма важный параметр, поскольку от него напрямую будет зависеть надёжность собранного вами блока питания или другого устройства. Как известно, потребляемая электронным прибором мощность зависит от потребляемого им тока и напряжения, которое требуется для его нормальной работы. Ориентировочно эту мощность можно определить, умножив потребляемый прибором ток (

I_н на напряжение питания прибора (U_н). Думаю, многие знакомы с этой формулой ещё по школе.

P=U_н * I_н

,где U_н – напряжение в вольтах; I_н – ток в амперах; P – мощность в ваттах.

Рассмотрим определение мощности трансформатора на реальном примере. Тренироваться будем на трансформаторе ТП114-163М. Это трансформатор броневого типа, который собран из штампованных Ш-образных и прямых пластин. Стоит отметить, что трансформаторы такого типа не самые лучшие с точки зрения

коэффициента полезного действия (КПД). Но радует то, что такие трансформаторы широко распространены, часто применяются в электронике и их легко найти на прилавках радиомагазинов или же в старой и неисправной радиоаппаратуре. К тому же стоят они дешевле тороидальных (или, по-другому, кольцевых) трансформаторов, которые обладают большим КПД и используются в достаточно мощной радиоаппаратуре.

Итак, перед нами трансформатор ТП114-163М. Попробуем ориентировочно определить его мощность. За основу расчётов примем рекомендации из популярной книги В.Г. Борисова «Юный радиолюбитель».

Для определения мощности трансформатора необходимо рассчитать сечение его магнитопровода. Применительно к трансформатору ТП114-163М, магнитопровод – это набор штампованных Ш-образных и прямых пластин выполненных из электротехнической стали. Так вот, для определения сечения необходимо умножить толщину набора пластин (см. фото) на ширину центрального лепестка Ш-образной пластины.

При вычислениях нужно соблюдать размерность. Толщину набора и ширину центрального лепестка лучше мерить в сантиметрах. Вычисления также нужно производить в сантиметрах. Итак, толщина набора изучаемого трансформатора составила около 2 сантиметров.

Далее замеряем линейкой ширину центрального лепестка. Это уже задача посложнее. Дело в том, что трансформатор ТП114-163М имеет плотный набор и пластмассовый каркас. Поэтому центральный лепесток Ш-образной пластины практически не видно, он закрыт пластиной, и определить его ширину довольно трудно.

Ширину центрального лепестка можно замерить у боковой, самой первой Ш-образной пластины в зазоре между пластмассовым каркасом. Первая пластина не дополняется прямой пластиной и поэтому виден край центрального лепестка Ш-образной пластины. Ширина его составила около 1,7 сантиметра. Хотя приводимый расчёт и является ориентировочным, но всё же желательно как можно точнее проводить измерения.

Перемножаем толщину набора магнитопровода (

2 см.) и ширину центрального лепестка пластины (1,7 см.). Получаем сечение магнитопровода – 3,4 см². Далее нам понадобиться следующая формула.

,где S – площадь сечения магнитопровода; P_тр – мощность трансформатора; 1,3 – усреднённый коэффициент.

После нехитрых преобразований получаем упрощённую формулу для расчёта мощности трансформатора по сечению его магнитопровода. Вот она.

Подставим в формулу значение сечения S = 3,4 см², которое мы получили ранее.

В результате расчётов получаем ориентировочное значение мощности трансформатора ~ 7 Ватт. Такого трансформатора вполне достаточно, чтобы собрать блок питания для монофонического усилителя звуковой частоты на 3-5 ватт, например, на базе микросхемы усилителя TDA2003.

Вот ещё один из трансформаторов. Маркирован как PDPC24-35. Это один из представителей трансформаторов – «малюток». Трансформатор очень миниатюрный и, естественно, маломощный. Ширина центрального лепестка Ш-образной пластины составляет всего 6 миллиметров (0,6 см.).

Толщина набора пластин всего магнитопровода – 2 сантиметра. По формуле мощность данного мини-трансформатора получается равной около 1 Вт.

Данный трансформатор имеет две вторичные обмотки, максимально допустимый ток которых достаточно мал, и составляет десятки миллиампер. Такой трансформатор можно использовать только лишь для питания схем с малым потреблением тока.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Расчет силового трансформатора: по мощности, нагрузке, формулы

Расчетный срок службы трансформатора обеспечивается при соблюдений условий:

При проектировании, строительстве, пуске и эксплуатации эти условия никогда не выполняются (что и определяет ценологическаятеория).

Определение номинальной мощности трансформатора

Для правильного выбора номинальной мощности трансформатора (автотрансформатора) необходимо располагать суточным графиком нагрузки, из которого известна как максимальная, так и среднесуточная активная нагрузки данной подстанции, а также продолжительность максимума нагрузки.

График позволяет судить, соответствуют ли эксплуатационные условия загрузки теоретическому сроку службы (обычно 20…25 лет), определяемому заводом изготовителем.

Для относительного срока службы изоляции и (или) для относительного износа изоляции пользуются выражением, определяющим экспоненциальные зависимости от температуры. Относительный износ L показывает, во сколько раз износ изоляции при данной температуре больше или меньше износа при номинальной температуре. Износ изоляции за время оценивают по числу отжитых часов или суток: Н=Li.

В общем случае, когда температура изоляции не остается постоянной во времени, износ изоляции определяется интегралом:

В частности, среднесуточный износ изоляции:

Влияние температуры изоляции определяет, сколько часов с данной температурой может работать изоляция при условии, что ееизнос будет равен нормированному износу за сутки:

При температуре меньше 80°С износ изоляции ничтожен и им можно пренебречь. Температура охлаждающей среды, как правило, не равна номинальной температуре и, кроме того, изменяется во времени. В связи с этим для упрощения расчетов используют эквивалентную температуру охлаждающей среды, под которой понимают такую неизменную за расчетный период температуру, при которой износ изоляции трансформатора будет таким же, как и при изменяющейся температуре охлаждающей среды в тот же период.

Допускается принимать эквивалентную температуру за несколько месяцев или год равной среднемесячным температурам или определять эквивалентные температуры по специальным графикам зависимости эквивалентных месячных температур от среднемесячных и среднегодовых, эквивалентных летних (апрель—август), осенне-зимних (сентябрь—март) и годовых температур от среднегодовых.

Если при выборе номинальной мощности трансформатора на однотрансформаторной подстанции исходить из условия

(где Рмах — максимальная активная нагрузка пятого года эксплуатации; Рр — проектная расчетная мощность подстанции), то при графике с кратковременным пиком нагрузки (0,5… 1,0 ч) трансформатор будет длительное время работать с недогрузкой. При этом неизбежно завышение номинальной мощности трансформатора и, следовательно, завышение установленной мощности подстанции.

В ряде случаев выгоднее выбирать номинальную мощность трансформатора близкой к максимальной нагрузке достаточной продолжительности с полным использованием его перегрузочной способности с учетом систематических перегрузок в нормальном режиме.

Режимы работы трансформатора

Наиболее экономичной работа трансформатора по ежегодным издержкам и потерям будет в случае, когда в часы максимума он работает с перегрузкой (эксплуатация же стремится работать в режимах, когда в часы максимума загрузки данного трансформатора он не превышает свою номинальную мощность). В реальных условиях значение допустимой нагрузки выбирается в соответствии с графиком нагрузки и коэффициентом начальной нагрузки и зависит также от температуры окружающей среды, при которой работает трансформатор.

Коэффициент нагрузки, или коэффициент заполнения суточного графика нагрузки, практически всегда меньше единицы:

В зависимости от характера суточного графика нагрузки (коэффициента начальной загрузки и длительности максимума), эквивалентной температуры окружающей среды, постоянной времени трансформатора и вида его охлаждения согласно ГОСТ допускаются систематические перегрузки трансформаторов.

Перегрузки силовых трансформаторов

Перегрузки определяются преобразованием заданного графика нагрузки в эквивалентный в тепловом отношении (рис. 3.5). Допустимая нагрузка трансформатора зависит от начальной нагрузки, максимума нагрузки и его продолжительности и характеризуется коэффициентом превышения нагрузки:

Допустимые систематические перегрузки трансформаторов определяются из графиков нагрузочной способности трансформаторов, задаваемых таблично или графически. Коэффициент перегрузки передается в зависимости от среднегодовой температуры воздуха /сп вида охлаждения и мощности трансформаторов, коэффициента начальной нагрузки кн н и продолжительности двухчасового эквивалентного максимума нагрузки tmах.

Для других значений tmax допустимый можно определить по кривым нагрузочной способности трансформатора.

Если максимум графика нагрузки в летнее время меньше номинальной мощности трансформатора, то в зимнее время допускается длительная 1%я перегрузка трансформатора на каждый процент недогрузки летом, но не более чем на 15 %. Суммарная систематическая перегрузка трансформатора не должна превышать 150 %. При отсутствии систематических перегрузок допускается длительная нагрузка трансформаторов током на 5 % выше номинального при условии, что напряжение каждой из обмоток не будет превышать номинальное.

На трансформаторах допускается повышение напряжения сверх номинального: длительно — на 5 % при нагрузке не выше номинальной и на 10% при нагрузке не выше 0,25 номинальной; кратковременно (до 6 ч в сутки) — на 10 % при нагрузке не выше номинальной.

 Дополнительные перегрузки одной ветви за счет длительной недогрузки другой допускаются в соответствии с указаниями заводом — изготовителя. Так, трехфазные трансформаторы с расщепленной обмоткой 110 кВ мощностью 20, 40 и 63 М ВА допускают следующие относительные нагрузки: при нагрузке одной ветви обмотки 1,2; 1,07; 1,05 и 1,03 нагрузки другой ветви должны составлять соответственно 0; 0,7; 0,8 и 0,9.

Расчет номинальной мощности трансформатора

Номинальная мощность, MB • А, трансформатора на подстанции с числом трансформаторов п > 1 в общем виде определяется из выражения

Для сетевых подстанций, где примерно до 25 % потребителей из числа малоответственных в аварийном режиме может быть отключено, обычно принимается равным 0,75…0,85. При отсутствии потребителей III категории К 1-2 = 1 Для производств (потребителей) 1й и особой группы известны проектные решения, ориентирующиеся на 50%ю загрузку трансформаторов.

Рекомендуется широкое применение складского и передвижного резерва трансформаторов, причем при аварийных режимах допускается перегрузка трансформаторов на 40 % на время максимума общей суточной продолжительностью не более 6 ч в течение не более 5 сут.

При этом коэффициент заполнения суточного графика нагрузки трансформаторов кн в условиях его перегрузки должен быть не более 0,75, а коэффициент начальной нагрузки кпн — не более 0,93.

Так как К1-2 < 1, а Кпер > 1 их отношение К = К 1-2 / К пер. всегда меньше единицы и характеризует собой ту резервную мощность, которая заложена в трансформаторе при выборе его номинальной мощности. Чем это отношение меньше, тем меньше будет закладываемый в трансформаторы резерв установленной мощности и тем более эффективным будет использование трансформаторной мощности с учетом перегрузки.

Завышение коэффициента к приводит к завышению суммарной установленной мощности трансформаторов на подстанции.

Уменьшение коэффициента возможно лишь до такого значения, которое с учетом перегрузочной способности трансформатора и возможности отключения неответственных потребителей позволит покрыть основную нагрузку одним оставшимся в работе трансформатором при аварийном выходе из строя второго трансформатора.

Таким образом, для двухтрансформаторной подстанции

В настоящее время существует практика выбора номинальной мощности трансформатора для двух трансформаторной подстанции с учетом значения к = 0,7, т.е.

Формально выражение (3.14) выглядит ошибочно: действительно, единица измерения активной мощности — Вт; полной (кажущейся) мощности — ВА. Есть различия и в физической интерпретации S и Р. Но следует подразумевать, что осуществляется компенсация реактивной мощности на шинах подстанции 5УР, ЗУР и что коэффициент мощности cos ф находится в диапазоне 0,92… 0,95.

Тогда ошибка, связанная с упрощением выражения (3.13) до (3.14), не превышает инженерную ошибку 10%, которая включает в себя и приблизительность значения 0,7, и ошибку в определении фиксированного Рмах

Таким образом, суммарная установленная мощность двухтрансформаторной подстанции

При этом значении к в аварийном режиме обеспечивается сохранение около 98 % Рмах без отключения неответственных потребителей. Однако, учитывая принципиально высокую надежность трансформаторов, можно считать вполне допустимым отключение в редких аварийных режимах какойто части неответственных потребителей.

При двух и более установленных на подстанции трансформаторах при аварии с одним из параллельно работающих трансформаторов оставшиеся в работе трансформаторы принимают на себя его нагрузку. Эти аварийные перегрузки не зависят от предшествовавшего режима работы трансформатора, являются кратковременными и используются для обеспечения прохождения максимума нагрузки.

Далее приведены значения кратковременных перегрузок масляных трансформаторов с системами охлаждения М, Д, ДЦ, Ц сверх номинального тока (независимо от длительности предшествующей нагрузки, температуры окружающей среды и места установки).

Аварийные перегрузки масляных трансформаторов со всеми видами охлаждения:

Для трехобмоточных трансформаторов и автотрансформаторов указанные перегрузки относятся к наиболее нагруженной обмотке.

теория и формулы, примеры, схемы, особенности

Сложные многофункциональные устройства, способные преобразовывать электроэнергию из одной величины в другую, на языке электротехники, называют трансформаторами.  Для создания такого оборудования, в зависимости от конкретных величин преобразования, применяется специальный расчет. Как правильно проводить расчет трансформаторов, знать в нем основные параметры и формулы, правильно их использовать, уметь пользоваться упрощенной системой проектирования трансформаторов распространенных энерговеличин и становится целью содержания этой статьи.

Принцип работы

Любая энергосистема, установка, особенно в сети трехфазного (3ф) тока и напряжения просто не могла и не может обойтись без такого функционального устройства, как трансформатор. В высоковольтных сетях он производит повышение напряжения, получая его непосредственного из недр генератора и направляя в высоковольтные линии электропередач. На том конце линий тоже стоят трансформаторы высокого напряжения, которые уже производят процесс понижения его величины для подачи на объекты, которыми являются обычные потребители.

Трансформаторы тока в тех же мощных электроустановках производят преобразования первоначальной токовой величины в номинальные его значения, допустимые для питания контрольных и измерительных приборов, защит, учетных систем и прочих энергетических элементов.

В бытовых нуждах, однофазного тока и напряжения широко используют различные трансформаторы, которые преобразуя электрические величины обеспечивают питанием многие бытовые приборы, являются источником различного освещения, питают системы электроники и мультимедиа. В целом, без таких преобразователей в электричестве никуда.

Конструкция

На примере простейшего однофазного трансформатора возможно подробно рассмотреть его основные конструктивные элементы и узнать основы принципа его работы. Конструктивно такой трансформатор состоит из трех главных элементов:

1. Первичная обмотка – катушка с изолированными проводниками, намотанная в определенном порядке, выводы которой являются принимающим определенную величину электроэнергии. Проводники первичной обмотки передают электроэнергию дальше, для проведения ее трансформации;
2. Магнитопровод или сердечник – выполненный из специальной шихтованной (слоенной) электротехнической стали, различной конструкции и формы. На его части с одной и другой стороны наматываются проводники обмоток и именно в нем происходит бесконтактное явление трансформации величины электроэнергии;
3. Вторичная обмотка – изолированные проводники, с намоткой на вторую часть сердечника в определенном количестве, с конкретной толщиной. Выводы вторичных проводников передают выходную величину энергии к потребителю или другому энерго устройству, в цепь которого был установлен преобразователь.

Особенности

Принцип работы любого трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции, в замкнутом контуре магнитопровода, сквозь намотанные на него проводники первичной и вторичной обмотки. Подключенная к сети переменного тока первичная обмотка создает в замкнутом контуре магнитное поле с движущимся по кольцу магнитопровода магнитным потоком. Его движение проходит, через обе намотки обмоток и согласно закону индукции, создает в них электродвижущую силу (ЭДС).

Величина ЭДС напрямую зависит от количества витков в обмотках, сечения проводников и отличительными особенностями между первичной и вторичной обмотками. ЭДС, в системе трансформатора, это и есть выходное напряжение на выводах преобразователя. Чтобы ее величина стала меньше входного сигнала – количество витков вторичной обмотки должно быть меньше первичной катушки трансформатора.

Проектирование функций устройств преобразования, точное определение способности преобразования электровеличины – мощности трансформатора, количества витков обмоток, формы их намотки, выбор материала магнитопровода, его форма и размеры как раз и определяется в процессе расчета трансформатора.

Формулы расчета силового трансформатора

В силовой энерго установки при проектировании модели и типа трансформатора применяются основные формулы расчета его главных параметров и конструктивных величин. Как выполнить в некоторых подробностях стоит разобрать ниже.

Мощность вторичной обмотки

В зависимости от того, в какой сети (однофазной или трехфазной) участвует трансформатор, какой по типу трансформации – повышающей или понижающей, будет являться его вторичная обмотка, а так же при наличии конкретных данных указанных величин возможно произвести расчет мощности вторичной обмотки, согласно известной формулы электротехники.

Формула 1. Мощность вторичной обмотки трансформатора:

P₂ = U₂ X I₂, где

P₂ – величина электрической мощности вторичной обмотки, единицы измерения – Вт;

U₂ – напряжение сети вторичной обмотки, на выходе трансформатора, единицы измерения – В;

I₂ – ток вторичной обмотки, возникшей на выходе трансформатора, и предназначенный для питания подключенного к нему потребителя и другого энергоустройства.

Общая мощность

Для силовых трансформаторов, особенно повышающего типа, всегда стоит учитывать потери, возникающие в проводниках обмоток, стали магнитопровода, которые влияют на коэффициент полезного действия устройства. Поданная мощность на первичную обмотку трансформатора, за счет электрических потерь в устройстве преобразователя всегда будет больше ее вторичного выходного сигнала. Отсюда КПД силового трансформатора будет равен 0,8-0,85 от ее величины.

При расчете общей мощности трансформатора потери и оставшееся полезное действие на выходе электроагрегата стоит учитывать в виде произведения полученной мощности вторичной обмотки P₂ и КПД устройства.

Формула 2. Полная мощность с учетом КПД:

P_расч2 = P₂ х КПД

Это будет более реальная величина мощности выходной обмотки трансформатора. Остальные параметры в расчетных формулах будут зависеть от количества витков первичной и вторичной обмоток, их сечения, материала проводников. Строение, материал и форма сердечников в свою очередь тоже имеет немаловажное значение в проведении точных и верных расчетов силовых трансформаторов.

Понятие полной мощности трансформатора так же включает в себя более широкое понятие мощностных характеристик в зависимости от типа устройства. Если трансформатор имеет несколько вторичных обмоток, то его полная мощность (S_полн.) будет равна сумме активных мощностей этих обмоток (P_2.1+P_2.2+….+P_2.N), умноженных на коэффициент мощности (Км).

Формула 3. Полная мощность с коэффициентом мощности:

S_полн. = (P2.1+P2.2+…. +P2.N) * Км

В любом случае в ее расчет всегда закладывают величины активной мощности – энергии, которая продуктивно потратится на питание электро потребителей или других электро систем в составе установки, а так же реактивную составляющую мощности, выраженную в простейших расчетах в виде КПД трансформатора, а боле детальных формулах представляющих собой коэффициент мощности. Так в общей мощности участвуют активная и реактивные составляющие трансформатора, единицы измерения ее представлены в вольтамперном произведении – ВА.

Это значение реактивной составляющей является справочным табличным значением в зависимости от трансформатора, строения, сечения и материала его сердечника.

Сечение сердечника

Строение сердечника в любом трансформаторе в зависимости от его назначения имеет несколько основных видовых особенностей. Магнитопроводы преобразователей электро энергетических величин всегда выполняются из прессованных (шихтованных) железных или стальных пластин. Отказ в применении монолитного сердечника в трансформаторе, выбор в пользу пластинчато-прессованного его строения связан, с уменьшением потерь выходных величин трансформатора, уменьшением вихревых токов в магнитопроводе, а значит повышением его КПД.

От того, где преимущественно будет использован трансформатор, применяют три основных конструктивных формы строения его сердечника:

• броневые – на Рис. 1 модели «1» и «4»;
• стержневые – на Рис. 1 модели «2» и «5»;
• кольцевые. – на Рис. 1 модели «3» и «6»;

Методы изготовления каждого из них в зависимости от детальных форм и различий выполняют производственными процессами типа штамповки или навивания стальной проволоки.

Рисунок 1. Типы сердечников и параметры расчета сечения магнитопровода

На Рис. 1 подробно представлены формы каждого из строений сердечника, обозначены два параметра (A и B), измеряемые в сантиметрах, посредством которых производят расчет сечение конкретного магнитопровода.

Формула 4. Площадь сечения сердечника трансформатора:

S = A x B

Единицы измерения – сантиметры в квадрате см²  

Произведением этих двух величин можно получить значение сечения магнитопровода, которое будет крайне необходимо для проведения остальных расчетов трансформатора.

Количество витков

Первоначальный этап расчета трансформатора электроэнергии. От значения зависят величины трансформации энергии оборудования, а также изменения выходных номиналов на клеммах вторичных обмоток.

Вычисления количества витков в намотке первичной и вторичной обмотки тесно связаны с предыдущем понятием – сечения магнитопровода. Производится по двум формулам: начальной и конечной. В состав расчета начальной формулы входит выяснения расчетного значения витков обмоток трансформаторов на единицу напряжения, равную 1В. Формула в составе имеет справочный коэффициент сердечника.

Формула 5. Количество витков в обмотке на 1В:

N_1v = K / S, где

N_1v – количество витков обмотки на единицу напряжения равную 1 В;

K – технический коэффициент формы магнитопровода: для Ш-образного сердечника значение принято – 60; П-образного из пластин – 50; кольцевого – 40.

S – сечение сердечника, полученного из расчета, выполненного ранее и описанного выше.

Конечная формула расчета сводится к применению следующей формулы, из которой можно получить значение количества витков в полном объеме.

Формула 6. Количество витков обмоток трансформаторов:

Wv = N х U, где

Wv -значение количества витков в обмотке;

N – количество витков на 1В полученное в начальной формуле;

U – величина напряжения обмотки без нагрузки (на холостом ходу).

После применения подобного расчета количества витков в обмотках, особенно в проектировании трансформаторов минимальной мощности, применяют 5% компенсационный коэффициент падений напряжения на обмотках. Тем самым расчетные значения увеличивают на 5% от их расчетной величины.

Выбор пластин для сердечника

Зависимость применения различных материалов самих магнитопроводов, их форм, конструкции и производству пластин сердечника трансформаторов, строится на уменьшении потерь различного рода в результате преобразовательных процессов работы устройства, уменьшении значения вихревых токов на сердечнике, по средствам увеличения электрического сопротивления сердечника.

Для производства, создания сердечников силовых трансформаторов применяются разнообразные типы электротехнической стали. Из нее производят пластины, которые после изолировании между собой производят сборку определенных форм магнитопровода. Самые распространенные виды сердечников выполняются из:

1. Ш-образных стальных пластин – тип сердечника трансформатора, выполненного по технологии штамповки пластин между собой, предварительно качественно изолировав их друг от друга. Имеют два отличия соединения стержней с ярмом сердечника. Могут собираться встык или вперемешку. По форме пластины такого рода напоминают букву «Ш», от которой и получили свое название.
2. П – образных пластин – так же штампованный тип сердечника, по форме напоминающий букву «П». Несколько мене распространен в производстве магнитопровода, так как имеет хуже магнитные характеристики.
3. «Торро» или кольцевая форма – сердечник выполнен не штамповкой, а навиванием стальной проволоки. По магнитным характеристикам имеют самые лучшие показатели, но на практике не смогли получить широкого распространения в связи с сложным процессом их производства и включения в состав трансформатора, как готового устройства.

Оценивая при расчете параметры напряжения, тока, мощности в значениях активной и реактивной энергии, выяснив количество витков обмотки и сечение магнитопровода стоит обратится к детальному выбору пластин сердечника и его оптимальной формы в конкретике расчетного проекта конкретного преобразователя.

Определение толщины набора сердечника

Один из окончательных расчетов геометрии сердечника, который выполняется в большинстве случаев, обращаясь к справочной технической литературе, где указаны табличные значения геометрии шаблонных форматов сердечников разного вида пластин и их материала.

Формулы расчета этого параметра существуют, исходят из показателей диаметра стержня магнитопровода, толщины листа пластин при их сборке, специальных коэффициентов заполнения в зависимости от толщины листа и прочих технически сложных параметров.

Формула 7. Площадь сечения Ш-образного сердечника:

S _ш = 1,2 , где

S _ш – значение площади сечение Ш-образного магнитопровода;

Полная мощность трансформатора, если имеет место двух катушечный тип устройства рассчитывается по Формуле 2, если вторичных обмоток много – рассчитывается по Формуле 3.

А уже после возможно определить значение толщины пластин сердечника по формуле.

Формула 8. Толщина пластин Ш-образного сердечника:

T_ш = 100 х S _ш / А, где

T_ш – толщина пластин сердечника, мм;

S _ш – площадь сечения Ш-образного сердечника, см²;

A – ширина среднего лепестка Ш-образного сердечника, мм.

Для сборки в заводских условиях подобные расчеты имеют автоматизированный характер, если значения необходимы радиолюбителям или начинающим электронщикам – проще обратится к стандартным базовым шаблонам того или иного сердечника. Получить такие параметры из справочника возможно, зная значение диаметр стержня сердечника.

Как рассчитать габаритную мощность

Окончательный геометрический параметр трансформатора зависит от комплекса всех ранее рассчитанных величин магнитопровода, добавляя к ним электромагнитные справочные значения, а также значения проводников первичной и вторичной обмоток, их сечения, материал и остальное.

Существует вариант определения мощности, на которую максимально рассчитан трансформаторный материал сердечника, его сталь, по величине сечения магнитопровода. Такой вариант расчета мощности магнитопровода является крайне наглядным. Ошибки в нем могут составлять до 50%. Поэтому лучше, воспользовавшись несколькими основными геометрическими величинами и справочными данными произвести расчет геометрической мощности по формуле.

Формула 9. Габаритная мощность трансформатора:

P_геом. = B x S² / 1.69, где

P_геом. – величина геометрической мощности для понижающего или повышающего типа трансформатора;

B – справочное значение и параметр индукции, наводящейся в конкретном магнитопроводе, измеряется в Тесла;

S – сечение магнитопровода, расчет которой по Формуле 4;

1,69 – постоянный поправочный коэффициент из технических справочников.

Зная параметры геометрии проектируемого трансформатора, используя приведенную формулу достаточно легко рассчитать геометрическую мощность трансформаторного изделия, с целью понимания его максимальных значений и возможностей в размерном эквиваленте.

Главный фактор в расчете параметра мощности геометрии трансформатора – превышение ее расчетной величины над значением электрической мощности.

Этот электромеханический параметр очень важный при дальнейшем определении параметров проводников в обмотках. Зная геометрическую мощность проекта преобразователя, уже точно нельзя будет ошибиться с диаметром проводника в расчетах обмоточных данных устройства.

Правильный расчет по сечению сердечника

Из электротехнических научных опытов, практики работы с трансформаторами известно, что стержневые сердечники в преобразователях энергии целиком носят обе обмотки на стержнях конструкций магнитопроводов, броневые конструкции лишь частично охватываются намоткой первичных и вторичных проводников катушек, и наиболее равномерное распределение, а значит и самые лучшие магнитные свойства устройства имеют кольцевые сердечники энергоагрегатов преобразования энергии, но они в связи со многими  сложными пунктами своего строения, а главное тяжести сборки все меньше и меньше участвуют в реальной работе.

Электротехническая сталь тонкими пластинами, изолированными между друг другом различными диэлектриками образуют строение наиболее популярных сердечников стержневого и броневого типа. Площадь поперечного сечения для таких сердечников оказывает громадное влияние на электрическую мощность трансформатора.

Рассматривая стандартный Ш-образный магнитопровод, зная, что сечение его сердечника рассчитывается по Формула 4, и не имея других электрических параметров, таких как допустимый ток первичной или вторичной обмотки, напряжение на обоих выводах, вполне точно и правильно возможно вычислить электрическую мощность устройства.

Формула 10. Расчет электрической мощности по сечению сердечника:

P_тр-р = (S)², где

P_тр-р – электрическая мощность расчетного сердечника, Вт;

S – площадь сечения магнитопровода оборудования, см².

Зависимость двух мощностей в расчетном проекте преобразователя энергии видно из формулы достаточно наглядно.

Учет площади сечения сердечника к тому же еще необходим для недопущения попадания стали магнитопровода в большую зону магнитного насыщения. Неправильный расчет площади может привезти именно к этому. Создать режим трансформатора от микроволновки, но обеспечения кратковременного режима работы. А это значит получение режима перегрузки в работе, износ, потери на выходе вторичной обмотки.

Окончательный показатель, оценивающий важность верного расчета площади сечения сердечника, называется коэффициентом заполняемости окна сердечника проводниковой медью первичной и вторичных обмоток. Если сравнивать по этому параметру кольцевой трансформатор с броневым или стержневым – значения конечно же сильно будут разница в пользу тороидального трансформатора, но для двух последних этот коэффициент как раз можно улучшить вышеприведенным расчетом.

Как определить число витков обмотки

В Формула 5 и Формула 6 приведены расчетные способы  в начальной и конечной технологии, для математического определения необходимого количества витков на вторичной обмотке трансформатора.

Первичная намотка проводников оборудования тоже имеет определенное количество витков в своем номинале. Чем больше витков на этой обмотке – тем больше электрическое сопротивление ввода, а значит меньше нагрев. Определить количество витков обоих обмоток в процессе проекта расчета трансформатора возможно по отношению следующих равенств.

Формула 11. Расчет количества витков первичной обмотки:

N₁ / U₁ = N₂ / U₂, где

N₁, N₂ – количество витков намотки первичной и вторичной катушек трансформатора;

U₁, U₂ – номинальные напряжение обмоток трансформатора.

Из такого равенства отношений, особенно, когда уже успешно посчитано количество витков вторичной обмотки, используя математику, можно вывести формулу расчета витков обмотки на вводе трансформатора.

Формула 12. Количество витков в намотке первичной обмотки:

N₁ = U₁ x N₂ / U₂

Если проект имеет не только теоретическое обоснование, но и практическую составляющую в виде реального трансформатора, то с помощью медного проводника в изоляции (если позволяет конструкция устройства) и мультиметра возможно измерениями получить это же значение витков трансформатора на вводной обмотке, отталкиваясь от количества витков на 1В, и разматывая старую или наматывая новую первичную обмотку.

Упрощенный расчет 220/36 Вольт

Всю теорию легко показывать и пояснять на практическом примере ведения расчета трансформаторного устройства.

Итак, в качестве примера поставлена следующая задача: необходимо рассчитать самый простой понижающий трансформатор двухкатушечного типа с номинальным значением напряжений 220/36В.

Трансформатор будет использоваться в качестве источника слаботочного освещения мощностью 75Вт, напряжения 36В:

1 этап

По Формуле 1 известно, что электрическая мощность вторичной цепи: P2 = 75Вт;

Отсюда, воспользовавшись справочником по трансформаторам возьмем значение КПД, исходя из значения до 100 Вт, которое равно 0,8;

Следовательно, можем определить электрическую мощность P₁ вводной обмотки трансформатора по формуле.

Формула 13. Расчет мощности первичной обмотки:

P₁ = P₂ / КПД

P₁ = 75Вт / 0,8 = 94 Вт

2 этап

Теперь рассмотрим электромеханические характеристики, исходя из того, что сердечник расчетного трансформатора имеет Ш-образную форму. На его поверхности с двух сторон будут располагаться первичная и вторичные обмотки оборудования.

Поэтому расчет площади сечения магнитопровода S_серд. необходимы в обязательном порядке. Ее значение имеет квадратичную зависимость от мощности первичной обмотки , исходя из принципа работы трансформатора, как электротехнического устройства.

Формула 14. Расчет площади сечения исходя из мощности первичной обмотки:

S_серд. = 1,2 х

S_серд. = 1,2 х  = 1,2 х 9,7 = 11.63 см²

3 этап

Следующий шаг так же направлен на просчет параметров первичной обмотки – количество витков в ней на единицу напряжения 1В по Формуле 5:

N1v = 60 / 11,63 = 5,16 витка

На единицу напряжения количество витков получено. Используя его значение по Формула 6 найдем значение витков на вводной обмотке оборудования преобразования всего:

Wv1 = 5.16 x 220 = 1135 витков – первичная обмотка посчитана по количеству витков, аналогичные действия проведем для вторички, используя тоже количество витков на 1В и Формуле 6:

Wv2 = 5.16 x 36 = 186 витков – намотка вторичной обмотки по виткам тоже стала известна.

4 этап

Номинальные токи нагрузки трансформатора тоже необходимо узнать, чтобы провести проверку трансформатора согласно методике испытаний. Исходя из Форм. 1 можно вывести формулу токового значения.

Формула 15. Расчет номинального тока обмоток трансформатора:

I₁ = P₁ / U₁

I₂ = P₂ / U₂, где

I₁, I₂ – номинальные токи трансформаторных обмоток;

P₁, P₂ – электрические мощности ввода и вывода устройства;

U₁, U₂ – номинальные напряжения первичной и вторичной стороны трансформатора.

I₁ = 94 / 220 = 0,43А;

I₂ = 75 / 36 = 2,08А.

5 этап

Новые параметр, которые не рассматривался ранее – это диаметр проводника обмоток трансформатора (зависит от номинального тока на каждой обмотке).

Формула 16. Расчет диаметра проводника обмоток трансформатора:

D1 = 0,8

D2 = 0,8 , где

D1, D2 – диаметр проводника первичной и вторичной обмоток;

I1, I2 – номинальные токи обмоток первичной и вторичной намотки;

0,8 – постоянный поправочный коэффициент расчетов диаметров.

D1 = 0,8  = 0,8*0,66 = 0,5 мм.

Для проводников первичной и для проводника вторичной обмоток:

D2 = 0,8  = 0,8*1,44 = 1,15 мм.

6 этап

В электротехнике кабельно-проводниковая продукция всегда представлена в значения площади поперечного сечения жилы, а значит, чтобы не возникало проблем с реальным подбором проводника требуется перевести полученные диаметры в площадь поперечного сечения с помощью электронных конвекторов по Формуле 17. Перевод из диаметра в сечение провода:

S_КПП= D² * 0.8

Отсюда для каждого из диаметров получаем:

• S_КПП1= (0,5)² * 0.8 = 0,2 мм² – провод для первичной обмотки;
• S_КПП2= (1,15)² * 0.8 = 1,0 мм² – провод для вторичной обмотки.

Далее получив все расчетные значения по трансформатору из примера, приступают к практической части намотки витков с обеих сторон одновременно, коммутации их выводов и другим работам.

Как рассчитать Ш-образный трансформатор

Универсальность конструкции Ш-образного магнитопровода позволяет одинаково эффективно использовать, закладывать форму сердечника в проекты расчета, как импульсных– современных трансформаторов, участвующих в процессах обеспечения питания электронной бытовой и мультимедийной техники, так и проводить серьезные проектные расчеты силовых трансформаторов напряжения, находящийся в составе высоковольтных подстанций, основного и аварийного питания значительного количества потребителей (в случае двух трансформаторной структуры энергоснабжения).

Расчеты Ш-образного трансформатора по своим характеристикам ничем особенным не может отличаться от основных пунктов упрощенного или детального расчета преобразователей энергии. Для него могут использоваться формулы нахождения параметрических величин или применяться расчеты онлайн автоматизации проектов. Второй метод несколько универсален и быстротечен, в том плане, что для его использования достаточно знать исходную геометрию и номинальные значения выходных величин, что авто программа расчетов смогла предоставить необходимые значения для оборудования.

Единственным нюансом для Ш-образного магнитопровода может быть расчет номинальной мощности вторичных обмоток, если у него она не одна, тогда расчет мощности можно выполнить по Формуле 3. И расчет толщины набора сердечника будет зависеть от расчетов и данных Ш-образного магнитопровода по Формула 8

В остальном в зависимости от параметров можно применять все вышеуказанные формулы, исходя из конкретных электрических величин Ш-образного сердечника.

Определение параметров ТТ

Измерительный преобразователь тока, в основном принципе своей работы имеет некоторые важные отличительные особенности по сравнению с силовыми трансформаторами питания электропотребителей или трансформаторов напряжения.

Отличия заключаются в токовой величине его вторичной обмотки. Ток «вторички» ТТ независим от нагрузки цепей в ней, и имеет сопротивление, которое всегда соответствует количеству витков первичной обмотки с минимальным значением по величине в сравнении с сопротивлением силовых цепей первичного подключения.

Рисунок 2. Принципиальная схема трансформатора тока.

К тому же протекающий ток I₂ через цепь вторичной обмотки имеет постоянное направление, при помощи которого производится размагничивание сердечника данного устройства. I₁ обозначено направление тока первичной обмотки ТТ.

В связи с условием что верхний конец первичной обмотки находится там же, где и  верхний конец первичной обмотки, учитывая из физики равенства магнитных потоков его обмоток можно составить определенный алгоритм расчета такого оборудования преобразования тока с учетом нюансов изделия:

1. Определяется номинальное напряжение первичного обмотки ТТ – величина выбор которой производится из стандартных паспортных значений таблиц и измеряется в киловольтах: 0,66/ 3/6/10/15/20/24/ 27/ 35/ 110/ 150/ 220/ 330/ 750.
2. Второй важный параметр токового устройство – определение номинального тока первичной обмотки – учитывая перегрузочные способности, данная величина рассчитывается большей или равной (> =) номинального тока первичной цепи электроустановки. Его токовый ряд первичной обмотки выбирается из ГОСТ значений: 1, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 75, 80, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 750, 800, 1000, 1200, 1500, 1600, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 8000, 10000, 12000, 14000, 16000, 18000, 20000, 25000, 28000, 30000, 32000, 35000, 40000. Измеряется в амперах и кило амперах. В случае выбора ТТ на пусковое, генераторное оборудование к его номинальному току прибавляется 10% значение и от полученной суммы выбирается первичный ток ТТ.
3. Ведут проверки преобразователя по термической и электродинамической стойкости согласно формулам из паспортных формуляров проверок.
4. Выбирается и проверяется ТТ по мощности вторичных нагрузок – учитывая формулу 18:

Sном2 > Sнагр2, где

Sном2 – номинальная мощность вторичной обмотки;

Sнагр2 – мощность вторичной нагрузки, где будет установлен ТТ.

Кроме основных параметров выбора ТТ – это измерительное оборудование, учитывая значение номинала класса точности выбирается для питания и защиты цепей РЗиА, а так же преобразователи с завышенным коэффициентом трансформации и повышенным классом точности подбирают для питания токовых обмоток энергоучета.

Трансформаторы тока подключаются по каждому изделию на каждую фазу для включения в состав защитных, измерительных или учетных цепей.

Важное для расчета ТТ должно выполняться равенство по форм. 19:

(I₁*N₁) – (I₂*N₂) = 0, где

I₁, I₂ – значения токов первичной и вторичной обмотки;

N₁, N₂ – количество витков в обмотках ТТ.

Отсюда для вычисления количество витков в обмотке вторичного подключения определяется его токовое значение, совместно с основными понятиями магнитных характеристик:

• L_ind – значения индуктивности ТТ;
• XL_reac – сопротивления реактивной мощности ТТ;
• R_c – сопротивления нагрузки вторичной цепи.

Вычисления значений по формулам достаточно трудоемкий факт работы, поэтому в большинстве случаев, чтобы получить понимание выбора определенного трансформатора тока пользуются или целиком справочно-паспортными значениями их выбора или калькуляторами расчета параметров устройств.

Сердечники трансформаторов могут изготавливаться из ферромагнитных материалов или пластин Ш-образной формы электротехнической стали. Возможны кольцевые магнитопроводы из ленточно-проволочных материалов производства.

Особенности расчета сетевого трансформатора

Трансформаторы типа сетевой являют собой преобразователи напряжения, участвующие в цепях питания различных маломощных, относительно электроустановок силовых трансформаторов, энергопотребителей, приборов и устройств автоматики, контроля, телемеханики. Они очень популярны и широко распространены в мире подобного оборудования.

В связи с этим их выбор должен обладать определенными критериями по мимо основных номинальных электрических величин:

• номинальные токи первичной и вторичной обмотки;
• номинальные напряжения первичной и вторичной обмотки;
• мощности первичной и вторичной обмотки;
• полной мощности трансформатора;

Их выбор может варьироваться от отличий параметров конструкции и их различных типов. Главные из которых выделено рассматриваются ниже.

Выбор магнитопровода

Этот центральный элемент устройства обладает сразу несколькими характеристиками выбора.

Прежде всего, в зависимости от места установки и сферы применения сердечник трансформатора должен отвечать параметрам прочности, износостойкости, электрической прочности, экономичности.

Технология изготовления

Следующий параметр выбора зависит от его электромагнитных свойств. Технология изготовления делит магнитопроводы на два типа:

1. Пластинчатые – выполненные из пластин электротехнической стали, изолированных и спрессованных между собой в определенные формы, габаритные размеры.
2. Ленточные – выполнение из навивки стальной проволоки (менее распространены).

Формы серденичков

Каждый из двух видов в свою очередь подразделяется на формы и конструктивные различия стержней, окон для намотки проводников обмоток, диаметры которых зависят от электрических параметров оборудования. Формы сердечников бывают:

1. Стержневые – в пластинчатом исполнении производятся из пластин П-образной формы одинаковой ширины. Имеют одно окно с определенным размером прохода намотки обмоток. Замыкаются прямоугольными пластинами.
2. Броневые – Ш-образные пластины собираются в двух оконный магнитопровод, который замыкается прямоугольными пластинами из стали. Набираются переплетом для уменьшения магнитного сопротивления в местах стыка. С целью уменьшения вихревых токов производятся методом прессования.

Что касается таких же форм ленточных сердечников – набираются прямоугольной формы с разрезами вдоль и поперек. Для уменьшения магнитного сопротивления их сердечники подвергаются шлифовки.

Существуют еще кольцевые формы сердечников, которые обладают отличными магнитными свойствами в работе, но трудоемки в своем изготовлении. Некоторое время их производили в виде трансформаторов для питания освещения, но в настоящее время используют редко.

Самыми популярными в зависимости от токовых и мощностных характеристик выступают Ш-образные и П-образные сердечники при изготовлении сетевых трансформаторов. Для вторичных цепей много катушечного характера используют стержневой тип сердечников. Броневое исполнение содержит на каждой стороне только по одной катушке, что является его ограничительным фактором применения.

Варианты размещения катушек

С учетом конструктивных исполнений магнитопровода, электромагнитных характеристик устройства, его механики, следует различать несколько основных типов размещения обмоток:

• прямоугольный провод класс «Цилиндр – 1-2слоя» – преимущества – имеет хорошее охлаждение при эксплуатации, простота изготовления. К недостаткам относится малая прочность;
• прямоугольный провод класс «Цилиндр – многослой» – достоинства имеет в отличных магнитных свойствах системы, простоте изготовления. Минусы вида обмотки в плохом охлаждении в момент работы;
• круглый провод класс «Цилиндр – многослой» – плюсы варианта в простоте изготовления, минусы в плохой теплоотдаче, возможности перегрева;
• прямоугольный провод класс «Винтовая на 1-2 или многоход» – достоинства состоят в высокой прочности отличной изоляции, хорошем охлаждении. Минус в дороговизне при производстве;
• прямоугольный провод класс «Непрерывный» – механическая и электрическая прочность, хорошее охлаждение придают этому варианту положительных характеристик, но неудобство при обслуживании относят к недостаткам;
• алюминиевая фольга класс «Катушечный многослой или цилиндр» – достоинства в механической прочности, магнитных свойствах. Минус в сложности изготовления.

Так же есть катушки в виде дискового формата. Соединяемые между собой. В целом тип катушки и форма обмотки выбирается от электрических параметров необходимых в конкретном применении с учетом экономичной стороны и технологий.

Краткая справка о материалах магнитопровода

Для изготовления сердечников трансформаторов в обязательном порядке отбирают материалы, имеющие высокую магнитную проницаемость, малую площадь петли гистерезиса, минимальные энергетические потери при возникновении в них вихревых токов.

Сталь низкоуглеродистого состава – основа для производства сердечников. Мощные трансформаторы, которые имеют сложные структуры магнитопроводов, в генераторных системах и подобных им имеют сердечники, изготовленные из малоуглеродистых стальных материалов.

Для эксплуатации в высокочастотных режимах работы преобразователей энергии, их сердечник выполняют из ферритов или подобных им композитов (прессованные порошки с свойствами магнитной мягкости по типу магнетитов или карбонильного железа). Такие системы связывают с диэлектрической структурой в виде эпоксидных смол. В итоге получается собрание мелкозернистого порошка ферромагнитного (вещества в твердом состоянии, кристаллах, обладающих свойством намагниченности) состава, изолированного друг друга токопроводящей смолой.

Распространенная технология сердечников связана с набором отдельных пластин в пакетную стальную структуру с малым содержанием углерода

Исходные данные

Для выполнения проектных расчетов силовых агрегатов преобразования энергии, сетевых трансформаторов напряжения, импульсных энергетических преобразователей необходимо иметь часть справочно-табличных данных, исходя из составов материалов проводов обмоток, изоляции, стали сердечников, таких как:

1. Величина максимальной индуктивности – для точного расчета габаритной мощности.
2. Значение плотности тока – аналогичное участие справочного значения в расчете размерной мощности изделия.
3. Коэффициенты мощности конкретного устройства – для расчета мощностного параметра.
4. Сопротивления материалов сердечников и значение в проводниках обмоток для возможности расчета полной мощности.

Необходимы номинально-заданные параметры оборудования исходя из конкретного применения, нагрузки, которая будет использоваться в расчетном преобразователи:

• габаритные размеры сердечника и материалы из чего он изготовлен, тип и форма – размеры окна магнитопровода по длине и ширине особенно важны, т.к. связаны с площадью сечения магнитопровода, от которой идут дальнейшие расчеты;
• номинальные токи обмоток первичной и вторичной стороны устройства;
• номинальные напряжения в сети со стороны первичной и вторичной обмотки;
• значение и функционал трансформатора, на который направлен расчет;
• мощность по активной составляющей (первичной или вторичной обмотки)
• количество обмоток со стороны нагрузок;
• прочие детали или возможные подробности по изделию и функционалу его применения.

На основании исходных данных номинального и справочного характера вполне реально произвести ручной расчет трансформатора согласно формулам или воспользоваться автоматизированным сервисам в сети Интернет.

Как посчитать магнитопровод

В совокупности справочных и расчетных материалов, параметрических значений расчета трансформатора достаточно несложно произвести расчет его магнитопровода.

1 шаг

Расчету подвергается произведение площади сечения стержня S_ст на площадь сердечника S_сер согласно равенству форм. 20:

S_ст x S_сер   = Pгаб x 10² / (2,22F х B х j x КПД x N_ster x Kc x Km), где:

• Pгаб – габаритная мощность рассчитываемого трансформатора;
• F – частота переменного тока 50Гц
• B – максимальная индукция трансформатора, Тл;
• J – значение плотности тока А/м²;
• КПД – базовый коэффициент полезного действия устройства;
• N_{ster –} Число стержней сердечника;
• Kc – коэффициент заполнения сечения сердечника магнитной сталью;
• Km – коэффициент заполнения окна стержня магнитной сталью;

Частично данные берутся из исходных номинальных значений оборудования, но большая часть вытекает из технической справочной литературы и табличных параметров и величин согласно указанному сердечнику изделия. В них входят: индукция, КПД оборудования, плотность тока, А/м², коэффициенты заполнения сердечника и его окна.

2 шаг

Следующий шаг в расчете предполагает получение значения толщины сечения сердечника по Формуле 8, опубликованной в обзоре выше.

3 шаг

Последним шагом для расчета магнитопровода необходимо посчитать еще одно равенство значений узнав ширину ленты сердечника по форм. 21:

B_line= S_ст x S_сер   / (A x С x H), где

• B_line – ширина ленты сердечника для расчета, мм;
• S_ст x S_сер -площади сечения стержня и самого сердечника, см²;
• A x С x H – размеры сторон сердечника, мм.

После чего, имея на руках три основных параметра магнитопровода с помощью литературы подбора, методом сравнительного анализа полученного значения с ближайшим стандартом производится выбор марки, размеров и всех данных магнитопровода трансформатора.U2) / E

Получив количество витков возможно узнать диаметры проводников (форм. 25):

D1 = 1.13

D2 = 1.13

Обычно при этом расчет обмоток завершается по проектному трансформатору, однако в его содержании возможно еще высчитывать средние длины витка обмоток, длины витков каждой обмотки и их массы. Допустимо вывести расчет и массы магнитопровода, для более детальных и точных вычислений.

Мощность потерь

Их зависимость просматривается от воздействия силы магнитного поля на сердечник. Деление по виду потерь сердечника происходит в двух формациях:

• Статические потери P_stat – перемагничивание магнитопровода. Они прямо пропорциональны длине петли магнитного потока S_петли, частоте переменного тока F и весу магнитопровода G:

P_stat = S_петли х F х G (форм. 26)

Еще их называют потерями на гистерезисе. При уменьшении толщины ленты начинает рост таких потерь, аналогично при росте петли, частоты сети или весу сердечника.

Второй тип потерь:

• Динамические потери – потери, которые происходят при возникновении в сердечники вихревых токов.

Постоянный ток имеет нулевую частоту петли гистерезиса, как только частота начинает расти – идет возникновение динамических потерь в сердечнике.

Особенности расчета автотрансформатора

Автотрансформатор – преобразователь напряжений, имеющий в отличии от обычного трансформатора, единую и единственную обмотку с одним или несколькими промежуточными выводами.

Рисунок 3. Внешний вид автотрансформатора.

Если коэффициент трансформации нагруженного электротехнического устройства малого значения – автотрансформатор становится более экономически выгодным обычного преобразователя напряжения, т.к. расход медного провода его катушки  заметно меньше, чем у двух обмоточного обычного трансформатора.

Рисунок 4. Принципиальная схема автотрансформатора.

В общей точке обмотки судя по схеме на Рисунок 4 обмотки устройства протекает ток с определенным значением дельты:

Важно! Вход и Выход изделия напрямую связаны. Это означает опасность и запрет в проведении защитного заземления схемы, в которую включен нагруженный автотрансформатор.

Устройство автотрансформатора в нагруженном состоянии или в режиме холостого хода имеет дополнительную обмотку, без какой-либо связи с основной. И как только значение мощности дополнительной катушки больше мощности основной обмотки – экономическая и выгода автотрансформатора падает с критической скоростью.

Для расчета мощности во вторичной обмотке устройства представляет собой сумму двух значений:

P_reborn = U_ii x I               +           P_prox= U_ii x I_1, где

• P_preborn – преобразовательная мощность, величина проходящая в зону вторичной обмотки по средствам магнитной связи;
• P_{prox –} проходящая мощность во вторичную обмотку посредством электрической связи
• U_ii, I – напряжение, ток автотрансформатора.

Расчет автотрансформатора похож систему расчета силового преобразователя напряжения с одной поправкой – магнитопровод автотрансформатора рассчитывается на единицу значения преобразовательной мощности:

P_preborn = 1,1*P_a * , где

P_a – мощность автотрансформатора, общая, Вт;

коэффициент трансформации оборудования.

Автотрансформаторы, как бы парадоксальны их свойства и устройства не были, в однофазных и трехфазных сетях низковольтного и высоковольтного напряжения достаточно популярны за счет своих характеристик и возможности изменять выходную электрическую величину, низкой стоимости и коэффициентом полезного действия около 99%.

Мощные автотрансформаторы, начиная с напряжения 110 кВ используются в регулировочных ступенчатых узлах распределительных установок.

Слабые устройства, небольшой мощности, внешнего вида, как на Рисунок 3 стали очень популярны в научно-исследовательских организациях, как стендовое оборудование, позволяющее проводить многие тесты. Это касается и учебных заведениях. В них используются лабораторные автотрансформаторы (ЛАТР) для проведения работ и испытаний с целью обучения молодых специалистов.

Как посчитать пленочный трансформатор

Инновация в разработках сверхпроводников, в области криоэлектроники представлена в виде криогенного устройства на сверхпроводниках. Схематически его основные элементы представлены ниже на Рисунке 5  Это и есть – пленочный трансформатор магнитного потока.

Рисунок 5. Схематика пленочного трансформатора.

Квадратообразный обруч с активной полоской, изолирующей пленку, помещается между активной полосой трансформатора магнитного потока и магниточувствительным элементом.

С помощью преобразовательного устройства на сверхпроводниках происходит повышение умножение трансформатора магнитного потока.

Сверхпроводниковый трансформатор магнитного потока – пленочный трансформатор – устройство разработанная в научно-исследовательских институтах, имеет определенные свойства и преимущества:

• увеличение чувствительности датчиков;
• расширение динамического диапазона;
• увеличение помехозащищенности.

Пленочные трансформаторы сверхпроводимости нашли широкое применение в медицине в магнита-резонансных установках, позволяющих снять информацию сразу по всему организму и телу человека.

Рисунок 6. Схематика пленочного трансформатора с движением потока.

Однородность магнитного поля в активной полосе трансформатора увеличивается как показано на Рис. 7.

Рисунок 7. Схемы активных пластин.

Концентрация магнитного поля имеет определенный темп увеличения эффективности, рассчитываемый по формуле:

Как узнать мощность трансформатора по габаритам

Габаритную мощность трансформатора можно приблизительно узнать по сечению магнитопровода. Правда, ошибка может составлять до 50%, и это связано с рядом факторов. Габаритная мощность напрямую зависит от конструктивных особенностей магнитопровода, качества и толщины используемой стали, размера окна, величины индукции, сечения провода обмоток и даже качества изоляции между отдельными пластинами.

Чем дешевле трансформатор, тем ниже его относительная габаритная мощность.
Конечно, можно путём экспериментов и расчетов определить максимальную мощность трансформатора с высокой точностью, но смысла большого в этом нет, так как при изготовлении трансформатора, всё это уже учтено и отражено в количестве витков первичной обмотки.

Так что, при определении мощности, можно ориентироваться по площади сечения набора пластин проходящего через каркас или каркасы, если их две штуки.

P = B * S² / 1,69

P – мощность в Ваттах,
B – индукция в Тесла,
S – сечение в см²,
1,69 – постоянный коэффициент.

расчет мощности трансформатора по габаритам

Пример:

Сначала определяем сечение, для чего перемножаем размеры А и Б.

S = 2,5 * 2,5 = 6,25 см²

Затем подставляем размер сечения в формулу и получаем мощность. Индукцию я выбрал 1,5Tc, так как у меня броневой витой магнитопровод.

P = 1,5 * 6,25² / 1,69 = 35 Ватт

Если требуется определить необходимую площадь сечения манитопровода исходя из известной мощности, то можно воспользоваться следующей формулой:

S = ²√ (P * 1,69 / B)

Пример:

Нужно вычислить сечение броневого штампованного магнитопровода для изготовления трансформатора мощностью 50 Ватт.

S = ²√ (50 * 1,69 / 1,3) = 8см²

О величине индукции можно справиться в таблице. Не стоит использовать максимальные значения индукции, так как они могут сильно отличаться для магнитопроводов различного качества.

Максимальные ориентировочные значения индукции

Тип магнитопровода	Магнитная индукция мах (Тл) при мощности трансформатора (Вт)
	5-10	10-50	50-150	150-300	300-1000
Броневой штампованный	1,2	1,3	1,35	1,35	1,3
Броневой витой	1,55	1,65	1,65	1,65	1,6
Кольцевой витой	1,7	1,7	1,7	1,65	1,6

Видео: Как определить мощность трансформатора, несколько способов

Описание нескольких способов определения мощности 50 Гц трансформаторов.

Особенности работы выпрямителей, или как правильно рассчитать мощность силового трансформатора — Начинающим — Теория

Хороший и надёжный силовой трансформатор — это уже половина собираемой и разрабатываемой конструкции.
В настоящее время выбор силовых трансформаторов, предлагаемых рынком, для радиолюбителей довольно широк. Но не смотря на это, не все предлагаемые трансформаторы идеально подходят для нужд радиолюбителя (по току, напряжению, количеству обмоток и т.д.), и поэтому довольно часто ему приходится самостоятельно изготавливать силовые трансформаторы для своих разработок и собираемых конструкций.
В этой статье я попробую объяснить, как правильно выбрать, или рассчитать силовой трансформатор для своей конструкции.
Нового я здесь ничего не открою, и постараюсь как можно проще и на примерах, объяснить Вам то, что уже давно доказано и решено. Просто в силу каких либо обстоятельств, не все это могут знать.

В основном радиолюбителю приходится изготавливать силовые трансформаторы средней мощности 50 — 300 Вт.
КПД таких трансформаторов достигает 0,88 — 0,92. У более мощных промышленных трансформаторов, при мощностях более 1 кВт, КПД может достигать 0,97-0,98, так как обмотки их намотаны толстым проводом и потери в них на активное сопротивление минимальны.
У менее мощных трансформаторов, с мощностью до 40 Вт, КПД понижается и обычно не превышает 0,8 — 0,85.

Чтобы правильно рассчитать трансформатор, нужны довольно сложные вычисления, радиолюбители-же пользуются для этих целей упрощёнными формулами и радиолюбительскими программами, которые в принципе тоже довольно точно позволяют это сделать, поэтому я тоже постараюсь не отходить от этой традиции и всё попробую объяснить на практических примерах и готовых расчётах, используя по минимуму формулы и вычисления.

Как обычно производится расчёт силового трансформатора.
Зная напряжение и ток, который должна давать вторичная (или несколько вторичных) обмотка (U2 и I2), находим мощность вторичной цепи: При наличии нескольких вторичных обмоток мощность подсчитывают путем сложения мощностей отдельных обмоток.
Мощность вторичной обмотки Р2 по Закону Ома равна;

Отсюда можно найти и мощность первичной обмотки, где для трансформаторов средней мощности к нашим расчётам мы берём КПД трансформатора 0,9 (90%). Для трансформаторов меньшей мощности соответственно и КПД берётся меньше (0,8).
Мощность первичной обмотки Р1 (мощность трансформатора) в этом случае будет равна;

То есть поясню, если расчётная мощность вторичной (вторичных) обмотки у нас получилась например 100 Вт, то общая мощность трансформатора будет равна 111,1 Вт (100/0,9). Это ещё не учитывая ток холостого хода, который тоже прибавляется к общей мощности трансформатора.

Как определить мощность первичной обмотки мы уяснили, теперь как правильно определить мощность вторичной обмотки?
Для этого у нас имеется какая либо нагрузка, которая потребляет определённый ток при определённом напряжении. Например имеется нагрузка, потребляющая ток 2 Ампера при напряжении 15 Вольт.
Кажется что может быть проще, по Закону Ома умножаем 2 на 15 и вуаля — получаем 30 Вт. Да, это так, ток отдаваемый вторичной обмоткой будет равен току потребления нагрузкой, но только тогда, когда вторичная обмотка нагружена на активную нагрузку! Например обмотка накала ламп.
Если же вторичная обмотка нагружена на нагрузку через элементы выпрямителя, или выпрямителя и фильтра, то ситуация приобретает совсем другой оборот. Ток отдаваемый вторичной обмоткой будет больше тока, потребляемого нагрузкой!
Почему так, давайте попробуем вместе с этим разобраться.
Работа вторичной обмотки на активную нагрузку мы рассматривать не будем, здесь всё ясно, давайте пойдём дальше.

 

Работа выпрямителя на активную нагрузку.

Однополупериодный выпрямитель.

Поставим перед нагрузкой выпрямительный диод. То есть у нас получился однополупериодный выпрямитель.

Соберём такую же схемку. Трансформатор у меня тороидальный, мощностью 60 Вт, с напряжением ХХ вторичной обмотки около 20 вольт (номинальный ток нагрузки 3,8 А, номинальное напряжение 16,5 Вольт), ток ХХ трансформатора 7 мА.
В разрыв первичной обмотки, для измерения её тока, я поставил резистор, величиной 1,0 Ом, в разрыв вторичной (последовательно с нагрузкой) резистор, величиной 0,1 Ом. Для измерения в цепях переменного и пульсирующего тока и напряжения, я использовался среднеквадратичный (RMS) микровольтметр В3-57, ну и для измерения в цепях постоянного тока — цифровой мультиметр «Mastech MY64».

Для безопасности измерений, вся эта конструкция подключалась через разделительный трансформатор. В качестве нагрузочных резисторов использовались проволочные переменные сопротивления различных величин, мощностью 25 Вт.
Действующий ток нагрузки был установлен 0,5 ампер (рисунок выше). Предел измерения 100 мВ, шунт во вторичной цепи 0,1 Ом.
Сопротивление переменного резистора получилось 19 Ом, действующее напряжение на нагрузке 9,5 вольт. То есть мощность потребляемая нагрузкой получилась 4,75 Вт.
Измерим ток, потребляемый первичной обмоткой.

Ток первичной обмотки получился 97 мА, минус 7 мА ХХ, итого 90 мА. Напряжение на первичной обмотке 215 вольт. Мощность потребляемая первичной обмоткой получилась 19,35 Вт, то есть в 4 (четыре) раза больше мощности потребляемой нагрузки. Почему так? Кому интересны все подробности происходящих процессов в трансформаторе, рекомендую почитать первоисточники, приведённые в конце статьи, кому лень читать, попробую объяснить по простому.

При установке диода последовательно с нагрузкой, у нас получается однополупериодный выпрямитель. На нагрузку подаётся импульс напряжения (тока) только в положительный полупериод, а в отрицательный ничего нет (пауза). В результате чего среднее напряжение на нагрузке уменьшается более, чем в два раза (точнее в 2,2) по сравнению с напряжением на вторичной обмотке. Средний ток через диод соответствует току нагрузки, а действующий ток диода и самой вторичной обмотки — больше тока нагрузки в 1,57 раза.
Давайте подсчитаем мощность вторичной обмотки;
Ток нагрузи 0,5 А, умножаем на 1,57=0,785 (ток вторичной обмотки). Полученный ток умножаем на напряжение вторичной обмотки (19 Вольт) 0,785х19=14,9 Вт — это получается отдаваемая мощность вторичной обмотки, плюс сюда ещё добавляются и переходные процессы при работе диода (вентиля), плюс реактивные токи, которые просто нагревают обмотку, в итоге мощность трансформатора получается минимум в 3,5 раза больше мощности потребляемой нагрузкой.
Ещё при работе этой схемы во вторичной обмотке возникает постоянная составляющая (из-за того, что ток в обмотке протекает только в одном направлении в один полупериод), которая намагничивает сердечник трансформатора и тем больше, чем больше ток нагрузки. Из-за этого свойства сердечника ухудшаются и увеличивается ток ХХ, в последствии чего повышается потребляемая мощность трансформатора (у нас получилась мощность в 4 раза больше).

Например уже при токе нагрузки в 1,0 Ампер, напряжение на нагрузке получилось 9,0 Вольт, сопротивление нагрузки 9,0 Ом, мощность нагрузки 9,0 Вт. Ток первичной обмотки получился 230 мА (минус 7 мА) итого 223 и напряжение на первичной обмотке 210 вольт. Итоговая потребляемая мощность трансформатора 46,83 Вт, то есть больше мощности потребляемой нагрузкой уже в 5,2 раза. Сильно увеличился ток ХХ с увеличением тока нагрузки (от которого увеличилось намагничивание сердечника).

Двухполупериодный выпрямитель.

Ну, с однополупериодным выпрямителем разобрались, давайте пойдём дальше. Посмотрим как ведёт себя двухполупериодная схема.
Что из себя представляет двухполупериодная схема выпрямителя. Это два однополупериодных выпрямителя, которые работают на общую нагрузку. Каждый выпрямитель имеет свою обмотку, но в отличии от другого — противофазную, в результате чего выпрямляются (поступают в нагрузку) оба полупериода, за счёт чего эффективность такого выпрямителя, по сравнению с однополупериодным, повышается два раза.

Посмотрим, как он себя ведёт. Соберём схему двухполупериодного выпрямителя. Для этой схемы нужен трансформатор с отводом от средней точки вторичной обмотки. Трансформатор другой, вторичная обмотка имеет напряжение 193-193 Вольт, ток ХХ у него 36 мА (какой нашёл).
Проволочными резисторами выставил ток нагрузки 150 мА.

Нагрузочный резистор получился с сопротивлением 1,17 кОм, измеренное напряжение на нём 175 Вольт. Мощность потребляемая нагрузкой получилась 26,17 Вт. Смотрим ток первичной обмотки.

Ток первичной обмотки 210 мА, минус ток ХХ (36) итого 174 мА. Мощность потребляемая трансформатором получилась 38,28 Вт. Это больше мощности потребляемой нагрузкой в 1,46 раз.
Как видите, здесь показатели гораздо лучше, чем у однополупериодного выпрямителя.
Идём дальше.

Мостовая схема выпрямителя.

Проверим, как поведёт себя мостовая схема выпрямителя.
Для этого соберём следующую схему.

Трансформатор возьмём тот, что был и раньше, с одной вторичной обмоткой из первого рассматриваемого случая для однополупериодного выпрямителя.
Ток нагрузки я выставил 0,5 А, проволочное переменное сопротивление получилось величиной 32 Ома. Напряжение на нагрузке 16 Вольт. Мощность потребляемая нагрузкой получилась 8 Вт.

Смотрим ток потребляемый первичной обмоткой.

Ток первички 53 мА минус ток ХХ (7 мА) = 45 мА. Мощность потребляемая первичной обмоткой получилась 9,9 Вт. Это в 1,23 раза больше, чем мощность потребляемая нагрузкой.
Как видите, здесь показатели ещё лучше, чем у двухполупериодного выпрямителя, не говоря уже об однополупериодном.

Работа выпрямителя на нагрузку с ёмкостной реакцией.

В основном радиолюбители используют в своей практической деятельности выпрямители с сглаживающими фильтрами, начинающимися с ёмкости (конденсатора), то есть нагрузка с ёмкостной реакцией.
Переписывать учебники не имеет смысла, кому интересно, список литературы в конце статьи. Просто я здесь дальше кратко изложу основные схемы выпрямителей применяемых радиолюбителями, их особенности и приближённые электрические характеристики, и как они влияют на общую мощность трансформатора.

Однополупериодный выпрямитель.

Начнём как обычно с однополупериодного выпрямителя.

У такого выпрямителя конденсатор фильтра заряжается до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки (при отсутствии нагрузки). То есть если напряжение вторички 10 Вольт, то конденсатор зарядится до 10х1,41=14,1 Вольта (это без падения напряжения на диоде).
Достоинства выпрямителя;
Простота схемы, используется всего один вентиль (диод, кенотрон).
Недостатки;
Большая зависимость выходного напряжения от тока нагрузки, пониженная частота пульсаций по отношению с другими схемами, что требует применение конденсаторов в два раза большей ёмкости, плохое использование трансформатора (низкий КПД), присутствует вынужденное намагничивание сердечника. При пробое вентиля, переменное напряжение поступает на конденсатор, что ведёт его к выходу из строя и взрыву.
Особенности схемы;
Применяется радиолюбителями для питания слаботочных цепей. Обратное напряжение в этой схеме прикладываемое к вентилю, приблизительно в три раза больше напряжения вторичной обмотки (точнее в 2,82 раза), почему так происходит — попробуйте сами определить. То есть если у Вас вторичка имеет напряжение 100-110 Вольт, то диод необходимо ставить на обратное напряжение не менее 400 Вольт, на 300 Вольт может пробить.
Средний ток через вентиль здесь соответствует току нагрузки, а действующее значение тока через вентиль в два раза больше тока нагрузки.

 

Вторичная обмотка для однополупериодного выпрямителя выбирается в 1,8 -1,9 раз больше по току (лучше в 2 раза), чем ток потребления нагрузки. К общей расчётной мощности трансформатора, если есть ещё другие обмотки, добавьте мощность этой Вашей нагрузки умноженной на 2.

Двухполупериодный выпрямитель.

Двухполупериодный выпрямитель обладает гораздо лучшими параметрами, чем однополупериодный. Выходное напряжение этого выпрямителя (напряжение на конденсаторе) в 1,41 раз выше, чем напряжение вторичной обмотки (половины). Это при отсутствии нагрузки.

Достоинства выпрямителя;
Малое количество используемых вентилей (2). Среднее значение тока через вентиль почти в два раза меньше тока нагрузки. Уровень пульсаций у этой схемы в 2 раза меньше по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления. Емкость конденсатора при одинаковом с однополупериодной схемой коэффициенте пульсаций, может быть в 2 раза меньше. Отсутствует вынужденное намагничивание сердечника, но это зависит от конструкции трансформатора и способа намотки обмоток, о чём будет сказано ниже.
Недостатки;
Сложная конструкция трансформатора, вторичная обмотка состоит из двух половин, откуда не рациональное использование меди. Обратное напряжение на один вентиль здесь также больше напряжения (половины) вторичной обмотки в 2,82 раза. Плохое использование трансформатора, так как общая расчётная мощность всей вторичной обмотки получается в 2,2 раза больше мощности потребляемой нагрузкой.
Особенности схемы;
Так как за один период, в этой схеме работают обе половины вторичной обмотки по очереди, соответственно и вентили (диоды) тоже работают по очереди, то среднее значение тока через один вентиль (за период) здесь получается почти в два раза меньше, чем ток нагрузки. То есть например, если поставить в эту схему диоды с допустимым постоянным током на 5 Ампер, то снять с этого выпрямителя можно будет 7-8 Ампер без особого риска выхода из строя диодов, естественно обеспечив им необходимое охлаждение. Действующий же ток через вентиль и вторичную обмотку здесь будут в 1,1 раза больше тока нагрузки.
Провод для вторичной обмотки в этой схеме, можно выбирать на 30-40% меньше по току (сечение), чем ток нагрузки, так как половины вторичной обмотки так же работают по очереди и среднее значение тока вторичной обмотки получается меньше тока нагрузки. Но лучше, если позволяют размеры трансформатора и возможности, мотать вторичку проводом соответствующего сечения с током нагрузки.

Насчёт вынужденного намагничивания сердечника. Если сердечник трансформатора Ш-образный, броневой, и все обмотки размещены на одном каркасе, то вынужденного намагничивания сердечника здесь не будет.
Если сердечник трансформатора стержневой и в конструкции трансформатора предусмотрены два каркаса, на которых размещены обмотки, и сетевая обмотка состоит из двух половин, размещённых на разных стержнях (ТС-180, ТС250), то вторичную обмотку в таких трансформаторах необходимо выполнять следующим образом;
Каждая половина вторичной обмотки делится ещё раз пополам и наматывается на разных стержнях, потом всё соединяется последовательно, сначала четверти одной половины, затем другой. Как ниже на рисунке. Иначе будет намагничивание сердечника.

 

Так как кенотроны обладают большим внутренним сопротивлением, то при выборе кенотронной схемы выпрямителя, напряжение вторичной обмотки (половины) выбирается в среднем примерно на 10-15% меньше планируемого выходного напряжения выпрямителя. Это ещё зависит от тока нагрузки. Чем больше ток нагрузки, тем меньше должна быть разница.
Ещё запомните, что во всех выпрямителях и с кенотронами и с диодами, конденсаторы фильтра при отсутствии нагрузки, всегда заряжаются до амплитудного напряжения вторичной обмотки (UC = U2 x 1,41). Это учитывайте при выборе напряжения конденсаторов фильтра.

Как примерно определить здесь, какая мощность добавится к общей мощности трансформатора? Не углубляясь глубоко в теорию, так как там очень много зависящих друг от друга факторов, можно поступить следующим образом;

Зная расчётный ток нагрузки, умножаем его на 1,7 (схема с кенотронами), или на 1,6 (схема с диодами), потом полученный результат умножаем на напряжение нагрузки. Это будет приблизительный результат полученной мощности, которая добавится к общей мощности трансформатора. Большой ошибки здесь не будет.

 

Мостовой выпрямитель.

Мостовой выпрямитель, так же как и двухполупериодный, обладает гораздо лучшими параметрами, чем однополупериодный и немного получше КПД, чем у двухполупериодного. Поэтому это наиболее распространённая схема.

Достоинства выпрямителя;
Среднее значение тока через вентиль почти в два раза меньше тока нагрузки. Уровень пульсаций у этой схемы в 2 раза меньше по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления. Емкость конденсатора при одинаковом с однополупериодной схемой коэффициенте пульсаций, может быть в 2 раза меньше. Отсутствует вынужденное намагничивание сердечника. Используется всего одна вторичная обмотка.
Недостатки;
Плохое использование трансформатора, так как приходится увеличивать расчётную мощность вторичной обмотки на величину амплитудного значения напряжения вторичной обмотки, т.е. в 1,41 раз. Увеличенное число используемых вентилей (4) и необходимость их шунтирования резисторами, для выравнивания обратного напряжения на каждом их них. Хотя это уже не столь актуально при современном качестве их исполнения. Ещё в два раза большее падение напряжения, по сравнению с другими схемами, так как выпрямляемый ток проходит по двум вентилям последовательно. Но это заметно только при низком выходном напряжении и больших токах нагрузки.
Особенности схемы;
В этой схеме так же, как и в двухполупериодной, среднее значение тока через один вентиль (за период) получается почти в два раза меньше, чем ток нагрузки. То есть также можно использовать диоды с меньшим рабочим током (на 30-40%), чем ток нагрузки.
А вот действующий ток вторичной обмотки всегда будет выше, чем ток нагрузки, минимум на 1,41. Поэтому провод для вторичной обмотки в этой схеме нужно выбирать в 1,5 раза больше по току (сечение), чем ток нагрузки. Почему, потому что выпрямитель всегда будет заряжать конденсатор фильтра до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки, и от величины этого напряжения и подсчитывается мощность. А так, как по закону сохранения энергии она никуда не пропадает, то вторичной обмотки ничего не остаётся, как постоянно восполнять эту разницу. То есть у нас например вторичная обмотка имеет напряжение 14 Вольт. На конденсаторе фильтра будет напряжение около 20-ти Вольт. Нагрузили мы её током 0,5 Ампер. Мощность получилась 10 Вт. Значит и вторичка должна отдавать 10 Вт, а при выходном напряжении 14 Вольт это будет ток примерно 0,71 Ампера, то есть больше тока нагрузки в 1,41 раз.

Вторичная обмотка в мостовой схеме выпрямителя, всегда будет отдавать энергию на заряд конденсатора до амплитудного значения напряжения, а нагрузка разряжать его. То есть это как повышающий преобразователь, где низковольтная часть — это вторичная обмотка, а высоковольтная — конденсатор фильтра. Поэтому и ток вторичной обмотки всегда будет выше тока нагрузки на эту разницу напряжений, то есть минимум в 1,41 раз.

Например нашли Вы трансформатор с выходным напряжением 24 Вольта и током нагрузки 5 Ампер (120 Вт). Собрали линейный регулируемый блок питания, подключили к нему нагрузку 12 Вольт и током потребления 5 Ампер (60 Вт). Вроде всё нормально должно быть. Погоняли с полчаса-час, запахло палёным, потрогали трансформатор — обожглись. Как так?

Давайте проверим что у нас было с трансформатором;
Ток нагрузки 5 Ампер, напряжение на конденсаторе фильтра в режиме ХХ будет 24х1,41=33,84 Вольта. Мощность потребляемая нагрузкой будет 33,84х5=169,2 Вт, притом это не зависит от выходного напряжения Вашего БП, хоть 5 Вольт, хоть 25. Остальная мощность просто потеряется на регулирующем транзисторе.
И вот оказывается, что в течении часа наш транс отдавал мощность нагрузке 170 Вт!!!, хотя его мощность 120.

Вывод; Для схемы мостового выпрямителя, сечение провода вторичной обмотки необходимо выбирать на 50% или в 1,5 раза больше планируемого тока нагрузки для обеспечения нормальных условий работы трансформатора, или же выбирать трансформатор для своей конструкции с током вторичной обмотки выше планируемого на такую же величину, так как ток нагрузки на трансформаторах указан для активной нагрузки.

Ну и соответственно мощность вторичной обмотки подсчитывается так: Ток нагрузки умножаем на напряжение вторичной обмотки и полученный результат умножаем на 1,5.

 

Схема удвоения напряжения.

Схема удвоения напряжения, тоже довольно часто применяется на практике. Схема состоит из двух однополупериодных выпрямителей, включенных последовательно и работающих на общую нагрузку. Особенностью данной схемы является то, что в одном полупериоде от вторичной обмотки “заряжается” один конденсатор, а во втором полупериоде от той же обмотки – другой. Поскольку конденсаторы включены последовательно, то результирующее напряжение на обоих конденсаторах (на нагрузке) в два раза выше, чем можно получить от той же вторичной обмотки в схеме с однополупериодным выпрямителем. То есть максимальное выходное напряжение ХХ выпрямителя равно U2 х 2,82 , почти в три раза больше напряжения вторичной обмотки.

Достоинства выпрямителя;
Вторичную обмотку трансформатора можно рассчитывать на значительно меньшее напряжение. Отсутствует вынужденное намагничивание сердечника. Используется всего одна вторичная обмотка.
Недостатки;
Большая зависимость выходного напряжения от тока нагрузки. Значительные токи через вентили выпрямителя и вторичную обмотку. Уровень пульсаций значительно выше, чем в схемах двухполупериодных выпрямителей.
Особенности схемы;
Схемы эти на практике применяются для получения высоких напряжений при малых токах нагрузки. Например вполне можно использовать такую схему для питания анодных цепей в маломощных ламповых усилителях, если нет подходящего трансформатора а перематывать лень, в предварительных каскадах мощных ламповых усилителях, сеточных цепей, и т.д.. Пульсации на нагрузке здесь такие же, как в мостовой или двухполупериодной схеме выпрямителей. Ток протекающий через вентиль соответствует току нагрузки. Обратное напряжение на вентиль равно амплитудному значению напряжения вторичной обмотки.

Действующий ток вторичной обмотки здесь больше тока нагрузки почти в три раза (2,82). Мощность вторичной обмотки подсчитывается так, ток нагрузки умножаем на 2,9 и полученный результат умножаем на напряжение вторичной обмотки. Сечение провода вторичной обмотки для этой схемы, выбирается по току в три раза больше, чем ток потребляемый нагрузкой.

Почему так, теперь Вы сами вполне сможете догадаться. Если напряжение ХХ вторичной обмотки например 10 Вольт, то при положительном полупериоде конденсатор С1 здесь зарядится до какого напряжения? Правильно, до 14,1 вольта (до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки, которое больше действующего в 1,41 раз). При отрицательном полупериоде конденсатор С2 так же зарядится до 14,1 вольт. Какое будет итоговое напряжение на нагрузке (R), 28,2 Вольта, то есть в 2,82 раза больше напряжения вторичной обмотки. Отсюда и вторичке ничего не остаётся, как всё время компенсировать эту разницу.

Удачи Вам в конструировании!

Список литературы;

• Терентьев Б.П. «Электропитание радиоустройств» (1958).
• Белопольский И.И. «Электропитание радиоустройств» (1965).
• Рогинский В. «Электропитание радиоустройств» (1970).

 

Тульский завод трансформаторов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Различные типы трансформаторов и их применение

«ТРАНСФОРМАТОР» — одна из старейших инноваций в области электротехники. Трансформатор — это электрическое устройство, которое можно использовать для передачи мощности от одной цепи к другой без физического контакта и без изменения своих характеристик, таких как частота, фаза. Это важное устройство в любой электрической схеме сети. Он состоит в основном из двух цепей, а именно из первичных цепей и одной или нескольких вторичных цепей.Пожалуйста, перейдите по ссылке Все, что вам нужно знать о трансформаторах и работе трансформаторов. В этом обсуждении мы имеем дело с различными типами трансформаторов.

Трансформатор

Принцип работы трансформатора

Работа трансформатора зависит от закона электромагнитной индукции Фарадея. Явление взаимной индукции между двумя или более обмотками отвечает за преобразование мощности.

Согласно законам Фарадея, «Скорость изменения магнитной связи во времени прямо пропорциональна ЭДС, индуцированной в проводнике или катушке».

E = N dϕ / dt

Где,

E = Индуцированная ЭДС

N = количество витков

dϕ = Изменение потока

dt = Изменение во времени

Типы трансформаторов

Есть несколько Типы трансформаторов, используемых в электроэнергетической системе для различных целей, например, для выработки электроэнергии, распределения и передачи и использования электроэнергии. Трансформаторы классифицируются по уровням напряжения, используемой основной среде, расположению обмоток, использованию и месту установки и т. Д.Здесь мы обсуждаем различные типы трансформаторов: повышающий и понижающий трансформатор, распределительный трансформатор, трансформатор напряжения, силовой трансформатор, трансформатор 1-ϕ и 3-ϕ, автотрансформатор и т. Д.

Трансформаторы на основе уровней напряжения

Это наиболее часто используемые типы трансформаторов для всех приложений. В зависимости от соотношения напряжений между первичной и вторичной обмотками трансформаторы классифицируются как повышающие и понижающие трансформаторы.

Повышающий трансформатор

Как следует из названия, вторичное напряжение повышается в определенном соотношении по сравнению с первичным напряжением.Этого можно добиться, увеличив количество обмоток во вторичной обмотке, чем в первичной, как показано на рисунке. На электростанции этот трансформатор используется в качестве трансформатора подключения генератора к сети.

Повышающий трансформатор

Понижающий трансформатор

Он используется для понижения уровня напряжения от более низкого до более высокого уровня на вторичной стороне, как показано ниже, так что он называется понижающим трансформатором. Обмотка больше поворачивается на первичной стороне, чем на вторичной.

Понижающий трансформатор

В распределительных сетях понижающий трансформатор обычно используется для преобразования высокого напряжения сети в низкое напряжение, которое может использоваться для бытовой техники.

Трансформатор в зависимости от используемой среды сердечника

В зависимости от среды, размещенной между первичной и вторичной обмотками, трансформаторы классифицируются как с воздушным сердечником и железным сердечником

Трансформатор с воздушным сердечником

Как первичная, так и вторичная обмотки намотаны на не -магнитная полоса, где потокосцепление между первичной и вторичной обмотками осуществляется по воздуху.

По сравнению с железным сердечником взаимная индуктивность в воздушном сердечнике меньше, то есть в воздушной среде сопротивление создаваемому потоку велико. Но гистерезис и потери на вихревые токи полностью устранены в трансформаторе с воздушным сердечником.

Трансформатор с воздушным сердечником

Трансформатор с железным сердечником

Как первичная, так и вторичная обмотки намотаны на несколько пучков железных пластин, которые обеспечивают идеальную связь с генерируемым магнитным потоком. Он обеспечивает меньшее сопротивление потоку связи из-за проводящих и магнитных свойств железа.Это широко используемые трансформаторы с высоким КПД по сравнению с трансформаторами с воздушным сердечником.

Трансформатор с железным сердечником

Трансформаторы на основе схемы обмотки

Автотрансформатор

Стандартные трансформаторы имеют первичную и вторичную обмотки, размещенные в двух разных направлениях, но в обмотках автотрансформатора первичная и вторичная обмотки соединены друг с другом последовательно как физически, так и магнитно как показано на рисунке ниже.

Автотрансформатор

На одной общей катушке, которая образует как первичную, так и вторичную обмотку, напряжение в которой изменяется в соответствии с положением вторичных ответвлений на корпусе обмоток катушки.

Трансформаторы в зависимости от использования

В зависимости от необходимости они классифицируются как силовой трансформатор, измерительный трансформатор распределительного трансформатора и защитный трансформатор.

Силовой трансформатор

Силовые трансформаторы имеют большие размеры. Они подходят для передачи энергии высокого напряжения (более 33 кВ). Он используется на электростанциях и передающих подстанциях. Имеет высокий уровень теплоизоляции.

Силовой трансформатор

Распределительный трансформатор

Эти трансформаторы используются для распределения энергии, вырабатываемой электростанцией, в удаленные места.В основном он используется для распределения электроэнергии при низком напряжении ниже 33кВ в промышленных целях и 440-220В в бытовых целях.

• Он работает с низким КПД при 50-70%
• Маленький размер
• Простая установка
• Низкие магнитные потери
• Он не всегда полностью загружен

Распределительный трансформатор

Измерительный трансформатор

Используется для измерения электрических величин, например напряжение, ток, мощность и т. д.Они классифицируются как трансформаторы напряжения, трансформаторы тока и т. Д.

Трансформатор тока

Защитные трансформаторы

Этот тип трансформаторов используется в целях защиты компонентов. Основное различие между измерительными трансформаторами и защитными трансформаторами заключается в точности, что означает, что защитные трансформаторы должны быть точными по сравнению с измерительными трансформаторами.

Трансформаторы в зависимости от места использования

Классифицируются как внутренние и внешние трансформаторы.Внутренние трансформаторы имеют хорошую крышу, как в обрабатывающей промышленности. Наружные трансформаторы — это не что иное, как трансформаторы распределительного типа.

Трансформаторы для установки внутри и вне помещений

Это все о различных типах трансформаторов . Мы надеемся, что вы, возможно, почерпнули из этой статьи некоторые ценные идеи и концепции, внимательно прочитав ее. Кроме того, мы призываем вас поделиться своими знаниями по этой конкретной теме или темам электрических и электронных проектов, поскольку это станет для нас ценным предложением.Однако для получения дополнительных сведений, предложений и комментариев вы можете прокомментировать в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос , какие типы трансформаторов бывают в зависимости от использования?

Подробное описание трансформаторов напряжения | HubPages

Трансформаторы потенциала — это измерительные трансформаторы, используемые для питания катушек потенциалов реле индикации и измерения. Эти трансформаторы делают обычные приборы низкого напряжения пригодными для измерения высокого напряжения и изолируют их для высокого напряжения.

Первичная обмотка трансформатора напрямую подключена к силовым цепям высокого напряжения между двумя фазами или между фазой и землей, в зависимости от номинала трансформатора и его применения. К вторичной обмотке трансформатора напряжения подключены различные измерительные приборы и реле. Первичная обмотка имеет большое количество витков, а вторичная обмотка имеет меньшее количество витков, чем первичная обмотка. Эти две обмотки связаны магнитным полем. Количество витков вторичной обмотки зависит от цели, для которой используется трансформатор напряжения.

Первичная часть трансформаторов напряжения рассчитана на напряжение от 400 В до нескольких тысяч вольт. Большинство трансформаторов напряжения имеют номинальное значение вторичной обмотки 110 В. Отношение номинального первичного напряжения к номинальному вторичному напряжению известно как коэффициент трансформации.

Эксплуатация

Теория работы трансформатора напряжения по существу такая же, как и у силового трансформатора. Основное различие между трансформатором напряжения и силовым трансформатором состоит в том, что ток нагрузки трансформатора напряжения зависит исключительно от тока возбуждения и его вторичного импеданса.Вторичный импеданс трансформатора напряжения будет резистивным по своей природе. Трансформаторы напряжения рассчитаны с учетом максимальной нагрузки, которую он обеспечивает, без превышения указанных пределов погрешности, тогда как силовой трансформатор рассчитан на вторичную мощность, которую он обеспечивает без превышения указанного превышения температуры. Выходная мощность ПТ обычно ограничена несколькими сотнями вольт-ампер, в то время как мощность силового трансформатора варьируется от нескольких кВА до нескольких МВА.

Ошибки, возникающие в трансформаторах напряжения

Идеальный трансформатор напряжения должен выдавать вторичное напряжение точно по фазе с первичным напряжением и точно в противофазе.Но практически из-за некоторых падений первичного и вторичного напряжения невозможно получить точное пропорциональное напряжение на вторичной обмотке. Также не получается точное фазовое противостояние. Таким образом, фазовый преобразователь вносит как ошибку отношения, так и фазовый угол.

Ошибка соотношения

Ошибка соотношения напряжений обычно выражается через измеренное напряжение и дается как

Ошибка процентного отношения = (K _n V _s — V _p ) / V _p x 100%

K _n = число витков вторичной обмотки / число витков первичной обмотки,

= передаточное число

В _p , В _с = первичное и вторичное напряжения соответственно,

Ошибка угла сдвига фаз

Ошибка угла фазы δ обычно указывается в минутах и ​​показывает, на какой угол вторичное напряжение отличается от приложенного первичного напряжения.Увеличение количества измерительных приборов и реле, подключенных к вторичной обмотке трансформатора тока, увеличивает нагрузку, тем самым увеличивая ошибку соотношения и фазового угла.

Нагрузка

«Нагрузка» — это импеданс, представленный измерительным прибором на вторичных выводах трансформатора. Другими словами, общая внешняя вольт-амперная нагрузка, подключенная к вторичной обмотке при номинальном вторичном напряжении. Он в основном резистивный по своей природе и имеет большое значение. Ошибки соотношения и фазового угла также зависят от первичного напряжения.Работа при превышении 10% перенапряжения может привести к увеличению ошибок и чрезмерному нагреву. Ошибки должны быть в установленных пределах. Для достижения этого ФП должны иметь низкое реактивное сопротивление, низкие потери и высокое реактивное сопротивление намагничивания.

Низкое реактивное сопротивление достигается за счет чередования первичной и вторичной обмоток на плече сердечника. Для высокого реактивного сопротивления намагничивания требуется минимальный путь к железу и сталь с высокой проницаемостью. Низкие потери могут быть достигнуты за счет использования стали с низкими потерями и тонкого ламинирования. Самым важным для малых ошибок PT является максимально возможное увеличение нагрузки Z _b .

Ошибки по соотношению и фазовому углу любого стандартного СТ ASA настолько малы, что ими можно пренебречь для целей защитного реле, если нагрузка находится в пределах допустимого теплового напряжения СТ. Это тепловое вольт-амперное значение соответствует номинальной нагрузочной способности силового трансформатора.

Номинальная нагрузка

Номинальная нагрузка — это нагрузка в ВА на вторичной обмотке ПТ, при которой ПТ работал в пределах своей номинальной точности.

Предельная нагрузка

Номинальная номинальная мощность в ВА, в пределах которой ПТ работает без нарушения допустимых температурных пределов его обмоток.Эта нагрузка в несколько раз превышает номинальную.

Типы трансформаторов напряжения

Есть два типа трансформаторов напряжения. Их

1. Трансформаторы напряжения электромагнитного (обычного) типа.

2. Трансформаторы напряжения емкостного типа.

Трансформаторы напряжения обычного типа используются для напряжений ниже 100 кВ. Для напряжений выше 100 кВ обычный трансформатор напряжения становится более дорогим из-за требований к изоляции.Так, для напряжений выше 100 кВ используются трансформаторы напряжения емкостного типа. Емкостной ПТ состоит из емкостного делителя потенциала и промежуточного трансформатора относительно небольшого коэффициента передачи. Промежуточный трансформатор должен иметь небольшую погрешность соотношения и фазового угла, чтобы обеспечить удовлетворительную работу всего блока.

Трансформатор

Эта статья про электрическое устройство. Для франшизы игрушечной линии см Трансформеры. Для использования в других целях, см Трансформатор (значения).Распределительный трансформатор на опоре с центральным отводом вторичной обмотки. Этот тип трансформатора обычно используется в Соединенных Штатах для обеспечения «двухфазного» питания 120/240 В для жилого и небольшого коммерческого использования. Обратите внимание, что центральная «нейтральная» клемма заземлена на «бак» трансформатора, а заземленный провод (справа) используется для одной ветви первичного фидера.

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

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

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

В подавляющем большинстве трансформаторов обмотки представляют собой катушки, намотанные вокруг ферромагнитного сердечника, трансформаторы с воздушным сердечником являются заметным исключением.

Трансформаторы

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

История

Открытие

Эксперимент Фарадея с индукцией между витками проволоки ^[1]

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

.

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

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

Индукционные катушки

Кольцо-трансформер Фарадея

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

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

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

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

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

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

Трансформаторы с закрытым сердечником и внедрение параллельного подключения

Чертеж прототипа компании Ganz 1885 года. Мощность: 1400 ВА, частота: 40 Гц, коэффициент напряжения: 120/72 В Прототипы первых в мире трансформаторов с высоким КПД. Их построила компания Z.B.D. 16 сентября 1884 г. ^[13]

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

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

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

Другие ранние трансформаторы

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

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

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

Основные принципы

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

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

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

Закон индукции

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

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

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

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

Уравнение идеальной мощности

Идеальный трансформатор как элемент схемы

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

дает уравнение идеального трансформатора

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

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

Детализация операции

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

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

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

Практические соображения

Поток утечки

Поток утечки трансформатора Основная статья: Индуктивность утечки

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

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

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

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

Влияние частоты

Трансформатор универсальный уравнение ЭДС

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

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

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

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

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

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

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

Энергетические потери

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

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

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

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

Сопротивление обмотки

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

Гистерезис потерь

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

Вихревые токи

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

Магнитострикция

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

Механические потери

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

Случайные потери

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

Точечное соглашение

Основная статья: Точечное соглашение

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

Эквивалентная схема

См. Схему ниже

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

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

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

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

Эквивалентная схема трансформатора с импедансом вторичной обмотки относительно первичной обмотки

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

Параметры эквивалентной схемы трансформатора могут быть рассчитаны по результатам двух испытаний трансформатора: испытания на обрыв и испытание на короткое замыкание.

Типы

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

Автотрансформатор

Основная статья: Автотрансформатор

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

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

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

Трансформаторы многофазные

Трехфазный понижающий трансформатор, установленный между двумя полюсами электросети

Для трехфазных источников питания можно использовать группу из трех отдельных однофазных трансформаторов, или все три фазы могут быть объединены в один трехфазный трансформатор.В этом случае магнитные цепи соединены вместе, и сердечник, таким образом, содержит трехфазный поток магнитного потока. ^[50] Возможны различные конфигурации обмоток, приводящие к различным атрибутам и фазовым сдвигам. ^[51] Одной конкретной многофазной конфигурацией является зигзагообразный трансформатор, используемый для заземления и подавления гармонических токов. ^[52]

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

Трансформаторы утечки

Трансформатор утечки

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

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

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

Резонансные трансформаторы

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

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

Трансформаторы звуковые

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

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

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

Измерительные трансформаторы

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

Трансформаторы тока, предназначенные для размещения вокруг проводов.

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

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

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

Классификация

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

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

Строительство

Ядра

Трансформатор с ламинированным сердечником, показывающий край пластин вверху фото

Сердечник из многослойной стали

Трансформаторы

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

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

Ламинирование сердечника значительно снижает потери на вихревые токи

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

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

В распределительных трансформаторах

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

Твердые сердечники

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

Сердечники тороидальные

Малый трансформатор с тороидальным сердечником

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

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

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

Сердечники воздушные

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

Обмотки

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

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

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

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

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

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

Охлаждающая жидкость

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

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

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

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

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

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

Сушка изоляции

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

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

Клеммы

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

Приложения

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

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

Трансформаторы

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

Сигнальные и звуковые преобразователи используются для соединения каскадов усилителей и для согласования таких устройств, как микрофоны и проигрыватели, со входом усилителей. Звуковые трансформаторы позволяли телефонным цепям поддерживать двусторонний разговор по одной паре проводов. Готтлиб, Ирвинг (1998). Практическое руководство по трансформатору . Newnes. п. 4. ISBN 075063992X.

Защита силового трансформатора и виды неисправностей

Защита силового трансформатора и виды неисправностей

В предыдущем посте мы уже говорили о системах, устройствах и агрегатах электрической защиты. Сегодня мы поговорим о различных типах защиты трансформатора и неисправностях более подробно.

Неисправности силового трансформатора

Трансформаторы — это жизненно важное оборудование в сети передачи и распределения , поэтому защита от внутренних и внешних неисправностей является очень важным фактором при проектировании этих сетей.

Неисправности трансформаторов могут возникнуть:

• В диэлектрических (изоляционных) материалах, а именно в масле.
• В обмотках.
• В основном (реже).

Неисправности масла и изоляции обмоток

Трансформаторные масла предназначены для обеспечения электроизоляции при высоких электрических полях ; любое существенное снижение на в диэлектрической прочности может указывать на то, что масло больше не способно выполнять эту жизненно важную функцию .

Некоторые из факторов, которые могут привести к снижению диэлектрической прочности, включают полярных загрязнителей, таких как вода, продукты разложения масла и разрушение целлюлозной бумаги .

Неисправности трансформатора могут возникать в масле из-за газообразования, старения, загрязнения воздухом и недостаточного уровня и давления.

В случае незначительной неисправности , например, , повреждения изоляции сердечника болта, локального перегрева и т. Д. ., Дуговая дуга вызывает медленное образование газа в масле .

Все неисправностей сердечника и обмоток трансформатора приводят к локальному нагреву и выходу из строя мкл.

Когда неисправность относится к очень незначительному типу , например, горячее соединение , газ выпускается медленно, и поднимается в сторону расширителя .

Основная ошибка , где сильная дуга вызывает быстрое выделение большого объема газа и паров масла .

Это бурное выделение газа и паров масла не успевает выйти, и вместо этого создает давление и физически вытесняет масло , вызывая выброс масла в расширитель .

Повреждения также могут возникать в изоляционном материале обмоток , как следствие отказа масла, старения , перегрев и пробой изоляции .

Неисправности сердечника

Если какая-либо часть изоляции сердечника становится дефектной или многослойная структура сердечника перекрывается любым проводящим материалом , который может пропускать достаточный вихревой ток , он вызовет серьезный перегрев .

Болты с изолированной сердцевиной используются для затяжки сердечника . Если изоляция этих болтов , выходит из строя, и обеспечивает легкий путь для паразитного тока , это приведет к перегреву .

Механические удары во время погрузочно-разгрузочных работ и транспортировки может приложить к трансформатору с эквивалентной силой , превышающей 3g (где g — ускорение свободного падения; g = 9.81 м / с ² .) , что может вызвать искажение сердечника .

Неисправности обмоток

Неисправности общих обмоток: :

• Неисправности между первичной и вторичной обмотками ( короткое замыкание ) той же фазы .
• Короткое замыкание между витками обмотки .

Эти неисправности обычно являются результатом диэлектрического разрушения , как между обмотками, так и между витками одной и той же обмотки , из-за старения изоляционного материала , которое может увеличить из-за перегрузок .

Также необходимо учитывать, что обмотки подвергаются как радиальным, так и осевым силам , связанным с взаимодействием тока и магнитного потока . Радиальные силы во внутренней обмотке ( обычно обмотка низкого напряжения ) находятся в состоянии сжатия , тогда как силы на внешней обмотке ( обычно обмотка высокого напряжения ) находятся в напряжении .

Конструкция обмоток и связей должна учитывать величину этих сил и обеспечивать адекватную прочность , чтобы выдерживать их без значительной механической деформации , которая может привести к диэлектрическому разрушению .

Также механические удары во время погрузочно-разгрузочных работ и транспортировки может приложить к трансформатору эквивалентную силу выше 3g , что может вызвать деформацию и / или смещение обмоток и , уменьшение изоляции обмотки .

Неисправности из-за перегрузки

Нагрузка трансформатора определяется допустимым превышением температуры обмоток и маслом . Допустимая температура масла составляет 65 ° C и горячая точка Температура обмотки составляет 80 ° C при номинальной нагрузке .

Поскольку нагрузка трансформатора не остается постоянной и изменяется в соответствии с кривой нагрузки , нагрузка трансформатора становится важной эксплуатационной проблемой .

Номинальная выходная мощность силового трансформатора указана на его паспортной табличке со ссылкой с до , указанное превышение температуры при определенных условиях испытаний .

Выходной сигнал , который может быть получен от трансформатора без чрезмерного ухудшения изоляции , может быть либо больше, либо меньше номинального значения на паспортной табличке в зависимости от рабочих условий , таких как температура окружающей среды, начальная нагрузка, охлаждение, ожидаемый срок службы и т. д. .

Неисправности из-за перегрева

Перегрев в трансформаторе может быть вызван перегрузками, превышающими допустимые перегрузки , указанные производителями в соответствии со стандартами IEC ( 60354 для маслонаполненных трансформаторов и 60905 для сухого типа трансформаторы ) и внешних неисправностей , таких как короткое замыкание на установках после .Большинство этих неисправностей может быть ограничено надлежащим обслуживанием трансформатора.

Перегрев может вызвать пробой изоляции обмоток.

Защита силового трансформатора

Встроенная защита

Трансформаторы снабжены пулей ( внутренняя защита ) для диэлектрических повреждений ( образование газа ), температура , давление масла, уровень, температура обмотки и на устройстве РПН .

В соответствии с конструкцией трансформаторов должны быть предусмотрены следующие средства защиты :

Масляные трансформаторы с расширителем

• Реле Букхольца для диэлектрического пробоя ( 2 ступени : аварийный сигнал и отключение )
• Реле давления и уровня масла ( 2 ступени : аварийный сигнал и отключение )
• Термостат температуры масла ( 2 ступени : аварийный сигнал и отключение )
• Защита устройства РПН ( 2 шаги : аварийный сигнал и отключение )

Реле Букхольца имеет несколько методов обнаружения неисправного трансформатора .

• При медленном накоплении газа , возможно, из-за небольшой перегрузки , газа, образовавшегося в результате разложения изоляционного масла , накапливается в верхней части реле и понижает уровень масла на . Поплавковый выключатель в реле используется для инициирования сигнала тревоги . В зависимости от конструкции, второй поплавок на может также служить для обнаружения медленных утечек масла .
• Если образуется дуга , накопление газа происходит быстро , а нефть быстро течет в расширитель .Этот поток масла управляет переключателем , прикрепленным к лопатке , расположенной на пути движущегося масла .

Реле Бухгольца имеют тестовый порт , позволяющий извлекать скопившийся газ для проверки . Горючий газ , обнаруженный в реле указывает на некоторую внутреннюю неисправность , такую ​​как перегрев или дуга , тогда как воздух , обнаруженный в реле , может указывать только на низкий уровень масла или утечку .

Для трансформаторов , оснащенных охлаждающими вентиляторами и насосами , используются температурные устройства для автоматического запуска и остановки принудительного охлаждения . Они также оборудованы для подачи сигнала тревоги и отключения при очень высоких температурах трансформатора .

Масляные герметичные трансформаторы

• Обнаружение газа, уровень, давление и температура масла в одно оборудование ( DGPT 2 — Обнаружение газа, давления и температуры ) с 2 уровни ( аварийный сигнал и отключение )

Сухие трансформаторы

• Температура обмоток с 2 уровня ( аварийный сигнал и отключение ) — датчик температуры сопротивления PT 100 ( платиновый зонд ) или PTC («положительный температурный коэффициент »), то есть термистор (полупроводящий материал , чувствительный к температуре ).

Эти защиты имеют прямое действие на отключающие катушки автоматических выключателей .

Дифференциальная защита

Идеальный способ защиты из любой части оборудования энергосистемы — это сравнение тока, входящего в эту часть оборудования, с током, выходящим из него .

В нормальных нормальных условиях два равны . Если у два тока не равны , то должна существовать ошибка .

Это осуществляется с помощью « дифференциальная защита » (ANSI / IEEE / IEC код 87T), , диаграмма которого показана на рисунке 1, а принцип действия основан на текущем законе Кирхгофа .

Полезно знать:

IEC : Международная электротехническая комиссия.

ANSI : Американский национальный институт стандартов.

IEEE : Институт инженеров по электротехнике и электронике.

Рисунок 1 — Схема дифференциальной защиты

EHV и HV трансформаторы и автотрансформаторы для напряжений выше 49,5 кВ и MV трансформаторы с номинальной мощностью выше 3 916 4 MVA обычно имеют в качестве основной защиты a дифференциальную защиту для коротких замыканий обмоток — короткое замыкание между витками обмотки или между обмотками, которые соответствуют междуфазными или трехфазными короткими замыканиями. схемы .

Если в точке размещения трансформатора нет заземляющего соединения , то protectio n также может использоваться для защиты от замыканий на землю .

Если ток замыкания на землю равен , ограниченному импедансом , обычно невозможно установить для пороговое значение тока на значение, меньшее, чем ограничивающий ток.

Эта защита подключена к трансформаторам тока CT (трансформаторы тока ) на с обеих сторон трансформатора (первичная обмотка и вторичная обмотка ), как показано на рисунке 1.

Использование дифференциальной защиты трансформатора создает некоторые проблемы, которые необходимо учитывать:

Проблема , связанная с коэффициентом трансформации и методом соединения

Первичный и вторичный токи имеют разная амплитуда из-за коэффициента трансформации и разные фазы в зависимости от метода связи (трансформатор треугольник-звезда обеспечивает сдвиг фаз на 30 °).Следовательно, измеренные значения тока должны быть скорректированы таким образом, чтобы сравниваемые сигналы были равны во время нормальной работы.

Этот выполняется с использованием согласующих вспомогательных трансформаторов, роль которых заключается в балансировании амплитуды и фазы .

Когда одна сторона трансформатора соединена звездой с заземленной нейтралью, согласующие трансформаторы на этой стороне соединяются треугольником, так что остаточные токи, которые могут быть обнаружены при возникновении замыкания на землю вне трансформатора, равны очищено.

На рисунке 16 показан пример подключения дифференциальной защиты с использованием согласующих вспомогательных трансформаторов .

Рисунок — Схема дифференциальной защиты трансформатора

В настоящее время с электронными и микропроцессорными устройствами защиты эта компенсация осуществляется с помощью программного обеспечения .

Функция защиты основана на коэффициенте трансформации « n », который можно выразить уравнением :

n = (U ₁ / U ₂ ) = (I ₂ / I ₁ )

( U ₁ : первичное напряжение; U ₂ : вторичное напряжение; I ₁ : первичный ток; I ₂ : вторичный ток).

Приведенное выше соотношение является следствием уравнения номинальной мощности ( S ) трансформатора:

S = √3 x U ₁ x I ₁ = √3 x U ₂ x I ₂

Проблема , относящаяся к пусковому току трансформатора

Трансформатор переключение вызывает очень высокий переходный ток 8-15 I _n ), который протекает только через первичную обмотку и длится несколько десятых секунды .

Это — это , таким образом, определяется защитой как дифференциальный ток , и он длится намного дольше, чем время срабатывания защиты ( 30 мс ). Обнаружение, основанное только на разнице между первичным и вторичным токами трансформатора , вызовет активацию защиты . Следовательно, защита должна иметь возможность различать дифференциальный ток, вызванный неисправностью, и дифференциальный пусковой ток .

Опыт показал, что волна пускового тока содержит не менее 20% из компонент второй гармоники (ток на частоте из 100 Гц ), в то время как этот процент никогда не превышает , чем 5% при возникновении перегрузки по току из-за неисправности внутри трансформатора .

Защита должна поэтому просто заблокироваться , когда процентное значение второй гармоники по отношению к основной гармонической составляющей (ток при 50 Гц, ) выше, чем 15% , i.е. , « I ₂ / I ₁ > 15% ».

Проблема , относящаяся к току намагничивания при возникновении перенапряжения внешнего происхождения

Ток намагничивания или ток возбуждения — это ток, протекающий через первичную обмотку силового трансформатора , когда к вторичной обмотке не подключены нагрузки; этот ток устанавливает магнитное поле в сердечнике , а обеспечивает энергию для потерь мощности без нагрузки в сердечнике .Он отвечает за « потерь в железе ».

Ток намагничивания составляет разницы между первичным и вторичным токами трансформатора. Следовательно, это определяется как ток короткого замыкания дифференциальной защитой, даже если он не вызван отказом .

В нормальных рабочих условиях этот ток намагничивания составляет очень низкий и не достигает порога срабатывания защиты .

Почему трансформатор не работает от источника постоянного тока вместо переменного тока?

Что происходит, когда первичная обмотка трансформатора подключена к источнику постоянного тока?

Трансформатор — это устройство, которое повышает или понижает уровень переменного тока или напряжения без изменения первичной частоты (т. Е. Входного источника).

Трансформатор работает только от переменного тока и не может работать от постоянного тока, т.е. он разработан для работы только и только от переменного тока и напряжения. Чтобы узнать, что произойдет, если мы подключим источник постоянного тока к первичной обмотке трансформатора, см. Следующие примеры, где мы сначала подключаем трансформатор к переменному току, а затем к постоянному току.

Похожие сообщения:

Трансформатор, подключенный к источнику переменного тока

Предположим, мы подключаем трансформатор к источнику переменного тока со следующими данными.

• Первичное напряжение = В ₁ = 230 В
• Сопротивление = R ₁ = 10 Ом
• Индуктивность = L = 0,4 Гн
• Частота источника = 50 Гц

Давайте посмотрим, сколько тока будет протекать через первичный трансформатора в случае переменного тока.

Мы знаем, что сопротивление по переменному току = Импеданс

Импеданс = Z = В / I Ом

Где Z = √ (R ² + X _L ) ² в случае индуктивной цепи.

X _L = 2π f L

X _L = 2 x 3,1415 x 50 Гц x 0,4H

X _L = 125,67 Ом

Теперь для импеданса

Z = R ² + X _L ) ²

Ввод значений

Z = √ (10 ² Ом + 125,67 ² Ом)

Z = 126,1 Ом

Текущий ток в первичный

I = V / Z

I = 230 В / 126.1 Ом = 1,82 А

Первичный ток в случае переменного тока = 1,82 А

Связанные сообщения:

Трансформатор подключен к источнику постоянного тока

Теперь подключите тот же трансформатор к напряжению постоянного тока и посмотрим, что бывает.

Мы знаем, что в постоянном токе нет частоты, т.е. f = 0. Следовательно, индуктивное реактивное сопротивление X _L будет равно нулю, если мы положим f = 0 в X _L = 2π f L.

Таким образом, ток в первичной обмотке трансформатора в случае источника постоянного тока.

I = V / R

I = 230 В / 10 Ом

I = 23 A.

Первичный ток в случае постоянного тока = 23A

Связанные сообщения:

Приведенный выше расчет показывает, что чрезмерный ток будет течь в первичной обмотке трансформатора в случае подачи постоянного тока, который сожжет первичные обмотки трансформатора . Это не единственная причина, поскольку ток будет постоянным, теперь давайте посмотрим, что происходит в случае постоянного тока в трансформаторе.

Если первичная обмотка трансформатора подключена к источнику постоянного тока, первичная обмотка будет потреблять постоянный ток и, следовательно, производить постоянный магнитный поток. Следовательно, обратная ЭДС не будет производиться. Их первичная обмотка будет потреблять чрезмерный ток из-за низкого сопротивления первичной, поскольку мы знаем, что индуктивное реактивное сопротивление (X _L ) равно нулю из-за формулы индуктивного реактивного сопротивления (X _L = 2π f L), где частота Источник постоянного тока равен нулю. В результате первичная обмотка перегревается и перегорает или перегорает предохранитель и автоматический выключатель.Необходимо соблюдать осторожность, чтобы не подключить первичную обмотку трансформатора к источнику постоянного тока.

Похожие сообщения:

Почему трансформатор не может работать от постоянного тока вместо переменного?

Если мы приложим постоянное напряжение или ток к первичной обмотке трансформатора, то следующие результаты:

Мы знаем, что

v = L (di / dt)

Где:

• v = мгновенно напряжение на первичных обмотках
• L = индуктивность катушки индуктивности
• di / dt = мгновенная скорость изменения тока в А / с

Теперь в этом случае напряжения постоянны i.е. Постоянный ток. Теперь ток (i) будет быстро увеличиваться, пока не станет насыщенным железный сердечник трансформатора.

На этом этапе ток (i) возрастет до опасного уровня и перестанет изменяться. Когда нет изменения тока (i), индуцированное напряжение в первичной обмотке будет равно нулю, так как di / dt = 0, что приводит к короткому замыканию обмотки трансформатора с источником постоянного тока.

Когда ток превысит безопасный уровень, произойдет большая потеря мощности, так как P = I ² R . в результате чего температура поднимется до опасного уровня и может произойти взрыв трансформатора, и трансформаторное масло также может загореться.

Или посмотрим по второму закону Фарадея

e = N dΦ / dt

Где

• e = Индуцированная ЭДС
• N = число витков
• dΦ = Изменение потока
• dt = Изменение во времени

В случае подачи постоянного напряжения на трансформатор будет постоянный магнитный поток (Φ), индуцированный в первичной обмотке из-за постоянного тока.

Теперь наведенная ЭДС в первичной обмотке будет равна нулю, как (dΦ / dt = 0), то есть e = N dϕ / dt = 0 из-за постоянного потока, индуцированного постоянным током.

Мы также знаем, что в питании постоянного тока нет частоты, и поток обратно пропорционален частоте ( Φ = V / f ), которая насыщает сердечник трансформатора.

Это означает, что первичная обмотка трансформатора будет действовать путем короткого замыкания на дополнительный постоянный ток, который может вызвать взрыв трансформатора в целом. Это точная причина, по которой мы не должны подключать трансформатор к источнику постоянного тока вместо переменного тока.

Похожие сообщения:

При каких условиях питание постоянного тока безопасно применяется к первичной обмотке трансформатора?

В большинстве случаев это вопрос типа собеседования по электротехнике и электронике, поэтому давайте посмотрим, как подключить трансформатор к источнику постоянного тока.

Есть два условия, при которых мы можем подключить трансформатор к постоянному току.

• Пульсирующий постоянный ток в качестве входа
• Высокое сопротивление последовательно с первичной обмоткой

Пульсирующий постоянный ток в трансформаторе

В этом методе пульсирующий постоянный ток (который содержит пульсации, а не чистую форму установившегося состояния ток) к первичной обмотке трансформатора. В этом случае отрицательный цикл сбрасывает магнитный поток, и интеграл по времени напряжения равен нулю за один полный цикл, что снова помогает сбросить магнитный поток в обмотке.Эта концепция используется в SMPS (импульсный источник питания.

Высокорезистор последовательно с трансформатором

Поскольку мы знаем, что трансформатор работает только от переменного тока. В случае питания постоянного тока первичная обмотка трансформатора может начать работать дым и горение. Но есть способ, которым мы можем управлять трансформатором на постоянном токе (хотя схема бесполезна без выхода), добавив резистор большого номинала последовательно с первичной обмоткой трансформатора.

Шокирующая правда о бестрансформаторной энергии Принадлежности

Бестрансформаторные источники питания часто появляются на Hackaday, особенно в недорогих продуктах, где стоимость трансформатора значительно увеличила бы стоимость спецификации.Но бестрансформаторные блоки питания — палка о двух концах. Это название? Не кликбейт. Если вы ковыряетесь в устройстве с бестрансформаторным питанием, ваш осциллограф может превратиться в дымящуюся кучу или ударить током, если вы не понимаете их и не принимаете надлежащие меры безопасности.

Но это не пугает. Бестрансформаторные конструкции хороши на своем месте, и вы, вероятно, когда-нибудь столкнетесь с такой, потому что они есть во всем, от светодиодных лампочек до переключателей IoT WiFi. Мы собираемся посмотреть, как они работают, и как безопасно их проектировать и работать с ними, потому что никогда не знаешь, когда стоит взломать один из них.

Вот изюминка: бестрансформаторные источники питания можно безопасно использовать только в тех случаях, когда все устройство может быть закрыто, и никто не может случайно прикоснуться к какой-либо его части. Это означает, что нет никаких физических электрических соединений внутри или снаружи — RF и IR — это честная игра. И когда вы работаете с одним, вы должны знать, что любая часть цепи может находиться под напряжением сети. А теперь читайте, чтобы понять почему!

Принцип

Бестрансформаторный источник питания (TPS) — это просто делитель напряжения, который снимает 115 или 220 В переменного тока с вашей стены и делит его на любое необходимое вам напряжение.Если это напряжение должно быть постоянным, оно выпрямляется через несколько диодов и, возможно, регулируется до максимального напряжения, но мы вернемся к этому через минуту.

Обычно делители напряжения постоянного тока изготавливаются с парой резисторов. Вместе они определяют ток, протекающий по пути, и затем можно выбрать верхний резистор, чтобы уменьшить разницу между входным напряжением и желаемым выходом. Если в нашем случае эта разница составляет около одной или двухсот вольт, даже если она должна пройти всего несколько десятков миллиампер, этот резистор быстро нагреется.

Лучшим компонентом для использования в верхней части делителя является конденсатор, реактивное сопротивление которого выбрано так, чтобы обеспечить желаемое «сопротивление» при любой частоте сети, в которой вы живете. Например, вы хотите получить 25 миллиампер при 5 В, и вы находитесь в Америке, и вам нужно сбросить 110 В. R = V / I = 4400 Ом. Используя реактивное сопротивление конденсатора, C = 1 / (2 * pi * 60 Гц * 4400) = 0,6 мкФ. Если вам нужен больший ток, используйте конденсатор большего размера, и наоборот. Это так просто!

Для полностью продуманной конструкции TPS требуется еще несколько деталей.В целях безопасности и ограничения пускового тока рекомендуется установить на входе предохранитель и ограничивающий ток резистор мощностью 1 Вт. Разрядный резистор большого номинала, подключенный параллельно реактивному конденсатору, не позволит ему удерживать высокое напряжение и шокировать вас, когда цепь отключена.

И если говорить об этом конденсаторе, это критически важная для безопасности часть схемы. Он подвергается постоянному воздействию высокого переменного напряжения, и в случае короткого замыкания на выходе «5 В» будет напряжение сети, и детали могут загореться.Это работа для конденсатора класса X. Вы увидите, что они в основном отмечены X1 или X2, причем X1 способен выдерживать более высокие скачки напряжения. Любой из них подойдет, просто убедитесь, что он имеет рейтинг X и соответствует уровню вашего сетевого напряжения.

После конденсатора переменный ток, который проходит через него, необходимо выпрямить в постоянный ток. Здесь подойдет обычный полуволновой или двухполупериодный выпрямитель: несколько диодов и большой сглаживающий конденсатор. Если нагрузка непостоянна, вы, вероятно, захотите ограничить максимальное напряжение, воспринимаемое конденсатором, с помощью стабилитрона, чтобы избыточный ток шунтировался на землю, когда нагрузка потребляет менее 25 миллиампер, на которые мы рассчитывали.Эти детали воспринимают только низкое напряжение, поэтому здесь нет особых требований.

Наконец, обратите внимание, что существует множество возможных конфигураций этой схемы. Вместо того, чтобы сбрасывать большую часть напряжения между живым и нашим устройством, также можно подключить наше устройство прямо к токоведущему проводу с конденсатором в нижней части делителя напряжения — та же схема в перевернутом виде. Разумеется, предохранители и защитные резисторы могут быть расположены в любом месте цепи. Но основы те же: конденсатор действует как одна ножка в делителе напряжения, за которой следует некоторое выпрямление и регулирование, а нагрузка — как другая ножка.

Закон Мафри

Большой недостаток схемы TPS состоит в том, что она должна быть изолирована . Это совершенно нормально для автономного переключателя IoT или самодельного диммера. TPS хорошо подходит для радио или ИК-управления. Все светодиодные лампы используют TPS внутри, потому что они дешевы и полностью герметичны. Но если вы думаете прикоснуться к какой-либо части этой цепи или подключить к ней сигнальную линию, вам следует вместо этого смотреть на трансформатор.

Почему полная изоляция? Обратите внимание, что провод, служащий опорой заземления цепи, совпадает с нейтральной линией вашего дома (в отличие от «горячей» линии).А теперь представьте, что вы по ошибке вставили вилку задом наперед. Земля горячая, и хотя устройство работает нормально, потому что переменный ток симметричен, возникает опасность поражения электрическим током, если вы можете коснуться «земли». Подключите USB-последовательный разъем к этому устройству, и вы только что зажгли свой ноутбук через линию «земли». Итак, первая линия защиты — использовать поляризованные вилки, которые нельзя вставить неправильно. Если вы живете в Европе, это может быть не вариант.

Но даже поляризованных вилок недостаточно.В некоторых старых домах (включая квартиру, в которой мы жили в Вашингтоне, округ Колумбия) нейтральная линия и горячая линия переставлены. Опять же, вы никогда не заметите, пока не коснетесь «нейтральной» и реальной земли одновременно, но когда вы это сделаете, это может быть фатальным. Вы можете и, вероятно, должны проверить это с помощью мультиметра прямо сейчас. При подключении к земле нейтральная линия должна находиться под напряжением переменного тока, а горячая линия будет показывать 115 или 220 В переменного тока. Сравните их с типами ваших местных вилок.

В любом случае, даже если вы правильно настроили поляризацию вилки, между нейтралью вашей розетки и линиями заземления будет разница.Коды в США и ЕС говорят, что нейтраль — это токоведущая линия, а земля в нормальных условиях не должна проводить ее. Прерыватели цепи замыкания на землю (GFCI) обеспечивают это на практике. Тем не менее, высокие нагрузки в других местах вашего дома в сочетании с существенным сопротивлением в проводке могут привести к возникновению напряжения В = IR на нейтральной линии. Дисбаланс на служебном трансформаторе, который разделяет «фазы» мощности, поступающей в ваш дом, также может отвести нейтральное напряжение от земли, в зависимости от того, где он заземлен.Короче говоря, нейтральный должен находиться вокруг земли, но это не гарантируется.

Единственный способ быть абсолютно безопасным с этой схемой — никогда не прикасаться к ней. Поместите его в непроводящую коробку или в металлическую коробку, подключенную к заземлению. Если он вставлен в обратном направлении или нейтральный провод перегревается, никто не пострадает. Это то, что делают профессионалы.

Что еще может пойти не так с этой схемой? Мы выбрали реактивный конденсатор, чтобы он имел правильное сопротивление при 50 или 60 Гц, но он менее резистивный на более высоких частотах.Если у вас дома есть высокочастотные коммутационные устройства, они могут протолкнуть ваш TPS неожиданным током. Например, быстрые скачки напряжения в линии питания проходят прямо через них, и их гашение является одной из причин использования входного резистора. Удар молнии? Бламмо! Что-нибудь еще может пойти не так? Оставьте нам комментарий! (Но не упоминайте Муфри.)

Блок питания на базе трансформатора будет немного дороже и немного больше, чем эквивалентный TPS. Но если вы не можете полностью закрыть устройство или не можете полностью гарантировать полярность входящего питания, вы не сможете безопасно использовать TPS.Для личного повседневного использования я всегда выбираю импульсный блок питания или настенный блок питания. Разве гальваническая изоляция от стены не стоит пары долларов?

Разберемся на части

С другой стороны, TPS есть во всех типах устройств, которые мы любим взламывать, поэтому вам нужно распознавать их в реальной жизни. Ищите предохранитель или большой конденсатор с номиналом X1 или X2, и вы будете на правильном пути. (Есть ли у него параллельный спускной резистор? В противном случае он может быть горячим.) Токоограничивающий резистор — это большая керамическая штука, едва заметная за крышкой X2.Взрыватель одет для ночевки в городе с цельным черным номером на термоусадочной пленке.

Затем найдите секцию выпрямления — двухполупериодный выпрямитель с четырьмя диодами и конденсатор емкостью 100 мкФ в этом дешевом настенном высокочастотном переключателе. Диоды указывают на положительную шину постоянного тока и от отрицательной.

Теперь поищите стабилитроны. В случае этого переключателя с ВЧ-управлением их два: стабилитрон 25 В, используемый для активации реле, и стабилитрон 5 В, который питает ИС и радиосхемы.Это удобная функция схемы TPS. Поскольку конденсатор пропускает некоторый ток до тех пор, пока напряжение постоянного тока не превышает пиков переменного тока, вы можете получить практически любое или несколько напряжений из одной и той же цепи, просто выбрав правильные стабилитроны.

Играя с огнем

По возможности старайтесь избегать работы с включенным TPS, но существует способов сделать это безопасно. Это лучший вариант для изолирующего трансформатора, который, по сути, включает трансформатор в схему, которой он не хватает.В вашей цепи все еще есть пара проводов с напряжением 115 или 220 В между ними, но, по крайней мере, с трансформатором вы можете прикрепить свой прицел к устройству.

Джекпот!

Без изолирующего трансформатора вы можете многое сделать с мультиметром с батарейным питанием (незаземленным). Подключите устройство TPS к удлинителю с переключателем и держите этот переключатель выключенным как можно больше времени. Чтобы снять показания: отсоедините TPS, припаяйте провода там, где вы хотите измерить, подключите их к мультиметру, отойдите и включите удлинитель.Как только вы закончите считывание, выключите его и подождите, прежде чем касаться чего-либо.

Единственная часть TPS, которая может удерживать заряд, — это реактивный конденсатор, поэтому на нем должен быть защитный резистор. В нашей примерной схеме 0,6 мкФ * 1 МОм = 0,6 секунды, и вам, вероятно, хорошо подождать хотя бы пять из этих постоянных времени, прежде чем касаться чего-либо, поэтому сосчитайте до трех. Переключатель RF не использует конденсатор емкостью 0,33 мкФ с сопротивлением 220 кОм, поэтому он безопаснее и быстрее. (Он также использует два последовательно подключенных резистора SMT, предположительно потому, что номинальное напряжение одного из них было недостаточным.Умный дизайн.)

Вы можете определить, какие части схемы находятся под каким напряжением, измерив их относительно заземляющего контакта розетки. Например, с предохранительным резистором 560 Ом в ответвлении «земля» ВЧ-переключателя фактически плавает на 12 В переменного тока над землей. Это стоит знать, когда ковыряется. Снова подключите датчики, отойдите, включите, прочтите, выключите, подождите.

Вот и все. Теперь вы можете выяснить, какое напряжение находится в устройстве, и использовать его для своих целей.Просто убедитесь, что все, что вы делаете, помещается обратно в красивый футляр.