Как работает трансформатор – режимы, схема, назначение, из чего состоит

Содержание

Трансформатор напряжения — этого не знает более 80%!

Своим появлением трансформатор обязан английскому ученому Майклу Фарадею. В 1831 году физик описал явление, которое назвал «электромагнитная индукция». Оно заключается в том, что в близко расположенных катушках (обмотках) проявляется ярко выраженная

электромагнитная взаимосвязь. То есть, если в первой катушке (первичной обмотке) создать переменный ток, то во второй катушке (вторичной обмотке) возбуждается напряжение с аналогичной частотой и мощностью, зависящей от многих параметров, которые рассмотрим далее.


[contents]


Трансформаторы напряжения назначение  и принцип действия

Трансформаторы напряжения предназначены для преобразования энергии источника напряжения в напряжение с нужным нам значением (амплитудой). Нужно заметить, что такие трансформаторы работают только с переменным напряжением и его частота остается неизменной.

Для чего нужен трансформатор напряжения?

 Трансформаторы напряжения, в силу своей универсальности, необходимы в блоках питания, устройствах обработки сигналов, передающих устройствах, аппаратах передачи электроэнергии и во многом другом оборудовании.

По коэффициенту трансформации эти устройства могут делиться на 3 типа:

  1. трансформатор напряжения понижающий – на выходе устройства напряжение ниже входного (n>1), например, применяется в блоках питания;
  2. повышающий трансформатор – на выходе устройства напряжение выше, чем напряжение на входе (n<1), например, применяется в ламповых усилителях;
  3. согласующий – трансформатор параметры напряжения не изменяет, происходит только гальваническая развязка цепей (n~1), например, применяется в звуковых усилителях.

В основе работы трансформатора лежит принцип электромагнитной индукции и для наиболее полной передачи энергии, для уменьшения потерь при трансформации, устройство обычно выполняется на магнитопроводе.

Как правило, первичная катушка одна, а вот вторичных может быть несколько, все зависит от назначения трансформатора.

Как работает трансформатор напряжения?

После того, как в первичной обмотке появится переменное напряжение U1, в магнитопроводе возникает переменный магнитный поток Ф, который возбуждает напряжение во вторичной обмотке U2. Это наиболее простое и краткое описание принципа работы трансформатора напряжения.

Самым главным параметром трансформаторов является «коэффициент трансформации» и обозначается латинской «n».  Он вычисляется делением напряжение в первичной обмотке на напряжение во вторичной обмотке или количества витков в первой катушки на количество витков во второй катушке.

Этот коэффициент позволяет рассчитать необходимые параметры вашего трансформатора для выбранного устройства. Например, если первичная обмотка имеет 2000 витков, а вторичная -100 витков, то n=20. При напряжении сети 240 вольт, на выходе устройства должно быть 12 вольт. Так же, можно определить количество витков при заданных, входном и выходном, напряжениях.

Чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения?

По определению эти устройства предназначены для работы с разными электрическими величинами, как основными и соответственно, схемы включения будут различными. Например, трансформатор тока питается от источника тока и не работает, даже может выйти из строя, если его обмотки не нагружены и через них не идет электрический ток. Трансформатор напряжения питаются от источников напряжения и, наоборот, не может долго работать в режиме с большими токовыми нагрузками.

Измерительные трансформаторы напряжения и тока

 При эксплуатации оборудования с высокими рабочими напряжениями и большими токами потребления встает вопрос их измерения и контроля. Здесь на помощь приходят измерительные трансформаторы. Они обеспечивают гальваническую развязку измерительного оборудования от цепей с повышенной опасностью и снижение измеряемой величины до уровня, необходимого для замеров.

Дополнительная информация

 Прежде чем покупать трансформатор напряжение, нужно проанализировать все требования, выдвигаемые к устройству. Необходимо учитывать не только рабочие напряжения, но и токи нагрузки при использовании трансформатора в различных приборах.

Трансформаторы напряжения можно изготовить самому, но если вам нужен простой бытовой трансформатор с напряжением на 220 вольт и понижением до 12 вольт, то лучше его приобрести. Сколько стоят трансформаторы напряжения можно узнать на любом интернет-сайте, как правило, на бытовые понижающие трансформаторы напряжения цены не очень высоки.

С н/п Владимир Васильев

P.S. Друзья, обязательно подписывайтесь на обновления! Подписавшись вы будете получать новые материалы себе прямо на почту! И кстати каждый подписавшийся получит полезный подарок!

popayaem.ru

Как работает трансформатор?

  Рассмотрим принцип работы трансформатора на примере однофазного двухобмоточного трансформатора, электромагнитная схема которого представлена ниже:

На замкнутом магнитопроводе из ферромагнитного материала расположены две обмотки, первичная и вторичная. На первичную обмотку подаётся входное напряжение U1 от источника переменного тока (электрической сети), а к вторичной, на которой наводится (индуктируется) переменное напряжение  U2, подключается нагрузка, имеющая сопротивление Zн. Применение ферромагнитного магнитопровода даёт возможность уменьшать магнитное сопротивление контура, по которому замыкается магнитный поток, что положительно отражается на усилении электромагнитной связи между обмотками.

В подключенной к сети первичной обмотке трансформатора протекает переменный ток, который в свою очередь создаёт переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Переменный магнитный поток Ф индуцирует в обеих обмотках переменные электродвижущие силы (ЭДС) е1 и е2. Мгновенные значения этих ЭДС, согласно закону Максвелла, пропорциональны числу витков w1 и w2 соответствующих обмоток и скорости изменения магнитного потока dФ/dt, определяются выражением:

Из этого следует, что отношение действующих и мгновенных значений ЭДС в обмотках можно представить как:

Падением напряжения в обмотках трансформатора можно пренебречь, поскольку оно обычно составляет 3%…5% от номинальных значений,  и считать что E1≈U1 и E2≈U2 . Тогда получим:

Из этого равенства отношений, напряжений и количества витков соответствующих обмоток, следует, что подобрав (рассчитав) количество витков обмоток при заданном напряжении U1 можно получить желаемое напряжение U2 (то есть U2< U1, U2>U1 или  U2=U1).

Если надо получить U2< U1, то количество витков w2 вторичной обмотки должно быть меньше количества витков w1 первичной обмотки, такой трансформатор называют понижающим. Если же надо получить U2>U1, то количество витков w2 вторичной обмотки должно быть больше количества витков w1 первичной обмотки, такой трансформатор называют повышающим.

Предположим, что количество витков w1 первичной обмотки больше количества витков w2 вторичной обмотки. Это значит что в дальнейшем мы будем рассматривать работу двухобмоточного понижающего трансформатора.

Важным параметром, которым широко пользуются в электротехнических расчетах, является коэффициент трансформации, представляющий собой отношение ЭДС обмотки высшего напряжения Ев.н. к ЭДС обмотки низшего напряжения Ен.н. (или отношение числа витков wв.н.  обмотки высшего напряжения к числу витков wн.н.  обмотки низшего напряжения).

Следует обратить внимание, что значение коэффициента трансформации всегда больше единицы (поскольку всегда Ев.н. > Ен.н., wв.н.  > wн.н.).

В электроэнергетике в системах распределения и передачи энергии применяют также и трехобмоточные  трансформаторы, а для устройств автоматики и радиоэлектроники – многообмоточные трансформаторы. На магнитопроводе этих трансформаторов находится три или большее число изолированных друг от друга обмоток. Это даёт возможность получать большее число напряжений (U2, U3, U4 и так далее, необходимых для питания различных групп электрических цепей), подавая напряжение (U1) только на одну (первичную) обмотку.

Трансформаторы преобразуют только напряжения и токи, оставляя мощность приблизительно постоянной (входная мощность первичной обмотки должна равняться сумме мощностей вторичных обмоток с учётом, как правило, незначительных, внутренних потерь энергии в самом трансформаторе). В случае с двухобмоточным понижающим трансформатором, увеличение напряжения на вторичной обмотке  (без изменения напряжения на первичной) в k раз должно привести к уменьшению тока во вторичной обмотке в k раз:

Ведь   мощность P=U∙I∙сos φ , U1∙I1∙cos φ ≈ U2∙I2∙cos φ  , отсюда I2 ≈ U1∙I1/ U2

Для трансформаторов важной особенностью является то, что они могут работать только в цепях переменного тока. Если подключить к цепи постоянного тока первичную обмотку трансформатора, то в его магнитопроводе образуется магнитный поток, но он будет постоянным по направлению, величине и времени. Поэтому, в установившемся режиме, в обмотках трансформатора (как первичной, так и вторичной) не будет индуктироваться ЭДС (формула 1а) . Как следствие, не будет выполняться передача электроэнергии из первичной цепи во вторичную. При этом из-за отсутствия, противоЭДС Е1, ток I1 в первичной обмотке резко возрастает и становится равным I1=U1/r1 (где r1 – сопротивление обмотки w1). Поэтому, подключение к цепи постоянного тока, может представлять серьёзную опасность для трансформатора и не только.

Среди важных свойств трансформатора следует выделить его способность преобразовывать величину нагрузочного сопротивления. Например, если к источнику переменного тока подключить сопротивление r не напрямую, а через трансформатор с коэффициентом трансформации k, то его величина для цепи источника становится равной:

где Р1 — это мощность, которую трансформатор потребляет от источника переменного тока; Р2= I2²∙r ≈ P1— мощность, которую потребляет сопротивление r от трансформатора.

Из этого можно сделать вывод, что трансформатор изменяет величину сопротивления r для цепи источника переменного тока в k² раз. Поэтому, это свойство часто используют разработчики электрических схем для согласования сопротивления источника электроэнергии с сопротивлением нагрузки.

elenergi.ru

Как работает трансформатор тока

Содержание:
  1. В каком режиме работает трансформатор тока
  2. В каком режиме работает измерительный трансформатор напряжения
  3. Видео

В процессе эксплуатации энергетических систем довольно часто решаются вопросы, связанные с необходимостью каких-либо установленных электрических величин в аналогичные величины с измененными значениями в определенной пропорции. Такая возможность позволяет выполнять безопасные измерения, производить моделирование определенных процессов в электроустановках. Для этого необходимо знать, как работает трансформатор тока, действие которого основано на законе электромагнитной индукции, применяемого для электрических и магнитных полей.

В процессе работы выполняется преобразование первичной величины вектора тока, протекающего в силовой цепи, во вторичный ток с пониженным значением. Во время такого преобразования соблюдается пропорциональность по модулю и точная передача угла.

В каком режиме работает трансформатор тока

Работа трансформатора может осуществляться в нескольких режимах. Одним из них является режим холостого хода, при котором вторичная обмотка находится в разомкнутом состоянии. Потребление тока первичной цепью самое минимальное, поэтому он называется током холостого хода. Магнитное поле холостого хода образуется вокруг первичной обмотки. Данный режим считается абсолютно безвредным для трансформатора.

Основным является режим нагрузки, в который трансформатор переходит из режима холостого хода. Во вторичной обмотке начинается течение тока, создающего магнитный поток, направленный против магнитного поля в первичной обмотке. В первый момент значение этого магнитного потока уменьшается, что приводит к уменьшению ЭДС самоиндукции в первичной обмотке.

Поскольку внешнее напряжение, приложенное к генератору, не изменяется, это приводит к нарушению электрического равновесия между приложенным напряжением и ЭДС самоиндукции, а ток в первичной обмотке увеличивается. Соответственно увеличивается и магнитный поток, а также электродвижущая сила самоиндукции. Однако значение тока в первичной обмотке будет выше, чем в режиме холостого хода. Таким образом, сумма магнитных потоков первичной и вторичной обмоток в режиме нагрузки, будет равна магнитному потоку первичной обмотки трансформатора в режиме холостого хода.

В режиме нагрузки, когда появляется вторичный ток, происходит возрастание первичного тока. Это приводит к падению напряжения во вторичной обмотке и его уменьшению. В случае снижения нагрузки, при которой вторичный ток уменьшается, наступает уменьшение и размагничивающего действия вторичной обмотки. Наблюдается рост магнитного потока в сердечнике и соответствующий рост самоиндукции ЭДС. Данный процесс, касающийся электрического равновесия, продолжается до тех пор, пока оно полностью не восстановится.

Одним из основных считается и режим короткого замыкания, при котором во вторичной цепи будет практически нулевое сопротивление. Ток во вторичной цепи достигает максимального значения, магнитное поле во вторичной обмотке также будет иметь наивысший показатель. Одновременно, магнитное поле в первичной обмотке уменьшается и становится минимальным. Следовательно, происходит и снижение индуктивного сопротивления в этой обмотке. В то же время возрастает ток, потребляемый первичной цепью. Данная ситуация приводит к возникновению режима короткого замыкания, опасного не только для самого трансформатора, но и для всей цепи. Защита от короткого замыкания обеспечивается путем установки предохранителей в первичной или вторичной цепи.

Особенности работы трансформатора тока в разных условиях:

  • Режим работы приближается к короткому замыканию, поскольку сопротивление нагрузки, подключаемой совместно со вторичной обмоткой, имеет минимальное значение. Фактически, работа трансформатора тока происходит в режиме короткого замыкания.
  • Трансформатор тока своим режимом работы существенно отличается от других трансформаторных устройств. При изменении нагрузки в обычном трансформаторе, значение магнитного потока в сердечнике не изменяется при условии постоянно приложенного напряжения.

В каком режиме работает измерительный трансформатор напряжения

Важнейшими элементами высоковольтных цепей являются измерительные трансформаторы напряжения. Данные устройства предназначены для понижения высокого напряжения, после чего пониженное напряжение может питать измерительные цепи, релейную защиту, автоматику и учет, а также другие элементы. Таким образом, трансформаторы напряжения позволяют измерять напряжение в высоковольтных сетях, от них поступает питание на катушки реле минимального напряжения, счетчики, ваттметры, фазометры, а также на аппаратуру, контролирующую состояние изоляции сети.

С помощью трансформатора осуществляется понижение высокого напряжения до стандартных значений. С их помощью происходит разделение измерительных цепей и релейной защиты с первичными цепями высокого напряжения. Подключение первичной обмотки производится к источнику входного напряжения сети, а вторичная обмотка соединяется параллельно с катушками реле и измерительных приборов. Работа трансформатора напряжения осуществляется в режиме, приближенном к холостому ходу. Это связано с высоким сопротивлением приборов, подключенных параллельно и низким током, потребляемым ими.

Для обеспечения нормальной работы вторичных цепей установка трансформаторов напряжения может выполняться не только на шинах подстанции, но и на каждой точке подключения. Перед началом электромонтажных работ необходимо осмотреть устройство, проверить целостность изоляции, исправность узлов и элементов. С целью дальнейшей безопасной эксплуатации трансформатора, его корпус и вторичная обмотка заземляется. В результате, создается защита от возможного перехода высокого напряжения во вторичные цепи в случае пробоя изоляции.

Каждый трансформатор обладает определенной номинальной погрешностью и классами точности, составляющими 0,2; 0,5; 1; 3. Уровень погрешности зависит от конструкции магнитопровода, размеров вторичной нагрузки и других факторов. Компенсировать погрешность напряжения можно, если уменьшить количество витков первичной обмотки и компенсировать угловую погрешность специальными компенсирующими обмотками.

electric-220.ru

Как работает трансформатор напряжения? | Проект Заряд

Для начала стоит отметить, что представляет собой трансформатор. Это электромагнитный статический механизм, который предназначен для преобразования напряжения, задействованного в сетях переменного тока. В данном случае речь может идти как о повышении, так и о понижении напряжения.

Кстати, впервые идея трансформации переменного тока, а затем уже и первая модель трансформатора появились в 1876 году благодаря русскому ученому П.Н.Яблочкину, который спустя еще десять лет предложил миру передавать электроэнергию на более длинные расстояния, используя при этом высокое напряжение переменного тока.

 

Что представляет собой трансформатор?

 

Трансформатор напряжения – это устройство, в котором на сердечник намотаны две обмотки. Первая (первичная) подключается к источнику энергии с напряжением, а ко второй (вторичной) подсоединяется потребитель с напряжением. Кстати, сердечник трансформатора собран из пластин электротехнической высококачественной стали.

В процессе протекания тока от источника энергии по первичной обмотке в сердечнике возникает переменный магнитный поток, который создает во вторичной обмотке электродвижущую силу. Стоит отметить, что трансформатор работает в режиме, который близок к режиму холостого хода. Это происходит из-за того, что сопротивление реле и параллельных катушек приборов довольно-таки значительное, а ток, который ими потребляется, достаточно невелик. Кроме того, отношение напряжений на первичной и вторичной обмотке при холостом ходе, на котором работает трансформатор, приблизительно равны отношению числа витков обмоток. Это отношение принято называть коэффициентом трансформации, и сегодня данный коэффициент является одним из важнейших параметров любого трансформатора напряжения.

Подводя итог вышесказанному, следует сказать, что токи в обмотках обратно пропорциональны их напряжениям, а значит, и числу возможных витков. Значит, обмотка с более высоким напряжением имеет большее число витков, а потому изготавливается из провода меньшего сечения. Обмотка с низким напряжением, наоборот, имеет меньшее число витков, а ее провод обладает большей площадью сечения. Существует также такой параметр, как угловая погрешность трансформатора. Для ее уменьшения принято уменьшать число витков первичной обмотки, а для компенсации нужно применять специальные компенсирующие обмотки.

 

zaryad.com

Принцип работы трансформатора: этапы работы

Трансформатор – это регулирующее устройство, которое достаточно часто используется для того, чтобы повысить эффективность многих устройств. Эти устройства могут использоваться для повышения и понижения напряжения в сети. В этой статье вы узнаете принцип работу трансформатора тока.

Принцип работы трансформатора тока

Измерительные трансформаторы имеют достаточно простой принцип работы. Его работа подчиняется закону про электромагнитную индукцию. Если разобраться более детально, то взаимная индукция будет отвечать за действие преобразования напряжения. В соответствии с этим законом Фарадей гласит: «скорость изменения потокосцепления будет пропорциональной наведенной ЭДС в проводнике».

Основы теории трансформатора

Представьте, что у вас есть трансформатор с одной обмоткой, которая соединяется с электрическим током. Переменный ток будет производить меняющийся поток, который окружает катушку. Определенная ее часть может соединяться в том случае, если переменный ток постоянно будет проходить через обмотку. Этот поток может постоянно меняться в своем направлении.

Следуя из закона Фарадея у нас должно быть ЭДС, которое будет производить индукцию раз в секунду. Если в последней обмотке цепь будет закрыта, тогда через нее пройдет ток. Этот принцип работы трансформатора считается простейшим. Тороидальный трансформатор имеет немного другой принцип работы.

Когда вы будете использовать движение переменного тока к электрической катушке, поток энергии будет ее окружать. Поток будет неравномерным, а его скорость может изменяться. Это понятие считается фундаментальным в работе трансформатора. Обмотка, которую он содержит, будет принимать электрическую мощность от источника. Она дает выходное напряжение благодаря взаимной индукции.

Конструктивные части трансформатора

На сегодняшний день устройство трансформатора включает в себя три основные части, к которым относят:

  • Первичную обмотку. Когда подключается к источнику, она будет производить магнитный поток.
  • Магнитный сердечник. Магнитный поток будет создан в замкнутую цепь.
  • Вторичная обмотка. Ее необходимо наматывать на сердечник.

Это три основные части, из которых будет состоять силовой трансформатор.

Принцип работы трансформатора

Электрический силовой трансформатор является статистическим устройством. Принцип работы сварочного трансформатора заключается в том, что он будет преобразовывать энергию от схемы одного устройства к другому. Этот процесс проходит благодаря индукции между обмотками. Преобразование энергии будет происходить на основе изменения частоты. Он может работать в разных уровнях напряжения.

Работа однофазного трансформатора

Принцип работы однофазного трансформатора на сегодняшний день ничем не отличается от других устройств. Когда ток будет проходить по первичной обмотке, то будет создано магнитное поле. У него имеются мощные силовые линии. Первичную катушку они будут пронизывать полностью. Все линии являются замкнутыми между вокруг проводников катушек.

Закон про магнитную связь гласит о том, чем ближе расположены объекты, тем сильнее будет их связь. Вам следует знать, что в однофазном трансформаторе сила магнитного поля будет зависеть от напряжения. Именно поэтому скачки напряжения могут снизить силу МП. При соединении концов обмотки устройство начнет снабжаться электрическим током.

Принцип работы автотрансформатора

Здесь мы рассмотрим принцип работы автотрансформатора. Эти устройства можно отнести к трансформаторам, которые имеют специальное использование. Обмотки в этом устройстве связаны между собою не только магнитным полем, но и гальваническим.

При переключении обмоток можно получить как высокое, так и низкое напряжение. Переменное магнитное поле возникает в момент подключения переменного тока к сердечнику. Благодаря устройству сердечника небольшое напряжение способно создавать сильное МП. Автотрансформаторы довольно часто используют в областях, где существует незначительное изменение напряжения.

На сегодняшний день существуют также узкоспециализированные лабораторные трансформаторы. Они имеют другой принцип работы трансформатора.

Их обмотка должна выполняться из ферромагнитного материала. Она сводит резонансное движение к минимуму. К основным его отличиям относят:

  1. Кроме ферромагнетика используют медный провод.
  2. Он имеет низкие допустимые параметры.
  3. В нем работает система строчного ролика.

Эти трансформаторы также могут иметь недостатки, к которым относят:

  • Все цепи нужно изолировать, так как они имеют сильную связь.
  • Его нельзя использовать для защиты в мощных цепях.
  • Ремонт стоит достаточно дорого.

Работа гидротрансформатора

Наверное, каждый водитель бульдозера знает принцип работы гидротрансформатора. На самом деле прибор является муфтой, которая вращается два раза. Устанавливать его необходимо между двигателем. Это необходимо чтобы получить вращательное движение. Механизм напоминает бублик, но у него достаточно сложная конструкция:

  • По краям находятся специальные насосы. Передний прибор будет передавать жидкость на турбинное колесо.
  • Переднее колесо необходимо соединить с главным валом. Благодаря этому он будет передавать жидкость по механизму.

Как видите, принцип работы трансформатора у всех устройств практически одинаковый. Существуют некоторые особенности, но все зависит от его модели.

Вам будет интересно: типы трансформаторов тока.

vse-elektrichestvo.ru

Как устроен трансформатор | Двигатель прогресса

May 22, 2015

Трансформатор (от лат. transformare , изменить, преобразовать) представляет собой электромагнитное устройство, которое преобразует электрическую энергию от одной системы к другой при помощи электромагнитной индукции без изменения частоты, является неотъемлемой частью электрических систем. Трансформаторы могут быть самых разных размеров от малого, внутри электронного прибора, до огромных, используемых в электросетях, мощностью до нескольких мегаватт.

История

Закон электромагнитной индукции, на котором основана работа трансформатора, был открыт Фарадеем в 1831 году. В том же году Фарадей представил «кольцо индукции», первый прототип трансформатора. Он использовал его для демонстрации принципа электромагнитной индукции и не видел в нем практического применения.

Первая «индукционная катушка» была изобретена Николаем Иосифом Каллан в Ирландском национальном университете Мейнут в 1836 году. Каллан был одним из первых исследователей, который понял, что увеличение витков вторичной обмотки по отношению к количеству витков в основной обмотке увеличивает напряжение.

Между 1830 и 1870 годами исследования индукционных катушек, в основном методом проб и ошибок, позволили определить принципы работы трансформатора. В 1848 году французский инженер Г. Румкорф представил индукционную катушку особой конструкции, которая стала прообразом трансформатора. Устройства пригодного для практического применения не появлялось до 1880 года, но в течение следующих десяти лет трансформаторы сыграли важнейшую роль в развитии электричества.

В 1876 году российский инженер Павел Николаевич Яблочков изобрел систему освещения на основе набора катушек индуктивности. Первичная обмотка катушек подключалась к источнику питания переменного тока, а вторичная к нескольким лампам. Катушки, используемые в системе, работали по принципу трансформатора. В патенте указывалось «источник различных точек света с различной интенсивностью от одного источника питания».

В 1882 году в Лондоне Люсьен Галард и Джон Гиббс впервые представили «вторичный генератор» – устройство с металлическим сердечником, а затем продали идею американской компании Westinghouse Electric. Подобная система была разработана в Турине, Италия, где она использовалась в системах электрического освещения.

В 1883 году группа инженеров венгерской компании «Ganz & K» разработала и запустила в производство трансформатор с замкнутым магнитопроводом, который сыграл важную роль в дальнейшем развитии конструкций трансформаторов. Они использовались для производства осветительного оборудования в Австрии и Венгрии.

В конце 1880-х годов инженеры Westinghouse Electric разработали масляную систему охлаждения трансформатора. Основные элементы трансформатора помещались в емкости с маслом для охлаждения, что позволило существенно повысить эффективность изоляции обмоток. Эта же американская компания начала использовать трансформатор в коммерческих целях, что привело к дополнительному интересу к этому устройству множества ученых. В последующие 40 лет, устройство трансформатора неоднократно усовершенствовалось: изобретение трехфазного трансформатора, добавление кремния в состав используемых материалов и другие.

Принцип работы и основные элементы

Трансформатор представляет собой устройство, которое преобразует напряжение переменного тока определенного уровня в напряжение переменного тока другого уровня. Работа трансформатора основана на двух базовых принципах: электромагнетизм и электромагнитная индукция. Трансформатор, как правило, состоит из двух изолированных друг от друга катушек проводящего материала, намотанной на том же ядре. Ядро, как правило но из электротехнической стали – сплава оптимизирующего магнитный поток. На первичную обмотку подаётся напряжение от внешнего источника. Переменный ток в первичной обмотке создает магнитный поток. Этот поток будет вызывать электромагнитную индукцию, появление электродвижущей силы во вторичной обмотке. Напряжение во вторичной обмотке, непосредственно зависит от отношения количества витков к числу витков первичной обмотки.

Основными компонентами трансформатора являются: магнитопровод, обмотка, каркас обмотки, изоляция, система охлаждения, прочие вспомогательные элементы.

Магнитная система трансформатора(магнитопровод) изготовлена из кремнийсодержащих ферритных сплавов стали с высокой магнитной проницаемостью. Предназначается для локализации магнитного потока в пределах трансформатора. Конструкция может состоять из набора тонких пластин с изоляционным слоем между каждой, тонкой ленты, нескольких «подков» и др. Магнитная система в сочетании со всеми деталями необходимыми для скрепления всех узлов в единую конструкцию называется остовом трансформатора.

Обмотка – совокупность электрических проводников обернутых вокруг сердечника (витков) образующих электрическую цепь. Суммарный электрический ток каждого витка определяет суммарную электродвижущую силу трансформатора. Большее число витков вызывает более высокое напряжение. Обмотка трехфазного трансформатора представляет собой совокупность обмоток каждой из трех фаз соединенных между собой. В качестве материала, используемого в обмотке трансформатора с учетом его применения, используется проводящие металлы и сплавы.

Обычно используется проводящий элемент квадратного сечения (жила). Для более мощных трансформаторов, с целью улучшения функционирования обмотки, сечение жилы может быть разделено на несколько параллельных проводящих элементов. Каждая жила изолируется при помощи тонкой (несколько микрометров) промасленной бумаги или эмали.

Чтобы избежать избыточного нагрева и потерь в трансформаторе применяется система охлаждения. В низковольтных трансформаторах применяется «сухая» система охлаждения с применением изолирующих синтетических смол. В более высоковольтных трансформаторах для отвода избыточного тепла используется масло, как правило минеральное.

Основные виды трансформаторов

Силовой трансформатор используется для преобразования электроэнергии в электрических сетях. Название «силовой» подразумевает возможность работы с напряжением большой мощности. Их применение необходимо для доставки конечному потребителю электроэнергии необходимой мощности. Напряжение в линиях электропередач может достигать 750 кВ, тогда как напряжение требуемое для работы электроприборов в сети конечного потребления колеблется от 220 до 380 В. Для обеспечения работы применяется одна или несколько вторичных обмоток. Часто используется предохранитель предотвращающий возникновению пожара при перегреве трансформатора.

Автотрансформатор – вариант с последовательным соединением первичной и вторичной обмоток. За счет этого связь между обмотками не только электромагнитная, но и электрическая. Такой трансформатор меньше и дешевле, используется для преобразования напряжения с незначительной разницей между входящим и выходным. Имеет высокий КПД. Недостатком является отсутствие гальванической развязки между обмотками.

Трансформатор тока используется для снижения первичного тока источника до величины требуемой для защиты, измерения, сигнализации и др. Первичная обмотка подсоединяется в цепь переменного тока который необходимо измерить или защитить, а вторичная к измерительному прибору.

Трансформатор напряжения, по области применения, схож с трансформатором тока. Применяется для преобразования высокого напряжения в измерительных цепях. Также существуют: импульсные трансформаторы, разделительные, согласующие, пик-трансформатор, трансфлюксор.

lab-37.com

Страничка эмбеддера » Как работает трансформатор Тесла на пальцах. Часть 1.

Трансформатор Тесла – прекрасная игрушка для тех, кто хочет сделать что-то эдакое. Это устройство не перестает поражать окружающих мощью своих огромных разрядов. Более того, сам процесс конструирования трансформатора очень увлекателен – не часто так много физических эффектов сочетаются в одной несложной конструкции.

Несмотря на то, что сама по себе “Тесла” очень проста, многие из тех, кто пытаются ее сконструировать не понимают принцип ее работы.

Я планирую целый цикл статей по поводу устройства и работы трансформатора теслы. В этой части я помогу вам разобраться – какие виды тесел бывают, что у них общего и в чем они отличаются.

Как читать эту статью.

Эта статья предполагает, что вы знаете, что такое электрический ток и чем конденсатор отличается от катушки. Я буду стараться излагать все, как можно проще, но, к сожалению, я не всесилен. Если какие-либо моменты останутся непонятными, прошу прочитать еще раз, если и это не поможет, прошу оставить комментарий.

Для того, чтобы не прерывать рассказ ненужными подробностями, но оставаться политкорректным, я буду делать сноски. Сноска будет обозначаться таким образом — [12].

 

Как правильно называть это устройство

Существует много названий для трансформатора Тесла. Все они обозначают одно и то-же устройство. Самое корректное название по моему мнению — “Трансформатор Тесла”, хотя я не стесняюсь использовать и другие, такие как

Замечу, что имя Тесла не склоняется, тоесть грамматически не верно говорить “Трансформатор Теслы”, хотя, если вы так скажите, все вас поймут.

Также существуют сленговые названия трансформатора Тесла, некоторые из них

Часто трансформатор называют его типом – СГТЦ, ССТЦ итп.

 

Принцип работы Трансформатора Тесла.

Трансформатор Тесла состоит из двух обмоток[1] – первичной (Lp) и вторичной (Ls) (их чаще называют “первичка” и “вторичка”). К первичной обмотке подводится переменное напряжение и она создает магнитное поле.  При помощи этого поля энергия из первичной обмотки передается во вторичную. В этом трансформатор тесла очень похож на самый обычный “железный” трансформатор.

Вторичная обмотка вместе с собственной паразитной (Cs) емкостью образуют колебательный контур, который накапливает переданную ему энергию. Часть времени вся энергия в колебательном контуре храниться в виде напряжения. Таким образом, чем больше энергии мы вкачаем в контур, тем больше напряжения получим.

Подробнее про колебательный контур можно почитать по ссылкам: Статья, очень просто описывающая колебательный контур, Wikipedia, Yandex, Google.

Тесла обладает тремя основными характеристиками – резонансной частотой вторичного контура, коэффициентом связи первичной и вторичной обмоток, добротностью вторичного контура.

Что такое резонансная частота колебательного контура, читателю должно быть известно. Я же подробнее остановлюсь на коэффициенте связи и добротности.

Коэффициент связи определяет насколько быстро энергия из первичной обмотки передается во вторичную, а добротность – насколько долго колебательный контур может сохранять энергию.

Есть одна очень хорошая аналогия —

 

Аналогия с качелями

Для того, чтобы лучше понять, как колебательный контур накапливает энергию, и откуда в тесле берется такое большое напряжение, представим качели, которые раскачивает здоровенный мужик. Качели – это колебательный контур, мужик– это первичная обмотка. Скорость качель – это ток в во вторичной обмотке, а высота подъема  – наше долгожданное напряжение.

Мужик толкает качели, и, таким образом передает в них энергию. И вот, за несколько толчков, качели раскачались и подлетают так высоко, как это только возможно – они накопили много энергии. Тоже самое происходит и с теслой, только когда энергии становится слишком много, происходит пробой воздуха и мы видим наши красивущий стример.

Естественно, раскачивать качели нужно не абы-как, а в точном согласии с их собственными колебаниями.  Количество колебаний качель в секунду называется “резонансная частота”.

Участок траектории полета качели, на протяжении которого мужик их толкает определяет коэффициент связи. Если мужик будет постоянно держать качели своей здоровенной ручищей, то он раскачает их очень быстро, но качели смогут отклониться только на длину руки мужика. В таком случае говорят, что коэффициент связи равен единице.  Наши качели с большим коэффициентом связи — это аналог обычного трансформатора.

Теперь рассмотрим ситуация, когда мужик только немного подталкивает качели. В этом случае коэффициент связи мал, а качели отклоняются намного дальше – мужик теперь их не держит. Качели придется раскачивать дольше, но с этим справится даже очень хилый мужик, чуть-чуть толкая их каждый период колебаний.

Такие качели и есть аналогом трансформатора Тесла.

Итак, чем больше коэффициент связи, тем быстрее во вторичный контур накачивается энергия, но при этом выходное напряжение теслы получается меньше.

Теперь рассмотрим добротность. Добротность – это противоположность трению в качелях. Если трение очень большое (низкая добротность), то мужик своими слабенькими толчками не сможет их раскачать. Таким образом, коэффициент связи и добротность контура должны быть согласованны для достижения максимальной высоты качель (максимальной длинны стримера).

Так-как добротность вторичной обмотки в трансформаторе Тесла – величина не постоянная (она зависит от стримера), то согласовать эти две величины очень не просто, и поэтому просто подбирают опытным путем.

 

Основные виды катушек тесла

Сам Тесла изготавливал Трансформатор только одного типа – на разряднике (СГТЦ). С тех пор элементная база сильно улучшилась, и появилось множество разных типов катушек, по аналогии их продолжают называть катушками Тесла. Типы катушек принято называть из английскими аббревиатурами. Если название необходимо сказать на русском языке, английские аббревиатуры просто говорят русскими буквами без перевода.

Самые распространенные типы катушек тесла:

  • SGTC (СГТЦ, Spark Gap Tesla Coil) – трансформатор тесла на разряднике. Самая первая и “классическая” конструкция (ее использовал сам Тесла). В качестве ключевого элемента использует разрядник. В маломощных конструкциях разрядник – просто два куска провода, находящихся на некотором расстоянии, а в мощных – сложные вращающиеся разрядники. Трансформаторы этого типа идеальны если вам нужна только большая длинна стримера.

  • VTTC (ВТТЦ, Vacuum Tube Tesla Coil) – трансформатор тесла на лампе. В качестве ключевого элемента используется мощная радиолампа. Такие трансформаторы могут работать в непрерывном режиме и выдавать толстые, “жирные” стримеры. Этот тип чаще всего используют для высокочастотных тесел, которые из-за характерного вида своих стримеров получили название “факельник”.

  • SSTC (ССТЦ, Solid State Tesla Coil) – трансформатор тесла, в котором в качестве ключевого элемента используются полупроводники. Обычно это MOSFET или IGBT транзисторы. Этот тип трансформаторов может работать в непрерывном режиме. Внешний вид стримеров, создаваемых этой катушкой может быть самый различный. Этим типом Тесел проще всего управлять (играть музыку, к примеру).

  • DRSSTC (ДРССТЦ, ДРка, Dual Resonant Solid State Tesla Coil) – трансформатор с двумя резонансными контурами, в котором в качестве ключей используются полупроводники, в подавляющем большинстве случаев, это IGBT транзисторы. ДРССТЦ – самый сложный в изготовлении и настройке тип трансформаторов тесла. Характерная длинна стримеров трансформатора этого типа немного меньше чем у SGTC, а управляемость немногим хуже, чем у SSTC.

Для управления внешним видом стримеров придумали так называемый прерыватель. Изначально с помощью этого устройства останавливали катушку для того, чтобы дать возможность зарядится конденсатором и остыть разрядному терминалу, и, засчет этого, увеличить длину стримеров. Но в последнее время в прерыватели начали встраивать дополнительные функции, к примеру, научили катушки Тесла играть музыку.

 

 

Основные детали катушки тесла

Не смотря на то, что существует несколько видов катушек тесла, у всех них есть общие черты. Расскажу о основных деталях теслы сверху вниз.

  • Тороид – выполняет три функции.

    Первая – уменьшение резонансной частоты – это актуально для SSTC и DRSSTC, так как силовые полупроводники плохо работают на высоких частотах.

    Вторая – накопление энергии перед образованием стримера. Чем больше тороид, тем больше в нем накоплено энергии  и, в момент, когда воздух пробивается, тороид отдает эту энергию в стример, таким образом,  увеличивая его. Для того, чтобы извлечь выгоду из этого явления в теслах с непрерывной накачкой энергии, используют прерыватель.

    Третяя – формирование электростатического поля, которое отталкивает стример от вторичной обмотки теслы. От части, эту функцию выполняет сама вторичная обмотка, но тороид может ей хорошо помочь. Именно по причине электростатического отталкивания стримера, он не бьет по кратчайшему пути во вторичку.

    От использования тороидоа больше всего выиграют теслы с импульсной накачкой – SGTC, DRSSTC и теслы с прерывателями. Типичный внешний диаметр тороида – два диаметра вторички [4].

    Тороиды обычно изготавливают из алюминиевой гофры, хотя есть множество других технологий, ознакомиться с которыми можно тут.

  • Вторичка – основная деталь теслы.

    Типичное отношение длинны обмотки теслы к ее диаметру намотки 4:1 – 5:1. 

    Диаметр провода для намотки теслы обычно выбирают так, чтобы на вторичке помещалось 800-1200 витков. ВНИМАНИЕ, повторюсь еще раз. Не стоит мотать слишком много витков на вторичке тонким проводом. Витки на вторичке нужно распологать как можно плотнее друг к другу [5].

    Для защиты от царапин и от разлезания витков, вторичные обмотки обычно покрывают лаками. Чаще всего для этого применяются эпоксидная смола и полиуретановый лак. Лакировать стоит очень тонкими слоями. Обычно, на вторичку, наносят минимум 3-5 тонких слоев лака.

    Мотают вторичку на воздуховодных (белых) или, что хуже, канализационных (серых) ПВХ трубах. Найти эти трубы можно в любом строительном магазине.

    С нюансами вторичных обмоток можно ознакомиться тут

  • Защитное кольцо – предназначено для того, чтобы стример, попав в первичную обмотку не вывел электронику из строя. Эта деталь устанавливается на теслу, если длинна стримера больше длинны вторичной обмотки. Представляет собой незамкнутый виток медного провода (чаще всего, немного толще, чем тот из которого изготавливается первичка). Защитное кольцо заземляется на общее заземление отдельным проводом.

  • Первичная обмотка – обычно изготавливается из медной трубы для кондиционеров. Должна обладать очень маленьким сопротивлением для того, чтобы по ней можно было пропускать большой ток. Толщину трубки обычно выбирают на глаз, в подавляющем большинстве случаев, выбор падает на 6 мм трубку. Так-же в качестве первички используют провода большего сечения.

    Относительно вторичной обмотки устанавливается так, чтобы обеспечить нужный коэффициент связи.

    Часто играет роль построечного элемента в тех теслах, где первичный контур является резонансным. Точку подключения к первичке делают подвижной и ее перемещением изменяют резонансную частоту первичного контура.

    Первичные обмотки обычно делают цилиндрическими, плоскими или  коническим. Обычно, плоские первички используются в SGTC, конические- в SGTC  и DRSSTC, а цилиндрические — в SSTC, DRSSTC и VTTC.

     

    Тема на форуме про первичные обмотки

  • Заземление – как не странно, тоже очень важная деталь теслы.

    Очень часто мне задают вопрос – куда же бьют стримеры? Я эту картинку я уже показывал в статье про плазменный шар, но покажу еще раз, и отвечу на этот вопрос — стримеры бьют в землю! И таким образом они замыкают ток, показанный на картинке синим цветом.
    Таким образом, если заземление будет плохое, стримерам будет некуда деваться и им придется бить в теслу (замыкать свой ток), вместо того, чтобы извергаться  в воздух. Меня спрашивали – обязательно ли заземлять теслу? Итак, ответ: заземление для теслы – обязательно [2][3].

[1]: Существуют трансформаторы Тесла без первичной обмотки. У них питание подается прямо на “земляной” конец вторички. Такой метод питания называется “бэйзфид” (basefeed).

Иногда, в качестве источника бэйзфидного питания используется другой трансформатор Тесла, такой метод питания называют “магниферным” (Magnifier).

[2]: Существуют так называемые биполярные теслы, они отличаются тем, что разряд происходит не в в воздух, а между двумя концами вторичной обмотки. Таким образом, путь тока легко может замкнуться и заземление не нужно.

[3]: теоретически, для теслы можно вместо заземления использовать так называемый противовес – искусственное заземление в виде большего проводящего предмета. Практических конструкций с противовесами очень мало.  Внимание! Изготовление тесел с противовесами представляет намного большую опасность, чем тесел с простым заземлением, потому как вся конструкция находится под высоким относительно земли потенциалом. А относительно большая емкость между противовесом и окружающими предметами способна негативно на них повлиять.

[4]: Это правило справедливо для “пней” – вторичных обмоток с отношением длинны к диаметру до 5:1

[5]: Это правило справедливо для тесел с мощностью меньше 20кВА

Задать вопросы по статье можно, оставив комментарий, методические-же вопросы обсуждаются в Этой ветке форума flyback.org.ru. 

 

Следующая часть >>

bsvi.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о