Принцип работы трансформатора напряжения | Статьи ЦентрЭнергоЭкспертизы
Администрация2022-02-01T10:19:50+03:00
Статьи 0 Комментариев
Эксплуатация электрической энергии требует постоянных ее преобразований. Для снижения потерь при транспортировке она требует увеличения напряжения до сотен киловольт (вплоть до 1150 кВ), в местах потребления электроэнергии напряжение переменного тока наоборот снижается для привычных 380 (220) вольт. Да и компоненты самого электрооборудования зачастую нуждаются в более низких напряжениях, нежели привычные 220 вольт.
Трансформация переменного напряжения до требуемых величин производится при помощи силовых трансформаторов напряжения (ТН), специальных устройств, на контакты первичных обмоток которых подается исходное напряжение, а со вторичных обмоток снимается требуемое его значение.
Сегодня все чаще находят применение импульсные блоки питания, использующие более высокие частоты переменного тока. Их можно встретить в компьютерах, любой бытовой технике, электроприборах, сварочных инверторах и т.д. За счет отказа от силовых трансформаторов номинальной частоты 50 Гц, они в разы компактнее, легче, однако и они не обходятся без импульсных трансформаторов, работающих на частотах в десятки килогерц.
Устройство и принцип действия ТН
В своем принципе действия силовые, как в принципе и трансформаторы любого другого назначения опираются на электромагнитную индукцию – физическое явление, отвечающее за появление электрического поля в проводниках при изменениях внешнего магнитного поля.
Чтобы понять принцип действия трансформатора, рассмотрим его упрощенную схему. Как правило, она представлена двумя обмотками из медного изолированного провода (первичной и вторичной) объединенными единым замкнутым магнитопроводом. Обмотки могут находиться на одной катушке, двумя отдельными катушками быть расположены на разных сердечниках одного магнитопровода, но суть их кроется в одном – магнитный поток проходит через центральные оси обеих катушек. Тело магнитопровода может быть собрано из пластин электротехнической стали (для снижения вихревых токов) или навито из стальной ленты. Для импульсных трансформаторов их изготавливают ферритовыми.
Преобразования переменного напряжения в ТН происходят следующим образом. При подаче на вход трансформатора переменного напряжения вокруг витков первичной катушки образуется электромагнитное поле, формированию переменных магнитных полей способствует сердечник магнитопровода. Проходя через обмотки вторичной катушки, переменное магнитное поле наводит в ней ЭДС индукции, которая в случае подключения нагрузки вызывает появление тока во вторичных цепях.
Соотношение выходного напряжения к входному определяется коэффициентом трансформации, который также зависит от соотношения витков вторичной и первичной обмоток, так:
- для понижающего трансформатора количество витков вторичной обмотки меньше чем первичной;
- у повышающего трансформатора, наоборот количество витков вторичной обмотки превышает первичную;
- в случае, когда количество витков совпадает (коэффициент трансформации равен 1), напряжения также будут равны, такая конструкция характерна для разделительных трансформаторов, их целью считается обеспечение гальванической развязки сетей.
Принцип работы мы рассмотрели на примере однофазного силового трансформатора, однако сказанное справедливо и в отношении трехфазных ТН.
Остались вопросы?
Заполните форму обратно связи ниже, наши специалисты свяжутся с Вами, проконсультируют, расскажут про возможные способы решения Вашей задачи.
заказать консультацию
Ваше имя (обязательно)
Ваш e-mail (обязательно)
Телефон
Сообщение
Прикрепить файл
Даю согласие на обработку данных
Трансформаторы напряжения — устройство, принцип работы, расчет и характеристики
электрика, сигнализация, видеонаблюдение, контроль доступа (СКУД), инженерно технические системы (ИТС)
Трансформатор — устройство для преобразования величины напряжения переменного тока.
Работа трансформатора основывается на законе электромагнитной индукции.
Ток, протекающий по одной из обмоток, вызывает возникновение переменного магнитного поле в сердечнике, а оно наводит ЭДС в остальных обмотках.
Именно наличие переменного магнитного поля создает условия для работы трансформатора. На постоянном токе трансформатор работать не может. В случае подключения трансформатора к источнику постоянного напряжения, переменное магнитное поле не создается, следовательно нет причины для образования ЭДС.
В таком случае ток первичной обмотки определяется только ее омическим сопротивлением.
Трансформатор преобразует напряжение при сохранении частоты и баланса мощностей на входе и выходе с учетом КПД. Также при помощи трансформаторов осуществляется гальваническая развязка по цепям питания.
Большинство электронной аппаратуры требует питания, отличного от напряжения сети. В большинстве случаев это напряжение значительно ниже и может иметь несколько различных значений.
Трансформатор с несколькими вторичными обмотками позволяет выполнить максимально простое преобразование величины напряжения с той оговоркой, что питающее напряжение переменное.
В случае необходимости преобразовывать постоянное напряжение, приходится сначала преобразовывать его в переменное, что требует определенных схемотехнических решений. В таком случае использование трансформаторов оправдано только наличием гальванической развязки между обмотками.
УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ
Основные узлы, которые входят в трансформатор это сердечник и обмотки. Сердечники трансформаторов бывают двух типов — броневые и стержневые. Для работы с низкочастотными напряжениями, в том числе и 50 Гц применяются стержневые магнитопроводы. В свою очередь они подразделяются на:
- Ш-образные;
- П-образные;
- тороидальные.
Для изготовления сердечника используется специальное трансформаторное железо. От качества железа во многом зависят параметры трансформатора, такие как ток холостого хода (ТХХ) и КПД.
Сердечник набирается из тонких листов железа, изолированных друг от друга слоем окиси или лака. Это делается для того, чтобы уменьшить потери в сердечнике за счет вихревых токов.
Как Ш-образный, так и П-образный сердечники могут собираться из отдельных пластин, а могут быть использованы уже готовые половинки, сделанные из навитых на специальную оправку сплошных лент железа, поклеенных и разрезанных на две части — витые сердечники. Такие сердечники называются ПЛ.
У каждого из типов свои достоинства и недостатки:
- Наборные сердечники.
- Наиболее часто используются для сборки магнитопровода произвольного сечения, которое ограничивается только шириной пластин. Следует иметь ввиду, что наилучшие параметры имеют трансформаторы с поперечным сечением сердечника, близким к квадратному.
- Витые.
- Собираются еще проще, поскольку весь сердечник состоит из двух частей для П-образного магнитопровода и четырех для Ш-образного. Характеристики значительно лучше, чем у наборного магнитопровода. Недостатки — соприкасающиеся поверхности должны иметь минимальный зазор во избежание ослабления магнитного поля.
При ударах пластины половинок зачастую отслаиваются и их очень трудно совместить для плотного прилегания. Существует только определенный ряд размеров магнитопроводов.
- Тороидальные.
- Представляют собой кольцо, свитое из ленты трансформаторного железа Имеют самые лучшие характеристики из всех типов сердечников, минимальный ТХХ и практически полное отсутствие магнитного поля рассеивания.
Основной недостаток — сложность намотки, особенно проводов большого диаметра.
Классический трансформатор имеет одну первичную обмотку и одну или несколько вторичных. Обмотки изолируются друг от друга для исключения вероятности между обмоточного пробоя.
В Ш-образных трансформаторах все обмотки наматываются на центральном стержне, а в П-образном первичная может размещаться на одном стержне, а вторичная на другом. Гораздо чаще обмотки делятся пополам и наматываются на обеих стержнях. Затем обе половины обмоток соединяются последовательно.
Такая намотка улучшает характеристики трансформатора и сокращает количество провода для обмоток.
ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Основные характеристики трансформатора:
- входное напряжение;
- значения выходных напряжений;
- мощность;
- напряжение и ток холостого хода.
Отношение напряжений на первичной и вторичной обмотках представляет собой коэффициент трансформации. Он зависит только от соотношения количества витков в обмотках и остается постоянным в любых режимах работы.
Мощность трансформатора зависит от сечения сердечника и диаметра проводов в обмотках (соответственно – допустимого тока).
Мощность со стороны первичной обмотки всегда равна сумме мощностей вторичных за вычетом потерь в обмотках и сердечнике.
Напряжение холостого хода — это напряжение на вторичных обмотках без нагрузки. Разница между ним и напряжением под нагрузкой характеризует потери в обмотках за счет сопротивления провода. Таким образом, чем толще проводники в обмотках, тем меньше будут потери и меньше разница в напряжениях.
Величина тока холостого хода зависит, в основном от качества сердечника. В идеальном трансформаторе ток, проходящий через первичную обмотку, создает переменное магнитное поле в сердечнике, которое, в свою очередь, за счет магнитной индукции создает ЭДС противоположного направления.
Индуцированная ЭДС компенсирует подаваемое напряжение и ТХХ равен нулю. В реальных условиях, за счет потерь в сердечнике, величина ЭДС всегда меньше первичного напряжения, в результате чего возникает ТХХ. Для уменьшения тока для изготовления сердечника нужен материал высокого качества, между пластинами должен отсутствовать немагнитный зазор.
Последнему требованию в максимальной степени соответствуют тороидальные сердечники — в них немагнитный зазор отсутствует.
РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ
Как показывает опыт и практика, точный расчет трансформатора напряжения себя не оправдывает. Точность нужна только при определении количества витков для получения нужного коэффициента трансформации. Диаметр проводов обмоток должен соответствовать или превосходить минимально допустимому по условиям нагрева.
Общая последовательность расчета трансформатора такова:
- определение мощности трансформатора;
- подбор сердечника с сечением максимально близкого к расчетному, но не меньше его;
- определение количества витков катушек, приходящихся на один вольт напряжения;
- расчет количества витков для каждой обмотки;
- расчет сечения проводов обмоток.
Мощность трансформатора определяется суммированием мощностей всех обмоток за исключением первичной. Для каждой из них — это произведение напряжения на максимальный ток потребления.
Для расчета сечения сердечника нужна габаритная мощность трансформатора, которая учитывает КПД.
Рассматриваемые трансформаторы имеют КПД от 70% при мощности до 150 Вт и до 90 % при большей мощности. Таким образом, чтобы получит габаритную мощность нужно мощность вторичных обмоток умножить на коэффициент 1.3 — 1.1.
Площадь поперечного сечения можно найти как квадратный корень из габаритной мощности. Имея значение площади можно подобрать из таблиц готовый сердечник. Если планируется разборный, то исходя из размеров имеющихся пластин можно вычислить необходимую толщину набора. Как уже говорилось выше, сечение должно быть близким к квадрату.
Наибольшие затруднения вызывает нахождение числа витков. Для этого нужно сначала рассчитать сколько витков должно приходиться на один вольт напряжения. Это значение будет различаться в зависимости от площади сечения сердечника. Следует иметь ввиду, что при одинаковом сечении у магнитопроводов разных типов это значение также будет различно.
Можно воспользоваться следующей формулой: N = К/S,
где N — количество витков на вольт, S — площадь сечения сердечника в см2, K — коэффициент, зависящий от материала и типа сердечника.
Значение коэффициента К:
- для наборных сердечников — 60;
- для типов ПЛ — 50;
- для тороидальных сердечников 40.
Как видим, количество витков у тороидального трансформатора будет минимальным. Умножая число витков на вольт на требуемое напряжение каждой обмотки, получим значение количества витков. Для компенсации потерь напряжения, количество витков вторичных обмоток нужно увеличить на 5%.
У мощных трансформаторов (более 150 Вт) этого делать не нужно.
Сечение проводов также определяется по упрощенной формуле: 0.7√I, где I — ток обмотки.
Провод нужно брать ближайшего к расчетному сечения (можно больше, но не меньше).
В случае сомнений по поводу того, поместится ли провод в обмотке, можно посчитать, сколько витков уложится в один слой и определить количество слоев и их общую толщину для каждой из обмоток.
Это справедливо только для Ш-образных и П-образных трансформаторов.
В тороидальных количество витков в каждом последующем случае будет меньше, чем в предыдущем за счет уменьшения внутреннего диаметра.
© 2012-2023 г. Все права защищены.
Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов
Как работает трансформатор напряжения ~ Изучение электротехники
Функция трансформатора основана на том принципе, что электрическая энергия эффективно передается за счет магнитной индукции из одной цепи в другую. В основном трансформатор состоит из двух или более обмоток, размещенных на одном и том же магнитном пути. Обмотка, на которую подается электрическая энергия, называется первичной обмоткой, а обмотка, к которой подключена нагрузка, называется вторичной обмоткой. Ниже показано типичное действие двухобмоточного трансформатора:
| Действие трансформатора |
Когда первичная обмотка трансформатора питается от источника переменного тока (AC), в трансформаторе создается переменное магнитное поле.
Переменные магнитные силовые линии, называемые «потоком», проходят через сердечник. При второй (вторичной) обмотке вокруг того же сердечника напряжение индуцируется переменными силовыми линиями. Нагрузка, подключенная к клеммам вторичной обмотки, приводит к протеканию тока.
Части трансформатора
Трансформатор состоит из двух основных неподвижных частей:
(a) Многослойный железный сердечник
(b) Обмотки (первичная и вторичная)
Многослойный железный сердечник1
Железный сердечник трансформатора состоит из листов катаного железа. Это железо обрабатывается таким образом, чтобы оно имело высокое качество магнитной проводимости (высокую магнитную проницаемость) по всей длине сердечника. Проницаемость — это термин, используемый для обозначения случая, при котором материал будет проводить магнитные силовые линии.
Железо также имеет высокое омическое сопротивление поперек пластин (по толщине сердечника). Листы железа необходимо ламинировать, чтобы уменьшить нагрев сердечника.
Существует два распространенных типа сердечников трансформаторов:
(a) Тип сердечника
(b) Тип оболочки
| Трансформаторы с сердечником и корпусом | 0|||||
Однако вот список наиболее распространенных универсальных типов трансформаторов:| Voltage ratio of a transformer |
Where:
Vp = voltage on primary coils, V
Vs = voltage on secondary coils, V
Np = number of turns on primary coils
Ns = число витков вторичной обмотки
Отношение Vp/Vs называется коэффициентом напряжения (VR). Отношение Np/Ns называется коэффициентом витков (TR).
Соотношение напряжений 1:4 (читается как 1 к 4) означает, что на каждый вольт на первичной обмотке трансформатора приходится 4 В на вторичной обмотке.
Когда вторичное напряжение больше первичного, трансформатор называется повышающим.
Соотношение напряжений 4:1 означает, что на каждые 4 В на первичной обмотке приходится только 1 В на вторичной. Когда вторичное напряжение меньше первичного, трансформатор называется понижающим.
Коэффициент тока
Ток в катушках трансформатора обратно пропорционален напряжению в катушках. Эта связь выражается уравнением:
| коэффициент тока трансформатора 9 Is = ток вторичной обмотки, А КПД трансформатора КПД трансформатора равен отношению выходной мощности вторичной обмотки к мощности, подводимой к первичной обмотке. Идеальный трансформатор имеет 100-процентный КПД, потому что он отдает всю получаемую энергию. Однако из-за потерь в сердечнике и меди КПД даже самого лучшего трансформатора составляет менее 100 процентов. Выражено как уравнение:
Где: EFF = Эффективность PS = Power Outcoary = Входная мощность – CORE потеря вход в первичную обмотку Эффективность хорошо спроектированных трансформаторов очень высока, в среднем более 98 процентов (%) для силовых трансформаторов. Основной причиной высокого КПД трансформаторов по сравнению с другим оборудованием является отсутствие движущихся частей. Трансформаторы называются статическими машинами переменного тока. Трансформатор напряжения (PT) – Типы трансформаторов напряжения Задумывались ли вы когда-нибудь о том, как измеряются высокие напряжения и силы тока, так как с ними довольно опасно работать, а используемый нами прибор не может работать с таким высоким уровнем напряжения или силы тока. Для этой конкретной цели используются измерительные трансформаторы, которые снижают его до безопасного уровня, позволяя осуществлять непрерывный мониторинг высокого напряжения и тока. Трансформатор тока CT и трансформатор напряжения PT представляют собой два измерительных трансформатора, используемых для измерения больших токов и напряжений. Содержание Что такое трансформатор?Трансформатор — это устройство, передающее электрическую энергию из одной цепи в другую за счет взаимной индукции. Он имеет две катушки, то есть первичную и вторичную, которые магнитно связаны и электрически изолированы. Они используются для увеличения или уменьшения уровней напряжения и тока без изменения их частоты. Существуют различные типы трансформаторов, используемых для конкретных применений, таких как силовые трансформаторы, автотрансформаторы, измерительные трансформаторы и т. д. Измерительный трансформатор можно разделить на трансформатор тока (ТТ) и трансформатор напряжения (ПН). Точно так же, как трансформатор тока используется для снижения уровня тока для измерения, PT используется для снижения уровня напряжения. Что такое трансформатор напряжения? Трансформатор напряжения (также известный как трансформатор напряжения) относится к типу измерительных трансформаторов. Кроме того, он также обеспечивает изоляцию между силовой цепью высокого напряжения и измерительной цепью низкого напряжения. Похожие сообщения:
Трансформатор напряжения или PT может иметь такую же конструкцию, как и любой обычный трансформатор. Он имеет первичную и вторичную обмотку. Количество витков в первичной обмотке больше, чем количество витков во вторичной обмотке, потому что это понижающий трансформатор. Конструкция и материал, используемые для PT, помогают достичь большей точности.
Работа трансформатора напряжения аналогична работе любого обычного трансформатора. Электрическая энергия передается между первичной и вторичной обмотками за счет магнитной индукции. Переменное напряжение на первичной обмотке создает переменный магнитный поток в сердечнике трансформатора. Поскольку обе обмотки используют один и тот же сердечник, этот переменный поток индуцирует напряжение во вторичной обмотке. Таким образом, во вторичной обмотке начинает течь ток. Поскольку в первичной обмотке больше витков, чем во вторичной, индуцированное во вторичной обмотке напряжение очень низкое. Вторичное напряжение измеряется с помощью стандартного низковольтного вольтметра. Используя уравнение коэффициента трансформации трансформатора, мы можем рассчитать первичное напряжение. В P /V S = N P /N S Где
Поскольку вольтметр имеет очень высокий импеданс, через вторичные обмотки ПТ протекает очень малый ток. по той же причине PT имеет очень низкие номинальные значения ВА, около 200 ВА. Похожие сообщения:
Трансформатор напряжения подключается параллельно цепи, в отличие от ТТ, который подключается последовательно. Первичная обмотка ПТ напрямую подключена к линии электропередачи, напряжение которой измеряется. Первичная и вторичная обмотки PT магнитно связаны за счет взаимной индукции, при этом первичное напряжение уменьшается в зависимости от коэффициента трансформации трансформатора. Первичное напряжение может достигать нескольких тысяч вольт, а вторичное напряжение падает ниже 110 В. Обе обмотки электрически изолированы, но из соображений безопасности вторичная обмотка заземлена с одного конца. Типы трансформаторов напряжения в зависимости от функцииТрансформатор напряжения можно разделить на два типа в зависимости от его функции Трансформатор измерительного напряжения Трансформаторы измерительного типа представляют собой измерительные трансформаторы, используемые для измерения напряжения. Такой тип PT используется для обеспечения защиты, поскольку его обмотки электрически изолированы, а сторона низкого напряжения не связана напрямую со стороной высокого напряжения. Типы трансформаторов напряжения в зависимости от конструкцииТрансформатор напряжения можно разделить на два типа в зависимости от его конструкции Электромагнитный трансформатор напряжения Трансформатор напряжения, использующий электромагнитную индукцию для преобразования высокого напряжения в низкое, называется электромагнитным ПП. Это обычные трансформаторы с обмоткой, первичная и вторичная обмотки которых намотаны вокруг магнитопровода. Поэтому их также называют трансформаторами напряжения с обмоткой, имеющими кожухо-сердечниковый тип. В таких ПТ не используются какие-либо другие электронные компоненты для снижения напряжения, такие как конденсатор. Недостатком электромагнитного ПП является проблема с изоляцией при высоком напряжении. Из-за чего его конструкция становится очень сложной для напряжения выше 10кВ. Поэтому для устранения проблемы изоляции используются емкостные делители следующего типа. Похожие сообщения:
Это комбинация емкостного делителя напряжения и электромагнитного трансформатора (вспомогательного трансформатора). Емкостный делитель потенциала используется для разделения высокого линейного напряжения, чтобы снизить его ниже 10 кВ. Конденсаторы соединены последовательно на первичной обмотке вспомогательного трансформатора. Вспомогательный трансформатор дополнительно снижает напряжение, измеряемое вольтметром с высокой точностью. Эти трансформаторы используются для линий электропередач. В идеальном трансформаторе первичное и вторичное напряжение находятся в точной пропорции относительно его витков, и оба напряжения совпадают по фазе. Но на практике происходит падение напряжения на первичной обмотке из-за ее реактивного сопротивления, что создает ошибку соотношения напряжений и ошибку фазового сдвига. Вот некоторые из ошибок, которые могут возникнуть в PT. Ошибка отношенияОшибка отношения — это изменение отношения напряжений из-за изменения нагрузки. Переменная нагрузка изменяет ток намагничивания и потери в сердечнике, которые влияют на вторичное напряжение ПТ. Проще говоря, его номинальное соотношение отличается от фактического. Ошибка соотношения определяется как Ошибка соотношения = (номинальное соотношение – фактическое соотношение) / фактическое соотношение /R} x 100 Где
Номинальный коэффициент представляет собой отношение номинального первичного напряжения к номинальному вторичному напряжению. Похожие сообщения:
Ошибка соотношения напряжений представляет собой разницу между идеальным напряжением и практическим или фактическим напряжением. Вот формула для нахождения ошибки соотношения напряжений Ошибка соотношения напряжений = (V P – K N V S )/ V P % Ошибка отношения напряжения = {V P – K N V S )/ V N V S )/ V N V 1. Где Ошибка фазового угла представляет собой разницу между фазой первичного напряжения и инвертированным вторичным напряжением. Векторная диаграмма трансформатора напряжения приведена ниже. Эта векторная диаграмма показывает первичный ток I P , первичное напряжение V P , вторичный ток I S и вторичное напряжение V S . Где Опорой данной векторной диаграммы является главный поток Φ м . Ток возбуждения I o представляет собой векторную сумму тока намагничивания I м и тока потерь в сердечнике I Вт . Векторная сумма тока возбуждения I o и обратного вторичного тока I S , умноженная на коэффициент трансформации 1/K n , дает первичный ток I P . Вследствие взаимной индукции первичная ЭДС преобразуется во вторичную ЭДС E S во вторичных обмотках. Вторичное напряжение V S , которое появляется на выходе вторичных обмоток, получается путем вычитания падений напряжения из-за сопротивления вторичных обмоток R S и реактивного сопротивления X S . Похожие сообщения: Преимущества Вот некоторые преимущества трансформатора напряжения. Недостатки Вот некоторые недостатки трансформатора напряжения. |
Единственные потери в трансформаторе связаны с потерями в сердечнике, которые идут на поддержание переменного магнитного поля, потерями сопротивления в катушках и мощностью, используемой для охлаждения больших трансформаторов, требующих охлаждения.
Это понижающий трансформатор напряжения, который снижает высокое напряжение до более безопасного низкого уровня. Выходное напряжение трансформатора напряжения можно измерить, подключив обычный вольтметр.
Поэтому экономия используемого материала не считается важной. Вот некоторые моменты, которые используются при построении ПТ.
В то время как вторичная обмотка подключена к прибору для измерения напряжения, такому как вольтметр, ваттметр и т. д. Поскольку напряжение во вторичной обмотке очень низкое, для его измерения можно использовать обычный вольтметр.
Это трансформаторы низкого номинала с высокой точностью.
В идеале первичное напряжение находится в фазе с вторичным напряжением в обратном направлении. Но на практике есть реактивное сопротивление обмоток, которое сдвигает фазу вторичного напряжения, создавая ошибку фазового угла.
Первичное индуцированное напряжение получается вычитанием потерь из-за сопротивления первичной обмотки R P и реактивного сопротивления X P . Падение напряжения на первичных обмотках I P R P , реактивное сопротивление обмоток I P X P .
