Устройство и принцип действия трансформатора: определение, классификация и принцип работы

Устройство и принципы действия трансформаторов: назначение, виды, критерии подбора

Трансформаторные установки — преобразователи электрической энергии. Они применяются в большинстве электрических приборов, в электросетях, устройствах автоматики, бытовых приборах и коммуникационных аппаратах. Принцип действия трансформаторов опирается на закон электромагнитной индукции Фарадея.

• Устройство трансформатора
• Виды преобразователей
  • Режимы работы трансформаторных устройств
  • Критерии выбора оборудования

Устройство трансформатора

Конструктивно трансформатор состоит из одной или нескольких изолированных обмоток, которые намотаны на ферромагнитный сердечник. В простейшей схеме это первичная и вторичная обмотки. На первичную подаётся напряжение, со вторичной снимается. Под воздействием переменного тока, который подаётся на первичную обмотку, в магнитопроводе образуется синусоидальный магнитный поток Ф. Пронизывая обмотки, он индуцирует в первичной обмотке электродвижущую силу самоиндукции (ЭДС), а во вторичной — ЭДС индукции.

Обе эти электродвижущие силы индуцируются магнитным потоком Ф, следовательно, ЭДС (E) одинакова в каждом витке. Витки соединены последовательно, поэтому ЭДС первичной обмотки будет E1 = E · w1. Для вторичной это соотношение: E2 = E · w2, где w1, w2 — число витков.

При разомкнутой вторичной обмотке ток в ней не течёт, и напряжение на концах равно ЭДС, U2 = E2. При небольшом токе в первичной обмотке потери будут незначительны и U1 ≈ E1. Заменим E1 и E2, и тогда отношение напряжений выразится некоторой постоянной K, называемой коэффициентом трансформации, U1/U2 = E1/E2 = w1/w2 = K.

Виды преобразователей

Назначение и принцип действия трансформатора заключаются в возможности повышать и понижать напряжение, изменять число фаз, преобразовывать частоту. В зависимости от выполняемых функций трансформаторы подразделяются на следующие виды:

• Силовые трансформаторные установки. Генераторы на электростанциях вырабатывают энергию высокого напряжения 6—24 кВ. Чтобы избежать больших потерь в линиях электропередач, требуется повышать напряжение до 750 кВ. Для распределения энергии между конечными потребителями приходится понижать напряжение до 380 В. Силовые трансформаторы выполняют эти задачи преобразования напряжений.
• Трансформаторные установки тока. Применяются для измерений в электрических цепях. Первичную обмотку подключают в цепь, ток в которой требуется измерить, а вторичная служит для подключения измерительных приборов. Во вторичной обмотке течёт ток, пропорциональный току первичной.
• Трансформаторные установки напряжения. Преобразуют высокое напряжение в низкое.

Сварочные трансформаторные установки. Применяются в сварочных агрегатах. Преобразовывают высокое напряжение в низкое, при этом ток повышается до тысяч ампер.

• Автотрансформаторы. Обе обмотки соединены, имеется и магнитная, и электрическая связь.
• Импульсные трансформаторные установки. Служат для преобразования импульсных сигналов.

По количеству обмоток различают:

• Двухобмоточные установки.
• Трехобмоточные установки.
• Многофазные трансформаторные установки.

По конструкции трансформаторы бывают сухие и масляные. При работе трансформаторных установок возникают тепловые потери. Для маломощных агрегатов они невелики, там применяется воздушное охлаждение. Это сухие трансформаторы. Масляные трансформаторы более мощные и нуждаются в охлаждении жидкостью. Для этого их помещают в баки с трансформаторным маслом, что способствует более полному охлаждению и улучшает изоляцию. Масляные агрегаты предназначаются для работы при напряжениях выше 6 тыс. В.

Режимы работы трансформаторных устройств

Все устройства могут работать в режимах холостого хода, под нагрузкой и короткого замыкания. Холостой ход — это условия работы, при которых отсутствует нагрузка, вторичная обмотка разомкнута. При этом режиме рассчитываются:

• Коэффициенты трансформации.
• Сопротивление ветви намагничивания. Для этого во вторичную обмотку включается вольтметр. Сопротивление должно быть таким, чтобы величина тока была минимальна.
• Коэффициент мощности.
• Короткое замыкание — условия работы, при которых концы вторичной обмотки соединяются. При работе агрегата короткое замыкание — это аварийный режим. Первичный и вторичный токи возрастают в десятки раз. Для предотвращения аварии включаются механизмы защиты.

В условиях испытаний определяется напряжение короткого замыкания. Это паспортная характеристика агрегата. Для определения характеристики соединяют концы вторичной обмотки, а напряжение на первичной понижается до такого, при котором ток не превышает номинальных значений.

При таких испытаниях вместе с испытаниями на холостом ходу определяется коэффициент полезного действия установок.

Критерии выбора оборудования

При приобретении трансформаторного оборудования необходимо рассматривать его основные параметры:

• Напряжение.
• Коэффициент трансформации.
• Угловая погрешность для трансформаторов тока.

Учитываются также условия эксплуатации. Очень важны для выбора область применения, нагрузки и напряжения короткого замыкания. Особенно нужно правильно эксплуатировать установки. Существуют нормативы по пуску, наладке и использованию агрегатов. Главным моментом является обслуживание установок, при котором следует проверять сопротивление на обмотках и ток.

Периодически следует проверять уровень масла и чистоту изоляции. При выполнении всех требований регламента по установке и обслуживанию агрегатов будет обеспечена безопасность эксплуатации и гарантийный срок службы устройств.

Трансформаторы, устройство и принцип действия, назначение различных типов

Трансформатор это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования напряжения электрической энергии переменного тока. Основной принцип работы трансформатора состоит в использовании явления электромагнитной индукции.

К основным частям, из которых состоит трансформатор, относятся магнитный сердечник (магнитопровод) и намотанные на нём обмотки.

Принцип действия трансформатора напряжения заключается в следующем. Одна из обмоток подключается к источнику электрического напряжения. Эту обмотку называют первичной, она служит источником энергии, трансформируемой устройством.

Ток переменного направления, протекающий по первичной обмотке, создаёт знакопеременный магнитный поток в трансформаторном магнитопроводе.

Под воздействием магнитного потока сердечника во вторичных обмотках (их может быть несколько) наводится электродвижущая сила (ЭДС) индукции. Наведённая ЭДС индукции вызывает во вторичных обмотках появление некоторого напряжения, а при подключении к ним нагрузки — вторичного тока.

Форма магнитного трансформаторного сердечника может быть различной, главное условие — магнитный поток должен образовывать замкнутые контуры (один или несколько).

Наибольшее распространение получили следующие формы трансформаторных магнитопроводов:

• Ш – образные;
• П – образные;
• тороидальные (по аналогии с предыдущими типами сердечников их можно назвать О – образными).

В процессе трансформации электрической энергии, часть её теряется вследствие наличия потерь. Трансформаторные потери подразделяются на две категории — потери в меди и в стали. Данные определения требуют разъяснения.

Потери в меди.

Под этим термином подразумеваются омические потери при протекании токов в обмотках трансформаторов. Теряемая в обмотках энергия уходит на их нагрев.

Интересный факт. Нередко встречаются трансформаторы, обмотки которых выполнены из алюминиевых проводников. Теряемую в таких обмотках мощность логично было бы назвать «потери в алюминии», однако такой термин не употребляется. Словосочетание «потери в меди» вероятно можно отнести к профессиональному жаргону.

Потери в стали.

Данный вид теряемой мощности состоит из двух компонентов:

• потери, возникающие вследствие образования в сердечнике вихревых токов;
• мощность, затрачиваемая на перемагничивание.

Вихревые токи (токи Фуко) возникают в любом электропроводящем материале под воздействием переменного магнитного поля. Трансформаторный сердечник, являющийся проводником, не является исключением.

Для уменьшения влияния вихревых токов, магнитопроводы трансформаторов обычно изготавливают не цельными изделиями, а набираются из тонких пластин специальной электротехнической стали. Каждая пластина перед сборкой покрывается электроизоляционным лаком.

Такая технология позволяет избежать возникновения глобальных вихревых токов по всей толщине сердечника, что значительно снижает потери энергии и соответственно, нагрев магнитопровода.

ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОКОВ ФУКО

Для того чтобы оценить масштабы энергии, которая может выделяться при протекании вихревых токов, полезно вспомнить принцип работы индукционных плавильных печей. В ёмкость печи, выполненную из огнеупорной керамики, помещают лом стали, чугуна или железную руду.

Плавильная ёмкость окружена мощной спиральной обмоткой, по которой пропускается ток высокой частоты. Содержимое ёмкости в данном случае играет роль магнитного сердечника.

Под воздействием возникающих вихревых токов происходит интенсивный разогрев и расплавление загруженного железосодержащего материала. Электроплавильное производство относится к одному из самых энергоёмких.

Потери на перемагничивание обусловлены следующими факторами:

1. Макроструктура магнитных материалов имеет зернистый характер. Образование структурных зёрен происходит на стадии застывания расплавленного металлического сплава вследствие возникновения множества очагов кристаллизации.

2. В результате образуются зёрна структуры, которые представляют собой монокристаллические образования — домены. Каждый домен магнитного материала имеет некоторое результирующее направление вектора магнитной индукции.

При отсутствии внешнего магнитного поля векторы индукции доменов направлены хаотически. Но если поместить такой материал в магнитное поле, векторы доменов становятся однонаправленными.

Применительно к процессу трансформации происходит следующее. Ток первичной обмотки создаёт в сердечнике магнитное поле, направление индукции которого меняется с частотой 50 герц (при подключении к обычной электросети).

С такой же частотой происходит переориентация векторов магнитной индукции доменов магнитопровода. Энергия, затрачиваемая на циклическое перемагничивание, выделяется в виде тепла, нагреваемого сердечник.

Энергию, затраченную на перемагничивание сердечника, называют также потерями на гистерезис. Величина этих потерь зависит от свойств материала трансформаторного сердечника, а если более конкретно, от вида их кривой намагничивания — петли гистерезиса.

Наименьшими потерями характеризуются магнитомягкие материалы — электротехническая сталь и пермаллой, которые и используются при изготовлении трансформаторных магнитопроводов.

ВИДЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ

В зависимости от специфических функций, выполняемых трансформаторами, они подразделяются на несколько основных типов:

• силовые, предназначенные для трансформации мощности;
• измерительные, к которым относятся трансформаторы тока и напряжения;
• разделительные, служащие для разделения электрических цепей.

Силовые трансформаторы используются на электрических станциях, в распределительных сетях и в точках потребления электроэнергии. Основная их функция — трансформирование передаваемой электрической энергии с одной ступени напряжения в другую.

Смысл смены ступеней напряжения заключается в том, что выработка, транспортировка и потребление электрической энергии происходит на разных уровнях напряжения.

Мощные турбогенераторы электрических станций вырабатывают электроэнергию напряжением 20 кВ. Передача энергии на большие расстояния осуществляется по воздушным линиям (ЛЭП), имеющим напряжение сотни киловольт — 110, 220, 500 кВ.

Более высокое напряжение (750 и 1150 кВ) применяется реже ввиду дороговизны оборудования и ряда технических сложностей. Повышение напряжения транспортировки электроэнергии позволяет снизить её потери.

Потребляется же большая часть электричества с напряжением 0,4 кВ. Максимальное напряжение конечных электрических устройств составляет не более нескольких киловольт. К таким устройствам относятся высоковольтные приводные двигатели мощных производственных механизмов, тяговые двигатели электровозов, питающихся от контактных электрических сетей.

Таким образом, электрическая энергия на своём пути от её производства до поступления к конечному потребителю несколько раз изменяет уровень напряжения. Эту работу выполняют силовые трансформаторы, установленные на электрических станциях и подстанциях распределительных сетей.

Измерительные трансформаторы используются в цепях измерения, защиты и контроля. Устройства этого типа осуществляют преобразование первичных значений тока и напряжения в пропорциональные им вторичные величины, необходимые для работы измерительных приборов, устройств защиты и автоматики.

Преобразование токовых величин осуществляется трансформаторами тока, для контроля уровня напряжения служат трансформаторы напряжения. Измерительные трансформаторы относятся к средствам измерений и подлежат периодической метрологической поверке, так же как все измерительные приборы.

Разделительные трансформаторы используются в тех случаях, когда необходимо обеспечить гальваническую развязку между отдельными участками электросетей.

Необходимость такого разделения может диктоваться требованиями электробезопасности. Например, таким способом осуществляется питание некоторых видов медицинского оборудования. В данном случае используется одно из основных свойств, присущих трансформатору — отсутствие гальванической связи между его обмотками.

  *  *  *

© 2014-2023 г. г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.

Конструкция трансформатора, типы, принцип работы и использование

– Реклама –

Что такое трансформатор

Трансформатор — это статическое устройство, которое передает электроэнергию между двумя цепями переменного тока без изменения частоты. Напряжение цепи может быть уменьшено или увеличено в соответствии с текущим соотношением. Это называется повышением (повышением) напряжения и его понижением (уменьшением).

Трансформатор

Трансформатор представляет собой пассивное устройство, работающее на принципах электромагнитной индукции, используемой на входе для повышения напряжения и понижения выходного напряжения на внешнем выводе.

Трансформатор Конструкция

Трансформатор состоит из трех компонентов:

• Железный сердечник
• Первичная обмотка
• Вторичная обмотка

Core

– Реклама –

Сердечник трансформатора прямоугольной формы, многослойный. При сооружении трансформатора его необходимо проектировать таким образом, чтобы при работе трансформатора было меньше потерь в сердечнике. Потери в сердечнике и потери в стали представляют собой комбинацию всех потерь, происходящих внутри сердечника.

Сердечник пропускает через себя переменный поток. Это может привести к потерям энергии в сердечнике из-за гистерезисных потерь. Таким образом, вы должны выбрать высококачественную кремниевую сталь с низкими потерями на гистерезис для изготовления сердечника трансформатора. Эта сталь называется сердечником из мягкой стали трансформатора.

Переменный поток создает определенные токи, известные как вихревые токи. Эти токи потребляют электрическую энергию и вызывают определенные потери, известные под названием потерь на вихревые токи трансформатора. Сердцевина должна быть изготовлена ​​в виде группы пластин. Эти последовательные пластины электрически изолированы для уменьшения вихревых токов. Изоляционный слой состоит из лака, обладающего высокой устойчивостью к вихревым токам.

Обмотки

Трансформатор имеет две обмотки: первичную и вторичную обмотки. Первичная обмотка подключена к входной клемме и отвечает за создание ЭДС самоиндукции. Вторичная обмотка подключена к выходной нагрузке. Эти обмотки размещены на сердечнике и электрически изолированы друг от друга и сердечника для правильного функционирования и уменьшения потерь.

Эти катушки имеют разное количество витков по сравнению друг с другом. Первичная обмотка трансформатора имеет Н 1 витков. Точно так же вторичная обмотка трансформатора имеет Н 2 витков. В зависимости от режима работы трансформатора N1< N2, N1> N2 и N1= N2.

Типы конструкции трансформатора

Существуют две конструкции трансформаторов в зависимости от размещения сердечника и катушек при конструкции трансформатора.

Конструкция с сердечником

Первичная обмотка закреплена на одном конце железного сердечника, а вторичная обмотка размещена на другом конце. Каждая из катушек разделена на равные части и размещена на двух концах железного сердечника. Обе обмотки охватывают весь сердечник.

Хотя первичная и вторичная обмотки электрически изолированы друг от друга, обе они соединены последовательно в конструкции сердечника.

Это увеличивает среднюю длину сердечника и обеспечивает хорошую магнитную связь между обеими обмотками. Магнитный поток движется по непрерывному пути и создает ЭДС.

Конструкция трансформатора с сердечником подходит для высоковольтных трансформаторов. Они распространены среди обоих типов конструкций и легко ремонтируются благодаря простоте устройства, в случае каких-либо повреждений.

Кожуховая конструкция 

Кожуховая конструкция позволяет сердечнику окружать первичную и вторичную обмотки. Железный сердечник имеет три грани: левую, центральную и правую. Первичная и вторичная катушки закреплены на центральной поверхности железного сердечника. Сердечник охватывает обе обмотки, а средняя длина сердечника меньше.

Несмотря на электрическую изоляцию друг от друга, первичная и вторичная катушки генерируют разные напряжения V1 и V2. Это распределяет магнитный поток на две части. Кожуховая конструкция Трансформатора пригодна для низковольтных трансформаторов, но ее трудно ремонтировать из-за сложности их устройства, в случае повреждения.

Принцип работы трансформатора 

Трансформатор состоит из сердечника с общими входной и выходной сторонами. В этот сердечник встроены две индуктивные обмотки, которые электрически изолированы друг от друга. Входная катушка, на которую подается электрическое напряжение, называется первичной обмоткой. Выходная катушка, с которой снимается электрическое напряжение, называется вторичной обмоткой.

Вы можете посмотреть подробное видео о том, как работает трансформатор.

Конструкция трансформатора и обмотка

Когда входное переменное напряжение V1 подается на первичную обмотку трансформатора, он генерирует переменный ток I1. В сердечнике создается переменная электродвижущая сила ЭДС e1.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея,

Электродвижущая сила ЭДС e1 проходит через первичную катушку.

Где,

• ЭДС является производной электромагнитного потока первого порядка по времени.
• e1= Электродвижущая сила
• N 1 = количество витков в первичной обмотке

ЭДС электромагнитного потока e1 косвенно равна и противоположна входному переменному напряжению V1.

Если предположить, что поток рассеяния пренебрежимо мал и потерь в трансформаторе нет.

В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея во вторичной катушке создается ЭДС e2 ЭДС.

Электродвижущая сила ЭДС e2 проходит через вторичную обмотку.

Где,

• ЭДС является производной электромагнитного потока первого порядка по времени.
• e2= Электродвижущая сила
• N 2 = Количество витков во вторичной обмотке

По законам Фарадея ЭДС e 1 является электродвижущей силой самоиндукции, а ЭДС e2 является электродвижущей силой взаимного индуцирования.

Передача энергии происходит через первичную обмотку во вторичную с взаимной индукцией. Вторичная обмотка замыкается через нагрузку по току I2. протекает по цепи.

В зависимости от количества витков первичной и вторичной обмотки мы можем разработать повышающий или понижающий трансформатор.

Повышающий и понижающий трансформаторы

Повышающий трансформатор

Если 

N 1 < N 2

E 1 < E2

Съемный трансформатор определяется как устройство, которое получает электрическое чередующее напряжение и преобразует его в высший объем. Это трансформатор, у которого во вторичной обмотке больше витков, чем в первичной. Используется на входном терминале линии передачи.

Понижающий трансформатор

Если 

n 1 > N 2

E 1 > E 2

. Снатовый преобразование дефицита дефицита в качестве устройства. переменное напряжение и преобразует его в более низкое напряжение. Это трансформатор, у которого в первичной обмотке больше витков, чем во вторичной. Используется на выходном терминале линии передачи.

Изолирующий трансформатор

N 1 = N 2

Это называется изолирующим трансформатором, в котором количество витков в первичной и вторичной обмотках одинаково. Это означает, что индуцированные значения напряжения и тока для первичной и вторичной катушек равны. Этот тип трансформатора используется для обеспечения гальванической развязки, снижения шума и защиты от поражения электрическим током между проводниками и землей.

Проектирование трансформатора

Уравнение ЭДС трансформатора

Уравнение ЭДС трансформатора важно для проектирования повышающей или понижающей конфигурации.

Переменное напряжение синусоидальной формы подается на вход через первичную обмотку. В соответствии с работой трансформатора переменное напряжение создает поток в железном сердечнике. Этот переменный поток изменяется синусоидально через трансформатор.

Уравнение переменного потока в железном сердечнике трансформатора

Согласно законам электромагнитной индукции Фарадея, ЭДС e 1 является самоиндукцией, а ЭДС e2 – взаимно индуцированной.

Самоиндуцированная EMF E 1 Первичной обмотки дается

, поставив значения уравнения 1 в уравнении 2

Дифференцирование по отношению к T

Путем сравнения уравнений i и iii , можно сделать вывод, что ЭДС самоиндукции e 1 отстает от электрического потока на 900. На

по уравнению IV,

ЭМФ E 1 в первичной обмотке дается:

Аналогично, взаимоизмеримый EMF E 2

Аналогично, индуцированная EMF E 2

А.0008 во вторичной обмотке определяется как:

Где f — частота питания, а m — максимальный поток.

Эти уравнения (уравнения vi и vii) известны как уравнения ЭДС трансформатора .

Плотность потока ( B M )

Максимальная плотность потока B M в поперечном сечении выражена в Теслах .

Катушка с большим количеством витков будет иметь обмотку с более высоким напряжением, а катушка с меньшим количеством витков будет иметь обмотку с меньшим напряжением.

Коэффициент трансформации (K)

Коэффициент трансформации (K) является решающим фактором при конструировании трансформатора при проектировании повышающего и понижающего трансформатора.

Рассмотрение уравнений ЭДС трансформатора с помощью (уравнения vi и vii),

Разделение уравнения vii на уравнение vi,

Этот коэффициент известен как коэффициент трансформации (K).

Если считать первичное и вторичное падение напряжения равным 0,

V1= E1 — уравнение viii

V2= E2 — уравнение ix

= V2/V1

Если считать потери трансформатора равными 0,

V1I1= V2I2 — уравнение x

Преобразование уравнения x,

K = I1/I2 = V2/V1 

Формула коэффициента трансформации принимает вид

K = N2/N1 = E2/E1 = V2/V1 = I1/I2

, 

N1 < N2

K > 1

Step-down Transformers , 

N1 > N2

K < 1

Isolation Transformers , 

N1 = N2

K = 1

Идеальные и практичные трансформаторы

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор — это теоретический трансформатор, в котором отсутствуют потери. Описанный выше трансформатор является идеальным трансформатором, в котором отсутствуют потери в сердечнике по обе стороны линии передачи. Но в системах реального времени идеального преобразователя не существует. Вместо этого используется практичный трансформатор с потерями.

Практический трансформатор 

В практическом трансформаторе первичная и вторичная обмотки не идеальны, так как они имеют малое сопротивление. Это приводит к некоторым потерям мощности в обмотках, эти потери известны как потери в меди.

Переменный поток создает определенные токи внутри трансформатора, известные как вихревые токи. Потери на вихревые токи и потери на гистерезис вместе составляют потери в сердечнике. Кроме того, было замечено, что вблизи обмоток происходит утечка электрического потока.

Сравнение идеального трансформатора и практичного трансформатора

Потери в сердечнике и меди трансформатора с любыми другими утечками как таковые составляют практический трансформатор. Регулировка напряжения Практического Трансформатора никогда не составляет 0%, а эффективность колеблется между 93-97%.

В идеальном трансформаторе отсутствует сопротивление первичной и вторичной обмоток. Отсутствие сопротивления не вызывает падения напряжения или потери мощности. Утечки электрического потока вблизи обмоток в идеальном трансформаторе отсутствуют. Кроме того, в обмотках отсутствуют вихревые токи и потери на гистерезис.

Следовательно, идеальный трансформатор не имеет медных потерь и потерь в сердечнике, а также утечки электрического потока. Регулировка напряжения идеального трансформатора составляет 0%, а эффективность составляет 100%. Но это невозможно построить и существует в гипотетических экспериментах.

Использование трансформаторов

Вход и выход линии электропередачи

В традиционной энергосистеме входное напряжение обычно составляет 11 кВ/22 кВ. Он проходит через повышающий трансформатор для создания уровня напряжения 220 кВ/400 кВ. Трансформатор

Использование высокого напряжения

для запуска цепи или переключения между двумя системами повышает эффективность и снижает потери в линии. Когда схема выполняет свою работу, можно обнаружить, что на выходе традиционной системы питания используется понижающий трансформатор. В конце линии электропередачи рабочее напряжение снова снижается до 11 кВ/22 кВ.

Распределение мощности

Во время распределения мощности трансформаторы преобразуют линейное напряжение 400 В в фазное напряжение 230 В.

Снижение потерь мощности

уровень напряжения. Это уменьшает ток, протекающий по цепи. Уменьшение протекающего тока приводит к уменьшению потерь мощности Loss=I ² R  в линии передачи.

Если у вас есть какие-либо сомнения или вопросы, пожалуйста, не стесняйтесь задавать их в разделе комментариев ниже.

---

 

Определение, типы, принцип работы, уравнения и примеры

Трансформатор — это простейшее устройство, которое используется для передачи электрической энергии от одной цепи переменного тока к другой цепи или нескольким цепям посредством процесса электромагнитной индукции. . Трансформатор работает по принципу электромагнитной индукции для повышения или понижения напряжения. Трансформатор либо увеличивает переменное напряжение (повышающий трансформатор), либо уменьшает переменное напряжение (понижающий трансформатор). Трансформатор, который обычно используется для передачи и распределения мощности переменного тока, по сути является устройством регулирования напряжения. Трансформаторы используются для самых разных целей, включая повышение напряжения от электрогенераторов для обеспечения передачи электроэнергии на большие расстояния и снижение напряжения в обычных силовых цепях для работы низковольтных устройств, таких как дверные звонки и игрушечные электропоезда.

Что такое трансформер?

Трансформатор — это статическое электрическое устройство, которое передает мощность переменного тока из одной цепи в другую с постоянной частотой, но уровень напряжения может быть изменен, что означает, что напряжение может быть увеличено или уменьшено в зависимости от требований.

Типы трансформаторов 

Типы трансформаторов в зависимости от уровня напряжения

Существует два основных типа трансформаторов в зависимости от рабочего напряжения. Вот некоторые из них:

 

• Понижающий трансформатор: Первичное напряжение преобразуется в более низкое напряжение на вторичном выходе с помощью понижающего трансформатора. Число обмоток на первичной стороне понижающего трансформатора больше, чем на вторичной. В результате общее отношение вторичной обмотки к первичной всегда будет меньше единицы. Понижающие трансформаторы используются в электрических системах, которые распределяют электроэнергию на большие расстояния и работают при чрезвычайно высоких напряжениях, чтобы обеспечить минимальные потери и экономичные решения. Понижающий трансформатор используется для преобразования высоковольтных линий в низковольтные.
• Повышающий трансформатор: Вторичное напряжение повышающего трансформатора повышается по сравнению с низким первичным напряжением. Поскольку первичная обмотка имеет меньше витков, чем вторичная обмотка в этом типе трансформатора, отношение первичной обмотки к вторичной будет больше единицы. Повышающие трансформаторы часто используются в электронных стабилизаторах, инверторах и других устройствах, которые преобразуют низкое напряжение в значительно более высокое напряжение. Повышающий трансформатор также используется в распределении электроэнергии. Для приложений, связанных с распределением электроэнергии, необходимо высокое напряжение. В сети для повышения уровня напряжения перед распределением используется повышающий трансформатор.

Типы трансформаторов в зависимости от материала сердечника

Различные типы трансформаторов используются в электроэнергетике и электронной промышленности в зависимости от материалов сердечника, а именно:

• Трансформатор с железным сердечником: В качестве сердечник трансформатора с железным сердечником. Сильные магнитные свойства железа трансформатора с железным сердечником имеют чрезвычайно высокую потокосцепление. В результате трансформатор с железным сердечником имеет высокий КПД. Сердечники из мягкого железа бывают разных размеров и форм. Несколько типичных форм включают E, I, U и L. 
• Трансформатор с ферритовым сердечником: Из-за высокой магнитной проницаемости в трансформаторе с ферритовым сердечником используется один. В высокочастотном приложении этот тип трансформатора обеспечивает невероятно низкие потери. В результате в высокочастотных приложениях, таких как импульсные источники питания (SMPS), радиочастотные приложения и т. д., используются трансформаторы с ферритовым сердечником.
• Трансформатор с тороидальным сердечником: Железный сердечник или ферритовый сердечник — два примера материалов тороидального сердечника, используемых в трансформаторе. Из-за их превосходных электрических характеристик часто используются тороиды с кольцеобразным или кольцевым сердечником. Кольцевая форма обеспечивает очень низкую индуктивность рассеяния и чрезвычайно высокую индуктивность и добротность.
• Трансформатор с воздушным сердечником: Материал сердечника трансформатора с воздушным сердечником не является настоящим магнитным сердечником. Воздух используется исключительно в потокосцеплении трансформатора с воздушным сердечником. Первичная обмотка трансформатора с воздушным сердечником генерирует переменный ток, создавая вокруг себя электромагнитное поле.

Типы трансформаторов в зависимости от расположения обмоток

• Трансформатор с автоматической обмоткой: Первичная и вторичная обмотки всегда были фиксированными, но с трансформатором с автоматической обмоткой они могут быть соединены последовательно, а узел с отводом от центра может быть перемещенным. Вторичное напряжение можно изменить, изменив положение центрального отвода. Auto используется для оповещения себя или отдельной катушки и не является аббревиатурой от Automatic. Эта катушка создает соотношение, используя главные и второстепенные компоненты. Соотношение главного и вторичного определяется расположением узла центрального отвода, который изменяет выходное напряжение. VARIAC, устройство, которое генерирует переменный переменный ток из постоянного входного переменного тока, используется наиболее часто.

Типы трансформаторов в зависимости от области применения

Трансформаторы бывают разных модификаций, каждая из которых работает в определенной области. Таким образом, в зависимости от предполагаемого использования трансформаторы можно разделить на следующие категории:

• Силовой трансформатор: Энергия передается на подстанцию ​​или в общую сеть с использованием силового трансформатора большего размера. Между основной распределительной сетью и электрогенератором этот трансформатор служит связующим звеном. Силовые трансформаторы можно разделить на три группы в зависимости от их номинальной мощности и технических характеристик.0022
• Малый силовой трансформатор,
• Среднемощный трансформатор и
• Большой силовой трансформатор

Измерительный трансформатор: Измерительный трансформатор — другое название измерительного трансформатора. Это еще один инструмент измерения, который обычно используется в области мощности. Для разделения первичной мощности и преобразования тока и напряжения в меньшем соотношении к ее вторичному выходу используется измерительный трансформатор.

Распределительный трансформатор: Распределительный трансформатор функционирует как понижающий трансформатор, преобразующий высокое напряжение сети в напряжение, подходящее для конечного пользователя, обычно 110 В или 230 В. В зависимости от мощности преобразования или номиналов распределительный трансформатор может быть меньше или больше.

Импульсный трансформатор: Импульсный трансформатор является одним из самых популярных трансформаторов, устанавливаемых на печатную плату и генерирующих электрические импульсы с постоянной амплитудой. Он используется в ряде цифровых схем, где существует потребность в создании изолированных импульсов.

Выходной аудиотрансформатор: Другим трансформатором, часто используемым в электронной промышленности, является аудиотрансформатор. Он специально используется в приложениях, связанных со звуком, где необходимо согласование импеданса.

Принцип работы трансформатора

Основополагающим принципом работы трансформатора является взаимная индукция между двумя катушками или закон электромагнитной индукции Фарадея. Ниже приведено описание работы трансформатора. Многослойный сердечник трансформатора из кремнистой стали покрыт двумя отдельными обмотками. Согласно приведенной ниже схеме, первичная обмотка — это та, к которой подключен источник переменного тока, а вторичная обмотка — это та, к которой подключена нагрузка. Можно использовать только переменный ток, потому что взаимная индукция между двумя обмотками требует переменного потока.

 

Первичная обмотка трансформатора создает переменный поток, известный как взаимный поток, при приложении переменного напряжения в соответствии с принципом взаимной индуктивности.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, этот переменный поток магнитно связывает первичную и вторичную обмотки трансформатора и генерирует ЭДС E ₁ в первичной обмотке и E ₂ во вторичной обмотке. ЭДС (E ₁ ) называется первичной ЭДС, тогда как ЭДС (E ₂ ) является вторичной ЭДС.

и 

Разделив вышеприведенные уравнения, получим соотношение:

количество витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора соответственно. Если N ₂ > N ₁ , то E ₂ > E ₁ , а трансформатор будет повышающим; если N ₂ < N ₁ , то E ₂ < E ₁ , и трансформатор будет понижающим.

Если к вторичной обмотке теперь подключена нагрузка, ток нагрузки I ₂ потечет через нагрузку в результате ЭДС E ₂ . В результате трансформатор позволяет передавать электроэнергию с изменением уровня напряжения из одной электрической цепи в другую.

Детали трансформатора

Трансформатор в основном состоит из трех частей:

Сердечник

Сердечник трансформатора служит опорой для обмотки. Кроме того, он предлагает канал потока магнитного потока с минимальным сопротивлением. Как видно на изображении, обмотка намотана вокруг сердечника. Для снижения потерь в трансформаторе используется многослойный сердечник из мягкого железа. Состав сердечника определяется переменными, в том числе рабочим напряжением, током и мощностью. Диаметр сердечника отрицательно коррелирует с потерями в железе и прямо коррелирует с потерями в меди.

Обмотки

Медные провода, намотанные на сердечник трансформатора, называются обмотками. Медные кабели используются, потому что высокая проводимость меди снижает потери трансформатора, поскольку сопротивление току снижается по мере увеличения проводимости. А высокая степень пластичности меди позволяет изготавливать из нее невероятно тонкие провода.

Два основных типа обмоток. обмотки первичной и вторичной катушек. Первичная обмотка представляет собой группу витков обмотки, на которую подается ток питания. Количество витков обмотки, из которых получается выходная мощность, называется вторичной обмоткой. Изоляционные покрытия используются для изоляции первичной и вторичной обмоток друг от друга.

Изоляционные материалы

Трансформатору требуется изоляция для разделения обмоток и предотвращения коротких замыканий. Это облегчает взаимную индукцию. На стабильность и долговечность трансформатора влияют изоляционные материалы. В трансформаторе в качестве изолирующих сред используются: изоляционная жидкость, лента, бумага и ламинирование из дерева.

Бак

Главный бак трансформатора служит двум целям:

• Сердечник и обмотки защищены от непогоды, например дождя и пыли.
• Используется как емкость для масла, а также как опора для всех других насадок трансформатора.

Трансформаторное масло

Большая часть огромного трансформатора погружена в масло. Трансформаторное масло добавляет изоляцию между проводниками, улучшает отвод тепла от катушек и обладает способностью обнаруживать неисправности. Трансформаторное масло обычно изготавливается из углеводородного минерального масла.

Расширители масла

Расширители масла расположены над баком трансформатора и проходными изоляторами. Некоторые расширители трансформаторного масла содержат резиновую камеру. Когда трансформатор нагружен, температура окружающей среды повышается, что приводит к увеличению количества масла внутри трансформатора. В расширительном баке трансформатора достаточно места для увеличенного объема трансформаторного масла. Он также служит резервуаром для масла, которое используется для изоляции зданий.

Сапун

Все масляные трансформаторы с расширительным баком включают его. Помогает защитить масло от влаги.

Радиаторы и вентиляторы 

Большая часть мощности, теряемой трансформатором, рассеивается в виде тепла. Радиаторы и вентиляторы способствуют рассеиванию тепла, выделяемого трансформатором, и обеспечивают защиту от выхода из строя. Большинство сухих трансформаторов охлаждаются естественным воздухом.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор — это чисто теоретический трансформатор, который вообще не имеет потерь, включая потери в сердечнике, потери в меди или другие потери трансформатора. Этот трансформатор считается КПД 100%.

Предполагается, что обмотки трансформатора полностью индуктивны, а сердечник трансформатора предполагается без потерь при создании идеальной модели трансформатора. Кроме того, трансформатор не имеет реактивного сопротивления рассеяния (реактивное сопротивление — это сопротивление протеканию тока от элемента цепи за счет его индуктивности и емкости). Это указывает на то, что первичная и вторичная обмотки трансформатора подключены к сердечнику трансформатора при 100% магнитном потоке. Однако каждая обмотка должна иметь некоторое индуктивное сопротивление, что приводит к падению напряжения и потерям I2R. В модели идеального трансформатора обмотки предполагаются идеальными (полностью индуктивными), а значит, их сопротивление равно нулю.

Уравнение ЭДС идеального трансформатора

Пусть N _p — число витков основной обмотки, а N _s — число витков вторичной обмотки. Когда на основную катушку трансформатора подается переменное напряжение, генерируемый ток создает переменный магнитный поток, который соединяет вторичную катушку и генерирует ЭДС. Количество витков вторичной обмотки определяет величину этой ЭДС. Рассмотрим идеальный (без потерь) трансформатор с нулевым сопротивлением первичной обмотки (отсутствие падения напряжения на катушке) и полным потоком в сердечнике, соединяющем первичную и вторичную обмотки. При напряжении В _p подается на первичную обмотку, пусть – потокосцепление в каждом витке в сердечнике в момент времени t за счет тока в первичной обмотке.

 

Затем вычисляется ЭДС индукции или напряжение (ε _s ) во вторичной обмотке с N _s витков.

ε _с = –N _с x dϕ/dt                 ……(1)

Кроме того, переменный поток создает в сети обратную ЭДС. Это оно.

ε _p = –N _p x dϕ/dt               ……(2)

А для идеального трансформатора ε _p =V _p

Приблизительно, если вторичная цепь представляет собой разомкнутую цепь или потребляемый от нее ток небольшой, ε _с = V _с .

Напряжение на вторичной обмотке составляет В _с . В результате уравнения (1) и (2) могут быть записаны как0591 P x dϕ / dt …… (4)

Из уравнений (3) и (4), мы имеем

V _S / V _P = N _S / N _P 1………. …(5)

Приведенное выше уравнение известно как Уравнение преобразования или Формула преобразования .

Следующие три допущения используются для получения предыдущего соотношения:

• Электрические сопротивления первичной и вторичной катушек незначительны.
• Связь потока как с первичной, так и со вторичной катушками одинакова, или из сердечника уходит очень мало потоков.
• Вторичный ток незначителен.

Коэффициент трансформации

Коэффициент трансформации — это мера, позволяющая определить, имеет ли вторичная обмотка трансформатора больше или меньше обмоток, чем первичная. Количество витков первичной катушки равно «Np», а количество витков вторичной катушки равно «Ns», что соответствует количеству витков.

Потребляемая и выходная мощность будут равны, если трансформатор исправен или имеет 100-процентный КПД (без потерь энергии).

I _P V _P = I _S V _S …… (6)

Уравнения комбинирования (5) и (6), мы имеем

I _{P /(6),}

I _{P /P /(6). = V s /V p = N s /N p =K}       

Коэффициент поворота, K, определяется в предыдущем уравнении. Если вторичная катушка имеет больше витков, чем первичная, это так (N _s >N _p ), и напряжение повышается (V _s >V _p ). Повышающий трансформатор – это название для такого рода установки. Понижающий трансформатор — это трансформатор, в котором вторичная обмотка имеет меньше витков, чем первичная обмотка (N _s p ).

Эффективность трансформатора

Эффективность трансформатора также известна как коммерческая эффективность . Обозначается буквой «η». Эффективность трансформатора описывается как отношение мощности (в Вт или кВт) к потребляемой мощности (в Вт или кВт).

Следовательно, эффективность трансформатора может быть выражена следующим образом:

КПД (η) = (выходная мощность / потребляемая мощность)

Приведенное выше уравнение можно использовать для идеального трансформатора, в котором нет трансформатора. потери и вся входная энергия передается на выходе. В результате следующее уравнение в основном используется, если учитываются отходы трансформатора и оценивается эффективность трансформатора в практических состояниях.

Эффективность = ((Мощность O/P) / (Мощность O/P + Потери)) × 100% = 1− (Потери/мощность i/p) × 100

Потери энергии в трансформаторе

В предыдущих уравнениях мы использовали идеальный трансформатор (без потерь энергии). Однако некоторые потери энергии все же происходят в реальном трансформаторе по следующим причинам:

• Утечка потока: Поскольку часть потока уходит из сердечника, не весь поток, генерируемый первичной обмоткой, попадает во вторичную обмотку. Это происходит из-за неправильной конструкции сердечника или наличия отверстий для воздуха в сердечнике. Его можно понизить, намотав первичную и вторичную обмотки друг на друга. Его также можно снизить, если ядро ​​хорошо спроектировано.
• Сопротивление обмоток: Поскольку провод, используемый для обмоток, имеет некоторое электрическое сопротивление, в результате тепла, выделяемого в обмотках, теряется энергия. Они смягчаются в обмотках сильного тока и низкого напряжения за счет использования толстого провода с высокой проводимостью.
• Вихревые токи: Переменный магнитный поток создает вихревые токи в железном сердечнике, что приводит к потерям энергии при нагреве. Использование ламинированного сердечника снижает ударную нагрузку.
• Гистерезисные потери: В каждом цикле переменного тока переменное магнитное поле меняет намагниченность сердечника на противоположное. Потеря энергии в сердечнике происходит в виде тепла из-за гистерезисных потерь, которые сводятся к минимуму за счет использования магнитного материала с низкими гистерезисными потерями.

Применение трансформатора

Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных применений трансформатора:

1. Повышение или понижение уровня напряжения в цепи переменного тока для обеспечения правильной работы различных электрических компонентов цепи.
2. Препятствует переходу постоянного тока из одной цепи в другую.
3. Разделяет две отдельные электрические цепи.
4. Перед началом передачи и распределения необходимо повысить уровень напряжения на электростанции.

Также Проверка:

• Генераторы переменного тока
• Электродвижная сила
• Индуцированное напряжение

Решаемый решающий примеры на трансформации

Пример 10496 Основной наводной оборот. Чему равно вторичное напряжение, если коэффициент трансформации равен 10?

Решение:

Учитывая, что коэффициент поворота, N ₂ /N ₁ = 10

и Thevoltage по всему первично Трансформатор; уравнение:

V ₂ /V ₁ = N ₂ /N ₁

Заменить заданные значения,

V ₂ /12010101011101110111011101111110 V ₂ /1201010101110111011110 V ₂ /1201010101110111011110 V ₂ /120101010111011110 V ₂ /120101011111110. = 1200 В

Пример 2: Трансформатор имеет 1000 витков в первичной обмотке, и через него протекает ток 8 А. При входной мощности 10 кВт, а на выходе 1000 В. Определить число витков во вторичной обмотке.

Решение:

Рассмотрим случай идеального трансформера,

Учитывая это, p _в = P _Out = 1000 W

Но, P _OUT = V _{= V = V = V = V = V = V = V = V = V = V = V = V = V = V = V = V = V = V = V = V = V = V = V = 1000 W}

. S

Теперь ток во вторичной цепи составляет, 

I _S = P _out / V _S = 10000 / 1000 = 10 A

Следовательно, коэффициент трансформации трансформатора определяется выражением

I _P S _{/ I 90 S} / N _P

N _S = (I _P / I _S ) N _P  

= (8/10) × 1000

витков

Пример 3: Количество витков вторичной обмотки однофазного трансформатора 22 кВА, 2200/220 В равно 50, затем найдите количество витков первичной обмотки. Всеми видами потерь в трансформаторе пренебречь.

Ответ:

Значение соотношения поворотов составляет

V _P /V _S = 2200/220

= 10 = K

Номер первичного поворота

primary turns can be determined as:-

N _p /N _s =K

N _p /50=10

N _p = 500

Example 4: Determine the первичный ток, потребляемый трансформатором, когда КПД предоставленного трансформатора составляет 75 % и он работает на 100 В, 5 кВА, а вторичное напряжение составляет 200 В.

Ответ:

Учитывая, что, оценка KVA трансформатора = 5 KVA

Первичное напряжение, V ₁ = 100 В

Сторорный напряжение, v ₂ = 200 V.

3

, с. Первичный ток I ₁ дается,

I ₁ = S / V ₁

= 5 KVA / 100

= 50 A

6 FAQS на трансформировании

99999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999. Ship Что такое Трансформер?

Ответ:

Трансформатор представляет собой электрическое устройство, которое передает электрическую энергию из одной цепи в другую с помощью электромагнитной индукции и взаимной индукции. Чаще всего он используется для увеличения («повышение») или уменьшения («понижение») уровней напряжения между цепями при сохранении постоянной частоты переменного тока.

Вопрос 2: Перечислите некоторые основные типы трансформаторов.

Ответ:

Трансформатор можно разделить на множество в зависимости от назначения: 

• Типы трансформаторов в зависимости от уровня напряжения
  • Понижающий трансформатор
  • Повышающий трансформатор
• Типы трансформаторов в зависимости от материала сердечника трансформатора
  Железо 0 Трансформатор с ферритовым сердечником
  • Трансформатор с тороидальным сердечником
  • Трансформатор с воздушным сердечником
• Типы трансформаторов в зависимости от схемы обмотки
  • Трансформатор с автоматической обмоткой
• Types of transformer based on Usage
  • Power Transformer
    • Small power transformer, 
    • Medium power transformer, and 
    • Large power transformer
  • Measurement Transformer
  • Distribution Transformer
  • Pulse Transformer
  • Audio Output Трансформатор

Вопрос 3: Что такое коэффициент поворота?

Ответ:

Коэффициент трансформации — это мера, позволяющая определить, имеет ли вторичная обмотка трансформатора больше или меньше витков, чем первичная.