— это электромагнитный статический преобразователь с двумя или более неподвижными обмотками, которые превращают параметры переменного тока: напряжение, ток, частоту, количество фаз. Возможно также использование трансформаторов для преобразования синусоидального переменного тока в несинусоидальный.
Преимущественное использование в электрических устройствах получили силовые трансформаторы
, преобразующие напряжение переменного тока при неизменной частоте. Трансформаторы преобразования не только напряжения переменного тока, но и для частоты, количества фаз и т.д. называют трансформаторными устройствами специального назначения.
Башни проникают в землю фундаментами из плинтусов из железобетона, размещенных на определенной глубине. Он использовал его, чтобы продемонстрировать принципы электромагнитной индукции и не видел практического использования. В электротехнике трансформатор представляет собой статическую и обратимую электрическую машину, которая используется для изменения входных параметров по отношению к выходам, при сохранении постоянной кажущейся электрической мощности. Трансформатор передает электрическую энергию от одной электрической цепи к другой через индуктивно связанные проводники: обмотки трансформатора.
Силовые трансформаторы широко используются в энергосистемах при передаче электроэнергии от электростанции к потребителям, а также в различных электроустановках для получения напряжения требуемой величины.
В этой главе рассматриваются силовые трансформаторы (для сокращения мы их будем называть трансформаторами) небольшой мощности (не более нескольких киловольт-ампер), получившие наибольшее применение в блоках электропитания устройств автоматики, вычислительной техники, в измерительных приборах, связи.
Типичное применение - в кабинах с электрическим трансформатором и электроприборах для бытовой техники. Трансформатор электрического тока в первичной обмотке генерирует переменный магнитный поток в сердечнике трансформатора и, следовательно, переменное магнитное поле через вторичную обмотку. Это переменное магнитное поле индуцирует электродвижущую силу или напряжение во вторичной обмотке. Этот эффект называется взаимной индукцией.
Трансформатор - это машина, которая может работать по существу в переменном токе, потому что обычно использует принципы электромагнетизма, связанные с переменными потоками. Эффективность трансформатора очень высока, а потери очень низкие. сверхпроводящих цепей трансформатор может работать без ограничения более низкой частоты.
Трансформаторы делятся, в зависимости от:
— Количества фаз преобразовательной напряжения на однофазные и многофазные (как правило трехфазные);
— Количества обмоток, принадлежащих одной фазе трансформирующей напряжения на двохобмоточни и многообмоточные;
— Метода охлаждения, на сухие (с воздушным охлаждением) и масляные (погружены в металлический объем, заполненный трансформаторным маслом).
Если к вторичной обмотке подключена электрическая нагрузка, электрический ток течет, а энергия через трансформатор передается от первичного контура к нагрузке. В подавляющем большинстве трансформаторов обмотки расположены вокруг ферромагнитного сердечника, являясь трансформаторами в воздухе с исключениями.
Трансформаторы доступны в широком диапазоне размеров, от трансформатора муфты миниатюрного пальца, расположенного внутри поэтапного микрофона, до огромных блоков весом в сотни тонн, используемых для соединения сетевых участков Хотя все новые технологии устранили необходимость трансформаторов в некоторых электронных схемах, трансформаторы все еще присутствуют практически во всех электронных устройствах, предназначенных для использования Напряжение, подаваемое распределительными сетями, электропитание в бытовых условиях.
Рис.2.1.1. Электромагнитная схема однофазного двохобмоточного трансформатора
Рассмотрим однофазный двух обмоточный трансформатор. Его принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции. Однофазный двух обмоточный трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода и двух обмоток. Одна из обмоток — первичная — подключается к источнику переменного тока с напряжением U 1 и частотой f (рис.2.1.1). Переменный ток, проходящий по виткам этой обмотки, создает МРС, которая приводит в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток Ф. Запершись в магнитопроводе, этот поток сцепляется с витками обмоток трансформатора и индуцируется соответственно в первичной w 1 и вторичной w 2 обмотках ЭДС:
Трансформаторы необходимы для передачи энергии на большие расстояния, что стало возможным благодаря высокому повышению напряжения. Самый простой трансформатор состоит из двух электрических проводников, намотанных на кольцо из ферромагнитного материала, указанного магнитного сердечника. Обмотка, на которую подается энергия, называется первичной, тогда как энергия, из которой извлекается энергия, называется вторичной. Трансформаторы являются обратимыми машинами, поэтому первичная обмотка также может рассматриваться как вторичная и наоборот.
е 1 = w 1 dФ / dt; (2.1.1)
е 2 = w 2 dФ / dt. (2.1.2)
Если магнитный поток трансформатора — синусоидальная функция времени Ф = Ф max sinwt, что меняется с угловой частотой w = 2pf, то после подстановки его в (2.1.1) и (2.1.2), дифференцировки и преобразования, получим истинное значение ЭДС первичной и вторичной обмоток:
Е 1 = 4,44 fw 1 Ф max; (2.1.3)
Е 2 = 4,44 fw 2 Ф max. (2.1.4)
Когда переменное синусоидальное напряжение подается на первичный, магнитный поток генерируется в ядре магнитным потоком с синусоидальными характеристиками. Для закона Фарадея-Неймана-Ленца этот переменный поток индуцирует синусоидальную волну во вторичной.
Трансформатор основан на двух принципах. Переменный электрический ток создает магнитное поле. Переменный поток в времени магнитного поля индуцирует напряжение, которое, в свою очередь, со временем меняется к электрическому проводнику. Его изменение тока в первичной обмотке зависит от разработанного магнитного поля. Магнитный поток индуцирует напряжение во вторичной обмотке.
В режиме холостого хода трансформатора, когда ток во вторичной обмотке отсутствует (обмотка разомкнута), напряжение на выводах вторичной обмотки равно ЭДС вторичной обмотки Е 2 = U 20, а ЭДС первичной обмотки настолько незначительно отличается от первичного напряжения, что этой разницей можно пренебречь: Е 1 »U 1.
Отношение ЭДС обмотки высшего напряжения (ВН) до ЭДС обмотки низкого напряжения (НН) называют коэффициентом трансформации k. Для режима холостого хода трансформатора отношение указанных ЭДС практически равна отношению напряжений:
Ток, проходящий через первичную обмотку, создает магнитное поле. Первичные и вторичные обмотки обматывают вокруг магнитного сердечника с высокой магнитной проницаемостью, такого как железо, так что большая часть потока проходит через как первичную обмотку, так и вторичную обмотку.
Упрощенное описание выше оставляет много практических факторов, в частности первичный ток, необходимый для формирования магнитного поля в ядре, и вклад поля, вызванный током во вторичном контуре. Модели идеального трансформатора обычно принимают пренебрежимо малую магнитную катушку с нулевыми обмотками обмотки. Ток, необходимый для генерации потока, называется током намагничивания; так как предполагается, что ядро имеет нулевое сопротивление, ток намагничивания пренебрежимо мал, но все же необходим для создания магнитного поля.
k = Е 1 / Е 2 = w 1 / w 2 »U 1 / U 20. (2.1.5)
Если w 2w 1 и U 2> U 1, то трансформатор называется повышающим. Один и тот же трансформатор в зависимости от того, к какой из обмоток подводится напряжение, может быть понижающим или повышающим.
Если на выводы вторичной обмотки трансформатора подключить нагрузку сопротивлением Z н, то в обмотке появится ток нагрузки I 2. При этом мощность на выходе трансформатора определяется произведением вторичного напряжения U 2 на ток нагрузки I 2. С некоторым приближением можно принять мощность на входе и выходе трансформатора одинаковыми, то есть U 1 I 1 »U 2 I 2. Из этого следует, что отношение токов в обмотках трансформатора обратно пропорционально отношению напряжений:
Дисперсный поток трансформатора. Идеальная модель трансформатора предполагает, что весь поток, генерируемый первичной обмоткой, соединяет все повороты каждой обмотки, включая первичный. На практике немного потока движется по тропам, ведущим к внешней стороне обмоток Этот поток упоминается как дисперсный поток и приводит к «дисперсии серии с взаимно связанными трансформаторными обмотками». Дисперсия течет в энергию, которая поочередно хранится и разряжается из магнитных полей с каждым циклом питания.
Это не совсем потеря мощности, а работает с более низким коэффициентом регулировки напряжения, что приводит к сбою вторичного напряжения пропорционально первичному напряжению, особенно при тяжелых нагрузках. Поэтому трансформаторы рассчитаны на низкую дисперсионную индуктивность.
I 1 / I 2 »U 2 / U 1″ 1 / k. (2.1.6)
Таким образом, ток в обмотке низшего напряжения больше тока в обмотке высокого напряжения в k раз.
Если на выводе вторичной обмотки трансформатора подключить нагрузку сопротивлением r н, то, так как мощности на входе Р 1 = и 1 2 r н ¢ и выходе Р 2 = И 2 февраля r н трансформатора примерно одинаковые, из уравнения
Однако в некоторых приложениях дисперсия может быть желательной особенностью, а длинные магнитные пути, траверсы и магнитные дериватизаторы могут быть преднамеренно введены в конструкции трансформаторов, чтобы ограничить ток короткого замыкания, который он обеспечит. Мощные трансформаторы могут использоваться для питания нагрузок с отрицательными сопротивлениями, таких как электрическая дуга, ртутные лампы и сигналы неонового света; и для безопасного обращения с грузами, такими как машины для электрической дуговой сварки.
Производная по времени индукции Фарадея показывает, что течение в ядре является интегральным по времени приложенного напряжения. На практике поток будет увеличиваться до точки, в которой происходит насыщение магнитного сердечника, что приводит к значительному увеличению тока намагничивания и перегрева трансформатора. Поэтому все рабочие трансформаторы должны работать с переменным током.
И 1 2 r н ¢ »И 2 r н (2.1.7)
определим сопротивление нагрузки, измеренное на выводах первичной обмотки:
r н ¢ »r н и 2 2 / I 1 2» r н k 2, (2.1.8)
т.е. он изменится в k 2 раз по сравнению с сопротивлением r н.
Это свойство трансформаторов используется в межкаскадных трансформаторах для согласования входного сопротивления какого-либо каскада (блока) с выходным сопротивлением предыдущего каскада (блока).
Работа трансформатора при его расчетном напряжении, но с более высокой частотой, чем требуемая, приводит к уменьшению тока намагничивания; На более низких частотах ток намагничивания будет увеличиваться. Работа трансформатора на частотах, отличных от его проектной частоты, может потребовать обнаружения напряжения, утечки и охлаждения для определения того, насколько безопасна операция. Например, трансформаторы могут нуждаться в оборудовании реле сверхизлучателя для защиты от перенапряжений на частотах выше номинальных частот.
Знание собственной частоты обмоток трансформаторов имеет решающее значение для определения переходных реакций на импульсные обмотки и переходные перенапряжения. Идеальный трансформатор не имел бы потерь энергии и был бы на 100% эффективен. В реальных трансформаторах энергия рассеивается в обмотках, ядрах и окружающих структурах. Большие трансформаторы, как правило, наиболее эффективны: те, которые предназначены для распределения мощности, обычно имеют коэффициент преобразования 98%.
Трансформатор является аппаратом переменного тока.
Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть постоянного тока
, то магнитный поток в магнитопроводе этого трансформатора окажется постоянным как по величине, так и по направлению, т.е. dФ / dt = 0. Такой поток не будет индуцировать ЭДС в обмотках трансформатора выключит передачу электроэнергии по первичной во вторичную. Кроме этого, отсутствие ЭДС в первичной обмотке трансформатора приведет к возникновению в ней тока недопустимо большой величины, следствием чего будет выход из строя этого трансформатора.
Хотя коэффициент полезного действия мал, он значительно влияет на потери больших трансформаторов, уменьшая их. Небольшой трансформатор, как правило, обеспечивает эффективность 85%, со значительными потерями даже при отсутствии нагрузки. Хотя отдельные потери энергии малы, общие потери от большого количества нагрузок существенны.
Утечки меняются в зависимости от тока нагрузки: они могут быть выражены с утечкой и под нагрузкой. Утечки утечки, являясь просто пустой тратой энергии, способствуют разработке более эффективных трансформаторов. Потери трансформатора делятся на потери в обмотках, называемые утечками меди, и потери в магнитной цепи, называемые утечками в железе. Потери в трансформаторе обусловлены.
Трансформаторы. Потери и КПД трансформатора
В процессе работы трансформатора под нагрузкой часть активной мощности Р 1, поступает в первичную обмотку из сети, рассеивается в трансформаторе на покрытие потерь. В результате активная мощность Р 2, поступающей в нагрузку, оказывается меньше мощности Р 1 на величину суммарных потерь в трансформаторе åР:
Ток, текущий в обмотках, является результатом резистивного нагрева проводников. На высоких частотах скин-эффект и эффект близости создают дополнительные сопротивления обмотки и утечки. Потери для магнитного гистерезиса. Каждый раз, когда поле инвертируется, небольшое количество энергии теряется из-за гистерезиса ядра. Для данного материала сердечника потери пропорциональны частоте и зависят от максимальной плотности потока, при которой он подвергается.
Потери для паразитных токов. Ферромагнитные материалы также являются хорошими проводниками, а твердый сердечник, изготовленный из такого материала, также представляет собой одиночную короткозамкнутую спираль по всей ее длине. Потоки паразитов циркулируют внутри ядра в нормальной плоскости потока и отвечают за резистивный нагрев материала сердечника. Токи паразитов - это функция, определяемая квадратом частоты подачи и квадратным корнем из толщины материала.
В трансформаторе существует два вида потерь — магнитные и электрические.
Магнитные потери Р м в стальном магнитопроводе, по которому замыкается магнитный поток Ф max , Состоят из расходов на гизтерезис Р г, вихревые токи Р вх:
Р г = Р г + Р вх. (2.1.23)
Магнитные потери прямо пропорциональны массе магнитопровода и квадрату магнитной индукции в нем. Они также зависят от свойств стали, из которой изготовлен магнитопровод. Уменьшению потерь на гизтерезис способствует изготовления магнитопровода из ферромагнитных материалов (электротехнической стали), владеющие небольшим коерцетивною силой (узкой петлей гизтерезису). Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод изготавливают шихтованной (из тонких стальных пластин, изолированных друг от друга тонким слоем лака или оксидной пленки) или витым из стальной ленты. Магнитные потери зависят также и от частоты переменного тока с повышением частоты f магнитные потери повышаются за счет потерь на гизтерезис Р г и вихревые токи Р вх.
Магнитный поток в ферромагнитном материале, такой как ядер, заставляет физически сжиматься и слегка расширяться с каждым циклом магнитного поля, что называется магнитоотделом. Это приводит к глухим и ярким шумом, обычно связанным с трансформаторами, и, в свою очередь, является результатом потерь на трение при нагревании в исследуемых ядрах.
Помимо магнитоотделения переменное магнитное поле создает электромагнитные силы, которые колеблются между первичной и вторичной обмотками. Они стимулируют вибрации в соседних металлических предметах, которые добавляют к шуму шума и потребляют небольшое количество энергии.
Ранее было установлено, что главный магнитный поток в магнитопроводе не зависит от нагрузки трансформатора [см.. (2.1.17)], поэтому при изменениях нагрузки магнитные потери остаются практически неизменными.
Электрические потери — это потери в обмотках трансформатора обусловлены нагревом обмоток токами, проходящими по ним.
Р е = Р е 1 + Р е 2 = и 1 2 r 1 + I 2 февраля r 2. (2.1.24)
Дисперсионная индуктивность сама по себе мало диссипативна, так как энергия, подаваемая на ее магнитные поля, возвращается в питатель с каждым последующим полупериодом. Однако любой дисперсный поток, перехватывающий соседние проводящие материалы, такие как несущие конструкции трансформаторов приведут к возникновению паразитных токов и будут преобразованы в теплоту. Также имеются потери излучения, вызванные колебательными магнитными полями, но они чрезвычайно малы.
Для схемных символов трансформатора обычно имеется точка в конце каждой катушки внутри, особенно для трансформаторов с несколькими обмотками на одной из двух первичных и вторичных сторон или на обоих. Целью этих точек является указание направления каждой обмотки относительно других обмоток трансформатора. Напряжения на конце каждой обмотки обмотки находятся в фазе, тогда как токи, которые врываются в канал первичной обмотки, приводят к току, протекающему из заостренного члена вторичной катушки.
Электрические потери являются переменными, так как их величина пропорциональна квадрату тока в обмотках. Электрические потери при любом токе нагрузки и 2 трансформатора, Вт,
Р е = Р е. Ном b 2, (2.1.25)
где Р е.ном — электрические потери при номинальном токе нагрузки; b = I 2 / И 2ном — коэффициент нагрузки, характеризует степень нагрузки трансформатора.
Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора представляет собой отношение активных мощностей на его выходе Р 2 и входе Р 1:
h = P 2 / P 1 = P 2 / (P 2 + P м + Р е). (2.1.26)
Активная мощность на выходе трансформатора, Вт,
Р 2 = S ном b cos j 2, (2.1.27)
где S ном — номинальная мощность трансформатора, В × А; cos j 2 — коэффициент мощности нагрузки.
Учитывая (2.1.25), (2.1.26) и (2.1.27), получим формулу КПД трансформатора, удобную для практических расчетов:
h = (S ном b сos j 2) / (S ном b сos j 2 + P м + Р е.ном b 2). (2.1.28)
Рис.2.1.4. Зависимость h = f (b) при cosj 2 = 1 (график 1) и cosj 2
Таким образом, КПД трансформаторов
зависит от величины нагрузки b и от ее характера соs j 2. Графически эта зависимость показана на рис.2.1.4. Максимальное значение КПД h max соответствует нагрузке b ¢, при котором электрические потери равны магнитным (Р е.ном b ¢ 2 = Р м).
Номинальное значение КПД h ном тем выше, чем больше номинальная мощность трансформатора S ном.
Например,
h ном = 0,70 ¸ 0,85 при S ном £ 100 В × А
h ном = 0,90 ¸ 0,95 при S ном £ 10 k В × А.
В более мощных трансформаторов КПД может достигать h ном = 0,98 ¸ 0.99.
2.1.5. Исследование холостого хода и короткого замыкания
Исследование холостого хода проводят в следующей последовательности: первичную обмотку включают в источник на номинальное напряжение, а вторичную обмотку оставляют разомкнутой. При этом ток в первичной обмотке I 0, а во вторичной обмотке I 2 = 0 (рис.2.1.5, а).
Рис.2.1.5. Схемы включения однофазных трансформаторов при опытах
холостого хода (а) и короткого замыкания (б)
Амперметр А в первичной цепи позволяет определить ток холостого хода I 0, который принято измерять в процентах от номинального тока и 1ном в первичной обмотке:
и 0 = (I 0 / I 1ном) 100. (2.1.29)
В трансформаторах большой и средней мощности и 0 = (2 ¸ 10)%, а в трансформаторах малой мощности (менее 200-300 В × А) может достигать 40% и более.
Ток холостого хода I 0 вместе с реактивной составляющей, которая приводит в магнитопроводе главный магнитный поток, имеет активную составляющую и 0на, обусловленная магнитными потерями в магнитопроводе трансформатора. Использование качественных электротехнических сталей с небольшими удельными потерями способствует уменьшению активной составляющей тока холостого хода до значения, не превышает 10%, т.е. И 0а £ 0,1 и 0. Результирующий ток холостого хода, А.
Если ток холостого хода I 0, полученный опытным путем, намного превышает значение, указанное в каталоге на исследуемый тип трансформатора, то это свидетельствует о неисправности трансформатора: наличие короткозамкнутых витков в обмотках, нарушение электрической изоляции между некоторыми пластинами (полосами) магнитопровода.
При исследовании холостого хода U 20 = Е 2 и U 1 »E 1, поэтому, используя показатели вольтметров V 1 и V 2, можно с необходимой точностью определить коэффициент трансформации k = U 1 / U 20.
Ваттметром W в первичной цепи трансформатора измеряют мощность Р 0, используется трансформатором в режиме холостого хода. В трансформаторах мощностью 200-300 В × А электрические потери в первичной обмотке вследствие небольшой величины тока I 0 небольшие, поэтому считаем мощность холостого хода равной магнитным потерям, т.е. Р 0 = Р м (див.2.1.4).
Исследование короткого замыкания выполняют следующим образом. Вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко (рис.2.1.5, б), а к первичной обмотке подводят пониженную напряжение короткого замыкания U 1 = U к, при котором ток короткого замыкания в первичной обмотке равен номинальному значению, есть и 1к = И 1ном. Напряжение короткого замыкания принято выражать в процентах от номинального напряжения U 1ном:
u к = (U к / U 1ном) 100 (2.1.31)
Как правило u к = (5 ¸ 12)%.
Магнитный поток Ф max пропорционален напряжению U 1 [см.. (2.1.18)], но, так как напряжение короткого замыкания не превышает 5-12% от U 1ном, то для создания главного магнитного потока при опыте короткого замыкания требуется столь малая величина намагничивающего тока, что ею можно пренебречь. Исходя из этого, принято считать магнитные потери при опыте короткого замыкания равны нулю, а используемую мощность короткого замыкания Р к равной мощности электрических потерь трансформатора (див.2.1.4) при номинальной нагрузке трансформатора (Р к = Р е.ном).
Коэффициент мощности при опыте короткого замыкания
cos j к = Р к / (U к И 1ном). (2.1.32)
Таким образом, исследование холостого хода и короткого замыкания позволяют экспериментально определить ряд важных параметров трансформатора: I 0, Р 0 = Р м, u к, Р к = Р е.ном, используя которые за (2.1.28) можно определить КПД трансформатора.
Преобразование активной мощности
Р1 – поступающая мощность из сети (
);
Рэ1 – потери электрические на нагрев 
;
m1 – число фаз;
Рмг – магнитные потери ();
Рк ном – мощность КЗ при номинальных токах.
Электромагнитная мощность:
Рэм = Р1 – Рэл1 – Рмг,
Рэ2 – электрические потери во вторичной цепи ().
Полезная мощность Р2:
Р2 = Р1 - Р = 
;
Рэл2, Рэлг – зависят от нагрузки (I2);
Рмг – не зависит от нагрузки (I2).
Отношение активной мощности Р 2 на выходе трансформатор к активной мощности Р 1 на его входе называется коэффициентом полезного действия (КПД) трансформатора:
η = (Р 2 /Р 1)∙100%. (3)
В общем случае КПД трансформатора зависит от режима его работы. При номинальных значениях напряжения U l = U l ном и тока I 1 = I 1ном первичной обмотки трансформатора и коэффициенте мощности электроприемника cos φ 2 > 0,8 КПД очень высок и у мощных трансформаторов превышает 99 %. По этой причине прямое определение КПД трансформатора по формуле (3), основанное на непосредственном измерении мощностей Р 1 и Р 2 , практически не применяется, так как приводит к значительным погрешностям. Для получения удовлетворительных результатов мощности Р 1 и Р 2 должны измеряться стакой высокой точностью, какую обеспечить очень трудно.
Относительно проще и точнее можно определить КПД методом, основанном на прямом измерении мощности потерь в трансформаторе. С учетом того, что мощность потерь ΔР = Р 1 - Р 2 ,КПД трансформатора можно представить в виде
Как было отмечено ранее, мощность потерь в трансформаторе равна сумме мощностей потерь в магнитопроводе Р с и в проводах обмоток Р пр. При номинальных значениях первичного напряжения U 1 = U l ном и тока 1 1 = 1 1ном мощности потерь в магнитопроводе и проводах обмоток практически равны активным мощностям, которые трансформатор потребляет в опыте холостого хода и короткого замыкания, соответственно. Точное измерение этих мощностей связано с меньшими трудностями и вполне доступно.