Если на первичную обмотку ненагруженного трансформатора подать напряжение: Задача по физке — 12096

Повышающие и понижающие трансформаторы для целей распределения электроэнергии могут быть гигантскими по сравнению с силовыми трансформаторами, показанными ранее, некоторые блоки высотой с дом. На следующей фотографии показан трансформатор подстанции высотой около двенадцати футов:

Существуют приложения, в которых требуется гальваническая изоляция между двумя цепями переменного тока без какого-либо преобразования уровней напряжения или тока. В этих случаях используются трансформаторы, называемые , изолирующие трансформаторы , имеющие коэффициент трансформации 1:1. На рисунке ниже показан настольный разделительный трансформатор.

Поскольку трансформаторы по сути являются устройствами переменного тока, нам необходимо знать фазовые соотношения между первичной и вторичной цепями. Мы можем построить формы сигналов для первичной и вторичной цепей и увидеть фазовые соотношения.

Вторичное напряжение V(3,5) находится в фазе с первичным напряжением V(2) и уменьшено в десять раз.

При переходе от первичной обмотки, V(2), к вторичной обмотке, V(3,5), напряжение понизилось в десять раз, а ток увеличился в 10 раз. в фазе перехода от первичного к вторичному.

Условные обозначения трансформаторов

Похоже, что и напряжение, и ток для двух обмоток трансформатора совпадают по фазе друг с другом, по крайней мере, для нашей резистивной нагрузки. Это достаточно просто, но было бы неплохо знать, каким образом  мы должны подключить трансформатор, чтобы обеспечить правильное соотношение фаз. В конце концов, трансформатор — это не что иное, как набор магнитно-связанных катушек индуктивности, а катушки индуктивности обычно не имеют какой-либо маркировки полярности. Если бы мы посмотрели на трансформатор без маркировки, у нас не было бы возможности узнать, как подключить его к цепи, чтобы получить синфазное (или противофазное на 180°) напряжение и ток:

Поскольку это имеет практическое значение, производители трансформаторов разработали своего рода стандарт маркировки полярности для обозначения соотношения фаз. Это называется точечным соглашением и представляет собой не что иное, как точку, расположенную рядом с каждой соответствующей ветвью обмотки трансформатора:

Как правило, к трансформатору прилагается схематическая диаграмма с маркировкой выводов проводов для первичной и вторичной обмоток. На диаграмме будет пара точек, похожих на то, что видно выше. Иногда точки могут быть опущены, но когда метки «H» и «X» используются для маркировки проводов обмотки трансформатора, предполагается, что цифры в нижнем индексе представляют полярность обмотки. Провода «1» (H ₁  и X ₁ ) обозначают места, где обычно размещаются точки, обозначающие полярность.

Аналогичное расположение этих точек рядом с верхними концами первичной и вторичной обмоток говорит нам о том, что любая полярность мгновенного напряжения на первичной обмотке будет такой же, как и на вторичной обмотке. Другими словами, фазовый сдвиг от первичного к вторичному будет равен нулю градусов.

С другой стороны, если точки на каждой обмотке трансформатора не не совпадает с , фазовый сдвиг между первичным и вторичным будет составлять 180°, например:

Конечно, многоточие указывает только, какой конец каждой обмотки является каким по отношению к другим обмоткам. Если вы хотите изменить соотношение фаз самостоятельно, все, что вам нужно сделать, это поменять местами соединения обмотки следующим образом:

Трансформаторы «повышают» или «понижают» напряжение в соответствии с соотношением витков первичного и вторичного проводов.

[латекс]\text{Коэффициент передачи по напряжению} = \frac{N_{вторичный}}{N_{первичный}}[/latex]

[латекс]\text{Коэффициент передачи по току} = \frac{N_{первичный }}{N_{вторичный}}[/latex]

Где,

[latex]N = \text{Число витков в обмотке}[/latex]

• Трансформатор, предназначенный для повышения напряжения первичной на вторичный называется  повышающий трансформатор. Трансформатор, предназначенный для понижения напряжения с первичной обмотки на вторичную, называется понижающим трансформатором .
• Коэффициент трансформации трансформатора будет равен квадратному корню из отношения первичной и вторичной индуктивностей (L).

[латекс]\текст{Коэффициент передачи напряжения} = \sqrt{\frac{L_{вторичный}}{L_{первичный}}}[/латекс]

• Имея возможность передавать мощность из одной цепи в другую без использование соединительных проводников между двумя цепями, трансформаторы обеспечивают полезную функцию электрическая изоляция .
• Трансформаторы, предназначенные для обеспечения электрической изоляции без ступенчатого повышения или понижения напряжения и тока, называются изолирующими трансформаторами .
• Соотношение фаз напряжения и тока между первичной и вторичной цепями трансформатора прямое: в идеале фазовый сдвиг равен нулю.
•   точечное обозначение  – это тип маркировки полярности обмоток трансформатора, показывающий, какой конец обмотки какой по отношению к другим обмоткам.

Трансформаторы с несколькими вторичными обмотками

Трансформаторы — очень универсальные устройства. Базовая концепция передачи энергии между взаимными индукторами достаточно полезна между одной первичной и одной вторичной катушкой, но трансформаторы не обязательно делать только с двумя наборами обмоток. Рассмотрим эту схему трансформатора:

Здесь три катушки индуктивности имеют общий магнитный сердечник, магнитно «связывающий» или «связывающий» их вместе. Соотношение соотношений витков обмоток и соотношений напряжений, наблюдаемое с одной парой взаимных индукторов, остается верным и здесь для нескольких пар катушек.

Вполне возможно собрать такой трансформатор, как описанный выше (одна первичная обмотка, две вторичные обмотки), в котором одна вторичная обмотка понижающая, а другая повышающая. Фактически такая конструкция трансформатора была довольно распространена в схемах питания электронных ламп, которые должны были обеспечивать низкое напряжение для нитей накала ламп (обычно 6 или 12 вольт) и высокое напряжение для пластин ламп (несколько сотен вольт) от номинальное первичное напряжение 110 вольт переменного тока.

С таким трансформатором возможны не только напряжения и токи совершенно разных величин, но и все цепи электрически изолированы друг от друга.

Трансформатор на рисунке выше предназначен для обеспечения как высокого, так и низкого напряжения, необходимого в электронной системе с использованием вакуумных ламп. Низкое напряжение требуется для питания нитей накала электронных ламп, а высокое напряжение требуется для создания разности потенциалов между пластиной и катодными элементами каждой лампы. Одного трансформатора с несколькими обмотками достаточно, чтобы обеспечить все необходимые уровни напряжения от одного источника 115 В. Провода для этого трансформатора (их 15!) на фотографии не показаны, они скрыты от глаз.

Если электрическая изоляция между вторичными цепями не имеет большого значения, аналогичный эффект можно получить, «отводя» одну вторичную обмотку в нескольких точках по ее длине, как показано на рисунке ниже.

Трансформатор многополюсного выключателя

Отвод — это не что иное, как проводное соединение, выполненное в какой-то точке на обмотке между самыми концами. Неудивительно, что отношение витка обмотки к величине напряжения нормального трансформатора справедливо для всех сегментов обмотки с ответвлениями. Этот факт можно использовать для создания трансформатора с несколькими коэффициентами:

Переменный трансформатор

Развивая концепцию ответвлений обмотки, мы получаем «переменный трансформатор», в котором скользящий контакт перемещается по длине открытой вторичной обмотки и может соединяться с ней в любой точке по ее длине. Эффект эквивалентен отводу обмотки на каждом витке обмотки и переключателю с полюсами при каждом положении отвода:

Одно из потребительских применений регулируемого трансформатора — управление скоростью для моделей поездов, особенно поездов 1950-х и 1960-х годов. Эти трансформаторы были по существу понижающими блоками, максимальное напряжение, получаемое от вторичной обмотки, было значительно меньше, чем первичное напряжение от 110 до 120 вольт переменного тока. Контакт с переменной разверткой обеспечивает простое средство управления напряжением с небольшими потерями мощности, гораздо более эффективное, чем управление с помощью переменного резистора!

Подвижные ползунковые контакты слишком непрактичны для использования в крупных промышленных силовых трансформаторах, но многополюсные выключатели и ответвители обмотки обычно используются для регулировки напряжения. В энергосистемах необходимо периодически вносить коррективы, чтобы приспособиться к изменениям нагрузки в течение месяцев или лет, и эти схемы переключения обеспечивают удобное средство. Как правило, такие «переключатели ответвлений» не рассчитаны на работу с током полной нагрузки, а должны приводиться в действие только тогда, когда трансформатор обесточен (отсутствует питание).

Автотрансформатор

Учитывая, что мы можем отсоединить любую обмотку трансформатора, чтобы получить эквивалент нескольких обмоток (хотя и с потерей электрической изоляции между ними), логично предположить, что можно полностью отказаться от электрической изоляции и построить трансформатор из одна обмотка. Действительно, это возможно, и получившееся устройство называется автотрансформатором :

Изображенный выше автотрансформатор выполняет функцию повышения напряжения. Понижающий автотрансформатор будет выглядеть примерно так, как показано на рисунке ниже.

находят широкое применение в приложениях, требующих небольшого повышения или понижения напряжения на нагрузке. В качестве альтернативы обычному (изолированному) трансформатору можно было бы либо выбрать правильное соотношение первичной и вторичной обмоток для работы, либо использовать понижающую конфигурацию с последовательно соединенной вторичной обмоткой («повышающий») или последовательно-последовательно. противоборствующая («взъерошенная») мода. Первичное, вторичное и нагрузочное напряжения даны, чтобы проиллюстрировать, как это будет работать.

Конфигурации автотрансформатора

Во-первых, «повышающая» конфигурация. На рисунке ниже полярность вторичной катушки ориентирована так, что ее напряжение непосредственно добавляется к первичному напряжению.

Далее конфигурация «раскряжевка». На приведенном ниже рисунке полярность вторичной обмотки ориентирована таким образом, что ее напряжение непосредственно вычитается из первичного напряжения:

Основное преимущество автотрансформатора заключается в том, что та же функция повышения или понижения достигается только с одной обмоткой, что делает его дешевле и легче в производстве, чем обычный (изолирующий) трансформатор, имеющий как первичную, так и вторичную обмотки.

Переменный автотрансформатор Variac

Как и обычные трансформаторы, обмотки автотрансформатора могут иметь отводы для изменения коэффициента трансформации. Кроме того, их можно сделать бесступенчатыми со скользящим контактом для отвода обмотки в любой точке по ее длине. Последняя конфигурация достаточно популярна, чтобы заслужить собственное имя: Вариак . (рисунок ниже)

Небольшие вариаторы для настольного использования — это популярное оборудование для экспериментаторов в области электроники, позволяющее понижать (а иногда и повышать) напряжение переменного тока в доме в широком и точном диапазоне простым поворотом ручки.

• Трансформаторы могут быть оснащены более чем одной парой первичной и одной вторичной обмоток. Это позволяет использовать несколько повышающих и/или понижающих коэффициентов в одном и том же устройстве.
• Обмотки трансформатора также можно «отводить», т. е. пересекать во многих точках, чтобы разделить одну обмотку на секции.
• Переменные трансформаторы могут быть изготовлены с использованием подвижного рычага, который перемещается по всей длине обмотки, контактируя с обмоткой в ​​любой точке по ее длине. Обмотка, разумеется, должна быть оголенной (без изоляции) в области, где качается рука.
• Автотрансформатор представляет собой единственную катушку индуктивности с ответвлениями, используемую для повышения или понижения напряжения, как трансформатор, за исключением того, что не обеспечивает гальваническую изоляцию.
• A  Variac  – это регулируемый автотрансформатор.

Поскольку трехфазное питание так часто используется в системах распределения электроэнергии, вполне логично, что нам потребуются трехфазные трансформаторы, чтобы иметь возможность повышать или понижать напряжение. Это верно лишь отчасти, поскольку обычные однофазные трансформаторы могут быть объединены вместе для преобразования мощности между двумя трехфазными системами в различных конфигурациях, что устраняет необходимость в специальном трехфазном трансформаторе. Однако для этих задач созданы специальные трехфазные трансформаторы, которые могут работать с меньшими требованиями к материалам, меньшему размеру и меньшему весу, чем их модульные аналоги.

Обмотки и соединения трехфазного трансформатора

Трехфазный трансформатор состоит из трех наборов первичных и вторичных обмоток, каждый набор намотан на одну ветвь узла с железным сердечником. По сути, это выглядит как три однофазных трансформатора с объединенным сердечником, как показано на рисунке ниже.

Эти наборы первичных и вторичных обмоток будут соединены по схеме Δ или Y, образуя полный блок. Различные комбинации способов соединения этих обмоток будут в центре внимания этого раздела.

Независимо от того, имеют ли наборы обмоток общий сердечник или каждая пара обмоток представляет собой отдельный трансформатор, варианты соединения обмоток одинаковы:

Первичная – Вторичная

• Y – Y
• Y – Δ
• Δ – Y
• Δ – Δ

Причины для выбора конфигурации Y или Δ для соединения обмоток трансформатора те же, что и для любого другого трехфазного применения: соединение Y обеспечивает возможность нескольких напряжений, в то время как соединение Δ обеспечивает более высокий уровень надежности (при выходе из строя одной обмотки). открыт, два других могут по-прежнему поддерживать полное линейное напряжение на нагрузке).

Вероятно, самым важным аспектом соединения трех наборов первичной и вторичной обмоток вместе для формирования трехфазного блока трансформатора является соблюдение правильной фазировки обмоток (точки, используемые для обозначения «полярности» обмоток). Помните о правильном соотношении фаз между фазными обмотками Δ и Y: (Рисунок ниже)

Получить правильную фазировку, когда обмотки не показаны в обычной конфигурации Y или Δ, может быть сложно. Позвольте мне проиллюстрировать, начиная с рисунка ниже.

Фазовая проводка для трансформатора «Y-Y»

Три отдельных трансформатора должны быть соединены вместе для преобразования мощности из одной трехфазной системы в другую. Во-первых, я покажу соединения проводов для конфигурации Y-Y:

Обратите внимание на приведенный выше рисунок, как все концы обмотки, отмеченные точками, подключены к соответствующим фазам A, B и C, а концы без точек соединены вместе, образуя центры каждой буквы «Y». Соединение первичных и вторичных обмоток по схеме «Y» позволяет использовать нейтральные проводники (N ₁ и N ₂ ) в каждой энергосистеме.

Фазовая разводка для трансформатора «Y-Δ»

Теперь рассмотрим конфигурацию Y-Δ:

Обратите внимание, как вторичные обмотки (нижний набор, рисунок выше) соединены в цепочку, «точечная» сторона одной обмотки соединена с «неточечной» стороной следующей, образуя петлю Δ. В каждой точке соединения между парами обмоток осуществляется подключение к линии второй энергосистемы (А, В и С).

Фазовая разводка для трансформатора «Δ-Y»

Теперь давайте рассмотрим систему Δ-Y на рисунке ниже.

Такая конфигурация (рисунок выше) позволила бы обеспечить несколько напряжений (фаза-линия или фаза-нейтраль) во второй энергосистеме от энергосистемы-источника, не имеющей нейтрали.

Разводка фаз для трансформатора «Δ-Δ»

И, наконец, переходим к конфигурации Δ-Δ:

Когда нет необходимости в нейтральном проводнике во вторичной системе питания, предпочтительнее схемы соединения Δ-Δ (рисунок выше) из-за присущей Δ-конфигурации надежности.

Фазная разводка для трансформатора «V» или «открытый-Δ»

Учитывая, что конфигурация Δ может удовлетворительно работать без одной обмотки, некоторые проектировщики энергосистем предпочитают создавать группу трехфазных трансформаторов только с двумя трансформаторами, представляющими Δ Конфигурация -Δ с отсутствием обмотки как на первичной, так и на вторичной сторонах:

Эта конфигурация называется «V» или «Open-Δ». Конечно, каждый из двух трансформаторов должен иметь большие размеры, чтобы выдерживать ту же мощность, что и три в стандартной Δ-конфигурации, но общий размер, вес и преимущества в цене часто стоят того. Имейте в виду, однако, что с отсутствием одного комплекта обмоток в Δ-образной форме эта система больше не обеспечивает отказоустойчивость обычной Δ-Δ-системы. Если один из двух трансформаторов выйдет из строя, это определенно повлияет на напряжение и ток нагрузки.

Пример из реальной жизни

На следующей фотографии (рисунок ниже) показан блок повышающих трансформаторов на гидроэлектростанции Гранд-Кули в штате Вашингтон. С этой точки зрения можно увидеть несколько трансформаторов (зеленого цвета), сгруппированных по три: по три трансформатора на гидроэлектрогенератор, соединенных вместе в той или иной форме трехфазной конфигурации.

На фотографии не видны соединения первичной обмотки, но кажется, что вторичные обмотки соединены по схеме Y, поскольку из каждого трансформатора выступает только один большой высоковольтный изолятор. Это говорит о том, что другая сторона вторичной обмотки каждого трансформатора имеет потенциал земли или близок к нему, что может быть правдой только в Y-системе. Здание слева — это электростанция, в которой размещены генераторы и турбины. Справа наклонная бетонная стена — нижний бьеф плотины:

Мощность

Как уже отмечалось, трансформаторы должны быть хорошо спроектированы, чтобы обеспечить приемлемую мощность, жесткую регулировку напряжения и низкое искажение тока возбуждения. Кроме того, трансформаторы должны быть спроектированы так, чтобы без проблем выдерживать ожидаемые значения тока первичной и вторичной обмотки. Это означает, что проводники обмотки должны быть изготовлены из проволоки соответствующего сечения, чтобы избежать проблем с нагревом.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор должен иметь идеальную связь (отсутствие индуктивности рассеяния), идеальное регулирование напряжения, идеально синусоидальный ток возбуждения, отсутствие потерь на гистерезис или вихревые токи, а также достаточно толстый провод, чтобы выдерживать любой ток. К сожалению, идеальный трансформатор должен быть бесконечно большим и тяжелым, чтобы соответствовать этим конструктивным целям. Таким образом, в деле практичной конструкции трансформатора необходимо идти на компромиссы.

Кроме того, изоляция проводников обмотки представляет собой проблему, когда встречаются высокие напряжения, как это часто бывает в повышающих и понижающих силовых распределительных трансформаторах. Мало того, что обмотки должны быть хорошо изолированы от железного сердечника, каждая обмотка должна быть достаточно изолирована от другой, чтобы поддерживать электрическую изоляцию между обмотками.

Номинальные характеристики трансформатора

С учетом этих ограничений трансформаторы рассчитаны на определенные уровни напряжения и тока первичной и вторичной обмоток, хотя номинальный ток обычно определяется номиналом вольт-ампер (ВА), присвоенным трансформатору. Например, возьмем понижающий трансформатор с номинальным первичным напряжением 120 вольт, номинальным напряжением вторичной обмотки 48 вольт и номиналом ВА 1 кВА (1000 ВА). Максимальные токи обмотки можно определить следующим образом: кВА (1000 ВА). Максимальные токи обмотки можно определить следующим образом:

[латекс]\текст{Максимальный ток обмотки}[/латекс]

[латекс]\тег{8.1} I_{Макс} = \frac{S}{E}[/латекс]

Иногда обмотки будут иметь номинальный ток в амперах, но это обычно наблюдается на небольших трансформаторах. Большие трансформаторы почти всегда оцениваются по напряжению обмотки и ВА или кВА

Потери энергии

Когда трансформаторы передают мощность, они делают это с минимальными потерями. Как было сказано ранее, современные конструкции силовых трансформаторов обычно превышают 95% эффективности. Однако полезно знать, куда уходит часть этой потерянной силы и что вызывает ее потерю.

Конечно, есть потери мощности из-за сопротивления обмоток проводов. Если не используются сверхпроводящие провода, всегда будет рассеиваться мощность в виде тепла через сопротивление проводников с током. Поскольку для трансформаторов требуются такие длинные провода, эти потери могут быть значительным фактором. Увеличение сечения обмоточной проволоки является одним из способов минимизировать эти потери, но только при существенном увеличении стоимости, размера и веса.

Потери на вихревые токи

Помимо резистивных потерь, большая часть потерь мощности трансформатора связана с магнитными эффектами в сердечнике. Возможно, наиболее значительными из этих «потери в сердечнике» являются потери на вихревые токи , которые представляют собой резистивное рассеивание мощности из-за прохождения индуцированных токов через железо сердечника. Поскольку железо является проводником электричества, а также отличным «проводником» магнитного потока, в железе будут индуцироваться токи точно так же, как во вторичных обмотках индуцируются токи от переменного магнитного поля. Эти индуцированные токи, как описано в пункте закона Фарадея о перпендикулярности, имеют тенденцию циркулировать через поперечное сечение сердечника перпендикулярно виткам первичной обмотки. Их круговое движение дало им необычное название: они похожи на водовороты в потоке воды, которые циркулируют, а не движутся прямолинейно.

Железо является хорошим проводником электричества, но не таким хорошим, как медь или алюминий, из которых обычно изготавливаются обмотки. Следовательно, эти «вихревые токи» должны преодолевать значительное электрическое сопротивление, когда они циркулируют через сердечник. Преодолевая сопротивление железа, они рассеивают энергию в виде тепла. Следовательно, у нас есть источник неэффективности трансформатора, который трудно устранить.

Индукционный нагрев

Это явление настолько ярко выражено, что его часто используют для нагрева черных (железосодержащих) материалов. На фотографии ниже показан блок «индукционного нагрева», повышающий температуру большого участка трубы. Петли проволоки, покрытые высокотемпературной изоляцией, окружают трубу по окружности, индуцируя вихревые токи в стенке трубы за счет электромагнитной индукции. Для максимального эффекта вихревых токов используется переменный ток высокой частоты, а не частота сети (60 Гц). Блочные блоки в правой части изображения производят высокочастотный переменный ток и контролируют величину тока в проводах, чтобы стабилизировать температуру трубы на заранее определенном «уставке».

Уменьшение вихревых токов

Основная стратегия уменьшения этих расточительных вихревых токов в сердечниках трансформаторов состоит в том, чтобы формировать железный сердечник в листах, каждый из которых покрыт изолирующим лаком, так что сердечник делится на тонкие пластины. В результате ширина сердечника очень мала для циркуляции вихревых токов:

Ламинированные сердечники , подобные показанному здесь, являются стандартными почти для всех низкочастотных трансформаторов. Вспомните из фотографии разрезанного пополам трансформатора, что железный сердечник состоял из множества тонких листов, а не из одного сплошного куска. Потери на вихревые токи увеличиваются с увеличением частоты, поэтому трансформаторы, предназначенные для работы с более высокой частотой (например, 400 Гц, используемой во многих военных и авиационных приложениях), должны использовать более тонкие пластины, чтобы свести потери к приемлемому минимуму. Это приводит к нежелательному эффекту увеличения стоимости изготовления трансформатора.

Другой аналогичный метод минимизации потерь на вихревые токи, который лучше работает для высокочастотных приложений, заключается в изготовлении сердечника из железного порошка вместо тонких листов железа. Как и ламинированные листы, эти гранулы железа по отдельности покрыты электроизоляционным материалом, что делает сердцевину непроводящей, за исключением ширины каждой гранулы. Сердечники из порошкового железа часто встречаются в трансформаторах, работающих с радиочастотными токами.

Магнитный гистерезис

Другие «потери в сердечнике» связаны с магнитным гистерезисом . Все ферромагнитные материалы имеют тенденцию сохранять некоторую степень намагниченности после воздействия внешнего магнитного поля. Эта тенденция оставаться намагниченной называется «гистерезисом», и для преодоления этого противодействия требуются определенные затраты энергии, чтобы измениться каждый раз, когда магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой, меняет полярность (дважды за цикл переменного тока).

Этот тип потерь можно уменьшить за счет правильного выбора материала сердечника (выбор сплава сердечника с низким гистерезисом, о чем свидетельствует «тонкая» кривая гистерезиса B/H) и проектирования сердечника с минимальной плотностью потока (большое поперечное сечение). область).

Скин-эффект на высоких частотах

Потери энергии в трансформаторе увеличиваются с увеличением частоты. Скин-эффект в проводниках обмотки уменьшает доступную площадь поперечного сечения для потока электрического заряда, тем самым увеличивая эффективное сопротивление по мере увеличения частоты и увеличивая потери мощности из-за резистивного рассеяния. Потери в магнитном сердечнике также преувеличены с более высокими частотами, вихревыми токами и эффектами гистерезиса, которые становятся более серьезными. По этой причине трансформаторы значительных размеров рассчитаны на эффективную работу в ограниченном диапазоне частот.

В большинстве систем распределения электроэнергии, где частота сети очень стабильна, можно подумать, что чрезмерная частота никогда не будет проблемой. К сожалению, это происходит в виде гармоник, создаваемых нелинейными нагрузками.

Как мы видели в предыдущих главах, несинусоидальные сигналы эквивалентны аддитивным сериям нескольких синусоидальных сигналов с разными амплитудами и частотами. В энергосистемах эти другие частоты являются целыми кратными основной (линейной) частоте, а это означает, что они всегда будут выше, а не ниже расчетной частоты трансформатора. В значительной степени они могут вызвать сильный перегрев трансформатора. Силовые трансформаторы могут быть спроектированы так, чтобы справляться с определенными уровнями гармоник энергосистемы, и эта способность иногда обозначается рейтингом «К-фактор».

Паразитная емкость и индуктивность

Помимо номинальной мощности и потерь мощности, трансформаторы часто имеют другие нежелательные ограничения, о которых должны знать разработчики схем. Как и их более простые аналоги — катушки индуктивности, трансформаторы обладают емкостью за счет диэлектрической изоляции между проводниками: от обмотки к обмотке, от витка к витку (в одной обмотке) и от обмотки к сердечнику.

Резонансная частота трансформатора

Обычно эта емкость не имеет значения в силовых приложениях, но приложения со слабыми сигналами (особенно с высокой частотой) могут плохо переносить эту особенность. Кроме того, эффект наличия емкости вместе с расчетной индуктивностью обмоток дает трансформаторам возможность  резонирует с  на определенной частоте, что, безусловно, является проблемой проектирования в сигнальных приложениях, где применяемая частота может достигать этой точки (обычно резонансная частота силового трансформатора выше частоты переменного тока, для работы с которым он был разработан).

Сдерживание магнитного потока

Сдерживание магнитного потока (убедиться, что магнитный поток трансформатора не выходит из-под контроля другого устройства, и убедиться, что магнитный поток других устройств экранирован от сердечника трансформатора) — еще одна проблема, которую разделяют как катушки индуктивности, так и трансформаторы.

Индуктивность рассеяния

С проблемой сдерживания магнитного потока тесно связана индуктивность рассеяния. Поскольку индуктивность рассеяния эквивалентна индуктивности, включенной последовательно с обмоткой трансформатора, она проявляется как последовательное сопротивление с нагрузкой. Таким образом, чем больше ток, потребляемый нагрузкой, тем меньше напряжение на клеммах вторичной обмотки. Обычно в конструкции трансформатора требуется хорошая стабилизация напряжения, но есть и исключительные случаи. Как указывалось ранее, разрядные осветительные цепи требуют наличия повышающего трансформатора с «свободной» (плохой) регулировкой напряжения для обеспечения пониженного напряжения после образования дуги через лампу. Один из способов выполнить этот конструктивный критерий состоит в том, чтобы спроектировать трансформатор с путями рассеяния магнитного потока, чтобы магнитный поток обходил вторичную обмотку (обмотки). Результирующий поток рассеяния создаст индуктивность рассеяния, что, в свою очередь, приведет к плохому регулированию, необходимому для газоразрядного освещения.

Насыщение сердечника

Производительность трансформаторов также ограничена ограничениями магнитного потока сердечника. Для трансформаторов с ферромагнитным сердечником мы должны помнить о пределах насыщения сердечника. Помните, что ферромагнитные материалы не могут поддерживать бесконечные плотности магнитного потока: они имеют тенденцию к «насыщению» на определенном уровне (продиктованном размерами материала и сердечника), а это означает, что дальнейшее увеличение силы магнитного поля (ммс) не приводит к пропорциональному увеличению магнитного поля. поток поля (Ф).

Когда первичная обмотка трансформатора перегружена из-за чрезмерного приложенного напряжения, поток сердечника может достичь уровня насыщения в пиковые моменты синусоидального цикла переменного тока. Если это произойдет, напряжение, индуцированное во вторичной обмотке, больше не будет соответствовать форме волны напряжения, питающего первичную обмотку. Другими словами, перегруженный трансформатор будет искажать  форму волны от первичной обмотки к вторичной, создавая гармоники на выходе вторичной обмотки. Как мы обсуждали ранее, содержание гармоник в системах электропитания переменного тока обычно вызывает проблемы.

Пиковые трансформаторы

Специальные трансформаторы, известные как пиковые трансформаторы , используют этот принцип для создания коротких импульсов напряжения вблизи пиков формы сигнала напряжения источника. Ядро рассчитано на быстрое и резкое насыщение при уровнях напряжения значительно ниже пиковых. Это приводит к сильно обрезанной синусоидальной форме волны потока и импульсам вторичного напряжения только при изменении потока (ниже уровней насыщения):

Работа на частотах ниже нормы

Другой причиной ненормального насыщения сердечника трансформатора является работа на частотах ниже нормы. Например, если силовой трансформатор, предназначенный для работы на частоте 60 Гц, вынужден вместо этого работать на частоте 50 Гц, поток должен достичь более высоких пиковых уровней, чем раньше, чтобы создать такое же противодействующее напряжение, необходимое для баланса с напряжением источника. Это верно, даже если напряжение источника такое же, как и раньше.

Поскольку мгновенное напряжение обмотки пропорционально мгновенной скорости изменения магнитного потока в трансформаторе, форма волны напряжения, достигающая того же пикового значения, но требующая больше времени для завершения каждого полупериода, требует, чтобы поток поддерживал с той же скоростью изменения, что и раньше, но в течение более длительных периодов времени. Таким образом, если поток должен увеличиваться с той же скоростью, что и раньше, но в течение более длительных периодов времени, он будет увеличиваться до большего пикового значения.

Математически это еще один пример исчисления в действии. Поскольку напряжение пропорционально скорости изменения потока, мы говорим, что форма сигнала напряжения представляет собой производная  формы волны потока, «производной» является операция исчисления, определяющая одну математическую функцию (форму волны) в терминах скорости изменения другой. Однако если мы возьмем противоположную точку зрения и свяжем исходную форму волны с ее производной, мы можем назвать исходную форму волны интегралом формы производной волны. В этом случае форма волны напряжения является производной формы волны потока, а форма волны потока является интегралом формы волны напряжения.

Интеграл любой математической функции пропорционален площади под кривой этой функции. Поскольку каждый полупериод сигнала с частотой 50 Гц накапливает большую площадь между ним и нулевой линией графика, чем сигнал с частотой 60 Гц, а мы знаем, что магнитный поток является интегралом напряжения, поток будет достигать более высоких значений в рисунок ниже.

Еще одной причиной насыщения трансформатора является наличие постоянного тока в первичной обмотке. Любое падение напряжения постоянного тока на первичной обмотке трансформатора вызовет дополнительный магнитный поток в сердечнике. Это дополнительное «смещение» или «смещение» потока подтолкнет сигнал переменного потока ближе к насыщению в одном полупериоде, чем в другом.

Для большинства трансформаторов насыщение сердечника является очень нежелательным эффектом, и его можно избежать за счет хорошей конструкции: проектирования обмоток и сердечника таким образом, чтобы плотность магнитного потока оставалась значительно ниже уровней насыщения. Это гарантирует, что связь между mmf и Φ будет более линейной на протяжении всего цикла магнитного потока, что хорошо, поскольку вносит меньшие искажения в форму волны тока намагничивания. Кроме того, проектирование сердечника для низких плотностей потока обеспечивает безопасный запас между нормальными пиками потока и пределами насыщения сердечника для учета случайных аномальных условий, таких как изменение частоты и смещение постоянного тока.

Пусковой ток

Когда трансформатор изначально подключен к источнику переменного напряжения, может возникнуть значительный бросок тока через первичную обмотку, который называется пусковой ток . Это аналогично пусковому току электродвигателя, который запускается при внезапном подключении к источнику питания, хотя пусковой ток трансформатора вызывается другим явлением.

Мы знаем, что скорость изменения мгновенного потока в сердечнике трансформатора пропорциональна мгновенному падению напряжения на первичной обмотке. Или, как указывалось ранее, форма волны напряжения является производной формы волны потока, а форма волны потока является интегралом формы волны напряжения. В непрерывно работающем трансформаторе эти две формы волны сдвинуты по фазе на 90°. Поскольку поток (Φ) пропорционален магнитодвижущей силе (mmf) в сердечнике, а mmf пропорционален току обмотки, форма волны тока будет совпадать по фазе с формой волны потока, и обе они будут отставать от формы волны напряжения на 90°. °:

Предположим, что первичная обмотка трансформатора внезапно подключается к источнику переменного напряжения именно в тот момент времени, когда мгновенное напряжение имеет положительное пиковое значение. Чтобы трансформатор создавал противоположное падение напряжения, чтобы уравновесить это приложенное напряжение источника, должен генерироваться магнитный поток быстро увеличивающегося значения. В результате ток обмотки быстро увеличивается, но фактически не быстрее, чем в нормальных условиях:

И поток в сердечнике, и ток в катушке начинаются с нуля и достигают тех же пиковых значений, что и во время непрерывной работы. Таким образом, в этом сценарии нет ни «броска», ни «броска», ни тока.

В качестве альтернативы рассмотрим, что произойдет, если подключение трансформатора к источнику переменного напряжения произойдет именно в тот момент времени, когда мгновенное напряжение равно нулю. Во время непрерывной работы (когда трансформатор находится под напряжением в течение достаточно долгого времени) это момент времени, когда и магнитный поток, и ток обмотки имеют свои отрицательные пики, испытывая нулевую скорость изменения (dΦ/dt = 0 и di/ дт = 0). По мере того, как напряжение достигает своего положительного пика, формы сигналов потока и тока достигают своих максимальных положительных скоростей изменения и поднимаются вверх до своих положительных пиков, когда напряжение снижается до уровня нуля:

Однако существует значительная разница между работой в непрерывном режиме и условиями внезапного пуска, предполагаемыми в этом сценарии: во время непрерывной работы уровни потока и тока были на своих отрицательных пиках, когда напряжение было на нулевых точках; однако в трансформаторе, который простаивал без дела, и магнитный поток, и ток обмотки должны начинаться с ноль .

Когда магнитный поток увеличивается в ответ на повышение напряжения, он будет увеличиваться от нуля вверх, а не от ранее отрицательного (намагниченного) состояния, как это обычно бывает в трансформаторе, на который некоторое время подается питание. Таким образом, в трансформаторе, который только что «запустился», магнитный поток достигнет примерно в два раза большей своей нормальной пиковой величины, поскольку он «интегрирует» площадь под первым полупериодом кривой напряжения:

Начиная с e=0 В, Φ начинается с начального состояния Φ=0, увеличиваясь вдвое по сравнению с нормальным значением, при условии, что ядро ​​не насыщается.

В идеальном трансформаторе ток намагничивания также увеличился бы примерно в два раза по сравнению с нормальным пиковым значением, генерируя необходимую МДС для создания потока выше нормального. Тем не менее, большинство трансформаторов спроектированы с недостаточным запасом между нормальными пиками потока и пределами насыщения, чтобы избежать насыщения в таких условиях, и поэтому сердечник почти наверняка насытится в течение этого первого полупериода напряжения. Во время насыщения для создания магнитного потока требуется непропорциональное количество МДС. Это означает, что ток обмотки, который создает МДС, вызывающую поток в сердечнике, будет непропорционально возрастать до значения легко превышает вдвое больше своего нормального пика:

Механизм, вызывающий пусковой ток в первичной обмотке трансформатора при подключении к источнику переменного напряжения. Как видите, величина пускового тока сильно зависит от точного времени электрического подключения к источнику. Если в момент подключения к источнику в сердечнике трансформатора имеется остаточный магнетизм, пусковой ток может быть еще более серьезным. Из-за этого устройства защиты трансформатора от перегрузки по току обычно относятся к типу «медленного действия», чтобы выдерживать скачки тока, подобные этому, без размыкания цепи.

Нагрев и шум

В дополнение к нежелательным электрическим эффектам трансформаторы могут также проявлять нежелательные физические эффекты, наиболее заметными из которых являются выделение тепла и шума. Шум в первую очередь является неприятным эффектом, но тепло является потенциально серьезной проблемой, поскольку изоляция обмотки будет повреждена, если допустить перегрев. Нагрев можно свести к минимуму за счет хорошей конструкции, гарантируя, что сердечник не приближается к уровням насыщения, что вихревые токи сведены к минимуму, а обмотки не перегружены или не работают слишком близко к максимальной мощности.

Сердечник и обмотки крупных силовых трансформаторов погружаются в масляную ванну для отвода тепла и подавления шума, а также для вытеснения влаги, которая в противном случае могла бы нарушить целостность изоляции обмоток. Теплоотводящие «радиаторные» трубки на внешней стороне корпуса трансформатора обеспечивают путь конвективного потока масла для передачи тепла от сердечника трансформатора окружающему воздуху:

Безмасляные или «сухие» трансформаторы часто оцениваются с точки зрения «повышения» максимальной рабочей температуры (превышение температуры окружающей среды) в соответствии с буквенной системой класса: A, B, F или H. Эти буквы коды расположены в порядке от наименьшей термостойкости к наибольшей:

• Класс A: Повышение температуры обмотки не более чем на 55° по Цельсию при температуре окружающего воздуха 40° по Цельсию (максимум).
• Класс B: Повышение температуры обмотки не более чем на 80° по Цельсию при температуре окружающего воздуха 40° по Цельсию (максимум).
• Класс F: Повышение температуры обмотки не более чем на 115° по Цельсию при температуре окружающего воздуха 40° по Цельсию (максимум).
• Класс H: Повышение температуры обмотки не более чем на 150° по Цельсию при температуре окружающего воздуха 40° по Цельсию (максимум).

Звуковой шум — это эффект, в первую очередь возникающий из-за явления  магнитострикции : небольшого изменения длины ферромагнитного объекта при намагничивании. Знакомый «гул», слышимый вокруг больших силовых трансформаторов, — это звук расширения и сжатия железного сердечника с частотой 120 Гц (удвоенная системная частота, равная 60 Гц в США) — один цикл сжатия и расширения сердечника на каждый пик форма волны магнитного потока плюс шум, создаваемый механическими силами между первичной и вторичной обмотками. Опять же, поддержание низких уровней магнитного потока в сердечнике является ключом к минимизации этого эффекта, что объясняет, почему феррорезонансные трансформаторы, которые должны работать в режиме насыщения для большей части формы волны тока, работают как с нагревом, так и с шумом.

Потери из-за магнитных сил обмоток

Другим шумовым явлением в силовых трансформаторах является сила физической реакции между первичной и вторичной обмотками при большой нагрузке. Если вторичная обмотка разомкнута, то через нее не будет протекать ток, а следовательно, и создаваемая ею магнитодвижущая сила (МДС). Однако, когда вторичная обмотка «нагружена» (в настоящее время подается на нагрузку), обмотка генерирует МДС, которой противодействует «отраженная» МДС в первичной обмотке, чтобы предотвратить изменение уровней магнитного потока в сердечнике. Эти противоположные МДС, генерируемые между первичной и вторичной обмотками в результате вторичного тока (нагрузки), создают отталкивающую физическую силу между обмотками, которая заставляет их вибрировать. Разработчики трансформаторов должны учитывать эти физические силы при конструировании катушек обмотки, чтобы обеспечить достаточную механическую опору для преодоления нагрузок. Однако в условиях большой нагрузки (высокого тока) эти напряжения могут быть достаточно большими, чтобы вызвать слышимый шум, исходящий от трансформатора.

• Мощность силовых трансформаторов ограничена по мощности, которую они могут передавать от первичной обмотки к вторичной. Большие устройства обычно оцениваются в ВА (вольт-ампер) или кВА (киловольт-ампер).
• Сопротивление в обмотках трансформатора снижает его эффективность, так как ток рассеивает тепло и приводит к потере энергии.
• Магнитные эффекты в железном сердечнике трансформатора также способствуют неэффективности. Среди эффектов вихревые токи (циркулирующие индукционные токи в железном сердечнике) и гистерезис  (потеря мощности из-за преодоления склонности железа намагничиваться в определенном направлении).
• Увеличение частоты приводит к увеличению потерь мощности в силовом трансформаторе. Наличие гармоник в энергосистеме является источником частот, значительно превышающих нормальные, что может вызвать перегрев больших трансформаторов.
• Как трансформаторы, так и катушки индуктивности обладают определенной неизбежной емкостью из-за изоляции проводов (диэлектрика), отделяющей витки обмотки от железного сердечника и друг от друга. Эта емкость может быть достаточно значительной, чтобы дать трансформатору естественное резонансная частота , что может быть проблематично в сигнальных приложениях.
• Индуктивность рассеяния  вызывается тем, что магнитный поток не на 100 % связан между обмотками трансформатора. Любой поток, не связанный с передачей энергии от одной обмотки к другой, будет накапливать и высвобождать энергию, как работает (собственная) индуктивность. Индуктивность рассеяния имеет тенденцию ухудшать стабилизацию напряжения трансформатора (вторичное напряжение «проседает» сильнее при заданном токе нагрузки).
• Магнитное насыщение сердечника трансформатора может быть вызвано чрезмерным первичным напряжением, работой на слишком низкой частоте и/или наличием постоянного тока в любой из обмоток. Насыщение можно свести к минимуму или избежать с помощью консервативной конструкции, которая обеспечивает достаточный запас прочности между пиковыми значениями плотности магнитного потока и пределами насыщения сердечника.
• Трансформаторы часто испытывают значительные пусковые токи  при первоначальном подключении к источнику переменного напряжения. Пусковой ток наиболее велик, когда подключение к источнику переменного тока осуществляется в момент, когда мгновенное напряжение источника равно нулю.
• Шум — это распространенное явление, характерное для трансформаторов, особенно силовых, и в первую очередь вызвано магнитострикцией сердечника. Физические силы, вызывающие вибрацию обмотки, также могут создавать шум в условиях большой (сильноточной) нагрузки вторичной обмотки.

Терминология — JCL Energy — We Are Transformers

Терминология A — E Терминология F — J Терминология К — П Терминология R — Z

Терминология А-Е

Переменный ток (AC): Поток электрического тока с непрерывной сменой полярности, который возрастает до максимального напряжения в одном направлении, уменьшается до нуля и затем падает до максимального напряжения в другом направлении, прежде чем снова изменить полярность. Этот паттерн называется синусоидальной волной, а количество циклов в секунду равно частоте, которая измеряется в «Герцах».

Температура окружающей среды: Нормальная температура окружающей среды, в которой будет работать трансформатор.

Автотрансформатор: Трансформатор, используемый для повышения или понижения напряжения. Первичная и вторичная обмотки имеют общие витки и поэтому не обеспечивают гальваническую развязку.

ANSI: ANSI был создан в 1918 году. Американский национальный институт стандартов является признанным органом, который утверждает стандарты для трансформаторов. ANSI 89.1 в основном используется для трансформаторов сухого типа.

Трансформатор с воздушным охлаждением: Трансформатор, использующий воздух в качестве охлаждающей среды. Это может быть нагнетание воздуха с применением вентиляторов.

Уровень окружающего шума: Уровень акустического шума, существующего в заданном месте, например, в комнате или отделении и т. д. Уровень окружающего шума измеряется на основе шумомера или в децибелах (дБ).

Напряжение дуги: Величина напряжения между электродами с разным потенциалом или между электродом и землей. Величина определяется расстоянием между электродами и диэлектрической проницаемостью окружающей их среды.

BIL Базовый уровень изоляции: Это система изоляции, способная выдерживать очень высокие скачки напряжения.

Напряжение пробоя: Напряжение, при котором происходит электрический пробой. Он также известен как потенциал пробоя, потенциал искрообразования или напряжение искрообразования.

Сердечник: Металлическая центральная часть трансформатора или катушки индуктивности, используемая для увеличения силы магнитного поля. Он несет поток и образует магнитную связь между первичным и вторичным

Насыщение сердечника: Состояние, возникающее, когда сердечник катушки индуктивности или трансформатора достигает максимальной магнитной силы.

Трансформатор тока (CT): Трансформатор, используемый в приборах для измерения тока. Он использует силу магнитного поля вокруг проводника для формирования индуцированного тока, который затем можно приложить к сопротивлению для формирования пропорционального напряжения.

Трансформатор с компенсацией: Трансформатор с коэффициентом трансформации, который обеспечивает более высокое, чем номинальное, напряжение без нагрузки и номинальное напряжение при номинальной нагрузке.

Потери в сердечнике: Потери в сердечнике также известны как потери в железе. Потери в сердечнике — это форма потерь энергии, возникающая в электрических трансформаторах и других катушках индуктивности. Потери в сердечнике не включают потери из-за сопротивления в проводниках обмоток, которые часто называют потерями в меди. Они не зависят от нагрузки и поэтому называются постоянными потерями. В основном это потери на вихревые токи и гистерезис.

Дельта: Дельта представляет собой трехфазное соединение, в котором концы каждой фазы соединены последовательно, образуя замкнутый контур, где каждая фаза отстоят друг от друга на 120 электрических градусов.

Дельта-Дельта: Соединение между дельта-источником и дельта-нагрузкой.

Треугольник-звезда: Соединение между источником треугольником и нагрузкой звезда.

Изолирующий трансформатор привода: Трансформатор с коэффициентом К4 или выше и электростатическим экраном. Изолирующие трансформаторы привода сконструированы таким образом, чтобы смягчить негативное влияние гармоник (вызванных нелинейными нагрузками) на сам трансформатор.

Рабочий цикл: Процент времени, в течение которого трансформатор будет подавать на нагрузку полную номинальную мощность. Процент времени, в течение которого блок должен работать при полной номинальной мощности, по сравнению со временем, проведенным в режиме ожидания, может существенно повлиять на физический размер трансформатора.

Электростатический экран: Заземленный лист проводника, который обеспечивает заземляющий экран между первичной и вторичной обмотками для уменьшения или устранения помех между линиями или между линиями и землей. Он также известен как щит Фарадея.

Действующее напряжение или ток: Количество энергии, подаваемой на нагрузку цепи постоянного тока, можно легко рассчитать, разделив сопротивление нагрузки на квадрат приложенного постоянного напряжения.

Вихревые токи: Он индуцируется в металле, когда магнитные силовые линии движутся по нему.

Эффективность: Отношение выходной мощности к общей потребляемой мощности

Ток возбуждения: Ток, необходимый для намагничивания сердечника..

Электростатический экран: Размещается между обмотками (обычно первичной и вторичной) для обеспечения максимальной изоляции. При необходимости между вторичными обмотками могут быть размещены дополнительные электростатические экраны. Экранирование обычно подключается к земле трансформатора.

Герметизация: Процесс, при котором трансформатор или один из его компонентов полностью герметизируется эпоксидной смолой или подобным материалом. Этот процесс обычно выполняется, когда устройство может столкнуться с суровыми условиями окружающей среды, такими как влажность, солевой туман, полное погружение в воду или коррозионные элементы.

Возбуждающий ток: Ток, потребляемый трансформатором при номинальном входном напряжении в ненагруженном (разомкнутом) состоянии.

Терминология F — J

Ответвители FCAN: Полная пропускная способность выше номинальной. Это используется для указания того, что трансформатор будет выдавать номинальную мощность в кВА при подключении к источнику напряжения, напряжение которого выше номинального.

FCBN (полная мощность ниже номинальной) Отводы: То же, что и FCAN, за исключением того, что отводы находятся под напряжением ниже номинального.

Фильтр-пресс: Устройство для фильтрации и поглощения влаги из масла.

Частота: Означает, сколько раз напряжение переменного тока будет меняться с положительного на отрицательное и наоборот в течение определенного времени, обычно выражается в циклах в секунду и обозначается как Гц, например 60 Гц.

Закон Фарадея: Закон, определяющий электродвижущую силу, индуцируется в любой системе, в которой магнитное поле меняется со временем, и прямо пропорционален скорости изменения магнитного потока.

Отфильтровано: Удаление пульсаций, вызванных выпрямителем. Также может относиться к пониженным частотам несинусоидальных или нежелательных гармоник в источниках питания.

Экран Фарадея: Заземленный металлический барьер, который можно использовать для улучшения изоляции между обмотками трансформатора. В этом приложении экран в основном уменьшает емкость утечки между первичной и вторичной обмотками.

Феррорезонанс: Резонанс, возникающий при насыщении железного сердечника индуктивного компонента LC-цепи, увеличивающий индуктивное реактивное сопротивление по отношению к емкостному реактивному сопротивлению.

Феррорезонансный трансформатор: Регулирующий напряжение трансформатор, работа которого зависит от насыщения сердечника и выходной емкости.

Поток: Силовые линии магнитного поля.

Принудительный воздух: Метод регулирования температуры, при котором воздух из внешней среды принудительно заменяется на внутреннюю среду трансформатора.

Генератор: Устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую посредством магнитной индукции.

Заземление: Проводящий путь, преднамеренный или непреднамеренный, между электрической цепью или оборудованием и землей или другим проводником.

Заземлен: Подключен к земле или другому проводнику.

Замыкание на землю: Любое нежелательное протекание тока от проводника с током к земле.

Прерыватель замыкания на землю (GFI): Устройство, функцией которого является прерывание электрической цепи нагрузки, когда ток замыкания на землю превышает заданное значение, меньшее, чем требуется для срабатывания устройства защиты от перегрузки по току цепь питания.

Лошадиная сила (HP): Одна лошадиная сила равна 33 000 фунт-футов в минуту или 746 ватт.

Герц (Гц): Циклов в секунду

Изолирующий трансформатор: Трансформатор, в котором входные обмотки подключены к линии и полностью изолированы от тех, которые подключены к нагрузке.

Изоляция: Материал с высоким электрическим сопротивлением.

Изолятор: Устройство, используемое для поддержки или разделения электрических проводников

Измерительный трансформатор: Трансформатор, предназначенный для преобразования условий тока или напряжения и положения фаз в первичной цепи с заданной точностью вторичной цепи.

Полное сопротивление: Силы, включая сопротивление и емкостное или индуктивное сопротивление, которые сопротивляются протеканию тока в цепях переменного тока.

Индуктивность: Способность катушки накапливать энергию и противостоять изменениям тока, протекающего через нее. Зависит от площади поперечного сечения, количества витков катушки, длины катушки и материала сердечника.

Катушка индуктивности: Спиральный проводник, препятствующий изменению тока.

Пусковой ток: Кратковременный скачок тока через трансформатор из-за остаточного потока, возникающий в момент включения трансформатора.

Инвертор: Устройство, используемое для преобразования постоянного тока в переменный.

Подпятники: Конструктивный элемент в нижней части трансформатора, обеспечивающий точки подъема, которые используются для подъема устройства на ролики для перемещения.

Терминология К-П

Киловатт (КВт): 1000 Вт

КВтч: Киловатт-час, один киловатт за один час – единица энергии.

КВА: киловольт-ампер или тысяча вольт-ампер. При умножении на коэффициент мощности получится киловатт или кВт.

K-фактор: это рейтинг, используемый для обозначения номинального трансформатора, который специально разработан для работы с нелинейными нагрузками. Числовые значения указывают как амплитуду, так и частоту любого компонента формы волны тока, которые учитывались при проектировании трансформатора. Стандартные отраслевые рейтинги: K4, K9., К13, К30 и К50.

Линейная нагрузка: Нагрузка, в которой соотношение между током и напряжением прямо пропорционально. Например: водонагреватель, резистивный нагрев и т.д.

Линейное напряжение: Напряжение линии электропередач

Ламинирование: Листы стали, составляющие сердечник трансформатора.

Магнитное экранирование: Проводящий материал, размещенный вокруг катушек трансформатора для ослабления паразитных магнитных полей.

Множественная обмотка: Обмотка, состоящая из двух или более секций, которые могут быть соединены параллельно для определенного режима работы.

Естественная конвекция: Метод регулирования температуры, при котором нормальная конвекция окружающего трансформатор воздуха обеспечивает его единственное охлаждение.

Корпус NEMA: (Национальная ассоциация производителей электрооборудования) корпус, соответствующий спецификациям NEMA, обычно изготовленный из металла, который обеспечивает некоторую степень защиты от погодных условий и других факторов. Различные рейтинги NEMA определяют степень защиты от «некоторой степени защиты» до «полной защиты от атмосферных воздействий». Подходит для использования вне помещений или там, где размещение в помещении может представлять опасность поражения электрическим током, если соединения оставлены открытыми.

Номинальное напряжение: Нормальный или расчетный уровень напряжения. Для трехфазных систем со звездой номинальные напряжения составляют 480/277 (600/346 Канада) и 208/120, где первое число обозначает межфазное (или междуфазное) напряжение, а второе число представляет собой напряжение между фазой и нейтралью. Номинальное напряжение для большинства однофазных систем составляет 240/120.

Нелинейная нагрузка: Нагрузка, в которой соотношение между током и напряжением не является прямо пропорциональным.

Стандарт NEMA: Любой стандарт, опубликованный или спонсируемый Национальной ассоциацией производителей электрооборудования (NEMA).

Невентилируемая конструкция: Блок сердечника и катушки монтируется внутри корпуса без вентиляционных отверстий.

Ток холостого хода: Ток, потребляемый трансформатором при номинальном входном напряжении в ненагруженном (разомкнутом) состоянии. Известен также как ток возбуждения или ток намагничивания.

Закон Ома: Зависимость между напряжением (давлением), током (потоком электронов) и сопротивлением. Сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению. E=IR, или I=E/R, или R=E/I. Где E=напряжение, I=ток и R=сопротивление.

Открытая рама: Метод конструкции трансформатора, используемый, когда трансформатор будет объединен с другими компонентами внутри корпуса.

Колебание: Изменение, обычно во времени, величины по отношению к заданному эталону, когда величина попеременно больше и меньше эталона.

Перегрузка: Когда подключенная нагрузка трансформатора превышает номинальную мощность. При перегрузке выделяется избыточное тепло, и система изоляции начинает преждевременно разрушаться. Срок службы уменьшается из-за перегрева.

Коэффициент мощности: Вт разделить на вольт-ампер, кВт разделить на кВА. Коэффициент мощности: опережение и отставание напряжения от тока, вызванное индуктивными или емкостными нагрузками, и гармонический коэффициент мощности: от нелинейного тока.

Первичная обмотка: Обмотка катушки, напрямую подключенная к входному источнику питания.

Пиковое напряжение: Максимальное напряжение, измеренное во время события. Или максимальное напряжение, полученное из волны колеблющегося напряжения. С источником переменного тока это происходит дважды и длится только часть цикла. Напряжение постоянного тока всегда считается пиковым напряжением.

Фаза: Электрические цепи могут быть однофазными, трехфазными или многофазными в зависимости от количества исходных проводников, обычно осветительные и жилые цепи считаются однофазными. Однофазные трансформаторы можно использовать на трехфазном источнике, когда два провода трехфазной системы подключены к первичной обмотке однофазного трансформатора. И наоборот, три однофазных источника могут быть объединены для обеспечения трехфазного питания. Типичные сети распределения электроэнергии объединяют однофазные генераторы для обеспечения трехфазного напряжения распределения.

Терминология R-Z

Номинальная мощность: Общая выходная мощность всех вторичных обмоток, выраженная в вольт-амперах (ВА) или киловольт-амперах (кВА).

Реактивное сопротивление: Противодействие изменениям потока переменного тока. Емкостное реактивное сопротивление является сопротивлением при изменении от конденсатора, а индуктивное сопротивление является сопротивлением при изменении от катушки или другого индуктора.

Выпрямитель: Электрическое устройство, используемое для преобразования переменного тока в постоянный.

Регламент: Процентная разница между выходным напряжением вторичной обмотки при работе без нагрузки и разомкнутой цепи и при полной нагрузке.

Заполненная смолой Конструкция: Узел сердечника и катушки полностью герметизирован компаундом из смолы и песка и помещен в металлический корпус.

Вторичная обмотка(и): Обмотка(и) катушки, подающая выходное напряжение на нагрузку(и).

SCR: (полупроводниковый или кремниевый управляемый выпрямитель) Электронный переключатель постоянного тока, который может быть запущен в проводимость импульсом к электроду затвора, но может быть отключен только путем снижения основного тока ниже заданного уровня (обычно нулевого). ).

Экранирование: Установка металлического барьера для уменьшения влияния нежелательных электромагнитных сигналов.

Однофазный: (с трехфазным источником) один или два фазных провода. (Однофазный источник) Одиночный выход, который может иметь отвод от центра для двухуровневого напряжения.

Синусоидальная форма волны: Форма волны, которая может быть выражена математически с помощью функции синуса.

Короткое замыкание: Соединение с низким сопротивлением, обычно случайное, через часть цепи, приводящее к протеканию чрезмерного тока. А еще отличный фильм.

Повышающие/понижающие трансформаторы: Повышающий трансформатор — это трансформатор, в котором выходное напряжение больше входного. В понижающем трансформаторе входное напряжение больше выходного.

Блок трансформаторов / Блок трансформаторов: Два или более однофазных трансформатора, соединенных вместе для питания трехфазной нагрузки.

Ответвители или ответвители напряжения: Дополнительные соединения с обмоткой, позволяющие получать разные напряжения от одной и той же обмотки. Часто используется на первичной обмотке, чтобы трансформатор можно было использовать в разных странах с разным сетевым напряжением.

Повышение температуры: Дополнительное тепло сверх температуры окружающей среды, которое трансформатор будет выделять при нормальной работе.

Испытательный потенциал: Напряжение, подаваемое на обмотку для обеспечения надлежащих характеристик изоляции.

Трехфазное питание: Три отдельных выхода от одного источника с разницей фаз 120 электрических градусов между любыми двумя соседними напряжениями или токами.

Трансформатор: Электрическое устройство, которое с помощью электромагнитной индукции регенерирует энергию переменного тока из одной цепи в другую. Трансформаторы также используются для изменения напряжения с одного уровня на другой. Это достигается отношением витков на первичной обмотке к виткам на вторичной обмотке (коэффициентом витков).

Т-образное соединение: Трехфазный трансформатор, соединенный Скоттом с двумя первичными и двумя вторичными катушками, называемыми основной и вспомогательной катушками.

Нормативы для трансформаторов: Процентная разница между напряжениями на вторичных клеммах без нагрузки и напряжением при полной нагрузке. Это значение зависит от коэффициента мощности нагрузки и обычно указывается как 1,0 PF и 0,8 PF.

Переходный процесс: Высокоамплитудный короткий импульс, наложенный на нормальную форму волны напряжения или линию заземления.

Рабочее напряжение: Напряжение, при котором будет работать обмотка, но не обязательно выходное напряжение обмотки.

Звезда: Соединение по схеме «звезда» относится к трехфазному электроснабжению, в котором трансформатор источника имеет проводники, подключенные к клеммам в форме, напоминающей букву Y. Каждая точка Y представляет собой соединение горячего проводника. Угловое смещение между каждой точкой Y составляет 120 градусов. Центральная точка является общей точкой возврата нейтрального проводника.

Ватт: Единица электрической мощности при силе тока в цепи один ампер и напряжении один вольт (для постоянного тока) и для переменного тока, даже коэффициент мощности. должно быть единство.

Защита от атмосферных воздействий: При добавлении к вентилируемым корпусам разрешается размещать внутренние блоки на открытом воздухе, изменяя рейтинг корпуса на NEMA 3R.

Зигзагообразный трансформатор: Трансформатор, в котором обмотки физически соединены между собой для достижения заданного фазового соотношения напряжения и тока. Зигзагообразная схема обмотки обычно встречается в трансформаторах для подавления гармоник, фазовращателях или заземляющих трансформаторах.

Вопрос о управляющих трансформаторах, трансформаторах класса 2 и различных других трансформаторах?

Что такое трансформатор?

Трансформатор — это устройство, которое передает электрическую энергию от одной цепи к другой через индуктивно связанные проводники — катушки или «обмотки» трансформатора. За исключением трансформаторов с воздушным сердечником, проводники обычно наматываются вокруг одного сердечника с высоким содержанием железа или вокруг отдельных, но магнитно связанных сердечников. Изменяющийся ток во входной или «первичной» обмотке создает переменное магнитное поле в сердечнике (сердечниках) трансформатора. Это переменное магнитное поле индуцирует переменную электродвижущую силу или «напряжение» в выходной или «вторичной» обмотке. Если к вторичной обмотке подключена нагрузка, то во вторичной обмотке будет протекать электрический ток, а электрическая энергия будет течь из первичной цепи через трансформатор в нагрузку. В идеальном трансформаторе индуцированное напряжение во вторичной обмотке пропорционально первичному напряжению и определяется отношением числа витков во вторичной обмотке к числу витков в первичной.

Трансформаторы различных типов:

• Промышленный контроль и трансформаторы общего назначения
• Понижающе-повышающие трансформаторы
• Тороиды
• Высокочастотный/ферритовый сердечник
• Реакторы
• Феррорезонансный
• Изолирующие трансформаторы
• Автотрансформаторы
• Трансформаторы низкого напряжения
• Трансформаторы освещения
• Трансформаторы класса 2
• Энергоэффективные трансформаторы
• Инкапсулированные/герметизированные трансформаторы

Что такое разделительный трансформатор?

Изолирующий трансформатор не имеет прямого электрического пути от входа к выходу. Хотя любой трансформатор с отдельной первичной и вторичной обмоткой можно назвать изолирующим трансформатором, этот термин обычно используется для обозначения трансформатора, созданного специально для этой цели. Эти трансформаторы используются для снижения риска поражения электрическим током и могут иметь одинаковое входное и выходное напряжения, и поэтому используются строго для обеспечиваемой ими защитной изоляции.

Что такое автотрансформатор?

Автотрансформатор имеет только одну обмотку с двумя концевыми выводами плюс третью в промежуточной точке ответвления. Первичное напряжение прикладывается к двум клеммам, а вторичное напряжение снимается с одной из них и с третьей клеммы. Таким образом, первичная и вторичная цепи имеют несколько общих витков обмотки. Это часто позволяет трансформатору быть немного меньше, дешевле и часто более эффективным, чем аналог изолирующего трансформатора той же номинальной мощности, но ему не хватает безопасности изолирующего трансформатора.

Можно ли использовать трансформатор на более высоких частотах?

Да. Трансформаторы «сетевой частоты» предназначены для работы на частоте 50 Гц и/или 60 Гц, а трансформаторы «высокой частоты» предназначены для работы на более высоких частотах — кГц, МГц и выше. Высокочастотные трансформаторы могут быть меньше, чем их аналоги на 60 Гц того же уровня мощности, но они вносят электромагнитные помехи (EMI), которые в основном игнорируются на более низких частотах.

Что такое регулирование?

Регулирование сравнивает разницу выходного напряжения БЕЗ приложенного тока нагрузки с выходным напряжением С приложенным током нагрузки. Обычно выражается в процентном изменении. Чем выше КПД трансформатора, тем меньше будет меняться напряжение. Следовательно, «лучшее» регулирование означает меньшее изменение напряжения и, следовательно, более низкое процентное значение.

Что такое тороидальный трансформатор?

Проще говоря, тороидальный трансформатор — это трансформатор с тороидальным сердечником или сердечником в форме бублика. Тороидальные сердечники могут быть изготовлены из длинных полос намотанной стали для низкочастотных трансформаторов или из ферритовых материалов для высокочастотных трансформаторов. Круглая форма тороидального сердечника означает отсутствие зазоров или разрывов на пути линии магнитного потока и, следовательно, меньшие магнитные потери. Это явное преимущество в некоторых приложениях. Сами тороидальные сердечники, а также специальные методы намотки и сборки часто делают тороидальные трансформаторы немного более дорогими, чем трансформаторы других типов.

Для чего используется трансформатор с ферритовым сердечником?

Трансформатор с ферритовым сердечником требуется, если рабочая частота находится в диапазоне кГц или МГц.

Можно ли использовать трансформаторы при температуре окружающей среды, отличной от 40oC?

Конечно, если сочетание температуры окружающей среды и температуры, создаваемой самим трансформатором, не превышает допустимых температурных пределов. Пределы могут быть установлены нормативными стандартами или, при отсутствии таких стандартов, просто температурными характеристиками изоляционных материалов.

Что такое рабочий цикл?

Рабочий цикл, упрощенно говоря, представляет собой процент времени, в течение которого трансформатор находится в активном состоянии или под напряжением и под нагрузкой в ​​соответствии с его номиналами. Если он всегда «включен», то говорят, что он имеет рабочий цикл 100% или рассчитан на «непрерывную работу». Средний, эффективный или эквивалентный рабочий цикл необходимо рассчитывать для трансформаторов, нагрузка которых изменяется в течение типичного цикла.

Что вносит основной вклад в стоимость трансформатора?

Как правило, наиболее дорогостоящими компонентами трансформатора являются материал магнитного сердечника и медная проволока или фольга. Иногда специальные изоляционные материалы (высоковольтные и/или высокотемпературные) и защитные устройства (предохранители, автоматические выключатели, термовыключатели и т. д.) также могут существенно увеличить стоимость.

Каковы минимальные требования безопасности для общего использования моего трансформатора?

Трудно и, возможно, безрассудно делать общее заявление о том, какими должны быть минимальные требования безопасности для трансформаторов. Требования варьируются в зависимости от уровней напряжения и мощности, нормативных стандартов для конкретных приложений и того, на каких глобальных рынках будут использоваться трансформаторы.

Какие разрешения требуются для применения в медицине/стоматологии?

Существует множество стандартов для медицинских/стоматологических приложений, но в большинстве из них используется один или несколько разделов UL/EN 60601-1.

Как я могу получить одобрение трансформатора для медицинского/стоматологического или любого другого специального применения?

Обычно существует два (2) варианта: • Изготовитель трансформатора представляет трансформатор в соответствующие службы безопасности для одобрения компонента или, • Изготовитель конечного продукта представляет трансформатор для исследования вместе с конечным продуктом. В этом случае производитель трансформатора предоставляет производителю конечного продукта необходимую документацию по трансформатору, необходимую следственному органу.

Как высота над уровнем моря влияет на работу трансформатора?

Ограниченная плотность воздуха из-за большой высоты над уровнем моря может повлиять на рабочие характеристики низковольтных компонентов. Для приложений на большой высоте были проведены некоторые исследования (исследование Субхаса Саркара и Джона К. Джона), но мало что известно об этом влиянии на рабочие характеристики этих компонентов. Уменьшение плотности воздуха может повлиять на такие характеристики, как устойчивость к диэлектрическому напряжению, способность выдерживать тепловой ток, калибровка перегрузки, срок службы контактов и способность к отключению. Стандарт — Трансформатор может использоваться с полной паспортной мощностью на высоте до 3300 футов (1000 метров). Выше этой высоты номинальная мощность трансформатора должна снижаться на 0,3% на каждые 300 футов подъема выше 3300 футов. (Согласно IEC 726/ANSI C57.12)

Как нагрузка влияет на трансформатор?

Трансформатор управления предназначен для обеспечения номинального выходного напряжения при полной мощности ВА. По мере снижения нагрузки выходное напряжение будет расти. И наоборот, увеличение тока нагрузки приведет к снижению выходного напряжения. Как правило, чем меньше размер трансформатора ВА, тем больше разница между напряжением холостого хода и полной нагрузкой.

Что такое температурный класс?

Температурный класс = система изоляции трансформатора Стандартная классификация систем изоляции: 105(A), 130(B), 155(F), 180(H), 200(N) и 220(R).

Что такое повышение температуры?

Превышение температуры – это разница между средней температурой обмоток трансформатора и температурой окружающей среды.

Что такое трансформатор класса 2?

Определение — Трансформатор класса 2: Трансформатор с максимальным вторичным потенциалом 30 В (среднеквадратичный) при любых условиях нагрузки. Часть системы электропроводки между стороной нагрузки источника питания класса 2 и подключенным оборудованием. Источник питания класса 2 ограничен следующими характеристиками:

Примечание: При увеличении напряжения ограничение мощности уменьшается.

Когда следует использовать трансформатор класса 2?

Эти трансформаторы используются в цепях класса 2, которые должны соответствовать требованиям ANSI/NFPA 70 или части 1 Канадского электротехнического кодекса, CSA C22. 1, при подключении к синусоидальным источникам. НЕ используется для — источников питания, игрушечных трансформаторов, подключенных к шнуру или вилке, прямого подключения, для аудио-, телевизионных устройств или других специальных типов трансформаторов, указанных в требованиях к электрическим устройствам или приборам. Применение/конечный продукт определяют, какую категорию трансформатора можно использовать. Безопасное использование трансформаторов в решающей степени зависит от электрической системы, в которой они установлены. Исследование для оценки безопасности системы и компонентов проводится для совместимости системы.

Для чего используется трансформатор класса 3?

Эти трансформаторы предназначены для использования в цепях, которые должны соответствовать требованиям ANSI/NFPA 70 и которые подключены к синусоидальным источникам. Часть системы электропроводки между стороной нагрузки источника питания класса 3 и подключенным оборудованием. Выходное напряжение трансформатора класса 3 должно быть между 31 В и 100 В, если оно ограничено по своей природе, или между 31 В и 150 В, если оно не ограничено по своей природе. Как и цепь класса 2, ее можно установить без кабелепровода; однако, поскольку имеет более высокое напряжение, чем цепь класса 2, NEC предъявляет дополнительные требования к безопасности.

Что такое дизайн для производства?

(DFM) — это общий инженерный принцип конструирования изделий таким образом, чтобы их было легко изготовить, чтобы обеспечить соответствие и функциональность.

Что такое управляющий трансформатор?

Трансформатор управления представляет собой изолирующий трансформатор, предназначенный для обеспечения высокой степени вторичной стабилизации при пусковом токе.

Можно ли подключить трансформатор обратно?

В идеальном мире без потерь обратное подключение трансформатора вполне сработало бы. Однако в реальном мире есть потери, и обмотки трансформатора обычно регулируются, чтобы компенсировать ожидаемые потери. Следовательно, несмотря на то, что трансформаторы могут быть подключены в обратном направлении, передаточное отношение может не привести к ожидаемым характеристикам.

Можно ли использовать однофазный трансформатор с трехфазным источником?

Три однофазных трансформатора могут быть соединены в трехфазную группу, их первичная и вторичная обмотки соединены звездой или треугольником.

Что такое горячая точка?

Горячая точка — это самая высокая температура внутри катушки трансформатора.

Зачем мне герметизированный трансформатор?

Герметизация или герметизация помогают защитить трансформатор от влаги, пыли, грязи и других загрязнений.

Одна система изоляции лучше другой?

Система изоляции основана на различных материалах, используемых в групповом использовании при проектировании. Он обеспечивает сопоставимую продолжительность жизни. Выбор системы изоляции зависит от области применения и стоимости.

Зачем нужен трансформатор?

Трансформатор необходим для понижения или повышения напряжения от входного источника. Он также может обеспечить стабильность выходного напряжения в течение коротких периодов времени, когда возникают пусковые токи перегрузки.

Ограничивают ли управляющие трансформаторы ток?

Нет Трансформаторы управления не токоограничивающие. Они пропускают весь ток, требуемый нагрузкой.

Будут ли управляющие трансформаторы регулировать выходное напряжение?

Трансформаторы управления не регулируют выходное напряжение. Изменения входного напряжения будут пропорционально отражаться на выходном напряжении.

На что влияет герметизация в трансформаторах управления?

Герметизация или герметизация защищают обмотку трансформатора от промышленных загрязнений и влаги. Это также заставляет трансформатор работать медленнее под нагрузкой и без нагрузки.

Какое влияние оказывает управляющий трансформатор на электрические помехи в линии?

Управляющий трансформатор не является компонентом регулирования мощности, однако он может уменьшать электрические помехи, выбросы, выбросы и переходные процессы.

Что такое код CAGE Wabash?

Наш кодовый номер CAGE — 5GQ82 (материнская компания PowerVolt — 4SMM8).

Что такое номер ECCN Wabash?

Классификационный номер экспортного контроля (ECCN) — EAR99.

Соответствуют ли трансформаторы Wabash уровню эффективности VI?

Да. Пожалуйста, сообщите нам на этапе проектирования и предложения, чтобы мы могли убедиться, что выбран правильный номер детали.

Основы трансформаторов

1 Введение в трансформаторы

Проектирование и испытания трансформаторов иногда рассматриваются как искусство, а не наука.
Трансформаторы являются несовершенными устройствами, и между проектными значениями трансформатора, его тестовыми измерениями и его реальными характеристиками в цепи будут различия.
Возвращаясь к основам, эта техническая заметка поможет инженерам-проектировщикам и испытателям понять, как электрические характеристики трансформатора являются результатом физических свойств сердечника и обмоток.

2 Базовая теория трансформатора

На приведенном выше рисунке представлены основные элементы трансформатора: магнитный сердечник с первичной и вторичной обмотками, намотанными на ветви магнитного сердечника.
Переменное напряжение (Vp), подаваемое на первичную обмотку, создает переменный ток (Ip) через первичную обмотку.
Этот ток создает переменный магнитный поток в магнитном сердечнике.
Этот переменный магнитный поток индуцирует напряжение в каждом витке первичной обмотки и в каждом витке вторичной обмотки.

Поскольку поток является постоянным, т. е. одинаковым как в первичной, так и во вторичной обмотках:

Это уравнение показывает, что трансформатор можно использовать для повышения или понижения напряжения переменного тока путем управления соотношением витков первичной и вторичной обмотки. (действие трансформатора напряжения).

Можно также показать, что:
Вольт-ампер на первичной обмотке = Вольт-ампер на вторичной обмотке

Это уравнение показывает, что трансформатор можно использовать для повышения или понижения переменного тока путем управления соотношением первичных и вторичных витков. (Действие трансформатора тока)

Следует отметить отсутствие электрического соединения между первичной и вторичной обмотками.
Таким образом, трансформатор представляет собой средство изоляции одной электрической цепи от другой.
Эти функции — преобразование напряжения/тока и изоляция — не могут быть эффективно обеспечены никакими другими средствами, в результате чего трансформаторы используются в почти все электрическое и электронное оборудование в мире.

3 кривые B-H

Когда первичная обмотка трансформатора находится под напряжением, а вторичная не нагружена, в первичной обмотке протекает небольшой ток. Этот ток создает «намагничивающую силу», которая создает магнитный поток в сердечнике трансформатора.
Сила намагничивания (H) равна произведению тока намагничивания на число витков и выражается как Ампер-Обороты.
Для любого магнитного материала можно построить зависимость между силой намагничивания и создаваемым магнитным потоком. Это известно как кривая BH материала.

Из кривой B-H видно, что по мере увеличения намагничивающей силы от нуля поток увеличивается до определенного максимального значения потока.

Выше этого уровня дальнейшее увеличение силы намагничивания не приводит к значительному увеличению потока. Говорят, что магнитный материал «насыщен».

Трансформатор обычно проектируется таким образом, чтобы плотность магнитного потока была ниже уровня, который может вызвать насыщение.
Плотность потока можно определить с помощью следующего уравнения:

Где:
E представляет среднеквадратичное значение приложенного напряжения.
Н обозначает количество витков обмотки.
B представляет максимальное значение плотности магнитного потока в сердечнике (Тесла).
A представляет собой площадь поперечного сечения магнитного материала в сердечнике (кв. м).
f представляет собой частоту приложенного напряжения.

Примечание
1 Тесла = 1 Вебер/метр²
1 Вебер/м² = 10 000 Гаусс
1 Ампер-виток на метр = 4 p x 10-3 Эрстедов

На практике все магнитные материалы после намагничивания сохраняют часть своей намагниченности, даже когда сила намагничивания уменьшается до нуля.
Этот эффект известен как «остаточная намагниченность» и приводит к тому, что кривая B-H для материала демонстрирует реакцию на уменьшение намагничивающей силы, отличную от реакции на возрастающую намагничивающую силу.

На практике реальные магнитные материалы имеют следующую кривую B-H:

Кривая, показанная выше, называется петлей «гистерезиса» материала и представляет истинную реакцию B-H материала. (Первая кривая BH представляет собой среднее или среднее значение истинного отклика петли BH).

Наклон кривой B-H, уровень насыщения и размер петли гистерезиса зависят от типа используемого материала и других факторов.
Это показано на следующих примерах:

4 Потери на гистерезис

Потери на гистерезис являются результатом циклирования магнитного материала вдоль его кривой B-H.

Представляет собой энергию, принимаемую как приложенное напряжение, выравнивает магнитные диполи сначала в одном направлении, а затем в другом.

Потери увеличиваются по мере увеличения площади кривой B-H. По мере того, как материал приближается к насыщению, как площадь кривой, так и соответствующие потери энергии в каждом цикле существенно увеличиваются.

5 Потери на вихревые токи

Потери на вихревые токи вызываются небольшими токами, циркулирующими в материале сердечника, стимулируемыми переменным потоком в сердечнике.
Потери мощности I*I*R («потери на нагрев»), связанные с этими токами, вызывают нагрев сердечника, известный как потери на вихревые токи.
В трансформаторах с железным сердечником для сведения к минимуму этого эффекта используются изолированные листы железа, известные как пластины, ограничивающие путь для циркулирующих токов. Ферритовые сердечники
еще больше ограничивают эти пути.

6 Эквивалентная схема трансформатора

Идеальный трансформатор с одной первичной и двумя вторичными обмотками может быть представлен, как показано ниже
• Бесконечный импеданс холостого хода (т. е. отсутствие входного тока, когда вторичные цепи разомкнуты).
• Бесконечная изоляция между обмотками
В действительности характеристики реальных трансформаторов отличаются от характеристик идеального трансформатора.
Многие из этих характеристик могут быть представлены эквивалентной схемой трансформатора:

Где:
R1, R2, R3 представляют сопротивление провода обмотки.

C1, C2, C3 представляют собой емкость между обмотками.

Rp представляет собой потери, вызванные вихревыми токами и потерями на гистерезис. Это реальные потери мощности, иногда называемые потерями в сердечнике, которые можно измерить путем измерения мощности разомкнутой цепи. Поскольку ток нагрузки отсутствует, потери в меди I ² R в обмотке под напряжением очень малы, а мощность, измеренная без нагрузки, почти полностью приходится на сердечник.

Lp представляет импеданс из-за тока намагничивания. Это ток, который создает намагничивающую силу H, используемую в петлевых диаграммах B-H. Обратите внимание, что этот ток не может быть простой синусоидой, а может иметь искаженную остроконечную форму, если трансформатор работает в нелинейной области кривой B-H. Это обычно имеет место для трансформаторов линейной частоты пластинчатого типа.

L1, L2, L3 представляют индуктивность рассеяния каждой из обмоток. (Подробно это обсуждается в примечании Voltech 104-105, «Индуктивность рассеяния».)

7 Выводы

Эквивалентная схема трансформатора отражает реальные свойства магнитной цепи, состоящей из сердечника и обмоток.
Таким образом, эквивалентную схему можно с уверенностью использовать для понимания и прогнозирования электрических характеристик трансформатора в различных ситуациях.

8 Дополнительная литература

Эквивалентную схему также можно использовать для понимания и оптимизации испытаний и условий испытаний, которые можно использовать для проверки правильности конструкции трансформатора.
В дальнейших технических примечаниях этой серии обсуждается, как параметры эквивалентной схемы используются для проведения практических испытаний трансформаторов, чтобы гарантировать их качество в производственной среде.

См. также:
Технические примечания по индуктивности рассеяния (VPN 104-105)
Технические примечания по соотношению витков (VPN 104-113 )
Техническая заметка по тестированию ферритового трансформатора (VPN 104-128)
Техническая заметка по тестированию ламинированного трансформатора (VPN 104-127)

8.1: Взаимная индуктивность и основные операции

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Тони Р. Купхальдт
• Schweitzer Engineering Laboratories через All About Circuits

Предположим, что нам необходимо намотать катушку с изолированным проводом на петлю из ферромагнитного материала и подать на эту катушку источник переменного напряжения: (рисунок ниже (а))

Текущий.

В качестве индуктора мы ожидаем, что эта катушка с железным сердечником будет противодействовать приложенному напряжению своим индуктивным сопротивлением, ограничивая ток через катушку, как предсказывается уравнениями X _L = 2πfL и I=E/X (или I=E/Z). Однако для целей этого примера нам нужно более подробно рассмотреть взаимодействие напряжения, тока и магнитного потока в устройстве.

Закон напряжения Кирхгофа описывает, как алгебраическая сумма всех напряжений в контуре должна равняться нулю. В этом примере мы могли бы применить этот фундаментальный закон электричества для описания соответствующих напряжений источника и катушки индуктивности. Здесь, как и в любой цепи с одним источником и одной нагрузкой, падение напряжения на нагрузке должно равняться напряжению, выдаваемому источником, при условии, что падение напряжения на сопротивлении любых соединительных проводов равно нулю. Другими словами, нагрузка (катушка индуктивности) должна создавать противоположное напряжение, равное по величине источнику, чтобы оно могло уравновесить напряжение источника и произвести алгебраическую сумму напряжений контура, равную нулю. Откуда возникает это противодействующее напряжение? Если бы нагрузкой был резистор (рисунок выше (b)), падение напряжения возникает из-за потерь электроэнергии, «трения» электронов, протекающих через сопротивление. При идеальном индукторе (отсутствие сопротивления в проводе катушки) противодействующее напряжение исходит от другого механизма: реакция на изменение магнитного потока в железном сердечнике. При изменении переменного тока изменяется поток Φ. Изменение потока индуцирует противоЭДС.

Майкл Фарадей открыл математическую связь между магнитным потоком (Φ) и наведенным напряжением с помощью следующего уравнения: катушка вокруг сердечника (N), умноженная на мгновенную скорость изменения магнитного потока (dΦ/dt), связанного с катушкой. На графике (рисунок ниже) это выглядит как набор синусоидальных волн (при условии, что источник синусоидального напряжения), волна потока 90 ^o отстает от волны напряжения:

Магнитный поток отстает от приложенного напряжения на 90 ^o , потому что поток пропорционален скорости изменения, dΦ/dt.

Магнитный поток через ферромагнитный материал аналогичен току через проводник: чтобы он возник, он должен быть вызван какой-то силой. В электрических цепях этой движущей силой является напряжение (также известное как электродвижущая сила или ЭДС). В магнитных «цепях» эта движущая сила равна магнитодвижущая сила , ммс или . Магнитодвижущая сила (ммс) и магнитный поток (Φ) связаны друг с другом свойством магнитных материалов, известным как магнитное сопротивление (последняя величина обозначается странной буквой «R»):

В нашем примере , ммс, необходимая для создания этого изменяющегося магнитного потока (Φ), должна обеспечиваться изменяющимся током через катушку. Магнитодвижущая сила, создаваемая катушкой электромагнита, равна величине тока через эту катушку (в амперах), умноженной на количество витков этой катушки вокруг сердечника (единицей СИ для ммс является ампер-витков ). Поскольку математическая связь между магнитным потоком и ммс прямо пропорциональна, и поскольку математическая связь между ммс и током также прямо пропорциональна (в любом уравнении нет скорости изменения), ток через катушку будет синфазен с волна потока, как показано на рисунке ниже

Вот почему переменный ток через катушку индуктивности отстает от формы приложенного напряжения на 90 ^o : потому что это то, что требуется для создания изменяющегося магнитного потока, скорость изменения которого создает противоположное напряжение, совпадающее по фазе с приложенным напряжением. Из-за его функции обеспечения намагничивающей силы (ммс) для сердечника этот ток иногда называют током намагничивания .

Следует отметить, что ток через индуктор с железным сердечником не является идеально синусоидальным (синусоидальным) из-за нелинейной кривой намагничивания железа B/H. На самом деле, если индуктор изготовлен дешево, с использованием как можно меньшего количества железа, плотность магнитного потока может достигать высоких уровней (приближаясь к насыщению), что приводит к форме волны намагничивающего тока, которая выглядит примерно так, как показано на рисунке ниже 9.0005

Когда плотность потока приближается к насыщению, форма волны тока намагничивания искажается.

Когда ферромагнитный материал приближается к насыщению магнитного потока, требуются непропорционально большие уровни силы магнитного поля (mmf), чтобы обеспечить одинаковое увеличение потока магнитного поля (Φ). Поскольку mmf пропорциональна току через намагничивающую катушку (mmf = NI, где «N» — число витков провода в катушке, а «I» — ток через нее), большое увеличение mmf, необходимое для обеспечения необходимой увеличение потока приводит к значительному увеличению тока катушки. Таким образом, ток катушки резко увеличивается на пиках, чтобы поддерживать неискаженную форму волны потока, учитывая колоколообразные полупериоды формы волны тока на приведенном выше графике.

Ситуация усугубляется потерями энергии внутри железного ядра. Эффекты гистерезиса и вихревых токов способствуют дальнейшему искажению и усложнению формы волны тока, делая ее еще менее синусоидальной и изменяя ее фазу так, чтобы она отставала от формы волны приложенного напряжения чуть менее чем на 90 ^o . Этот ток катушки, являющийся результатом суммы всех магнитных эффектов в сердечнике (намагничивание dΦ/dt плюс потери на гистерезис, потери на вихревые токи и т. д.), называется возбуждающий ток . Искажение тока возбуждения катушки индуктивности с железным сердечником можно свести к минимуму, если она спроектирована и работает при очень низкой плотности потока. Вообще говоря, для этого требуется сердечник с большой площадью поперечного сечения, что делает катушку индуктивности громоздкой и дорогой. Однако для простоты предположим, что сердечник нашего примера далек от насыщения и свободен от всех потерь, что приводит к идеально синусоидальному току возбуждения.

Как мы уже видели в главе о катушках индуктивности, форма волны тока 90 ^o не совпадает по фазе с формой сигнала напряжения, что создает условия, при которых мощность попеременно поглощается и возвращается в цепь катушкой индуктивности. Если индуктор идеален (нет сопротивления провода, потерь в магнитном сердечнике и т. д.), он будет рассеивать нулевую мощность.

Теперь рассмотрим тот же индуктор, но на этот раз со второй катушкой (рисунок ниже), намотанной на тот же железный сердечник. Первая катушка будет помечена как первичная катушка , а вторая будет помечена как 9.1486 вторичная :

Ферромагнитный сердечник с первичной обмоткой (с приводом от переменного тока) и вторичной обмоткой.

Взаимная индукция

Если эта вторичная катушка претерпевает такое же изменение магнитного потока, как и первичная (что и должно происходить при условии идеального сдерживания магнитного потока через общий сердечник), и имеет такое же число витков вокруг сердечника, напряжение, равное по величине и фазе приложенному напряжению, будет индуцироваться по его длине. На следующем графике (рисунок ниже) форма сигнала индуцированного напряжения немного меньше формы сигнала напряжения источника, просто чтобы отличить один от другого:

Вторичный контур с разомкнутой цепью видит тот же поток Φ, что и первичный. Следовательно, индуцированное вторичное напряжение e _s имеет ту же величину и фазу, что и первичное напряжение e _p.

Этот эффект называется взаимной индуктивностью : индукция напряжения в одной катушке в ответ на изменение тока в другой катушке. Как и нормальная (собственная) индуктивность, она измеряется в единицах Генри, но в отличие от нормальной индуктивности обозначается заглавной буквой «М», а не буквой «L»:

Во вторичной обмотке не будет тока, так как она разомкнута. Однако, если мы подключим к нему нагрузочный резистор, переменный ток будет проходить через катушку в фазе с наведенным напряжением (поскольку напряжение на резисторе и ток через него всегда синфазны друг с другом) . (Рисунок ниже)

Резистивная нагрузка на вторичной обмотке имеет синфазное напряжение и ток.

Сначала можно было бы ожидать, что этот ток вторичной обмотки вызовет дополнительный магнитный поток в сердечнике. На самом деле это не так. Если бы в сердечнике индуцировался больший поток, в первичной обмотке индуцировалось бы большее напряжение (помните, что e = dΦ/dt). Этого не может быть, потому что индуцируемое напряжение первичной обмотки должно оставаться с той же величиной и фазой, чтобы сбалансироваться с приложенным напряжением в соответствии с законом напряжения Кирхгофа. Следовательно, ток вторичной обмотки не может влиять на магнитный поток в сердечнике. Однако что делает изменение — это количество ммс в магнитопроводе.

Магнитодвижущая сила

Магнитодвижущая сила возникает всякий раз, когда электроны движутся по проводу. Обычно эта МДС сопровождается магнитным потоком в соответствии с уравнением МДС=ΦR «магнитного закона Ома». В этом случае, однако, дополнительный поток не допускается, поэтому МДС вторичной катушки может существовать только в том случае, если первичная катушка создает противодействующую МДС равной величины и с противоположной фазой. Действительно, так и происходит, в первичной обмотке образуется переменный ток — 180 ^o не совпадают по фазе с током вторичной обмотки — для создания этой противодействующей МДС и предотвращения дополнительного потока в сердечнике. На иллюстрации добавлены метки полярности и стрелки направления тока для пояснения фазовых соотношений: (рисунок ниже)

Поток остается постоянным при приложении нагрузки. Однако нагруженная вторичная обмотка создает противодействующую МДС.

Если этот процесс покажется вам немного запутанным, не волнуйтесь. Трансформаторная динамика — сложная тема. Важно понимать следующее: когда переменное напряжение подается на первичную катушку, оно создает магнитный поток в сердечнике, который индуцирует переменное напряжение во вторичной катушке синфазно с напряжением источника. Любой ток, проходящий через вторичную катушку для питания нагрузки, индуцирует соответствующий ток в первичной катушке, получая ток от источника.

Взаимная индуктивность и трансформаторы

Обратите внимание на то, как первичная обмотка ведет себя как нагрузка по отношению к источнику переменного напряжения, и как вторичная обмотка ведет себя как источник по отношению к резистору. Вместо того, чтобы просто попеременно поглощать и возвращать энергию в цепь первичной обмотки, теперь энергия передается во вторичную обмотку, где она подается на рассеивающую (потребляющую энергию) нагрузку. Насколько источник «знает», он напрямую питает резистор. Конечно, есть и дополнительный ток первичной обмотки, отстающий от приложенного напряжения на 90 ^o , достаточно, чтобы намагнитить сердечник, чтобы создать необходимое напряжение для балансировки с источником (ток возбуждения ).

Мы называем этот тип устройства трансформатором , потому что он преобразует электрическую энергию в магнитную энергию, а затем снова в электрическую энергию. Поскольку его работа зависит от электромагнитной индукции между двумя стационарными катушками и магнитного потока изменяющейся величины и «полярности», трансформаторы обязательно являются устройствами переменного тока. Его схематическое обозначение выглядит как две катушки индуктивности, имеющие общий магнитный сердечник: (рисунок ниже)

Схематическое обозначение трансформатора состоит из двух обозначений катушек индуктивности, разделенных линиями, обозначающими ферромагнитный сердечник.

Две катушки индуктивности легко различимы по приведенному выше символу. Пара вертикальных линий представляет собой железный сердечник, общий для обоих индукторов. В то время как многие трансформаторы имеют ферромагнитные материалы сердечника, есть и такие, в которых их нет, поскольку составляющие их катушки индуктивности магнитно связаны друг с другом через воздух.

На следующей фотографии показан силовой трансформатор того типа, который используется в газоразрядном освещении. Здесь хорошо видны две катушки индуктивности, намотанные на железный сердечник. В то время как в большинстве конструкций трансформаторов катушки и сердечник заключены в металлический каркас для защиты, этот конкретный трансформатор открыт для просмотра и поэтому хорошо служит для иллюстративных целей: (рисунок ниже)

Пример газоразрядного трансформатора освещения.

Первичная и вторичная обмотки

Здесь видны обе катушки провода с изоляцией из лака медного цвета. Верхняя катушка больше, чем нижняя, и имеет большее количество «витков» вокруг сердечника. В трансформаторах катушки индуктивности часто называют обмотками в связи с производственным процессом, при котором проволока наматывается вокруг материала сердечника. Как смоделировано в нашем первоначальном примере, активная катушка индуктивности трансформатора называется 9.1486 первичная обмотка , а неактивная катушка называется вторичной обмоткой .

На следующей фотографии (рисунок ниже) трансформатор показан разрезанным пополам, обнажая поперечное сечение железного сердечника, а также обе обмотки. Как и в трансформаторе, показанном ранее, в этом устройстве также используются первичная и вторичная обмотки с разным числом витков. Также видно, что сечение провода различается между первичной и вторичной обмотками. Причина этого несоответствия в калибре проволоки будет ясна в следующем разделе этой главы. Кроме того, на этой фотографии видно, что железный сердечник состоит из множества тонких листов (слоев), а не из цельного куска. Причина этого также будет объяснена в следующем разделе этой главы.

Поперечное сечение трансформатора показывает сердечник и обмотки.

Простое действие трансформатора с использованием SPICE

Простую работу трансформатора легко продемонстрировать с помощью SPICE, настроив первичную и вторичную обмотки имитируемого трансформатора как пару «взаимных» катушек индуктивности. (Рисунок ниже) Коэффициент связи магнитного поля указан в конце строки «k» в описании схемы SPICE, этот пример настроен почти идеально (1,000). Этот коэффициент описывает, насколько тесно магнитно «связаны» две катушки индуктивности. Чем лучше магнитно связаны эти два индуктора, тем эффективнее должна быть передача энергии между ними.

Цепь Spice для связанных катушек индуктивности.

Примечание: фиктивные резисторы R необходимы для удовлетворения некоторых особенностей SPICE. Первый разрывает непрерывную петлю между источником напряжения и L ₁ , что не разрешено SPICE. Второй обеспечивает путь к земле (узел 0) от вторичной цепи, что необходимо, поскольку SPICE не может работать ни с какими незаземленными цепями.

Обратите внимание, что при одинаковой индуктивности обеих обмоток (по 100 Генри каждая) переменные напряжения и токи для них почти равны. Разница между первичным и вторичным токами заключается в токе намагничивания, о котором говорилось ранее: 90 ^o отстающий ток, необходимый для намагничивания сердечника. Как видно здесь, он обычно очень мал по сравнению с первичным током, индуцированным нагрузкой, поэтому первичный и вторичный токи почти равны. То, что вы видите здесь, вполне типично для КПД трансформатора. Любой КПД менее 95% считается плохим для современных конструкций силовых трансформаторов, и эта передача мощности происходит без движущихся частей или других компонентов, подверженных износу.

Если мы уменьшим сопротивление нагрузки, чтобы потреблять больше тока при том же уровне напряжения, мы увидим, что ток через первичную обмотку в ответ увеличивается. Несмотря на то, что источник питания переменного тока не подключен напрямую к сопротивлению нагрузки (скорее, он электромагнитно «связан»), величина тока, потребляемого от источника, будет почти такой же, как величина тока, который потреблялся бы, если бы нагрузка были напрямую связаны с источником. Внимательно посмотрите на следующие две симуляции SPICE, показывающие, что происходит с различными значениями нагрузочных резисторов:

Обратите внимание, как ток первичной обмотки следует за током вторичной обмотки. В нашем первом моделировании оба тока составляли приблизительно 10 мА, но теперь они оба составляют около 47 мА. В этом втором моделировании два тока ближе к равенству, потому что ток намагничивания остается таким же, как и раньше, в то время как ток нагрузки увеличился. Обратите также внимание на то, как вторичное напряжение несколько уменьшилось при более тяжелой (большей токовой) нагрузке. Давайте попробуем другую симуляцию с еще меньшим значением сопротивления нагрузки (15 Ом):

Ток нагрузки теперь составляет 0,13 А или 130 мА, что значительно выше, чем в прошлый раз. Первичный ток очень близок к тому же самому, но обратите внимание, что вторичное напряжение упало значительно ниже первичного напряжения (1,95 вольт против 10 вольт на первичной). Причиной этого является несовершенство конструкции нашего трансформатора: из-за того, что первичная и вторичная индуктивности не полностью связаны между собой (коэффициент k 0,999 вместо 1,000), возникает «паразит» или « утечка ” индуктивность. Другими словами, часть магнитного поля не связана со вторичной обмоткой и, следовательно, не может передать ей энергию: (рисунок ниже)

Индуктивность рассеяния возникает из-за того, что магнитный поток не пересекает обе обмотки.

Следовательно, этот поток «утечки» просто накапливает и возвращает энергию в цепь источника через самоиндукцию, эффективно действуя как последовательное сопротивление как в первичной, так и во вторичной цепях. Напряжение на этом последовательном импедансе падает, что приводит к снижению напряжения на нагрузке: напряжение на нагрузке «проседает» по мере увеличения тока нагрузки. (Рисунок ниже)

Эквивалентная схема моделирует индуктивность рассеяния как последовательные катушки индуктивности, не зависящие от «идеального трансформатора».

Если мы изменим конструкцию трансформатора, чтобы иметь лучшую магнитную связь между первичной и вторичной обмотками, значения напряжения между первичной и вторичной обмотками снова будут намного ближе к равенству:

Здесь мы видим, что наше вторичное напряжение равно обратно равным первичному, а вторичный ток также равен первичному току. К сожалению, построить настоящий трансформатор с таким комплектом связи очень сложно. Компромиссное решение состоит в том, чтобы спроектировать как первичную, так и вторичную катушки с меньшей индуктивностью, стратегия заключается в том, что меньшая индуктивность в целом приводит к меньшей индуктивности «утечек», вызывающей проблемы, для любой заданной степени неэффективности магнитной связи. Это приводит к напряжению нагрузки, которое ближе к идеальному при той же (сильноточной) нагрузке и том же коэффициенте связи:

Просто за счет использования первичной и вторичной катушек с меньшей индуктивностью напряжение нагрузки для этой большой нагрузки (большой ток) было доведено почти до идеального уровня (9,977 вольт). В этот момент можно спросить: «Если меньшая индуктивность — это все, что нужно для достижения почти идеальной производительности при большой нагрузке, то зачем вообще беспокоиться об эффективности связи? Если невозможно построить трансформатор с идеальной связью, но легко спроектировать катушки с низкой индуктивностью, то почему бы просто не построить все трансформаторы с катушками с низкой индуктивностью и иметь превосходный КПД даже при плохой магнитной связи?»

Ответ на этот вопрос можно найти в другом моделировании: тот же трансформатор с малой индуктивностью, но на этот раз с меньшей нагрузкой (меньший ток) 1 кОм вместо 15 Ом:.

При меньшей индуктивности обмотки первичное и вторичное напряжения почти равны, а первичный и вторичный токи — нет. В этом конкретном случае первичный ток составляет 28,35 мА, а вторичный ток составляет всего 9,990 мА: почти в три раза больше тока в первичной обмотке, чем во вторичной. Почему это? Чем меньше индуктивность в первичной обмотке, тем меньше индуктивное реактивное сопротивление и, следовательно, гораздо больше ток намагничивания. Значительная часть тока через первичную обмотку работает просто на намагничивание сердечника, а не на передают полезную энергию на вторичную обмотку и нагрузку.

Идеальный трансформатор с идентичными первичной и вторичной обмотками будет иметь одинаковое напряжение и ток в обоих наборах обмоток при любых условиях нагрузки. В идеальном мире трансформаторы передавали бы электроэнергию от первичной обмотки к вторичной так же плавно, как если бы нагрузка была напрямую подключена к первичному источнику питания, а трансформатора там вообще не было. Однако вы можете видеть, что эта идеальная цель может быть достигнута только при наличии совершенная связь магнитного потока между первичной и вторичной обмотками. Поскольку этого достичь невозможно, трансформаторы должны быть рассчитаны на работу в определенных ожидаемых диапазонах напряжений и нагрузок, чтобы работать как можно ближе к идеальным. На данный момент самое важное, что нужно иметь в виду, — это основной принцип работы трансформатора: передача мощности от первичной цепи к вторичной через электромагнитную связь.

Обзор

• Взаимная индуктивность — это когда магнитный поток двух или более катушек индуктивности «связан» таким образом, что в одной катушке индуцируется напряжение, пропорциональное скорости изменения тока в другой.
• Трансформатор представляет собой устройство, состоящее из двух или более катушек индуктивности, одна из которых питается переменным током, индуцируя переменное напряжение на второй катушке индуктивности. Если второй индуктор подключен к нагрузке, мощность будет электромагнитно связана с источником питания первого индуктора с этой нагрузкой.
• Катушка индуктивности в трансформаторе называется первичной обмоткой . Незапитанная катушка индуктивности в трансформаторе называется вторичной обмоткой .
• Магнитный поток в сердечнике (Φ) отстает на 90 ^o от формы волны напряжения источника. Ток, потребляемый первичной катушкой от источника для создания этого потока, называется током намагничивания , и он также отстает от напряжения питания на 90 ^o .
• Суммарный первичный ток ненагруженного трансформатора называется ток возбуждения и состоит из тока намагничивания плюс любой дополнительный ток, необходимый для преодоления потерь в сердечнике. В реальном трансформаторе он никогда не бывает идеально синусоидальным, но его можно сделать более синусоидальным, если трансформатор сконструирован и эксплуатируется таким образом, чтобы плотность магнитного потока поддерживалась на минимальном уровне.
• Поток сердечника индуцирует напряжение в любой катушке, обернутой вокруг сердечника. Индуктивное напряжение идеально совпадает по фазе с напряжением источника первичной обмотки и имеет одинаковую форму волны.
• • Любой ток, проходящий через вторичную обмотку нагрузки, будет «отражаться» на первичную обмотку и отбираться от источника напряжения, как если бы источник напрямую питал аналогичную нагрузку.

Эта страница под названием 8.1: Взаимная индуктивность и основные операции распространяется в соответствии с лицензией GNU Free Documentation License 1.3, автором, ремиксом и/или куратором выступил Тони Р. Купхалдт (Все о цепях) посредством исходного содержимого, которое было отредактировано для стиль и стандарты платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или страница

   Автор

   Тони Р. Купхалдт

   Лицензия

   GNU FDL

   Версия лицензии

   1,3

   Включено

   да

2. Теги

   1. источник@https://www.allaboutcircuits.com/textbook
   2. источник[1]-рабочая сила-1420

Теория трансформаторов стала проще | Altium

Трансформаторы обеспечивают очень эффективную изоляцию сигналов и используются для управления уровнями напряжения и тока переменного тока. Они могут достичь всего этого с более чем 9Энергоэффективность 5%, поэтому мы часто видим, что они используются в настольных источниках питания, аудиоаппаратуре, компьютерах, кухонной технике и настенных панелях. Трансформаторы, используемые для преобразования мощности 50/60 Гц, должны быть физически больше, чем те, которые используются в настенных панелях, и, надеюсь, после прочтения этой статьи вы поймете, почему. Однако теория трансформатора может быть неинтуитивной, и обычно задают такие вопросы:

• Будет ли сердечник насыщаться, когда вторичная нагрузка потребляет больше тока?
• Почему мой трансформатор не работает при частоте 1 Гц или постоянном токе?
• Почему мой силовой трансформатор не работает на частоте 10 кГц?
• Почему мой трансформатор нагревается при отсутствии нагрузки?

Идеализированный трансформатор

Эта статья задумана как курс повышения квалификации по теории трансформаторов, поэтому начнем с идеализированного трансформатора , состоящего из двух обмоток, намотанных на общий сердечник. Обе обмотки (красная и синяя) имеют одинаковое число витков, т. е. соотношение витков 1:1:

Это идеализированный трансформатор. Для реального трансформатора, если бы мы применили ступенчатое увеличение на 1 вольт к первичной обмотке, вторичная обмотка произвела бы 1 вольт, но только в течение ограниченного периода времени. Это связано с тем, что трансформаторы являются устройствами переменного тока, и они не очень хорошо справляются с низкими частотами.

Однако, поскольку это введение и речь идет об идеализированном трансформаторе, оправдано несколько небольших вольностей. Позже появится более реалистичная картина. Пока мы рассматриваем только идеализированную модель.

Синяя обмотка называется первичной обмоткой, а красная обмотка называется вторичной обмоткой. Когда мы подаем 1 вольт на первичную (синюю) обмотку, мы видим, что 1 вольт появляется на вторичной (красной) обмотке. Чтобы понять, почему это происходит, нам нужно проанализировать ток, который течет в первичной обмотке:

Когда мы прикладываем 1 вольт, первичный ток начинается с 0 ампер и линейно возрастает со временем. Если бы входное напряжение 1 вольт поддерживалось на первичной обмотке, ток продолжал бы расти, но вскоре достиг значения, которое не мог бы выдержать «реальный» источник питания, поскольку обмотка представляет собой короткое замыкание для постоянного тока. Тем не менее, мы говорим о идеализировал трансформатор на данный момент.

Первичный ток будет изменяться (Δi) со временем (Δt) со скоростью, определяемой по этой формуле:

• — это просто способ сказать «изменение чего-либо»
• Δi означает «изменение тока»
• Δt означает «изменение во времени» и, следовательно:
• Δi / Δt означает «скорость изменения тока во времени»
•  В — приложенное напряжение
• L — индуктивность первичной обмотки

Обычно мы видим, что приведенная выше формула немного изменена, где дельта-символ «» заменен на «d »: расти со скоростью 1 ампер в секунду. Точно так же, если мы приложим 1 вольт к катушке индуктивности 1 мГн, мы увидим рост тока со скоростью 1000 ампер в секунду (что явно проблематично более чем на несколько миллисекунд)!

На это соотношение не влияет вторичная (красная) обмотка; он не играет никакой роли в этой формуле. Фактически, мы могли бы отказаться от вторичной обмотки, оставив нам обычную катушку индуктивности. Другими словами, формула применима только к первичной обмотке.

Мы называем это током намагничивания , потому что именно это он и делает; он создает магнитное поле внутри и вокруг обмоток трансформатора. Магнитное поле увеличивается и уменьшается по мере увеличения и уменьшения тока намагничивания . Именно это изменяющееся магнитное поле индуцирует напряжение на клеммах разомкнутой цепи вторичной обмотки N витков:

В= -NᐧdΦdt

•  В — индуцированное вторичное напряжение
•  N — количество витков (такое же, как и в первичной обмотке, поскольку мы рассматриваем трансформатор 1:1)
• 𝛷 называется магнитным потоком (пропорциональным току намагничивания )

А как насчет отрицательного знака? На приведенных выше диаграммах вторичное напряжение положительно, т. е. имеет ту же полярность, что и первичное напряжение, так что же означает отрицательный знак?

Если подать напряжение на катушку индуктивности, возникнет внутренняя противо-ЭДС. Условно мы говорим, что противо-ЭДС находится в оппозиции к приложенному напряжению; следовательно, он «получает» отрицательный знак. И вторичное напряжение, и противо-ЭДС создаются одним и тем же механизмом (изменением магнитного потока), поэтому вторичное напряжение также «наследует» отрицательный знак.

Резюме

В этом идеализированном трансформаторе, когда мы прикладываем +1 вольт к первичной обмотке, мы получаем вторичное напряжение +1 вольт. Вторичное напряжение «индуцируется» возрастающим магнитным потоком в обмотках. Возрастающий магнитный поток вызван возрастающим ток намагничивания в первичке. Ток намагничивания возрастает линейно (в идеальной ситуации), потому что первичная обмотка представляет собой идеализированную катушку индуктивности. Это процесс индукции трансформатора.

Ток вторичной нагрузки

Теперь рассмотрим, что происходит, когда вторичная обмотка нагружена резистором 1 Ом:

В тот момент, когда на первичную обмотку подается 1 вольт, первичный ток становится равным 1 ампер. Это происходит из-за индуцированного 1 вольта на вторичной обмотке, которая подает 1 ампер на ее нагрузку 1 Ом: из закона Ома и закона сохранения энергии.

Мы также видим, что с течением времени первичный ток увеличивается. Это ничем не отличается от случая, когда вторичная обмотка была разгружена, за исключением того, что первичный ток теперь имеет смещение в 1 ампер из-за вторичного тока в 1 ампер. Таким образом, ток намагничивания нарастает с той же скоростью, что и ранее, и эта скорость по-прежнему определяется формулой индуктора: ; вторичный ток (относительно первичного) и ток намагничивания. Мы используем слова «относится к основному» в случае, если соотношение витков не равно 1:1.

Немного о соотношении витков

Ранее мы рассматривали трансформатор 1:1, нагруженный сопротивлением 1 Ом, но если бы соотношение витков было (скажем) 2:1, ток вторичной обмотки, «отнесенный к первичной», был бы 0,25 ампер. Это связано с тем, что соотношение 2: 1 будет индуцировать только 0,5 вольта на вторичной обмотке, вызывая вторичный ток 0,5 ампер.

Поскольку мы знаем (для этой идеализированной ситуации), что вся мощность нагрузки должна быть получена от основного источника питания, указанный первичный ток нагрузки должен составлять 0,25 А. Это связано с тем, что она соответствует мощности 0,25 Вт, рассеиваемой на вторичном нагрузочном резисторе (0,5 В x 0,5 А).

Ток намагничивания остается прежним

Однако ток намагничивания остается прежним; оно полностью определяется первичным приложенным напряжением и первичной индуктивностью. Это отдельный объект по отношению к первичному приведенному току нагрузки, и мы должны рассматривать его как отдельный объект при анализе трансформаторов. И есть еще одна причина…

Если мы посмотрим на полярности I _P и I _S , мы увидим, что I _P впадает в первичку, но I _S утекает со вторички. Следовательно, если мы пренебрежем током намагничивания (на мгновение), то в одну обмотку будет втекать ток силой 1 ампер, а из другой идентичной обмотки — ток силой 1 ампер.

Следовательно, поскольку каждая обмотка идентична, два магнитных потока компенсируют друг друга.

И это не обязательно должен быть трансформатор 1:1, чтобы это произошло, потому что ток, умноженный на количество витков, определяет напряженность магнитного поля. Следовательно, в трансформаторе 10:1, если вторичная обмотка потребляет 10 ампер, то это проецируется обратно на первичный ток нагрузки 1 ампер, т. е. «ампер-витки» на обеих обмотках одинаковы, но имеют противоположную полярность.

Это означает, что единственным источником намагничивания является ток намагничивания. Следствием этого является то, что токи нагрузки не влияют на магнетизм сердечника. В начале этой статьи я задал этот вопрос:

Насыщается ли сердечник, когда вторичная нагрузка потребляет больше тока?

А теперь должно быть понятно, почему это нет. Я тоже задавал такой вопрос:

Почему мой трансформатор не работает на 1 Гц или на постоянном токе?

Ответ заключается в том, что первичная обмотка представляет собой катушку индуктивности. Как было показано ранее, если вы приложите к катушке индуктивности постоянное напряжение, ток будет увеличиваться до тех пор, пока сигнал или источник питания больше не смогут поддерживать этот нарастающий ток. Вот почему мы используем трансформаторы с переменным током, а также поэтому низкочастотные трансформаторы требуют гораздо большей геометрии сердечника, чем те, которые работают на более высоких частотах. Чтобы предотвратить протекание большого тока намагничивания, мы строим низкочастотные трансформаторы с обмотками с высокой индуктивностью, а это требует гораздо большего количества витков провода и гораздо более крупных магнитных частей.

Индуктивность рассеяния

Ранее мы обсуждали идеализированный трансформатор 1:1 , но теперь нам нужно подумать о чем-то, что называется индуктивностью рассеяния. Не весь магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, «парится» на вторичную обмотку. Это можно рассматривать как разделение нескольких витков первичной обмотки, чтобы сформировать отдельный дополнительный компонент. Эти несколько витков по-прежнему будут создавать «локализованный» магнитный поток, но он не будет «связываться» со вторичной обмоткой. Эти несколько витков также имеют индуктивность, поэтому мы можем начать думать о трансформаторе следующим образом:

То, что мы видим выше, представляет собой идеальный трансформатор, окруженный индуктивными компонентами, которые делают его далеко не идеальным. L _M внутри фиолетовой рамки — это базовая индуктивность намагничивания, которую мы рассмотрели ранее; он создает магнитный поток сердечника. Были добавлены две индуктивности, L _P и L _S , обозначающие первичную индуктивность рассеяния и вторичную индуктивность рассеяния.

Если пренебречь индуктивностью намагничивания и рассматривать «идеальный трансформатор 1:1» как идеальный силовой трансформатор 1:1, мы можем просто заменить его проводами и перерисовать схему следующим образом:

Теперь мы можем видеть, что L _P и L _S включены последовательно между первичным напряжением и любой вторичной нагрузкой. Типичный трансформатор переменного тока может иметь общую индуктивность рассеяния 3% по сравнению с индуктивностью намагничивания, поэтому, если общая первичная индуктивность составляет 1 генри, индуктивность рассеяния будет около 30 мГн.

Индуктивность 30 мГн при частоте 50 или 60 Гц соответствует реактивному сопротивлению около 10 Ом и не вызывает особых опасений. Однако если мы будем работать с трансформатором на частоте 10 кГц, то реактивное сопротивление рассеяния возрастет до 2000 Ом, и это значительно ухудшит способность трансформатора передавать мощность на вторичную нагрузку. Итак, третий заданный вопрос был таким:

Почему мой силовой трансформатор не работает на частоте 10 кГц?

И теперь ответ должен быть ясен. Последний вопрос, заданный в начале, был таким:

Почему мой трансформатор нагревается, когда нет нагрузки?

И, чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно учесть потери мощности внутри трансформатора.

Потери трансформатора

Более реалистичная схема замещения нашего трансформатора выглядит следующим образом:

На схему добавлены три резистора (R _P , R _S, и R _C ). R _P и R _S — потери в обмотке, т. е. сопротивление медных проводов, используемых в трансформаторе. Если вы используете больше витков (для увеличения индуктивности намагничивания), это увеличивает последовательное сопротивление.

Это компромисс; мы хотим сделать индуктивность намагничивания высокой, чтобы поддерживать низкие токи намагничивания, но, увеличивая L _M , нам нужно больше витков обмотки, что означает больше потерь на последовательном сопротивлении. С другой стороны, чтобы сохранить последовательное сопротивление (R _P , R _S ) низкий, нам пришлось бы мириться с более высокими уровнями тока намагничивания. К сожалению, за это также приходится платить, поскольку более высокий ток намагничивания означает более высокие потери в сердечнике (представленные R _C ). Потери в сердечнике могут привести к сильному нагреву трансформатора, потому что эти потери мощности обусловлены приложенным первичным напряжением, а не током нагрузки (потери в меди).