Выводы вторичной обмотки трансформатора. Трансформаторы
Трансформаторы являются одними из самых распространенных электротехнических устройств, которые находят применение в самых разных областях — энергетике, промышленности, электронике, в быту.
Коротко назначение трансформатора можно охарактеризовать так: это устройство, преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Все трансформаторы предназначены для работы только с переменным напряжением.
Трансформатор нельзя включать в сеть постоянного тока, так как при подключении трансформатора к сети постоянного тока магнитный поток в нем будет неизменный во времени и, следовательно, не будет индуктировать ЭДС в обмотках; вследствие этого в первичной обмотке будет протекать большой ток, так как при отсутствии ЭДС он будет ограничиваться только относительно небольшим активным сопротивлением обмотки. Этот ток может вызвать недопустимый нагрев обмотки и даже ее перегорание.
Существуют повышающие и понижающие трансформаторы. В повышающем трансформаторе первичная обмотка имеет низкое напряжение, число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной. В понижающем трансформаторе, наоборот, вторичная обмотка имеет низкое напряжение, а число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной.
Отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации и обозначается буквой К :
где U1
и U2
– это напряжения на входе и выходе из трансформатора, N1
и N2
— число витков первичной и вторичной обмоток, I1
и I2
– это токи первичной и вторичной цепей.
Принцип действия
Принцип действия всех трансформаторов связан с явлением электромагнитной индукции.
Трансформатор состоит из ферромагнитного магнитопровода Ф, собранного из отдельных листов электротехнической стали, на котором расположены две обмотки (1 — первичная, 2 — вторичная), выполненные из изолированного провода.
Обмотку, подключенную к источнику питания, принято называть первичной, а обмотку, к которой подключены потребители — вторичной.
При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС во вторичной обмотке. Сила тока во вторичной обмотке, не присоединенной к цепи, потребляющей энергию, равна нулю. Если цепь подсоединена и происходит потребление электроэнергии, то в соответствии с законом сохранения энергии сила тока в первичной обмотке пропорционально возрастает.
Таким образом, и происходит преобразование и распределение электрической энергии.
Типы трансформаторов
Силовые трансформаторы — Данный вид трансформатора предназначен для преобразования электрической энергии в электрических сетях, для питания различного электрооборудования, в осветительных цепях.
Автотрансформаторы — у данного типа трансформаторов обмотки соединены между собой гальванически. В основном автотрансформаторы применяются для изменения и регулировки напряжения.
Трансформаторы тока — трансформатор, созданный для понижения первичного тока до величины применяемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации. Номинальное значение вторичной обмотки 1А, 5А. Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, пропорционален току, протекающему в его первичной обмотке на коэффициент трансформации.
Разделительные трансформаторы — имеют первичную обмотку, которая не связана электрически со вторичными обмотками. Силовые разделительные трансформаторы служат для повышения безопасности в электросетях. Сигнальные разделительные трансформаторы предназначены для обеспечения гальванической развязки электрических цепей.
Переменного тока.
Принципиальная схема трансформатора приведена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема трансформатора
Основные части трансформатора: замкнутый стальной сердечник 1 и размещенные на этом сердечнике обмотки 2 и 3. Обмотки изолированы от стального сердечника и друг от друга, т. е. обмотки электрически не связаны между собой.
Сердечники трансформаторов набирают из листов специальной так называемой трансформаторной стали толщиной 0,35 или 0,5 мм.
Листы стали изолируют друг от друга специальной бумагой или лаковой изоляцией.
Трансформаторная сталь имеет повышенное по сравнению с обычной сталью электрическое сопротивление, способствующее, так же как и наличие прокладок и лака, уменьшению вихревых токов, индуктируемых в сердечнике, и связанных с ними потерь.
В трансформаторной стали потери, связанные с , меньше, чем в других сортах стали.
Обмотка трансформатора, к которой подводится электрическая энергия, называется первичной обмоткой , другая, к которой присоединяются приемники энергии, — вторичной обмоткой .
Соответственно все электрические величины (мощность, напряжение, ток, сопротивление и т. д.), относящиеся к электрической цепи первичной обмотки, называются первичными, а относящиеся ко вторичной обмотке, — вторичными.
Обмотка с более высоким напряжением называется обмоткой высшего напряжения (в. н.), обмотка, присоединенная к сети с меньшим напряжением, называется обмоткой низшего напряжения (н.н.).
Если вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется понижающим, а если больше — повышающим.
Режим работы трансформатора, при котором вторичная обмотка разомкнута, а к зажимам первичной подведено напряжение, называется холостым ходом .
Если к зажимам первичной обмотки подвести напряжение переменного тока U 1 , то в первичной обмотке потечет ток, который создаст переменный магнитный поток.
Преобладающая часть магнитных линий потока замкнется по стальному сердечнику, пронизывая все нитки первичной и вторичной обмоток. Эта часть магнитного потока называется основным, или рабочим, магнитным потоком Ф т.
Другая часть потока, обычно гораздо меньшая, замыкается через воздух, пронизывая только витки первичной обмотки, и называется потоком рассеяния первичной обмотки Ф s1 . При разомкнутой вторичной цепи (цепи, питаемой от вторичной обмотки) ток в ней отсутствует и с ней не связано никакое магнитное поле.
При замыкании вторичной цепи в ней появляется ток; связанное с ним магнитное поле образует два потока: один в сердечнике, другой, замыкающийся через воздух, Ф s2 ; таким образом, около вторичной обмотки также создается поток рассеяния.
Потоки рассеяния аналогичны магнитному потоку самоиндукции, который создает ток в любой катушке индуктивности и любом проводе. Эти потоки являются вредными.
Мощность, расходуемая на нагревание стального сердечника, называется потерями в стали и обозначается Р ст.
Мощность, расходуемая на нагревание обмоток, называется потерями в меди и обозначается Р м.
Отношение мощности Р 2 , отдаваемой вторичной обмоткой потребителям тока (вторичная мощность), к мощности Р 1 подводимой к первичной обмотке (первичная мощность), называется коэффициентом полезного действия (к. п. д.) трансформатора:
— мощность, отдаваемая трансформатором.
Коэффициенты полезного действия трансформаторов достигают весьма высоких значений. К. п. д. некоторых мощных трансформаторов составляет 98—99%.
Трансформаторы, обычно применяемые в береговых установках, погружают в бак со специальным трансформаторным маслом. Масло имеет большую теплоемкость, чем воздух, лучше отводит теплоту и является хорошим изоляционным материалом. Масло повышает электрическую прочность изоляции обмоток трансформатора. Поэтому масляные трансформаторы имеют меньшие габариты, чем воздушные той же мощности и с таким же напряжением. Стенки бака для лучшей теплоотдачи изготовляются из волнистого железа; иногда к баку пристраивается специальный радиатор.
Трансформатор, имеющий только одну обмотку, часть которой является общей для первичной и вторичной цепи, называется автотрансформатором (рис. 3, б).
Рис. 3.Автотрансформат
Первичная обмотка (рис. 3, а) — витки w 1 (участок обмотки 1—3), а вторичная — витки w 2 (участок обмотки 1" — 2").
В общей части обмотки 1—2 ток равен разности I 2 — I 1 , так как в автотрансформаторе вторичная обмотка совмещена с первичной.
Отношение
Называется коэффициентом трансформации автотрансформатора.
Преимуществами автотрансформатора (по сравнению с трансформатором) являются уменьшение сечения общей части обмотки, больший к. п. д. и меньший вес.
Наряду с указанными достоинствами автотрансформатор имеет существенный недостаток , а именно: возможность проникновения высокого напряжения в сеть низкого напряжения, так как первичные обмотки имеют электрическое соединение; поэтому автотрансформаторы применяются главным образом в установках низкого напряжения.
Судовые трансформаторы
Трансформаторы, предназначенные для береговых и общепромышленных установок, отличаются от судовых. Обычно трансформаторы мощностью свыше 10 кВА, применяемые в береговых установках, погружают в бак, наполненный специальным трансформаторным маслом.
Для установки на судах отечественная промышленность выпускает специальные типы судовых трансформаторов — однофазные и трехфазные. Все судовые трансформаторы имеют естественное воздушное охлаждение. Масляные трансформаторы, несмотря на их преимущества, на судах не применяют, так как масло обладает горючестью и может выплескиваться при качке.
Однофазные судовые трансформаторы выпускаются мощностью до 10,5 кВА, а трехфазные — до 50 ква.
Первичное напряжение их равно 400, 230 и 133 в (последнее только для однофазных трансформаторов), а вторичное — 230, 133, 115 и 25 в.
Для возможности регулирования вторичного напряжения первичная обмотка трансформатора имеет несколько выводов. У трансформаторов для номинального первичного напряжения 380 в эти выводы соответствуют напряжению сети 400, 390, 380 и 370 в, а у трансформатора на 220 в — 230, 225, 220 и 215 в.
Если при номинальном напряжении первичной сети к ней будет подключена более высокая ступень напряжения первичной обмотки (например 400 или 390 в при номинале 380 в), то на вторичной стороне трансформатора напряжение будет ниже номинального. При подключении на первичной стороне более низкой ступени, чем номинальное напряжение, на вторичной стороне получим напряжение выше номинального.
Судовые трансформаторы выпускаются для установки на открытых палубах и для установки в закрытых помещениях.
Трансформатор - неподвижный (статический) электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.
Простейший трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного сердечника и двух обмоток. Обмотка, подключенная к генератору, называется первичной. Обмотка, к которой подключена нагрузка, называется вторичной.
Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции.Переменный ток, протекающий по первичной обмотке, создает в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Ф , который, пронизывая обмотки. индуктирует в каждом витке некоторую э. д. с. (Е). Действующее значение э. д. с., определяется по формуле
где Е-действующеезначение э.д. с.;
ω-число витков;
f-частота,Гц;
Φ m -амплитудное значение магнитного потока, вб.
Если принять число витков ω=1, то E=4,44fΦ m
Электродвижущие силы, наводимые магнитным потоком Φ , в обмотках трансформатора будут, очевидно, пропорциональны количеству витков. Если числа витков первичной и вторичной обмоток обозначить соответственно ω 1 и ω 2 , то для действующего значения э. д. с. самоиндукции первичной обмотки (Е 1) будем иметь Е 1 =ω 1 Е , аналогично э. д. с. взаимоиндукции вторичной обмотки Е 2 =ω 2 Е .
Отношение
называют коэффициентом трансформации и обозначают буквой К:
Если трансформатор не нагружен (т. е. цепь вторичной обмотки разомкнута), то напряжение на ее зажимах равно э. д. с. (U 2= E 2 ). В тоже время, поскольку первичная обмотка обладает относительно большим индуктивным сопротивлением и ток потребляемый ею от сети, невелик, можно пренебречь падением напряжения на ее активном сопротивлении. Тогда приложенное к первичной обмотке напряжение будет численно равно э. д. с. самоиндукции (U 1 ≈E 1 ). Итак при отсутствии нагрузки U 1 ≈E 1 и U 2= E 2 . Следовательно, отношение Е 1 /Е 2 можно заменить отношением U 1 /U 2 , т. е.
Таким образом, коэффициент трансформации есть отношение напряжения на зажимах первичной обмотки к напряжению на зажимах вторичной обмотки при отсутствии нагрузки (или, как принято говорить, при холостом ходе трансформатора).
В зависимости от величины коэффициента трансформации трансформаторы подразделяются:
На повышающие ω 1 <ω 2 ; U 1 ;
На понижающие ω 1 >ω 2 ; U 1 >U 2 ; К >1 ;
На переходные ω 1 = ω 2 ; U 1 =U 2 ; К=1.
Анализ работы трансформатора.
1. Режим холостого хода
В этом режиме вторичная обмотка разомкнута. Переключатель находится в положении 1 .Ток потребляемый первичной цепью минимален и называется током холостого хода. Магнитное поле вокруг первичной обмотки называется магнитным полем холостого хода.Этот режим безвреден для трансформатора.
2. Работа трансформатора в режиме нагрузки
Включим переключатель в положение 2 , при этом трансформатор из режима холостого хода переходит в режим нагрузки. По вторичной обмотке протекает ток I 2 , магнитный поток которого согласно закону Ленца направлен против магнитного поля первичной обмотки Φ . В результате этого магнитный поток Φ в первый момент уменьшается, что вызывает уменьшение э. д. с. самоиндукции Е 1 в первичной обмотке трансформатора. Поскольку приложенное напряжение U 1 (сети, генератора) при этом остается неизменным, то электрическое равновесие между напряжением и э. д. с. самоиндукции нарушается и происходит увеличение тока в первичной обмотке. Увеличение тока приводит к увеличению магнитного потока, что в свою очередь вызывает увеличение э. д. с. самоиндукции. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не восстановится электрическое равновесие между приложенным напряжением и э. д. с. самоиндукции. Но при этом ток первичной обмотки будет больше, чем при холостом ходе, т. е. суммарный магнитный поток первичной и вторичной обмоток трансформатора в режиме нагрузки равен магнитному потоку первичной обмотки в режиме холостого хода.
Итак, в режиме нагрузки, т. е. при появлении вторичного тока, первичный ток возрастает, во вторичной обмотке создается падение напряжения и вторичное напряжение уменьшается. При уменьшении нагрузки, т. е. при уменьшении вторичного тока, размагничивающее действие вторичной обмотки уменьшается, магнитный поток в сердечнике в первый момент возрастает и соответственно возрастает э. д. с. самоиндукции Е 1 . Электрическое равновесие между U 1 и Е 1 нарушается, ток в первичной обмотке уменьшается, При этом происходит уменьшение магнитного потока и э. д. с. самоиндукции. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не восстановится временно нарушенное электрическое равновесие между U 1 и Е 1 , но при меньшем токе I 1 .
Итак, уменьшение тока I 2 приводит к уменьшению тока I 1 , падение напряжения во вторичной обмотке трансформатора уменьшается и вторичное напряжение возрастает.
Всякое изменение вторичного тока вызывает изменение первичного тока, направленное на поддержание в сердечнике трансформатора постоянного по величине магнитного потока.
А теперь включим переключатель в положение 4 .
Сопротивление вторичной цепи практически будет равным нулю. Ток вторичной цепи будет максимальным, магнитное поле вторичной обмотки будет максимальным. Магнитное поле первичной обмотки уменьшится и станет минимальным, следовательно и индуктивное сопротивление первичной обмотки станет минимальным.Ток потребляемый первичной цепью возрастет до максимума. Такой режим называется режимом короткого замыкания. Этот режим опасен для трансформатора и всей цепи. Для защиты от КЗ устанавливают предохранители в первичной или во вторичной цепи.
Может ли трансформатор получить выигрыш в мощности?
Мощность развиваемая в первичной цепи равна произведению U 1 *I 1 во вторичной цепи U 2 *I 2. Трансформатор выигрыша в мощности не дает так как всякое увеличение напряжения с помощью трансформатора сопровождается соответствующим уменьшением тока, т. е. во сколько раз трансформатор увеличит напряжение во столько раз он уменьшит величину тока во вторичной цепи. В понижающем трансформаторе во сколько раз трансформатор уменьшит напряжение во столько раз увеличит величину тока во вторичной цепи.
К. п. д. трансформатора
К. п. д. это отношение вторичной мощности P 2 к первичной P 1 (полезной мощности к потребляемой) выраженной в %.
Например к. п. д. трансформатора 90% это значит что 90% энергии полученной первичной обмоткой от источника тока переходит во вторичную обмотку и 10% теряется в трансформаторе на активном сопротивлении трансформатора. Наличие потерь приводит к тому, что мощность выделяемая в нагрузке вторичной обмотки трансформатора, всегда меньше мощности, которую потребляет первичная обмотка.
Потери энергии в трансформаторе состоят из потерь в сердечнике и потерь в обмотках. К потерям в сердечнике относятся потери на магнитный гистерезис и потери на вихревые токи. Потери в обмотках обусловлены обычным нагревом обмоток током.
К. п. д. мощных стационарных трансформаторов бывает до 99%. К. п. д. маломощных трансформаторов, применяемых в аппаратуре связи принимается за 80%.
1.Обмотки
Для производства обмоток трансформаторов применяются обмоточные провода они медные и имеют изоляцию.
ПЭ-провод эмалированный
ПЭЛ- провод эмалированный лакостойкий
ПЭВ-провод эмалированный высокопрочный
ПЭЛ рассчитан на температуру до 90 0 , кратковременно 105 0 ; ПЭВ до 105 0 , кратковременно до 125 0
Обмотки наматываются на каркас (пластмасса, текстолит, гетинакс, картон), бывает и бескаркасная намотка. Конец провода обмотки должен быть закреплен. Обмотки наматываются рядами виток к витку. После каждого ряда прокладывается изоляция (полоска конденсаторной или кабельной бумаги), чтобы не было пробоя. Второй конец обмотки тоже должен быть закреплен. После намотки первой обмотки прокладывается изоляция получше, например полоска из лакоткани, затем наматывается следующая обмотка. Обмотки наматываются одна на другую.Часто при производстве трансформаторов первичную и вторичную обмотки делят на секции.При этом магнитное поле первичной обмотки лучше охватывает вторичную обмотку.
2. Сердечники
Сердечники бывают: стержневые, броневые и тороидальные.
Для производства сердечников часто применяется трансформаторная сталь разных марок. Сердечник набирается из тонких стальных пластин изолированных друг от друга. В качестве изоляции часто применяется окись (окалина), образующаяся на поверхности пластин при их нагреве при высокой температуре. Если сердечник делать не из отдельных изолированных друг от друга пластин, а из двух сложенных кусков, то сердечник будет раскалятся вихревыми токами. Вихревые токи отдельных пластин малы и в целом сердечник нагревается незначительно. Сердечник трансформатора должен быть хорошо сжат, чтобы не гудел. Лучшим способом сжатия является сжатие с помощью шпилек с гайками. Часто применяют сжатие с помощью скобы, охватывающий сердечник.
Сердечники из трансформаторной стали плохо намагничиваются в слабых магнитных полях. Поэтому на низких звуковых частотах применяют сердечники из пермаллоя. Пермаллой это сплав из никеля, молибдена, хрома, марганца, меди, кремния и железа.
В цепях токов высоких частот применяются сердечники из феррита. Феррит - это магнитодиэлектрик т. е. диэлектрик обладающий магнитными свойствами. Он изготавливается из окислов металлов в виде порошка перемешанных со смолой или полистиролом.
Состоит из двух отдельных обмоток, называемых первичной и вторичной обмотками. Входное напряжение переменного тока прикладывается к первичной обмотке и создает изменяющееся магнитное поле. Это магнитное поле взаимодействует со вторичной обмоткой, индуцируя в ней напряжение переменного тока (точнее, ЭДС). Напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке, имеет ту же частоту, что и входное напряжение, но его амплитуда определяется соотношением числа витков вторичной и первичной обмоток.
Если входное напряжение на выводах первичной обмотки = V1
выходное напряжение на выводах вторичной обмотки = V2
число витков первичной обмотки = T1
число витков вторичной обмотки = T2
то
Кроме того, I1/ I2 = T1/ T2, где I1 и I2 – токи первичной и вторичной обмоток соответственно.
Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора
Приведенные выше соотношения предполагают, что трансформатор имеет 100%-ный КПД, т. е. полностью отсутствуют какие-либо потери мощности. Следовательно,
Входная мощность I1 V1 = Выходная мощность I2 V2.
На практике трансформаторы имеют КПД около 96-99%. Для увеличения КПД трансформатора его первичная и вторичная обмотки наматываются на одном магнитном сердечнике (рис. 7.10).
Повышающий и понижающий трансформаторы
Повышающий трансформатор вырабатывает на выходе (во вторичной обмотке) более высокое напряжение, чем приложено на входе (к первичной обмотке). Для этого число витков вторичной обмотки делается больше числа витков первичной обмотки.
Понижающий трансформатор вырабатывает на своем выходе меньшее напряжение, чем на входе, поскольку его вторичная обмотка имеет меньшее число витков по сравнению с первичной.
Трансформатор, изображенный на рис. 7.11, имеет в цепи вторичной обмотки нагрузочный резистор r2. Сопротивление r2 можно пересчитать или, как говорят, привести к первичной обмотке, т. е. к сопротивлению трансформатора r1 со стороны первичной обмотки. Отношение r1/ r2 называется коэффициентом приведения сопротивления. Этот коэффициент можно рассчитать следующим образом. Поскольку r1 = V1 / I1 и r2 = V2 / I2, то
Рис. 7.10. Трансформатор.
Рис. 7.11. Коэффициент приведения
сопротивления
r1/ r2 = Т12/ Т22 = n2.
Рис. 7.12. Автотрансформатор.
Рис. 7.13. Автотрансформатор с несколькими отводами.
Но V1 / V2 = T1 / T2 = n и I2 / I1 = T1 / T2 = n, поэтому
r1 / r2 = n2
Например, если сопротивление нагрузки r2 = 100 Ом и отношение числа витков обмоток (коэффициент трансформации) T1 / T2 = п = 2: 1, то со стороны первичной обмотки трансформатор можно рассматривать как резистор с сопротивлением r1 = 100 Ом 22 = 100 4 = 400 Ом.
Трансформатор может иметь одну-единственную обмотку с одним отводом от части витков этой обмотки, как показано на рис. 7.12. Здесь T1 - число витков первичной обмотки и T2 - число витков вторичной обмотки. Напряжения, токи, сопротивления и коэффициент трансформации определяются теми же формулами, которые применимы к обычному трансформатору.
На рис. 7.13 показан еще один трансформатор с единственной обмоткой, в котором сделано несколько отводов от этой обмотки. Все соотношения для напряжений, токов и сопротивлений по-прежнему определяются коэффициентом трансформации (V1/Va = Т1/Тa, V1/Vb = Т1/Тb и т. д.).
На рис. 7.14 изображен трансформатор с отводом от середины его вторичной обмотки. С верхней и нижней половин вторичной обмотки снимаются выходные напряжения Va и Vb, Отношение входного напряжения (на первичной обмотке) к каждому из этих выходных напряжений определяется отношением числа витков, причем
V1/Va = Т1/Тa V1/Vb = Т1/Тb
где Т1, Тa и Тb - число витков первичной, вторичной а и вторичной b обмоток соответственно. Поскольку отвод сделан от середины вторичной обмотки, напряжения Va и Vb равны по амплитуде. Если средняя точка заземлена, как в схеме на рис. 7.14, то выходные напряжения, снимаемые с двух половин вторичной обмотки, находятся в противофазе.
Пример
Обратимся к рис. 7.15. (а) Рассчитайте напряжение между выводами В и С трансформатора, (б) Если между выводами А и В намотано 30 витков, то сколь¬ко всего витков имеет вторичная обмотка трансформатора?
Решение
a) VBC = VAD – VAB – VCD = 36 В – 6 В – 12 В = 18 В.
Число витков между А и В
b) VAB / VAD == ---------------
Число витков между А и D
Следовательно, 6 В/36 В = 30/ TAD, отсюда TAD = 30 36/6 = 180 витков.
Рис. 7.14. Трансформатор с отводом от средней точки вторичной обмотки.
Рис. 7.15. VAD = 36 В, VAB = б В,
VCD = 12 В.
Магнитная цепь
Принято говорить, что в магнитной цепи магнитный поток (или магнитное поле), измеряемый в теслах, создается силой, называемой магнитодвижущей силой (МДС). Магнитная цепь обычно сравнивается с электрической цепью, причем магнитный поток сопоставляется с током, а магнитодвижущая сила с электродвижущей силой. Точно так же, как говорят о сопротивлении R электрической цепи, можно говорить о магнитном сопротивлении S магнитной цени; эти понятия имеют аналогичный смысл. Например, такой магнитомягкий материал, как ковкое железо, обладает низким магнитным сопротивлением, т. е. низким сопротивлением для магнитного потока.
Магнитная проницаемость
Магнитная проницаемость материала это мера легкости его намагничивания. Например, ковкое железо и другие электромагнитные материалы, такие, как ферриты, обладают высокой магнитной проницаемостью. Эти материалы применяются в трансформаторах, катушках индуктивности, реле и ферритовых антеннах. В отличие от них немагнитные материалы имеют очень низкую магнитную проницаемость. Магнитные сплавы, такие, как кремнистая сталь, обладают способностью сохранять состояние намагниченности в отсутствие магнитного поля и поэтому применяются в качестве постоянных магнитов в громкоговорителях (динамических головках), магнитоэлектрических измерительных приборах с подвижной катушкой и т. д.
Экранирование
Рассмотрим полый цилиндр, помещенный в магнитное поле (рис. 7.16). Если этот цилиндр изготовлен из материала с низким магнитным сопротивлением (магнитомягкого материала), то магнитное поле будет концентрироваться в стенках цилиндра, как показано на рисунке, не попадая в его внутреннюю область.
Рис. 7.16. Магнитное экранирование.
Рис. 7.17. Электростатическое экранирование в трансформаторе.
Следовательно, если в эту область поместить какой-либо предмет, он будет защищен (экранирован) от влияния магнитного поля в окружающем пространстве. Такое экранирование, называемое магнитным экранированием, применяется для защиты от внешних магнитных полей электронно-лучевых трубок, магнитоэлектрических измерительных приборов с подвижной катушкой, динамических головок громкоговорителей и т. п.
В трансформаторах иногда применяется другой тип экранирования, называемый электростатическим или электрическим экранированием. Между первичной и вторичной обмотками трансформатора размещается экран из тонкой медной фольги, как показано на рис. 7.17. При заземлении такого экрана сильно уменьшается влияние емкости между обмотками, которая возникает из-за разности потенциалов этих обмоток. Электростатическое экранирование применяется также в коаксиальных кабелях и всюду, где проводники имеют разные потенциалы и находятся в непосредственной близости друг от друга.
В этом видео рассказывают о том, что такое трансформатор:
Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две (или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством явления электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока.
В общем случае вторичная система переменного тока может отличаться от первичной любыми параметрами: значениями напряжения и тока, числом фаз, формой кривой напряжения (тока), частотой. Наибольшее применение в электротехнических установках, а также в энергетических системах передачи и распределения электроэнергии имеют силовые трансформаторы общего применения, посредством которых изменяют значения переменного напряжения и тока. При этом число фаз, форма кривой напряжения (тока) и частота остаются неизменными.
При рассмотрении вопросов данной лекции мы будем иметь в виду силовые трансформаторы общего применения.
Рассмотрим принцип действия простейшего однофазного трансформатора. Простейший однофазный силовой трансформатор состоит из магнитопровода (сердечника), выполненного из ферромагнитного материала (обычно листовая электротехническая сталь), и двух обмоток, расположенных на стержнях магнитопровода.
Почему магнитопровод трансформатора выполняют из ферромагнитного материала?
Одна из обмоток, которую называют первичной , присоединена к источнику переменного тока на напряжение U 1 . К другой обмотке, называемой вторичной подключен потребитель Zн. Первичная и вторичная обмотки трансформатора не имеют электрической связи друг с другом, и мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем.
Каково назначение магнитопровода трансформатора?
Магнитопровод, на котором расположены эти обмотки, служит для усиления индуктивной связи между обмотками.
Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции (рис. 2).
Рис. 2. Электромагнитная схема трансформатора
При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока напряжением U 1 по обмотке начнет проходить переменный ток i 1 , который создаст в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф . Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней е 2 , которую можно пользовать для питания нагрузки. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками (первичной и вторичной) и индуцирует в них ЭДС:
В первичной ЭДС самоиндукции:
Во вторичной ЭДС взаимоиндукции:
При подключении нагрузки Zн к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС е 2 в цепи этой обмотки создается ток i 2 , а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U 2 .
Может ли трансформатор работать на постоянном токе?
Трансформатор - это аппарат переменного тока. Если его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то магнитный поток в магнитопроводе трансформатора будет постоянным как по величине, так и по направлению (dФ/dt= 0), поэтому в обмотках трансформатора не будет наводиться ЭДС электромагнитной индукции, а следовательно, электроэнергия из первичной цепи не будет передаваться во вторичную.
Каким образом решается задача изменения напряжения, например его повышения, на вторичной обмотке трансформатора?
Задача повышения напряжения решается следующим образом. Любой виток обмотки трансформатора имеет одинаковое напряжение, если на вторичной обмотке увеличить число витков по сравнению с первичной обмоткой, то т.к. витки соединены последовательно напряжение, получаемое на каждом из витков, будет суммироваться. Поэтому, увеличивая или уменьшая количество витков, можно увеличивать или уменьшать напряжение на выходе трансформатора.
Поскольку первичная и вторичная обмотки трансформатора пронизываются одним и тем же магнитным потоком Ф , выражения действующих значений ЭДС можно записать в виде
где f - частота переменного тока; w 1 и w 2 – число витков первичной и вторичной обмоток.
Поделив одно равенство на другое, получим важный параметр трансформатора – коэффициент трансформации:
где k – коэффициент трансформации.
Если цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута (режим холостого хода), то напряжение на зажимах обмотки равно ее ЭДС: U 2 = E 2 , а напряжение источника питания почти полностью уравновешивается ЭДС первичной обмотки U 1 ≈ E 1 . Следовательно, можно написать, что
Учитывая высокий КПД трансформатора, можно полагать, что S 1 ≈ S 2 , где S 1 = U 1 I 1 - мощность, потребляемая из сети; S 2 = U 2 I 2 - мощность, отдаваемая в нагрузку.
Таким образом, U 1 I 1 ≈ U 2 I 2 , откуда
Отношение токов вторичной и первичной обмоток приближенно равно коэффициенту трансформации, поэтому ток I 2 во столько раз увеличивается (уменьшается), во сколько раз уменьшается (увеличивается) U 2 .
В повышающих трансформаторах U 2 > U 1 , в понижающих U 2 < U 1 . Трансформаторы обладают свойством обратимости, один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повышающего и понижающего. Но обычно трансформатор имеет определенное назначение: либо он повышающий, либо - понижающий. Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высокого напряжения (ВН); обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения, – обмоткой низшего напряжения (НН).
Зачем применяют высокое напряжение при передаче электроэнергии?
Ответ прост - для снижения потерь на нагрев проводов при передаче на большие расстояния. Потери зависят от величины проходящего тока и диаметра проводника, а не приложенного напряжения.
Допустим, что с электростанции в город, находящийся от нее на расстоянии 100 км, нужно передавать электроэнергию 30 МВт по одной линии. Из-за того, что провода линии имеют электрическое сопротивление, ток их нагревает. Эта теплота рассеивается и не может быть использована. Энергия, затрачиваемая на нагрев, представляет собой потери.
Свести потери к нулю невозможно. Но ограничить их необходимо. Поэтому допустимые потери нормируют, т.е. при расчете сечений проводов линии и выборе ее напряжения исходят из того, чтобы потери не превышали, например, 10% полезной мощности, передаваемой по линии.
В нашем примере это 0,1x30 МВт = 3 МВт.
Если не применять трансформацию, т. е. передавать электроэнергию при напряжении 220 В, то для снижения потерь до заданного значения сечение проводов пришлось бы увеличить примерно до 10 м 2 . Диаметр такого «провода» превышает 3 м, а масса в пролете составляет сотни тонн.
Применяя трансформацию, т. е. повышая напряжение в линии, а затем, снижая его вблизи расположения потребителей, пользуются другим способом снижения потерь: уменьшают ток в линии.
Какое соотношение между активной мощностью и током?
Потери при передаче электроэнергии пропорциональны квадрату силы тока.
Действительно, при повышении напряжения вдвое ток при этом снижается вдвое, а потери уменьшаются в 4 раза. Если напряжение повысить в 100 раз, то потери снизятся в 100 2 , т. е. в 10 000 раз.
Проиллюстрируем это выражение следующим примером. На рисунке приведена схема передачи энергии (рис. 3). Генератор, напряжение на зажимах которого составляет 6,3 кВ, присоединен к первичной обмотке повышающего трансформатора. Напряжение на концах вторичной обмотки составляет 110 кВ.
Рис. 3. Схема передачи электроэнергии:
1 – генератор; 2 – повышающий трансформатор; 3 – линия электропередачи;
4 – понижающий трансформатор; 5 – потребитель
При этом напряжении происходит передача энергии вдоль линии передачи. Передаваемая мощность пусть составляет 10 000 кВт, сдвиг фаз между током и напряжением отсутствует.
Так как мощности в обеих обмотках одинаковы, то ток в первичной обмотке равен, I=P/U=10000/6,3 = 1590 А, а во вторичной обмотке 10000/110 = 91 А. To же значение будет иметь ток в проводах линии передачи.
Принцип действия трансформатора можно продемонстрировать следующим учебным фильмом: «Принцип действия понижающего трансформатора», «Нагрев воды с помощью траснформатора».
Закрепим пройденный материал, ответив на следующие вопросы.
Принцип действия трансформатора основан на…
законе Ампера
законах Ома
законах Кирхгофа
законе электромагнитной индукции
Если число витков первичной обмотки трансформатора w1=100, а число витков вторичной обмотки w2=20, определите коэффициент трансформации.
Для ответа недостаточно данных.
Действующее значение ЭДС, индуцируемых в обмотках трансформатора, определяются по формулам
Вывод по первому вопросу: в основе принципа действия трансформатора лежит явление электромагнитной индукции, поэтому трансформатор является устройством переменного тока. Преобразование напряжения в трансформаторе осуществляется за счет изменения числа витков во вторичной обмотке. Основное назначение трансформатора преобразование электроэнергии одного напряжения в электроэнергию другого напряжения с целью уменьшения капитальных вложений в строительство и эксплуатацию линий электропередачи.