Трансформатор постоянного тока принцип работы: Тороидальный трансформатор: устройство и область применения

Содержание

Тороидальный трансформатор: устройство и область применения

Трансформаторы применяются для изменения выходного напряжения в большую или меньшую сторону. Без них невозможно представить себе современную электротехнику. Одним из самых высокоэффективных является тороидальный трансформатор. Он представляет собою изогнутый кольцом сердечник, обвитый проволокой, а внутри него находятся свернутые стальные полоски.

Электричество проходит сквозь обмотку сердечника, создавая магнитные поля. Для получения выходного напряжения магнитное поле проходит через первую обмотку в катушке. В статье читатель найдет видео c наглядным разбором устройства и книгу Котенева Е.С., Евсеева А.Н. «Расчет и оптимизация тороидальных трансформаторов».

Простая конструкция тороидального трансформатора.

Как устроен

Тороидальный трансформатор имеет идеальный дизайн, в отличие от трансформаторов другой конструкции. Фактически, первый трансформатор, разработанный Фарадеем, представлял собой трансформатор на тороидальном ядре.

Тороидальные сердечники сделаны из магнитной рулонной трансформаторной стали с очень низкими уровнями потерь и высокой индукцией насыщения. Это достигается путем нагрева тороидального каркаса до высокой температуры, а потом его охлаждения по специальной программе.

Это позволяет достичь высоких степеней насыщения до 16 000 Гаусс. В тороидальном трансформаторе магнитный поток равномерно распределен в сердечнике и, из-за отсутствия промежуточных металлических деталей и технологических зазоров.

Точно так же, поскольку все обмоточные катушки равномерно распределены по поверхности сердечника шум, вызванный магнитострикцией фактически, исчезает. Также тороидальный трансформатор имеет наилучшие тепловые характеристики, это способствует хорошему охлаждению трансформатора. Нет необходимости применять кулеры и вентиляторы.

Основные преимущества и недостатки

При использовании тороидальных трансформаторов, поставляемых со свободными витыми выводами, можно добиться экономии до 64 % занимаемого объёма по сравнению с обычными трансформаторами с шихтованными сердечниками (очень часто легче подключить оборудование именно с помощью выводов из трансформатора, а не клеммников).

Тороидальный (кольцевой) сердечник имеет идеальную форму, позволяющую изготовить трансформатор, используя минимальное количество материала. Все обмотки симметрично распределены по всей окружности сердечника, благодаря чему значительно уменьшается длина обмотки.

Главные плюсы и минусы тороидальных трансформаторов.

Это ведёт к уменьшению сопротивления обмотки и повышению коэффициента полезного действия. Возможна более высокая магнитная индукция, так как магнитный ток проходит в том же направлении, в каком ориентирована кремнистая сталь ядра во время прокатки. Также можно отметить плюсы:

  • низкие показатели рассеивания;
  • меньший нагрев;
  • низкий вес и размер;
  • компактен, удобен в установке в электроаппаратуре.

Можно использовать более высокую плотность тока в проводах, так как вся поверхность тороидального сердечника позволяет эффективно охлаждать медные провода. Потери в железе очень низки – типическое значение составляет 1,1 Вт при индукции 1,7 Тл и частоте 50/60 Гц. Это обеспечивает очень низкий ток намагничивания, способствующий изумительной тепловой нагрузочной способности тороидального трансформатора.

Тороидальный трансформатор

Почему это самый популярный вид трансформаторов

Любой специалист скажет, что тороидальная форма сердечника является идеальной для трансформатора по нескольким причинам: во-первых, экономия материалов на производстве, во-вторых, обмотки равномерно заполняют весь сердечник, распределяясь по всей его поверхности, не оставляя неиспользованных мест, в-третьих, поскольку обмотки имеют меньшую длину, КПД тороидальных трансформаторов получается выше в силу меньшего сопротивления провода обмоток.

Экономия электроэнергии — еще один плюс в пользу тороидального трансформатора. Примерно на 30% больше энергии сохраняется при полной нагрузке, и примерно 80% на холостом ходу, в сравнении с шихтованными магнитопроводами иных форм. Показатель рассеяния у тороидальных трансформаторов в 5 раз меньше, чем у броневых и стержневых трансформаторов, поэтому их можно безопасно использовать с чувствительным электронным оборудованием.

Обмотка тороидального трансформатора.

Охлаждение обмоток — еще один важный фактор. Обмотки эффективно охлаждаются, будучи расположены в форме тороида, следовательно плотность тока может быть более высокой. Потери в железе при этом минимальны и ток намагничивания сильно меньше. В итоге тепловая нагрузочная способность тороидального трансформатора оказывается очень высокой.

При мощности тороидального трансформатора до киловатта, он настолько легок и компактен, что для монтажа достаточно применить прижимную металлическую шайбу и болт. Потребителю всего то и нужно выбрать подходящий трансформатор по току нагрузки и по первичному и вторичному напряжениям. При изготовлении трансформатора на заводе рассчитывают площадь сечения сердечника, площадь окна, диаметры проводов обмоток, – и выбирают оптимальные габариты магнитопровода с учетом допустимой индукции в нем.

Область применения

У тороидальных трансформаторов есть многочисленные области применения, и среди них мы можем подчеркнуть, как наиболее распространенные следующие:

  1. Бытовая электроника.
  2. Медицинская электроника.
  3. Конвертеры.
  4. Системы электропитания.
  5. Аудиосистемы.
  6. Системы безопасности.
  7. Телекоммуникации.
  8. Низковольтное освещение.

Сегодня тороидальные трансформаторы применяют в различных сферах промышленности, и наиболее часто тороидальные трансформаторы устанавливают в источники бесперебойного питания, в стабилизаторы напряжения, применяют для питания осветительной техники и радиотехники, часто тороидальные трансформаторы можно увидеть в медицинском и диагностическом оборудовании, в сварочном оборудовании.

Что нужно для намотки устройства

Работает тороидальный трансформатор принципиально так же, как и трансформаторы с другими формами сердечников: он понижает или повышает напряжение, повышает или понижает ток — преобразует электроэнергию.

Но тороидальный трансформатор отличается при той же передаваемой мощности меньшими размерами и меньшим весом, то есть лучшими экономическими показателями. Основное, что должен знать и главное понимать человек, который мотает трансформатор:

  • длина провода (количество витков) это напряжение;
  • сечение проводника – это ток, которым можно нагружать его;
  • если число витков в первичной цепи малое, то это лишний нагрев провода;
  • если габаритная мощность недостаточная (потребляется больше возможного), это опять-таки тепло;
  • перегрев трансформатора приводит к снижению надёжности.

Для намотки понадобится трансформаторное железо в форме тора, лакопровод (на обмотку трансформатора нужен обмоточный провод). Также пригодится скотч малярный (бумажный), клей ПВА, тканевая изолента или киперка и кусочки провода в изоляции.

Схема расчета конструкции трансформатора.

Перед намоткой необходимо подготовить железо к намотке. Если посмотрите на углы трансформатора, то уведите что они под углом 90 градусов, в этих точках будет изгибаться провод и будет облущиваться лак, что б этого не было необходимо обработать углы напильником скруглив их максимально. Минимальный радиус окружности 3мм.

Небольшая хитрость, при обработке углов напильником необходимо избегать зализывания стали, дабы слои между собой оставались не замкнутыми! Для этого следует производить движения напильником вдоль направления трансформаторной ленты. После обработки рекомендую просмотреть углы на замыкание слоев и доработать их мелким напильником.

Чтобы изолировать сердечник от обмотки необходимо его изолировать ТКАНЕВОЙ изолентой (или киперкой пропитанной парафином-воском). Лучше использовать изоленту шириной около 25мм, тогда будет максимальное покрытие металла в один слой, что позволяет экономить место в окне. Конец намотки не заклеиваем.

Лакопровод

Лакопроводом называют электрический проводник изоляция которого сделана из лака (намоточный или обмоточный провод). Бывает разных марок ПЭВ, ПЭВ-2, ПЭТ-155 и другие. Рекомендую использовать ПЭВ-2, насыщенный оранжевый цвет. Также очень хорошо себя показал провод очень тёмный с виду (ПЭЛ), цвета гнилой вишни, такой имеет толстый слой изоляции, что позволяет его использовать для трансформаторов высоковольтников (более 500В).

Выводы обмоток необходимо «усилить» при помощи дополнительной изоляции. Для этих вещей очень хорошо подходит ПВХ-изоляция (советская белая), но ещё лучше подходит изоляция из провода необходимого сечения.

Интересный материал для ознакомления: что нужно знать об устройстве силового трансформатора.

Готовая намотка с лакопроводом.

Применять термоусадку можно, но лучше использовать ПВХ или изоляцию потому как первая имеет свойство изгибаться в одном месте что нам очень ненужно мы от этого пытаемся защитится дабы провод не отломался.

Для того, чтобы стянуть изоляцию рекомендую взять провод, который имеет дополнительную изоляцию в виде нитки, обмотанную вокруг проводника. В этом случае нить не дает сильной связи между ПВХ и медью и позволяет стянуть изоляцию. Чтоб было проще стягивать провод нужно немного перегибать (под 45 градусов).

Для того чтоб легче было считать витки их лучше группировать по 5 или 10 витков. Натягивать провод необходимо не чётко перпендикулярно к касательной, а слегка наклонено в сторону намотки, как будто внутренняя часть намотки идёт впереди наружной. Таким образом намотки провод при натяжке будет сам прижимается к другим уже уложенным виткам.

Очень хорошо будет если в ходе намотки будете использовать бумагу для выпечки (пергамент) нарезанную на такие же полосочки и после обмотанной. В итоге транс необходимо будет пропитать, а реально сварить на паровой бане смеси 50:50 соответственно парафин/воск.

Главная особенность тороидального трансформатора — небольшой общий объем устройства, доходящий до половины в сравнении с другими типами магнитопроводов. Шихтованный сердечник вдвое больше по объему чем тороидальный ленточный сердечник при той же габаритной мощности. Поэтому тороидальные трансформаторы удобнее устанавливать и подключать, и уже не так важно, идет ли речь о внутреннем или о наружном монтаже.

Как проверить устройство

Необходимые материалы для тестирования тороидального трансформатора: схема цепи с указанием того, как подсоединен трансформатор и (цифровой электронный мультиметр тестер или аналоговый мультиметр тестер).

Первый шаг заключается в том, что трансформатор необходимо визуально осмотреть и проверить, нет ли от него запаха. Перегрев может привести к неисправности трансформатора, если есть следы ожогов или внешняя часть обмотки видна снаружи, трансформатор должен быть заменен и нет никакой необходимости для дальнейших испытаний, которые будут проводиться.

Проверка тороидального трансформатора.

Точно так же, запах гари является свидетельством того, что трансформатор перегревается. Если никаких дополнительных повреждений не видно за исключением запаха, дальнейшие испытания могут быть проведены, чтобы определить, является ли трансформатор в рабочем состоянии или нет.

Информация о входном и выходном напряжении, как правило, четко обозначена на трансформаторе, но самым безопасным вариантом является получение схемы цепи от производителя продукта.

Инструкция пошаговой проверки

Напряжение, которое подается на первичную обмотку, должно быть четко указано на схеме цепи и корпуса трансформатора. Аналогичным образом, выходное напряжение, подаваемое на вторичной обмотке должн

принцип работы, назначение и схемы включения

Трансформатором тока(ТН, TV) — называют электротехническое устройство, изменяющее величину выходного значения электротока в процессе передачи с первичной на вторичную обмотку.

В результате пропуска через трансформатор, электрический ток передаётся из одной системы в другую, пропорционально изменяясь, в зависимости от поставленной задачи.

Высоковольтный ТТ(слева) и низковольтный ТТ(справа)

Особенности конструкции и принцип работы

Принцип работы трансформаторов тока основан на использовании закона электромагнитной индукции.

Прибор состоит из следующих элементов:

  • первичной и вторичной обмоток;
  • замкнутого сердечника (магнитопровода).
Принцип работы трансформатора

Обмотки накручены вокруг сердечника, изолированно от него и друг от друга. Иногда первичная обмотка может заменяться медной или алюминиевой шиной. Трансформация величины электрического тока происходит за счёт разницы количества витков первичной и вторичной обмоток. В большинстве случаев устройство предназначено для снижения показателя тока, поэтому вторичная обмотка выполняется с меньшим количеством витков, нежели первичная.

Электроток подаётся на первичную обмотку при последовательном подключении. В результате на катушке формируется магнитный поток и наводится электродвижущая сила, вызывающая возникновение тока на выходной катушке.

К выходной обмотке подключают потребляющий прибор, в зависимости от целей, для которых используется устройство.

Некоторые устройства выполняются с несколькими выходными катушками, что позволяет путём переключения изменять величину трансформации электрического тока. В целях безопасности, для обеспечения защиты при пробое изоляции, выходной контур заземляется.

Виды трансформаторов тока

Данные электротехнические устройства классифицируются по нескольким характеристикам. В зависимости от назначения токовые трансформаторы могут быть:

  • защитными – снижающими параметры тока для предотвращения выхода из строя потребляющих устройств;
  • измерительными – через которые подключаются средства измерения, в том числе электросчётчики;
  • промежуточными – устанавливаемыми в системы релейной защиты;
  • лабораторными – используемыми для исследовательских целей, обладающими низкой погрешностью измерения, нередко – с несколькими коэффициентами трансформации.

Учитывая характер условий эксплуатации, различают трансформаторы:

  • для наружной установки – защищённые от воздействия атмосферных факторов, которые можно использовать на открытом воздухе;

    Три трансформатора тока для 3-х фаз(А, B? C)

  • внутренние – применяемые внутри помещений;

    ТТ для установки внутри помещений

  • встроенные – расположенные внутри электрических приборов и являющиеся их составной частью(3 ТА для каждой фазы показаны стрелкой).

    Встроенные ТТ

В зависимости от исполнения первичных обмоток различают устройства:

  • одновиткового исполнения;
  • многовитковые;
  • шинные.

С учётом способа установки их подразделяют на следующие типы:

  • проходной;
  • опорный.

По числу ступеней изменения тока выделяют трансформаторы:

  • одноступенчатого,
  • двухступенчатого (каскадного) типа.

Устройства, в зависимости от величины напряжения, на которое они рассчитаны делят на предназначенные для работы в условиях более и менее 1000 В.

Для изготовления сердечника применяется специальная трансформаторная сталь. Изоляция выполняется сухой (бакелитовой, фарфоровой), обычной или бумажно-масляной.

Расшифровка маркировки

Расшифровка маркировки трансформаторов тока

Технические параметры

Трансформаторы тока характеризуются следующими индивидуальными параметрами:

  1. Номинальным током — позволяющим аппарату функционировать длительное время, не перегреваясь;
  2. Номинальным напряжением — значение должно обеспечивать нормальную работу трансформатора. Именно этот показатель влияет на качество изоляции между обмотками, одна из которых находится под высоким напряжением, а другая заземлена.
  3. Коэффициентом трансформации; Формула по вычислению коэффициента трансформации

    где:

    • U1 и U2 — напряжение в первичной и вторичной обмотки,
    • N1 и N2 — количество витков в первичной и вторичной обмотке,
    • I1 и I2 — ток в первичной и вторичной обмотки(обычно ток во вторичной обмотке равен 1А или 5А).
  4. Погрешностью значения электротока — вызывается намагничиванием;
  5. Номинальной нагрузкой, определяющей нормальную работу прибора;
  6. Номинальной предельной кратностью — максимально допустимое значение отношения первичного значения электротока к номинальному;
  7. Предельной кратностью вторичного тока — соотношение наибольшего тока вторичной обмотки к его номинальной величине.
Значения которыми могут обладать ТТ

При выборе устройства необходимо учитывать значение указанных и других характеристик.

Схемы подключения трансформаторов тока

Силового оборудования

Схема подключения для 110 кВ и выше:

Схема подключения для 6-10 кВ в ячейках КРУ:

Вторичные цепи

Схема включение трансформатора тока в полную звезду:

Схема включение трансформатора тока в неполную звезду(З а счет распределения токов на дополнительном приборе получается отобразить векторную сумму фаз А и С, которая противоположно направлена вектору фазы В при симметричном режиме нагрузки сети):

Схема включение трансформатора тока в неполную звезду(для контроля линейного тока с помощью реле):

Схема включение трансформатора тока в полную звезду с подключением обмотки реле к фильтру нулевой последовательности(ФТНП):

Популярные виды и стоимость трансформаторов

Бытового потребителя больше интересуют токовые трансформаторы, используемые для подключения электросчётчиков. В продаже предлагаются приборы типов:

  • ТТИ;
  • ТТН;
  • ТОП;
  • ТОЛ и другие.

Цена зависит от разновидности, конструкции, характеристик и напряжений на котором будет использоваться ТН:

  • 0,66 кВ от 300 — 5000,
  • 6-10 кВ 10000 — 45000,
  • 35 кВ — около 50 000р,
  • 110 кВ и выше — нужно уточнять у производителя.

Возможные неисправности

Указанные устройства чаще всего выходят из строя в результате повреждения изоляции, вызванного перегревом, непредусмотренным механическим воздействием или ошибкой при сборке.

Чтобы проверить состояние прибора, измеряют сопротивление межвитковой изоляции. Если она меньше установленного значения, оборудование нуждается в замене или ремонте.

Также для диагностики используются специальные приборы – тепловизоры, позволяющие проверить состояние всей действующей схемы. Наиболее сложные диагностические процедуры производятся в лабораторных условиях. Своевременная диагностика позволяет исключить аварийные ситуации и обеспечить нормальную работу устройств.

конструкция, принцип и режимы работы

Однофазный трансформатор — статическое устройство, имеющее две обмотки связанные индуктивно на магнитопроводе, предназначенное для преобразования одной величины напряжение и тока в другое в одной фазе.

Конструкция однофазного трансформатора

Любой однофазный трансформатор может работать только в цепях переменного тока. За счёт него полученное электрическое напряжение изменяется в нужную величину. Ток, полученный таким способом, повышается, в результате того, что мощность отдаётся в действительности без потерь. С этого и следует вывод, что основное использование такого прибора – вывести необходимое для решения задачи напряжение, после чего можно применять в определённых целях.

Вникнуть в работу прибора поможет детальный разбор конструкции трансформатора. Состоит он из следующих основных частей:

  • Сердечник, состоящий из материалов с ферромагнитными свойствами;
  • Две катушки, вторая находится на отдельном каркасе;
  • Защитный чехол (имеется не у всех моделей).
Конструкция однофазного трансформатора

Принцип работы

Однофазный трансформатор работает на определённом законе, ввиду которого идущее в витке переменное электромагнитное поле наводит электродвижущую силу в расположенном рядом проводнике. Действие названо законом электромагнитной индукции, которое было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году. В результате обоснования закона учёный создал общую теорию, используемую в работе огромного числа современных электрических приборов.

При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток I1, который создает в сердечнике (магнитопроводе) переменный магнитный поток. Замыкаясь в сердечнике, этот поток сцепляется с первичной и вторичной обмотками и индуцирует в них ЭДС, пропорциональные числу витков W.

Принцип работы трансформатора

В первичной обмотке ЭДС самоиндукции:
во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции:
При подключение ко вторичной обмотке нагрузке потечет I2 и установиться U2.

Режимы работы

Как и любой другой преобразователь, однофазный трансформатор имеет три режима работы:

  1. Режим холостого хода. Из названия понятно, что ток проходить не будет, в виду разомкнутой вторичной цепью устройства. А по первичной обмотке проходит холостой ток, основной элемент которого представлен реактивным током намагничивания. Режим используется в качестве определения КПД трансформатора, либо для вывода потерь в сердечнике.
  2. Режим нагрузки. Режим определяется работой трансформатора с подсоединённым источником в первичной цепи, и определённой нагрузкой во вторичном канале устройства. Для вторичной цепи характерен протекающий ток нагрузки (посчитанного из отношения количества витков обмотки и вторичного тока) и ток холостого хода.
  3. Режим короткого замыкания. Режим действует в процессе замыкания вторичной цепи из-за разностей значения потенциала. В этом режиме получаемое сопротивление от вторичной обмотки будет одним источником нагрузки. При проведении короткого замыкания можно вычислить убыток на нагрев обмотки в цепи устройства.

Коэффициент трансформации

Трансформаторы бывают повышающие и понижающие, что бы это определить нужно узнать коэффициент трансформации, с его помощью можно узнать какой трансформатор. Если коэффициент меньше 1 то трансформатор повышающий(также это можно определить по значениям если во вторичной обмотке больше чем в первичной то такой повышающий) и наоборот если К>1, то понижающий(если в первичной обмотке меньше витков чем во вторичной).

Формула по вычислению коэффициента трансформации
  • U1 и U2 — напряжение в первичной и вторичной обмотки,
  • N1 и N2 — количество витков в первичной и вторичной обмотке,
  • I1 и I2 — ток в первичной и вторичной обмотки.

Более подробно про расчёт коэффициента трансформации.

Виды магнитопроводов

Виды магнитопроводов

Классификация однофазных трансформаторов

Силовой трансформатор

Трансформатор используется в преобразовании электроэнергии в сетях и в устройствах, используемых для получения и применения нужной величины электрической энергии. «Силовой» подразумевает его работу с высоким напряжением. Использование силовых трансформаторов вынуждается разными показателями рабочей мощности ЛЭП, сетей в городской полосе, выводящее напряжение для конечных объектов, а также для общей работы электрических устройств и машин. Мощность разнится от нескольких единиц вольт до сотен киловатт.

Автотрансформатор – один из видов преобразователя, где первичная и вторичная обмотки не разделены, а соединены друг с другом напрямую. Ввиду этого между ними образуется как электромагнитная, так и электрическая связь. Обмотка сопровождается как минимум тремя выводами, подсоединяясь к каждой из них, можно использовать разные мощности. Главным достоинством такого трансформатора – это его высокий уровень КПД, так как преобразуется не всё напряжение, а лишь некоторая часть. Разница особенно заметна, когда входная и выходная мощность имеют незначительные отличия.

Трансформатор тока

Такой трансформатора используется в основном для уменьшения тока первичной обмотки до нужного значения, подходящего в применении цепей измерения, защиты, регулирования и сигнализации. Помимо этого используется в гальванической развязке (передача электроэнергии или сигнала связанными электрическими цепями, при этом электрический контакт между ними отсутствует).

Нормируемое значение параметров тока вторичной обмотки – 1 А или 5 А. Первичная обмотка трансформатора подсоединяется ступенчато в цепь с нагрузкой, при этом переменный ток подвергается контролю, ко вторичной обмотке подключаются измерительные устройства.

Вторичной обмотке трансформатора тока необходимо постоянно находиться в режиме около короткого замыкания. Ведь при любом варианте разъединения цепи на неё поступает высокая мощность, способная выбить изоляцию и выхода из строя включённых приборов.

Высоковольтный ТТ(слева) и низковольтный ТТ(справа)

Читать более подробно про трансформатор тока.

Трансформатор напряжения

Такой трансформатор получает энергию от источника напряжения. Используется в основном для изменения высокого напряжения в низкое в различных цепях, в том числе измерительных и релейной защиты и автоматики. Имеет возможность проводить изоляцию цепей защиты и измерения от цепей повышенной мощности.

Высоковольтный ТН(слева) и низковольтный ТН(справа)

Читать более подробно про ТН.

Импульсный трансформатор

Применяется для изменения импульсных сигналов с откликом импульса в точности до десятков микросекунд. При этом форма импульса сопровождается лишь незначительным искажением. Главным назначением импульсного трансформатора является передача прямоугольного электрического импульса. Используется для преобразования коротких видеоимпульсов напряжения, зачастую воспроизводящихся с высокой скважностью.

Важный параметр при использовании импульсного трансформатора – это неискажённый вид передачи импульсных систем напряжения. При влиянии на вход устройства мощности, отличающейся друг от друга, важно получить напряжение, в точности совпадающее с той же самой формой, разве что, с другой амплитудой или различающейся полярностью.

Виды импульсных трансформаторов

Читать более подробно про импульсный трансформатор.

Особенности

Как правило, однофазные трансформаторы используют в электрических сетях и в роли источников питания различных устройствах.

Исходя из того факта, что нагрев провода прямо пропорционален квадрату току, идущего через провод, то при передаче энергии на дальние расстояния выгоднее будет использовать высокие напряжения и небольшие токи. Для исключения повреждений электроприборов и уменьшения объёма изоляции в домашних условиях лучше использовать низкие мощности.

Ввиду этого, для уменьшения затрат на транспортировку электрической энергии в общей электросети в большом количестве применяются силовые трансформаторы: вначале увеличивают напряжение генераторов на электростанциях перед передачей энергии по кабелю, а уже после транспортировки уменьшают напряжение линий электропередач до нужного уровня в повсеместном использовании.

Однофазные трансформаторы

Эксплуатация

При использовании однофазных трансформаторов технике безопасности отводится особое место. Обусловлено это тем, что устройство находится под высоким напряжением, находящимся на первичных обмотках. При подключении и установке трансформатора в электрические схемы важно соблюдать ряд правил, для исключения поломок и нарушений работы прибора:

  • Чтобы обмотки не выходили из строя (выгорали), необходимо поставить защиту от короткого замыкания на вторичной цепи;
  • Необходимо контролировать температурный режим сердечника и обмоток. Желательно установить систему охлаждения, предусматривающую исключение критического повышения температуры при работе.

В случае различной нагрузки от электросети изменяется и её напряжение. Для стабильной работы устройств, получающих энергию, необходимо, чтобы напряжение не изменялось от установленного уровня выше допустимого диапазона. Ввиду этого допускается использование методов регулирования напряжения в сети.

Принцип работы сварочного трансформатора

Сварочный трансформатор: устройство и принцип действия

Регулировка тока в сварочном трансформаторе осуществляется по двум основным схемам:

  1. В первом случае применяется трансформатор с нормальным рассеянием магнитного поля, которое осуществляется совмещённым или отдельным дросселем. Непосредственно сама регулировка сварочного тока производится изменением воздушного зазора в магнитопроводе дросселя;
  2. Во втором случае регулировка гаджета осуществляется за счет управления рассеянием магнитного поля.
  3. Этот процесс может осуществляться следующими методами:
  • изменением размеров воздушного промежутка между первичной и вторичной обмотками;
  • согласованным изменением числа витков первичной и вторичной обмоток;
  • применением подмагничиваемого шунта. Он изменяет магнитную проницаемость между стержнями магнитопровода, чем и осуществляется регулировка сварочного тока.

Конструкция и органы управления однопостовым сварочным трансформатором с подвижными обмотками (т. е. работающим по первой схеме) приведены на рисунке.

Магнитопровод с катушками и механизмами помещается в защитный кожух, который имеет жалюзи для охлаждения. Регулировка величины сварочного тока в таком СТ осуществляется с помощью подвижной обмотки, которая перемещается посредством ходовой гайки и вертикального винта с ленточной резьбой. В движение последний приводится при помощи рукоятки.

Сварочные провода подключаются к специальным зажимам. СТ представляет собой массивную конструкцию (очень тяжёлый сердечник). Поэтому, для погрузо-разгрузочных работ, он оснащён рым-болтом, а для перемещения по рабочему объекту – транспортной тележкой и ручкой.

Устройство и классификация трансформаторов, применяемых в сварочных аппаратах

Любой трансформатор для сваривания металлических различных элементов состоит из:

  1. Магнитопровода;
  2. Изолированную первичную обмотку;
  3. Вторичная обмотка;
  4. Вентилятор, для охлаждения.

В зависимости от сварочных работ происходит и управление процессом сварки,все сварочные агрегаты делятся аппараты переменного и постоянного тока. Конечно же, сам трансформатор не может работать на постоянном токе поэтому сам процесс выпрямления осуществляется после понижения напряжения. Для этого применяются:

  • управляемые тиристоры, которые непросто дают постоянный ток для сварки элементов, но осуществляют изменение силы тока во время этого процесс;
  • неуправляемые вентили диоды, вместе с дросселем.

Назначение сварочного трансформатора

Особенности применения и выбора измерительных трансформаторов тока

Сварочный понижающий трансформатор является ключевым элементом, создающим дугу во время сварки металлических деталей. Напряжение на выходе этого понижающего устройства, работающего в режиме короткого замыкания, допускается не более 80 Вольт. Для процесса ручной дуговой сварки обязательно нужны электроды. Бытовые трансформаторы для дома выполнены по однофазной схеме обладают небольшими токами при сваривании. Главное, в бытовых условиях также стоит следить и за наличием хорошего контакта в розетке, так как токи в первичной обмотке для квартир и домов тоже очень существенны и не каждая розетка их выдержит.

Сварочные трансформаторы переменного тока

Способы расчёта различных конфигураций трансформаторов

Такая конструкция считается самой не дорогой, но в то же время обладающей неплохими характеристиками сварки чёрных металлов. Для того чтобы регулировать ток и соответственно дугу во время этого процесса сварочный агрегат оборудован раздвижной системой, увеличивающей расстояние между катушками, а также площадь сердечника. Они из-за своей ценовой категории очень распространены на производстве, особенно в цехах с устаревшим оборудованием. Обладают довольно крупными размерами и зачастую устанавливаются стационарно.

И также как регулятор тока для сварочного аппарата, применяются отдельно расположенные дросселя, который добавляет индуктивности в цепь. Самый простой способ, но самый эффективный, регулировки напряжения и силы тока во время выполнения сварочных работ — это вывод нескольких контактных точек со вторичной обмотки. Кончено же, плавности изменения силы дуги в таком аппарате не получится добиться.

Сварочные трансформаторы постоянного тока

Такие приборы более эффективны для сваривания различных материалов обладают меньшими габаритами и плавным регулированием силы тока. Любой трансформатор не может работать на постоянном токе, это факт.

На рисунке показана простейшая схема такого агрегата, которую можно сделать и своими руками. Она гарантирует стабильные выходные характеристики сварочного тока и дуги, которая является ключевым аспектом любой сварки.

Сварщики знают, что при работе от положительного зажима выделяется больше тепла, чем от отрицательного. Следовательно для разной толщины металла стоит вырабатывать свою методику.

Существуют и новые разработки в этой отрасли так называемые сварочные аппараты инверторного типа. Трансформатор здесь работает на повышенных частотах, что даёт возможность снизить и габариты устройства, его вес, и токи первичной обмотки без последствий для создания качественной дуги.

Сварочный трансформатор ВДМ

Аппараты ВДМ производственного сварочного многопостового выпрямителя, устанавливается зачастую стационарно и предназначен для сварочных постов дуговой электросварки с помощью металлического электрода. Очень часто ВДМ подключаются к трёхфазной сети 380 Вольт. Во взрывоопасной среде, насыщенной пылью разной фракции, или же содержащей едкие газовые пары, разрушающие сталь и изоляцию, эксплуатация строго запрещена. Конструктивно в ВДМ есть возможность регулировать величину тока реостатом и дросселем.

Устройство аппарата

В основе типового трансформатора заключается металлический сердечник с обмотками из тонкой проволоки (алюминиевой или медной). Обмотки имеют два уровня – первичный и вторичный. Соответственно, одна обмотка подключается к сетевому питанию, а вторая обеспечивает энергией электрод. Первичный уровень образуют две катушки, неподвижно зафиксированные внизу сердечника. Что касается вторичной обмотки, то и она образуется парой катушек, но также предусматривается возможность ее перемещения относительно сердечника. С точки зрения внешнего устройства, сварочный трансформатор – это металлический короб, который имеет широкую инфраструктуру для электротехнического подключения. Как правило, в устройстве предусматриваются также средства предохранения, защита от замыканий и выводы для соединения с заземляющими элементами. Для удобной работы с трансформатором в конструкции также присутствуют рукоятки, эргономичные регуляторы, а в новейших моделях и цифровые панели управления.

Принцип действия

Исходить следует из того, что главная задача таких приборов заключается в преобразовании энергии для последующего энергоснабжения сварочной рабочей оснастки. Попадая на первичный уровень обмотки, исходный ток преобразуется в электромагнитную энергию, после чего поступает во вторичную обмотку. В процессе этого перехода сокращается показатель напряжения. Действие этого регуляционного принципа сварочного трансформатора обусловлено конструкционными особенностями катушек. Поскольку на второй обмотке меньше витков, при поступлении в нее тока происходит снятие лишнего напряжения до необходимого показателя. Иными словами, обычный сетевой ток трансформируется в сварочный ток. Разумеется, величина данной коррекции условна, поскольку не существует четкого понятия тока, требуемого для сварочных работ. Оператор может регулировать зазор между катушками, тем самым настраивая характеристики на нужную величину в соответствии с выполняемой задачей.

Значение силы тока трансформатора

Существует прямая зависимость возможностей термической обработки металлических изделий от применяемой силы тока. В качестве расчетного параметра обычно используется толщина электрода. Усредненный диапазон составляет 5-10 мм. Такие электроды можно использовать в сварке силовой несущей конструкции с решетками, рамами и толстыми прутьями. В данном случае сила тока сварочного трансформатора может составлять 140-160 А. Это оптимальная величина для средних рабочих операций, в которых, к слову, важна не только мощность. Например, тот же уровень тока при эксплуатации небольших аппаратов с рутиловыми электродами толщиной до 10 мм не столько обеспечит силовую поддержку термического заряда, сколько обусловит стабильность горения дуги. В некоторых случаях повышение данного показателя также способствует легкому удалению шлака.

Мощность трансформатора

Мощностный диапазон в среднем варьируется от 2,5 до 20 кВт и более. На что влияет данная характеристика сварочного трансформатора? Вопреки распространенному мнению, мощность в данном случае не указывает на способности оборудования работать с теми или иными заготовками. Как уже отмечалось выше, производительность в большей степени зависит от силы тока. Однако, мощность определяет энергетический потенциал устройства с точки зрения возможностей обслуживания определенных задач с подключением силы тока конкретной величины.

В качестве примера стоит рассмотреть один из самых мощных на российском рынке профессиональных сварочных трансформаторов – «ТДМ-402» от предприятия «Уралтермосвар». Его мощностный показатель составляет 26,6 кВт. Именно благодаря этой величине данный преобразователь позволяет работать с силой тока в диапазоне от 70 до 460 А. Очевидно, что вырастают и требования к напряжению – используется трехфазная сеть на 380 В. Что это дает на практике? Аппарат позволяет работать при интенсивных нагрузках с повышенной силой тока в длительных временных сеансах. Если бы речь шла об аналогичных рабочих показателях, но с меньшей мощностью, то в процессе выполнения тех же операций оборудование могло бы перегреваться и в принципе не поддерживать достаточную производительность.

Показатели напряжения

Грубо говоря, весь ассортимент условно делится на модели, работающие от однофазных сетей, и аппараты, подключающиеся к трехфазным линиям энергоснабжения, как в случае с версией «ТДМ-402». Соответственно, первые работают под напряжением в 220 В, а вторые – 380 В. Очевидно, что однофазная сеть менее требовательна к мощностям и покрывает ресурсы, которые задействуются в мелких операциях. Такие модели подойдут скорее для гаражно-дачных работ. Однако есть и промежуточная группа аппаратов с «плавающим» напряжением. Сварочные трансформаторы этого типа могут подключаться к сетям обоих видов. Причем данная особенность важна и для рядовых пользователей, и для специалистов. Речь идет даже не столько об универсальности, сколько о преимуществах, которые дает возможность работы от разных источников. Например, при наличии двух сетей владелец аппарата с номинально небольшими характеристиками выиграет от подключения к сети на 380 В, так как на фоне сбалансированного распределения нагрузки будут отсутствовать скачки напряжения. Что касается владельцев профессионального оборудования, то в их случае подключение к однофазной сети будет выгоднее при работе на минимальной рабочей нагрузке.

Продолжительность нагрузки

Коэффициент продолжительности нагрузки (ПН) указывает на способность аппарата работать определенный промежуток времени без необходимости отключения. Под отключением понимается вынужденный перерыв, связанный с перегревом или электрическими перегрузками. Продолжительность нагрузки сварочного трансформатора – это процентная величина, представляющая долю рабочего времени из 10-минутного интервала. Иными словами, сколько условных минут сможет проработать конкретный прибор без остановки из 10 мин. Диапазон ПН варьируется от 10 до 90% в зависимости от модели.

Но возможен ли в принципе ПН на 100%? Стоит ли искать такие аппараты? Это невозможно и даже высокие показатели от 70-80% опытные сварщики считают маркетинговой уловкой, так как в любом случае работа в условиях перегрузок рано или поздно приведет к неполадкам в той или иной части конструкции.

Функции современных трансформаторов для сварки

Производители данного оборудования стремятся продумывать эргономичные системы управления, в которых предусматривают широкие средства настройки и регулировки рабочих параметров. Базовой функцией такого типа является возможность плавной настройки силы переменного тока с помощью контроллера на пользовательской панели сварочного трансформатора. Это же касается и выбора активной фазы напряжения – на 220 или 380 В. Для удобного отслеживания текущего состояния рабочего процесса предусматриваются индикаторы перегрева, рабочей температуры и перенапряжения.

Особенности профессиональных трансформаторов

Данный тип вспомогательного сварочного оборудования рассчитывается на повышенные нагрузки, причем не только электротехнические. В проекты таких устройств закладывается несколько уровней конструкционной защиты, которая предотвращает проникновение грязи, пыли, а иногда и воды, хотя в принципе использовать подобные аппараты даже в условиях высокой влажности запрещается. Что касается электротехнических показателей, то они выражаются в возможности подключения к трехфазным сетям и широких диапазонах настройки силы тока. К примеру, сварочный трансформатор «ТД-500» номинально работает при 500 А, а на практике регулировка позволяет достигать и 560 А. С другой стороны, базовый уровень не опускается ниже 100 А, что ограничивает возможности применения агрегата в мелких сварочных операциях. К недостаткам промышленных преобразователей относят также массивность конструкции и высокий расход энергии.

Особенности универсальных трансформаторов для сварки

Большая часть сварочных работ производится с применением электродов, толщина которых варьируется от 2 до 10 мм. Особенно это касается мастерских, где сварка задействуется для крепления разноформатных металлических элементов. Наилучшим выбором для поддержки таких задач будет универсальный аппарат. В процессе работы сварочный трансформатор такого типа сможет обеспечить возможность качественного проплава с тонкими материалами и выполнить соединения толстых заготовок без завышения мощностей и энергоресурсов. Что еще важно в таких моделях, это разнообразие аксессуаров, набор которых также ориентируется на производство сварки в различных условиях. Как минимум в такие комплекты входят держатели, средства заземления, щетки для снятия шлака и даже приспособления для индивидуальной защиты.

Плюсы трансформаторов

Главное преимущество - возможность удобной и точной регулировки силы тока, что очень важно для тех, кто регулярно сталкивается с необходимостью соединения металлических деталей. Причем качественный сварочный аппарат-трансформатор имеет высокую стойкость к нагрузкам разного рода, а его КПД составляет около 80%. Также по объемам потребляемой энергии такой помощник оказывает выгоднее, чем большая часть альтернативных решений для выполнения ручной сварки.

Минусы трансформаторов

В их числе организационные издержки, нестабильность дуги и высокие требования к квалификации сварщика. Повышается и процент разбрызгиваемого расплава, что также обуславливает необходимость выполнения зачистки в рабочей зоне.

Источники:

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

принцип действия, разновидности, из чего состоит и хараткрестики

Трансформатор – это прибор, который пропускает через себя электрический ток, меняя его характеристики. Без этого аппарата не обходится почти никакое электрическое или электронное устройство. Энергетические системы и подстанции любого масштаба обязательно включают в себя различные виды трансформаторов.

3-х фазный силовой трансформатор

История

В первой половине XIX века английский физик Фарадей проводил многочисленные опыты с электричеством. В результате экспериментов им было открыто такое явление, как электромагнитная индукция. 29 августа 1831 года учёный в своём дневнике описал результат своих исследований в этом направлении.

На кольцо из железа ø 150 мм и толщиной 20 мм были намотаны 2 медных провода длиной 150 мм и 180 мм. При подключении гальванической батареи к одной обмотке на зажимах другого проводника гальванометр фиксировал статическое напряжение. Так появился первый трансформаторный прототип.

Французский механик Румкорф в 1848 году сделал первую индукционную катушку. Она давала представление о том, что это такое трансформатор. В 1872 году профессор московского университета Столетов разработал теорию петли гистерезиса, а также обосновал доменную структуру ферритового сердечника.

30 ноября 1876 г. считается датой изобретения трансформатора переменного тока. В этот день был выдан патент на это изобретение знаменитому российскому физику Павлу Николаевичу Яблочкову. Прибор состоял из разомкнутого сердечника с двумя обмотками.

Устройство, изобретённое венгерскими инженерами в 1885 г., уже представляло собой прибор с замкнутым магнитопроводом. С тех пор сердечники стали делать из отдельных стальных листов. Приборы стали помещать в сосуды, заполненные маслом. Далее последовали различные усовершенствования конструкции преобразования тока. К этому приложили руку инженеры Эдисона, великий Никола Тесла, российские, английские и немецкие учёные.

Современные трансформаторы – это устройства, предназначенные для доставки потребителю электроэнергии с заданными характеристиками.

Базовые принципы действия

Определение преобразователя напряжения базируется на двух принципах действия:

  1. Электромагнетизм. Изменяясь в определённом временном промежутке, ток создаёт изменяющееся магнитное поле.
  2. Электромагнитная индукция. Проходящий магнитный ток через вторичную обмотку возбуждает в ней электродвижущую силу (ЭДС).

Закон Фарадея

Электромагнитная индукция вызывает электрический ток в замкнутом контуре во время изменения магнитного потока, проходящего сквозь площадь этого контура.

Закон Фарадея объясняет прямую пропорциальную зависимость ЭДС от скорости изменения магнитного потока. Эту зависимость отражает формула закона электромагнитной индукции:

Формула закона Фарадея

  • ЭДС – индукция в контуре;
  • ∆Ф – величина магнитного потока;
  • ∆t – временной промежуток.

Важно! Минус в формуле закона Фарадея – это корректировка выражения, предложенная русским учёным Ленцем. Знак « – » означает, что индукционный ток в ограниченном контуре направлен на препятствование изменению магнитного потока.

Уравнение идеального трансформатора

Направлять электрический ток с изменёнными параметрами в электрические цепи или определённую область электронной схемы – для чего служат трансформаторы. Идеальный трансформатор – это прибор, который не несёт потерь на гистерезисе, вихревых токах и рассеивании обмотками энергии.

В идеальном устройстве мощности обеих обмоток равны. Электрический поток, проходя через первичную катушку, преобразуется в магнитный поток, который, в свою очередь, превращается в ЭДС вторичной цепи.

Что делает идеальный трансформатор, можно выразить следующим выражением:

P1 = I1U1 = P2 = I2U2,

где:

  • P1 – одномоментная мощность первичной цепи;
  • P2 – одномоментная мощность вторичной обмотки.

Преобразуя оба произведения силы и тока в соотношения, получают математическое определение идеального трансформатора:

U2/U1 = I1 /I2 = n,

где n – коэффициент трансформации.

Модель реального трансформатора

От идеального исполнения конструктивного решения прибора реальная модель трансформатора отличается такими признаками, как:

  1. Наличие ненулевого тока холостого хода;
  2. Возникновение ёмкостей;
  3. Нелинейная кривая намагниченности.
Ненулевой ток холостого хода

Обмотки реального трансформатора вместе с пластинами сердечника представляют собой магнитоэлектрическую систему, где по её контуру циркулирует вектор напряжения магнитного поля, равный полному току внутри этого контура.

Все типы действующих трансформаторов при включении без нагрузки испытывают всплески первичного тока. Это явление называют ненулевым током холостого хода. При расчётах защиты преобразовательных устройств проводят сравнение между действительными и идеальными сдвигами токов двух обмоток. Разницу между углами этих сдвигов называют углом погрешности. Этот показатель учитывают при определении класса приборов, особенно в тех моделях, которые предназначены для работы в системах учёта энергопотребления.

Возникновение ёмкостей

Проводники с разделительным диэлектрическим материалом провоцируют возникновение паразитных ёмкостей между обмотками, их слоями и витками. Благодаря им, из первичной катушки проникают во вторичную обмотку помехи высокой частоты. В расчёты характеристик приборов вводят теоретические величины эквивалентных ёмкостей. Это делается с целью резкого снижения риска проявления таких негативных явлений, как возникновение продольных и поперечных ёмкостей.

Нелинейная кривая намагниченности

Ферритовые сердечники трансформаторов содержатся в большинстве разновидностей преобразователей напряжения. Добиваясь этим большой величины ЭДС во вторичных обмотках, получают крайне нелинейную характеристику намагничивания. Соответственно, индуктивность тоже принимает нелинейный характер.

В результате создаётся феррорезонансный режим, при котором возникает риск выхода из строя преобразователя напряжения. Происходит чрезмерный нагрев магнитопровода, что вызывает потребность в охлаждении устройства.

Обратите внимание! Для гашения сопровождающих вихревых токов сердечники собирают из шихтованных ферромагнитных пластин с высоким удельным сопротивлением. Их делают из специальной кремнистой тонкой стали.

Режимы работы трансформаторов

Трансформаторы предназначены для работы в трёх режимах:

  • холостой ход;
  • нагрузка;
  • короткое замыкание.

Режим холостого хода

Холостым ходом называют такое состояние прибора, когда вторичная обмотка разомкнута, и потребитель не получает выходной энергопоток. В первичной катушке протекает ЭДС, которую называют током холостого хода. В этом режиме определяют КПД прибора, коэффициент трансформации и потери в магнитопроводе.

Режим нагрузки

Это стандартное рабочее состояние оборудования, когда первичная цепь подключена к источнику тока, а вторичная обмотка находится под нагрузкой. Характеристика нагрузки в основном определяет применение нужного вида трансформатора.

Состояние короткого замыкания

Выводы вторичной обмотки замыкают напрямую с целью выявления потерь на нагрев катушек в цепи устройства. Единственной нагрузкой остаётся собственное сопротивление витков вторичной обмотки.

Теория трансформаторов

Теоретические обоснования того, что делают трансформаторы, включают в себя несколько разделов:

  1. Уравнения линейного трансформатора;
  2. Т-образная схема замещения;
  3. Потери;
  4. Габаритная мощность;
  5. КПД.

Уравнения линейного трансформатора

Линейные уравнения отображают взаимосвязь между величинами характеристик трансформатора. К ним относятся:

  1. U1 = L1(di1/dt) +L1,2(di2/dt) + I1 R1;
  2. L2(dI2/dt) + L1.2 + I2R2 = – I2RH,

где:

  • U1 – мгновенное напряжение в первичной катушке;
  • I1 и I2 – сила тока в обмотках;
  • RH – сопротивление в нагрузке;
  • L1,2 – взаимная индуктивность обмоток;
  • L1, R1, и L2, R2 – индуктивность и сопротивление обеих катушек.

Т-образная схема замещения

Для тестирования электрической цепи какого-либо устройства трансформатор замещают Т-образной схемой, состоящей из элементов, указанных на нижнем рисунке.

Т-образная схема замещения

Потери

Специалисты разделяют потери на траты в стали и меди. Потери в стали происходят в сердечнике, утрата части энергии в меди относится к медным виткам обмоток.

В стали

Утрата части энергии происходит по причине потерь в магнитопроводе и обмотках. Величина потерь в стали связана с конструкцией сердечника, качеством электротехнической стали. Траты энергии уходят на нагрев, гистерезис и образование вихревых токов.

Магнитопроводы, сделанные из трансформаторного железа с добавлением кремния, значительно уменьшают потери и повышают удельное сопротивление стали. Конструкцию сердечника улучшают промежуточным лакированием соприкасающихся поверхностей пластин.

В меди

Потери в обмотках вызваны ненулевым вектором активного сопротивления в катушках преобразователя напряжения. Потери в меди сопровождаются нагревом проводов в обмотках. Часто они вызваны несоответствием количества витков напряжению в обмотках.

Габаритная мощность

Габаритную мощность трансформатора рассчитывают следующей формулой:

Pgab = (P1 + P2)/2 = (U1I1 + U2I2)/2.

Этот параметр можно определить ориентировочно по сечению сердечника. Величина габаритной мощности зависит от ряда показателей, таких как качество и толщина листов магнитопровода, размер проёма, степень индукции, общее сечение проводов обмоток и качество диэлектрических слоёв между пластинами.

Дополнительная информация. Ещё один фактор влияет на габаритную мощность трансформатора – это его стоимость. Чем дешевле устройство, тем меньше этот показатель.

КПД трансформатора

Коэффициент полезного действия приборов можно рассчитать по нескольким формулам. Три из них представлены ниже:

Формула 1

Формула 2

Формула 3

Конструкция

Конструкция устройства базируется на 4-х основных элементах. Вот из чего состоят трансформаторы:

  1. Магнитопровод;
  2. Обмотки;
  3. Схемы соединения обмоток 3-х фазных трансформаторов;
  4. Бак.

Магнитопровод

Магнитная секция прибора делается из нескольких видов материалов: электротехническая сталь, пермаллой и ферромагнетики. Конструктив устройства обычно выглядит в виде рамки, на боковых сторонах (стержнях) которой помещаются обмотки. Части рамки, свободные от катушек, называют ярмом. Встроенные преобразователи зачастую оснащаются магнитопроводами тороидальной формы.

В зависимости от пространственного положения стержней магнитопровода, магнитные системы бывают плоскими, пространственными, симметричными и несимметричными конструкциями. В трансформаторах переменного тока сердечники образуют замкнутый контур. В приборах постоянного тока магнитопроводы делаются с зазором.

Отдельные виды магнитопроводов

Обмотки

Катушки магнитопроводов состоят из множества витков провода. Витки располагаются параллельно относительно друг друга в строго последовательном порядке. Проводники тока, покрытые изоляционным лаком либо бумагой, охватывают спиралью стержни магнитопровода.

Первичная обмотка под напряжением создаёт вокруг себя магнитное поле, которое воздействует на витки второй катушки. В результате в ней индуцируется выходной электрический ток.

Схемы соединения обмоток 3-х фазных трансформаторов

В 3-х фазных трансформаторах обмотки соединяют тремя способами.

Звезда

Три обмотки сходятся одними своими концами в нейтральной точке. Бывают звёздные соединения с выводом из общей точки и без него.

Треугольник

Соединённые последовательно три обмотки образуют треугольник. У обмоток, соединённых треугольником, усложняется конструкция переключателя контактов из-за высокого напряжения.

Зигзаг

При такой схеме все три обмотки располагаются отдельно на 3 стержнях магнитопровода. Соединения катушек осуществляются встречно последовательно.

Бак

Баки, заполненные трансформаторным маслом, помимо опорной функции, обеспечивают защиту от перегрева силового оборудования. Перед заправкой герметичного бака маслом из него откачивают воздух. Ёмкости могут содержать различные добавки, активно поглощающие рассеивающий магнитный поток, не давая ему распространиться наружу.

Виды трансформаторов

В этом пункте раскрыта тема, какие разные бывают трансформаторы.

Силовой

Тип силового трансформатора переменного тока используют в сетях электроснабжения и в специальных установках. Название «Силовой» обозначает то, что оборудование обладает большой мощностью. Потребность в таком оборудовании объясняется согласованием различных величин напряжений линий электропередач.

Автотрансформатор

Его первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, за счёт чего обеспечивается электромагнитная и электрическая связь. Достоинством автотрансформатора является высокий показатель КПД. Вторичная обмотка имеет несколько выводов, что позволяет варьировать несколькими величинами выходного напряжения. Прибор может фиксировать напряжение на уровне 220 вольт. Поэтому приборы популярны в быту, предохраняя лампы осветительных приборов, домашнее электрическое и электронное оборудование от скачков напряжения сетевого тока.

Трансформатор тока

Такой вид, как трансформатор тока, применяется в измерительных цепях, защитном оборудовании. Устройство используется как средство управления и различной сигнализации. Первичная катушка подсоединяется к источнику питания тогда, когда вторичная обмотка включается в схему измерительных, исполнительных, индикаторных и релейных приборов.

Трансформатор напряжения

Основное назначение – это преобразование тока высокого напряжения в низковольтное питание измерительных цепей и различных приборов. Понижающее оборудование применяют в логических защитных системах.

Импульсный

Импульсные преобразователи используются для передачи пульсирующего тока. Это необходимая часть видеотехники для обеспечения отсутствия искажений в трансформируемых видеосигналах.

Сварочный

Трансформаторы обеспечивают ток нужной характеристики для различных видов сварки. Регулировка сварочного тока происходит за счёт изменения индуктивного сопротивления и холостого хода вторичной обмотки. Сварочный трансформатор работает от сети напряжением 220 или 380 вольт.

Разделительный

Трансформаторы оснащены раздельными обмотками. Их применяют в цепях защитных систем. Они чутко реагируют на несанкционированное заземление и отключают электричество в аварийных случаях.

Согласующий

Трансформатор используется для согласования сопротивлений каскадов электронного оборудования с минимальным искажением сигналов. Также его применяют для гальванической развязки между различными частями электронных схем.

Пик-трансформатор

Преобразует синусоидальное напряжение в импульсы пикообразной формы. Применяется для управления газоразрядным оборудованием, таким как тиратроны, ртутные выпрямители и тиристоры.

Сдвоенный дроссель

Отличается от других видов преобразователей напряжения наличием двух абсолютно одинаковых обмоток. Основная функция – встречный индуктивный фильтр. По своим характеристикам значительно превосходит дроссель стандартной конструкции.

Трансфлюксор

Обладает большой степенью остаточной намагниченности сердечника. Этот вид трансформаторов используется как элемент блока памяти электронных устройств.

Вращающийся трансформатор

Передаёт сигналы на вращающиеся магнитные головки видеозаписывающей аппаратуры. Магнитопровод разделён на две части, одна из которых вращается с минимальным зазором относительно другой части сердечника. Обеспечивает качественный съём сигналов при большой скорости вращения.

Воздушный и масляный трансформаторы

Отличаются друг от друга способом охлаждения магнитопровода с обмотками. Масляный преобразователь напряжения погружён в герметичный бак, заполненный трансформаторным маслом с активными добавками. Воздушные приборы охлаждаются за счёт естественной или принудительной вентиляции внутреннего пространства корпуса трансформатора.

Трёхфазный

Этот вид оборудования относится к силовым трансформаторам, обладающим большой мощностью. Магнитопровод состоит из трёх стержней с обмотками. Стержень каждой из трёх фаз оснащён двумя катушками повышающего и понижающего напряжения.

Обозначение на схемах

На схематичном изображении трансформаторов обмотки представляют волнистыми линиями по обе стороны вертикального стержня. На нижнем рисунке видны одна первичная и две вторичные обмотки, разделённые вертикальной линией магнитопровода.

Обозначение трансформатора на схемах

Сферы применения

В источниках электропитания

Основное предназначение трансформаторов – это изменение характеристик тока, поступающего от источника тока.

Другие

Кроме понижения и повышения напряжения, трансформаторы используются как разделительные, импульсные устройства, релейная защита автоматики. Также отдельные виды приборов выполняют измерительную и силовую функцию.

Эксплуатация

Срок службы

При правильном и своевременном обслуживании трансформаторное оборудование может прослужить до тех пор, пока морально не устареет. Срок службы зависит от условий эксплуатации, частоты возникновения аварийных ситуаций на участке электросети, где установлено оборудование.

Работа в параллельном режиме

Параллельный режим работы позволяет временно подменять мощное силовое оборудование трансформаторами средней или малой мощности. Это происходит тогда, когда на линии электропередачи падает нагрузка, что позволяет сокращать траты энергии при работе на холостом ходу.

Частота

При одинаковом напряжении частота тока может быть различной. Первичная обмотка, рассчитанная на частоту тока 50 Гц, без помех принимает входной ток частотой 60 Гц. В обратном случае трансформатор не будет полноценно исполнять свои функции. При меньшей номинальной частоте возрастает показатель индукции в сердечнике, что, как правило, вызывает резкое увеличение силы тока холостого хода. Если ток в сети имеет частоту, превышающую номинальную величину, то возникают паразитные токи в магнитопроводе. Сердечник и обмотки сильно перегреваются.

Регулирование напряжения трансформатора

Изменение напряжения в сети отображается на аналоговом экране или цифровом дисплее. Маломощные трансформаторы снабжены светодиодной индикацией уровня напряжения. С помощью органов управления устанавливается нужный уровень выходного напряжения в ручном или автоматическом режиме.

Изоляция трансформатора

Из-за частых перегревов обмоток и магнитопроводов изоляция может потерять свои диэлектрические свойства. Для осуществления контроля состояния изоляции проводятся регулярные испытания электрооборудования.

Перенапряжения трансформатора

В процессе интенсивной эксплуатации трансформаторы часто подвергаются перенапряжению. Оно бывает кратковременным и переходным.

Кратковременное превышение рабочих параметров оборудования происходит в течение от 1 секунды до нескольких часов. Переходное перенапряжение может набирать время, измеряемое в мили и наносекундах.

Перед тем, как покинуть завод-изготовитель, трансформаторы проходят тестовые испытания, в ходе которых создаются различные ситуации на грани потери работоспособности. В результате некондиция отсеивается от партии готовой продукции.

При установке того или иного трансформаторного оборудования нужно тщательно взвесить его возможности и состояние источника питания. Также принимают во внимание требуемые характеристики выходного напряжения для определённых потребителей.

Видео

Трансформаторы постоянного и переменного тока

Чтобы нормализировать электроэнергию, которая поступает к дому необходимо использовать трансформаторы. Трансформаторы постоянного и переменного тока пользуются значительной популярностью.

В этой статье мы представили вам схемы, инструкции и конструкции трансформаторов постоянного и переменного тока. Если вам будет интересно, тогда можете прочесть про реактивное сопротивление трансформатора.

Трансформаторы постоянного и переменного тока

Трансформатор тока имеет маркировку ТТ. Это устройство на сегодняшний день является одним из видов измерительного трансформатора, который предназначается для получения переменного тока во вторичной обмотке. Номинальная мощность подобных трансформаторов может быть 25, 40, 63, 100, 160 кВА.

Трансформаторы с классом точности 0.2, 0.5, 1, 3 могут снизить высокий проходной ток напряжения. Также они позволяют обеспечить безопасность для ваших электрических приборов, которые находятся в доме. Принцип действия трансформатора переменного тока практически нечем не отличается от обычного. Пропускная способность трансформатора также может быть разнообразной и будет зависеть от типа конструкции.

Устройство трансформатора тока

В устройстве можно встретить первичную обмотку, которая будет похожа на пластину или на ролик. Благодаря этой пластине можно получить качественную обмотку, которая будет иметь минимальное количество витков. Это в свою очередь может значительно повлиять на эффективность работы. Вторичная обмотка может иметь большее количество витков. Их необходимо намотать на ламинирующую основу или на материал, который будет иметь минимальные потери. При необходимости вы можете прочесть про резервную релейную защиту трансформатора.

Плотность магнитного потока можно считать достаточно низкой. Вторичная обмотка обычно рассчитываться на показатель в 1 или 5 Ампер. Увидеть это можно на векторной диаграмме, которая расположена ниже:

Для чего нужны трансформаторы переменного и постоянного тока

Трансформаторы на сегодняшний день широко используются на производстве или в быту. Они позволяют надежно защитить технику или приборы от поражения током. При необходимости вы также можете приобрести сварочные трансформаторы для выполнения работ с металлом.

Это устройство считается достаточно важным в электротехнике. Текущие уровни электрического тока обязательно должны контролироваться. Это необходимо не только в целях безопасности, но и для повышения эффективности работы бытовых приборов.

Как выбрать трансформатор

Проверка трансформатора тока должны выполнять регулярно. Ее выполнением можете заниматься вы, но, если у вас нет определенного опыта, тогда лучше всего доверить эту работу профессионалам. Многие предприятия готовы качественно выполнить эту работу. Если вам необходима замена деталей в трансформаторе, тогда приобретать их необходимо только у официального дилера. Также во время выбора вам необходимо знать следующие обозначения:

Принцип работы трансформатора

- Основные проекты DIY Electrical

Трансформатор - Введение:



Основное преимущество переменного тока перед постоянным состоит в том, что переменный ток можно легко переносить с низкого напряжения на высокое или с высокого на низкое.
Переменное напряжение можно повышать или понижать в соответствии с требованиями на различных этапах электрической сети, таких как генерация, передача, распределение и использование.

Это возможно с помощью статического устройства, известного как трансформатор.

Что такое трансформатор?

Трансформатор представляет собой статический элемент электрического устройства, с помощью которого электрическая мощность преобразуется из одной цепи переменного тока в другую цепь с желаемым изменением напряжения и тока без какого-либо изменения частоты.

Принцип работы трансформатора
:
  • Трансформатор - это статическое устройство.
  • Преобразует электрическую мощность в одной цепи в другую с той же частотой.
  • Повышает или понижает напряжение в цепи с соответствующим понижением или увеличением в цепи.
  • Помните, что частоту изменить нельзя.
  • Основная идея электрического трансформатора - взаимная индукция между двумя цепями, связанными общим магнитным потоком.
  • Простой трансформатор (показан на приведенном выше рисунке) состоит из двух индуктивных катушек, которые электрически разделены, но связаны магнитным полем через путь с низким сопротивлением.
  • Обе катушки имеют высокую взаимную индуктивность. Катушки называются первичной и вторичной катушками.
  • Катушка, которая подключена к источнику, называется первичной катушкой, а катушка, которая подключена к нагрузке, называется вторичной катушкой.
  • Когда первичная обмотка подключена к источнику переменного тока, в сердечнике трансформатора создается переменный магнитный поток.
  • Большинство из них связаны с другой катушкой, в которой она производит взаимно индуцированную ЭДС в соответствии с законом Фарадея об электромагнитной индукции .
  • Если вторичная обмотка замкнута, в ней протекает ток и, таким образом, электрическая энергия передается от первой обмотки к вторичной обмотке.
Работа трансформатора:

Без нагрузки:

  • Когда переменное напряжение (V1) подается на первичную обмотку, а вторичная обмотка не подключена к какой-либо нагрузке (состояние разомкнутой цепи), в первичной обмотке протекает небольшой ток.
  • Он называется током холостого хода (I O ).Это создает магнитный поток в сердечнике.
  • Это переменные магнитные связи как с первичной, так и с вторичной обмотками.
  • Он индуцирует ЭДС E1 (в первичной обмотке) и E2 (во вторичной обмотке) посредством взаимной индукции.
    Индуцированная э.д.с. E в катушке определяется как
    E = −N (dΦ / dt) вольт,
    где
    N - количество витков
    dΦ / dt - скорость изменения магнитного потока.
    Для идеального трансформатора значение dΦ / dt одинаково как для первичной, так и для вторичной обмоток.
    Итак,
    E1 / N1 = E2 / N2
    i.е. наведенная ЭДС на оборот постоянна.
    Без учета потерь
    E1 = V1 и E2 = V2
    Следовательно,
    V1 / N1 = V2 / N2
    или
    V1 / V2 = N1 / N2
    Коэффициент напряжения = коэффициент трансформации
    Это называется коэффициентом трансформации трансформатора.

Если N2 Если N2> N1, то V2> V1 и устройство называется повышающим трансформатором.

В условиях нагрузки:

  • Когда нагрузка подключена ко вторичной обмотке, течет ток I 2 .
  • Поскольку в идеальном трансформаторе потерями не учитываются, он считается 100% эффективным.
    Следовательно,
    Входная мощность = Выходная мощность
    или
    V1.I1 = V2.I2
    т.е. первичный и вторичный ампер-витки равны
    Таким образом
    V1 / V2 = I2 / I1
    Объединение обоих уравнений
    V1 / V2 = N1 / N2 = I2 / I1

Аннотации
Трансформатор

  1. передает электроэнергию от одной цепи к другой
  2. повысит / понизит напряжение / ток во вторичной цепи
  3. не может изменить частоту
  4. работает по принципу электромагнитной индукции
Возможно вам понравится:

Как уменьшить потери на вихревые токи?
Как минимизировать эффект короны?
Как работает ваттметр?
Как работает конденсатор?

Возможно, вы зашли на эту страницу, так как у вас может быть…
Принцип работы трансформатора, принцип работы трансформатора со схемой...

Трансформатор постоянного тока

| Hackaday.io

Прежде всего, извинения за долгую засуху. Я был очень занят работой, собирая прототип преобразователя мощности класса MW (да, MegaWatt) на работе, и он съел мою жизнь. Сейчас я в отпуске и, наконец, у меня есть время, чтобы сделать обновление.

Итак, в этой статье речь пойдет об использовании усилителя мощности класса D, то есть переключаемого, в качестве управляемого источника тока. Давайте посмотрим на основные характеристики:

Итак, V1 - это источник питания +15 В.Q1 и Q2 - это полевые МОП-транзисторы малой мощности (управляемые синтетической ШИМ от V2 и V3). L1 и Cf фильтруют прямоугольные сигналы на Vx в довольно плавное напряжение на Vy, которое питает наш нагрузочный резистор (RL) через обмотки обратной связи (Lf, на самом деле 1 обмотка через 3 многослойных сердечника).

Параметр SPICE E используется для регулировки среднего напряжения, подаваемого на L1 / Cf / Lf. Я использовал здесь команду .step, чтобы попробовать несколько значений. Я также немного обманул и установил начальные условия (IC) катушек индуктивности, чтобы избежать длительного времени установления.Мы получаем небольшие колебания между L1 и Cf - это , а не , сюрприз, потому что мы тщательно выбрали полевые МОП-транзисторы с низким сопротивлением, катушки индуктивности и (предположительно) конденсаторы. Добро пожаловать в чудесный мир силовой электроники 🙂

Итак, мы видим, что мы можем достичь регулируемых токов от 0,2 до 1,0 А. Однако нам действительно нужен источник питания + - 1 А, поэтому эта схема не будет работать.


Давайте посмотрим на биполярную версию:

Итак, теперь мы используем источники питания + - 15 В, что означает, что теперь полевые МОП-транзисторы должны блокировать 30 В - я переключился на типы 55 В.Я также добавил начальное условие (IC) к Cf, чтобы уменьшить это колебание, и немного изменил расчет рабочего цикла.

Рабочий цикл имеет 2 изменения. Во-первых, нагрузка 0% теперь соответствует среднему значению -15 В при Vx. 100% -ный режим по-прежнему соответствует 15 В при Vx. Таким образом, усиление от 0% до 100% теперь составляет 30 В / 100% (где раньше было 15), и есть смещение; 0 В возникает при рабочем цикле 50%.

Формы сигналов выглядят многообещающе:

Однако со схемой есть тонкая и действительно важная проблема.Давайте посмотрим на токи в источниках питания V1 и V4 (то есть в основных источниках питания). Они эквивалентны токам стока Q1 и Q2 (внизу).

Итак, средний ток через Q1 составляет 545 мА, а средний ток через Q2 составляет -435 мА. Что это значит?

Что ж, положительный ток через Q1 соответствует активной мощности (8,20 Вт), потребляемой из V1. Это то, чего мы ожидаем. Отрицательный ток через Q2 соответствует реальной мощности (6,52 Вт), которая подается на и В2.Это нормально в SPICE, где источник напряжения идеален. Однако нормальный блок питания не может поглощать мощность. Это означает, что в конденсаторах фильтра будет накапливаться энергия, увеличивая их напряжение до тех пор, пока что-то A) не перестанет работать или B) не взорвется.

Лично я предпочитаю вариант А, поэтому мне нравится устанавливать защиту. Есть свободные каналы АЦП? Добавьте программную защиту от перенапряжения. Нет каналов АЦП? Добавьте компараторы. Ваше время взлома ценно, люди! Не тратьте его на исправление ошибок, которых можно избежать, когда вы можете совершать новые интересные ошибки.

Примечание: отрицательный ток через MOSFET абсолютно возможен. Во-первых, все полевые МОП-транзисторы, работающие в режиме улучшения (нормального типа), даже если они не являются каналом P, имеют встроенный диод. Во-вторых, если вы подаете напряжение на затвор, каналы действительно включаются и проводят ток. Это называется синхронным выпрямлением и часто используется разработчиками источников питания для повышения эффективности.


А как насчет отрицательного тока, спросите вы? Что ж, перезапуск симулятора дает:

I (Q1) = -471 мА в среднем (7.07 Вт подается в V1)
I (Q2) = 536 мА в среднем (8,04 Вт подается от V4).

Итак, у нас есть зеркальное отражение той же проблемы. V1 взрывается вместо V4. Это врожденная проблема схемы. Я тоже сделал бумажный анализ (но не хотел утомлять вас математикой - дайте мне знать, если вам интересно), и это именно тот случай. При ненулевом выходном токе неудобно ...

Читать больше " Трансформатор

Принцип работы трансформатора

Презентация на тему: «Трансформатор Принцип работы трансформатора» - Расшифровка презентации:

1 Трансформатор Принцип работы трансформатора
Магнитное поле, создаваемое катушкой A, изменяется с той же частотой, что и a.c. источник. В катушке B индуцируется переменный ток той же частоты. Катушка A катушка B переменного тока. источник гальванометр

2 Конструкция трансформатора
Вторичная обмотка с сердечником из мягкого железа переменного тока Выход первичной катушки источника Почти все силовые линии магнитного поля, создаваемые первичной катушкой, направляются через вторичную катушку.

3 Изменение входного напряжения напряжения Число витков вторичной катушки Число витков выходного напряжения первичной обмотки Выходное напряжение зависит от числа витков первичной и вторичной катушек.

4 количество витков в первичной катушке
= количество витков во вторичной катушке 1 входное напряжение = выходное напряжение количество витков в первичной катушке <количество витков во вторичной катушке 2 входное напряжение <выходное напряжение Это называется ступенчатым- трансформатор вверх.

5 количество витков в первичной катушке
> количество витков во вторичной катушке 3 входное напряжение> выходное напряжение Это называется понижающим трансформатором.


6 где Vp = входное напряжение Vs = выходное напряжение
передаточное число где Vp = входное напряжение Vs = выходное напряжение Np = количество витков в первичной катушке Ns = количество витков во вторичной катушке Моделирование: трансформатор

7  Для идеального трансформатора входная мощность = выходная мощность
, где Ip = входной ток Is = выходной ток 

8 КПД трансформаторов
Реальные трансформаторы преобразуют от 90% до 99% входной мощности в выходную.КПД = от 90% до 99%

9 Основные потери энергии в трансформаторах
выход переменного тока вход переменного тока Катушка нагревается, когда через нее протекает ток. Для намагничивания и размагничивания твердого сердечника требуется энергия. Вихревой ток нагревает катушку.

10 Способы повышения КПД
output a.c. вход переменного тока Использование более толстой проволоки для уменьшения сопротивления катушки Использование мягкого железа для уменьшения потерь энергии Использование многослойного сердечника для уменьшения вихревых токов. ламинированный сердечник

Идеальный трансформатор - как это работает? - Коэффициент трансформации V&I

Идеальный трансформатор a - это электромагнитное устройство, которое позволяет нам увеличивать или уменьшать переменное напряжение и ток при поддержании постоянной мощности. (Мощность на выходе идеального трансформатора равна мощности на его входе).

Соотношение мощности между первичной обмоткой и вторичной обмоткой

Как следствие преобразования напряжения, происходит преобразование электрического тока (переменного тока) между входом и выходом трансформатора таким образом, что мощность, передаваемая через трансформатор имеет ту же мощность, что и получает.

На идеальном трансформаторе : выходная мощность = входная мощность (P S = P P ).

Таким образом, если напряжение увеличивается, электрический ток уменьшается в тот же коэффициент, сохраняя равенство.Посмотрите на формулу. P = VxI, тогда: V P x I P = V S x I S.

Трансформатор состоит из железного сердечника, на который намотано несколько наборов витков жилы. . Этот набор витков является первичным (P) и вторичным (S).

Как работает идеальный трансформатор

  1. Первичная обмотка получает на своих входах изменяющееся напряжение, вызывающее изменение электрического тока, протекающего через него.
  2. Изменяющийся ток вызывает магнитный поток в железном сердечнике.
  3. Поскольку вторичная обмотка наматывается на тот же железный сердечник первичной обмотки, магнитный поток течет через него.
  4. Магнитный поток через катушки «вторичной обмотки» будет генерировать изменяющееся напряжение на ее выходах.
  5. Если к выходам вторичной обмотки подключена нагрузка, через нее будет протекать изменяющийся электрический ток (например: вторичная обмотка подключена к резистору).

Коэффициент трансформации напряжения

Выходное напряжение (вторичное) Vs масштабируется от входного (первичного) Vp с коэффициентом, равным отношению количества витков провода в соответствующей обмотке.Vs / Vp = Ns / Np.

Тогда выходное напряжение на вторичной обмотке будет: Vs = (Ns / Np) x Vp.

Обратите внимание, что выходное напряжение Vs зависит от соотношения Ns (количество витков вторичной обмотки) и Np (количество витков первичной обмотки). Vs может быть больше или меньше Vp.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *