Трансформатор теория: 1 Теория трансформатора — СтудИзба

Похожая литература

368

Трансформаторы — Класс!ная физика

Трансформаторы

Подробности

Просмотров: 685

Трансформаторы — это просто!

«Физика — 11 класс»

Назначение трансформаторов

Трансформатором называется электротехнические устройства с помощью которого осуществляется преобразование переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности.

Впервые подобные устройства были использованы в 1878 г. русским ученым П.Н.Яблочковым для питания изобретенных им электрических свечей — нового в то время источника света.
Позднее эти устройства получили название трансфораторов.
Трансформатор Яблочкова состоял из двух цилиндрических катушек, надетых на стальной стержень, собранный из отдельных проволок.

Устройство трансформатора

Трансформатор на холостом ходу

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции, открытым Майклом Фарадеем в 1831 году.
Явление электромагнитной индукции: при изменении тока в цепи первой катушки во второй катушке, расположенной рядом, возникает электрический ток.

При питании катушки от источника постоянного тока ток во второй катушке существует только в моменты изменения тока в первой катушке, а на практике — при замыкании и размыкании цепи первой катушки.
Для длительного существования тока необходио непрерывно изменять ток в первой катушке. А это возможно, если соединить ее с источником переменного напряжения. При синусоидальном характере тока в первой катушке ток во второй катушке будет также синусоидальным.

Мгновенное значение ЭДС индукции е во всех витках первичной или вторичной обмотки одинаково.
Согласно закону Фарадея оно определяется формулой

е = -Ф’

где
Ф’ — производная потока магнитной индукции по времени.

В первичной обмотке, имеющей N₁ витков, полная ЭДС индукции

e₁ = N₁e

Во вторичной обмотке полная ЭДС индукции

e₂ = N₂e

где
N₂ — число витков этой обмотки.

Отсюда следует, что

Обычно активное сопротивление обмоток трансформатора мало, и им можно пренебречь.
В этом случае модуль напряжения на зажимах первичной обмотки примерно равен модулю суммарной ЭДС индукции:

При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не идет, и имеет место соотношение

Мгновенные значения ЭДС e₁ и e₂ изменяются синфазно, т.е. одновременно достигают максимума и одновременно проходят через ноль.
Поэтому их отношение можно заменить отношением действующих значений ЭДС и напряжений

Отношение напряжений на обмотках при работе трансформатора на холостом ходу (без нагрузки) называется коэффициентом трансформации — К.
Трансформаторы используются как для повышения напряжения, так и для понижения, т.е. могут быть повышающими и понижающими.
Если К>1, то трансформатор является понижающим,
если К, то трансформатор — повышающий.

Работа нагруженного трансформатора

Если к концам вторичной обмотки присоединить цепь, потребляющую электроэнергию, т.е. нагрузить трансформатор, то сила тока во вторичной обмотке уже не будет равна нулю.
Появившийся ток создаст в сердечнике свой переменный магнитный поток, который будет уменьшать изменения магнитного потока в сердечнике.

Уменьшение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока не произойдет, так как

Поэтому при замыкании цепи вторичной обмотки автоматически увеличится сила тока в первичной обмотке.
Его амплитуда возрастет таким образом, что восстановится прежнее значение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока.

Увеличение силы тока в цепи первичной обмотки происходит в соответствии с законом сохранения энергии: отдача электроэнергии в цепь, присоединенную к вторичной обмотке трансформатора, сопровождается потреблением от сети такой же энергии первичной обмоткой.

При подключении нагрузки ко вторичной цепи КПД трансформатора близок к 100%.
Мощность в первичной цепи при нагрузке трансформатора, близкой к номинальной, примерно равна мощности во вторичной цепи:

При повышении с помощью трансформатора напряжения в несколько раз, сила тока во столько же раз уменьшается (и наоборот).

Трансформатор преобразует переменный электрический ток таким образом, что произведение силы тока на напряжение примерно одинаково в первичной и вторичной обмотках

Чтобы уменььшить нагревание сердечника, его собирают из отдельных стальных пластин, которые изолируются друг от друга бумагой, лаком или окисью металла сердечника.
В трансформаторах малой мощности применяют круглые тороидальные сердечники из стальных колец или стальной ленты.
Для повышения КПД в трансформаторах обмотки высокого и низкого напряжения располагают на одних и тех же стержнях.
В радиотехнике обмотки часто наматываются на средний стерженьь.

При работе трансформатора обмотки нагреваются, для их охлаждения мощные трансформаторы помещают даже в баки с жидким маслом (масляные трансформаторы).

Трансформаторы широко используют в радиоаппаратуре, а также для передачи электроэнергии на большие расстояния в линиях электропередач, для этого строятся трансформаторные подстанции.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Производство, передача и использование электрической энергии. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Генерирование электрической энергии — Трансформаторы — Производство, передача и использование электрической энергии

Что представляет собой трансформатор |

Трансформатор представляет собой две катушки индуктивности разделённые между собой слоем изоляции предохраняющим обмотки от пробоя при чрезмерной нагрузке.

Теория

Электрический ток, как электро движущая сила <э. д.с.>, возможен только при наличии переменного (меняющегося) магнитного поля (скорость изменения магнитного поля определяется частотой питающего тока). В простейшем электрогенераторе переменного тока, где якорь возбуждения имеет ряд (по окружности) постоянных магнитов с чередующейся полярностью <s,n>. По этому число магнитов на якоре всегда чётное, для возбуждения обмоток магнитное поле снимается минимум в двух точках обязательно на разных полюсах якоря.

Устройство

Простейший трансформатор состоит из:
 
1. первичной обмотки
2. вторичной обмотки
3. сердечника

Обмотки представляют собой отрезок обычно медной проволоки покрытой изоляцией с целью исключить меж виткового замыкания.
Сердечник обычно собранный из пластин электротехнической стали (также существуют сердечники из ферромагнитных материалов и конструкций трансформаторов без сердечников, применяемые при работами с током высокой и сверх высокой частоты).

Сечение сердечника должно свободно позволять магнитному полю перетекать из места полярности <s> в место <n>, заданному первичной обмоткой, что особенно важно при постройке трансформаторов, обеспечивающих питание для электродуговой сварки. Задача сердечника отражать сохранять и аккумулировать магнитное поле в различных условиях работы трансформатора.
 
Работа трансформатора основывается на создании и потреблении переменного магнитного обмотками. Первичная обмотка содержит необходимое количество витков для создания максимального по силе магнитного поля и минимальной нагрузкой на питающую сеть.

Вторичная обмотка имеет необходимое количество обмоток для снятия расчетного тока, а также необходимое сечение провода по расчетным параметрам (напряжение, сила тока, мощность).

Питающий ток подаётся на первичную обмотку, в силу количества витков и сопротивления зависимого от длинны и сечения проволоки создаётся расчетно необходимое магнитное поле, полностью питающее вторичную обмотку. Ремонт трансформаторов — ответственное дело. Виток-энерго занимается ремонтом электродвигателей и трансформаторов  уже 20 лет.

ТРАНСФОРМАТОРЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ

ТЕОРИЯ: ПОНЕМНОГУ — ОБО ВСЕМ

        1.7. Трансформаторы и электрические сети.

    Трансформатор имеет замкнутый магнитопровод (рис. 4,г, д) из материала с высокой относительной проницаемостью (трансформаторной стали, феррита) и содержит несколько обмоток. Магнитопроводы бывают кольцевые — для тороидальных трансформаторов — или набранные из пластин Ш-образной формы. Применяются также, например, в трансформаторах питания телевизоров, магнитопроводы из двух U-образных половинок с пришлифованными торцами. Они называются ленточными разрезными (серии ПЛ), поскольку наматываются из тонкой ферромагнитной ленты, смазанной клеем или лаком, а после высушивания разрезаются на две половинки, которые затем вставляются в катушку трансформатора и туго сжимаются.
    На принципиальных схемах трансформаторы обозначают так, как показано на рис. 7. Первичная обмотка (I) присоединяется к источнику переменного тока (на постоянном токе трансформатор не работает!), обычно к электрической сети, и поэтому часто называется сетевой обмоткой. Для разбора принципа действия трансформатора предположим вначале, что к вторичным обмоткам (II, III) ничего не присоединено — это будет режим холостого хода.

    Через первичную обмотку потечет реактивный ток, намагничивающий сердечник трансформатора и равный напряжению сети, деленному на индуктивное сопротивление первичной обмотки. У правильно спроектированного трансформатора он не должен быть слишком большим, чтобы не вызывать бесполезный нагрев проводов, поэтому первичная обмотка должна иметь достаточное число витков. Очень часто из мнимой экономии берут малое количество витков, и тогда трансформатор гудит, греется и создает большие внешние поля рассеяния, т. е. электромагнитные помехи.
    Реактивный ток холостого хода не вызывает потребления мощности из сети, другими словами, электрический счетчик от включенного на холостом ходу трансформатора крутиться не должен. Переменный магнитный поток сердечника по закону электромагнитной индукции создает на выводах всех обмоток переменное напряжение, пропорциональное их числу витков. На первичной обмотке это напряжение равно напряжению сети, а на вторичных обмотках может быть любым, в зависимости от числа витков. Соответственно и вторичные обмотки, а иногда и сам трансформатор, называют повышающими или понижающими. Универсальным показателем для всех обмоток служит число витков на один вольт напряжения.
    Подключим теперь к вторичной обмотке (II) какую-либо нагрузку, например лампочку накаливания. Потечет активный ток, и лампочка загорится. Но магнитный поток в сердечнике существенно измениться не может, поскольку он определяется напряжением на первичной обмотке и числом ее витков. Значит, по первичной обмотке тоже потечет ток, компенсирующий магнитное поле тока вторичной обмотки. Этот ток потребляется из сети, и если отношение напряжений на вторичной и первичной обмотках равно коэффициенту трансформации n, то отношение токов составляет 1/n. Активная мощность в первичной и вторичной обмотках одинакова за вычетом небольших потерь в самом трансформаторе.
    Поясним сказанное примером. Допустим, первичная обмотка имеет 2200 витков и подключена к сети напряжением 220 В, а вторичная — 125 витков. Значит, трансформатор намотан из расчета 10 витков на вольт, и напряжение на вторичной обмотке будет 12,5 В, т.е. трансформатор понижающий. Коэффициент трансформации составит n = 12,5/220 = 125/2200 = 0,056. Если лампа, подключенная к вторичной обмотке, потребляет 1 А, то в цепи первичной обмотки потечет ток только 0,056 А, или 56 мА. Мощность, потребляемая от сети, равна мощности лампы, т.е. 12,5 Вт. Таким образом, с помощью трансформатора можно понизить напряжение, увеличив ток нагрузки, либо, напротив, повысить напряжение, уменьшив ток.
    Это свойство трансформатора широко используется при построении электрических сетей. Когда надо передать электроэнергию на большие расстояния, неизбежны потери в проводах, вызванные их активным сопротивлением R. Мощность потерь равна I2R, поэтому выгодно передавать одну и ту же мощность при высоком напряжении и малом токе, что и делают, строя повышающие и понижающие трансформаторные подстанции и высоковольтные линии электропередач.
    Даже маленькая деревенька или один многоквартирный дом могут потреблять мощность 220 кВт. При напряжении сети 220 В ток составит 1000 А. Для передачи такого тока нужны кабели большого поперечного сечения. Перейдя на напряжение 22 кВ, мы получим ток всего 10 А, который можно передать по стандартному проводу диаметром 3 мм.

Радио, 1998

Изящество электромагнетизма в новой форме — Энергетика и промышленность России — № 20 (184) октябрь 2011 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 20 (184) октябрь 2011 года

– Теория пока нова, и думаю, что через десятки лет в мире появятся научные прикладные работы в нашем направлении, а пока приятно быть пионерами, – сказал Владимир Викторович.

– В чем суть трансформатора нового поколения?

– Это конструктивное решение электромагнитных трансформаторов, одно из практических воплощений нашей фундаментальной работы «Метод индивидуального рассмотрения поля движущихся электрически заряженных частиц». Благодаря этой теории стало понятно поведение магнитных потоков в электромагнитных устройствах, объясняющее ранее непонятные явления, например взаимодействие параллельных потоков, ответственное за гигантские магниторезистивности в ферромагнитных проводниках.

Одиннадцать новых явлений использовано в новых трансформаторах типа MTS. Благодаря этому размеры и вес нового трансформатора по сравнению с лучшими аналогами снижены более чем в два раза. В отличие от обычных трансформаторов, новые трансформаторы не имеют бросков тока намагничивания сердечника, то есть более надежны, фазносимметричны, имеют высокую линейность характеристик. Естественная конструкция выводов обеспечивает слабое поперечное подмагничивание, то есть уменьшение гистерезиса сердечника, конструкция фольговых обмоток обеспечивает компенсацию эффекта Холла, то есть снижает межобмоточные наводки, новый эффект продольной гигантской отрицательной магниторезистивности уменьшает потери в обмотках, контейнерная конструкция изоляции обмоток обеспечивает высокоэффективное охлаждение и электрическую прочность.

Разные исполнения новых трансформаторов могут применяться в качестве измерительных трансформаторов тока и напряжения, силовых трансформаторов разных частот, напряжений и мощностей в электронике, электротехнике и электроэнергетике. Благодаря превосходящим характеристикам новых трансформаторов существенно улучшаются характеристики устройств с их использованием. Более компактными и надежными становятся источники питания компьютеров и ноутбуков, вместо масляных трансформаторов становится возможным применение новых сухих недорогих трансформаторов. Коммерчески привлекательно применение в сетях электротранспорта и электролизеров алюминиевой промышленности.

– Откуда возникла идея трансформатора, какие результаты прошлых разработок вы использовали в создании нового продукта?

– Когда у меня в 2004 году возникла эта идея, она была поддержана моим учителем Геннадием Александровичем Немцевым и моим сыном Олегом. Они помогли развеять мои классические сомнения экспериментами, например, были проведены точные калориметрические сравнительные исследования новых и классических трансформаторов. С этого момента мы приступили также и к теоретической работе, так как в новом изделии выявилось целое семейство новых эффектов, необъяснимых с точки зрения устаревшей теории электромагнетизма. Основная трудность была в рыночной дороговизне и низком качестве электролитического железа, которое используется взамен электротехнических сталей. Пришлось создать новую технологию для производства этого материала для наших трансформаторов. Фундаментальная теория неожиданно получилась легкой и изящной, из нее как частные случаи этой общей теории исходят известные уравнения, например уравнения Максвелла и т. д.

– Известно, что данный трансформатор входит в список двенадцати открытий в сфере электромагнетизма. Какова суть остальных одиннадцати ваших проектов?

– Новые законы и явления постепенно, но успешно публикуем, в том числе отражаем докладами на международных конференциях. Все они взаимосвязаны тематикой. Одиннадцатая и двенадцатая работы касаются спинтроники и диаграмм излучения спин-поляризованными электрическими токами, с вычислениями коэффициентов Лоренца в электромагнетизме и униполярными источниками электрических зарядов. Все наши работы патентуются, и по мере получения европатентов и появления товарной продукции с ними можно будет ознакомиться.

– Говорят, ваша технология была оценена президентом Дмитрием Медведевым. По слухам, глава государства высказал готовность профинансировать серийный выпуск такой продукции. Так ли это? И когда начнется производство новых трансформаторов в России?

– Первый раз об этом слышу. Мы не привыкли привлекать правительство к нашим вопросам, поскольку нами решено, что мы никогда не будем иметь проблем с рэкетом со стороны чиновников из региональных властей. Не дело властей заниматься промышленностью, они должны заниматься правильными законами, чтобы промышленность не только могла еле‑еле полувыживать, но и как‑то создаваться и развиваться. Смотрите прекрасную историю, например, о налоговых и других законах при Вильгельме в Германии. Я вел несколько лет научно-промышленный бизнес в Германии и прекрасно знаю отличия, сравнивая свой былой производственный российский бизнес. Я думаю многие бывшие местные чиновники, создавшие сегодня свой «ларечный» бизнес на ворованном имуществе (мои бывшие производственные предприятия «Бэла», «Аудиокристалл», «Сиэсс Электроникс») со стыдом, если способны, подтвердят это.

Поэтому, кроме опытной партии, ничего никогда выпускать в России не планируем. Такой возможности я не вижу. При коррумпированной экономике сии потуги бесполезны. Мои заводы будут только в цивилизованных странах.

– Как ваши зарубежные коллеги оценивают технологию? Не высказывались ли предложения о покупке лицензии для выпуска трансформаторов за рубежом?

– Ученый мир воспринимает работы с большим интересом. Несколько патентов и лицензий на право производства в стадии продажи, остальное сохраняем у себя. Я думаю, что после выхода новой продукции на мировой рынок можно будет судить о ее достоинствах.

Сейчас мы занимаемся только технологией, отработкой и испытаниями. К сожалению, говорить о будущем очень сложно, и мы ничего не планируем. Все должно идти чередом. Неосуществление одних событий не дает возможностей для появления других. Чудес не бывает. Нас это устраивает вполне.

обзор силовых трансформаторов 110 кВ и 35 кВ

УДК 621.3.019.34

Артемов Андрей Александрович
Волжский филиал национального исследовательского университета «Московский энергетический институт»
магистрант кафедры теплоэнергетики и теплотехники

Ключевые слова: отказ, показатели надежности, силовой трансформатор, теория надежности, электроэнергетика

Библиографическая ссылка на статью:
Артемов А.А. Степень надежности электротехнического оборудования Волгоградской области: обзор силовых трансформаторов 110 кВ и 35 кВ // Современная техника и технологии. 2017. № 6 [Электронный ресурс]. URL: https://technology.snauka.ru/2017/06/13645 (дата обращения: 06.10.2021).

В сфере энергетики современной России наблюдается тенденция дефицита вырабатываемой мощности в связи с недостатком нового и подавляющим количеством старого оборудования. Так, по некоторым данным, изношенность основных фондов в электроэнергетике России составляет 50-70% [2, с. 109]. Особенно остро проблема изношенности оборудования стоит в Волгоградской области [1], где подавляющий процент эксплуатируемого оборудования требует скорой замены. Тем не менее, очевидно, что произвести замену всего устаревшего оборудования сразу – невозможно. В этой связи, необходимо произвести оценку технического состояния электротехнического оборудования Волгоградской области, чтобы выявить объекты, требующие замены в первую очередь. В этом вопросе нам может помочь теория надежности.
Вопросам надежности в энергетике уделяется большое внимание, так как любое электротехническое оборудование должно обладать высокой надежностью и безопасностью в эксплуатации. В противном же случае, если эти условия не будут соблюдаться, существует вероятность возникновения аварийных повреждений, которые могут приводить к полному разрушению оборудования, нарушению энергоснабжения и пр., что всегда связано с серьезным экономическим ущербом. 
Ситуации, при которых происходит нарушение работы оборудования, называются отказами [3, с. 8]. Зачастую причинами отказов являются дефекты, полученные путем конструктивных, производственных и ремонтных, нарушений норм и правил эксплуатации. По периоду течения изменений параметров электрооборудования до отказа можно сказать о характере данного отказа. Так, выделяются два вида отказов: внезапный и постепенный. Внезапным отказом называют резкое ухудшение одного или нескольких показателей электрооборудования. В свою очередь, постепенным отказом называют длительное ухудшение параметров электрооборудования, связанных, в основном, со старением изоляции. 
Теория надежности повествует о необходимости сохранения определенной степени надежности оборудования в период его эксплуатации, что достигается посредством систематического технического обслуживания и ремонта. Понятие надежности оборудования конструируется из совокупности нескольких характеристик: ресурс бесперебойной работы, возможность ремонта и долговечность. Для определения высоковольтного оборудования, требующего первостепенной замены, необходимо одновременно учитывать описанные выше характеристики.
Автором данной статьи была произведена попытка определить требующее первостепенной замены оборудование, находящееся на территории, подконтрольной ПАО «МРСК-Юга» – «Волгоградэнерго». Для достижения данной цели было проведено небольшое исследование[1], направленное на изучение качественной оценки технического состояния силовых трансформаторов номиналам 110 и 35 кВ в ПАО «МРСК-Юга» – «Волгоградэнерго». Полученные в результате исследования данные дают возможность выполнить следующие расчеты:

1. Определить наработку на отказ:

2. Определить среднее время восстановления отказа:

3. Определить коэффициент готовности:

4.Определить вероятность безотказной работы за один год эксплуатации применяя экспоненциальный закон распределения отказа:

Таблица 1 – Результат расчетов показателей надежности

Таким образом, расчеты продемонстрировали, что силовые трансформаторы 35 кВ имеют примерно те же самые причины отказов, как и силовые трансформаторы 110 кВ. Вместе с тем, во время расчета показателей надежности была выявлена более высокая надежность силовых трансформаторов 110 кВ по отношению к силовым трансформаторам 35 кВ.
Результаты данного исследования дают возможность сделать вывод, что начинать замену оборудования необходимо от меньшего класса напряжения к большему, так как оно имеет большую вероятность отказа. Решение о замене или продлении срока эксплуатации любого электротехнического оборудования должно производиться по показаниям надежности данного оборудования.

[1] Сбор данных по отказам силовых трансформантов производился в ПАО «МРСК-ЮГА» – «Волгоградэнерго», а именно в службах изоляции и защиты от перенапряжений (СИЗП) в ПО «ЛЭС» и ПО «ПЭС» в 2016 г.

1. Постановление администрации Волгоградской области от 31 декабря 2014 г. № 136-п «Об утверждении государственной программы Волгоградской области «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности Волгоградской области на период до 2020 года» (в редакции постановлений Администрации Волгоградской области от 30.12.2015 № 823-п, от 03.02.2016 № 27-п, от 26.10.2016 № 577-п, от 26.12.2016 № 750-п).
2. Путилова, Н.Н. Снижение коммерческих потерь электрической энергии в электрических сетях / Путилова Н.Н., Проскурякова М.М. // Бизнес. Образование. Право. Вестник Волгоградского института бизнеса. – 2015. – № 4 (33). – С. 108 – 112.
3. Розанов, М.Н. Надежность электроэнергетических систем. 2-е изд., перераб. и доп. / М.Н. Розанов. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 176 с.

Все статьи автора «dst-11»

Теория работы однофазных трансформаторов

Определение трансформатора

Трансформатор электроэнергии — это статическое устройство, которое преобразует электрическую энергию из одной цепи в другую без какого-либо прямого электрического соединения. Он также выполняет это с помощью взаимной индукции между двумя обмотками. Он может преобразовывать мощность из одной цепи в другую без изменения ее частоты, но может иметь разные уровни напряжения в зависимости от необходимости.

Схема однофазного трансформатора

Символ трансформатора

Трансформатор Строительство

Три основные части трансформатора:

• Первичная обмотка : Обмотка, которая потребляет электроэнергию и создает магнитный поток, когда она подключена к источнику электроэнергии.
• Магнитный сердечник : Это относится к магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. Поток проходит через путь с низким сопротивлением, связанный со вторичной обмоткой, создавая замкнутую магнитную цепь.
• Вторичная обмотка : Обмотка, которая обеспечивает желаемое выходное напряжение за счет взаимной индукции в трансформаторе.

Принцип работы трансформаторов

Принцип работы однофазного трансформатора основан на законе электромагнитной индукции Фарадея.В основном, взаимная индукция между двумя или более обмотками отвечает за действие преобразования в электрическом трансформаторе.

Законы электромагнитной индукции Фарадея

Согласно закону Фарадея «Скорость изменения магнитной связи во времени прямо пропорциональна наведенной ЭДС в проводнике или катушке».

Основная теория трансформатора

Первичная обмотка питается от источника переменного тока.Переменный ток через первичную обмотку создает переменный поток, окружающий обмотку. Другая обмотка, также известная как вторичная обмотка, приближена к первичной обмотке. В конце концов, некоторая часть потока в первичной обмотке будет связана с вторичной. Поскольку этот поток постоянно изменяется по амплитуде и направлению, происходит изменение магнитной связи и во второй обмотке. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, во вторичной обмотке индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), которая называется наведенной ЭДС.Если цепь вторичной обмотки замкнута, через нее будет протекать индуцированный ток. Это простейшая форма преобразования электроэнергии; это самый основной принцип работы трансформатора.

Принцип работы трансформатора был объяснен в следующих простых шагах:

• Как только первичная обмотка подключена к однофазному источнику питания, через нее начинает течь переменный ток.
• Переменный поток создается в сердечнике первичным переменным током.
• Переменный поток через сердечник связывается со вторичной обмоткой.
• Теперь, согласно законам электромагнитной индукции Фарадея, этот изменяющийся поток будет индуцировать напряжение во вторичной обмотке.

Сопутствующие товары

Вышеупомянутый тип трансформатора теоретически возможен, но не практически, потому что есть потери, связанные с работой трансформаторов.

Основы теории электрических трансформаторов и их работы

Основная цель теории электрических трансформаторов — преобразовать один уровень напряжения в другой. С помощью этого метода электричество может передаваться на большие расстояния с хорошей эффективностью. Сегодня мы планируем обсудить трехфазный трансформатор и принцип его работы.

Основная теория электрического трансформатора

Электромагнитная индукция — это основная теория электрического трансформатора.Изменяющийся магнитный поток, который связан с петлей, будет индуцировать на ней электродвижущую силу. Такое изменяющееся магнитное поле можно создать с помощью катушки.

Из-за колебаний переменного тока магнитное поле, связанное с катушкой, также может колебаться. Этот магнитный поток может быть эффективно связан с вторичной обмоткой трансформатора с помощью сердечника трансформатора.

Магнитное поле преобразователя создает электромагнитную силу во вторичной обмотке трансформатора за счет электромагнитной индукции.Работа электрического трансформатора больше похожа на работу асинхронного двигателя

Уравнения электрического трансформатора

Обычно обмотки трансформатора подключаются последовательно. ЭДС в обмотке будет суммой индукции каждой ЭДС в каждом витке обмотки.

Es = QsxNs

Одинаковый магнитный поток проходит от первичной и вторичной обмоток трансформатора. Таким образом, ЭДС на оборот первичной и вторичной обмоток одинаковы.

Qs = Qp

ЭДС на виток первичной обмотки также пропорциональна приложенному к трансформатору напряжению.

Ep = QpxNp

Es = Ep / NpXNs

Смысл этого уравнения: если вы уменьшите количество витков во вторичной обмотке, вы можете увеличить. Вы можете уменьшить уровень напряжения первичной стороны трансформатора. Это также может применяться как обратное.

Уравнение первичного и вторичного тока согласно теории мощности

EsIs = EpIp

Базовая конфигурация электрического трансформатора

Трехфазный трансформатор равен трем однофазным трансформаторам.Но конфигурация катушки немного отличается: в трехфазных трансформаторах этого типа первичная и вторичная катушки расположены концентрически. В трехфазном трансформаторе используются три обмотки.

Существует два типа конфигурации трехфазных трансформаторов, которые широко известны как конфигурация «звезда» и конфигурация «треугольник».

В трансформаторе высоковольтные электрические втулки необходимы для вывода электроэнергии. В трехфазных трансформаторах обмотки низкого напряжения имеют прорези возле сердечника трансформатора.

Потери в трансформаторе

При передаче мощности трансформатора от первичной обмотки ко вторичной могут возникать различные потери энергии, такие как потери на вихревые токи, гистерезисные потери и потери в стали. Большинство упомянутых потерь энергии рассеиваются в виде тепла. По этой причине катушка трансформатора погружена в охлаждающее масло. Есть несколько методов охлаждения, которые используются для охлаждения и уменьшения тепловыделения трансформатора.

Обычно, когда масло в баке трансформатора поглощает заживление, оно расширяется.Поэтому для поддержания необходимого уровня масла в трансформатор устанавливают дополнительную консервационную емкость. Мы также обсуждаем несколько статей, касающихся теории и эксплуатации электрических трансформаторов, и планируем обсудить их в будущем.

Электрический трансформатор — Основная конструкция, работа и типы

Принцип работы трансформатора

Основы трансформатора

1 Введение в трансформаторы

Проектирование и испытание трансформаторов иногда считают искусством, а не наукой.
Трансформаторы — несовершенные устройства, и между расчетными значениями трансформатора, его контрольными измерениями и его реальными характеристиками в цепи могут быть различия.
Возвращаясь к основам, эта техническая заметка поможет инженерам-проектировщикам и инженерам-испытателям понять, как электрические характеристики трансформатора являются результатом физических свойств сердечника и обмоток.

2 Основная теория трансформатора

На приведенном выше рисунке показаны основные элементы трансформатора: магнитный сердечник с первичной и вторичной обмотками, намотанными на концах магнитопровода.
Переменное напряжение (Vp), приложенное к первичной обмотке, создает переменный ток (Ip) через первичную обмотку.
Этот ток создает переменный магнитный поток в магнитопроводе.
Этот переменный магнитный поток индуцирует напряжение в каждом витке первичной обмотки и в каждом витке вторичной обмотки.

Поскольку поток является постоянным, то есть одинаковым как в первичной, так и во вторичной обмотке:

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

Также можно показать, что:
Первичный вольт-ампер = вторичный вольт-ампер

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

Следует отметить, что между первичной и вторичной обмотками нет электрического соединения.
Трансформатор, таким образом, обеспечивает средство изоляции одной электрической цепи от другой.
Эти характеристики — преобразование напряжения / тока и изоляция — не могут быть эффективно реализованы никакими другими средствами, в результате чего трансформаторы используются практически в каждом электрическом и электронном оборудовании в мире.

3 кривых B-H

Когда первичная обмотка трансформатора находится под напряжением, а вторичная — ненагруженной, в первичной обмотке протекает небольшой ток. Этот ток создает «намагничивающую силу», которая создает магнитный поток в сердечнике трансформатора.
Сила намагничивания (H) равна произведению тока намагничивания и количества витков и выражается в ампер-витках.
Для любого данного магнитного материала можно построить график зависимости между силой намагничивания и создаваемым магнитным потоком. Это известно как кривая материала B-H.

Из кривой B-H можно увидеть, что, когда сила намагничивания увеличивается от нуля, магнитный поток увеличивается до определенного максимального значения магнитного потока.

Выше этого уровня дальнейшее увеличение силы намагничивания не приводит к значительному увеличению магнитного потока.Магнитный материал называется «насыщенным».

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

Где:
E представляет собой действующее значение приложенного напряжения.
Н — количество витков обмотки.
B представляет собой максимальное значение плотности магнитного потока в сердечнике (тесла).
A представляет собой площадь поперечного сечения магнитного материала в сердечнике (кв.метров).
f представляет частоту приложенных вольт.

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

На практике все магнитные материалы после намагничивания сохраняют некоторую часть своего намагничивания даже при уменьшении силы намагничивания до нуля.
Этот эффект известен как «остаточная намагниченность» и приводит к тому, что кривая B-H для материала демонстрирует реакцию на уменьшение силы намагничивания, которая отличается от реакции на увеличение силы намагничивания.

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

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

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

	Сердечник из низкопробного железа Высокая плотность потока насыщения Большой контур = большие гистерезисные потери Подходит для 50/60 Гц
	Сердечник из высококачественного железа Высокая плотность потока насыщения Средний контур = средние гистерезисные потери Подходит для трансформаторов 400 Гц
	Ферритовый сердечник — без воздушного зазора Плотность потока среднего насыщения Малый контур = малые гистерезисные потери Подходит для высокочастотных трансформаторов
	Ферритовый сердечник — большой воздушный зазор Маленькая петля = малые потери на гистерезис Подходит для высокочастотных индукторов с большим постоянным током

4 Гистерезис потери

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

Он представляет энергию, взятую как приложенное напряжение, выравнивает магнитные диполи сначала в одном направлении, а затем в другом.

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

5 Потери на вихревые токи

Потери на вихревые токи вызываются небольшими токами, циркулирующими в материале сердечника, вызванными переменным потоком в сердечнике.
Потери мощности I * I * R (потери на «нагрев»), связанные с этими токами, вызывают нагрев сердечника, известный как потери на вихревые токи.
В трансформаторах с железным сердечником используются изолированные листы железа, известные как ламинаты, чтобы минимизировать этот эффект, ограничивая путь для циркулирующих токов.
Ферритовые сердечники еще больше ограничивают эти пути.

6 Схема эквивалента трансформатора

Идеальный трансформатор с одной первичной обмоткой и двумя вторичными обмотками можно представить, как показано ниже

Такой трансформатор имеет следующие характеристики:
• Без потерь
• Идеальное соединение между всеми обмотками
• Бесконечное сопротивление холостого хода (т.е.е., отсутствие входного тока при разомкнутых вторичных обмотках).
• Бесконечная изоляция между обмотками
В действительности практические трансформаторы показывают характеристики, которые отличаются от характеристик идеального трансформатора.
Многие из этих характеристик могут быть представлены схемой замещения трансформатора:

Где:
R1, R2, R3 представляют собой сопротивление обмоточного провода.

C1, C2, C3 представляют собой емкость между обмотками.

Rp представляет собой потери из-за вихревых токов и гистерезисных потерь.Это реальные потери мощности, иногда называемые потерями в сердечнике, которые можно измерить путем измерения мощности холостого хода. Поскольку ток нагрузки отсутствует, потери в меди I ² R очень малы в обмотке под напряжением, и почти все ватты, измеренные без нагрузки, связаны с сердечником.

Lp представляет собой импеданс, обусловленный током намагничивания. Это ток, который создает намагничивающую силу H, используемую в схемах контура B-H. Обратите внимание, что этот ток может быть не простой синусоидальной волной, но может иметь искаженную форму пика, если трансформатор работает в нелинейной области кривой B-H.Обычно это относится к трансформаторам линейной частоты, многослойным трансформаторам.

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

7 Выводы

Эквивалентная схема трансформатора отражает реальные свойства магнитной цепи, содержащей сердечник и обмотки.
Таким образом, эквивалентную схему можно с уверенностью использовать для понимания и прогнозирования электрических характеристик трансформатора в различных ситуациях.

8 Дополнительная литература

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

См. Также:
Техническая записка по индуктивности утечки (VPN 104-105)
Техническая записка по соотношению витков (VPN 104-113)
Техническая записка по испытаниям ферритовых трансформаторов (VPN 104-128)
Техническая записка по испытаниям ламинатных трансформаторов (VPN 104-127)

Основные операции трансформатора

• Изучив этот раздел, вы сможете описать:
• • Принцип работы трансформатора.
• • Передаточное число.
• • Коэффициент мощности.
• • Коэффициент трансформации.
• • Потери в трансформаторе: медь, гистерезис и вихревые токи.
• • КПД трансформатора и ток холостого хода.

Трансформаторы.

Трансформатор использует принципы электромагнетизма для переключения одного уровня переменного напряжения на другой. Работа Фарадея в 19 веке показала, что изменяющийся ток в проводнике (например,грамм. первичная обмотка трансформатора) создает изменяющееся магнитное поле вокруг проводника. Если другой проводник (вторичная обмотка) поместить в это изменяющееся магнитное поле, в этой обмотке будет индуцироваться напряжение.

Передаточное число.

Фарадей также рассчитал, что напряжение, индуцированное во вторичной обмотке, будет иметь величину, которая зависит от ОТНОШЕНИЯ ОБОРОТОВ трансформатора. т.е. если вторичная обмотка имеет половину числа витков первичной обмотки, то вторичное напряжение будет вдвое меньше напряжения на первичной обмотке.Аналогичным образом, если вторичная обмотка имеет в два раза больше витков первичной обмотки, вторичное напряжение будет в два раза больше первичного напряжения.

Коэффициент мощности.

Поскольку трансформатор является пассивным компонентом (у него нет внешнего источника питания), он не может выдавать больше мощности из вторичной обмотки, чем подается на первичную обмотку. Следовательно, если вторичное напряжение больше первичного напряжения на определенную величину, вторичный ток будет меньше первичного тока на аналогичную величину, т.е.е. Если напряжение увеличится вдвое, ток уменьшится вдвое.

Рис. 11.1.1 Основные операции трансформатора.

Коэффициент трансформации.

Функционирование базового трансформатора

можно описать двумя формулами, связывающими коэффициент трансформации с числом витков обмоток трансформатора.

• В _P = первичное напряжение.
• I _P = первичный ток.
• В _S = вторичное напряжение.
• I _S = вторичный ток.
• N _P = количество витков первичной обмотки.
• N _S = количество витков вторичной обмотки.

Потери трансформатора.

Формулы на рис. 11.1.1 относятся к идеальному трансформатору, то есть трансформатору без потерь мощности, в котором первичный вольт-ампер = вторичный вольт-ампер.

Хотя практические трансформаторы могут быть чрезвычайно эффективными, некоторые потери будут происходить, потому что не весь магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, будет связываться со вторичной обмоткой.Потери мощности, возникающие в трансформаторе, бывают трех типов;

1. Потери меди.

Эти потери также можно назвать потерями в обмотке или потерями I2R, поскольку они могут возникать в обмотках, сделанных не из меди, а из других металлов. Потери проявляются в виде тепла, выделяемого в обмотках (медных) проводов, поскольку они рассеивают мощность из-за сопротивления провода.

Потери мощности в обмотке трансформатора можно рассчитать, используя ток в обмотке и ее сопротивление в формуле для мощности P = I ² R.Эта формула является причиной того, что потери в меди иногда называют потерями I ² R. Чтобы свести к минимуму потери, сопротивление обмотки должно быть низким с использованием провода подходящей площади сечения и низкого удельного сопротивления.

2. Гистерезисные потери.

Каждый раз, когда переменный ток меняет направление на противоположное (один раз в каждом цикле), крошечные «магнитные домены» в материале сердечника меняются местами. Это физические изменения в основном материале, отнимающие некоторую энергию. Количество используемой энергии зависит от «сопротивления» материала сердечника; в больших сердечниках силовых трансформаторов, где потери на гистерезис могут быть проблемой, они в значительной степени решаются за счет использования специальной стали с низким сопротивлением «ориентированной зернистостью» в качестве материала сердечника.

3. Вихретоковые потери.

Поскольку железный или стальной сердечник является электрическим проводником, а также магнитной цепью, изменяющийся ток в первичной обмотке будет иметь тенденцию создавать ЭДС внутри сердечника, а также во вторичной обмотке. Токи, индуцируемые в сердечнике, будут противодействовать изменениям магнитного поля, происходящим в сердечнике. По этой причине эти вихревые токи должны быть как можно меньше. Это достигается разделением металлического сердечника на тонкие листы или «пластинки», каждый из которых изолирован от других изолирующим слоем лака или оксида.Ламинированные сердечники значительно уменьшают образование вихревых токов, не влияя на магнитные свойства сердечника.

Ферритовые сердечники.

В высокочастотных трансформаторах потери на вихревые токи уменьшаются за счет использования сердечника из керамического материала, содержащего большую часть мельчайших металлических частиц, железной пыли или марганцево-цинка. Керамика изолирует металлические частицы друг от друга, давая аналогичный эффект ламинатам и лучше работая на высоких частотах.

Благодаря способам уменьшения потерь, описанным выше, практические трансформаторы по своим характеристикам почти полностью приближаются к идеальным.В мощных силовых трансформаторах может быть достигнут КПД около 98%. Поэтому для большинства практических расчетов можно предположить, что трансформатор является «идеальным», если не указаны его потери. Фактические вторичные напряжения в практическом трансформаторе будут лишь немного меньше, чем рассчитанные с использованием теоретического коэффициента трансформации.

Ток выключения.

Поскольку трансформатор работает почти идеально, мощность как в первичной, так и во вторичной обмотках одинакова, поэтому, когда на вторичную обмотку не подается нагрузка, вторичный ток не течет, а мощность во вторичной обмотке равна нулю (V x I = 0).Следовательно, несмотря на то, что к первичной обмотке приложено напряжение, ток не будет течь, поскольку мощность в первичной обмотке также должна быть равна нулю. В практических трансформаторах «ток холостого хода» в первичной обмотке на самом деле очень низкий.

Вольт на оборот.

Трансформатор с первичной обмоткой на 1000 витков и вторичной обмоткой на 100 витков имеет соотношение витков 1000: 100 или 10: 1. Следовательно, 100 вольт, приложенное к первичной обмотке, создаст вторичное напряжение 10 вольт.

Другой способ измерения напряжения трансформатора — вольт / виток; если 100 вольт, приложенное к 1000 витков первичной обмотки, дает 100/1000 = 0.1 вольт на виток, тогда каждый отдельный виток 100-витковой вторичной обмотки будет производить 0,1 В, поэтому общее вторичное напряжение будет 100 × 0,1 В = 10 В.

Тот же метод можно использовать для определения значений напряжения, возникающего на отдельных ответвлениях автотрансформатора, если известно количество витков на ответвление.

Просто разделите общее напряжение всей обмотки на общее количество витков и умножьте этот результат на количество витков в конкретном ответвлении.

Идеальный трансформатор | Элементарная теория идеального трансформатора

3. Среда без потерь и, следовательно, энергия не тратится впустую.

4. Имеется значительный поток утечки.

5. Очень трудно направить линии потока так, как мы хотим, поскольку вся среда однородна.

Если вторичная обмотка не нагружена, энергия, запасенная в магнитном поле, возвращается к источнику, когда поток схлопывается. Если вторичная обмотка подключена к нагрузке, то часть мощности от источника доставляется в нагрузку через магнитные поля. поле как ссылка.Среда не поглощает и не теряет энергию.
Мощность требуется для создания поля, а не для его поддержания. Поскольку потери в обмотке можно сделать очень небольшими за счет правильного выбора материала, идеальный КПД трансформатора приближается к 100%. Большое значение тока намагничивания является основным. Однако, если теперь ввести кусок магнитного материала, чтобы сформировать магнитную цепь (рисунок (b)), ситуация резко изменится. Их можно перечислить, как показано ниже.

1. Из-за большого значения проницаемости (µr порядка 1000 по сравнению с воздухом) потребность в токе намагничивания резко снижается. Это также можно представить как резкое увеличение потока, создаваемого для данного значения тока намагничивания.

2. Магнитная среда является линейной для низких значений индукции и проявляет нелинейность типа насыщения при более высоких плотностях потока.

3. Утюг также имеет гистерезисный тип нелинейности, из-за которого в утюге теряется определенное количество мощности (в виде гистерезисных потерь) при прохождении характеристики B-H.

4. Большинство линий потока ограничены железным трактом, и, следовательно, взаимный поток значительно увеличивается, а поток утечки значительно снижается.

5. Поток можно легко «направить», поскольку он проходит через сталь, что дает разработчикам большую свободу в физическом расположении обмоток возбуждения и выхода.

6. Поскольку среда сделана из проводящего материала, в нем индуцируются вихревые токи, вызывающие потери. Это называется «вихретоковыми потерями».Чтобы свести к минимуму потери на вихревые токи, стальной сердечник должен иметь форму пакета изолированных пластин.

Из вышесказанного видно, что введение магнитного сердечника для переноса потока привело к еще двум потерям. К счастью, потери из-за гистерезиса и вихревых токов для доступных марок стали очень малы на промышленных частотах. потери в обмотке из-за тока намагничивания уменьшаются до почти незначительной доли потерь при полной нагрузке.Следовательно, стальной сердечник используется в силовых трансформаторах .

Чтобы лучше понять поведение трансформатора, сначала делаются определенные идеализации и изучается полученный в результате идеальный трансформатор . Эти идеализации заключаются в следующем:

1. Магнитная цепь является линейной и имеет бесконечную магнитную проницаемость. Следствием этого является то, что исчезающе малый ток достаточен для установления заданного потока. Потери на гистерезис незначительны. Поскольку весь генерируемый поток ограничивается железом, нет никакого потока утечки.

2. Обмотки не имеют сопротивления. Это означает, что нет ни потерь в меди, ни омического падения в электрической цепи.

Обязательно к прочтению:

Фактически, практические трансформаторы очень близки к этой модели, и поэтому в этих предположениях не делается никаких серьезных отклонений. На рисунке ниже показан двухобмоточный идеальный трансформатор . Первичная обмотка имеет витки T1 и подключена к источнику напряжения. источник напряжения V1 В. Вторичная обмотка имеет витки T2.Вторичная обмотка может быть подключена к импедансу нагрузки для нагрузки трансформатора. Первичная и вторичная обмотки показаны на одной стороне и отдельно для ясности. На рисунке ниже показана векторная диаграмма идеального трансформатора .
Когда ток I0 amp пропускается через первичную обмотку витков T1, он устанавливает mmf в I0T1 ампер, который, в свою очередь, создает поток φ через сердечник. µA равна нулю при µ → ∞, исчезающе малого значения тока I0 достаточно, чтобы установить конечный поток.Поскольку I0 создает поле внутри трансформатора , оно называется током намагничивания трансформатора.


Этот ток является результатом синусоидального напряжения V, приложенного к первичной обмотке. Поскольку ток через контур равен нулю (или исчезающе мал), в каждый момент времени сумма напряжений внутри него должна быть равна нулю. Записав это в терминах мгновенных значений, мы получим

v1 — e1 = 0

где v1 — мгновенное значение приложенного напряжения, а e1 — наведенная ЭДС согласно принципу Фарадея.Отрицательный знак обусловлен применением закона Ленца и показывает, что он имеет форму падения напряжения. Закон Кирчо, примененный к петле, приведет к тому же результату. Это уравнение приводит к v1 = e1 или наведенная ЭДС должна быть одинаковыми по величине с приложенным напряжением в каждый момент времени.

Пусть v1 = V1peak cos ωt, где V1peak — пиковое значение, а ω = 2πft. f — частота источника питания. Ниже приведены уравнения для идеального трансформатора , полученные из наблюдений.

Поскольку v1 = e1;

e1 = dψ1 / dt, но

e1 = E1peak cos ωt

∴ E1 = V1

Легко видеть, что изменение потоковых связей может быть получено как ψ1 = ψ1peak sin ωt. Здесь пик ψ1 — это пиковое значение потоковых связей первичной обмотки.

Таким образом, среднеквадратичная первичная наведенная ЭДС равна

.


Здесь ψ1peak — пиковое значение потоковых связей первичной обмотки.Такой же взаимный поток связывает вторичную обмотку. Однако величина потоковых связей будет ψ2peak = T2 φm. Индуцированная ЭДС во вторичной обмотке может быть получена аналогично, как,




что дает отношение напряжений как



Напряжения E1 и E2 получаются одинаковым взаимным потоком и, следовательно, они синфазны. Если направление обмотки противоположно i.е. если первичная обмотка намотана по часовой стрелке, а вторичная — против часовой стрелки, тогда, если верхний вывод первой обмотки имеет максимальный потенциал, нижний вывод второй обмотки будет иметь пиковый потенциал. Аналогичная проблема возникает даже тогда, когда Направление намотки остается прежним, но две обмотки находятся на противоположных сторонах (из-за изменения направления потока).
Следовательно, в схемном представлении Transformers условное обозначение точек (рисунок ниже) принято для обозначения клемм обмоток, которые вместе идут вверх (или вниз).Это можно установить экспериментально с помощью проверки полярности на трансформаторах и . В определенный момент времени, если ток входит в клемму, отмеченную точкой, он намагничивает сердечник. Точно так же ток, выходящий из клеммы с точкой, размагничивает основной. Пока что рассматривается ненагруженный идеальный трансформатор . Если теперь сопротивление нагрузки ZL подключено к клеммам вторичной обмотки, ток нагрузки будет протекать, как показано на рисунке (c) выше.Этот ток нагрузки создает размагничивающую MMF, и поток имеет тенденцию к коллапсу. Однако первичная обмотка сразу же обнаруживает это, поскольку оба E2 и E1 имеют тенденцию к коллапсу. Ток, потребляемый от источника питания, увеличивается до точки, когда поток в сердечнике восстанавливается. Размагничивающая MMF, создаваемая вторичной обмоткой, нейтрализуется дополнительным намагничивающим MMF, создаваемым первичной обмоткой, оставляющей МДС и магнитный поток в сердечнике, как в случае холостого хода. Таким образом, трансформатор работает в режиме постоянной наведенной ЭДС. .Таким образом,


Если исходные направления для двух токов выбраны, как на рисунке выше, то приведенное выше уравнение можно записать в векторной форме как,




Таким образом, коэффициент трансформации напряжения и тока обратны друг другу. Если сопротивление ZL подключено к вторичной обмотке,

Входное сопротивление в таких условиях составляет

Ом.

ECE 449 — Лаборатория 8: Соединения трансформаторов Скотта

Цели

1. Для получения сбалансированного двухфазного питания от трехфазного источника путем размещения двух однофазных трансформаторов по Скотту.
2. Для выполнения теста нагрузки резистора (единичный коэффициент мощности) как для сбалансированной, так и для несимметричной нагрузки и сравнения результатов теста с расчетами.
3. Для получения однофазного питания от трехфазного источника питания по схеме Скотта и проведения испытания под нагрузкой при единичном коэффициенте мощности (резистор).
4. Для наблюдения и расчета квадратуры напряжения вторичной обмотки трансформаторов.
5. Для определения фазового угла между токами вторичной нагрузки трансформаторов.

Предварительная лаборатория

Прочтите информацию ниже. Нарисуйте фазовые диаграммы для трехфазной (3φ) в двухфазной (2φ) системы преобразования с использованием отвода Скотта трансформаторов со сбалансированной и несимметричной резистивной нагрузкой (единичный коэффициент мощности).

Теория:

Подключение двух однофазных трансформаторов используется для преобразования трехфазной системы в двухфазную или наоборот. Рейтинг одного трансформатора должен быть на 15% выше, чем у другого, но на практике для взаимозаменяемости и запасных частей используются два идентичных трансформатора.Схема подключения, известная как соединения Скотта, показана на рисунке 1, отвод 50% одного трансформатора (главный трансформатор) подключен к отводу 86,6% другого трансформатора (трансформатор Teaser). Вторичные обмотки трансформаторов для сбалансированной системы питания имеют одинаковое количество витков. Рассмотрим соединение Скотта двух однофазных трансформаторов с коэффициентом поворота $ N_1: N_2 $, как показано на рисунке 1. Фазовая диаграмма линейных напряжений на первичной стороне, $ V_ {AB}, V_ {BC}, V_ {CA} $ образуют равносторонний треугольник.о) $$ (8)

Следовательно, из уравнений (4) и (8) мы можем видеть, что для сбалансированного трехфазного источника питания на первичной стороне напряжения на вторичной стороне трансформаторов равны по величине, но 90 градусов вне фаза. Таким образом, мы получили сбалансированное двухфазное питание от сбалансированного трехфазного источника питания с использованием соединения Скотта.

Если вторичные токи нагрузки равны I _a и I _b , то первичные токи могут быть получены следующим образом:

$$ I_A = \ frac {2N_2} {\ sqrt {3} N_1} I_a $$	(9)
$$ I_ {CB} = \ frac {N_2} {N_1} I_b $$	(10)
$$ I_B = -I_ {CB} — \ frac {I_A} {2} $$	(11))
$$ I_C = I_ {CB} — \ frac {I_A} {2} $$	(12)

Чтобы получить однофазное напряжение питания, закоротите отрицательную полярность трансформатора тизера и положительную полярность главного трансформатора на вторичной стороне и снимите напряжение между положительной полярностью трансформатора тизера и отрицательной полярностью основного трансформатора на вторичной стороне.2} $$ (13)

Так как $ V_a $ и $ V_b $ разнесены на 90 градусов.

В случае однофазной конфигурации вторичные токи тизера и главного трансформатора одинаковы, т.е.

Подставляя уравнение (14) в уравнения (9), (10), (11) и (12), мы можем получить токи на первичной стороне.

Оборудование

1. Два однофазных трансф. Hampden T-1000 или один трехфазный трансф.Хэмпден Т-100-3А-3φ
2. 3-фазное переменное напряжение переменного тока -Variac (в лаборатории)
3. Мультиметры (DVM)
4. Тележка с двумя резистивными нагрузками
5. Цифровой фазометр Krohn-Hite, модель 6400A
6. Два коаксиальных кабеля (разъем BNC — банан — выписка на складе (SR))
7. Силовой лабораторный бокс с кабелями и измерителем Fluke (SR)
8. Высокочувствительный зонд Fluke для измерения переменного и постоянного тока (SR)

Инжир.1. Подключение для испытания под нагрузкой с трансформаторами, подключенными Scott.

Процедура

1. Выполните проверку полярности двух однофазных обмоток, подав максимальное напряжение 20 В _pk-pk (≈ 7,07 В среднекв.) На одну из обмоток первичной стороны трансформатора. Отображение и запись на двухканальном осциллографе сигналов напряжения и полярности сдвига фаз первичной и вторичной обмоток.
Трансформатор
2. Experiment имеет четыре основные обмотки.Создайте понижающий трансформатор с соотношением 2: 1, соединив две первичные обмотки последовательно и две вторичные обмотки. Трансформатор Hampden T-1000 рассчитан на 1,0 кВА. Номинальный ток для стороны высокого напряжения (H) составляет 4,16 А и 8,32 А для стороны низкого напряжения (X). Аналогичным образом, Hampden T-100-3A-3φ рассчитан на 120 ВА с номинальным током стороны высокого напряжения (H) 0,5 А и соответствующим номинальным током стороны низкого напряжения (X) 1 А.
3. Подключите цепь, как показано на рисунке 1, для преобразования трехфазного (3φ) в двухфазное (2φ).Каждый трансформатор имеет на стороне высокого напряжения (H) обмотку с ответвлением 32 В для обеспечения ответвления Скотта (86,6%) двух последовательно соединенных обмоток.
4. Однофазная нагрузка на вторичных сторонах тизера и главного трансформатора должна быть выполнена путем последовательного соединения трех блоков резисторов тележки резистивной нагрузки, чтобы иметь больше комбинаций нагрузок при номинальных токах трансформаторов.
5. Без нагрузки на вторичных сторонах включите автоматический выключатель (CB) AC Variac для подачи напряжения на первичной стороне трансформаторов.Постепенно отрегулируйте напряжение питания до 120 В _{среднеквадратического значения} L-L (между фазами), наблюдая, как токи первичной обмотки не превышают номинальные. Запишите напряжения на первичной и вторичной сторонах тизерного и главного трансформаторов, включая напряжение $ V_ {AM} $ на выводах тизера.
6. Используйте цифровой фазомер Krohn-Hite модели 6400A с соответствующими настройками уровня напряжения и формы сигнала для измерения соотношения фазового угла между напряжениями на вторичной стороне трансформаторов.
7. Пуск со сбалансированной нагрузкой на вторичной стороне (Z _L1 = Z _L2 ). Запишите все показания амперметра и вольтметра с обеих сторон трансформаторов. Повторите это еще для 5 подходов со сбалансированной нагрузкой. ( Примечание : Следите за тем, чтобы первичный и вторичный токи не превышали соответствующий номинальный ток трансформатора.)
8. Используется последний комплект нагрузок. Отображение и запись осциллограмм фазового сдвига между вторичными токами тизера и главного трансформатора на двухканальном осциллографе.Чтобы убедиться в этом, вы должны использовать два датчика переменного тока, каждый из которых подключен к двухканальному осциллографу и измеряет один вторичный ток тизерного трансформатора ( Ia ), а другой измеряет вторичный ток основного трансформатора ( Ib ). Измерьте и запишите с помощью осциллографа временную задержку между двумя сигналами.
9. Теперь подайте несимметричную нагрузку на вторичную обмотку (Z _L1 ≠ Z _L2 ) и запишите все показания вольтметра и амперметра с обеих сторон трансформаторов.Повторите это еще для 5 подходов с несбалансированной нагрузкой. ( Примечание : Следите за тем, чтобы первичный и вторичный токи не превышали соответствующий номинальный ток трансформатора.)
10. Используется последний комплект нагрузок. Отображение и запись осциллограмм фазового сдвига между вторичными токами тизера и главного трансформатора на двухканальном осциллографе. Чтобы убедиться в этом, вы должны использовать два датчика переменного тока, каждый из которых подключен к двухканальному осциллографу и измеряет один вторичный ток тизерного трансформатора ( Ia ), а другой измеряет вторичный ток основного трансформатора ( Ib ).Измерьте и запишите с помощью осциллографа временную задержку между двумя сигналами.
11. Отключить напряжение питания в цепи (AC Variac).
12. Для преобразования трехфазной в однофазную закоротите сторону отрицательной полярности тизерного трансформатора и сторону положительной полярности главного трансформатора в предыдущей схеме (рис. 1).
13. Используйте одну из тележек с резистивной нагрузкой из шага 4, подключенную к положительной полярности тизера и отрицательной полярности главного трансформатора.( Примечание : однофазное напряжение выше, чем вторичное напряжение при двухфазном преобразовании (уравнение 13)). При необходимости подключите две нагрузки последовательно, чтобы номинальное напряжение нагрузки было больше или равным однофазному напряжению.
14. Без нагрузки на вторичной стороне включите автоматический выключатель (CB) AC Variac для подачи напряжения на первичной стороне трансформаторов. Постепенно отрегулируйте напряжение питания до 120 В _{среднеквадратического значения} L-L (между фазами), следя за тем, чтобы токи первичной обмотки не превышали номинальные.
15. Подайте 5 или 6 комплектов нагрузки на вторичную обмотку трансформатора и запишите все показания вольтметра и амперметра с обеих сторон трансформатора. ( Примечание : Следите за тем, чтобы первичный и вторичный токи не превышали соответствующий номинальный ток трансформатора.)

Обсуждение

1. Обсудить и пронумеровать достоинства и недостатки конфигураций трансформаторов соединений Скотт-Т.
2. Подтвердите результаты экспериментов с теоретическими прогнозами для преобразования 3φ-2φ (сбалансированная и несбалансированная нагрузка) и преобразования 3φ-1φ.
3. Рассчитайте угол сдвига фаз между вторичными токами тизера ( I _a ) и главного трансформатора ( I _b ) для сбалансированной и несбалансированной нагрузки преобразования 3φ-2φ. Данные шагов 8 и 10 Процедуры.
4. Нарисуйте фазовые диаграммы для одного набора нагрузок результатов экспериментов преобразования 3φ-2φ (сбалансированная и несбалансированная нагрузка) и преобразования 3φ-1φ.
5. Почему соединения трансформаторов Scott-T не рекомендуются в качестве соединений для применений 3φ-3φ?

Список литературы

1. Мартин Дж.Heathcote, The J&P Transformer Book , Ch.