Конспекты по электротехнике трансформаторы

Что такое трансформатор: устройство, принцип работы, схема и назначение

Может быть, кто-то думает, что трансформатор – это что-то среднее между трансформером и терминатором. Данная статья призвана разрушить подобные представления.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного электрического тока одного напряжения и определенной частоты в электрический ток другого напряжения и той же частоты.

Работа любого трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции, открытой Фарадеем.

Назначение трансформаторов

Разные виды трансформаторов используются практически во всех схемах питания электрических приборов и при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Электростанции вырабатывают ток относительно небольшого напряжения – 220, 380, 660В. Трансформаторы, повышая напряжение до значений порядка тысяч киловольт, позволяют существенно снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, а заодно и уменьшить площадь сечения проводов ЛЭП.

Непосредственно перед тем как попасть к потребителю (например, в обычную домашнюю розетку), ток проходит через понижающий трансформатор. Именно так мы получаем привычные нам 220 Вольт.

Самый распространенный вид трансформаторов – силовые трансформаторы. Они предназначены для преобразования напряжения в электрических цепях. Помимо силовых трансформаторов в различных электронных приборах применяются:

• импульсные трансформаторы;
• силовые трансформаторы;
• трансформаторы тока.

Принцип работы трансформатора

Трансформаторы бывают однофазные и многофазные, с одной, двумя или большим количеством обмоток. Рассмотрим схему и принцип работы трансформатора на примере простейшего однофазного трансформатора.

Кстати, в других статьях можно почитать, что такое фаза и ноль в электричестве.

Из чего состоит трансформатор? Во простейшем случае из одного металлического сердечника и двух обмоток. Обмотки электрически не связаны одна с другой и представляют собой изолированные провода.

Одна обмотка (ее называют первичной) подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, называемая вторичной, подключается к конечному потребителю тока.

Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, в витках его первичной обмотки течет переменный ток величиной I1. При этом образуется магнитный поток Ф, который пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС.

Бывает, что вторичная обмотка не находится под нагрузкой. Такой режимы работы трансформатора называется режимом холостого хода. Соответственно, если вторичная обмотка подключена к какому-либо потребителю, по ней течет ток I2, возникающий под действием ЭДС.

Величина ЭДС, возникающей в обмотках, напрямую зависит от числа витков каждой обмотки. Отношение ЭДС, индуцированных в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению количества витков соответствующих обмоток.

Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор – трансформатор, в котором отсутствуют потери энергии. В таком трансформаторе энергия тока в первичной обмотке полностью преобразуется сначала в энергию магнитного поля, а далее – в энергию вторичной обмотки.

Конечно, такого трансформатора не существует в природе. Тем не менее, в случае, когда теплопотерями можно пренебречь, в расчетах удобно пользоваться формулой для идеального трансформатора, согласно которой мощности тока в первичной и вторичной обмотках равны.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Потери энергии в трансформаторе

Коэффициент полезного действия трансформаторов достаточно высок. Тем не менее, в обмотке и сердечнике происходят потери энергии, приводящие к тому, что температура при работе трансформатора повышается. Для трансформаторов небольшой мощности это не представляет проблемы, и все тепло уходит в окружающую среду – используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.

В более мощных трансформаторах воздушного охлаждения оказывается недостаточно, и применяется охлаждение маслом. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В трансформаторах высоких мощностей дополнительно применяются выхлопные трубы – если масло закипает, образовавшимся газам нужен выход.

Конечно, трансформаторы не так просты, как может показаться на первый взгляд — ведь мы рассмотрели принцип действия трансформатора кратко. Контрольная по электротехнике с задачами на расчет трансформатора внезапно может стать настоящей проблемой. Специальный студенческий сервис всегда готов оказать помощь в решении любых проблем с учебой! Обращайтесь в Zaochnik и учитесь легко!

Источник

Трансформаторы

Трансформатор – это электротехническое устройство преобразующее напряжение и ток в напряжение и ток другой величины при не изменой частоте.

Простейший трансформатор состоит из двух катушек первичной и вторичной размещенных на замкнутом сердечнике выполненным из ферримагнитного материала.

Принцип работы основан на явлении взаимоиндукции, катушки между собой не имеют электрической связи, но существует электромагнитная связь. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока витки катушки создают переменное магнитное поле, которое воздействует на витки вторичной обмотки, в результате возникает ЭДС и ток во вторичной обмотке. При этом по магнитопроводу замыкается магнитный паток «Ф» (Ф=I*W).

Кстати, приобрести готовую трансформаторную подстанцию можно на сайте у нашего партнера electrograd.com.

Сердечник выполнен из листовой электротехнической стали пластины, которой изолированы друг от друга лаком.

Параметры трансформатора:

1. U1 I1 – напряжение и ток первичной обмотки
2. U2 I2 – напряжение и ток вторичной обмотки
3. W1 W2 – число витков первичной и вторичной обмотки
4. K=U1/U2=W1/W2=I2/I1 – коэффициент трансформации. Показывает во сколько раз отличаются параметры первичной и вторичной обмоток. Если K>1 значит трансформатор понижающий, K

Sтр.=U1I1=U2I2 [В*А]

КПД ɳ ≈0,98 (малые потери — 2%)

Режимы работы трансформатора

1. Рабочий – когда ко вторичной обмотке подключена нагрузка.
2. Режим холостого хода (ХХ) – в трансформаторе вторичная обмотка разорвана, а первичная подключена к сети. Применяется для измерения магнитных потерь трансформатора (ΔPмаг. = Pг+Pв).
3. Режим короткого замыкания – вторичная обмотка замкнута накоротко, а на первичную подается напряжение не более 10% от номинального значения. Резжим КЗ используется для измерения электрических потерь в трансформаторе (ΔP0)/ В процессе эксплуатации магнитные потери не изменяются, а электрические меняются.

По величине напряжения в первичной или вторичной обмотке:

б) высоковольтные (свыше 1000В)

в) 4 и т.д. (Чем больше обмоток, тем больше значений напряжения на выходе)

а) понижающие или повышающие

б) силовые общего применения

в) специального назначения:

— измерительные (напряжения или тока)

Особенностью устройства является то, что имеется только одна обмотка, размещенная на ферримагнитном сердечнике. Она является общей для первичного и вторичного напряжения. Имеется подвижный бегунок, к которому подключена вторичная сторона, этим бегунком изменяется число витков.

Достоинства:

2) широкий диапазон регулирования выходного напряжения от 0 до U1.

Трехфазный трансформатор имеет общий магнитопровод и три пары катушек.

Схемы соединения трехфазного трансформатора могут быть:

Конспект «вторичные источники питания», тема «Трансформаторы».

Источник

Лекция для колледжа по электротехнике на тему «Трансформаторы.»

Онлайн-конференция

«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Лекция 11. Устройство и принцип действия трансформатора. Режим холостого хода и короткого замыкания. Потери в трансформаторе и их определение. Рабочий режим трансформатора, КПД, коэффициент нагрузки . Внешняя характеристика .

Трансформатор – это статический магнитный прибор, который служит для изменения величины электрического напряжения в цепях переменного тока.

Если трансформатор увеличивает напряжение – повышающий.

Если трансформатор уменьшает напряжение – понижающий.

Рис. Принципиальная схема однофазного трансформатора и изображение не схеме.

Трансформатор содержит сердечник и как минимум две обмотки. Различают обмотку первичного напряжения и вторичного напряжения. Сердечник необходим для направления и усиления магнитного потока Ф. Он делается из тонких листов ферромагнитного материала. Каждая пластина покрыта электротехническим лаком для изоляции друг от друга. Это уменьшает потери от вихревых токов. Для уменьшения потерь на гистерезис магнитопровод делают из магнитомягкого материала.

Принцип работы. При подключении первичной обмотки трансформатора с количеством витков ω 1 к напряжению U 1 по обмотке начинает проходить переменный ток i 1, который создаёт в сердечнике переменный магнитный поток Ф. Магнитный поток, пронизывает витки вторичной

обмотки ω 2 и индуцирует в ней ЭДС Е 2 , которую можно использовать для питания нагрузки.

Поскольку первичная и вторичная обмотки трансформатора пронизываются одним и тем

же магнитным потоком Ф, выражения индуцируемых в обмотке ЭДС можно записать в виде

E1=4,44 f ω 1 Ф ; E2=4,44 f ω 2 Ф Это формула трансформаторной э.д.с.

,где f — частота переменного тока; ω 1, ω 2 — число витков обмоток, Ф-магнитный поток.

Соотношение Е1 к Е2 называется коэффициентом трансформации .

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА.

Первичная обмотка трансформатора подключена к напряжению и U 1 по обмотке проходит переменный ток i 1. Вторичная обмотка разомкнута. То есть i 2 =0, Z н = ∞. Трансформатор потребляет из сети энергию, которая расходуется только на потери.

Коэффициент трансформации можно определить экспериментально при режиме холостого хода, измерив напряжения на входе и выходе ненагруженного трансформатора.

Магнитный поток образуется только от тока в первичной обмотке Ф=Ф m

Величина магнитного потока пропорциональна приложенному напряжению U 1.

В этом режиме экспериментальным путем определяется коэффициент трансформации К12 и мощность потерь в магнитопроводе Δ Pст(потери в стали) .

Первичная обмотка трансформатора подключена к напряжению U 1= U 1 ном и по обмотке проходит переменный ток i 1= I 1 ном . К вторичной обмотке присоединена нагрузка 0 Z н . При этом U 2= U 2ном и i 2= I 2 ном .Трансформатор потребляет из сети энергию, которая расходуется на нагрузку и на потери.

Ток в первичной и ток во вторичной обмотке каждый создаёт свой магнитный поток Ф1 и Ф2.

Результирующий магнитный поток Ф=Ф1+Ф2

Номинальный режим – это работа трансформатора в нормальных условиях при номинальном напряжении на первичной обмотке и обеспечении номинальной мощности на нагрузке S ном.

Номинальная мощность S ном – это полная мощность, которую трансформатор, установленный на открытом воздухе, может непрерывно отдавать в процессе службы ( 20-25 лет ) при номинальном напряжении и средней температуре окружающей среды 40град С.

На каждом трансформаторе указаны номинальные значения работы трансформатора в номинальном режиме.

При увеличении тока во вторичной обмотке (увеличение нагрузки) ток в первичной обмотке увеличивается от I хх до I ном.

Введено понятие коэффициента нагрузки Кн = S / S ном . Он показывает насколько нагрузка отличается от номинальной. Трансформатор чаще работает с нагрузкой меньше номинальной.

Первичная обмотка трансформатора подключена к напряжению U 1. Во вторичной обмотке при нагрузка Z н = 0 . При этом U 2= 0 и I 2 кз » I 2 ном ;

Для большинства трансформаторов этот режим является аварийным. Очень большой ток во вторичной обмотке приводит к нагреву и разрешению.

Мощные трансформаторы помещаются в металлический бак, заполненный специальным трансформаторным маслом, которое служит для изоляции и улучшения температурного режима при коротком замыкании.

В этом режиме экспериментальным путем определяется мощность потерь в обмотках трансформатора Δ Pм (потери в меди) .

Коэффициент полезного действия трансформатора.

Преобразование электрической энергии в трансформаторе сопровождается потерями. В отличие от электрических машин трансформатор не имеет движущихся частей, поэтому механические потери отсутствуют. Имеющиеся потери обусловлены явлением гистерезиса, вихревыми токами, потоками рассеяния магнитного поля и активным сопротивлением обмоток.

Коэффициент полезного действия показывает, как отличается мощность на нагрузке от мощности, забираемой трансформатором из сети.

η = Р2 / Р1 , где Р1 – мощность из сети, Р2 – мощность потребителя ( на нагрузке ).

При этом Р1 = Р2 + Рм + Рст , где Рм – потери в меди (нагрев проводов трансформатора),

Рст- потери в стали (вихревые токи в сердечнике).

так как то

Где — коэффициент мощности — сдвиг по фазе между колебаниями напряжения U 2 и тока I 2.

Вихревые токи, возникающие в сердечнике трансформатора, замыкаясь, нагревают его и приводят к потерям энергии.

Сердечник трансформатора подвергается циклическому перемагничиванию. Магнитный поток связан с током зависимостью, выраженной петлёй гистерезиса. При этом, при каждом цикле перемагничивания сердечника затрачивается работа, пропорциональная площади петли гистерезиса. Эта работа идёт на нагревание. Выбирают магнитомягкий материал для сердечника, так как площадь петли гистерезиса у такого материала маленькая.

Потоки рассеяния в сердечнике трансформатора создаются той частью магнитного поля, которая замыкается через воздух, а не через магнитопровод.

Активное сопротивление обмоток нагревается при прохождении тока. Для уменьшения этих потерь обмотки делают из медного провода.

Потери Рм и Рст определяют опытным путём, проводя два опыта.

Опыт холостого хода. Показывает потери в стали.

В режиме холостого хода энергия, потребления трансформатором, расходуется только на потери от вихревых токов и гистерезиса. Поэтому, если в режиме холостого хода включить в первичную цепь ваттметр, то он покажет величину этих потерь (Рст).

Опыт короткого замыкания. Показывает потери в меди.

Если вторичную обмотку трансформатора замкнуть накоротко, а на первичную обмотку подать такое напряжение, при котором токи в обмотках не превышают номинальных значений, то энергия, потребляемая трансформатором из сети, расходуется в основном на тепловые потери в проводах обмоток трансформатора.

То есть при этом опыте к первичной обмотке подводится пониженное напряжение. При этом магнитный поток очень мал. Потери в стали, зависящие от магнитного потока, тоже малы.

Поэтому, если включить в первичную цепь ваттметр, то он покажет величину этих потерь ( Рм).

Это зависимость Внешнего напряжения от тока нагрузки. U2 = f ( I2 )

При I 2 = 0 в режиме холостого хода напряжение во вторичной обмотке равно напряжению холостого хода U 2 = U хх

При увеличении тока нагрузки напряжение U 2 падает и может упасть до нуля в режиме короткого замыкания.

U н и I н – это напряжение и ток при номинальной нагрузке.

Трехфазные трансформаторы. Автотрансформато ры, измерительные трансформаторы тока и напряжения.

В линиях электропередачи используют в основном трехфазные силовые трансформаторы.

Магнитопровод трехфазного трансформатор имеет три стержня. На каждом стержне размещены две обмотки одной фазы. Принцип работы и электромагнитные процессы в трехфазном трансформаторе аналогичны однофазным трансформаторам. Особенностью трехфазного трансформатора является зависимость коэффициента трансформации линейных напряжений от способа соединения обмоток.

Рис. а) Принципиальная схема трёхфазного трансформатора, б) размещение обмоток на сердечнике трехфазного, в) маркировка выводов на крышке бака трансформатора.

Рис. Способы соединения обмоток трёхфазного трансформатора.

Применяются главным образом три способа соединения обмоток трехфазного

трансформатора: 1) соединение первичных и вторичных обмоток звездой ( а); 2) соединение первичных обмоток звездой, вторичных — треугольником ( б); 3) соединение первичных обмоток треугольником, вторичных — звездой (в).

При соединении обмоток по схеме звезда — звезда

При соединении обмоток по схеме звезда — треугольник

При соединении обмоток по схеме треугольник — звезда

Таким образом, при одном и том же числе витков обмоток трансформатора можно в 3 раза увеличить или уменьшить его коэффициент трансформации, выбирая соответствующую

Автотрансформато ры, измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Автотрансформатор представляет собой трансформатор, у которого обмотка низкого напряжения является частью обмотки высокого напряжения. У однофазного автотрансформатора всего одна обмотка. В режиме холостого хода автотрансформатор ничем не отличается от обычного трансформатора. В режиме нагрузки по общей части витков протекает ток, который равен разности токов (i1- i2), так как вторичный ток ослабляет магнитный поток в сердечнике (т. е. соответствующий магнитный поток имеет знак, противоположный знаку потока, создаваемого

Чаще всего автотрансформаторы изготавливают со скользящим контактом, что позволяет плавно регулировать выходное напряжение в широких пределах. Примером может служить лабораторный автотрансформатор (ЛАТР).

Рис. Принципиальная схема автотрансформатора.

У автотрансформатора часть витков первичной обмотки используется в качестве вторичной обмотки, поэтому помимо магнитной связи имеется электрическая связь между первичной и вторичной цепями. В соответствии с этим энергия из первичной цепи во вторичную передается как с помощью магнитного потока, замыкающегося по магнитопроводу, так и непосредственно по проводам.

С помощью автотрансформатора можно выбрать необходимое соотношение ω 1 и ω 2.

Автотрансформаторы применяют для пуска мощных двигателей переменного тока, регулирования напряжения в осветительных сетях, а также в других случаях, когда необходимо

регулировать напряжение в небольших пределах.

Измерительные трансформаторы напряжения и тока используют для включения измерительных приборов. Это позволяет расширить пределы измерения приборов переменного тока – вольтметров и амперметров.

а) б)

Рис. а) Схема включения и условное обозначение измерительного трансформатора тока; б)Схема включения и условное обозначение измерительного трансформатора напряжения.

К источникам питания сварочных аппаратов предъявляются специфические требования:

при заданной мощности они должны создавать большие токи в нагрузке, причем резкое изменение сопротивления нагрузки не должно существенно сказываться на значении сварочного тока. Относительно невысокие напряжения при больших токах обеспечивают не только

эффективное тепловыделение в сварочном контакте, но и безопасность сварщика, работающего

обычно среди металлических конструкций с высокой электропроводностью.

Рис. а) Принципиальная схема сварочного аппарата, б) выходная характеристика U 2= f ( I 2)

Напряжение первичной обмотки U 1 = 220В или 380В.

Напряжение во вторичной обмотке U 2 меняется от U 2дуги=60÷70 В до U 2=0 В

РК-реактивная катушка, δ – зазор в магнитной цепи дросселя. Служит для изменения индуктивного сопротивления обмоток трансформатора. Это приводит к изменению сварочного тока. На рисунке кривая (1) — I 1= Imin и кривая (2) — I 1= Im ах.

При работе трансформатора происходят частые скачки от I хх до I кз. Дополнительное сопротивление дросселя обеспечивает устойчивое горение дуги.

Источник