Устройство и принцип работы трансформатора

Для преобразования электрического напряжения одной величины в электрическое напряжение другой величины, то есть для преобразования электрической мощности, применяют электрические трансформаторы.

Трансформатор может преобразовывать лишь переменный ток в переменный ток, поэтому для получения постоянного тока, переменный ток с трансформатора при необходимости выпрямляют. Для этой цели служат выпрямители.

Так или иначе, любой трансформатор (будь то трансформатор напряжения, трансформатор тока или импульсный трансформатор) работает благодаря явлению электромагнитной индукции, которое проявляет себя во всей красе именно при переменном или импульсном токе.

В простейшем виде однофазный трансформатор состоит всего из трех основных частей: ферромагнитного сердечника (магнитопровода), а также первичной и вторичной обмоток. В принципе обмоток у трансформатора может быть и больше двух, но минимум их две. В некоторых случаях функцию вторичной обмотки может нести на себе часть витков первичной обмотки (см. виды трансформаторов), но подобные решения встречаются достаточно редко по сравнению с обычными.

Главная часть трансформатора — ферромагнитный сердечник. Когда трансформатор работает, то именно внутри ферромагнитного сердечника присутствует изменяющееся магнитное поле. Источником изменяющегося магнитного поля в трансформаторе служит переменный ток первичной обмотки.

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора

Известно, что любой электрический ток сопровождается магнитным полем, соответственно переменный ток сопровождается переменным (изменяющимся по величине и направлению) магнитным полем.

Таким образом, подав в первичную обмотку трансформатора переменный ток, получим изменяющееся магнитное поле тока первичной обмотки. А чтобы магнитное поле было сконцентрировано главным образом внутри сердечника трансформатора, данный сердечник изготавливают из материала с высокой магнитной проницаемостью, в тысячи раз большей чем у воздуха, чтобы основная часть магнитного потока первичной обмотки замкнулась бы именно внутри сердечника, а не по воздуху.

Таким образом переменное магнитное поле первичной обмотки сконцентрировано в объеме сердечника трансформатора, который изготавливают из трансформаторной стали, феррита или другого подходящего материала, в зависимости от рабочей частоты и назначения конкретного трансформатора.

Вторичная обмотка трансформатора находится на общем сердечнике с его первичной обмоткой. Поэтому переменное магнитное поле первичной обмотки пронизывает также и витки вторичной обмотки.

А явление электромагнитной индукции как раз и заключается в том, что изменяющееся во времени магнитное поле наводит в пространстве вокруг себя изменяющееся электрическое поле. И поскольку в данном пространстве вокруг изменяющегося магнитного поля находится провод вторичной обмотки, то индуцированное переменное электрическое поле действует на носители заряда внутри этого провода.

Данное действие электрическим полем вызывает в каждом витке вторичной обмотки ЭДС. В результате между выводами вторичной обмотки появляется переменное электрическое напряжение. Когда вторичная обмотка включенного в сеть трансформатора не нагружена, трансформатор работает в режиме холостого хода.

Работа трансформатора под нагрузкой

Если же ко вторичной обмотке работающего трансформатора подключена некая нагрузка, то во всей вторичной цепи трансформатора возникает ток через нагрузку.

Данный ток порождает свое собственное магнитное поле, которое, по закону Ленца, имеет такое направление, что противодействует «причине, его вызывающей». То есть магнитное поле тока вторичной обмотки в каждый момент времени стремится уменьшить увеличивающееся магнитное поле первичной обмотки или же стремится поддержать магнитное поле первичной обмотки когда оно уменьшается, оно всегда направлено навстречу магнитному полю первичной обмотки.

Таким образом, когда вторичная обмотка трансформатора нагружена, в его первичной обмотке возникает противо-ЭДС, заставляющая первичную обмотку трансформатора потреблять из питающей сети больше тока.

Соотношение витков первичной N1 и вторичной N2 обмоток трансформатора определяет соотношение между его входным U1 и выходным U2 напряжениями и входным I1 и выходным I2 токами, при работе трансформатора под нагрузкой. Данное соотношение называется коэффициентом трансформации трансформатора:

Коэффициент трансформации больше единицы если трансформатор понижающий, и меньше единицы — если трансформатор повышающий.

Трансформатор напряжения является разновидностью понижающего трансформатора, предназначенной для гальванической развязки цепей высокого напряжения от цепей низкого напряжения.

Обычно, когда речь идет о высоком напряжении, имеют ввиду 6 и более киловольт (на первичной обмотке трансформатора напряжения), а под низким напряжением понимают величины порядка 100 вольт (на вторичной обмотке).

Такой трансформатор применяется, как правило, для измерительных целей. Он понижает, например, высокое напряжение линии электропередач до удобного для измерения низковольтного напряжения, при этом может также гальванически изолировать цепи измерения, защиты, управления, — от высоковольтной цепи. Трансформатор данного типа обычно работает в режиме холостого хода.

Трансформатором напряжения можно назвать в принципе и любой силовой трансформатор, применяемый для преобразования электрической мощности.

У трансформатора тока первичная обмотка, состоящая обычно всего из одного витка, включается последовательно в цепь источника тока. Данным витком может выступать участок провода цепи, в которой необходимо измерить ток.

Провод просто продевается через окно сердечника трансформатора и становится этим самым единственным витком — витком первичной обмотки. Вторичная же его обмотка, имеющая много витков, подключается к измерительному прибору, отличающемуся малым внутренним сопротивлением.

Трансформаторы данного типа используются для измерения величин переменного тока в силовых цепях. Здесь ток и напряжение вторичной обмотки оказываются пропорциональны измеряемому току первичной обмотки (токовой цепи).

Трансформаторы тока широко применяются в устройствах релейной защиты электроэнергетических систем, поэтому обладают высокой точностью. Они делают измерения безопасными, так как гальванически надежно изолируют измерительную цепь от первичной цепи (обычно высоковольтной — десятки и сотни киловольт).

Данный трансформатор предназначен для преобразования тока (напряжения) импульсной формы. Короткие импульсы, обычно прямоугольные, подаваемые на его первичную обмотку, заставляют трансформатор работать практически в режиме переходных процессов.

Такие трансформаторы используются в импульсных преобразователях напряжения и других импульсных устройствах, а также в качестве дифференцирующих трансформаторов.

Применение импульсных трансформаторов позволяет снизить вес и стоимость устройств, в которых они применяются просто в силу повышенной частоты преобразования (десятки и сотни килогерц) по сравнению с сетевыми трансформаторами, работающих на частоте 50-60 Гц. Прямоугольные импульсы, у которых длительность фронта много меньше длительности самого импульса, нормально трансформируются с малыми искажениями.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Номинальное первичное и вторичное напряжения трансформатора

Номинальным первичным напряжением трансформатора называется такое напряжение, которое, необходимо подвести к его первичной обмотке, чтобы на зажимах разомкнутой вторичной обмотки получить вторичное номинальное напряжение, указанное в паспорте трансформатора.

Номинальным вторичным напряжением называют напряжение, которое устанавливается на зажимах вторичной обмотки при холостом ходе трансформатора (к зажимам первичной обмотки подведено напряжение, а вторичная обмотка разомкнута) и при подведении к первичной обмотке номинального первичного напряжения.

Напряжение на вторичной обмотке при нагрузке изменяется, так как ток нагрузки создает падение напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях обмотки. Это изменение вторичного напряжения зависит не только от величины тока и сопротивлений обмотки, но и от коэффициента мощности нагрузки (рис. 1). Если трансформатор нагружен чисто активной мощностью (рис. 1, а), то напряжение по сравнению с другими вариантами меняется в меньших пределах.

На векторной диаграмме Е2 — ЭДС. во вторичной обмотке трансформатора. Вектор вторичного напряжения будет равен геометрической разности:

где I2 — вектор тока во вторичной обмотке; X тр и R тр — соответственно индуктивное и активное сопротивления вторичной обмотки трансформатора.

При индуктивной нагрузке и при той же самой величине тока напряжение снижается в большей степени (рис. 1,б). Это связано с тем, что вектор I2 х X тр отстающий от тока на 90°, в этом случае более круто повернут навстречу вектору Е2 , чем в предыдущем. При емкостной нагрузке увеличение тока нагрузки вызывает повышение напряжения на обмотке трансформатора (рис. 2, в). В этом случае вектор I2 х X тр по длине равный аналогичному вектору в первых двух случаях и также отстающий от тока на 90°, благодаря емкостному характеру этого тока оказывается повернутым вдоль вектора Е2 , и увеличивает длину U2 по сравнению с Е2 .

Рис. 1. Изменение вторичного напряжения трансформатора U2 в зависимости от коэффициента мощности нагрузки (угла φ): а — при активной нагрузке; б — при индуктивной нагрузке; в — при емкостной нагрузке; Е2 — ЭДС. во вторичной обмотке трансформатора; I2 — ток во вторичной обмотке (ток нагрузки); I0 — намагничивающий ток трансформатора; Ф — магнитный поток в сердечнике трансформатора; Rтр Xтр. — активное и индуктивное сопротивления вторичной обмотки.

В процессе эксплуатации необходимо регулировать величину напряжения на обмотке трансформатора. Это достигается изменением числа витков обмотки высокого напряжения. Меняя число витков этой обмотки, включенных в цепь высокого напряжения, можно менять коэффициент трансформации в пределах от ±5 до ±7,5% номинального значения.

Схема отводов от обмоток с простым переключением представлена на рисунке 2. В соответствии с этими отводами в паспорте указано минимальное высокое напряжение, номинальное и максимальное. Если, например, номинальное вторичное напряжение трансформатора равно 10000 В, то напряжение максимальное 1,05 U н = 10500 В, а напряжение минимальное 0,95 U н = 9500 В.

Для номинального напряжения 6000 В имеем соответственно 6300 и 5700 В. Число витков обмотки высшего напряжения изменяют переключателем, контакты которого находится внутри трансформатора, а рукоятка выведена на его крышку.

Обычно для трансформаторов, которые устанавливаются вблизи понизительной подстанции 35/10 кВ или повышающей 0,4/10 кВ, коэффициент трансформации принимают равным 1 ,05х K н , то есть ставят переключатель отводов в положение +5%. Если потребительская подстанция удалена от районной, в линии электропередачи возникает значительная потеря напряжения, поэтому переключатель ставят в положение -5%. Трансформатор в средней точке линии электропередачи устанавливают на номинальный коэффициент трансформации (рис.3).

Рис. 2. Схема отводов от части витков для измерения коэффициента трансформации на ±5%

Рис. 3. Установка переключателя витков трансформатора в зависимости от удаления потребительской трансформаторной подстанции от питающей районной подстанции.

В настоящее время промышленность освоила выпуск силовых трансформаторов поной шкалы мощностей 25, 40, 63, 100, 160, 250, 400 кВА и т. д. Для регулирования напряжения новые трансформаторы снабжены устройствами ПБВ пли РПН. ПБВ означает: переключение обмоток без возбуждения, то есть при выключенном трансформаторе.

Отпайки от обмоток позволяют посредством их переключения менять напряжение в пределах от -5 до +5% через каждые 2,5%. РПН означает: регулирование напряжения под нагрузкой (автоматическое). Оно позволяет регулировать напряжение в пределах от—7,5 до+7,5% шестью ступенями, или через каждые 2,5%. Такими устройствами могут обеспечиваться трансформаторы от 63 кВА и выше. Обозначение трансформатора с таким устройством — ТМН, ТСМАН.

Трехфазные трансформаторы ТМ и ТМН для трансформации энергии с 20 и 35 кВ на 0,4 кВ имеют мощности 100, 160, 250, 400 и 630 кВА.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Как правильно рассчитать количество витков трансформатора для разных типов устройств

При необходимости самостоятельно изготовить устройство питания электронной аппаратуры вопрос, как самостоятельно рассчитать количество витков трансформатора и как определить данные для проводов первичной и вторичных обмоток, стоит наиболее часто.

Правильный расчет возможен при наличии исходных данных по характеристикам мощности потребителей, напряжений входа и выхода. показатели массы и габаритов устройства, также могут накладывать ограничения.

На что влияет количество витков в трансформаторе

Если говорить о вторичных обмотках трансформатора, то значение числа витков в них в основном влияет на выходное напряжение. Сложнее все обстоит с первичной обмоткой, поскольку напряжение на ней задано питающей сетью. Параметры первичная обмотка оказывают влияние на ток холостого хода, а, следовательно, на коэффициент полезного действия. При изменении параметров первичной обмотки потребуется перерасчет всех вторичных обмоток.

Методика расчета

Полный расчет трансформатора довольно сложен и учитывает такие параметры:

• напряжение и частоту питающей сети;
• число вторичных обмоток;
• ток потребления каждой вторичной обмотки;
• тип материала сердечника;
• массогабаритные показатели.

На бытовом уровне для изготовления устройств с питанием от стандартной сети 220В 50Гц, проектирование можно значительно упростить.

Методика не требует особенных знаний сложности, и при наличии опыта занимает немного времени.

Для расчета требуются следующие данные:

1. Количество выходов.
2. Напряжение и потребляемый ток каждой обмотки.

В основе конструирования любого трансформатора лежит суммарная мощность всех вторичных нагрузок:

Для учета потерь введено понятие габаритной мощности, для вычисления которой применяется несложная формула:

Зная мощность, можно определить сечение сердечника:

Полученное значение сечения будет выражено в квадратных сантиметрах!

Дальнейшие расчеты зависят от типа и материала выбранного сердечника. Магнитопроводы бывают следующих типов:

Также различаются и способы изготовления магнитопроводов:

• наборные – из отдельных пластин;
• витые, разрезные или сплошные.

Разрезными обычно бывают броневые или стержневые магнитопроводы, а О-образные конструктивно выполняются исключительно цельные. В этом отношении они ничем не отличаются от не разрезных стержневых сердечников.

Для определения числа витков используют следующее соотношение, показывающее, сколько необходимо витков на 1 вольт напряжения:

где К – коэффициент, который зависит от материала и типа сердечника.

Для упрощения вычислений приняты следующие значения коэффициента:

1. Для наборных магнитопроводов из Ш-или П-образных пластин К=60.
2. Для разрезных магнитопроводов К=50.
3. Для О-образных сердечников К=40.

Как видно, наименьшая длина обмоточного провода, а следовательно, и наилучшие массогабаритные показатели будут у О-образных сердечников. Кроме этого, конструкции с такими сердечниками имеют малое поле паразитного магнитного рассеивания и максимальный КПД. Их редко применяют только потому, что намотать обмотку на замкнутый сердечник трудно технически.

Зная параметр W, легко определить количество витков для каждой из обмоток:

Для учета падения напряжения на первичной обмотке, намотанной большим количеством тонкого провода, следует увеличить количество витков в ней на 5%. Особенно это касается малогабаритных конструкций малой мощности.

Можно снизить ток холостого хода, увеличив значение W для каждой из обмоток, но следует знать, что чрезмерное увеличение может привести к насыщению магнитопровода, что приведет к резкому увеличению тока холостого хода и снижению напряжения на выходе.

На заключительном этапе определяют диаметр проводников каждой обмотки. Формула расчета имеет следующий вид:

Определение диаметра обмоточного провода выполняют для всех без исключения обмоток.

Полученные значения округляют до ближайшего большего значения из стандартных диаметров проводов.

Альтернативный метод по габаритам

Ориентировочные параметры трансформатора, исходя из имеющегося в наличии сердечника, допускается определить иным путем., а затем сделать выводы о возможности дальнейшего использования.

Зная площадь сечения магнитопровода в квадратных сантиметрах, можно оценить максимальную мощность, которую способен обеспечить данный преобразователь:

Следует иметь в виду, что данная мощность является габаритной, а реальная будет иметь меньшее значение:

Обычно, при условии соответствия расчетной мощности и требуемой, первичную обмотку, подключаемую в сеть 220 В, можно оставить нетронутой, заново рассчитав только параметры на выходах.

Использование мультиметра

Используя мультиметр, можно найти данные для пересчета обмоток имеющегося трансформатора. Для этого необходимо выполнить дополнительную катушку из любого имеющегося в наличии провода. После подключения устройства в сеть необходимо измерить напряжение на дополнительной катушке. Теперь можно легко подсчитать необходимое число витков на вольт и выполнить перерасчет трансформатора под нужные требования.

Таблица количества вольт на виток

Для того, чтобы постоянно не выполнять расчеты, можно воспользоваться таблицей, в которой приведены усредненные данные обмоток в зависимости от мощности:

Мощность, P	Сечение в см 2 , S	Количество вит. /В, W	Мощность, P	Сечение в см 2 , S	Количество вит. /В, W
1	1.4	32	50	9.0	5.0
2	2.1	21	60	9.8	4.6
5	3.6	13	70	10.3	4.3
10	4.6	9.8	80	11.0	4.1
15	5.5	8.4	90	11.7	3.9
20	6.2	7.3	100	12.3	3.7
25	6.6	6.7	120	13.4	3.4
30	7.3	6.2	150	15.0	3.0
40	8.3	5.4	200	17.3	2.6

Примеры реальных расчетов

В качестве примера рассчитаем трансформатор питания для зарядного устройства. Исходные данные:

• напряжение сети – 220В;
• выходное напряжение – 14В;
• ток вторичной обмотки – 10А;

Используя выходные параметры, определяем мощность вторичной обмотки: P=14∙10=140 Вт

Габаритная мощность: P=1.25∙ 140=175 Вт.

Площадь сечения магнитопровода сердечника составит: S=√175=13.3 см 2

Наилучшими параметрами обладают конструкции, у которых сечение сердечника приближается к квадратному. Таким образом выбираем ленточный бронепровод с размерами сердечника 3.5х4 см. Его площадь равняется 14 см 2 .

Для данного сердечника К=50. Таким образом: W=50/14=3.6 вит/вольт

Для обмоток общее количество витков равняется:

• первичная обмотка n₁=220∙3.6= 792 витка;
• вторичная обмотка n₂=14∙3.6=50 витков.

Поскольку трансформатор мощный, то падение напряжения на первичной обмотке можно не учитывать.

Определяем диаметр обмоточных проводов: d₂=0.7√10=2.2 мм.

Ближайшее стандартное значение – 2.4 мм.

Для нахождения диаметра провода первичной обмотки найдем ток через нее: I=P/U=175/220=0.8А.

Данному току соответствует диаметр: d₁=0.7√0.8=0.63 мм.

Ближайшее стандартное значение имеет как раз такое значение.

Более углубленный расчет предполагает оценку коэффициента заполнения свободного окна магнитопровода. Большое значение числа вторичных обмоток может не поместиться в свободном окне, тогда необходимо будет выбрать более мощный сердечник. При слишком свободном размещении обмоток ухудшается КПД устройства, увеличивается магнитное поле рассеивания. Однако, как показывает практика, при правильном выборе сечения сердечника подобные расчеты становятся излишними.

Источник