Какой ток можно подавать на обмотку трансформатора?

Трансформатор

В статье собраны задачи из задачника Никуловой и Москалева по теме “трансформатор”. Теоретические сведения позволят ответить на все предлагаемые вопросы, ознакомьтесь со статьей внимательно.

Задача 1. Почему сердечники в трансформаторе делают

А)из ферромагнитной стали;

Б) не сплошными, а из тонких изолированных пластин?

1) для усиления магнитного поля и уменьшения потерь при перемагничивании;

2) для уменьшения нагрева сердечника;

3) для уменьшения силы тока во вторичной обмотке трансформатора;

4) для увеличения коэффициента передачи трансформатора.

Поскольку трансформатор работает на переменном токе, его сердечник перемагничивается 50 раз в секунду (промышленная частота тока 50 Гц). На перемагничивание (разворот доменов – таких областей, которые намагничены в одном направлении) тратится энергия. Поэтому чем легче «развернуть» домены, проще перемагнитить – тем меньше мы затратим энергии. Ферромагнитная сталь обладает как раз такими свойствами: легко перемагничивается. Кроме того, намагниченность сердечника в одном направлении означает, что он обладает собственным потоком – то есть дополнительно усиливает внешнее поле.

Как ток вызывает появление потока, так и наоборот, поток вызывает появление тока. Поэтому, когда массивный сердечник пронизывается потоком, в нем неизбежно возникнет ток. Эти токи вихревого характера, их так и называют: вихревыми. Или токами Фуко. Ток, согласно закону Джоуля-Ленца, нагревает проводник: то есть сердечник будет греться. Чтобы этого избежать, надо воспрепятствовать протеканию этого тока. Можно для этого увеличить сопротивление: добавить кремний, например (около 5 %), или разделить сердечник на пластинки, изолированные лаком.

Задача 2. Можно ли использовать трансформатор

А) для изменения постоянного напряжения,
Б) для изменения переменною напряжения?

3) можно только для повышения напряжения;
4) можно только для понижения напряжения.

ЭДС наводится только при изменении магнитного потока, поэтому трансформатор работает только на переменном токе.

Задача 3. и – напряжение и количество витков первичной обмотки трансформатора, . и -для вторичной обмотки. Можно ли использовать формулу для определения напряжения во вторичной обмотке, если трансформатор работает

А) при большой нагрузке,
В) при малой нагрузке?
1) да;

3) можно, если трансформатор небольшой мощности;

4) можно, только если трансформатор большой мощности.

Большая нагрузка – это малое сопротивление. При малом сопротивлении ток – большой. Следовательно, большой ток будет создавать большое падение напряжения на проводах обмотки. Кроме того, вырастут и потери на потоки рассеяния. Следовательно, не будет соблюдаться примерное равенство , то есть при большой нагрузке мы не можем пользоваться формулой. При малой нагрузке (большое сопротивление нагрузки, малый ток) потерями можно пренебречь и использовать формулу можно.

Задача 4. По какой из формул можно определить

Б) коэффициент трансформации?

1)

2)

3)

4)

Задача 5. Напряжение на первичной обмотке понижающего трансформатора 220 В, мощность 44 Вт. Определите силу тока во вторичной обмотке, если отношения числа витков обмоток . (Потери энергии не учитывать.)
Напряжение на вторичной обмотке будет равно

Если считать, что потерь нет, то мощность во вторичной обмотке такая же, как и в первичной, следовательно, ток будет равен

Задача 6. Выберите два верных утверждения.
1) У понижающего трансформатора провода первичной обмотки обычно имеют сечение больше, чем провода вторичной обмотки.

2) У повышающего трансформатора провода первичной обмотки обычно имеют сечение больше, чем провода вторичной обмотки.

3) У повышающего трансформатора ток в первичной обмотке больше, чем ток во вторичной обмотке.

4) У понижающего трансформатора ток в первичной обмотке больше, чем ток во вторичной обмотке.
Определим ток в первичной обмотке для предыдущей задачи:

Следовательно, для проводов первичной обмотки может быть выбран провод меньшего сечения.

Задача 7. В электрической цепи (см. рис.) уменьшают количество витков во вторичной обмотке. Как изменятся: показания первого вольтметра; показания первого амперметра; показания второго вольтметра?

Изменение количества витков во вторичной обмотке приведет к уменьшению напряжения , поэтому показания второго вольтметра уменьшатся. Соответственно, уменьшатся и показания амперметра во вторичной обмотке. Показания первого вольтметра никак не изменяются ни при каких изменениях во вторичной обмотке. А, так как при отсутствии потерь мощность трансформатора (первичной и вторичной обмоток) одна и та же, то при уменьшении мощности вторичной обмотки уменьшится и потребляемая, вследствие чего ток в первичной обмотке станет меньше.

Задача 8. Понижающий трансформатор включен в сеть с напряжением 1000 В и потребляет от сети мощность, равную 400 Вт. Каков КПД трансформатора, если во вторичной обмотке течет ток 3,8 А, а ?

Определим напряжение во вторичной обмотке:

Задача 9. Понижающий трансформатор () включен в сеть напряжением 220 В. Каково напряжение на выходе трансформатора, если сопротивление вторичной обмотки 0,3 Ом, а сопротивление полезной нагрузки 3 Ом?

Напряжение на выходе будет равно , где – падение напряжения на самой обмотке, которое равно

Вторичный ток равен

Напряжение на выходе равно:

Ответ: В.

Задача 10. На какую силу тока должен быть рассчитан провод первичной обмотки сварочного трансформатора, если во вторичной обмотке максимальное значение силы тока 100 А при напряжении 40 В? Напряжение на первичной обмотке трансформатора 380 В. Потерями мощности пренебречь.

Потерь нет, следовательно,

Ответ: А.

Задача 11. Вторичная обмотка трансформатора, имеющая 95 витков, пронизывается магнитным потоком, изменяющимся со временем через один виток по закону . Напишите формулу, выражающую зависимость ЭДС во вторичной обмотке от времени.

Избавимся от минуса и перейдем к синусу:

Задача 12. Трансформатор включен в сеть (см. рис.). Как изменятся показания приборов при увеличении полезной нагрузки (уменьшении сопротивления резистора )?

Изменение сопротивления во вторичной обмотке приведет к увеличению тока , поэтому показания второго амперметра увеличатся. Соответственно, увеличатся и показания вольтметра во вторичной обмотке. Показания первого вольтметра никак не изменяются ни при каких изменениях во вторичной обмотке. А, так как при отсутствии потерь мощность трансформатора (первичной и вторичной обмоток) одна и та же, то при увеличении мощности вторичной обмотки увеличится и потребляемая, вследствие чего ток в первичной обмотке станет больше.

Задача 13. Чтобы узнать, сколько витков содержится в первичной и вторичной обмотках трансформатора, на вторичную катушку намотали дополнительно 11 витков провода. При включении первичной обмотки в сеть напряжением 220 В вольтметр показал, что на обмотке с 11 витками напряжение равно 4,4 В, а на вторичной обмотке 12 В. Сколько витков в первичной и вторичной обмотках?

Теперь снова применим формулу, чтобы определить число витков во вторичной обмотке:

Контрольная работа по электротехнике на тему «Трансформатор»

Контрольная работа по теме»Трансформатор»

1. На каком физическом явлении основана работа трансформатора?

А. Магнитное действие тока. Б. Электромагнитная индукция . В. Тепловое действие тока. Г. Среди ответов нет правильного.

2. Какой ток можно подавать на обмотку трансформатора? а. Переменный.б. Постоянный.

А. Только а. Б. Только б. В. а и б. Г. Ни а, ни б.

3. Число витков в первичной обмотке в 2 раза меньше числа витков во вторичной обмотке. На первичную обмотку подали переменное напряжение, действующее значение которого U . Чему равно действующее напряжение на вторичной обмотке?

А. 0.Б. U /2. B . U .Г . 2 U .

4. На первичную обмотку сопротивлением r трансформатора подали переменное напряжение U 1 , на разомкнутой вторичной возникает напряжение U 2 . Напряжение на активной нагрузке с сопротивлением R , включенной ко вторичной обмотке трансформатора:

А. равно U 2 ; Б. меньше U 2 ; В. больше U 2 ; Г. ответ неоднозначен.

5. Понижающий трансформатор со 100 витками во вторичной обмотке понижает напряжение от 2 000 В до 100 В. Сколько витков в его первичной обмотке?

6. Однофазный двухобмоточный трансформатор имеет номинальные напряжения: первичное 3,5 кВ, вторичное 0,2 кВ; максимальное значение магнитной индукции в стержне магнитопровода 2,0 Тл; площадь поперечного сечения этого стержня 100 см²; коэффициент заполнения стержня сталью kc = 0,96.
Определите: число витков в обмотках трансформатора и коэффициент трансформации , если частота переменного тока в сети f = 50 Гц.

7. Трехфазный маслянный трансформатор ТМ-1200/8, мощностью 1200 кВА, имеет номинальное напряжение первичной обмотки 8 кВ; номинальное напряжение вторичной обмотки 0,4 кВ, поперечное сечение стержня магнитопровода 0,06 м², коэффициент заполнения стержня сталью 0,95.
Определите: коэффициент трансформации k, основной магнитный поток Фмакс., число витков первичной и вторичной обмотки w1; w2, номинальный фазный ток первичной и вторичной обмоток I1ном.; I2ном., если частота переменного тока в сети f = 50 Гц, а максимальное значение магнитной индукции в стержнеBмакс. = 2,5 Тл.

8. Однофазный двухобмоточный трансформатор, имеет номинальное напряжение вторичной обмотки 300 В; номинальный ток вторичной обмотки 195 А, коэффициент трансформации 17, ЭДС одного витка 6 В, коэффициент заполнения стержня сталью 0,95.
Определите: основной магнитный поток Фмакс., площадь поперечного сечения стержня Qст., число витков первичной и вторичной обмотки w1; w2, номинальное напряжение первичной обмотки U1ном., номинальный фазный ток первичной обмотки I1ном., и номинальную мощность Sном., если частота переменного тока в сети f = 50 Гц, а максимальное значение магнитной индукции в стержне Bмакс. = 1,5 Тл

Контрольная работа по теме»Трансформатор»

1. На каком физическом явлении основана работа трансформатора?

А. Тепловое действие тока. Б. Магнитное действие тока. В. Электромагнитная индукция. Г. Среди ответов нет правильного.

2. Какой ток можно подавать на обмотку трансформа тора? а. Постоянный.б. Переменный.

А. Только а. Б. Только б. В. а и б. Г. Ни а, ни б.

3. Число витков в первичной обмотке в 2 раза больше числа витков во вторичной обмотке. На первичную обмотку подали переменное напряжение, действующее значение которого U . Чему равно действующее напряжение на вторичной обмотке?

А. 0. Б . U /2. B . U . Г. 2 U .

4. На первичную обмотку сопротивлением r трансформатора подали переменное напряжение U 1 на разомкнутой вторичной возникает напряжение U 2 . Напряжение на активной нагрузке с сопротивлением R , включенной ко вторичной обмотке трансформатора:

А. уменьшится; Б. увеличится; В. не изменится; Г. ответ неоднозначен.

6. Однофазный двухобмоточный трансформатор имеет номинальные напряжения: первичное 10 кВ, вторичное 2,0кВ; максимальное значение магнитной индукции в стержне магнитопровода 1,5 Тл; площадь поперечного сечения этого стержня 400 см²; коэффициент заполнения стержня сталью kc = 0,95.
Определите: число витков в обмотках трансформатора и коэффициент трансформации , если частотапеременного тока в сети f = 50 Гц.

7. Трехфазный маслянный трансформатор ТМ-35/2, мощностью 35 кВА, имеет номинальное напряжение первичной обмотки 2 кВ; номинальное напряжение вторичной обмотки 0,2 кВ, поперечное сечение стержня магнитопровода 0,03 м², коэффициент заполнения стержня сталью 0,95.
Определите: коэффициент трансформации k, основной магнитный поток Фмакс., число витков первичной и вторичной обмотки w1; w2, номинальный фазный ток первичной и вторичной обмоток I1ном.; I2ном., если частота переменного тока в сети f = 50 Гц, а максимальное значение магнитной индукции в стержне Bмакс. =2,0 Тл.

Читать еще:  Каким инструментом нарезают наружную резьбу?

8. Однофазный двухобмоточный трансформатор, имеет номинальное напряжение вторичной обмотки 600 В; номинальный ток вторичной обмотки 200 А, коэффициент трансформации 15, ЭДС одного витка 4 В, коэффициент заполнения стержня сталью 0,95.
Определите: основной магнитный поток Фмакс., площадь поперечного сечения стержня Qст., число витков первичной и вторичной обмотки w1; w2, номинальное напряжение первичной обмотки U1ном., номинальный фазный ток первичной обмотки I1ном., и номинальную мощность Sном., если частота переменного тока в сети f = 50 Гц, а максимальное значение магнитной индукции в стержне Bмакс. = 1,5 Тл.

Что такое трансформатор тока, принцип работы, типы, схемы

В данной статье мы подробно рассмотрим что такое трансформатор тока, опишем принцип его работы, какие бывают типы, а так же расчеты и схемы трансформатора тока.

Описание и принцип работы

Трансформатор тока представляет собой тип «измерительного трансформатора», который предназначен для производства переменного тока в его вторичной обмотки, которое пропорционально току измеряется в его первичном. Трансформаторы тока уменьшают токи высокого напряжения до гораздо более низкого значения и обеспечивают удобный способ безопасного контроля фактического электрического тока, протекающего в линии электропередачи переменного тока, с использованием стандартного амперметра. Принцип работы основного трансформатора тока немного отличается от обычного трансформатора напряжения.

В отличие от трансформатора напряжения или мощности, рассматриваемого ранее, трансформатор тока состоит из одного или нескольких витков в качестве своей первичной обмотки. Эта первичная обмотка может иметь либо один плоский виток, либо катушку из сверхпрочного провода, намотанного на сердечник, либо просто проводник или шину, расположенную через центральное отверстие, как показано на рисунке. Купить трансформатор тока вы можете в популярном интернет магазине Алиэкспресс:

Из-за такого типа расположения трансформатор тока часто называют также «последовательным трансформатором», поскольку первичная обмотка, которая никогда не имеет более нескольких витков, соединена последовательно с проводником с током, питающим нагрузку.

Однако вторичная обмотка может иметь большое количество витков катушки, намотанных на многослойный сердечник из магнитного материала с малыми потерями. Этот сердечник имеет большую площадь поперечного сечения, так что создаваемая плотность магнитного потока является низкой при использовании провода с меньшей площадью поперечного сечения, в зависимости от того, какой ток должен быть понижен, когда он пытается выдать постоянный ток, независимо от подключенной нагрузки.

Вторичная обмотка будет подавать ток либо на короткое замыкание, в виде амперметра, либо на резистивную нагрузку, пока напряжение, наведенное во вторичной обмотке, не станет достаточно большим, чтобы насытить сердечник или вызвать отказ из-за чрезмерного пробоя напряжения.

В отличие от трансформатора напряжения, первичный ток трансформатора тока не зависит от тока вторичной нагрузки, а контролируется внешней нагрузкой. Вторичный ток обычно оценивается в стандартный 1 Ампер или 5 Ампер для больших значений первичного тока.

Существует три основных типа трансформаторов тока: обмоточный, тороидальный и стержневой.

  • Обмоточный трансформатор тока — первичная обмотка трансформатора физически соединена последовательно с проводником, который несет измеренный ток, протекающий в цепи. Величина вторичного тока зависит от коэффициента оборотов трансформатора.
  • Тороидальный трансформатор тока — они не содержат первичной обмотки. Вместо этого линия, по которой проходит ток, протекающий в сети, проходит через окно или отверстие в тороидальном трансформаторе. Некоторые трансформаторы тока имеют «разделенный сердечник», который позволяет открывать, устанавливать и закрывать его, не отключая цепь, к которой они подключены.
  • Трансформатор тока стержневого типа — в этом типе трансформатора тока используется фактический кабель или шина главной цепи в качестве первичной обмотки, что эквивалентно одному витку. Они полностью изолированы от высокого рабочего напряжения системы и обычно крепятся болтами к токонесущему устройству.

Трансформаторы тока могут снизить или «понизить» уровни тока с тысяч ампер до стандартного выходного сигнала с известным отношением либо к 5 А, либо к 1 А для нормальной работы. Таким образом, небольшие и точные приборы и устройства управления могут использоваться с трансформаторами тока, потому что они изолированы от любых высоковольтных линий электропередач. Существует множество применений для измерения и использования для трансформаторов тока, таких как ваттметры, измерители коэффициента мощности, защитные реле или в качестве катушек отключения в магнитных выключателях или MCB.

Конструкция и схема трансформатора тока

Обычно трансформаторы тока и амперметры используются вместе как согласованная пара, в которой конструкция трансформатора тока такова, чтобы обеспечить максимальный вторичный ток, соответствующий полномасштабному отклонению амперметра. В большинстве трансформаторов тока существует приблизительное соотношение обратных витков между двумя токами в первичной и вторичной обмотках. Вот почему калибровка трансформатора тока обычно для определенного типа амперметра.

Большинство трансформаторов тока имеют стандартную вторичную номинальную мощность 5 А, при этом первичные и вторичные токи выражаются в таком соотношении, как 100/5. Это означает, что ток первичной обмотки в 20 раз больше, чем ток вторичной обмотки, поэтому, когда в первичном проводнике протекает 100 ампер, во вторичной обмотке будет протекать 5 ампер. Трансформатор тока, скажем, 500/5, будет производить 5 А во вторичной обмотке при 500 А в первичной обмотке, что в 100 раз больше.

Увеличивая количество вторичных обмоток Ns, ток вторичной обмотки можно сделать намного меньшим, чем ток в измеряемой первичной цепи, потому что, когда Ns увеличивается, Is уменьшается пропорционально. Другими словами, число витков и ток в первичной и вторичной обмотках связаны обратно пропорционально.

Трансформатор тока, как и любой другой трансформатор, должен удовлетворять уравнению ампер-виток, и мы знаем из нашего учебника по трансформаторам напряжения с двойной обмоткой, что это отношение витков равно:

из которого мы получаем:

Коэффициент тока устанавливает коэффициент витков, и, поскольку первичный обычно состоит из одного или двух витков, тогда как вторичный может иметь несколько сотен витков, соотношение между первичным и вторичным может быть довольно большим. Например, предположим, что номинальный ток первичной обмотки составляет 100А. Вторичная обмотка имеет стандартный рейтинг 5А. Тогда соотношение между первичным и вторичным токами составляет 100А-5А или 20: 1. Другими словами, первичный ток в 20 раз больше вторичного тока.

Однако следует отметить, что трансформатор тока с номиналом 100/5 не совпадает с трансформатором с номиналом 20/1 или подразделениями 100/5. Это связано с тем, что отношение 100/5 выражает «номинальный ток на входе / выходе», а не фактическое соотношение первичных и вторичных токов. Также обратите внимание, что число витков и ток в первичной и вторичной обмотках связаны обратно пропорционально.

Но относительно большие изменения в соотношении витков трансформаторов тока могут быть достигнуты путем изменения первичных витков через окно трансформатора ток, где один первичный виток равен одному проходу, а более одного прохода через окно приводит к изменению электрического соотношения.

Так, например, трансформатор тока с отношением, скажем, 300 / 5А можно преобразовать в другой из 150 / 5А или даже 100 / 5А, пропустив основной первичный проводник через его внутреннее окно два или три раза, как показано ниже. Это позволяет более высокому значению трансформатора тока обеспечивать максимальный выходной ток для амперметра, когда используется на меньших первичных линиях тока.

Пример трансформатора тока

Трансформатор тока стержневого типа, который имеет 1 виток на своей первичной обмотке и 160 витков на своей вторичной обмотке, должен использоваться со стандартным диапазоном амперметров с внутренним сопротивлением 0,2 Ом. Амперметр необходим для полного отклонения шкалы, когда первичный ток составляет 800 А. Рассчитайте максимальный вторичный ток и вторичное напряжение на амперметре.

Напряжение через амперметр:

Выше мы видим, что, поскольку вторичная обмотка трансформатора тока подключена к амперметру с очень малым сопротивлением, падение напряжения на вторичной обмотке составляет всего 1,0 В при полном первичном токе.

Однако, если амперметр был удален, вторичная обмотка фактически разомкнута, и, таким образом, трансформатор действует как повышающий трансформатор. Это частично связано с очень большим увеличением намагничивающего потока во вторичном сердечнике, поскольку реактивное сопротивление вторичной утечки влияет на вторичное индуцированное напряжение, потому что во вторичной обмотке нет противоположного тока, чтобы предотвратить это.

Результатом является очень высокое напряжение, наведенное во вторичной обмотке, равное отношению: Vp (Ns / Np), развиваемое через вторичную обмотку. Например, предположим, что наш трансформатор тока сверху используется на трехфазной линии электропередачи напряжением 480 вольт. Следовательно:

Это высокое напряжение связано с тем, что отношение вольт на витки в первичной и вторичной обмотках практически постоянно, а поскольку Vs = Ns * Vp, значения Ns и Vp являются высокими значениями, поэтому Vs чрезвычайно велико.

По этой причине трансформатор тока никогда не следует оставлять разомкнутым или работать без нагрузки, когда через него протекает основной первичный ток, точно так же, как трансформатор напряжения никогда не должен работать при коротком замыкании. Если амперметр (или нагрузка) должен быть удален, сначала следует установить короткое замыкание на вторичных клеммах, чтобы исключить риск удара током.

Это высокое напряжение объясняется тем, что когда вторичная обмотка разомкнута, железный сердечник трансформатора работает с высокой степенью насыщения и ничто не может его остановить, он создает аномально большое вторичное напряжение, и в нашем простом примере выше это было рассчитано на 76,8 кВ ! Это высокое вторичное напряжение может повредить изоляцию или привести к поражению электрическим током при случайном прикосновении к клеммам трансформатора тока.

Ручные трансформаторы тока

В настоящее время доступно много специализированных типов трансформаторов тока. Популярный и портативный тип, который может быть использован для измерения нагрузки цепи, называется «клещами», как показано на рисунке.

Измерители зажимов открывают и закрывают вокруг проводника с током и измеряют его ток, определяя магнитное поле вокруг него, обеспечивая быстрое считывание результатов измерений, как правило, на цифровом дисплее без отключения или размыкания цепи.

Наряду с ручным зажимом типа трансформатора тока имеются трансформаторы тока с разделенным сердечником, у которых один конец съемный, поэтому нет необходимости отсоединять проводник нагрузки или шину для его установки. Они доступны для измерения токов от 100 до 5000 ампер, с квадратными размерами окна от 1 ″ до более 12 ″ (от 25 до 300 мм).

Читать еще:  Как правильно выбрать маску сварщика хамелеон?

Подводя итог, можно сказать, что трансформатор тока (ТТ) представляет собой тип измерительного трансформатора, используемого для преобразования первичного тока во вторичный ток через магнитную среду. Его вторичная обмотка обеспечивает значительно уменьшенный ток, который можно использовать для обнаружения условий сверхтока, пониженного тока, пикового или среднего тока.

Первичная катушка трансформатора тока всегда соединена последовательно с главным проводником, в результате чего ее также называют последовательным трансформатором. Номинальный вторичный ток рассчитан на 1А или 5А для простоты измерения. Конструкция может представлять собой один первичный виток, как в типах тороидальных, кольцевых или стержневых, или несколько витков первичной обмотки, как правило, для малых коэффициентов тока.

Трансформаторы тока предназначены для использования в качестве устройств пропорционального тока. Поэтому вторичная обмотка трансформаторов тока никогда не должна эксплуатироваться в разомкнутой цепи, точно так же, как трансформатор напряжения никогда не должен работать при коротком замыкании.

Очень высокое напряжение возникает в результате разомкнутой цепи вторичной цепи трансформатора тока под напряжением, поэтому их клеммы должны быть замкнуты накоротко, если амперметр должен быть удален или когда ТТ не используется перед включением питания системы.

В следующей статье о трансформаторах мы рассмотрим, что происходит, когда мы соединяем вместе три отдельных трансформатора в конфигурации «звезда» или «треугольник», чтобы получить более мощный силовой трансформатор, называемый трехфазным трансформатором, который используется для питания трехфазных источников питания.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Что такое однофазный трансформатор

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

Конструкция однофазного трансформатора

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

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

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

Конструкция однофазного трансформатора

Принцип работы

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

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

Принцип работы трансформатора

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

Режимы работы

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

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

Коэффициент трансформации

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

Формула по вычислению коэффициента трансформации

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

Виды магнитопроводов

Классификация однофазных трансформаторов

Силовой трансформатор

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

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

Трансформатор тока

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

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

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

Высоковольтный ТТ(слева) и низковольтный ТТ(справа)

Трансформатор напряжения

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

Высоковольтный ТН(слева) и низковольтный ТН(справа)

Импульсный трансформатор

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

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

Виды импульсных трансформаторов

Особенности

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

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

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

Однофазные трансформаторы

Эксплуатация

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

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

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

Что такое трансформатор?

Начиная с 19 века, трансформаторы начали приобретать все большее значение в электрике и электронике. Они остаются до сих пор обязательными элементами многих схем и есть практически в любом устройстве, которое потребляет электрический ток.

Принцип его работы основан на свойствах индукции. Трансформатор – это прибор, позволяющий регулировать ток, понижая его или наоборот, понижая. Был придуман он Фарадеем, почти 170 лет назад. Основные элементы, из которых состоит трансформатор – обмотки, которые и влияют на силу тока, тем самым изменяя его до требуемых значений.

В данной стать разобраны основные вопросы работы и устройства трансформатора. Также статье есть видеоролик и скачиваемый файл по выбранной тематике.

Что такое трансформатор

Трансформатор – это электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при той же частоте. Действие трансформатора основано на использовании явления электромагнитной индукции.

Читать еще:  Что можно использовать вместо припоя при пайке?

Переменный электрический ток (ток, который изменяется по величине и по направлению) наводит в первичной катушке переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле, наводит переменное напряжение во вторичной обмотке. Величина напряжения ЭДС зависит от числа витков в катушке и от скорости изменения магнитного поля.

Отношение числа витков первичной и вторичной обмоток определяет коэффициент трансформации:
k = w1 / w2; где:

  • w1 — число витков в первичной обмотке;
  • w2 — число витков во вторичной обмотке.

Если число витков в первичной обмотке больше чем во вторичной — это понижающий трансформатор.

Если число витков в первичной обмотке меньше, чем во вторичной — это повышающий трансформатор.

Трансформаторы без сердечника или с сердечником из высокочастотного феррита или альсифера — это высокочастотные трансформаторы ( частота выше 100 килогерц). Трансформаторы с ферромагнитным сердечником (сталь, пермаллой, феррит) – это низкочастотные трансформаторы (частота ниже 100 килогерц)

Высокочастотные трансформаторы используются в устройствах техники электросвязи, радиосвязи и др. Низкочастотные трансформаторы используются в усилительной технике звуковых частот, в телефонной связи. Особое место трансформаторы со стальным (набор из стальных листов) сердечником занимают в электротехнике. Развитие электроэнергетики напрямую зависит от мощных, силовых трансформаторов. Мощности силовых трансформаторов имеют величины от нескольких ватт до сотен тысяч киловатт и выше. Классификация типов трансформаторов представлена в таблице ниже.

Что такое силовой трансформатор

На замкнутый сердечник (магнитопровод), набранный из стальных листов, надевают две или больше, обмоток, одна из которых соединяется с источником переменного тока. Другая (или другие) обмотка соединяется с потребителем электрического тока – нагрузкой. Переменный ток, проходящий по первичной обмотке, создает в стальном сердечнике магнитный поток, который наводит в каждом витке обмотки – катушки переменное напряжение. Напряжения всех витков складываются в выходное напряжение трансформатора. Форма сердечника – магнитопровода, может быть Ш – образной, О – образной и тороидальной, в виде тора. Таким образом в силовом трансформаторе электрическая мощность из первичной обмотки передается во вторичную обмотку через магнитный поток в магнитопроводе.

Потребителей электрической энергии очень много: электрическое освещение, электронагреватели, радио и теле аппаратура, электродвигатели и многое другое. И все эти приборы требуют различные напряжения (переменные и постоянные) и разные мощности. Проблема эта легко решается с помощью трансформатора. Из бытовой сети с переменным напряжением 220 вольт можно получить переменное напряжение любой величины и , если необходимо, преобразовать его в постоянное напряжение.

Коэффициент полезного действия трансформатора довольно велик, от 0,9 до 0,98 и зависит от потерь в магнитопроводе и от магнитных полей рассеяния.
От величины электрической мощности Р зависит площадь поперечного сечения магнитопровода S.
По значению площади S определяется, при расчетах трансформатора, количество витков w на 1 вольт:

Мощность трансформатора Рс выбирается из требуемой величины нагрузки Рн плюс величина потерь в сердечнике.

Трансформаторы и их применение

Трансформатор – это устройство, служащее для повышения или понижения переменного напряжения без изменения его частоты и практически без потерь мощности. Трансформатор состоит из двух или более катушек, надетых на общий сердечник. Катушка, которая подключается к источнику переменного напряжения, называется первичной, а катушка, к которой присоединяется нагрузка (потребители электрической энергии), – вторичной. Сердечники трансформаторов изготавливаются из электротехнической стали и набираются из отдельных изолированных друг от друга пластин (для уменьшения потерь энергии вследствие возникновения в сердечнике вихревых токов).

Катушки трансформатора, как правило, содержат разное количество витков, причем большее напряжение оказывается приложено к катушке с большим числом витков. Если трансформатор используется для повышения напряжения, то обмотка с меньшим числом витков подключается к источнику напряжения, а к обмотке с большим числом витков присоединяется нагрузка. Для понижения напряжения все делается наоборот. При этом не следует забывать, что подавать на первичную обмотку можно напряжение не больше номинального (того, на которое она рассчитана).

Коэффициентом трансформации называют отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке. Он равен также отношению ЭДС в обмотках. При отсутствии потерь в обмотках коэффициент трансформации равен отношению напряжений на зажимах обмоток: k=U1/U2. Для понижающего трансформатора коэффициент трансформации больше 1, а для повышающего – меньше 1. Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. При протекании переменного тока через первичную катушку вокруг нее возникает перемененное магнитное поле и магнитный поток, который пронизывает также и вторую катушку. В результате во вторичной катушке появляется вихревое электрическое поле и на ее зажимах возникает ЭДС индукции.

Трансформатор характеризуется коэффициентом полезного действия, равным отношению мощности, выделяющейся во вторичной катушке, к мощности, потребляемой первичной катушкой от сети. У хороших трансформаторов КПД составляет 99 – 99,5%. Важным свойством трансформатора является его способность преобразовывать сопротивление нагрузки. Рассмотрим трансформатор с КПД приблизительно равным 100%. В этом случае мощность, выделяющаяся во вторичной цепи трансформатора, будет равна мощности, потребляемой первичной обмоткой от источника напряжения. Для такого трансформатора мощность, потребляемая от источника напряжения, будет чисто активной. Мощность в первичной цепи трансформатора P1=(U1 2 )/R1, а во вторичной цепи P2=(U2 2 )/R2.

Таким образом, нагрузка сопротивлением R2, подключаемая к источнику переменного напряжения через трансформатор, по мощности будет эквивалентна нагрузке сопротивлением R1, подключаемой без трансформатора. Для регулировки переменного напряжения широко применяются лабораторные автотрансформаторы. Автотрансформаторы рассчитаны на подключение к сети переменного напряжения 220 В или 127 В. Как правило, выходное напряжение автотрансформатора регулируется плавно до 250 В.

Обмотка трансформатора выполнена изолированным проводом в один слой. На участках обмотки, которых касается подвижный контакт с угольной вставкой, изоляция очищена. При перемещении контакта угольная вставка закорачивает виток провода. Однако вследствие небольшого напряжения на одном витке и заметного сопротивления угольной вставки через замкнутый виток протекает допустимый ток.

Первичная обмотка автотрансформатора является частью его вторичной обмотки и поэтому между первичной и вторичной обмоткой трансформатора имеется гальваническая связь. К вторичной обмотке автотрансформатора нельзя непосредственно подключать потребители, один из проводов которых может оказаться соединенным с землей. Такое подключение приведет к аварии или несчастному случаю. При работе с автотрансформатором запрещается заземлять вторичную цепь. Рассмотрим кратко простейший расчет маломощных трансформаторов бытовой радиоаппаратуры.

Мощность трансформатора (в Вт) численно равна квадрату площади (в см 2 ) поперечного сечения среднего стержня магнитопровода. Зная номинальную мощность трансформатора, можно найти ток в первичной обмотке при номинальной нагрузке во вторичных обмотках. Диаметр провода обмотки выбирается из расчета (2,5-3)А/мм 2 поперечного сечения провода. Для стандартных магнитопроводов, применяемых для изготовления трансформаторов, число витков на 1 вольт примерно равно частному от деления 50 на площадь поперечного сечения центрального стержня магнитопровода, выраженную в см 2 . Однако в зависимости от качества магнитопровода коэффициент может изменяться от 35 до 65.

Полное сопротивление катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником зависит от силы протекающего через нее тока. Сопротивление катушки в зависимости от силы протекающего тока сначала увеличивается, достигает максимального значения, а затем уменьшается. Нелинейное возрастание тока холостого хода в зависимости от приложенного к первичной обмотке напряжения начинается примерно с 0,8Uном. Номинальное напряжение первичной обмотки трансформатора выбирают так, чтобы ток холостого хода составлял 5-10% от номинального тока. При напряжении 1,1Uном ток холостого хода не должен превышать 20-25% номинального тока нагруженного трансформатора.

Режимы работы трансформатора

Существуют такие три режима работы трансформатора: холостой ход, режим короткого замыкания, рабочий режим. Трансформатор «на холостом ходу», когда выводы от вторичных обмоток никуда не подключены. Если сердечник трансформатора изготовлен из магнитомягкого материала, тогда ток холостого хода показывает, какие в трансформаторе происходят потери на перемагничивание сердечника и вихревые токи.

Если подключить нагрузку к вторичной обмотке, то в ней возникает ток, индуцирующий магнитный поток, направленный противоположно магнитному потоку в первичной обмотке. Теперь в первичной обмотке ЭДС источника питания и ЭДС индукции питания не равны, поэтому ток в первичной обмотке увеличивается до тех пор, пока магнитный поток не достигнет прежнего значения.

Для трансформатора в режиме активной нагрузки справедливо равенство:
U_2/U_1 =N_2/N_1 , где U2, U1 – мгновенные напряжения на концах вторичной и первичной обмоток, а N1, N2 – количество витков в первичной и вторичной обмотке. Если U2 > U1, трансформатор называется повышающим, в противном случае перед нами понижающий трансформатор. Любой трансформатор принято характеризовать числом k, где k – коэффициент трансформации.

Виды трансформаторов

В зависимости от своего применения и характеристик трансформаторы бывают нескольких видов. К примеру, в электрических сетях населенных пунктов, промышленных предприятий применяют трансформаторы силовые, основной задачей которых является понижение напряжения в сети до общепринятого – 220 В. Если трансформатор предназначен для регулировки тока, он называется трансформатор тока, а если устройство регулирует напряжение – то это трансформатор напряжения. В обычных сетях применяются однофазные трансформаторы, в сетях на три провода (фаза, ноль, заземление) нужен трехфазный трансформатор. Бытовой трансформатор, 220В предназначается для защиты бытовой техники от перепадов напряжения.

Сварочный трансформатор предназначен для разделения сварочной и силовой сети, для понижения напряжения в сети до нужной для сварки величины. Масляный трансформатор предназначается для использования в сетях с напряжением выше 6 000 Вольт. Конструкция трансформатора включает в себя: магнитопровод, обмотки, бак, а также крышки с вводами. Магнитопровод состоит из 2 листов электротехнической стали, которые изолированы друг от друга, обмотки, как правило, делают из алюминиевого или медного провода. Регулировка напряжения производится с помощью ответвления, которое соединяется с переключателем. Существует два вида переключения ответвлений: переключение под нагрузкой — РПН (регулирование под нагрузкой), а также без нагрузки, после того, как трансформатор отключен от внешней сети (ПБВ, или переключение без возбуждения). Большее распространение получил второй способ регулировки напряжения.

Говоря о видах трансформаторов, нельзя не рассказать об электронном трансформаторе. Электронный трансформатор представляет собой специализированный источник питания, который служит для преобразования напряжения 220В в 12 (24)В, при большой мощности. Электронный трансформатор намного меньше обычного, при тех же самых параметрах нагрузки.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector