Как действует трансформатор?

Трансформатор — это статический (т. е. без движущихся ча­стей) электромагнитный аппарат однофазный или трехфазный, в котором явление взаимоиндукции используется для преобразо­вания электрической энергии. Трансформатор преобразует пере­менный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.

Электромагнитная схема трансформатора

Электромагнитная схема трансформатора.

Трансформатор имеет несколько электрических, изолированных одна от другой обмоток: однофазный - не менее двух, трехфазный - не менее шести.

Обмотки, соединенные с источником электроэнер­гии, именуются первичными- остальные обмотки, отдающие энергию во внешние цепи, называются вторичными. На рисунке внизу схематически показаны первичная и вторичная обмотки од­нофазного трансформатора- они снабжены общим замкнутым сердечником, собранным из листовой электротехнической стали.

Ферромагнитный сердечник служит для усиления магнитной связи между обмотками, т. е. для того, чтобы большая часть магнитного потока первичной обмотки сцеплялась с витками вторичной обмотки.На рис. справа показан сердечник и шесть обмоток трехфазного трансформатора. Эти обмотки соединяются по схеме звезды или треугольника.

Для улучшения условий охлаждения и изоляции трансформа­тор помещается в бак, заполненный минеральным маслом (про­дуктом перегонки нефти). Это так называемый масляный трансформатор.

При частоте переменного тока примерно свыше 20 кГц приме­нение стального сердечника в трансформаторах нецелесообразно из-за больших потерь в стали от гистерезиса и вихревых токов.

Для высоких частот применяются трансформаторы без фер­ромагнитных сердечников — воздушные трансформа­торы.

Схема трехфазного трансформатора

Схема трехфазного трансформатора.

Если напряжение на зажимах первичной обмотки, первич­ное напряжение U1, меньше вторичного напряжения U2, то транс­форматор называется повышающим. Если же первичное на­пряжение больше вторичного, то — понижающим (U1>U2). В соответствии с относительной величиной номинального напря­жения принято различать обмотку высшего на­пряжения (ВН) и обмотку низшего напряжения (НН).

Познакомимся кратко с работой однофазного двухобмоточного трансфор­матора со стальным сердеч­ником. Его рабочий процесс и электрические соотноше­ния можно считать харак­терными в основном для всех видов трансформато­ров.

Напряжение U1, приложенное к зажи­мам первичной обмотки, создает в этой обмотке пе­ременный ток i1.Ток воз­буждает в сердечнике транс­форматора переменный маг­нитный поток Ф. Вследствие периодического изменения этого потока в обеих обмотках трансформатора индуктируются ЭДС.

е1= - w1 (?ф : ?t) и e2= - w2 (?ф :?t), где

w1 и w2 — количество витков той и другой обмоток.

Таким образом, отношение ЭДЕ, индуктируемых в обмотках, равно отношению чисел витков этих обмоток:

 е1 : e2 = w1 : w2

Это коэффициент трансформации трансформатора.

Коэффициент полезного действия трансформатора относи­тельно очень высок, в среднем порядка 98%, что позволяет при номинальной нагрузке считать приближенно одинаковыми первичную мощность, получаемую трансформатором, и вторичную мощность, им отдаваемую, т. е. p1 ? p2 или u1i1 ? u2i2, на основании чего

i1 : i2? u2 : u1? w 2 : w 1

Это отношение мгновенных значений токов и напряжений справедливо и для амплитуд, и для действующих значений:

L1: l2? w 2 : w 1?u2 : u1,

Схема распределительного трансформатора

Схема распределительного трансформатора.

т. е. отношение токов в обмотках трансформатора (при нагрузке, близкой к номинальной) можно считать обратным отношению напряжений и числу витков соответствующих обмоток. Чем меньше нагрузка, тем больше влияет ток холостого хода, и приведенное приближенное соотношение токов нарушается.

При работе трансформатора совершенно различна роль ЭДС в его первичной и вторичной обмотках. ЭДС, ей индуктируемая в первичной обмотке, возникает как противодействие цепи изменению в ней тока i1. По фазе эта ЭДС почти противоположна напряжению.

Как в цепи, содержащей индуктивность, ток в первичной о б м о тке трансформатора

i1=(u1 + e1) : r1,

где г 1 — активное сопротивление первичной обмотки.

Отсюда получаем уравнение для мгновенного значения первичного напряжения:

u1 = —e1 + i1r1 = w t(?ф : ?t) + i1r1,

которое можно прочитать как условие электрического равновесия: приложенное к зажимам первичной обмотки напряжение u1 всегда уравновешивается ЭДС и падением напряжения в активном сопротивлении обмотки (второй член относительно весьма мал).

Иные условия имеют место во вторичной цепи. Здесь ток i2 создается ЭДС e1,  играющей роль ЭДС источника тока, и при активной нагрузке r/н во вторичной цепи этот ток

i2= l2 : (r2 +r/н),

где r2— активное сопротивление вторичной обмотки.

В первом приближении воздействие вторичного тока i2 на первичную цепь трансформатора можно описать следующим образом.

Ток i2, проходя по вторичной обмотке, стремится создать в сердечнике трансформатора магнитный поток, определяемый намагничивающей силой (НС) i2w2. Согласно принципу Ленца, этот поток должен иметь направление, обратное направлению главного потока. Иначе можно сказать, что вторичный ток стре­мится ослабить индуктирующий его магнитный поток. Однако такое уменьшение главного магнитного потока Фт нарушило бы электрическое равновесие:

u1 = (-е1) + i1r1,

так как e1 пропорционально магнитному потоку.

Создается пре­обладание первичного напряжения U1, поэтому одновременно с появлением вторичного тока увеличивается первичный ток, при­том настолько, чтобы компенсировать размагничивающее дей­ствие вторичного тока и, таким образом, сохранить электрическое равновесие. Следовательно, всякое изменение вторичного тока должно вызвать соответствующее изменение первичного тока, при этом ток вторичной обмотки, благодаря относительно малому значению составляющей i1r1, почти не влияет на амплитуду и характер изменений во времени главного магнитно­го потока трансформатора. Поэтому амплитуду этого по­тока Фт можно считать практически постоянной. Такое постоян­ство Фт характерно для режима трансформатора, у которого поддерживается неизменным напряжение U1, приложенное к зажимам первичной обмотки.

Transformer - is static (.. Ie no moving parts) electromagnetic device with single or three-phase, in which the mutual phenomenon is used to convert electrical energy. A transformer converts AC power of an alternating current voltage of the same frequency but a different voltage.

Electromagnetic transformer circuit

Electromagnetic transformer circuit.

The transformer has several electrical, from each other isolated windings single phase - at least two three-phase - not less than six.

The windings are connected to a source of electricity, called pervichnymi- remaining windings, giving energy to the external circuit, called secondary. The figure below schematically shows they are provided with a common core of a closed, assembled from sheet electrical steel primary and secondary windings of a single phase transformatora-.

Ferromagnetic core serves to enhance the magnetic coupling between the windings, ie. E. To ensure that most of the magnetic flux of the primary winding turns to secondary mated obmotki.Na Fig. right shows the core and windings of the six three-phase transformer. These windings are connected in a star or triangle.

To improve the cooling conditions and the isolation transformer is placed in a tank filled with mineral oil (petroleum distillate product). This so-called oil transformer.

If the AC frequency of approximately 20 kHz over the use of the iron core in transformers is impractical due to large losses in the steel of the hysteresis and eddy currents.

For high frequency transformers are used without a ferromagnetic core - air transformers.

Diagram of three-phase transformer

Scheme three phase transformer.

If the voltage at the terminals of the primary winding, the primary voltage U1, lower secondary voltage U2 the transformer is called a step-up. If the initial voltage is greater than the secondary, then - lowering (U1> U2). According to the relative value of the nominal voltage to distinguish between the high-voltage winding (HV) and low voltage winding (LV).

Briefly get acquainted with the work of a single-phase two-winding transformer with a steel core. His working process and power relations can be regarded as characteristic mainly for all kinds of transformers.

Voltage U1, applied to the terminals of the primary winding, this winding creates an alternating current excites i1.Tok core transformer alternating magnetic flux F. As a result of the periodic variation of the flow in both windings of the transformer are induced emf.

e1 = - w1: and e2 = - w2 (f?: t?) (f t??), where

w1 and w2 - the number of turns of both coils.

Thus, the ratio of EDU, induced in the windings, equal to the ratio of numbers of turns of these windings:

?e1: e2 = w1: w2

This ratio transformer.

efficiency ratio of the transformer is relatively very high, averaging about 98%, which allows the rated load assumed approximately the same initial capacity obtained transformer and a secondary power was given to them, t. e. p1? p2 or u1i1? u2i2, on the basis of what

i1: i2? u2: u1? 2 w: w 1

This ratio of instantaneous values of currents and voltages valid for the amplitudes and the actual values for:

L1: l2? 2 w: w 1 u2:? u1,

Scheme of distribution transformer

Driving the distribution transformer.

t. e. the ratio of the currents in the windings of the transformer (with a load close to the nominal) can be considered as the inverse relation of stress and the number of turns of the respective windings. The lower the load, the more influence the idling current, and given an approximate ratio of currents is disturbed.

When the transformer completely different role of EMF in its primary and secondary windings. EDS, it induced in the primary winding appears as a change in the counter circuit current i1 therein. In this phase of the EMF is almost the opposite of stress.

As in the circuit comprising the inductance of the current in the primary of the heel b m transformer

i1 = (u1 + e1): r1,

where r 1 - resistance primary winding.

Hence, we obtain the equation for the instantaneous value of the primary voltage:

u1 = -e1 + i1r1 = w t (f:?? t) + i1r1,

which can be read as a condition of the electrical equilibrium applied to the terminals of the primary winding voltage u1 is always balanced by the EMF and the voltage drop in the active resistance of the coil (the second term relatively very small).

Other conditions occur in the secondary circuit. There i2 current creates EMF e1, playing the role of the EMF of the current source and resistive load r / n in the secondary circuit, this current

i2 = l2: (r2 + r / n)

r2- where the resistance of the secondary winding.

In a first approximation, the secondary effects of current i2 to the primary circuit of the transformer can be described as follows.

i2 The current passing through the secondary winding, seeks to create in the transformer core flux, determined the magnetizing force (HC) i2w2. According to the principle of Lenz, the stream must have a direction opposite the direction of the main stream. Otherwise, we can say that the secondary current tends to weaken its inducing magnetic flux. However, such a reduction in the main magnetic flux Ft would violate the electrical balance:

u1 = (-e1) + I1r1,

since e1 is proportional to the magnetic flux.

Predominance generated primary voltage U1, therefore, concurrently with the introduction of the secondary current is increased primary current, though enough to compensate for the demagnetizing effect of the secondary current and, thus, maintain electrical equilibrium. Therefore, any change in the secondary current should cause corresponding variation of the primary current, with the secondary current, due to the relatively small value component i1r1, almost no effect on the magnitude and nature of the changes of the main magnetic flux of the transformer with time. Therefore, the amplitude of the flow Ft It can be considered almost constant. Such constancy Ft characteristic mode transformer, which is maintained unchanged U1 voltage applied to the terminals of the primary winding.

Трансформатор - це статичний (т. Е. Без рухомих частин) електромагнітний апарат однофазний або трифазний, в якому явище взаємоіндукції використовується для перетворення електричної енергії. Трансформатор перетворює змінний струм однієї напруги в змінний струм тієї ж частоти, але іншого напруги.

Електромагнітна схема трансформатора

Електромагнітна схема трансформатора.

Трансформатор має кілька електричних, ізольованих одна від одної обмоток: однофазний - не менше двох, трифазний - не менше шести.

Обмотки, з'єднані з джерелом електроенергії, іменуються первічнимі- інші обмотки, що віддають енергію в зовнішні ланцюги, називаються вторинними. На малюнку внизу схематично показані первинна і вторинна обмотки однофазного трансформатора- вони забезпечені загальним замкнутим сердечником, зібраним з листової електротехнічної сталі.

Феромагнітний сердечник служить для посилення магнітного зв'язку між обмотками, т. Е. Для того, щоб більша частина магнітного потоку первинної обмотки зчіплюються з витками вторинної обмоткі.На рис. праворуч показаний сердечник і шість обмоток трифазного трансформатора. Ці обмотки з'єднуються за схемою зірки або трикутника.

Для поліпшення умов охолодження та ізоляції трансформатор поміщається в бак, заповнений мінеральним маслом (продуктом перегонки нафти). Це так званий масляний трансформатор.

При частоті змінного струму приблизно понад 20 кГц застосування сталевого сердечника в трансформаторах недоцільно через великі втрат в стали від гистерезиса і вихрових струмів.

Для високих частот застосовуються трансформатори без феромагнітних сердечників - повітряні трансформатори.

Схема трифазного трансформатора

Схема трифазного трансформатора.

Якщо напруга на затискачах первинної обмотки, первинна напруга U1, менше вторинного напруги U2, то трансформатор називається що підвищує. Якщо ж первинна напруга більше вторинного, то - знижувальним (U1> U2). Відповідно до відносної величиною номінальної напруги прийнято розрізняти обмотку вищої напруги (ВН) і обмотку нижчої напруги (НН).

Познайомимося коротко з роботою однофазного двохобмотувальні трансформатора зі сталевим сердечником. Його робочий процес і електричні співвідношення можна вважати характерними в основному для всіх видів трансформаторів.

Напруга U1, прикладена до затискачів первинної обмотки, створює в цій обмотці змінний струм i1.Ток збуджує в осерді трансформатора змінний магнітний потік Ф. Внаслідок періодичного зміни цього потоку в обох обмотках трансформатора индуктируются ЕРС.

е1 = - w1 (? ф:? t) і e2 = - w2 (? ф:? t), де

w1 і w2 - кількість витків тієї та іншої обмоток.

Таким чином, ставлення Еде, індукованих в обмотках, дорівнює відношенню чисел витків цих обмоток:

 е1: e2 = w1: w2

Це коефіцієнт трансформації трансформатора.

Коефіцієнт корисної дії трансформатора щодо дуже високий, в середньому близько 98%, що дозволяє при номінальному навантаженні вважати приблизно однаковими первинну потужність, що отримується трансформатором, і вторинну потужність, їм віддається, т. Е. P1? p2 або u1i1? u2i2, на підставі чого

i1: i2? u2: u1? w 2: w 1

Це відношення миттєвих значень струмів і напруг справедливо і для амплітуд, і для діючих значень:

L1: l2? w 2: w 1? u2: u1,

Схема розподільного трансформатора

Схема розподільного трансформатора.

т. е. ставлення струмів в обмотках трансформатора (при навантаженні, близькою до номінальної) можна вважати зворотним відношенню напруг і числу витків відповідних обмоток. Чим менше навантаження, тим більше впливає струм холостого ходу, і наведене наближене співвідношення струмів порушується.

При роботі трансформатора абсолютно різна роль ЕРС в його первинної та вторинної обмотках. ЕРС, їй індукована в первинній обмотці, виникає як протидія ланцюга зміни в ній струму i1. За фазі ця ЕРС майже протилежна напрузі.

Як в ланцюзі, що містить індуктивність, струм у первинній про б м про ТКЕ трансформатора

i1 = (u1 + e1): r1,

де г 1 - активний опір первинної обмотки.

Звідси отримуємо рівняння для миттєвого значення первинного напруги:

u1 = -e1 + i1r1 = w t (? ф:? t) + i1r1,

яке можна прочитати як умова електричної рівноваги: прикладена до затискачів первинної обмотки напруга u1 завжди врівноважується ЕРС і падінням напруги в активному опорі обмотки (другий член щодо дуже малий).

Інші умови мають місце у вторинному ланцюзі. Тут струм i2 створюється ЕРС e1, що грає роль ЕРС джерела струму, і при активному навантаженні r / н у вторинному ланцюзі цей струм

i2 = l2: (r2 + r / н),

де r2- активний опір вторинної обмотки.

У першому наближенні вплив вторинного струму i2 на первинну ланцюг трансформатора можна описати таким чином.

Струм i2, проходячи по вторинній обмотці, прагне створити в осерді трансформатора магнітний потік, який визначається намагничивающей силою (НС) i2w2. Відповідно до принципу Ленца, цей потік повинен мати напрямок, протилежне напрямку головного потоку. Інакше можна сказати, що вторинний струм прагне послабити індукуючий його магнітний потік. Однак таке зменшення головного магнітного потоку Фт порушило б електричне рівновагу:

u1 = (-е1) + I1r1,

так як e1 пропорційно магнітному потоку.

Створюється переважання первинного напруги U1, тому одночасно з появою вторинного струму збільшується первинний струм, притому настільки, щоб компенсувати розмагнічуюче дію вторинного струму і, таким чином, зберегти електричне рівновагу. Отже, всяка зміна вторинного струму повинно викликати відповідну зміну первинного струму, при цьому струм вторинної обмотки, завдяки відносно малому значенню складової i1r1, майже не впливає на амплітуду і характер змін у часі головного магнітного потоку трансформатора. Тому амплітуду цього потоку Фт можна вважати практично постійною. Така сталість Фт характерно для режиму трансформатора, у якого підтримується незмінним напруга U1, прикладена до затискачів первинної обмотки.


» » » Как действует трансформатор?