Трансформатор - преобразователь электромагнитной индукции электрической энергии тока, виды и принцип работы, Симметрирующие трансформаторы

Привет, мой друг, тебе интересно узнать все про трансформатор, тогда с вдохновением прочти до конца. Для того чтобы лучше понимать что такое трансформатор, симметрирующие трансформаторы, планарный трансформатор , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электротехника, Схемотехника, Аналоговые устройства.

трансформатор – преобразователь электромагнитной индукции электрической энергии тока одной величины напряжения в электрическую энергию другой величины напряжения при f =const.

Трансформатор - это электромагнитное устройство, которое используется для передачи электрической энергии между двумя или более обмотками проводов через изменение напряжения. Он состоит из одной (автотрансформатор) или двух и более обмоток проводов, обычно обмотки с разным числом витков, обмотки называются первичной и вторичной, и магнитно-проводящего материала, как правило, сердечника.

Трансформатор – повышает безопасность эксплуатации оборудования.
Один из самых распространенных видов электротехнического оборудования. Трансформатор рассчитан на определенную частоту.

Номинальная работа трансформатора при номинальных значениях токов и напряжений, которые указываются на щитке трансформатора и в его паспорте.
Классификациятрансформаторов

рис. виды трансформаторов

Класификация трансформаторов

Трансформаторы бывают:
1. Однофазные
Понижающие и повышающие. Для питания тиристорных выпрямителей. Миниатюрные. Измерительные.

2. Трехфазные
Повышающие и понижающие.,симметрирующие
С помощью повышающих трансформаторов доводят до напряжения 10-100 кВ и передают на подстанции. На станциях напряжение понижают с помощью понижающих трансформаторов. Для получения низких напряжений 380, 220, 127 В и распределяют по приемникам.

3. низкочастотный и высокочастотный (в т.ч. и импульсный)

4. с проволочным проводом и планарный трансформатор

Сравнительные характеристики различных видов трансформаторов.

Онлайн демонстрация и симуляция работы Трансформатор в цепи переменного тока:

Открыть на весь экран Трансформатор в цепи переменного тока

Онлайн демонстрация и симуляция работы Повышающий трансформатор:

Открыть на весь экран Повышающий трансформатор

Онлайн демонстрация и симуляция работы Понижающий трансформатор:

Открыть на весь экран Понижающий трансформатор

Онлайн демонстрация и симуляция работы Трансформатор в цепи постоянного тока:

Открыть на весь экран Трансформатор в цепи постоянного тока

Внешний вид трансформатора

Применение трансформаторов:

Трансформаторы широко применяются в электроэнергетике для передачи электроэнергии, а также в различных электронных устройствах для адаптации напряжения и поддержания изоляции между цепями с разными уровнями напряжения.

• Силовые разделяющие трансформаторы, преобразующие Uсети в рабочее(трехфазные).
• Однофазные и трехфазные для питания тиристорных выпрямителей двигателей постоянного тока.
• Для питания ферроплавительных и плазменных печей. Повышающие трансформаторы с 380 В до 50 кВ – для питания электронно-лучевых установок и электрофильтров.
• Миниатюрные трансформаторы в вычислительных машинах.
• Измерительные трансформаторы U и I, для расширения пределов измерения приборов, для безопасности в цепях высокого напряжения.

Наиболее часто трансформаторы применяются в электросетях и в источниках питания различных приборов.

Поскольку потери на нагревание провода пропорциональны квадрату тока, проходящего через провод, при передаче электроэнергии на большое расстояние выгодно использовать очень большие напряжения и небольшие токи. Из соображений безопасности и для уменьшения массы изоляции в быту желательно использовать не столь большие напряжения. Поэтому для наиболее выгодной транспортировки электроэнергии в электросети многократно применяют силовые трансформаторы: сначала для повышения напряжения генераторов на электростанциях перед транспортировкой электроэнергии, а затем для понижения напряжения линии электропередач до приемлемого для потребителей уровня.

Поскольку в электрической сети три фазы, для преобразования напряжения применяют трехфазные трансформаторы, или группу из трех однофазных трансформаторов, соединенных в схему звезды или треугольника. У трехфазного трансформатора сердечник для всех трех фаз общий.

Несмотря на высокий КПД трансформатора (для трансформаторов большой мощности — свыше 99 %), в очень мощных трансформаторах электросетей выделяется большая мощность в виде тепла (например, для типичной мощности блока электростанции 1 ГВт на трансформаторе может выделяться мощность до нескольких мегаватт). Поэтому трансформаторы электросетей используют специальную систему охлаждения: трансформатор помещается в баке, заполненном трансформаторным маслом или специальной негорючей жидкостью. Масло циркулирует под действием конвекции или принудительно между баком и мощным радиатором. Иногда масло охлаждают водой. «Сухие» трансформаторы используют при относительно малой мощности.

Конструкция трансформатора.

Состоит из 2х обмоток – первичной, к которой подключают источник питания и вторичной, к которой подключают приемники и стального магнитопровода. Если вторичных обмоток много, то трансформатор называют многообмоноточным.

Конструкция трансформатора зависит от габаритов, которые определяются номинальной мощностью.

Sном = UномIном



Причем, потерями принебрегаем, тогда:



Схема замещения трансформатора:
В соответствии с принципом действия и конструкцией трансформатора следует, что его первичная и вторичная обмотки изолированы друг от друга и между ними существует только электромагнитная связь. Между токами первичным и вторичным отсутствует гальваническая связь, это усложняет процесс анализа работы трансформатора. Для упрощения анализа трансформатора используют схему замещения приведенного трансформатора. Реальный трансформатор имеет параметры: Мощность Р1, Q1, S1, cosφ2, U1, I1, R1, X1, E1 – эти параметры первичной цепи неизменны. Приводятся только параметры вторичной обмотки:



Приводятся вторичные параметры к числу витков первичной обмотки и напряжению U1

Полная схема замещения трансформатора



- R0 - активное сопротивление первичной обмотки
- R1 - активное сопротивление обусловленное магнитными потерями мощности в магнитопроводе
- R2ʹ - приведенное активное сопротивление вторичной обмотки
- X1 - индуктивное сопротивление первичной обмотки, обусловленное потоками рассеяния
- X0 - индуктивное сопротивление, обусловленное основным магнитным потоком
- X2ʹ - приведенное индуктивное сопротивление вторичной обмотки

n - коэффициент трансформации

Принцип работы

Основан на принципе электромагнитной индукции. Изменение тока в первичной обмотке создает изменяющееся магнитное поле в сердечнике, что в свою очередь индуцирует ток во вторичной обмотке.

Трансформаторы с учетом потерь: В реальных трансформаторах есть потери, такие как потери в магнитном сердечнике и потери в проводах, которые могут быть снижены с помощью специальных конструкций и материалов.

Эффективность: Трансформаторы обычно имеют высокую эффективность, так как в них нет движущихся частей, и потери энергии сводятся к минимуму.

Уравнения линейного трансформатора

Пусть , — мгновенные значения тока в первичной и вторичной обмотке соответственно, — мгновенное напряжение на первичной обмотке, — сопротивление нагрузки. Тогда:

здесь:

, — индуктивность и активное сопротивление первичной обмотки;

, — то же самое для вторичной обмотки;

— взаимная индуктивность обмоток.

Если магнитный поток первичной обмотки полностью пронизывает вторичную, то есть если отсутствует поле рассеяния, то . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Индуктивности обмоток в первом приближении пропорциональны квадрату количества витков в них.

Получена система линейных дифференциальных уравнений для токов в обмотках. Можно преобразовать эти дифференциальные уравнения в обычные алгебраические, если воспользоваться методом комплексных амплитуд. Для этого рассмотрим отклик системы на синусоидальный сигнал (, где — частота сигнала, — мнимая единица).

Тогда и т. д., сокращая экспоненциальные множители получим:

.

Метод комплексных амплитуд позволяет исследовать не только чисто активную, но и произвольную нагрузку, при этом достаточно заменить сопротивление нагрузки ее импедансом . Из полученных линейных уравнений можно легко выразить ток через нагрузку, воспользовавшись законом Ома — напряжение на нагрузке, и т. п.

Т-образная схема замещения трансформатора

На рисунке показана эквивалентная схема трансформатора с подключенной нагрузкой, так, как он видится со стороны первичной обмотки

Здесь — коэффициент трансформации, — «полезная» индуктивность первичной обмотки,, — индуктивности первичной и вторичной обмотки, связанные с рассеянием,, — активные сопротивления первичной и вторичной обмотки соответственно, — импеданс нагрузки.

Потери в трансформаторах

Потери в сердечнике

Степень потерь (и снижения КПД) в трансформаторе зависит, главным образом, от качества, конструкции и материала «трансформаторного железа» (электротехническая сталь). Потери в стали состоят в основном из потерь на нагрев сердечника, на гистерезис и вихревые токи. Потери в трансформаторе, где «железо» монолитное, значительно больше, чем в трансформаторе, где оно составлено из многих секций (так как в этом случае уменьшается количество вихревых токов). На практике монолитные стальные сердечники не применяются. Для снижения потерь в магнитопроводе трансформатора магнитопровод может изготавливаться из специальных сортов трансформаторной стали с добавлением кремния, который повышает удельное сопротивление железа электрическому току, а сами пластины лакируются для изоляции друг от друга.

Потери в обмотках

Кроме «потерь в железе», в трансформаторе присутствуют «потери в меди», обусловленные ненулевым активным сопротивлением обмоток (которое зачастую невозможно сделать пренебрежимо малым, потому что требует увеличения сечения провода, что приводит к увеличению необходимых габаритов сердечника). «Потери в меди» приводят к нагреву обмоток при работе под нагрузкой и нарушению соотношения между количеством витков и напряжением обмоток, верного для идеального трансформатора:

.

Габаритная мощность

Габаритная мощность трансформатора описывается следующей формулой:

• 1 — первичной обмотки;
• 2 — вторичной обмотки.

Габаритная мощность, как следует из названия, определяется габаритами сердечника и материалом, его магнитными и частотными свойствами.

КПД трансформатора

КПД трансформатора находится по следующей формуле:

где:

— потери холостого хода при номинальном напряжении;

— нагрузочные потери при номинальном токе;

— активная мощность, подаваемая на нагрузку;

— относительная степень нагружения (коэффициент загрузки). При номинальном токе .

симметрирующие трансформаторы

Напряжение между каждой фазой трехфазной сети переменного тока и нулевым проводом, в идеальном случае, составляет 220 Вольт. Однако, при подключении к каждой из фаз питающей сети различных нагрузок, отличающихся по характеру и по величине, возникает иногда довольно значительный перекос фазных напряжений.

Если бы соблюдалось равенство сопротивлений нагрузок, то и протекающие через них токи также были бы равны между собой. Их геометрическая сумма была бы обращена в нуль. Но в результате неравенства этих токов возникает уравнительный ток в нулевом проводе (происходит смещение нулевой точки) и появляется напряжение смещения.

Фазные напряжения меняются друг относительно друга, и получается перекос фаз. Следствием такого перекоса фаз становится увеличение потребления электроэнергии из сети и неправильная работа электроприемников, ведущая к сбоям, отказам, и преждевременному износу изоляции. Безопасность потребителя, в такой ситуации, ставится под угрозу.

Для автономных трехфазных источников электроэнергии неравномерность загрузки фаз чревата разного рода механическими повреждениями. В результате – нарушение работы электроприемников, износ источников электроэнергии, повышенный расход масла, топлива и охлаждающей жидкости для генератора. В конечном итоге увеличиваются расходы как на электроэнергию в целом, так и на расходные материалы для генератора.

Для устранения перекоса фаз, выравнивания фазных напряжений, следует изначально рассчитать токи нагрузок для каждой из трех фаз. Однако не всегда удается это сделать заранее. В промышленных же масштабах потери вследствие перекоса фазных напряжений могут быть просто колоссальными, а экономический эффект, в определенной степени, разрушительным.

Для устранения негативных тенденций следует применить симметрирование фаз. Для этой цели разработаны так называемые симметрирующие трансформаторы.

В трехфазный трансформатор, обмотки фаз как высшего, так и низшего напряжений которого соединены звездой, встраивается дополнительно симметрирующее устройство в виде дополнительной обмотки, которая опоясывает обмотки высокого напряжения. Эта дополнительная обмотка рассчитана так, чтобы выдерживать длительный ток номинальной нагрузки трансформатора, т.е. на номинальный ток одной фазы. Обмотка включается в разрыв нулевого провода трансформатора из следующего расчета.

При возникновении уравнительного тока в нулевом проводе, вследствие несимметричной нагрузки, потоки нулевой последовательности в магнитопроводе (рабочих обмоток трансформатора) будут полностью компенсированы направленными противоположно потоками нулевой последовательности симметрирующей обмотки. В конечном счете, перекос фазных напряжений целиком предотвращается.

Схема включения обмоток трехфазного трансформатора для симметрирования фаз показана на рисунке 1.

Рис. 1. Устройство симметрирующего трансформатора

1) Трехстержневой магнитопровод трехфазного трансформатора.

2) Обмотки высокого напряжения.

3) Обмотки низкого напряжения.

4) Обмотка из компенсационных витков.

5) Дистанционные клинья.

6) Конец компенсационной обмотки, подключаемой к нейтрали обмоток низкого напряжения.

7) Конец компенсационной обмотки, который выводится наружу.

Энергетические характеристики таких трансформаторов, потери холостого хода, короткого замыкания, и другие, от добавления симметрирующего устройства почти не меняются, зато значительно сокращаются потери электроэнергии в сети. При неравномерной нагрузке фаз, система фазных напряжений симметрируется так же, как и при соединении обмоток по схеме звезда-зигзаг.

Симметрирующий трансформатор ТСТ

Расчеты и эксперименты исследователей показали, что при правильном согласовании витков компенсационных и рабочих обмоток, напряжение на компенсационной обмотке трансформатора с симметрирующим устройством, при равном номинальному токе в нулевом проводе, достигает величины номинального фазного напряжения, уравновешивая на нейтрали обмоток низкого напряжения ЭДС нулевой последовательности, возникающей от рабочих обмоток, до нуля.

Такая конструкция сильно снижает сопротивление нулевой последовательности трехфазного силового трансформатора. Это дает значительное увеличение токов короткого замыкания на одной фазе, и является одним из главных достоинств симметрирующих трансформаторов, так как обеспечивает надежную и легкую настройку релейной защиты и ее надежную работу при КЗ.

Более того, разрушающее воздействие большого тока однофазного КЗ на обмотки такого симметрирующего трансформатора значительно меньше, чем от тока КЗ в отсутствие обмотки симметрирования, так как разрушительный мощный несимметричный поток нулевой последовательности теперь полностью компенсируется.

Схема подключения обмоток для выравнивания фаз изображена на рисунке.

Энергетические параметры симметрирующих трансформаторов ввиду добавления вспомогательной обмотки практически не изменяются, однако заметно уменьшаются потери электрической энергии в сети. При возникновении перекоса напряжений на фазах происходит их выравнивание.

Эксперименты и исследования ученых показали, что при соответствующем расчете числа витков рабочих и вспомогательной обмоток, напряжение на вспомогательной обмотке трансформатора при номинальном токе в нулевом проводнике становится равным фазному напряжению. При этом симметрирующая обмотка выравнивает электродвижущую силу до нулевой величины.

Симметрирующий трансформатор значительно уменьшает сопротивление нулевой последовательности трансформатора. Это позволяет значительно повысить ток короткого замыкания на фазе, что стало основным достоинством симметрирующих устройств, из-за легкой и надежной регулировки релейной защиты и ее работы при коротком замыкании.

Разрушающее действие повышенного тока короткого замыкания, возникшего на одной фазе, такого выравнивающего трансформатора намного ниже, в отличие от тока короткого замыкания при отсутствии компенсирующей обмотки, так как этот разрушительный несимметричный поток полностью компенсируется.

Если рассмотреть, как работает симметрирующий трансформатор при подключении несимметричной нагрузки на одну фазу, то видно, что максимальная нагрузка на фазу равна третьей части от трехфазной мощности источника энергии.

После включения мощной нагрузки на одну фазу возникает перекос фаз, поэтому возрастает вероятность выхода из строя подключенных к источнику потребителей нагрузки. Если мощность потребителей возрастет на треть от мощности источника, то трансформатор может выйти из строя.

На рисунке видно, что максимальная нагрузка на фазу может быть равной половине трехфазной мощности источника. Однако, источник будет воспринимать нагрузку, распределенную равномерно по всем фазам.

Применение симметрирующего трансформатора позволяет снизить мощность генератора, при этом к нему будут подключены такие же по мощности приемники, как и без дополнительной обмотки. Для источника электричества нагрузка будет распределенной по фазам равномерным образом.

Как используется симметрирующий трансформатор

Такое устройство широко используется в различных областях:

• В работе жилищно-коммунального хозяйства.
• На садовых и дачных участках.
• В промышленном производстве на станках с программным управлением.
• В военной технике.

Симметрирующие трансформаторы располагают между потребителями нагрузки и источником электрической энергии.

Виды схем

• Симметрирующий прибор с 3-фазным трансформатором включает три обмотки. Вторая обмотка соединена с четвертой по последовательной схеме, а со второй на других магнитопроводах зигзагообразно. Общее количество витков 1-й и 3-й обмотки такое же, как во 2-й обмотке. Эффективное функционирование симметрирующего устройства создается с помощью уменьшения сопротивления протекающим токам нулевой последовательности. Это намного повышает надежность функционирования при возникновении аварии. Между нулевым выводом N2 и N1 в схему подключены тиристорные ключи (6,7), сопротивление (10) и стабилитроны (8,9) для подсоединения фазных нагрузок.

• Эта схема состоит из:
  — магнитопровод 1, состоящий из трех стержней;
  — первичная трехфазная симметричная обмотка 2 с сетевым питанием;
  — вторичная обмотка 3, подключенная тремя лучами зигзага.Особенностью такой схемы является отсутствие тока нулевой последовательности во время любых режимов.

Симметрирующий трансформатор наиболее надежен и прост в устройстве.

Симметрирующие устройства могут снижать потери электроэнергии путем падения амплитуд колебаний, падения сопротивления, что увеличивает ресурс работы источников энергии в сетях, в которых возникли перекосы фаз. Такие устройства служат для увеличения надежности работы автономных бензиновых генераторов и различных потребителей энергии при перекосах фаз. Подобные устройства позволяют рационально использовать электростанции с небольшой мощностью.

Планарный трансформатор

Витки в планарном трансформаторе сделаны на сонове медной фольги. Поэтому количество витков в планарном трансформаторе не может быть много Однако, большая площадь магнитного сечения позволяет сделать меньшее количество витков. Ам также большая площадь поверхности позволяет более оптимально излучать тепло.

Использование проводников на печетной плате в качестве витков позволяет иметь высокую степень согласованности расстояний между витками и слоями. В результате, межобмоточная емкость является постоянной, а чередование обмоток позволяет снизить потери проводимости. Значение изоляции и путь тока утечки будут зависеть от используемых в трансформаторе зазоров. Таким образом, можно сделать вывод, что планарные трансформаторы имеют высокую эффективность и хорошую возможность воспроизводимости параметров.

рис. планарный трансформатор

• Низкое тепловое сопротивление. Оно обусловлено более высоким отношением площади поверхности сердечника к его объему. За счет этого охлаждающая способность планарных трансформаторов ощутимо выше по сравнению с «классическими» трансформаторами на 50-70%. Это позволяет нам при проектирование закладывать большую плотность тока, а значит и обеспечить более высокую плотность энергии при том же эффективном объеме сердечника (Ve). При этом рост температуры остается в допустимых пределах
• Высокая плотность тока. Повышенная плотность тока является следствием предыдущего «плюса» планарного трансформатора. Обычно для трансформатора с проволочной обмоткой стандартным значением плотности тока является цифра около 6-7-8 А/мм2, когда для планарного трансформатора это цифра около 15-25А/мм2. Это разумеется при прочих равных условиях, таких как температура перегрева
• Отличная повторяемость паразитных параметров. Геометрия печатных плат при производстве выдерживается очень точно, что обеспечивает практически идеальную повторяемость паразитных параметров. Это позволяет достаточно легко проектировать резонансные преобразователи, например, LLC полумост и достигать очень высоких частот коммутации до 2-4 МГц
• Высокий коэффициент связи. Тут все просто — меньшие потери в обмотках,
  а значит более высокий КПД преобразователя мы получаем
• Малая индуктивность рассеяния. За счет этого амплитуда выбросов ЭДС и колебаний напряжения ниже, что в свою очередь повышает надежность транзисторов
• Очень высокая плотность энергии. Обусловлено совокупностью всех ранее описанных свойств планарного трансформатора.

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• режим холостого хода трансформатора х х ,
• беспроводная передача энергии , проводная передача энергии ,
• классификация трансформаторов , трансформатор ,
• режим нагрузки трансформатора ,
• режим короткое замыкание трансформатора ,
• основные параметры трансформатора ,
• внешняя характеристика трансформатора ,
• Трансреактор
• Бифилярная катушка
• Пьезотрансформатор
• Магнитный усилитель

Понравилась статья про трансформатор? Откомментируйте её Надеюсь, что теперь ты понял что такое трансформатор, симметрирующие трансформаторы, планарный трансформатор и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электротехника, Схемотехника, Аналоговые устройства