Принцип работы однофазного трансформатора

Назначение и принцип действия однофазного трансформатора

Назначение и принцип действия однофазного трансформатора - фото 1 - изображение 1

В энергетической сфере деятельности используются первичные источники высокого переменного напряжения, однако в быту или на предприятиях необходимо значительно его снизить. Для этой цели применяются трансформаторы. Для полного понимания и грамотного применения напряжения в быту необходимо знать принцип действия однофазного трансформатора.

Содержание

  • Общие сведения о трансформаторах
  • Назначение и устройство
  • Принцип действия
  • Режимы работы
  • Основные параметры

Общие сведения о трансформаторах

Значительно легче передавать переменный ток на большие расстояния, так как достигаются минимальные потери, связанные с величинами напряжения (U) и тока (I). Кроме того, для передачи не переменного, а постоянного I необходимо применять сложную электронику, которая основана на усилении параметров электричества. Основной частью этой технологии являются мощные транзисторы, которые требуют специального охлаждения, и главным критерием является цена. Использование трансформаторов, которые работают только от переменной величины тока, является оптимальным решением.

Назначение и устройство

Трансформатор (Т) — это специализированное электрическое устройство, которое работает только от переменного I и используется для преобразования значений входного U и I в необходимые значения этих величин, предусмотренных потребителем.

Общие сведения о трансформаторах - изображение 2 - изображение 2

Т является довольно примитивным устройством, однако в его конструкции есть некоторые особенности. Для понимания принципа действия однофазного трансформатора следует изучить его назначение и устройство. Устроен однофазный трансформатор следующим образом — он состоит из магнитопровода и обмоток.

Магнитопровод, или сердечник трансформатора, выполнен из ферромагнитного материала.

Ферромагнетики — это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью. Это обусловлено тем, что атомы вещества обладают очень важными свойствами: постоянные спиновые и орбитальные моменты. Свойства ферромагнетиков зависят от температуры и действия магнитного поля. Для изготовления магнитопровода Т используются такие материалы: электротехническая сталь или пермаллой.

Электротехническая сталь содержит в своем составе большую массовую долю кремния (Si), которая под действием высокой температуры соединяется с атомами углерода ©. Этот тип используется во всех типах Т, независимо от мощности.

Назначение и устройство - фотография 3 - изображение 3

Пермаллой является сплавом, состоящим из никеля (Ni) и железа (Fe), и применяется только в маломощных трансформаторах.

Тип Т представляет собой катушки, состоящие из каркаса и провода, покрытого изоляционным материалом. Этот провод намотан на основание катушек, и количество витков зависит от параметров Т. Количество катушек может быть 2 и более, оно зависит от конструктивной особенности электрического устройства и определяется сферой применения.

Принцип действия

Принцип работы однофазного трансформатора довольно простой и основан на генерации электродвижущей силы (ЭДС) в обмотках проводника, который находится в движущемся магнитном поле и сгенерирован при помощи переменного I. При прохождении электричества по обмоткам первичной катушки создается магнитный поток (Ф), который пронизывает и вторичную катушку. Силовые линии Ф благодаря замкнутой конструкции магнитопровода имеют замкнутую структуру. Для получения оптимальной мощности Т необходимо располагать катушки обмоток на близком расстоянии относительно друг друга.

Принцип действия - фотография 4 - изображение 4

Исходя из закона электромагнитной индукции происходит изменение Ф и индуцируется в первичной обмотке ЭДС. Эта величина называется ЭДС самоиндукции, а во вторичной — ЭДС взаимоиндукции.

При подключении потребителя к первичной обмотке Т в цепи появится электрическая энергия, которая передается из первичной обмотки через магнитопровод (катушки не связаны гальванически). В этом случае средством передачи электроэнергии служит только Ф. Трансформаторы по конструктивной особенности бывают различные. По достижению максимальной магнитной связи (МС) Т делятся на следующие типы:

  1. Сильная.
  2. Средняя.
  3. Слабая.

При слабой МС происходит значительная потеря энергии и Т такого типа практически не применяются. Основной особенностью таких Т являются незамкнутые сердечники.

Режимы работы - фото 5 - изображение 5

Уровень средней МС достигается только при полностью замкнутом магнитопроводе. Одним из примеров такого Т является стержневой тип, у которого обмотки расположены на железных стержнях и соединены между собой накладками или ярмами. В результате такой конструкции получается полностью замкнутый сердечник.

Примером сильной МС является Т броневого типа, обмотки которого располагаются на одной или нескольких катушках. Эти обмотки расположены очень близко, благодаря чему и обеспечивается минимальная потеря электрической энергии. Магнитопровод полностью покрывает катушки, создавая более сильный Ф, который разбивается на 2 части. У трансформаторов такого типа потоки сцепления между обмотками практически равны.

Режимы работы

Т, как и любой вторичный источник питания, имеет определенные режимы работы. Режимы отличаются потреблением I. Существует 2 режима: холостого хода и нагрузки. При холостом ходе Т потребляет минимальное количество I, которое используется только на намагничивание и потери в обмотках на нагревание. Кроме того, происходит рассеивание магнитного поля. Ф создается I магнитодвижущей силы, которую генерирует первичная обмотка. В этом случае I холостого хода составляет 3−10% от номинального показателя (Iн).

Основные параметры - фотография 6 - изображение 6

При нагрузке во II обмотке появляется I, а значит — и магнитодвижущая сила (МДС). По закону Ленца: МДС II обмотки действует против МДС первичной обмотки. При этом ЭДС в первичной обмотке во время нагрузки Т равна U и прямо пропорциональна Ф. В этом случае получение k можно записать в виде: I1 / I2 = w2/w1 = 1/k.

Исходя из формул для расчета k, можно получить еще одно соотношение Т: e1 * I1 = e2 * I2 = 1.

Это соотношение показывает, что мощность, потребляемая первичной обмоткой, равна мощности, которую потребляет II обмотка при нагрузке. Мощность Т измеряется в вольт-амперах (ВА).

Основные параметры

Кроме того, следует отметить, что любой Т обладает некоторыми параметрами, которые и отличаются от других трансформаторов. К тому же, если понимать эти зависимости, то можно рассчитать и изготовить Т своими руками.

Связь между ЭДС, возникающей в обмотках Т, зависит от количества витков каждой из них. Исходя из того, что I и II обмотки пронизываются одним и тем же Ф, возможно вычислить следующее соотношение на основании общего закона индукции для мгновенных значений ЭДС:

  1. Однофазный трансформатор - фотография 7 - изображение 7

    Для первичной с количеством витков w1: e1 = - w1 * dФ/dt * E-8.
  2. Для вторичной с количеством витков w2: e2 = - w2 * dФ/dt * E-8.

Соотношение dФ/dt показывает величину изменения Ф за единицу времени. Значение потока Ф зависит от закона изменения переменного тока за единицу времени. Исходя из этих выражений получается следующая формула соотношения числа витков к ЭДС каждой обмотки:

e1/e2 = w1/w2.

Следовательно, можно сделать следующий вывод: индуцируемые в обмотках значения ЭДС также относятся к друг другу, как и число витков обмоток. Для более простой записи можно сопоставить значения e и U: e = U. Из этого следует, что e1 = U1 e2 = U2 и возможно получить еще одну величину, называемую коэффициентом трансформации (к): e1/e2 = U1/U2 = w1 / w2 = k. По коэффициенту трансформации Т делятся на понижающие и повышающие.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА - изображение 8 - изображение 8

Понижающим является Т, k которого меньше 1, и, соответственно, если к > 1, то он является повышающим. При отсутствии потерь в проводах обмоток и рассеивания Ф (они незначительны и ими можно пренебречь) вычислить основной параметр Т (k) достаточно просто. Для этого необходимо воспользоваться следующим простым алгоритмом нахождения k: найти соотношения U обмоток (если обмоток более 2, то соотношение нужно искать для всех обмоток).

Однако расчет k является только первым шагом для дальнейшего расчета или выявления неисправности на наличие короткозамкнутых витков.

Чтобы определить значения U, необходимо использовать 2 вольтметра, точность которых составляет около 0,2−0,5. Кроме того, для определения k существуют такие способы:

  1. По паспорту.
  2. Практически.
  3. Использование определенного моста (мост Шеринга).
  4. Прибором, предназначенным для этой цели (УИКТ).

Таким образом, принцип работы однофазного трансформатора основан на простом законе физики, а именно: если проводник с n количеством витков поместить в магнитное поле, причем это поле должно постоянно меняться с течением времени, то в витках будет генерироваться ЭДС. В этом случае справедливо и обратное утверждение: если в постоянное магнитное поле поместить проводник и осуществлять им движения, то в его обмотках начинает появляться ЭДС.

Однофазный трансформатор

Однофазные трансформаторы. Устройство и принцип действия - фото 9 - изображение 9

Электрическая энергия, выработанная генераторами электростанций, передается потребителям, находящимся в большинстве случаев на большом расстоянии от станций. Для удешевления стоимости электропередачи и уменьшения потерь энергии в ней приходится повышать напряжение электропередачи до cотен киловольт. При распределении энергии между потребителями необходимо понизить напряжение до десятков и сотен вольт. Все это вызывает необходимость многократного изменения (трансформирования) напряжения, которое осуществляется трансформаторам

Трансформатором называется статический аппарат, имеющий две (иногда более) обмотки, связанные переменным магнитным полем, служащий для трансформации переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, при неизменной частоте.

Число трансформаций от станции до потребителя обычно велико, и поэтому на 1 квт мощности генераторов, установленных на станции, приходится 4— 5 ква установленной мощности трансформаторов. Суммарные потери электроэнергии в трансформаторах составляют значительную долю потерь всей энергосистемы. Поэтому необходимо, чтобы трансформатор имел очень высокий к.п.д. В современных мощных трансформаторах к.п.д доходит до 0,995 при номинальной мощности.

Изобретателем трансформатора был выдающийся конструктор и ученый П. Н. Яблочков (1847 -1894).

Рис. 9-1. Однофазный трансформатор.

1 — магнитопровод; 2 — обмотка высшего напряжения; 3 — обмотка низшего напряжения; 4—путь полезного потока; 5 — путь потоков рассеяния первичной обмотки; 6 — путь потоков рассеяния вторичной обмотки.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Работа трансформатора основана на использовании явления взаимоиндукции. Трансформатор (рис. 9-1) имеет обычно две магнитно-связанные обмотки 2—2 и 3—3 с разными числами витков, помещенные для усиления магнитной связи на стальном, замкнутом магнитопроводе — сердечнике 1. Сердечник для уменьшения потерь энергии от вихревых токов набирается из стальных листов толщиной 0,5—0,35 мм, а при повышенной частоте тока — из более тонких листов (0,2—0,1 мм). Листы, перед сборкой, покрываются с двух сторон лаком для изоляции друг от друга. Трансформаторная сталь содержит 4—5% кремния, при этом сильно уменьшаются потери от гистерезиса и вихревых токов.

Принцип работы трансформатора - фото 10 - изображение 10

Те части сердечника, на которых располагаются обмотки, называются стержнями, а части, замыкающие их, называются ярмом. Внутреннее пространство между стержнем и ярмом служит для размещения обмоток и называется окном.

Сборка сердечника производится «внахлестку». На рис. 9-2 показаны два слоя листов, которые накладываются друг на друга при сборке сердечника трансформатора. При такой сборке достигается минимальный воздушный зазор в стыках.

Рис. 9-2. Расположение листов стали однофазного трансформатора при сборке.

Листы предварительное стягиваются изолированными болтами в пакеты сначала так, чтобы на стержни можно было надеть изготовленные обмотки (рис.9-3), а затем окончательно, чтобы после установки обмоток, замкнуть магнитопровод. Сечение стержней, получаемое при этом, показано на рис. 9-4 — квадратное при малой мощности, или крестовидное, приближающееся к кругу, при средней и большой мощности трансформаторов.

Принцип работы и классификация трансформаторов - фотография 11 - изображение 11

Обмотки трансформатора представляют собой катушки разных конструкций. Различают обмотку низшего напряжения (НН), рассчитанную на низшее напряжение трансформатора, которая помещается ближе к стержню, и обмотку высшего напряжения (ВН), рассчитанную на высшее напряжение и помещаемую поверх обмотки (НН), концентрически с ней.

На рис. 9-1 обмотки ВН и НН показаны сдвинутыми друг относительно друга для упрощений рисунка. В однофазных трансформаторах (рис. 9-1) каждая обмотка делится пополам и помещается на двух стержнях. Обе половины обмотки НН и обмотки ВН соединяются так, чтобы э. д. с. половин обмоток складывались.

Рис. 9-3. Сборка сердечника трансформатора.

1 — стержень магнитопровода; — обмотки.

Начала и концы обмоток трансформаторов обозначаются буквами латинского алфавита. Начала обмоток обозначают Л, В, С и a, b, с, а концы — X, Y, и хyz. Заглавные буквы приняты для обмотки высшего напряжения, а строчные — для обмотки низшего напряжения (рис. 9-1).

Однофазный трансформатор. Назначение, устройство и основные характеристики - фото 12 - изображение 12

Та обмотка, к которой энергия подводится, называется первичной, а та, от которой энергия отдается потребителю, называется вторичной. Энергия передается с первичной обмотки на вторичную при помощи магнитного потока, связывающего обмотки. Если напряжение вторичной обмотки меньше, чем первичной, то трансформатор называется понижающим; в обратном случае он будет повышающим.

Рис. 9-4. Сечение сердечников трансформаторов.

Таким образом, трансформатор, показанный на рис. 9—1 — понижающий. Однако если к обмотке ах подать энергию при номинальном для этой обмотки напряжении, а к обмотке АХ подключить потребителя, то трансформатор будет повышающим.

Принцип работы трансформатора - изображение 13 - изображение 13

Трансформатор с сердечником рассмотренного выше типа называется стержневым. Однако существуют трансформаторы броневого типа (рис. 9-5), у которых магнитопровод разветвлен и охватывает обмотки как бы броней.

Pис 9.5 Броневой трансформатор.

Обмотки ВН и НН таких трансформаторов изготовляются в виде плоских катушек, размещающихся на одном и том же стержне. Трансформаторы броневого типа применяются, например, в радиотехнических устройствах.

Номинальной мощностью трансформатора называется мощность его вторичной обмотки, обозначенная на щитке трансформатора и выраженная в вольт-амперах или киловольт-амперах.

 

Статья на тему Однофазный трансформатор

  • ← Предыдущая
  • Следующая →
  • Главная Электротехника
Что такое самородные неметаллыznaesh-kak.comСервировка столаznaesh-kak.comСуффиксы субъективной оценкиznaesh-kak.comПредлог для и радиznaesh-kak.com

Однофазные трансформаторы. Устройство и принцип действия

Принцип действия трансформатора - фото 14 - изображение 14

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Рассмотрим устройство однофазного трансформатора изображённого на рис.4.1.

Tрансформатор состоит из ферромагнитного сердечника, в который встраиваются две катушки с изолированными обмотками, содержащими количество витков

Устройство и принцип действия однофазного трансформатора. Коэффициент трансформации напряжений - фотография 15 - изображение 15

 и

Область применения и виды - фотография 16 - изображение 16

.

Обмотка

Немного из истории - фотография 17 - изображение 17

, включенная в сеть источника электрической энергии, называется первичной; обмотка

Однофазный трансформатор. Назначение, принцип действия, устройство. Коэффициент трансформации. - фото 18 - изображение 18

, связанная с приёмником, называется вторичной. Если вторичное напряжение больше первичного, то трансформатор называется повышающим; если же вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется понижающим.

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 19 - изображение 19

Рис.4.1. Схема, поясняющая устройство и работу однофазного трансформатора

Действие трансформатора основано на электромагнитной индукции. Под действием мгновенного напряжения

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 20 - изображение 20

 в первичной обмотке возникает мгновенный ток

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 21 - изображение 21

 равный току холостого хода

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 22 - изображение 22

. Под действием магнитодвижущей силы (МДС)

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 23 - изображение 23

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 24 - изображение 24

 в сердечнике возбуждается магнитный поток Ф, направление которого определяется по правилу буравчика. Магнитный поток индуктирует мгновенные ЭДС

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 25 - изображение 25

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 26 - изображение 26

= -

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 27 - изображение 27

 dФ/dt
  и

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 28 - изображение 28

= -

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 29 - изображение 29

dФ/dt в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

Реальный трансформатор кроме обмоток

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 30 - изображение 30

 и

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 31 - изображение 31

, в которых индуктируются ЭДС 

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 32 - изображение 32

 и

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 33 - изображение 33

, обладает активными сопротивлениями первичной и вторичной обмоток и их индуктивностями рассеяния, в которых индуктируются ЭДС рассеяния катушек, совпадающих по направлению с ЭДС

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 34 - изображение 34

 и

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 35 - изображение 35

. Пренебрегая малыми величинами значений ЭДС рассеяния обмоток и их активными сопротивлениями в дальнейшем будем рассматривать идеализированный трансформатор.

При замыкании ключа S на нагрузку, во вторичной обмотке возникнет ток

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 36 - изображение 36

, а в первичной обмотке - ток

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 37 - изображение 37

. При этом суммарная МДС первичной и вторичной обмоток равна

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 38 - изображение 38

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 39 - изображение 39

-

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 40 - изображение 40

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 41 - изображение 41

=

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 42 - изображение 42

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 43 - изображение 43

. МДС

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 44 - изображение 44

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 45 - изображение 45

 имеет отрицательный знак, так как

направлена встречно к МДС

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 46 - изображение 46

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 47 - изображение 47

. МДС

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 48 - изображение 48

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 49 - изображение 49

 возбуждает в магнитопроводе результирующий магнитный поток Ф , равный магнитному потоку в режиме холостого хода. При всяком изменении нагрузки МДС

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 50 - изображение 50

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 51 - изображение 51

 будет изменяться на величину равную изменению МДС

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 52 - изображение 52

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 53 - изображение 53

; при этом, возбуждаемый магнитный поток в сердечнике, будет постоянным. Общий магнитный поток сердечника Ф измеряется в веберах [Вб] или вольт секундах [B?c].

Задав направления обхода контуров первичной и вторичной обмоток, по второму закону Кирхгофа запишем:

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 54 - изображение 54

= -

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 55 - изображение 55

;

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 56 - изображение 56

= -

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 57 - изображение 57

. (4.1)

Преобразуем эти выражения:

-

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 58 - изображение 58

=

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 59 - изображение 59

= -

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 60 - изображение 60

dФ/dt
; -

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 61 - изображение 61

=

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 62 - изображение 62

= -

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 63 - изображение 63

dФ/dt . (4.2)

Раскроем мгновенные значения

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 64 - изображение 64

,

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 65 - изображение 65

, Ф:

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 66 - изображение 66

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 67 - изображение 67

;

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 68 - изображение 68

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 69 - изображение 69

; Ф

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 70 - изображение 70

. (4.3)

Подставив выражения (4.3) в (4.2), получим:

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 71 - изображение 71

-

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 72 - изображение 72

d

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 73 - изображение 73

/dt =

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 74 - изображение 74

ω

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 75 - изображение 75

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 76 - изображение 76

, откуда

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 77 - изображение 77

 = 

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 78 - изображение 78

ω

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 79 - изображение 79

, аналогично

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 80 - изображение 80

=

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 81 - изображение 81

ω

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 82 - изображение 82

.

Используя зависимости ω = 2πf и

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 83 - изображение 83

, определим действующие значения ЭДС первичной и вторичной обмоток

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 84 - изображение 84

 = 4,44 f

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 85 - изображение 85

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 86 - изображение 86

,

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 87 - изображение 87

 = 4,44 f

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 88 - изображение 88

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 89 - изображение 89

,
(4.4)

где f - частота изменения амплитуды магнитного потока.

Аналогично можно записать выражения для действующих значений напряжений

первичной и вторичной обмоток

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 90 - изображение 90

=4,44 f

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 91 - изображение 91

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 92 - изображение 92

,

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 93 - изображение 93

=4,44 f

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 94 - изображение 94

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 95 - изображение 95

.
(4.5)

Разделив в выражениях (4.5) действующее значение напряжения вторичной обмотки на соответсвующее напряжение первичной обмотки определим коэффициент трансформации при разомкнутой нагрузке трансформатора

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 96 - изображение 96

. (4.6)

В случаях, если

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 97 - изображение 97

>1, трансформатор называют повышающим, если

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 98 - изображение 98

<1, трансформатор называют понижающим, если

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 99 - изображение 99

=1, то трансформатор служит для гальванической развязки.

Учитывая большой коэффициент полезного действия трансформатора, считают, что в нагруженном трансформаторе полные мощности обмоток

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 100 - изображение 100

 или

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 101 - изображение 101

I

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 102 - изображение 102

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 103 - изображение 103

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 104 - изображение 104

I

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 105 - изображение 105

, откуда

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 106 - изображение 106

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 107 - изображение 107

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 108 - изображение 108

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 109 - изображение 109

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 110 - изображение 110

.

Принцип работы трансформатора

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 111 - изображение 111

Для того, чтобы в домашних условиях самостоятельно повысить эффективность работы многих устройств и напряжение в электрической сети, часто используются регулирующие устройства. Предлагаем, в связи с этим, рассмотреть принцип работы трансформатора тока понижающего, повышающего, импульсного, Тесла, а также автотрансформатора.

Содержание

  1. Принцип работы и классификация трансформаторов
  2. Основы теории трансформатора
  3. Основные конструкционные части трансформатора
  4. Как работает силовой или сварочный трансформатор
  5. Работа однофазного трансформатора напряжения
  6. Работа автотрансформатора
  7. Работа гидротрансформатора

Принцип работы и классификация трансформаторов

Принцип работы измерительного трансформатора (как и разделительного), очень прост. Он подчиняется закону Фарадея электромагнитной индукции. На самом деле взаимная индукция между двумя или более обмотками отвечает за действия преобразования в электрическом трансформаторе.

В соответствии с этим, закон Фарадея гласит: «скорость изменения потокосцепления по времени прямо пропорциональна наведенной ЭДС в проводнике или катушки».

Основы теории трансформатора

Скажем, у нас трансформатор с одной обмоткой, которая соединена с переменным электрическим источником тока. Переменный ток через обмотку производит постоянно меняющийся поток, который окружает катушку. Если любая другая обмотка приближена к предыдущей, определенная часть потока соединяется с ней. Этот поток постоянно меняется в амплитуде и направлении, но в этих случаях должно происходить изменение потокосцепления во вторую обмотку или обмотки.

Согласно закону Фарадея электромагнитной индукции, должно быть ЭДС, которое индуцируется раз в секунду. Если цепь последней обмотки закрыта, то через неё должен проходить электрический ток. Это простейший принцип работы электрического силового или сварочного трансформатора и это основной принцип работы трансформатора.

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 112 - изображение 112

Схема силового трансформатора

Всякий раз, когда мы используем движение переменного тока к электрической катушки, поток энергии окружает эту обмотку. Поток тока будет неравномерным, и скорость его постоянно изменяется. Естественно ЭКГ будет производиться в нем, как в законе Фарадея, где говорится о явлении электромагнитной индукции. Это наиболее фундаментальное понятие теории трансформатора

Обмотка, которая принимает электрическую мощность от источника, как правило, известна как первичная обмотка трансформатора.

Обмотка, что дает требуемое выходное напряжение из-за взаимной индукции в трансформаторе, называется вторичной обмоткой трансформатора.

Основные конструкционные части трансформатора

Существует три основные части трансформатора:

1. Первичная обмотка трансформатора – производит магнитный поток, когда подключена к электрическому источнику. 2. Магнитный сердечник трансформатора — магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, создает замкнутую магнитную цепь. 3. Вторичная обмотка трансформатора – намотана на сердечник.

Как работает силовой или сварочный трансформатор

Электрический силовой трансформатор является статическим устройством, которое преобразует электрическую энергию от одной схемы к другой без непосредственного соединения, с помощью взаимной индукции между своих обмоток. Он преобразует энергию от одной схемы к другой, не меняя свою частоту, но может работать в разных уровнях напряжения, например если сварщик поменял флюс, или произошел сбой генератора при сварке.

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 113 - изображение 113

Трехфазный трансформатор

Работа однофазного трансформатора напряжения

Принцип работы однофазного трансформатора не слишком отличается от трехфазного понижающего прибора. Когда электрический ток проходит в первичной обмотке, она создает МП, у которого достаточно мощные силовые линии. Они пронизывают первичную катушку полностью, и вторичную частично. Все эти линии замкнуты вокруг проводников катушек, но их часть замкнута непосредственно на проводниках.

Видео: наглядный урок, который рассказывает о принципе работы трансформатора

Согласно закону о магнитной связи, чем ближе объекты друг к другу, тем сильнее эта связь, но чем они дальше расположены — тем она слабее, и так пока не станет нулевой. Это объясняется тем, что при расположении коаксиального типа, чем обмотки расположены дальше, тем меньше сцепление силовых линий и их проникновение в трансформаторные катушки.

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 114 - изображение 114

Схема: однофазный трансформатор

Нужно понимать, что в однофазном трансформаторе сила магнитного поля также зависит от тока. Скачки переменного электрического тока могут значительно снизить силу МП, или наоборот. Это еще называется законом электродвижущей силы. Т.е. в первой обмотке производится самоиндукция, а во вторичной – взаимоиндукция.

Как только концы этих обмоток соединятся – устройство, которому необходимо получить результаты работы трансформатора, станет снабжаться электрическим током, принцип работы будет запущен, в определенной последовательности катушки начнут работать.

Работа автотрансформатора

Чаще всего в домашних условиях используется трансформатор не с двумя обмотками, а с одной. Рассмотрим принцип работы электронного автотрансформатора (вольтодобавочного трансформатора), и его характеристики. Данные устройства относятся к трансформаторам специального использования, т.к. их обмотка низкого напряжения у обычных трансформаторов, является обмоткой высокого напряжения, те они связаны между собой не только магнитным полем, но и гальваническим.

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 115 - изображение 115

Схема: автотрансформатор

Переключая обмотки при желании можно получить либо высокое, либо низкое напряжение. Подключая источник переменного тока к сердечнику, мы получим переменное магнитное поле. И между точками сердечника возникнет, и будет усиливаться ЭДС. Благодаря тому, что сердечник выполнен особенным образом, в нем протекает очень малое количество тока, которое создает достаточно сильное МП. Т.е. при экономии материалов мы получаем разное по необходимости, напряжение.

Автотрансформаторы целесообразнее использовать в областях, где нужно совсем незначительное изменение напряжения и РПН, но на продолжительный отрезок времени. Это лаборатории, небольшие предприятия или домашние хозяйства.

Бывают еще и узкоспециализированные лабораторные трансформаторы, у них несколько иная схема:

Обмотка выполнена из специального ферромагнитного материала, которая сводит вероятность резонансного движения к минимуму. Основные отличия от обычного прибора – это:

  1. Кроме ферромагнетика они обмотаны медным проводом;
  2. Низкие допустимые параметры — максимальная мощность до 7 кВА;
  3. Здесь работает система строчного ролика – на поверхности трансформатора имеется дорожка, по которой передвигается контактирующий ролик или щетка.

Но у такого обмоточного трансформатора есть свои недостатки:

  • нужно изолировать вторичные и первичные цепи, т.к. они имеют достаточно сильную электрическую связь;
  • нельзя использовать дл защиты в мощных сетях, допустим предел от 6 до 10 кВ;
  • ремонт и содержание требует значительных вложений.

Работа гидротрансформатора

Каждый водитель бульдозера либо другой машины, знаком с принципом работы трансформатора АКПП или гидротрасформатора, но какое его назначение. На самом деле, данный прибор является модернизированной муфтой, которая вращается не один раз, а два, газовое оборудование требует установки даже нескольких таких приборов.

Его необходимо установить между двигателем и трансмиссией, чтобы получить вращательное движение, которое после перейдет на колеса. Внешне механизм напоминает бублик, за что и получил такое «прозвище» от автослесарей, но у нег достаточно сложная конструкция:

По краю с обеих сторон встроены насосы, а в центре установлен мини реактор. Последний прибор должен передавать жидкость (масло, к примеру), на турбинное колесо, которое в свою очередь распределяет её равномерно по всей поверхности трансформатора.

Переднее колесо жестко соединено с главным валом машинного двигателя, захватывая жидкость, передает её далее по механизму. Но реактор при необходимости блокирует это движение и выводит колесо из работы.

Помимо блокировки вращающегося момента, конструкция масляного трехобмоточного трансформатора позволяет ему выполнять функции демпфинирования. Т.е., если авто достигло своего предела, скажем, 80 км/час, то для предотвращения несчастного случая вращающийся момент начинает передаваться уже через демпфинирующие пружины. Таким образом, производится защита от холостого хода и резкой остановки двигателя.

Таким образом и можно объяснить принцип работы трансформатора, как видите, все очень похоже, но есть некоторые нюансы у разных моделей в зависимости от области применения и конструкции.

Однофазный трансформатор. Назначение, устройство и основные характеристики

Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 116 - изображение 116

Есть старая институтская шутка. На вопрос преподавателя «как работает однофазный трансформатор» студент в ответ гудит: «У-у-у!». Звук такой действительно имеет место, обусловлен же он тем, что при наведении индукционного поля возникает магнитно-стрикционный эффект, заставляющий пластины магнитопровода вибрировать.

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 117 - изображение 117

Однофазный трансформатор предназначен для создания переменного напряжения нужной величины для нагрузки, не нуждающейся в трехфазном электропитании.

Любой трансформатор состоит из двух основных узлов: сердечника и катушек, их бывает не менее двух. Принцип работы простой. В результате прохождения электрического тока по проводнику в первичной обмотке, на вторичную наводится электродвижущая сила (ЭДС). Сердечник состоит из пластин ферромагнетика, то есть материала, способствующего усилению магнитного поля (электротехническая сталь специальных марок).

Величина ЭДС определяется по формуле:

Е = 4,44 х Ф х f х ω

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 118 - изображение 118

где:

Ф – амплитуда магнитного потока;

f – частота тока;

ω – число витков в обмотке.

Допустимая мощность нагрузки, которую «потянет» однофазный трансформатор, задается сечением провода, которым намотаны катушки, и добротностью магнитопровода, в частности магнитной проницаемостью ферромагнетика µ. Размеры сердечника и число витков являются предметом расчета, который часто становится темой курсовой работы в технических ВУЗах.

В любом случае, чем мощнее однофазные трансформаторы напряжения, тем внушительнее их размеры. На их корпусе чаще всего есть ярлык с перечислением основных параметров (допустимого тока входного и выходного напряжений). Однако так бывает не всегда.

Принцип работы однофазного трансформатора - фото 119 - изображение 119

На практике многие ремонтники часто сталкиваются с необходимостью заменить сгоревший однофазный трансформатор напряжения. Для того чтобы убедиться в пригодности, следует изучить характеристики устройства, предназначенного для замены.

Первое, что следует сделать, это определить входную обмотку. У понижающих трансформаторов она имеет наибольшее сопротивление.

Затем, включив его в сеть, можно измерить выходное напряжение в режиме холостого хода. Отношение входного и выходного ЭДС составляет коэффициент трансформации K. Он также равен дроби N вх./N вых., то есть числу витков в обмотках.

Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 120 - изображение 120

После этого можно в качестве нагрузки подсоединить мощное переменное сопротивление (реостат) и снять вольт-амперную характеристику, определив величину номинального тока. По мере роста нагрузки выходное напряжение постепенно падает.

Трансформаторы бывают не только силовыми, но и измерительными. В тех случаях, когда нужно определять значительную величину тока в цепи, используют амперметр. Он включается последовательно, и должен иметь низкое сопротивление в сочетании с большим сечением провода в магнитной отклоняющей системе. Такой прибор был бы слишком массивным и дорогим, поэтому используют однофазные трансформаторы тока, снимающие пропорционально уменьшенные значения, и подающие их на обычные серийные амперметры. Вычислить ампераж несложно, остается лишь применить указанные на корпусе множители.

  • 3 Принцип работы трансформатора
  • 4 Формула трансформатора
  • 5 Виды трансформаторов по выходному напряжению
  • 5.1 Понижающий трансформатор
  • 5.2 Повышающий трансформатор
  • 5.3 Согласующий трансформатор
  • 5.4 Разделительный или развязывающий трансформатор (трансформатор 220-220)
  • 6 Как проверить трансформатор
  • 6.1 Короткое замыкание обмоток
  • 6.2 Обрыв обмотки трансформатора
  • 7 Работа трансформатора
  • 7.1 Работа понижающего трансформатора
  • 7.2 Трансформатор на холостом ходу
  • 7.3 Трансформатор под нагрузкой
    • 7.3.1 Опыт №1
    • 7.3.2 Опыт №2

    Что такое трансформатор?

    Слово “трансформатор” образуется от английского слова “transform”  – преобразовывать, изменяться. Надеюсь все помнят фильм “Трансформеры”. Там автомобили легко преобразовывались в трансформеров и обратно. Но… трансформатор у нас не преобразовывается по внешнему виду. Он обладает еще более удивительным свойством – преобразовывает переменное напряжение одного значения в переменное напряжение другого значения! Это свойство трансформатора очень широко используется в радиоэлектронике и электротехнике.

    Виды трансформаторов

    Однофазные трансформаторы

    Это трансформаторы, которые преобразуют однофазное переменное напряжение одного значения в однофазное переменное напряжение другого значения.

    Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 121 - изображение 121

    В основном однофазные трансформаторы имеют две обмотки, первичную и вторичную. На первичную обмотку подают одно значение напряжения, а со вторичной снимают нужное нам напряжение. Чаще всего в повседневной жизни можно увидеть так называемые сетевые трансформаторы, у которых первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение, то есть 220 В.

    На схемах однофазный трансформатор обозначается так:

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 122 - изображение 122

    Первичная обмотка слева, а вторичная – справа.

    Иногда требуется множество различных напряжений для питания различных приборов. Зачем ставить на каждый прибор свой трансформатор, если можно с одного трансформатора получить сразу несколько напряжений? Поэтому, иногда вторичных обмоток бывает несколько пар, а иногда даже некоторые обмотки выводят прямо из имеющихся вторичных обмоток. Такой трансформатор называется трансформатором со множеством вторичных обмоток. На схемах можно увидеть что-то подобное:

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 123 - изображение 123

    Трехфазные трансформаторы

    Эти трансформаторы в основном используются в промышленности и чаще всего превосходят по габаритам простые однофазные трансформаторы. Почти все трехфазные трансформаторы считаются силовыми. То есть они используются в цепях, где нужно питать мощные нагрузки. Это могут быть станки ЧПУ и другое промышленное оборудование.

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 124 - изображение 124

    На схемах трехфазные трансформаторы обозначаются вот так:

    Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 125 - изображение 125

    Первичные обмотки обозначаются заглавными буквами, а вторичные обмотки – маленькими буквами.

    Здесь мы видим три типа соединения обмоток (слева-направо)

    • звезда-звезда
    • звезда-треугольник
    • треугольник-звезда

    В 90% случаев используется именно звезда-звезда.

    Принцип работы трансформатора

    Рассмотрим вот такую картинку:

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 126 - изображение 126

    1 – первичная обмотка трансформатора

    2 – магнитопровод

    3 – вторичная обмотка трансформатора

    Ф – направление магнитного потока

    U1 – напряжение на первичной обмотке

    U2  – напряжение на вторичной обмотке

    На картинке показан самый обычный однофазный трансформатор.

    Магнитопровод состоит из пластинок специальной стали. По нему течет магнитный поток Ф (показано стрелками). Этот магнитный поток создается переменным напряжением первичной обмотки трансформатора. Снимается напряжение со вторичной обмотки трансформатора.

    Но как такое возможно? У нас ведь нет никакой связи между первичной и вторичной обмотками? Как может ток течь через разомкнутую цепь? Все дело именно в магнитном потоке, который создает первичная обмотка трансформатора. Вторичная обмотка “ловит” этот магнитный поток и преобразовывает его в переменное напряжение с такой же частотой.

    В настоящее время трансформаторы создают в другом конструктивном исполнении. Такое исполнение имеет свои плюсы, такие как удобство намотки первичной и вторичной обмоток, а также меньшие габариты.

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 127 - изображение 127

    Формула трансформатора

    Так от чего же зависит напряжение, которое выдает нам трансформатор на вторичной обмотке? А зависит оно от витков, которые намотаны на первичной и вторичной обмотке !

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 128 - изображение 128

    где

    U2  – напряжение на вторичной обмотке

    U1 – напряжение на первичной обмотке

    N1 – количество витков первичной обмотки

    N2 – количество витков  вторичной обмотки

    I1 – сила тока первичной обмотки

    I2 –  сила тока вторичной обмотки

    В трансформаторе соблюдается также закон сохранения энергии, то есть какая мощность заходит в трансформатор, такая мощность выходит из трансформатора:

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 129 - изображение 129

    Эта формула справедлива для идеального трансформатора. Реальный же трансформатор будет выдавать на выходе чуть меньше мощности, чем на его входе. КПД трансформаторов очень высок и порой составляет даже 98%.

    Виды трансформаторов по выходному напряжению

    Понижающий трансформатор

    Это трансформатор, которые понижает напряжение. Допустим, на первичную обмотку заходит 220 В, а на вторичной у нас получается 12 В. То есть мы большее напряжение преобразовали в меньшее напряжение.

    Повышающий трансформатор

    Это трансформатор, который  повышает напряжение. Тут тоже все до боли просто. Допустим,  на первичную обмотку мы подаем 10 Вольт, а со вторичной снимаем уже 110 В. То есть мы повысили наше напряжение в несколько раз.

    Согласующий трансформатор

    Такой трансформатор используется для согласования входного и выходного сопротивления между каскадами схем.

    Разделительный или развязывающий трансформатор (трансформатор 220-220)

    Такой трансформатор используется в целях электробезопасности. В основном это трансформатор с одинаковым числом обмоток на входе и выходе, то есть его напряжение на первичной обмотке будет равняться напряжению на вторичной обмотке. Нулевой вывод вторичной обмотки такого трансформатора не заземлен. Поэтому, при касании фазы на таком трансформаторе вас не ударит электрическим током. Про его использование можете прочесть в статье про ЛАТР.

    Как проверить трансформатор

    Короткое замыкание обмоток

    Хотя обмотки  прилегают очень плотно к друг другу, их разделяет лаковый диэлектрик, которым покрываются и первичная и вторичная обмотка. Если где-то возникло короткое замыкание, то трансформатор будет сильно греться или издавать сильный гул при работе. В этом случае стоит замерить напряжение на вторичной обмотке и сравнить, чтобы оно совпадало с паспортным значением.

    Обрыв обмотки трансформатора

    При  обрыве все намного проще. Для этого с помощью мультиметра мы проверяем целостность первичной и вторичной обмотки.

    На фото ниже я проверяю целостность первичной обмотки, которая состоит из 2650 витков. Сопротивление есть? Значит все ОК. Обмотка не в обрыве. Если бы  она была в обрыве, мультиметр показал бы на дисплее “1”.

    Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 130 - изображение 130

    Таким же способом проверяем и вторичную обмотку, которая состоит из 18 витков

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 131 - изображение 131

    Работа трансформатора

    Работа понижающего трансформатора

    Итак, у нас в гостях трансформатор от выжигательного прибора по дереву:

    Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 132 - изображение 132

    Его первичная обмотка  – это цифры 1, 2.

    Вторичная обмотка – цифры 3, 4.

    N1  – 2650 витков,

    N2 – 18 витков.

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 133 - изображение 133

    Его внутренности выглядят вот так:

    Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 134 - изображение 134

    Подключаем первичную обмотку трансформатора к 220 Вольтам

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 135 - изображение 135

    Ставим крутилку на мультиметре на измерения переменного тока и замеряем напряжение на первичной обмотке (напряжение сети).

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 136 - изображение 136

    Замеряем напряжение на вторичной обмотке.

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 137 - изображение 137

    Настало время проверить наши формулы

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 138 - изображение 138

    1.54/224=0.006875 (коэффициент отношения напряжения)

    18/2650=0.006792 (коэффициент отношения обмоток)

    Сравниваем числа… погрешность вообще копейки! Формула работает! Погрешность связана с потерями на нагрев обмоток трансформатора и магнитопровода, а также погрешность измерения мультиметра. Насчет силы тока работает простое правило: понижая напряжение, повышаем силу тока и наоборот, повышая напряжение, понижаем силу тока.

    Трансформатор на холостом ходу

    Работа трансформатора на холостом ходу подразумевает работу трансформатора без нагрузки на вторичной обмотке.

    Нашим подопытным кроликом будет уже другой трансформатор

    Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 139 - изображение 139

    Вторичных обмоток здесь целых две пары, но мы будем использовать только одну.

    Два красных провода – это первичная обмотка трансформатора. На эти провода мы будем подавать напряжение из сети 220 В.

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 140 - изображение 140

    Снимать напряжение будем со вторичной обмотки с двух синих проводов.

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 141 - изображение 141

    Для того, чтобы произвести замеры, нам потребуется выставить на мультиметре крутилку на измерение переменного напряжения.Если вы не знаете, как измерять переменное напряжение и силу тока, рекомендую прочитать вот эту статью.

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 142 - изображение 142

    Замеряем напряжение на первичной обмотке трансформатора, куда мы подаем 220 В.

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 143 - изображение 143

    Мультиметр показывает 230 В. Ну что же, бывает).

    Теперь замеряем напряжение на вторичной обмотке трансформатора

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 144 - изображение 144

    Получили 22 Вольта.

    Интересно, а какую силу тока потребляет из розетки наш трансформатор  при холостом режиме?

    Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 145 - изображение 145

    Мультиметр показал 60 миллиампер. Оно и понятно, ведь наш трансформатор не идеальный.

    Как вы видите,  на вторичной обмотке трансформатора нет никакой нагрузки, но он все равно “кушает” силу тока, а следовательно и электрическую энергию из сети. Если сосчитать мощность, то получим P=IU=230×0,06=13,8 Ватт. А если у нас он простоит включенным хотя бы часик, то у нас он съест электроэнергию 13,8 Ватт* час или 0,0138кВатт*час. А сколько сейчас стоит один киловатт электроэнергии? В России 4-5 рублей. Копейка рубль бережет. Поэтому, не рекомендуется оставлять в сети электроприборы, имеющие трансформаторный блок питания.

    Трансформатор под нагрузкой

    Опыт №1

    Работа трансформатора под нагрузкой подразумевает режим, при котором к его вторичной обмотке цепляется нагрузка. Для этого последовательно соединяем две лампы накаливания по 13,5 Вольт. В этом случае напряжение будет падать поровну на каждой из ламп накаливания, так как мы соединили их последовательно. Почему так получается, читайте статью про делитель напряжения.

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 146 - изображение 146

    Интересно, а поменяется ли сила тока на первичной обмотке, если мы нагрузим вторичную обмотку нашими лампочками? Лампочки загорелись, а сила тока на первичной обмотке тоже поменялась ;-)

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 147 - изображение 147

    Когда мы замеряли без нагрузки, у нас было 60 миллиампер в цепи первичной обмотки. Цепь вторичной обмотки у нас была разомкнута, так как мы не присоединяли никакую нагрузку. Как только мы подсоединили лампы накаливания ко вторичной обмотке трансформатора, они стали сразу потреблять силу тока. Но еще кстати, сила тока поднялась в цепи первичной обмотки, до уровня 65,3 миллиампер. Отсюда напрашивается вывод:

    Если растет сила тока в цепи вторичной обмотки трансформатора, то растет и сила тока в цепи первичной обмотки.

    Опыт №2

    Давайте проведем еще один опыт. Для этого замеряем напряжение без нагрузки на вторичной обмотке трансформатора, так называемый – холостой режим работы

    Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 148 - изображение 148

    а теперь подсоединяем наши лампочки и снова замеряем напряжение

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 149 - изображение 149

    Ого, напряжение просело на 0,2 В.

    Давайте замеряем силу тока во вторичной обмотке с лампочками

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 150 - изображение 150

    Получили 105 миллиампер.

    Все те же самые аналогичные операции проводим и для мощного резистора номиналом в 10 Ом и мощностью рассеивания в 10 Ватт. Замеряем напряжение на вторичной обмотке, при включении резистора

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 151 - изображение 151

    Получили 18,9 В. Видели, как сильно просело напряжение? Если на холостом ходу было 22,2 В, то сейчас стало 18,9 В !

    Интересно, какая сила тока течет во вторичной цепи, в которой включен резистор

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 152 - изображение 152

    Ого-го, почти 2 Ампера.

    Вывод: при включении нагрузки происходит просадка напряжения. Напряжение падает тем больше, чем больше силы тока кушает нагрузка. Здесь также играет роль еще один немаловажный фактор – мощность трансформатора. Чем больше мощность трансформатора, тем меньше будет просадка напряжения. Мощность трансформатора зависит от его габаритов. Чем больше габариты, тем больше его  размер сердечника. Следовательно, такой трансформатор может выдавать приличную силу тока во вторичной обмотке с минимальной просадкой напряжения.

    Принцип работы трансформатора

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 153 - изображение 153

    С открытием и началом промышленного использования электричества возникла необходимость создания систем его преобразования и доставки к потребителям. Так появились трансформаторы, о принципе действия которых и пойдет речь.

    Появлению их на свет предшествовало открытие явления электромагнитной индукции великим английским физиком Майклом Фарадеем почти 200 лет назад. Позже он и его американский коллега Д. Генри нарисовали схему будущего трансформатора.

    Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 154 - изображение 154

    Трансформатор Фарадея

    Первое воплощение идеи в железо состоялось в 1848 году с создания индукционной катушки французским механиком Г. Румкорфом. Свою лепту внесли и российские ученые. В 1872 году профессор Московского университета А. Г. Столетов открыл петлю гистерезиса и описал структуру ферромагнетика, а 4 года спустя, выдающийся российский изобретатель П. Н. Яблочков получил патент на изобретение первого трансформатора переменного тока.

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 155 - изображение 155

    Как устроен и как работает трансформатор

    Трансформаторы – это название огромного «семейства», куда входят однофазные, трехфазные, понижающие, повышающие, измерительные и множество других типов трансформаторов. Основное их назначение – преобразование одного или нескольких напряжений переменного тока в другое на основе электромагнитной индукции при неизменной частоте.

    Итак, кратко, как работает простейший однофазный трансформатор. Он состоит из трех основных элементов – первичной и вторичной обмоток и объединяющего их в единое целое магнитопровода, на который они как бы нанизаны. Источник подключается исключительно к первичной обмотке, в то время, как вторичная снимает и передает уже измененное напряжение потребителю.

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 156 - изображение 156

    Принцип работы трансформатора

    Подключенная к сети первичная обмотка создает в магнитопроводе переменное электромагнитное поле и формирует магнитный поток, который начинает циркулировать между обмотками, индуцируя в них электродвижущую силу (ЭДС). Ее величина зависит от числа витков в обмотках. К примеру, для понижения напряжения необходимо, чтобы в первичной обмотке витков было больше, чем во вторичной. Именно по такому принципу работают понижающие и повышающие трансформаторы.

    Важная особенность конструкции трансформатора состоит в том, что магнитопровод имеет стальную структуру, а обмотки, как правило имеющие форму цилиндра, изолированы от него, непосредственно не связаны друг с другом и имеют свою маркировку.

    Трансформаторы напряжения

    Это, пожалуй, наиболее многочисленная разновидность семейства трансформаторов. В двух словах, их основная функция – сделать произведенную на электростанциях энергию доступной для потребления различными устройствами. Для этого существует система передачи электроэнергии, состоящая из повышающих и понижающих трансформаторных подстанций и линий электропередач.

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 157 - изображение 157

    Вначале электроэнергия, произведенная электростанцией, подается на повышающую трансформаторную подстанцию (к примеру, с 12 до 500 кВ). Это необходимо для того, чтобы компенсировать неизбежные потери электроэнергии при передаче на большие расстояния.

    Следующий этап – понижающая подстанция, откуда электроэнергия уже по низковольтной линии подается на понижающий трансформатор и далее к потребителю в виде напряжения 220 в.

    Но на этом работа трансформаторов не заканчивается. В большинстве окружающих нас бытовых электроприборов — в ПК, телевизорах, принтерах, стиральных машинах-автоматах, холодильниках, микроволновых печах, DVD и даже в энергосберегающих лампочках установлены понижающие трансформаторы. Пример индивидуального «карманного» трансформатора – зарядное устройство мобильного телефона (смартфона).

    Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 158 - изображение 158

    Гигантскому разнообразию современных электронных устройств и выполняемых ими функций соответствует множество различных типов трансформаторов. Это далеко не полный их список: силовые, импульсные, сварочные, разделительные, согласующие, вращающиеся, трехфазные, пик-трансформаторы, трансформаторы тока, тороидальные, стержневые и броневые.

    Какие они, трансформаторы будущего

    Считается, что трансформаторная отрасль весьма консервативна. Тем не менее и ей приходится считаться с революционными изменениями в области электротехники, где все громче о себе заявляют нанотехнологии. Как и множество других устройств, они постепенно «умнеют».

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 159 - изображение 159

    Элегазовые трансформаторы

    Активно ведется поиск новых конструкционных материалов – изоляционных и магнитных, способных обеспечить более высокую надежность трансформаторного оборудования. Одним из направлений может стать использование аморфных материалов, что значительно повысит его пожарную безопасность и надежность.

    Появятся взрыво- и пожаробезопасные трансформаторы, в которых хлордифенилы, используемые для пропитки электроизоляционных материалов, будут заменены нетоксичными жидкими, экологически безопасными диэлектриками.

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 160 - изображение 160

    Элегазовые трансформаторы

    Примером тому — элегазовые силовые трансформаторы, где функцию хладагента выполняет негорючий элегаз гексафторид серы, вместо далеко не безопасного трансформаторного масла.

    Вопрос времени – создание «умных» электросетей, оснащенных полупроводниковыми твердотельными трансформаторами с электронным управлением, с помощью которых появится возможность регулировать напряжение в зависимости от потребностей потребителей, в частности, подключать к домашней сети возобновляемые и промышленные источники питания, или наоборот отключать лишние, когда в них нет необходимости.

    Еще одно перспективное направление – низкотемпературные сверхпроводимые трансформаторы. Работа по их созданию началась еще в 60-е годы. Главная проблема, с которой столкнулись ученые – огромные размеры криогенных систем, необходимых для изготовления жидкого гелия. Все изменилось в 1986 году, когда были открыты сверхпроводниковые высокотемпературные материалы. Благодаря им, появилась возможность отказаться от громоздких охлаждающих устройств.

    Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 161 - изображение 161

    Трансформатор с полупроводниковым преобразователем

    Сверхпроводимые трансформаторы обладают уникальным качеством: при высокой плотности тока потери в них минимальны, зато, когда ток достигает критических значений, сопротивление от нулевого уровня резко увеличивается.

    Принцип действия трансформатора

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 162 - изображение 162

      Рассмотрим принцип работы трансформатора на примере однофазного двухобмоточного трансформатора, электромагнитная схема которого представлена ниже:

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 163 - изображение 163

    На замкнутом магнитопроводе из ферромагнитного материала расположены две обмотки, первичная и вторичная. На первичную обмотку подаётся входное напряжение U1 от источника переменного тока (электрической сети), а к вторичной, на которой наводится (индуктируется) переменное напряжение  U2, подключается нагрузка, имеющая сопротивление Zн. Применение ферромагнитного магнитопровода даёт возможность уменьшать магнитное сопротивление контура, по которому замыкается магнитный поток, что положительно отражается на усилении электромагнитной связи между обмотками.

    В подключенной к сети первичной обмотке трансформатора протекает переменный ток, который в свою очередь создаёт переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Переменный магнитный поток Ф индуцирует в обеих обмотках переменные электродвижущие силы (ЭДС) е1 и е2. Мгновенные значения этих ЭДС, согласно закону Максвелла, пропорциональны числу витков w1 и w2 соответствующих обмоток и скорости изменения магнитного потока dФ/dt, определяются выражением:

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 164 - изображение 164

    Из этого следует, что отношение действующих и мгновенных значений ЭДС в обмотках можно представить как:

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 165 - изображение 165

    Падением напряжения в обмотках трансформатора можно пренебречь, поскольку оно обычно составляет 3%…5% от номинальных значений,  и считать что E1≈U1 и E2≈U2 . Тогда получим:

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 166 - изображение 166

    Из этого равенства отношений, напряжений и количества витков соответствующих обмоток, следует, что подобрав (рассчитав) количество витков обмоток при заданном напряжении U1 можно получить желаемое напряжение U2 (то есть U2< U1, U2>U1 или  U2=U1).

    Если надо получить U2< U1, то количество витков w2 вторичной обмотки должно быть меньше количества витков w1 первичной обмотки, такой трансформатор называют понижающим. Если же надо получить U2>U1, то количество витков w2 вторичной обмотки должно быть больше количества витков w1 первичной обмотки, такой трансформатор называют повышающим.

    Предположим, что количество витков w1 первичной обмотки больше количества витков w2 вторичной обмотки. Это значит что в дальнейшем мы будем рассматривать работу двухобмоточного понижающего трансформатора.

    Важным параметром, которым широко пользуются в электротехнических расчетах, является коэффициент трансформации, представляющий собой отношение ЭДС обмотки высшего напряжения Ев.н. к ЭДС обмотки низшего напряжения Ен.н. (или отношение числа витков wв.н.  обмотки высшего напряжения к числу витков wн.н.  обмотки низшего напряжения).

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 167 - изображение 167

    Следует обратить внимание, что значение коэффициента трансформации всегда больше единицы (поскольку всегда Ев.н. > Ен.н., wв.н.  > wн.н.).

    В электроэнергетике в системах распределения и передачи энергии применяют также и трехобмоточные  трансформаторы, а для устройств автоматики и радиоэлектроники – многообмоточные трансформаторы. На магнитопроводе этих трансформаторов находится три или большее число изолированных друг от друга обмоток. Это даёт возможность получать большее число напряжений (U2, U3, U4 и так далее, необходимых для питания различных групп электрических цепей), подавая напряжение (U1) только на одну (первичную) обмотку.

    Трансформаторы преобразуют только напряжения и токи, оставляя мощность приблизительно постоянной (входная мощность первичной обмотки должна равняться сумме мощностей вторичных обмоток с учётом, как правило, незначительных, внутренних потерь энергии в самом трансформаторе). В случае с двухобмоточным понижающим трансформатором, увеличение напряжения на вторичной обмотке  (без изменения напряжения на первичной) в k раз должно привести к уменьшению тока во вторичной обмотке в k раз:

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 168 - изображение 168

    Ведь   мощность P=U∙I∙сos φ , U1∙I1∙cos φ ≈ U2∙I2∙cos φ  , отсюда I2 ≈ U1∙I1/ U2

    Для трансформаторов важной особенностью является то, что они могут работать только в цепях переменного тока. Если подключить к цепи постоянного тока первичную обмотку трансформатора, то в его магнитопроводе образуется магнитный поток, но он будет постоянным по направлению, величине и времени. Поэтому, в установившемся режиме, в обмотках трансформатора (как первичной, так и вторичной) не будет индуктироваться ЭДС (формула 1а) . Как следствие, не будет выполняться передача электроэнергии из первичной цепи во вторичную. При этом из-за отсутствия, противоЭДС Е1, ток I1 в первичной обмотке резко возрастает и становится равным I1=U1/r1 (где r1 – сопротивление обмотки w1). Поэтому, подключение к цепи постоянного тока, может представлять серьёзную опасность для трансформатора и не только.

    Среди важных свойств трансформатора следует выделить его способность преобразовывать величину нагрузочного сопротивления. Например, если к источнику переменного тока подключить сопротивление r не напрямую, а через трансформатор с коэффициентом трансформации k, то его величина для цепи источника становится равной:

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 169 - изображение 169

    где Р1 — это мощность, которую трансформатор потребляет от источника переменного тока; Р2= I2²∙r ≈ P1— мощность, которую потребляет сопротивление r от трансформатора.

    Из этого можно сделать вывод, что трансформатор изменяет величину сопротивления r для цепи источника переменного тока в k² раз. Поэтому, это свойство часто используют разработчики электрических схем для согласования сопротивления источника электроэнергии с сопротивлением нагрузки.

    Устройство и принцип действия однофазного трансформатора. Коэффициент трансформации напряжений

    Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 170 - изображение 170

    СУДОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

    МАШИНЫ

    Конспект лекций

    Том 1

    для студентов специальности 5.07010407

    “Эксплуатация электрооборудования и автоматики судов”

    дневной формы обучения

    Керчь, 2014

    СОДЕРЖАНИЕ

    Введение . . . . . . . . . . . . 3

    1 Трансформаторы. . . . . . . . . . . 4

    1.1 Устройство и принцип действия однофазного трансформатора

    Коэффициент трансформации напряжений . . . . . . . 4

    1.2 Работа однофазного трансформатора под нагрузкой. Трансформация токов . . 5

    1.3 Индуктивное сопротивление рассеяния. Приведенный однофазный трансформатор.

    Пересчет параметров вторичной обмотки . . . . . . . 6

    1.4 Опыты холостого хода и короткого замыкания однофазного трансформатора . . 8

    1.5 Уравнения однофазного трансформатора. Векторная диаграмма нагруженного

    трансформатора . . . . . . . . . . . 10

    1.6 Внешняя характеристика однофазного трансформатора. Расчет потерь напряжения . 11

    1.7 Энергетическая диаграмма и КПД однофазного трансформатора . . . . 13

    1.8 Устройство трехфазного трансформатора и группы соединения его обмоток . . 14

    1.9 Уравнения трехфазного трансформатора. Векторные диаграммы

    нагруженного трансформатора . . . . . . . . . 16

    1.10 Параллельная работа трехфазных трансформаторов . . . . . 18

    1.11 Автотрансформатор, устройство, принцип действия, основные характеристики . 24

    1.12 Сварочные трансформаторы, устройство, принцип действия, основные характеристики 26

    1.13 Измерительные трансформаторы напряжения и тока . . . . . 27

    2 Асинхронные двигатели . . . . . . . . . . 29

    2.1 Устройство и принцип действия трехфазного асинхронного двигателя . . . 29

    2.2 Условия получения вращающегося магнитного поля статора . . . . 31

    2.3 Однослойные обмотки статора АД: простая и распределенная . . . . 33

    2.4 Двухслойные петлевые обмотки статора АД с укороченным шагом . . 35

    2.5 Работа заторможенного АД при разомкнутом изамкнутом роторе.

    Индукционный регулятор напряжения . . . . . . . . 40

    2.6 Работа вращающегося АД. Параметры э.д.с.и тока ротора.

    Энергетическая диаграмма и вращающий момент АД . . . . . 41

    2.7 Приведение ротора к статору. Схемы замещения АД . . . . . 43

    2.8 Механическая и электромеханическая характеристики АД . . . . 45

    2.9 Упрощенная и полная формулы Клосса АД . . . . . . 47

    2.10 Устойчивости работы АД "в малом" и "в большом" . . . . . 49

    2.11 Устройство и принцип действия АД с двухклеточным

    и глубокопазным ротором . . . . . . . . . . 51

    2.12 Механические характеристики АД с двухклеточным и

    глубокопазным ротором . . . . . . . . . . 54

    2.13 Определение параметров двухклеточного ротора по каталожным данным АД . 56

    2.14 Способы пуска АД . . . . . . . . . . 59

    2.15 Частотное регулирование скорости АД по цепи статора . . . . . 62

    2.16 Регулирование частоты вращения АД с фазным ротором . . . . 65

    2.17 Полюсопереключаемые АД . . . . . . . . . 67

    2.18 Способы торможения АД . . . . . . . . . 70

    2.19 Однофазный однообмоточный АД . . . . . . . . 73

    2.20 Однофазный двухобмоточный АД . . . . . . . . 75

    ВВЕДЕНИЕ

    Электрическими называют машины, совершающие преобразование механической энергии в электрическую, передачу ее на расстояние и обратное преобразование электрической энергии в механическую.

    Электрическая машина (ЭМ), предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую, называется генератором.

    ЭМ, предназначенная для обратного преобразования энергии, называется двигателем.

    ЭМ, предназначенная для преобразования параметров электрической энергии с целью передачи ее на расстояние, называется трансформатором.

    ЭМ представляет собой электромагнитную систему, состоящую из взаимосвязанных магнитных и электрических цепей. Магнитная цепь включает неподвижный и подвижный магнитопроводы и немагнитный воздушный зазор, отделяющий их друг от друга. Электрические цепи образуются обмотками, которые могут перемещаться друг относительно друга совместно с магнитопроводами, на которых они размещены.

    Электромеханическое преобразование энергии в ЭМ основано на явлениях получения электродвижущей силы, электрического тока, магнитного поля и механической силы.

    ЭМ могут быть рассчитаны для работы с сетью переменного и постоянного тока. В соответствии с этим они делятся на ЭМ переменного тока и ЭМ постоянного тока.

    Цель курса ЭМ – дать студентам основы теории, конструкции, характеристик и особенностей работы электрических машин.

    В результате изучения дисциплины студенты должны знать:

    - конструкцию электрических машин и их принцип действия;

    - рабочие характеристики электрических машин;

    - варианты использования электрических машин по назначению.

    Студенты должны уметь:

    - использовать электрические машины по их прямому назначению;

    - оценивать (диагностировать) техническое состояние электрических машин;

    - организовывать техническое обслуживание судовых электрических машин.

    ТРАНСФОРМАТОРЫ

    Устройство и принцип действия однофазного трансформатора. Коэффициент трансформации напряжений

    Однофазный трансформатор содержит катушки с намотанными на них обмотками, которые посажены на замкнутый сердечник (магнитопровод) из электротехнической стали. Катушки называются первичной и вторичной обмотками, которые имеют, соответственно, w1 и w2 число витков (рис.1.1). Первичная обмотка одна-единственная, а вторичных обмоток может быть больше одной. Первичная обмотка подключается к источнику переменного напряжения (в сеть) U1. С вторичной обмотки снимается переменное напряжение U2. Трансформатор может работать как в режиме холостого хода (х.х.), когда вторичная обмотка разомкнута (рис.1.1,а), так и под нагрузкой, когда к вторичной обмотке подключено сопротивление нагрузки (нагрузка) (рис.1.1,б).

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 171 - изображение 171

    Работа трансформатора на холостом ходу (рис.1.1,а).

    Первичная обмотка w1 подключена к сети с напряжением U1 и так как из сети и обмотки образована замкнутая цепь, то по обмотке потечет переменный ток I1. Переменный ток I1 создаст в катушке переменное магнитное поле Ф1, которое практически полностью будет сосредоточено в магнитопроводе. На магнитопроводе помещена вторичная обмотка w2 и переменное магнитное поле Ф1 пересекает контуры (витки) вторичной обмотки и, поэтому в ней наведется электродвижущая сила (э.д.с.) Е2. Концы вторичной обмотки выведены наружу трансформатора и на этих выводах будет присутствовать напряжение U2, которое в точности будет равно э.д.с. Е2 (так как вторичная обмотка разомкнута). Таким образом, в трансформаторе произошло преобразование переменных напряжений: U1 преобразовалось в напряжение U2.

    Одновременно переменное магнитное поле Ф1 пересекает контуры (витки) первичной обмотки и, поэтому в ней наведется электродвижущая сила (э.д.с.) Е1. Так как общий (суммарный) магнитный поток ФΣ одинаков для витков обоих обмоток и, поэтому, в каждом витке обмоток индуктируется одинаковая по величине э.д.с., которую обозначим как Евит. Э.д.с. обмоток будут прямо пропорциональны числам их витков w1 и w2:

    (1.1)

    Из (1.1) следует, что отношение э.д.с. обмоток равно отношению их числа витков:

    (1.2)

    Коэффициент трансформации.

    Коэффициентом трансформации kтр называют следующее отношение напряжений U1 и U2 на обмотках:

    (1.3)

    Ввиду реальной (подтвержденной опытным путем) малости падения напряжения на внутреннем сопротивлении z1 первичной обмотки, э.д.с. Е1 будет практически равной напряжению U1:

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 172 - изображение 172

    . Для вторичной обмотки, тока в которой нет, напряжение U2 будет точно равным э.д.с. Е2: U2=Е2.

    Формула коэффициента трансформации с учетом (1.3) и (1.2) примет вид:

    (1.4)

    Из последней формулы следует, что коэффициент трансформации kтр можно рассчитывать как конструктивную характеристику трансформатора (без подключения трансформатора к сети). Это удобно.

    Если U2>U1, то трансформатор называют повышающим и его kтр<1. Если U2<U1, то трансформатор называют понижающим и его kтр>1.

    Вопросы и задания

    1. Поясните устройство трансформатора, назначение катушек и магнитопровода.

    2. Объясните принцип действия трансформатора.

    3. Почему в первичной обмотке, подключенной к сети, возникает э.д.с Е1? В каком соотношении находится э.д.с Е1 с напряжением сети U1?

    4. Что такое коэффициент трансформации kтр и какие варианты расчета его существуют?

    1.2 Работа однофазного трансформатора

    под нагрузкой. Трансформация токов

    К выводам вторичной обмотки подключается нагрузка (рис.1.1,б).

    В подключенной к сети первичной обмотке протекает переменный ток I1, который создаст в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1. Переменный магнитный поток Ф1 будет пересекать витки вторичной обмотки и, поэтому, в ней наведется переменная э.д.с. Е2. Так как вторичная обмотка вместе с сопротивлением образуют замкнутый контур, то в контуре и в самой вторичной обмотке потечет переменный ток I2. Переменны ток I2 создаст вв вторичной катушке и в магниторпроводе переменное магнитное поле Ф2. Если напряжение U1 синусоидально, то синусоидален созданный им ток I1, синусоидально поле Ф1, синусоидальны э.д.с. Е2 и ток I2 и, наконец, синусоидально поле Ф2. Определенное по правилу Ленца магнитное поле Ф2 будет находиться в противофазе с полем Ф1. Этот факт на рис.1.1,б отражен тем, что потоки Ф1 и Ф2 направлены в магнитопроводе встречно.

    Два встречных магнитных потока создадут одно суммарное поле:

    (1.5)

    Суммарное поле ФΣ наводит в обоих обмотках э.д.с. Е1 и Е2.

    При реальных малых внутренних сопротивлениях z1 и z2 обмоток трансформатора различия между э.д.с. Е1 и Е2 и соответствующими напряжениями U1 и U2 незначительны (2..3%) независимо от степени загрузки трансформатора. Поэтому, при постоянном действующем значении сетевого напряжения U1 действующее значение э.д.с. Е1 также будет постоянным. Если э.д.с. Е1 создается переменным магнитным полем ФΣ, то при постоянстве действующего значения э.д.с. Е1, также будет постоянна амплитуда магнитного потока ФΣ. Это явление, наблюдающееся в трансформаторе, называется принципом постоянства магнитного поля в сердечнике трансформатора.

    Так как ФΣ связан с потоками Ф1 и Ф2 соотношением (1.5), то при возрастании тока I2 вторичной обмотки и создаваемого им магнитного потока Ф2 должен увеличиться магнитный поток Ф1. Это возможно только одним путем – увеличением потребляемого из сети тока I1. Значит, I1 отслеживает изменения тока I2: если I2 изменится, вслед за ним пропорционально изменится ток I1. Описанное явление называется трансформацией токов в трансформаторе. Числовой характеристикой взаимозависимости токов является коэффициент трансформации токов:

    (1.6)

    Числовое значения коэффициента трансформации токов для нагруженного трансформатора практически совпадает с базовым определением коэффициента трансформации через напряжения обмоток (1.3): Приравняв два (1.3) и (1.6) определения коэффициента трансформации (через токи и напряжения обмоток), получим:

    (1.7)

    Из последнего равенства цепи (1.7) следует вывод: полные мощности первичной и вторичной обмоток практически одинаковы. Это значит, что в трансформаторе не происходит преобразования мощности, а преобразуются только напряжения и токи.

    Вопросы и задания

    1. Как создается суммарный магнитный поток ФΣ?

    2. Объясните принцип постоянства суммарного магнитного потока ФΣ.

    3. Что такое коэффициент трансформации токов?

    4. Объясните принцип постоянства полной мощности трансформатора.

    1.3 Индуктивное сопротивление рассеяния.

    Приведенный однофазный трансформатор.

    Пересчет параметров вторичной обмотки

    Определение индуктивного сопротивления рассеяния.

    На рис.1.2 приведен чертеж картины магнитных полей обмотки трансформатора.

    Ток I в обмотке трансформатора создает магнитное поле Ф, направление которого определяется правилом буравчика. Поле представляет собой замкнутые линии, которые окружают проводник витка с током и которые вложены друг в друга.

    Между обмоткой и сердечником существует технологический зазор δ, образованный толщиной стенок каркаса катушки, многослойно намоткой обмотки с применением изоляционных прокладок между слоями. Те лини магнитного поля, которые не достигли тела магнитопровода, образуют поля рассеяния Фр. Более удаленные линии магнитного поля проникают в магнитопровод и создают в нем основное магнитное поле Фосн. Благодаря полю Фосн осуществляется трансформация напряжений между посаженными на сердечник обмотками, что определяет использование трансформатора по назначению. Поля Фр, находящиеся вне сердечника, в трансформации напряжений не участвуют и, поэтому их называют полями рассеяния.

    Поля Фр, как созданные током I в катушке, прямо пропорциональны току:

    Фр ~ I. (1.8)

    В то же время поля Фр являются переменными, так как ток I в катушке переменный. Переменное магнитное поле Фр индуктирует в катушке э.д.с. рассеяния Ер, которая прямо пропорциональна ему:

    Ер ~ Фр (1.9)

    Из пропорций (1.8) и (1.9) следует, что между э.д.с. Ер и током Фр ~ I также существует прямая пропорция:

    Ер ~ I (1.10)

    Известно, что законом Ома устанавливается пропорция между напряжением цепи и током в ней и коэффициентом пропорциональности является сопротивление. Применим формально к выражению (1.10) закон Ома:

    (1.11)

    где хр называют индуктивным сопротивлением рассеяния.

    Теперь используем следующие факты относительно переменных Ер, Фр и I.

    Ток I и магнитный поток Фр синфазны, а э.д.с. Ер отстает по фазе от потока Фр на угол 90○. Следовательно, э.д.с. Ер отстает от тока I на угол 90○. В комплексных переменных отстающему на угол 90○ сигналу соответствует символ -j. С учетом указанного фазового сдвига между Ер и I выражение (1.11) может быть заменено на векторное:

    (1.12)

    Приведенный однофазный трансформатор.

    Процедура приведения трансформатора заключается его в замене электрической схемы, содержащей две индуктивно связанные катушки, на схему с непосредственным соединением первичной и вторичной обмоток. Расчет последней схемы будет проще, так как в ней не будет индуктивной связи. Процедура приведения поясняется серией рисунков (рис.1.3).

    На рис.1.3,а приведена исходная схема физического трансформатора. Затем каждая из обмоток представляется (рис.1.3,б) в виде источника э.д.с. Е1 и Е2, индуктивного сопротивления рассеяния хр1 и хр2 и активных сопротивлений R1 и R2 проводников обмоток. В последней схеме Е1 и Е2 не равны друг другу, так у обмоток неодинаковые числа витков w1 и w2.

    Изменяем число витков w2 вторичной обмотки так, чтобы оно стало равным числу витков w1 первичной обмотки (рис.1.3,в). В результате э.д.с. Е2 станет равной э.д.с. Е1. Изменившуюся э.д.с. Е2 обозначим как . Также обозначения сопротивлений хр2 и R2 изменим на Так как стало , то между обмотками w1 и можно установить перемычки (рис.1.3,г), в которых не будет тока, а просто будет механическое объединение физической первичной и приведенной вторичной обмоток. При таком соединении можно считать указанные обмотки считать одной обмоткой, намотанной запараллеленным проводом, и считать ее как одной катушкой с сердечником. Такая катушка представляется в виде последовательно соединенных сопротивлений х0 и R0 с тем их физическим смыслом, что сопротивлением х0 учитывается наличие в катушке основного магнитного поля Фосн, а сопротивлением R0 учитываются потери мощности в стали магнитопровода на гистерезис и вихревые токи. Схема приведенного трансформатора примет окончательный вид (рис.1.3,д). Схема называется полной схемой замещения трансформатора. Между обмотками приведенного трансформатора больше нет магнитной связи.

    При работе трансформатора под нагрузкой близкой к номинальной ток I0 намного меньше двух других токов I1 и , и, поэтому, можно цепью намагничивания х0 и R0 можно пренебречь. В результате получаем упрощенную схему замещения трансформатора (рис.1.3,е). Объединением сопротивлений хр1 с и R2 с получим простейшую схему замещения (рис.1.3,ж), в которой и называют, соответственно, индуктивным и активным сопротивлениями короткого замыкания трансформатора.

    Пересчет параметров вторичной обмотки.

    У приведенной вторичной обмотки для ее параметры и сигналов применены обозначения . Сопротивления нагрузки тоже должны быть обозначены как приведенные: У исходного трансформатора перечисленные величины являются физическими и имеют обозначения U2, I2, xp2, R2. zн, xн и . Для того, чтобы можно было в расчетах электрических схем с трансформатором использовать его схему замещения, необходим пересчет физических величин (без штриха) в приведенные (со штрихом). Формулы пересчета имеют вид:

    (1.13)

    При выводе формул использовались равенство активных, реактивных и полных мощностей на всех одноименных элементах исходной схемы трансформатора и его схемы замещения.

    Расчеты, например, напряжения U2 и тока I2 в нагрузке с использованием полной схемы замещения трансформатора выполнятся по следующему алгоритму:

    1. По формулам с 3-й по 7-ю системы (1.13) переводятся все физические сопротивления в приведенные. Сопротивления первичной обмотки xр1 и R1 и цепи намагничивания x0 и R0 берутся не пересчитанными.

    2. По схеме замещения (рис.1.3,д) методами теории цепей рассчитываются все токи и напряжения, в том числе и .

    3. По формулам, обратным к формулам 1 и 2 системы (1.13), рассчитывают физические напряжение U2 и ток I2.

    Вопросы и задания

    1. Поясните картину магнитного поля катушки трансформатора и смысл названий потоков основного и рассеяния.

    2. Как выводится индуктивное сопротивление рассеяния?

    3. Поясните этапы приведения трансформатора.

    4. Какие существуют схемы замещения трансформатора?

    5. Какой алгоритм расчета по схеме замещения трансформатора?

    1.4 Опыты холостого хода и короткого

    замыкания однофазного трансформатора

    Сопротивления схемы замещения трансформатора принято определять экспериментально из опытов холостого хода и короткого замыкания.

    Опыт холостого хода.

    Схема опыта приведена на рис.1.4,а. Условия проведения опыта:

    - вторичная обмотка w2 разомкнута;

    - на первичную обмотку w1 подается номинальное напряжение U1ном.

    Подключенными приборами измеряются: напряжения U1 и U2 первичной и вторичной обмоток, ток холостого хода I1=Ixx первичной обмотки и потребляемая активная мощность Р1. Так как ток во вторичной обмотке нулевой, а ток первичной обмотки Ixx мал, то потерями мощности в активных сопротивлениях обмоток можно пренебречь. Магнитный поток в сердечнике номинальный, так как к трансформатору приложено номинальное напряжение U1ном. Измеренная активная мощность Р1 является номинальной мощностью потерь в стали Р1=Рст.ном.

    Схема замещения для опыта представлена на рис.1.4,б.

    Так как в разомкнутой вторичной обмотке ток нулевой, то нулевым будет падение напряжения DU2=0 на внутреннем сопротивлении обмотки. Вследствие этого внутреннее сопротивление вторичной обмотки можно считать нулевым. У реальных трансформаторов внутренние сопротивления хр1 и R1 первичной обмотки намного меньше сопротивлений х0 и R0 цепи намагничивания: R1<<R0 и xp1<<x0. Поэтому внутренними сопротивлениями первичной обмотки можно пренебречь и считать их нулевыми. На схеме замещения внутренние сопротивления обоих обмоток показаны закороченными.

    По измеренным значениям рассчитывают:

    1) сопротивления R0 и x0 цепи намагничивания по формулам

    (1.14)

    2) коэффициент трансформации

    Опыт короткого замыкания.

    Схема опыта приведена на рис.1.5,а. Условия проведения опыта:

    - вторичная обмотка w2 замкнута на амперметр с практически нулевым внутренним сопротивлением;

    - на первичную обмотку w1 подается пониженное напряжение Uкз такой величины, при котором во вторичной обмотке протекает номинальный ток I2ном.

    Подключенными приборами измеряются: напряжение U1 первичной обмотки, токи I1 и I2 первичной и вторичной обмоток и потребляемая активная мощность Р1. Напряжение короткого замыкания Uкз мало и составляет всего 4...7% от номинального. Магнитный поток в магнитопроводе, который пропорционален Uкз, также очень мал и потери мощности в стали Рст, которые пропорциональны и составляют %, что является очень малой величиной. Поэтому потерями мощности в стали можно пренебречь.

    При проведении опыта контролируется на равенство номинальному тока I2 вторичной обмотки. В силу свойства трансформатора трансформировать ток, номинальным будет также ток и первичной обмотки I1ном. Значит измеренные потери мощности являются номинальными потерями в меди Рм.ном обмоток.

    В полной схеме замещения для опыта, представленной на рис.1.5,в, цепью намагничивания можно пренебречь, так как ток I0 в ней намного меньше токов I1 и I'2. Объединив, затем, активные R1, R'2 и реактивные сопротивления рассеяния xp1, x'p2 обмоток в сопротивления, соответственно, и хк, получим простейшую схему замещения (рис.1.5,в) для опыта короткого замыкания.

    По измеренным значениям рассчитывают:

    1) сопротивления и короткого замыкания по формулам

    (1.15)

    2) активные R1, R'2 и реактивные сопротивления рассеяния xp1, x'p2 обмоток, принимаемые равными половине сопротивлений и хк короткого замыкания:

    (1.16)

    и физические сопротивления вторичной обмотки (см. формулы (1.13)):

    (1.17)

    Вопросы и задания

    1. Назовите условия проведения опыта холостого хода и определяемые по результатам опыта параметры схемы замещения трансформатора.

    2. Поясните вид схемы замещения трансформатора и смысл измеренных сигналов в опыте холостого хода.

    3. Назовите условия проведения опыта короткого замыкания и определяемые по результатам опыта параметры схемы замещения трансформатора.

    4. Поясните вид схемы замещения трансформатора и смысл измеренных сигналов в опыте короткого замыкания.

    1.5 Уравнения однофазного трансформатора.

    Векторная диаграмма нагруженного трансформатора

    Система уравнений однофазного трансформатора состоит из уравнений, которыми описывается полная схема замещения его (рис.1.3,д), и уравнение нагрузки:

    (1.18)

    Для нагруженного трансформатора заданными величинами являются:

    - напряжение сети U1;

    - сопротивления R1, R'2, xp1, x'p2, R0, x0 схемы замещения трансформатора;

    - сопротивления , нагрузки.

    Этих данных достаточно для того, чтобы рассчитать напряжение U2 на нагрузке по уравнениям системы (1.18). Расчет можно выполнить как аналитически символическим методом, так и графо-аналитически с использование векторной диаграммы трансформатора.

    Порядок построения векторной диаграммы нагруженного трансформатора:

    1). Задаемся произвольным числовым значением напряжения . Проводим горизонтально вектор напряжения , длина которого определяется через величины и предварительного масштаба mU2 (мм/В) выбранного для всех векторов напряжений диаграммы:

    Из 5-го уравнения системы (1.18) рассчитываем по закону Ома ток :

    .

    Поводим вектор под углом к вектору . Вычисляем напряжения и , и проводим суммирование в соответствии с 5-м уравнением системы (1.18) векторов и . Вектор найденной суммы должен совпасть с вектором .

    2). Вычисляем вектора напряжений и , и проводим их суммирование в соответствии с 2-м уравнением системы (1.18). Вектор найденной суммы будет вектором .

    3). Из 3-го уравнения системы (1.18) находим параметры тока I0:

    Поводим вектор под углом к вектору .

    4). В соответствии с 4-м уравнением системы (1.18) находим вектор тока как сумму векторов и .

    5). Вычисляем вектора напряжений и , и проводим их суммирование с вектором в соответствии с 1-м уравнением системы (1.18). Вектор найденной суммы будет вектором напряжения сети.

    6). При определенной построением длине вектора и заданном числовом значении сетевого напряжения U1 вычисляем окончательный масштаб для напряжений

    и истинное (в п.1 принималось произвольное значение) напряжения U2:

    Вопросы и задания

    1. Составьте уравнения, описывающие нагруженный трансформатор.

    2. Поясните вычисления и построения, позволяющие найти вектор .

    3. Поясните вычисления и построения, позволяющие найти вектор .

    1.6 Внешняя характеристика однофазного

    трансформатора. Расчет потерь напряжения

    Внешней характеристикой трансформатора называется зависимость напряжения U2 на нагрузке от протекающего в ней тока I2 при неизменном напряжении сети U1 или, если использовать в расчетах схему замещения трансформатора, - напряжения от тока при неизменном U1.

    Трудоемкость вычислений и вид внешней характеристики существенно зависит от вида используемой в расчетах схемы замещения трансформатора. Расчеты по полной схеме замещения можно выполнить с использованием векторной диаграммы, приведенной на рис.1.6. Однако формулы внешней характеристики будут громоздкими и сложными. При расчетах внешней характеристики для нагруженного трансформатора можно использовать простейшую схему замещения, изображенную на рис.1.3,ж. Формулы внешней характеристики будут простейшими с допустимой в инженерных расчетах погрешностью ±5%. Следовательно, допустимо рассматривать только вариант расчета с простейшей схемой замещения трансформатора.

    Перед выводом формулы внешней характеристики учтем две особенности:

    1) в упрощенной схеме отсутствует цепь намагничивания и, поэтому, ток I0 равен нулю, а токи I1 и совпадают и, следовательно, в расчетах можно использовать только ток ;

    2) для реальных трансформаторов угол δ между векторами напряжений и (рис.1.6) мал, и его допустимо принять равным нулю.

    С учетом отмеченных особенностей векторная диаграмма трансформатора, из которой выводятся формулы внешней характеристики, будет вида, приведенного на рис.1.7.

    Так как на рис.1.7 вектора напряжений и параллельны, то допустимо далее вести расчеты в алгебраической форме, а не в символической.

    Из векторной диаграммы следует

    . (1.19)

    Падение напряжения ΔU'mp на внутреннем сопротивлении Rк+jxк трансформатора равно длине отрезка , который является суммой отрезков и . Из диаграммы, как чертежа, следует формула потерь напряжения в нагруженном трансформаторе

    (1.20)

    После подстановки (1.20) в (1.19) получаем внешнюю характеристику:

    (1.21)

    График внешней характеристики представляет собой прямую линию (рис.1.8). Наклон внешней характеристики зависит как от внутреннего сопротивления Rк+jxк трансформатора, так и от фазового сдвига φн между током и напряжением нагрузки. Для установления такой зависимости преобразуем выражение (1.21):

    (1.22)

    где φк - фазовый сдвиг между током и напряжением на внутреннем сопротивлении трансформатора и он для трансформатора является фиксированной величиной, причем 0<φк<90○;

    β – коэффициент загрузки трансформатора по току.

    Как следует из (1.22), наклон внешней характеристики зависит от напряжения короткого замыкания Uкз трансформатора и разности (φк-φн) фазовых сдвигов:

    - чем больше Uкз, тем круче наклон;

    - для активно-индуктивной нагрузки с 0<φн<90○ наклон всегда отрицательный, так как |(φк-φн)|<90○ и, поэтому cos(φк-φн)>0;

    - для активно-индуктивной нагрузки отрицательный наклон максимален при (φк-φн)=0;

    - для активно-емкостной нагрузки с -90○<φн<0 наклон будет нулевым при (φк-φн)=90○ и положительным при (φк-φн)>90○.

    Вопросы и задания

    1. Что такое "внешняя характеристика трансформатора" и чем определяется выбор метода ее расчета?

    2. Приведите вывод формулы внешней характеристики трансформатора.

    3. От чего зависит наклон внешней характеристики трансформатора?

    1.7 Энергетическая диаграмма и КПД

    однофазного трансформатора

    Назначением трансформатора является обеспечение нагрузки, подключенной к вторичной обмотке, активной мощностью Р2 при заданном напряжении U2 на ней. При работе трансформатора возникают в нем потери активной мощности в меди Рм, нагревающие обмотки, и потери в стали Рст, разогревающие магнитопровод. Из сети потребляется мощность Р1. Из первичной обмотки во вторичную передается через переменное магнитное поле электромагнитная мощность Рэм. Энергетическая диаграмма отображает в графической форме связь между названными мощностями (рис.1.9).

    Потери в стали Рст не зависят от приведенного тока нагрузки и от физического тока I2 и, следовательно, от коэффициента загрузки трансформатора β.

    12345678

    Назначение прибора: передаёт и распределяет электроэнергию заказчику.

    В приборе есть активные компоненты: обвивка и сердечник магнитопоровода. В свою очередь, сердечник может быть стержневым и броневым. Для них используется холоднокатаная горячекатаная электротехническая сталь.

    Обвивку используют непрерывную, винтовую, цилиндрическую, дисковую.

    Среди современных изделий можно отметить следующие:

    • тороидальные;
    • броневые;
    • стержневые;

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 173 - изображение 173

    Они имеют характеристики похожие друг с другом, с высокой надёжностью. Единственное, что их различает – это способ изготовления.

    В стержневом варианте, обвивка наматывается вокруг сердечника, тогда как в броневом типе идёт включение в сердечник. Поэтому, в стержневом типе, обвивку можно увидеть и располагается она только горизонтально, а в броневом, она скрыта, но может быть, как горизонтально, так и вертикально размещена.

    Какой бы тип мы не рассматривали, у него имеются 3 компонента:

    • система охлаждения;
    • обвивка;
    • магнитопровод;

    За счёт приборов удаётся значительно повысить напряжённость, идущую с электрических станций, на дальние расстояния, при этом, потери энергии будут минимальные по проводам. На основании вышеизложенного, можно использовать провода на линиях передач, с меньшей площадью сечения.

    Потребителю также можно уменьшать потребление энергии с высоковольтных линий до номинальных значений (380, 220, 127 В).

    Область применения и виды

    Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 174 - изображение 174

    трансформатор в телевизоре

    Бытовые трансформаторы защищают технику при перепадах напряжения.

    Поэтому применяют их в следующих приборах:

    • в освещении;
    • осциллографах;
    • телевизорах;
    • радиоприёмниках;
    • измерительных устройствах и т.д;

    Сварочные экземпляры, разделяющие силовую и сварочную сеть, активно используются при сварке и электротермических конструкциях, где успешно понижают величину напряжения до обязательных номиналов.

    В энергосети используются масляные агрегаты, где напряжённость 6 и 10 кВ.

    Многие автоматические конструкции используют трансформаторы, где напряжение на обвивках несуидальное.

    Виды:

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 175 - изображение 175

    1. Вращающийся. Передача сигнала ведётся на объекты, которые вращаются. Например, видеомагнитофон, где передача сигнала ведётся на барабан узла магнитной головки. Здесь существуют 2 половины магнитопровода и вращение их происходит с минимальным зазором в отношении друг друга. На основании этого, реализуется большая скорость оборотов, в контактном способе сигнала достичь такого эффекта не считается возможным.
    2. Пик-трансформатор. В этом варианте происходит преобразование синусоидального напряжения в сплески, имеющие пикообразную форму. Активно используются в управлении тиристоров, а также электронных и полупроводниковых устройств.
    3. Согласующий. Принимает участие в согласовании сопротивлений в разных промежутках электронной схемы, при этом, форма сигнала искажается минимально. Синхронно обеспечивается гальваническая развязка между зонами схем.
    4. Разделительный. Здесь 2 обмотки не соединены между собой электрически. Такая схема даёт возможность повысить безопасность электрических сетей. Когда происходит случайное одновременное прикосновение к токоведущей части и земли, выдаётся гальваническая развязка электрической цепи.
    5. Импульсный. В этом варианте преобразуются импульсные сигналы за очень короткий промежуток времени (десятки микросекунд), при этом, искривление конфигурации импульса минимально.
    6. По напряжению. Здесь происходит конверсия большого напряжения в низкую величину. Этот вариант позволяет изолировать измерительные и логические цепи от большого напряжения.
    7. По току. В этом типе измеряются цепи с большим током. Например, в конструкциях релейных щитов электроэнергетических систем. Поэтому, применяются достаточно жёсткие требования к точности.
    8. Автотрансформатор. В этом типе соединение 2 обмоток ведётся напрямую. В результате, создаётся электрическая и электромагнитная связь, чем объясняется высокий КПД этого вида. Недостатком такого устройства, можно назвать отсутствие изоляции, то есть не существует гальваническая развязка.
    9. Силовой. Этот вариант используется при изменяемом токе и преобразует электрическую энергию в установках и электросетях. Широко применяется этот тип на линиях ЛЭП с высокой напряжённостью (35-750 кВ), городских электрических сетях (10 и 6 кВ).
    10. Сдвоенный дроссель. Наличие 2 равных обвивок, даёт возможность получить более результативный дроссель, чем обычный. Их используют на вводе фильтра в блоке питания, а также в звуковом оборудовании.
    11. Трансфлюксор. Оставшаяся намагниченность магнитного провода имеет большую величину, что позволяет использовать его для сохранения сведений.

    Немного из истории

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 176 - изображение 176

    Изобретение трансформаторов начиналось ещё в 1876 году, великим русским учёным П.Н. Яблоковым. Тогда его изделие не имело замкнутого сердечника, который появился значительно позже – 1884 год. И с появлением прибора учёные активно стали интересоваться переменным током.

    Например, уже в 1889 году, М.О. Доливо-Добровольским (русским электротехником) была предложена трёхфазная система переменного тока. Им был построен первый 3-х фазный асинхронный двигатель и трансформатор.

    Уже через пару лет, электромеханик предоставил свои работы на выставке, где произошла презентация трёхфазной высоковольтной линии, имеющую протяженность 175 км, где успешно повышалась и понижалась электроэнергия.

    Немного позже, пришла очередь масляным агрегатам, так как масло не только оказалось хорошим изолятором, но и прекрасной охлаждающей средой.

    В 20 столетии появились изделия более компактные и экономичные. Производителями продукции являлись иностранные фирмы. На настоящий момент, выпуском продукции занимаются и отечественные фирмы.

    Однофазный трансформатор. Назначение, принцип действия, устройство. Коэффициент трансформации.

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 177 - изображение 177

    Классификация электрических машин

    Электрические машины робототехнических систем классифицируются по назначению, роду тока, принципу действия, мощности, частоте вращения.

    Классификация по назначению:

    Электромашинные генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Их устанавливают в автономных энергетических установках, транспортных средствах, в качестве источников питания в устройствах связи, измерительной техники и т.д.

    Электрические двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую.

    Они приводят во вращение различные машины и механизмы. В современных системах автоматического управления их используют в качестве исполнительных, регулирующих и программируемых органов.

    Электрические машины небольшой мощности » до 600 ватт называются микромашинами. Их широко применяют в автоматических устройствах, электробытовых приборов.

    По назначению электрические микромашины автоматических устройств подразделяются на следующие группы:

    Силовые микродвигатели приводят во вращение различные механизмы автоматических устройств самопишущих приборов и т.д.

    Управляемые (исполнительные) двигатели  преобразуют подводимый к ним электрический сигнал в механическое перемещение вала, т.е. отрабатывает определенные команды.

    Тахогенераторы преобразуют механическое вращение вала в электрический сигнал – напряжение, пропорциональное частоте вращения вала.

    Вращающиеся трансформаторы – дают на выходе напряжение, пропорциональное той или иной функции угла поворота ротора, например, синусу или косинусу угла или самому углу.

    Машины синхронной связи (сельсины) – осуществляют синхронный или синфазный поворот или вращение нескольких связанных между собой осей.

    Микромашины гироскопических приборов (гироскопические двигатели, датчики угла, датчики момента) – осуществляют вращение роторов гироскопов с высокой частотой и коррекцию их положения.

    Электрические микромашины первых двух групп называют силовыми, а третьей – пятой групп – информационными.

    Классификация по роду тока и принципу действия:

    Электрические машины по роду тока делят на машины переменного и постоянного тока.

    Машины переменного тока в зависимости от принципа действия и особенности магнитной системы подразделяют на асинхронные, синхронные и коллекторные.

    К этой группе электрических машин принято относить также и трансформаторы, которые используются для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения. В системах передачи и распределения электрической энергии, в выпрямителях, преобразователях, в электрических измерениях (измерительных трансформаторах) и функциональных преобразованиях (ВТ).

    Асинхронные машины используются главным образом в качестве электрических двигателей трехфазного тока. Простота устройства и высокая надежность позволяет применять их для привода грузоподъемных машин, компрессоров, вентиляторов и т.д.

    В системах автоматического регулирования широко применяют одно- и двухфазные асинхронные двигатели, асинхронные тахогенераторы, сельсины.

    Асинхронные машины большой мощности применяют в качестве генераторов переменного тока. В устройствах автоматики широко применяются различные синхронные микромашины. (шаговые, с постоянными магнитами, гистерезисные, индукционные и т.д.)

    Коллекторные машины переменного тока используют сравнительно редко и главным образом в качестве электродвигателей. Они имеют сложную конструкцию и требуют тщательного ухода. В устройствах автоматики, а также разного рода электробытовых приборов применяют универсальные коллекторные двигатели, работающие как на постоянном, так и на переменном токе.

    Машины постоянного тока – применяют главным образом в качестве электродвигателей в устройствах электропривода, требующих регулирования частоты вращения в широких пределах. В системах автоматического регулирования машины постоянного тока широко используются в качестве исполнительных двигателей и ТГ.

    В автоматизированном электроприводе ПР и технологическом оборудовании ГПС в качестве электродвигательного устройства широко используется коллекторные и бесконтактные двигатели постоянного тока, двух и трехфазные асинхронные двигатели, синхронные двигатели с постоянными магнитами, реактивные и гистерезисные, синхронные и шаговые двигатели. Развиваются и находят все большее применение в автоматизированном электроприводе модификации линейных двигателей постоянного тока, асинхронных и шаговых двигателей.

    В управляющих устройствах автоматизированного электропривода широко применяют электромашинные преобразователи угла (сельсины и ВТ) и частоты вращения.

    На основе этих электромашинных устройств разрабатываются электроприводы с различными способами управления: непрерывным, импульсным, частотным. Благодаря хорошим регулировочным свойствам электрических двигателей электропривод обладает высоким быстродействием и точностью.

    Однофазный трансформатор. Назначение, принцип действия, устройство. Коэффициент трансформации.

    2.1 Принцип действия и устройство однофазного трансформатора.

    Трансформатор представляет собой статическое электромагнитное устройство для преобразования переменного тока одного напряжения, в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте.

    Простейший однофазный трансформатор представляет собой замкнутый магнитопровод (сердечник) с расположенными на нем 2-мя обмотками. Одну из них, имеющую число витков W1 , подключают к источнику электрической энергии с переменным напряжением. Она называется первичной обмоткой трансформатора. Другая обмотка, имеющая число витков W2 называется вторичной.

    Назначение первичной обмотки – получать электрическую энергию от генератора и передавать ее во вторичную обмотку. Назначение вторичной обмотки – преобразовывать (трансформировать (повышать или понижать)) напряжение первичной обмотки и при заданном номинальном напряжении питать потребителей электрической энергии, полученной от первичной обмотки.

    Электрическая схема однофазного трансформатора в простейшем случае состоит из двух обмоток, размещенных на замкнутом магнитопроводе, выполненном из ферромагнитного материала. Применение ферромагнитного материала позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т.е. уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток машины (рис.3)

    Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 178 - изображение 178

    Рис.3. Электромагнитная схема однофазного                 рис.4. Электрическая схема

     Трансформатора                                                              однофазного трансформатора.

    1-2 – первичная и вторичная обмотки

    3 - магнитопровод

    Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой более высшего напряжения (ВН), а низкого напряжения – обмоткой низшего напряжения.

    Начало и конец обмотки АХ для ВН и АХ для НН.

    При подключении к сети в первичной обмотке возникает переменный ток I1, который создает магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуцируют в обеих обмотках переменные ЭДС – Е1 и Е2, пропорциональное, согласно закону электромагнитной индукции, числам витков W1 и W2 соответствующей обмотке и скорости изменения потока

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 179 - изображение 179

    . Т.о. мгновенная ЭДС, индуцирующая в каждой обмотке:

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 180 - изображение 180

                                           

    Отношение мгновенных действующий ЭДС определяется выражением

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 181 - изображение 181

                                   (4)

    Если пренебречь падениями напряжения в обмотках трансформатора, которая обычно не превышает 3…5% относительного значения напряжений U1 и U2 и считать Е1» U1 и Е2 » U2 , то получим

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 182 - изображение 182

                                            (5)

    Следовательно, подбирая соответствующим образом число витков обмоток при заданном напряжении U1 можно получить желаемое напряжение U2 .

    Если необходимо повысить вторичное напряжение, то число витков W2 берут большим W1. Такой трансформатор называется повышающим. Если требуется уменьшить напряжение U2 ,то число витков W1 берут большим W2 , такой трансформатор называется понижающим.

    Отношение ЭДС Евн обмотки высшего напряжения к ЭДС обмотки низшего напряжения Енн (или отношение числа витков) называется коэффициентом трансформации.

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 183 - изображение 183

                                  (6)

    В трансформаторе преобразуются не только напряжения трансформатора в К раз, но и токи, мощность остается приблизительно постоянной (она несколько уменьшается из-за внутренних потерь энергии в трансформаторе), следовательно,

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 184 - изображение 184

                       (7)

    Основные конструктивные элементы трансформатора – магнитная система, обмотки, система изоляции, вводы. (см. рис.6)

    В зависимости от конструкции магнитной системы трансформаторы подразделяются на стрежневые (рис а), броневые (б) и тороидальные (в).

    Принцип работы однофазного трансформатора - фото 185 - изображение 185

    Рис.6 Основные типы однофазных трансформаторов

    а) стержневой

    б) броневой

    в) тороидальный

    Стержнем называется часть магнитопровода, на котором размещены обмотки. Ярмом называется часть магнитопровода, на котором обмотки отсутствуют. Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопровод трансформатора собирают из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0.28 – 0.3 мм при частоте 50 Гц с содержанием кремния 2.8 – 3.8%. Магнитные свойства этой стали резко улучшаются при совпадении направлений магнитного потока и прокатки: потери в стали на перемагничивание – уменьшаются в 2 – 3 раза, а магнитная проницаемость и индукция насыщения возрастают.

    Трансформаторы малой мощности чаще выполняют броневыми, т.к. по сравнению со стержневыми они имеют более низкую стоимость из-за уменьшенного числа катушек и упрощения сборки и изготовления.

    В современных трансформаторах малой мощности, работающих на частотах 50, 400 Гц изменяют магнитопроводы на витые из ленты холоднокатаной текстурованной электротехнической стали.

    Основное их преимущество кроме технологичности сборки – лучшее использование текстурованной стали благодаря тому, что магнитный поток по всему магнитопроводу проходит в направлении прокатки стали. Это резко снижает потери в стали на гистерезис (3-4 раза), уровень шума, создаваемый трансформатором, уменьшает в несколько раз намагничивающий ток.

    Обмотки. В трансформаторах малой мощности, как правило, используют многослойные обмотки из круглого провода с эмалевой изоляцией. Обмотки наматываются на гильзу или специальный каркас из электрокартона. Между слоями прокладываются изоляция из кабельной бумаги или другого прокладочного материала. После изготовления катушки пропитывают ее лаком, который полимеризуется в сушильных печах.

    В трансформаторах малой мощности концентрические обмотки располагают одну от другой.

    Охлаждение. Трансформаторы малой мощности выполняют, как правило, с естественным воздушным охлаждением. В некоторых случаях их помещают в корпус, заливаемый термореактивным компаундом, выполненным на основе эпоксидных смол. Такие компаунды обладают высокими электроизоляционными и влагозащитными свойствами.

    3. Принцип действия электродвигателя постоянного тока. Обратимость электрической машины.

    Принцип действия ЭДП.

    Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 186 - изображение 186

    Если проводник, по которому проходит эл. ток, поместить в магнитное поле и расположить его перпендикулярно магнитным силовым линиям, то на проводник будет действовать электромагнитная сила Fэм. Возникновение этой силы можно объяснить следующим образом: ток проводника создает своё магнитное поле, которое приводит к усилению магнитного поля с одной стороны проводника и ослаблению с другой.

    Принцип работы однофазного трансформатора - изображение 187 - изображение 187

     Направление действия Fэм определяется по правилу левой руки.

    Принцип действия ЭДП и назначение коллектора легко вспомнить из схемы.

    Если к щеткам двигателя подвести постоянное напряжение U, то при взаимодействии тока проводника якоря и магнитного поля, создаваемого полюсами, возникают электромагнитные силы. Коллектор необходим для того, чтобы сохранить неизменным направление электромагнитной силы при повороте якоря на 1800.

    Принцип обратимости электрических машин

    Принцип работы однофазного трансформатора - фотография 188 - изображение 188

    Любая электрическая машина в принципе обратима, т. е. может работать в качестве генератора или двигателя. Если по обмотке якоря (рис. 1) пропустить электрический ток, то возникнет электромагнитная сила, поворачивающая якорь.

     Рис.1 Принципиальная схема ЭДП.

    Если вращать якорь в электромагнитном поле, в обмотке возникает электрический ток.

    Принцип обратимости электрических машин был сформулирован Ленцем в1883 г.

    Источники:

    Понравилась статья? Расскажите друзьям:
    Оцените статью, для нас это очень важно:
    Проголосовавших: 1 чел.
    Средний рейтинг: 5 из 5.

    Оставить комментарий:

    Отправить

    Полезные сервисы:

    Опрос: Насколько Вам помогла информация на нашем сайте? (Кол-во голосов: 195)
    Сразу все понял
    Не до конца понял
    Пришлось перечитывать несколько раз
    Вообще не понял
    Как я сюда попал?
    Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты