Трансформаторы постоянного тока принцип действия – Принцип работы трансформатора постоянного тока и напряжения

Формула изобретения

РИСУНКИ

findpatent.ru

Как работает трансформатор?

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

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:

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

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:

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 Е_в.н. к ЭДС обмотки низшего напряжения Е_н.н. (или отношение числа витков w_в.н.  обмотки высшего напряжения к числу витков w_н.н.  обмотки низшего напряжения).

Следует обратить внимание, что значение коэффициента трансформации всегда больше единицы (поскольку всегда Е_в.н. > Е_н.н., w_в.н.  > w_н.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:

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:

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.

elenergi.ru

Трансформаторы тока назначение и принцип действия

Содержание:

1. Что такое трансформатор тока
2. Назначение и принцип работы
3. Классификация трансформаторов тока
4. Основные параметры и характеристики
5. Возможные неисправности трансформаторов тока

В электротехнике довольно часто возникает необходимость измерения величин с большими значениями. Для решения этой задачи применяются трансформаторы тока, назначение и принцип действия которых делает возможным проведение любых измерений. С этой целью выполняется последовательное включение первичной обмотки устройства в цепь с переменным током, значение которого необходимо измерить. Вторичная обмотка подключается к измерительным приборам. Между токами в первичной и вторичной обмотке существует определенная пропорция. Все трансформаторы этого типа отличаются высокой точностью. В их конструкцию входит две и более вторичных обмоток, к которым подключаются защитные устройства, измерительные средства и приборы учета.

Что такое трансформатор тока?

К трансформаторам тока относятся устройства, в которых вторичный ток, применяемый для измерений, находится в пропорциональном соотношении с первичным током, поступающим из электрической сети.

Включение в цепь первичной обмотки осуществляется последовательно с токопроводом. Подключение вторичной обмотки выполняется на какую-либо нагрузку в виде измерительных приборов и различных реле. Между токами обеих обмоток возникает пропорциональная зависимость, соответствующая количеству витков. В трансформаторных устройствах высокого напряжения выполняется изоляция между обмотками из расчета на полное рабочее напряжение. Как правило производится заземление одного из концов вторичной обмотки, поэтому потенциалы обмотки и земли будут примерно одинаковыми.

Все трансформаторы тока предназначены для выполнения двух основных функций: измерения и защиты. В некоторых устройствах обе функции могут совмещаться.

• Измерительные трансформаторы передают полученную информацию к подключенным измерительным приборам. Они устанавливаются в цепях с высоким напряжением, в которые невозможно включить напрямую приборы для измерений. Поэтому только во вторичную обмотку трансформатора выполняется подключение амперметров, счетчиков, токовых обмоток ваттметров и прочих приборов учета. В результате, трансформатор преобразует переменный ток даже очень высокого значения, в переменный ток с показателями, наиболее приемлемыми для использования обычных измерительных приборов. Одновременно обеспечивается изоляция измерительных приборов от цепей с высоким напряжением, повышается электробезопасность обслуживающего персонала.
• Защитные трансформаторные устройства в первую очередь передают полученную измерительную информацию на устройства управления и защиты. С помощью защитных трансформаторов, переменный ток любого значения преобразуется в переменный ток с наиболее подходящим значением, обеспечивающим питание устройств релейной защиты. Одновременно выполняется изоляция реле, к которых имеется доступ персонала, от цепей высокого напряжения.

Назначение трансформаторов

Трансформаторы тока относятся к категории специальных вспомогательных приборов, используемых совместно с различными измерительными устройствами и реле в цепях переменного тока. Главной функцией таких трансформаторов является преобразование любого значения тока до величин, наиболее удобных для проведения измерений, обеспечения питания отключающих устройств и обмоток реле. За счет изоляции приборов, обслуживающий персонал оказывается надежно защищен от поражения током высокого напряжения.

Измерительные трансформаторы тока предназначены для электрических цепей с высоким напряжением, когда отсутствует возможность прямого подключения измерительных приборов. Их основное назначение заключается в передаче полученных данных об электрическом токе на измерительные устройства, подключаемые к вторичной обмотке.

Немаловажной функцией трансформаторов является контроль над состоянием электрического тока в цепи, к которой они подключены. Во время подключения к силовому реле, выполняются постоянные проверки сетей, наличие и состояние заземления. Когда ток достигает аварийного значения, включается защита, отключающая все используемое оборудование.

Принцип работы

Принцип работы трансформаторов тока основан на законе электромагнитной индукции. Напряжение из внешней сети поступает на силовую первичную обмотку с определенным количеством витков и преодолевает ее полное сопротивление. Это приводит к появлению вокруг катушки магнитного потока, улавливаемого магнитопроводом. Данный магнитный поток располагается перпендикулярно по отношению к направлению тока. За счет этого потери электрического тока в процессе преобразования будут минимальными.

При пересечении витков вторичной обмотки, расположенных перпендикулярно, происходит активация магнитным потоком электродвижущей силы. Под влиянием ЭДС появляется ток, который вынужден преодолевать полное сопротивление катушки и выходной нагрузки. Одновременно на выходе вторичной обмотки наблюдается падение напряжения.

Классификация трансформаторов тока

Все трансформаторы тока можно классифицировать, в зависимости от их особенностей и технических характеристик:

1. По назначению. Устройства могут быть измерительными, защитными или промежуточными. Последний вариант используется при включении измерительных приборов в токовые цепи релейной защиты и других аналогичных схемах. Кроме того, существуют лабораторные трансформаторы тока, отличающиеся высокой точностью и множеством коэффициентов трансформации.
2. По типу установки. Существуют трансформаторные устройства для наружной и внутренней установки, накладные и переносные. Некоторые виды приборов могут встраиваться в машины, электрические аппараты и другое оборудование.
3. В соответствии с конструкцией первичной обмотки. Устройства разделяются на одновитковые или стержневые, многовитковые или катушечные, а также шинные, например, ТШ-0,66.
4. Внутренняя и наружная установка трансформаторов предполагает проходные и опорные способы монтажа этих устройств.
5. Изоляция трансформаторов бывает сухая, с применением бакелита, фарфора, и других материалов. Кроме того, применяется обычная и конденсаторная бумажно-масляная изоляция. В некоторых конструкциях используется заливка компаундом.
6. По количеству ступеней трансформации, устройства могут быть одно- или двухступенчатыми, то есть, каскадными.
7. Номинальное рабочее напряжение трансформаторов может быть до 1000 В или более 1000 В.

Все характерные классификационные признаки присутствуют в условных обозначениях трансформаторов тока, состоят из определенных буквенных и цифровых символов.

Параметры и характеристики

Каждый трансформатор тока обладает индивидуальными параметрами и техническими характеристиками, определяющими область применения этих устройств.

Номинальный ток. Позволяет устройству работать в течение длительного времени без перегрева. В таких трансформаторах имеется значительный запас по нагреву, а нормальная работа возможна при перегрузках до 20%.

Номинальное напряжение. Его значение должно обеспечивать нормальную работу трансформатора. Именно этот показатель влияет на качество изоляции между обмотками, одна из которых находится под высоким напряжением, а другая заземлена.

Коэффициент трансформации. Представляет собой отношение между токами в первичной и вторичной обмотке и определяется по специальной формуле. Его действительное значение будет отличаться от номинального в связи с определенными потерями в процессе трансформации.

Токовая погрешность. Возникает в трансформаторе под влиянием тока намагничивания. Абсолютное значение первичного и вторичного тока различается между собой как раз на эту величину. Ток намагничивания приводит к созданию в сердечнике магнитного потока. При его возрастании, токовая погрешность трансформатора также увеличивается.

Номинальная нагрузка. Определяет нормальную работу устройства в своем классе точности. Она измеряется в Омах и в некоторых случаях может заменяться таким понятием, как номинальная мощность. Значение тока является строго нормированным, поэтому значение мощности трансформатора полностью зависит лишь от нагрузки.

Номинальная предельная кратность. Представляет собой кратность первичного тока к его номинальному значению. Погрешность такой кратности может достигать до 10%. Во время расчетов сама нагрузка и ее коэффициенты мощности должны быть номинальными.

Максимальная кратность вторичного тока. Представлена в виде отношения максимального вторичного тока и его номинального значения, когда действующая вторичная нагрузка является номинальной. Максимальная кратность связана со степенью насыщения магнитопровода, при котором первичный ток продолжает увеличиваться, а значение вторичного тока не меняется.

Возможные неисправности трансформаторов тока

У трансформатора тока, включенного под нагрузку, иногда возникают неисправности и даже аварийные ситуации. Как правило, это связано с нарушениями электрического сопротивления изоляции обмоток, снижением их проводимости под влиянием повышенных температур. Негативное влияние оказывают случайные механические воздействия или некачественно выполненный монтаж.

В процессе работы оборудования наиболее часто происходит повреждение изоляции, вызывающее межвитковые замыкания обмоток, что существенно снижает передаваемую мощность. Токи утечки могут появиться в результате случайно созданных цепей, вплоть до возникновения короткого замыкания.

С целью предупреждения аварийных ситуаций, специалистами с помощью тепловизоров периодически проверяется вся действующая схема. Это позволяет своевременно устранить дефекты нарушения контактов, снижается перегрев оборудования. Наиболее сложные испытания и проверки проводятся в специальных лабораториях.

electric-220.ru

Как работает трансформатор?

Используемая человеком электрическая энергия в основном вырабатывается на крупных электростанциях. Эти предприятия передают электричество на районные подстанции, которые затем распределяют его по потребителям.

Так как линии электропередач обладают электрическим сопротивлением, часть энергии электрического тока теряется, превращаясь в теплоту. Постоянный ток (DC) течет в одном направлении; переменный ток (АС) периодически изменяет свое направление. Первоначально для электроснабжения применялся только постоянный ток. По ряду причин передача и преобразование постоянного тока связаны со значительными трудностями, поэтому по соображениям безопасности электростанции передавали его под низким напряжением. Однако к тому времени, когда постоянный ток достигал потребителей, сопротивление съедало 45 процентов его энергии.

Выход был найден в передаче переменного тока высокого напряжения, которое может быть легко изменено при помощи трансформатора (рисунок внизу). Так как высоковольтным линиям требуется меньший ток для передачи одного и того же количества энергии, ее потери на преодоление сопротивления стали намного меньшими. Когда переменный ток покидает электростанцию, повышающие трансформаторы увеличивают его напряжение с 22 000 до 765 000 вольт, а перед поступлением в дома другие трансформаторы, понижающие, уменьшают его до ПО или 220 вольт.

Принцип действия трансформатора

Трансформаторы увеличивают или уменьшают напряжение переменного тока. Преобразуемый переменный ток проходит по первичной обмотке, охватывающей стальной сердечник (рисунок сверху). Периодически изменяющийся ток создает в сердечнике переменное магнитное поле. При перемещении во вторичную обмотку это магнитное поле генерирует в ней переменный ток. Если вторичная обмотка имеет больше витков, чем первичная, выходное напряжение будет выше, чем входное.

Потери энергии при протекании постоянного тока

Электрическая мощность (Р) вычисляется путем умножения силы тока (I) на напряжение (V), т.е. Р = I х V. Если напряжение возрастает, сила тока, необходимая для обеспечения заданной мощности, уменьшается. Низковольтная мощность постоянного тока требует большей силы тока, чем высоковольтная мощность переменного, чтобы передать одно и то же количество электроэнергии.

Переменный ток легко трансформируется

В отличие от постоянного, переменный ток периодически изменяет свое направление. Если переменный ток проходит по первичной обмотке трансформатора (рисунок слева), образующееся переменное магнитное поле индуцирует ток во вторичной обмотке. При протекании по первичной обмотке постоянного тока (рисунок справа), во вторичной обмотке ток не возникает.

information-technology.ru

Вопрос 1. Устройство и принцип действия трансформатора.

Ответ1. Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, но той же частоты.

Основными конструктивными элементами трансформатора являются магнитопровод и обмотки. Магнитопровод служит для усиления основного магнитного потока и обеспечения магнитной связи между обмотками.

В работе рассматривается двухобмоточный силовой трансформатор.(рис5.1)

К первичной обмотке W₁подводится электрическая энергия от источника. От вторичной обмоткиW₂энергия отводится к приемнику( потребителю).

Под действием переменного напряжения u₁ (t) в первичной обмотке возникает ток i₁ (t) и в сердечнике возбуждается изменяющийся магнитный поток w₁·ф(t) . Этот поток индуцирует эдс е₁(t) и е₂(t) в обеих обмотках трансформатора. ЭДС е₁ уравновешивает основную часть напряжения u₁ , а е₂ создает напряжение u₂ на выходных клеммах трансформатора . При включении нагрузки во вторичной обмотке в цепи нагрузки возникает ток i₂(t), который создает собственный магнитный поток, накладывающийся на магнитный поток от первичной обмотки. В результате создается общий магнитный поток сердечника Ψ, сцепленный с витками обеих обмоток трансформатора и определяющий в них результирующие ЭДС е₁ и е₂ с действующими значениями: и, где— амплитуда магнитного потока:— частота переменного тока; , — число витков обмоток.

На щитке тр-ра указываются его номинальные напряжения -высшее (ВН) и низшее НН) . Так же указываются номинальная полная мощность S (ВА), токи (А) , число фаз, схема соединения, режим работы, и способ охлаждения.

Вопрос 2. Записать и объяснить формулы эдс и уравнения электрического и магнитного состояний трансформатора

Ответ2-1 ЭДС определяется скоростью изменения магнитного потока сердечника и числом витков w₁ , w₂ обмоток трансформатора

В первичной обмотке под действием напряжения U₁ возникает ток I₁. Он создает магнитный поток катушки с сердечником. Поток переменный, он наводит в первичной обмотке ЭДС самоиндукции e₁ =- w₁dФ/dt, а во вторичной обмотке

ЭДС взаимоиндукции е ₂ =- w₂dФ/dt. Магнитный поток для обеих обмоток один и тот же.

В режиме холостого хода катушка — чистая индуктивность, поэтому, если напряжение изменяется по закону u₁(t) =U₁m Sinωt , то ток отстает от напряжения на 90°:

i(t) =I_1m Sin(ωt-90°), при этом магнитный поток совпадает по фазе с током Ф(t) =Ф_1m Sin(ωt-90°). Тогда ЭДС будут равны

е₁ = — w₁dФ/dt = -w₁ω Ф_1m Sinωt= -E_1m Sinωt

е₂ = — w₂dФ/dt =- w₂ω Ф_1m Sinωt= -E_2m Sin ωt

Векторная диаграмма идеального (без потерь) трансформатора в режиме холостого хода представлена на рис 5.2 :

Ответ2-2. Уравнения электрического состояния реального трансформатора для первичной и вторичной цепей имеют вид:

;

,

где и – активные сопротивления обмоток; и– индуктивные сопротивления рассеяния обмоток.

Ответ2-3.Уравнения магнитного состояния трансформатора можно получить, исходя из анализа МДС в трансформаторе. ЭДС обеих обмоток возникают благодаря изменению одного и того же магнитного потока Ф с индукцией В. Индукция В и напряженность магнитного поля H связаны зависимостью B=μ·H. Пусть μ= const. Напряженность магнитного поля H по закону полного тока связана с суммарной МДС обеих обмоток соотношением :

Н·l = I₁ ·w₁+(-I₂) ·w₂ (5-2)

где l-длина средней линии магнитопровода;

I₁ ·w₁ — МДС первичной обмотки ;

-I₂ ·w₂ — МДС вторичной обмотки. Знак минус МДС вторичной обмотки отрицательный в силу закона ЭМИ( правило Ленца –ток возникающий в обмотке 2 всегда будет иметь направление, при котором магнитный поток, создаваемый током I_2, будет препятствовать изменению основного потока ).

ЭДС Е₁=const*Ф= const*В·S= const* μ ·H·S, с учетом (5-2) :

Е₁ = const* μ ·( I₁ ·w₁-I₂ ·w₂) ·S/ l (5-3)

В режиме холостого хода I₂=0, соответственно уравнение (5-3) будет иметь вид :

Е₁= const* μ · I₁₀ ·w₁ ·S/ l (5-4)

где I₁₀ ток первичной обмотки трансформатора в режиме холостого хода.

Из уравнений (5-3) и (5-4) получим уравнение магнитного состояния трансформатора:

(5-5)

Определим ток I₁:

I₁= I₁₀ — I^י₂

где I₁₀ – ток холостого хода или намагничивающий ток (ток создающий магнитный поток ),

I^י₂ = — w_2/ w₁ ·I₂ — компенсирующий ток . Tок I^י₂ компенсирует действие тока вторичной обмотки на основной магнитный поток.

Магнитный поток в сердечнике всегда постоянный. !!!

studfile.net