Трансформаторы

Обмотка — совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются ЭДС, наведённые в витках. В трёхфазном трансформаторе под обмоткой обычно подразумевают совокупность обмоток одного напряжения трёх фаз, соединяемых между собой.

Проводник обмотки  в силовых трансформаторах обычно имеет квадратную форму для наиболее эффективного использования имеющегося пространства (для увеличения коэффициента заполнения в окне сердечника). При увеличении площади проводника проводник может быть разделён на два и более параллельных проводящих элементов с целью снижения потерь на вихревые токи в обмотке и облегчения функционирования обмотки. Проводящий элемент квадратной формы называется жилой.

Каждая жила изолируется при помощи либо бумажной обмотки, либо эмалевого лака. Две отдельно изолированных и параллельно соединённых жилы иногда могут иметь общую бумажную изоляцию. Две таких изолированных жилы в общей бумажной изоляции называются кабелем. 
Особым видом проводника обмотки является непрерывно транспонированный кабель. Этот кабель состоит из жил, изолированных при помощи двух слоёв эмалевого лака, расположенных в осевом положении друг к другу, как показано на рисунке. Непрерывно транспонированный кабель получается путём перемещения внешней жилы одного слоя к следующему слою с постоянным шагом и применения общей внешней изоляции.

Бумажная обмотка  кабеля выполнена из тонких (несколько  десятков микрометров) бумажных полос  шириной несколько сантиметров, намотанных вокруг жилы. Бумага заворачивается в несколько слоёв для получения требуемой общей толщины.

Дисковая обмотка

Обмотки разделяют  по:

Назначению

Основные —  обмотки трансформатора, к которым  подводится энергия преобразуемого или от которых отводится энергия  преобразованного переменного тока.

Регулирующие  — при невысоком токе обмотки и не слишком широком диапазоне регулирования, в обмотке могут быть предусмотрены отводы для регулирования коэффициента трансформации напряжения.

Вспомогательные — обмотки, предназначенные, например, для питания сети собственных  нужд с мощностью существенно меньшей, чем номинальная мощность трансформатора, для компенсации третей гармонической магнитного поля, подмагничивания магнитной системы постоянным током, и т. П

Исполнению

Рядовая обмотка  — витки обмотки располагаются  в осевом направлении во всей длине обмотки. Последующие витки наматываются плотно друг к другу, не оставляя промежуточного пространства.

Винтовая обмотка  — винтовая обмотка может представлять собой вариант многослойной обмотки  с расстояниями между каждым витком или заходом обмотки.

Дисковая обмотка  — дисковая обмотка состоит из ряда дисков, соединённых последовательно. В каждом диске витки наматываются в радиальном направлении в виде спирали по направлению внутрь и  наружу на соседних дисках. Фольговая обмотка — фольговые обмотки выполняются из широкого медного или алюминиевого листа толщиной от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров.

2. Принцип действия  трансформатора

2.1 Базовые  принципы действия трансформатора

 

Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:

Изменяющийся  во времени электрический ток  создаёт изменяющееся во времени  магнитное поле (электромагнетизм)

Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)

На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку.

В некоторых  трансформаторах, работающих на высоких или сверхвысоких частотах, магнитопровод может отсутствовать.

Режим холостого  хода

Когда вторичные обмотки  ни к чему не подключены (режим холостого  хода), ЭДС индукции в первичной  обмотке практически полностью  компенсирует напряжение источника  питания, поэтому ток через первичную обмотку невелик. Для трансформатора с сердечником из магнитомягкого материала (например, ферромагнитного материала, например, из трансформаторной стали) ток холостого хода характеризует величину потерь в сердечнике на вихревые токи и на гистерезис. Мощность потерь можно вычислить умножив ток холостого хода на напряжение, подаваемое на трансформатор.

Для трансформатора без ферромагнитного сердечника потери на перемагничивание отсутствуют, а ток холостого хода определяется сопротивлением индуктивности первичной  обмотки, которое пропорционально  частоте переменного тока и величине индуктивности.

Напряжение на вторичной обмотке в первом приближении определяется законом Фарадея

Режим короткого  замыкания

В режиме короткого  замыкания, на первичную обмотку  трансформатора подается переменное напряжение небольшой величины, выводы вторичной  обмотки соединяют накоротко. Величину напряжения на входе устанавливают такой, чтобы ток короткого замыкания равнялся номинальному (расчетному) току трансформатора. В таких условиях величина напряжения короткого замыкания характеризует потери в обмотках трансформатора, потери на омическом сопротивлении. Мощность потерь можно вычислить умножив напряжение короткого замыкания на ток короткого замыкания.

Данный режим  широко используется в измерительных  трансформаторах тока.

Режим с нагрузкой

При подключении  нагрузки к вторичной обмотке во вторичной цепи возникает ток, создающий магнитный поток в магнитопроводе, направленный противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате в первичной цепи нарушается равенство ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения.

Схематично, процесс  преобразования можно изобразить следующим  образом:

Мгновенный  магнитный поток в магнитопроводе трансформатора определяется интегралом по времени от мгновенного значения ЭДС в первичной обмотке и в случае синусоидального напряжения сдвинут по фазе на 90° по отношению к ЭДС. Наведённая во вторичных обмотках ЭДС пропорциональна первой производной от магнитного потока и для любой формы тока совпадает по фазе и форме с ЭДС в первичной обмотке.

2.2 Принцип  работы однофазных и трехфазных  трансформаторов специального назначения

Пик-трансформаторы

Пик-трансформаторы применяются для преобразования синусоидального напряжения в импульсы пикообразной формы. Такие импульсы напряжения с крутым фронтом необходимы для управления тиристорами либо другими полупроводниковыми или электронными устройствами.

Принцип работы пик-трансформатора основан на явлении  магнитного насыщения ферромагнитного материала. Существует несколько конструктивных исполнений пик-трансформаторов

Для обеспечения  удовлетворительных энергетических показателей  пик-трансформаторов их магнитопроводы изготавливают из сплава типа пермаллой.

Импульсные  трансформаторы

В электронных устройствах для согласования полных сопротивлений, изменения знака и амплитуды импульсов, а также для размножения импульсов применяют импульсные трансформаторы. Одно из основных требований, предъявляемых к импульсным трансформаторам, - минимальное искажение формы трансформируемых импульсов.

Для уменьшения паразитных емкостей и индуктивности  рассеяния обмоток последние  делают с небольшим числом витков. При этом малая продолжительность  трансформируемых импульсов позволяет  выполнять обмотки импульсных трансформаторов проводом уменьшенного поперечного сечения, не вызывая недопустимых перегревов. Это способствует уменьшению габаритных размеров и массы импульсных трансформаторов.

Умножители  частоты

Трансформаторные  устройства, состоящие из магнитопроводов  и обмоток, можно использовать для умножения частоты переменного тока, т. е. увеличения частоты в целое число раз.

Рассмотрим  принцип работы удвоителя частоты. Два замкнутых магнитопровода имеют  пять обмоток. Первичную обмотку  ω1 выполняют так, чтобы она охватывала сразу два магнитопровода. При  включении обмотки в сеть переменного  тока с синусоидальным напряжением  и частотой f1 она создает в каждом магнитопроводе переменную МДС F1. Две секции вторичной обмотки ω1' и ω2", каждая из которых расположена на своем магнитопроводе, включены друг с другом последовательно согласно, так что результирующий магнитный поток, сцепленный с этими обмотками, равен сумме потоков магнитопроводов Фa + Фb. Кроме того, на каждом магнитопроводе имеется по одной обмотке подмагничивания ω0, включенных между собой последовательно. При включении этих обмоток на постоянное напряжение U0 в каждом из магнитопроводов возникает подмагничивающая МДС F0 = I0 ω0.

При включении  в сеть с синусоидальным напряжением u1 и частотой f1 обмотка ω1 в течение  первого полупериода напряжения u1 создает МДС F1 = I1 ω1 в магнитопроводе a, направленную согласно с МДС постоянного тока F0. При этом магнитные потоки в магнитопроводе a складываются и создают результирующий поток Фa = Ф0 + Ф1. За счет магнитного насыщения магнитопровода a график этого потока Фa = ѓ(t) имеет уплощенный вид.

В магнитопроводе b в этом же полупериоде МДС потоки Ф0 и Ф1 действуют встречно, создавая результирующий поток Фb = Ф0 – Ф1, имеющий значительный провал в середине первого полупериода.

Во втором полупериоде  напряжения u1 в магнитопроводе a создается  поток, равный разности Фa = Ф0 – Ф1, а  в магнитопроводе b – поток, равный сумме Фb = Ф0 + Ф1. Вторичную обмотку, состоящую из двух секций (ω2 = ω2' + ω2"), охватывает суммарный магнитный поток Фa + Фb, график которого (Фa + Фb) = ѓ(t) построен путем суммирования ординат потоков Фa и Фb. Этот поток содержит постоянную составляющую Фпост, не принимающую участия в наведении вторичной ЭДС и явно выраженную переменную составляющую второй гармоники, которая наводит в секциях вторичной обмотки ЭДС E2 частотой f2 = 2 f1. Электродвижущая сила первичной обмотки E1, так же как и первичное напряжение U1, имеет частоту f1.

Для компенсации  индуктивных падений напряжений во вторичную цепь удвоителя частоты  включают конденсатор емкостью C, что  повышает коэффициент мощности cos φ  удвоителя и уменьшает наклон его внешней характеристики U2 = ѓ(I2).

Стабилизаторы напряжения

Стабилизаторы напряжения предназначены для поддержания  практически неизменным напряжения на входе каких-либо устройств автоматики, чувствительных к колебаниям напряжения сети U1.

Основной показатель работы стабилизатора напряжения – коэффициент стабилизации по напряжению, показывающий, во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе стабилизатора (ΔUст / Uст) меньше относительного изменения напряжения на его входе (ΔU / U1):

kст = (ΔU / U1) : (ΔUст / Uст)       (1)

где ΔU = U1 max – U1 min;

ΔUст = Uст max – Uст min.Основные виды стабилизаторов трансформаторного  принципа действия: ферромагнитные стабилизаторы  насыщенного типа и феррорезонансные стабилизаторы (содержащие емкость C).

Ферромагнитный стабилизатор напряжения представляет собой трехстержневой магнитопровод, на среднем стержне которого расположена первичная обмотка ω1. На правом стержне, работающем в условиях сильного магнитного насыщения, расположена вторичная обмотка ω2. На левом ненасыщенном стержне расположена компенсационная обмотка ωк. При колебаниях напряжения U1 на входе стабилизатора изменяется магнитный поток в среднем стержне, но поток в правом стержне изменяется незначительно, так как стержень насыщен. Поэтому колебания напряжения U2' на выходе вторичной обмотки стабилизатора незначительны и компенсируются напряжением Uк компенсационной обмотки, зависимость которого от напряжения U1 имеет вид прямой линии, так как левый стержень стабилизатора ненасыщен. При правильном подборе параметров обмоток и магнитопровода стабилизатора напряжение на выходе оказывается стабилизированным:

Uст = U2' – Uк         (2)

Так, при колебаниях напряжения U1 в пределах ±20% от номинального значения при неизменных нагрузке и  частоте выходное напряжение колеблется в пределах ±3%, т. е. коэффициент стабилизации по напряжению kст ≈ 7. Обычно для ферромагнитных стабилизаторов kст не превышает 10. Основные недостатки ферромагнитных стабилизаторов: небольшой коэффициент стабилизации по напряжению, низкий КПД (не более 40–60%), небольшой коэффициент мощности (не более 0,4), несинусоидальное выходное напряжение. Указанные недостатки ограничивают применение ферромагнитных стабилизаторов напряжения.

Феррорезонансный  стабилизатор

Феррорезонансный  стабилизатор напряжения обладает лучшими свойствами. Он состоит из реактора, магнитопровод которого при заданном диапазоне напряжений U1 насыщен, конденсатора C, автотрансформатора, магнитопровод которого ненасыщен. Обмотка автотрансформатора включена так, что напряжение на выходе стабилизатора