Трансформатор — электронное устройство, способное менять рабочие величины, измеряется коэффициентом трансформации, k. Это число указывает на изменение, масштабирование какого-либо параметра, например напряжения, тока, сопротивления или мощности.
Что такое коэффициент трансформации
Трансформатор не меняет один параметр в другой, а работает с их величинами. Тем не менее его называют преобразователем. В зависимости от подключения первичной обмотки к источнику питания, меняется назначение прибора.
В быту широко распространены эти устройства. Их цель — подать на домашнее устройство такое питание, которое бы соответствовало номинальному значению, указанному в паспорте этого прибора.
Например, в сети напряжение равно 220 вольт, аккумулятор телефона заряжается от источника питания в 6 вольт.
Поэтому необходимо понизить сетевое напряжение в 220:6 = 36,7 раз, этот показатель называется коэффициент трансформации.
Чтобы точно рассчитать этот показатель, необходимо вспомнить устройство самого трансформатора. В любом таком устройстве имеется сердечник, выполненный из специального сплава, и не менее 2 катушек:
Первичная катушка подключается к источнику питания, вторичная — к нагрузке, их может быть 1 и более. Обмотка — это катушка, состоящая из намотанного на каркас, или без него, электроизоляционного провода. Полный оборот провода называется витком. Первая и вторая катушки устанавливаются на сердечник, с его помощью энергия передается между обмотками.
Коэффициент трансформации трансформатора
По специальной формуле определяется число проводов в обмотке, учитываются все особенности используемого сердечника.
Поэтому в разных приборах в первичных катушках число витков будет разным, несмотря на то что подключаются к одному и тому же источнику питания.
Витки рассчитываются относительно напряжения, если к трансформатору необходимо подключить несколько нагрузок с разным напряжением питания, то количество вторичных обмоток будет соответствовать количеству подключаемых нагрузок.
Зная число витков провода в первичной и вторичной обмотке, можно рассчитать k устройства.
Согласно определения из ГОСТ 17596-72 “Коэффициент трансформации — отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной или отношение напряжения на вторичной обмотке к напряжению на первичной обмотке в режиме холостого хода без учета падения напряжения на трансформаторе.” Если этот коэффициент k больше 1, то прибор понижающий, если меньше — повышающий. В ГОСТе такого различия нет, поэтому большее число делят на меньшее и k всегда больше 1.
Что такое реле напряжения и для чего оно нужно в квартире
В электроснабжении преобразователи помогают снизить потери при передаче электроэнергии. Для этого напряжение, вырабатываемое электростанцией, увеличивается до нескольких сотен тысяч вольт. Затем этими же устройствами напряжение понижается до требуемого значения.
На тяговых подстанциях, обеспечивающих производственный и жилой комплекс электроэнергией, установлены трансформаторы с регулятором напряжения.
От вторичной катушки отводятся дополнительные выводы, подключение к которым позволяет менять напряжение в небольшом интервале. Это делается болтовым соединением или рукояткой.
В этом случае коэффициент трансформации силового трансформатора указывается в его паспорте.
Определение и формула коэффициента трансформации трансформатора
Получается, что коэффициент — это постоянная величина, показывающая масштабирование электрических параметров, она полностью зависит от конструкторских особенностей устройства. Для разных параметров расчет k производится по-разному. Существуют следующие категории трансформаторов:
- по напряжению;
- по току;
- по сопротивлению.
Перед определением коэффициента необходимо замерить напряжение на катушках. ГОСТ указано, что производить такое измерение нужно при холостом ходе. Это когда к преобразователю не подключена нагрузка, показания могут быть отображены на паспортной табличке этого устройства.
Затем показания первичной обмотки делят на показания вторичной, это и будет коэффициентом. При наличии сведений о количестве витков в каждой катушке производят дробление числа витков первичной обмотки на число витков вторичной. При этом расчете пренебрегают активным сопротивлением катушек. Если вторичных обмоток несколько, для каждой находят свой k.
Трансформаторы тока имеют свою особенность, их первичная обмотка включается последовательно нагрузке. Перед вычислением показателя k измеряют ток первичной и вторичной цепи.
Производят разложение значения первичного тока на ток вторичной цепи.
При наличии паспортных данных о количестве витков допускается произвести вычисление k путем деления числа оборотов провода вторичной обмотки на число оборотов провода первичной.
При расчете коэффициента для трансформатора сопротивления, его еще называют согласующим, сначала находят входное и выходное сопротивление. Для этого вычисляют мощность, которая равняется произведению напряжения и тока.
Затем мощность делят на квадрат напряжения и получают сопротивление.
Дробление входного сопротивления трансформатора и нагрузки по отношению к его первичной цепи и входного сопротивления нагрузки во вторичной цепи даст k прибора.
Есть другой способ вычисления. Необходимо найти коэффициент k по напряжению и возвести его в квадрат, результат будет аналогичным.
Разные виды трансформаторов и их коэффициенты
Хотя конструктивно преобразователи мало чем отличаются друг от друга, назначение их достаточно обширно. Существуют следующие виды трансформаторов, кроме рассмотренных:
- силовой;
- автотрансформатор;
- импульсный;
- сварочный;
- разделительный;
- согласующий;
- пик-трансформатор;
- сдвоенный дроссель;
- трансфлюксор;
- вращающийся;
- воздушный и масляный;
- трехфазный.
Особенностью автотрансформатора является отсутствие гальванической развязки, первичная и вторичная обмотка выполнены одним проводом, причем вторичная является частью первичной.
Импульсный масштабирует короткие импульсные сигналы прямоугольной формы. Сварочный работает в режиме короткого замыкания.
Разделительные используются там, где нужна особая безопасность по электротехнике: влажные помещения, помещения с большим количеством изделий из металла и подобное. Их k в основном равен 1.
Пик-трансформатор преобразует синусоидальное напряжение в импульсное. Сдвоенный дроссель — это две сдвоенные катушки, но по своим конструктивным особенностям относится к трансформаторам.
Трансфлюксор содержит сердечник из магнитопровода, обладающего большой величиной остаточной намагниченности, что позволяет использовать его в качестве памяти.
Вращающийся передает сигналы на вращающиеся объекты.
Воздушные и масляные трансформаторы отличаются способом охлаждения. Масляные применяются для масштабирования большой мощности. Трехфазные используются в трехфазной цепи.
Более подробную информацию можно узнать о коэффициенте трансформации трансформатора тока в таблице.
Почти у всех перечисленных приборов есть сердечник для передачи магнитного потока. Поток появляется благодаря движению электронов в каждом из витков обмотки, и силы токов не должны быть равны нулю. Коэффициент трансформации тока зависит и от вида сердечника:
В броневом сердечнике магнитные поля оказывают большее влияние на масштабирование.
Коэффициент трансформации
Коэффициент трансформации – показывает значение во сколько раз изменилась величина вторичного тока и напряжения. Также с его помощью можно определить какой трансформатор: понижающий или повышающий.
Для силового трансформатора
Трансформаторы бывают повышающие и понижающие, что бы это определить нужно узнать коэффициент трансформации, с его помощью можно узнать какой трансформатор.
Если коэффициент меньше 1 то трансформатор повышающий(также это можно определить по значениям если во вторичной обмотке больше чем в первичной то такой повышающий) и наоборот если К>1, то понижающий(если в первичной обмотке меньше витков чем во вторичной).
Формула по вычислению коэффициента трансформации
где:
- U1 и U2 — напряжение в первичной и вторичной обмотки,
- N1 и N2 — количество витков в первичной и вторичной обмотке,
- I1 и I2 — ток в первичной и вторичной обмотки.
Трансформатор тока
- Формула для вычисления коэффициента трансформации ТТ:
- Значения коэффициентов обычно очень большие по сравнению с силовым трансформатор. Величины могут быть такими, как представлено в таблице:
Определим коэфф. трансформации: возьмём ТТ со значениями которые выделены в таблице 600/5 = 120. Также можно взять любой трансформатор 750/5 = 150; 800/2 = 400 и тд.
Подробнее о трансформаторе тока(ТТ): Читать статью
Трансформатор напряжения
- Формула для вычисления коэффициента трансформации ТН:
- Давайте рассчитаем коэффициент трансформации для ТН который показана на фото ниже:
Нужно взять напряжение первичной обмотки(красная стрелка) и разделить на напряжение вторичной обмотки(жёлтая стрелка). 35000/100 = 350.
Подробнее о трансформаторе напряжения(ТН): Читать статью
Автотрансформатор
- Формула для вычисления коэффициента трансформации у автотрансформатора:
- Подробнее об автотрансформаторе(ЛАТР): Читать статью
Коэффициент трансформации трансформатора
На практике при использовании энергии электрического тока часто появляется необходимость изменять напряжение, которое подается от генератора. Переменное напряжение можно масштабировать (повышать или понижать) почти без потерь энергии.
Устройства при помощи которых производят преобразование напряжения (силы тока, сопротивления и т.д.) называют трансформаторами.
Трансформаторы не преобразовывают виды энергии, а изменяют величину заданного параметра цепи, уменьшая его или увеличивая, поэтому, когда в данном случае говорят о преобразовании, то имеют в виду масштабирование.
Или, проще говоря, коэффициент трансформации показывает, во сколько раз трансформатор изменяет напряжение (силу тока и т.д.).
Обозначают коэффициент трансформации чаще всего буквами k или n (могут встречаться другие обозначения).
Если , то такой трансформатор называют повышающим, если больше единицы — то понижающим.
Разные виды трансформаторов и их коэффициенты трансформации
- Так, при помощи трансформатора с параллельным подключением обмотки к источнику электрической энергии производят масштабирование напряжения (трансформатор напряжения), при этом коэффициент трансформации рассчитывают:
-
- где — напряжение на входе трансформатора (на первичной обмотке); — напряжение на выходе трансформатора (на вторичной обмотке); — количество витков на первичной обмотке; — число витков на вторичной обмотке.
- Если потерями в обмотках трансформатора пренебрегать нельзя, то коэффициент трансформации можно найти по формуле:
-
- где — сопротивление первичной обмотки трансформатора — сопротивление вторичной обмотки; — ЭДС, которая наводится в каждом из витков обмоток; и — силы токов в соответствующих обмотках.
При помощи трансформатора с параллельным подключением можно масштабировать сопротивление. Расчет коэффициента трансформации при этом связывают с равенством мощности получаемой трансформатором от источника и отдаваемой во вторичную цепь. При этом потерями пренебрегают. Обозначим коэффициент трансформации сопротивления . Можно записать, что:
-
- где — коэффициент трансформации по напряжению; — входное сопротивление трансформатора и нагрузки по отношению к его первичной цепи, — сопротивление нагрузки во вторичной цепи.
- Если проводят масштабирование силы тока, то используют трансформатор с последовательным подключением первичной обмотки к источнику (трансформатор тока). Тогда коэффициент трансформации вычисляют как:
-
- Последнее равенство в выражении (3) справедливо, только если не учитывать потери и считать, что:
-
- Иначе возникает сила тока , которая показывает ток, составленный из тока намагничивания и активных потерь в магнитопроводе (этот ток еще называют током «холостого хода»). Если то мы имеем связь между силами токов, текущими в обмотках трансформатора в виде:
-
Примеры решения задач
| Понравился сайт? Расскажи друзьям! |
Трансформация трансформатора
Трансформаторы дают свет Начало истории «трансформации» положило сделанное в 1831 году Майклом Фарадеем открытие: не только электрический ток может порождать магнитное поле, но и магнитное поле, созданное током, в свою очередь, порождает ток. Это явление получило название электромагнитной индукции, а прибор, в котором она возникала, – катушки индуктивности. На железный сердечник наматывались два медных провода, первая обмотка подключалась к источнику переменного тока (у Фарадея был постоянный ток с прерывателем), а вторая выдавала индуцированный ток. По своей сути это уже был трансформатор, но на то, чтобы научиться его применять для распределения и преобразования энергии, потребовалось ещё 50 лет. Первоначально катушка индуктивности существовала отдельно от сети. Одна из наиболее известных конструкций – катушка Генриха Румкорфа – позволяла получать на второй обмотке импульсный ток высокого напряжения. Изобретение использовалось для дистанционного взрывания мин и в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания. Всего с момента открытия Фарадея было запатентовано несколько десятков модификаций катушек. Существенным новшеством на этом этапе стала замена сплошного сердечника катушки на наборный: магнитопровод из изолированных проводов или пластин позволял снизить потери на вихревые токи. Толчок к применению катушки индуктивности в системе электроснабжения дала набиравшая темпы урбанизация: растущие города требовали промышленных систем освещения. Обеспечить автономную работу электрических приёмников можно было либо заполнив города тысячей генераторов, либо проведя километры отдельных линий. Встал вопрос о распределении электроэнергии, на его решение были брошены силы учёных нескольких стран, изобретатели с разных концов мира ревниво следили за успехами коллег. В 1876 году был запатентован первый прибор, позволявший передавать энергию от одного источника питания к нескольким устройствам. Его создателем стал русский изобретатель Павел Яблочков, чья электрическая свеча к тому времени уже получила всемирную славу. День выдачи патента на устройство «дробления электрической энергии», 30 ноября 1876 года, можно считать днём рождения трансформатора. Прибор Яблочкова включал несколько катушек индуктивности, первичные обмотки которых последовательно подключались в сеть переменного тока, а вторичные обеспечивали независимо друг от друга подачу тока к произвольному количеству электрических свечей с разным напряжением. В целом схема впервые воспроизводила строение электросети в её современном виде: двигатель – генератор – ЛЭП – трансформатор – потребитель. Возможности изобретения Яблочкова были продемонстрированы в 1882 году на Московской промышленной выставке. К прибору были одновременно подключены не только свечи, но и нагревательная спираль, дуговая лампа и электродвигатель. Этот опыт доказал универсальность переменного тока. В это самое время в Нью-Йорке задание создать городскую систему освещения получил известный поборник постоянного тока Томас Эдисон. Под его руководством к 1882 году была разработана схема параллельного подключения ламп к единому генератору постоянного тока. Основным новшеством в этом решении были сами лампы: снабжённые угольной нитью лампы накаливания за счёт высокого сопротивления не требовали увеличения диаметра проводов. Эдисон оказался первым, кому удалось создать промышленную осветительную систему. Как известно, энергосистема Нью-Йорка продолжала функционировать на постоянном токе вплоть до 2007 года. Практическое применение трансформатора в качестве преобразователя электроэнергии впервые состоялось в 1883 году в Англии. Изобретатели Люсьен Голяр и Джон Гиббс для освещения Лондонского метрополитена использовали прибор, позволявший повысить напряжение в сети до 1,5 кВ. Так же, как устройство Яблочкова, преобразователь Голяра и Гиббса был подключён к переменному току и состоял из последовательно соединенных катушек с незамкнутым магнитопроводом (то есть сердечник имел открытые внешние сечения, впоследствии эта конструкция была признана неудачной). Отличие изобретения Голяра и Гиббса заключалось в том, что вторичные обмотки имели секционное строение, а регулирование напряжения в них осуществлялось за счёт выдвижных сердечников.
Трансформаторы обретают форму
Выбор незамкнутого сердечника был оправдан при последовательной схеме соединения катушек. Но вскоре выяснилось, что потери энергии ниже, а КПД, соответственно, выше при использовании замкнутого магнитопровода. Это особенно было справедливо для сетей высокого напряжения, потребность в которых росла с увеличением дальности передачи электроэнергии и ростом нагрузки. Этот факт заставил электротехников сосредоточиться на разработке приборов с параллельным подключением и замкнутыми сердечниками. Все современные трансформаторы имеют такую конструкцию. А первый подобный прибор был запатентован венгерскими изобретателями Максом Дери, Отто Блажи и Карлом Циперовским. Им же принадлежит авторство термина «трансформатор» – именно так коллеги назвали своё устройство в заявке на патент. В 1885 году Дери, Блажи и Циперовский представили систему освещения Будапешта, запитанную от единого источника напряжением 1,35 кВ. К ней было подключено более тысячи ламп Эдисона с помощью 75 параллельно подключённых тороидальных однофазных трансформаторов. Эта схема стала прообразом применяющихся в настоящее время систем освещения. Венгерские инженеры разработали тороидальную, броневую и стержневую модели, таким образом создав все известные на сегодняшний день базовые конструкции трансформатора. Совершенствование трансформатора шло и в направлении повышения надёжности. В Швеции был спроектирован первый трансформатор с масляным охлаждением: катушки погружались в керамическую ёмкость с маслом, что повышало надёжность изоляции обмоток. Это изобретение позволило использовать однофазные трансформаторы при повышенном напряжении и способствовало их широкому применению в системах освещения.
Трансформаторы подключают индустриализацию
Однофазная сеть подходила для систем освещения, но не могла удовлетворить растущие потребности в электричестве промышленных предприятий. Главным недостатком однофазного двигателя было отсутствие пускового момента, из-за чего он не мог использоваться в качестве электропривода. К началу 90-х годов XIX века было предложено несколько многофазных схем, наиболее дешёвой и перспективной из которых признали трёхфазную. В 1889 году польско-русский инженер Михаил Доливо-Добровольский из немецкой AEG запатентовал трёхфазный электродвигатель, однако передача электроэнергии с него поначалу осуществлялась по трём однофазным трансформаторам, что значительно удорожало систему. В итоге в том же 1889 году Доливо-Добровольский запатентовал ещё одно изобретение – трёхфазный трансформатор. В 1891 году схема Доливо-Добровольского была испытана на Международной технической выставке во Франкфурте-на-Майне. Это событие вошло в историю как начало современной электрификации. Испытания заключались в передаче электроэнергии от гидростанции в немецком местечке Лауфен в павильон франкфуртской выставки для обеспечения работы тысячи ламп и одного искусственного водопада. Электроэнергия передавалась на 170 км по трёхпроводной сети, дважды трансформируясь: до 15 кВ при выходе с ГЭС и до 65 В при подаче на приёмники. КПД сети составил 75%. Многие посетители выставки были так поражены передачей электроэнергии на столь огромное по тем временам расстояние, что поговаривали, будто сама вода передаётся в декоративный водопад из естественного водопада близ Лауфена по специальным трубам. Трёхфазная система доказала, что переменный ток позволяет успешно решать проблему передачи электроэнергии на дальние расстояния. С этого момента можно было считать, что постоянный ток во главе с главным своим идеологом Эдисоном «войну» проиграл. Дальнейшая трансформация трансформаторов шла по пути увеличения КПД и надёжности и сокращения габаритов. Значительным событием стало возникшее на рубеже веков предложение англичанина Роберта Хедфилда добавлять в сталь сердечников трансформаторов кремний, за счёт чего снижались потери преобразователей. Спустя 30 лет американский металлург Норман Гросс открыл, что при комбинированной с нагреванием прокатке кремнистой стали магнитная проницаемость сердечников в направлении прокатки возрастает в разы, а потери уменьшаются. Позднее использование холоднопрокатной стали дало возможность существенно уменьшить габариты и удельную мощность трансформаторов. Сейчас одно из перспективных направлений – применение в качестве магнитопроводов аморфных сплавов. Если конструкция и состав магнитопровода не раз подвергались изменениям, то обмотка катушек длительное время оставалась исключительно медной за счёт высокой электропроводности материала. Ограничение природных запасов заставило искать альтернативы, одной из которых стал алюминий (для трансформаторов мощностью менее 16 тысяч кВА), а на современном этапе – сверхпроводники. Перед современными инженерами также стоит задача повышения устойчивости силовых трансформаторов к динамическим изменениям в сети, что особенно актуально на фоне развития ВИЭ и распределённой генерации, чья работа менее предсказуема, чем у крупных электростанций. Это путь совершенствования автоматики и информационных систем. Трансформация трансформатора переходит на новый виток эволюции – от трансформатора умелого к трансформатору разумному.
В материале использованы «Очерки по истории электротехники» О. Н. Веселовского и О.Я. Шнейберга, статья к. т. н. Ю. М. Савинцева «Силовые трансформаторы: основные вехи развития», книга Т. А. Бояковой «История электротехники и электроэнергетики»
Коэффициент трансформации понижающих и повышающих трансформаторов
Коэффициент трансформации трансформатора определяется отношением количества витков первичной обмотки к количеству витков вторичной.
Его можно также рассчитать, поделив соответствующие показатели ЭДС в обмотках. В идеальных условиях (если отсутствуют электрические потери) показатель коэффициента трансформации рассчитывается отношением напряжений на зажимах обмоток. У трансформаторов, имеющих более двух обмоток, этот параметр определяется для каждой обмотки поочередно.
Коэффициент трансформации понижающих трансформаторов превышает единицу, повышающих – находится в пределах от 0 до 1. Фактически, коэффициент трансформации показывает, во сколько раз трансформатор понижает поданное на него напряжение.
С помощью коэффициента трансформации есть возможность проверить правильность количества витков, поэтому он определяется для всех имеющихся фаз и на каждом из ответвлений. Подобные измерения и расчеты помогают выявить обрывы проводов в обмотках и узнать полярность каждой из обмоток.
Значение коэффициента трансформации определить можно несколькими способами:
- измерением напряжений на обмотках двумя вольтметрами;
- с помощью моста переменного тока;
- по паспортным данным.
Реальный показатель рекомендуется измерять с использованием 2-х вольтметров. Номинальный показатель коэффициента трансформации также возможно вычислить, используя номинальные значения напряжений на обмотках в режиме ХХ (холостого хода), указанные в паспорте трансформатора.
Трехобмоточные трансформаторы требуют выполнения измерений минимум для 2-х пар обмоток, имеющих меньший ток короткого замыкания. Если электрические элементы трансформатора расположены в защитном кожухе, под которым скрыты некоторые ответвления, то коэффициент трансформации определяется только для выведенных наружу зажимов обмоток.
Для однофазных трансформаторов рабочее значение коэффициента трансформации рассчитывают путем деления напряжения, подведенного к первичной цепи, на одновременно измеренное напряжение во вторичной цепи.
Для трехфазных трансформаторов эта процедура может выполняться несколькими методами: с подключением к высоковольтной обмотке напряжения от трехфазной сети, путем запитывания однофазным напряжением, с выведенной нулевой точкой и без нее. В любом случае, на одноименных зажимах противоположных обмоток замеряют показания линейных напряжений.
К обмоткам нельзя подключать напряжение, выше или существенно ниже номинального, значение которого указано в паспорте. В таком случае, возрастает погрешность измерений из-за потерь тока, потребляемого подключенным измерительным прибором и тока холостого хода.
Для проведения измерений должны использоваться вольтметры с классом точности в пределах 0,2-0,5. Ускорить и упростить определение коэффициента трансформации могут универсальные приборы (например, УИКТ-3), позволяющие производить измерения без подключения сторонних источников переменного напряжения.
Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад, если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Всего доброго.