Трансформатор и его принципы

A трансформатор является пассивным компонентом, который переносит электрическую энергию из одной схемы в другую схему или цепи. на том же ядре. Электрическая энергия может быть передана между отдельными катушками без металлической (проводящей) связи между двумя цепями. Магнитный поток, окружающий катушку.Трансформаторы используются для изменения уровня напряжения переменного тока, этот тип трансформатора известен как шаг или шаг, чтобы увеличить или уменьшить уровень напряжения соответственно. Трансформеры также используются для обеспечения гальванической изоляции между цепями и парами схем обработки сигналов. Поскольку изобретение первого постоянного потенциального трансформатора в 1885 году трансформаторы стали важной частью передачи, распределения и использования переменного тока. Широкий спектр конструкций трансформаторов встречается в электронике и силовых приложениях. Размер трансформаторов варьируется от радиочастотных трансформаторов, которые меньше кубического сантиметра в размерах до единиц, взвешивающих сотни тонн для взаимосвязанных мощных сетей.

Принципы

Идеальный трансформатор - это линейный, без потерь и идеально связанную идеальную связь, подразумевает бесконечно высокую проницаемость и индуктивность обмотки и нулевую чистую магнитомотную силу (то есть IPNP - ISNS = 0).Изменение тока в первичной обмотке трансформатора создает изменяющийся магнитный поток в сердечнике трансформатора, который также окружен вторичной обмоткой. Этот изменяющийся поток во вторичной обмотке вызывает изменение ЭДС или напряжения во вторичной обмотке. Это явление электромагнитной индукции является основой для действия трансформатора, и в соответствии с законом Ленца вторичный ток, генерируемый таким образом Проницаемость, поэтому весь магнитный поток проходит через первичные и вторичные обмотки. Источник напряжения подключен к первичной обмотке, нагрузка подключена к вторичной обмотке, ток трансформатора течет в указанном направлении и магнитомотивная сила железа Ядро отменяется на ноль.Согласно закону Фарадея, поскольку тот же магнитный поток проходит через первичные и вторичные обмотки идеального трансформатора, в каждой обмотке индуцируется напряжение, пропорциональное количеству его обмотков.Идеальный трансформатор - это разумное приближение типичного коммерческого трансформатора, с соотношением напряжения и соотношениями поворотов обмотки, которые обратно пропорциональны соответствующим отношениям тока.Импеданс нагрузки первичной цепи равен квадрату соотношения поворотов, умноженного на импеданс нагрузки вторичной цепи.

Настоящий трансформатор

Отклонение от идеальных трансформаторов

Идеальная модель трансформатора игнорирует следующие фундаментальные линейные аспекты реальных трансформаторов:

Потери основного, в совокупности, называемых потери тока намагничивания, включают.

Потери гистерезиса из -за нелинейных магнитных эффектов в ядре трансформатора и TПотеря вихревого тока из -за нагрева в джоуле железного ядра пропорциональна квадрату напряжения, приложенного к трансформатору.

В отличие от идеальной модели, обмотки в реальном трансформаторе имеют ненулевое сопротивление и индуктивность:

1. Потери в джоуле из -за первичной и вторичной устойчивости обмотки

2. Поток утечки выходит из ядра и через одну обмотку вызывает только первичные и вторичные реактивные импеданты.

3. Аналогично индуктору, явление паразитикозапацины и саморезонизма возникает из-за распределения электрического поля. Обычно рассматриваются три вида паразитических емкости и предоставляются уравнения с закрытой контукой.

4. Емкость между смежными поворотами в любом слое;

5. Емкость между соседними слоями;

6. Емкость между сердечником и слоями, прилегающими к сердечнику;

Включение емкости в модель трансформатора является сложным и редко предпринимается; эквивалентная схема для модели трансформатора "реального ", показанная ниже, не включает паразитическую емкость. Однако емкостный эффект может быть измерен путем сравнения индуктивности открытой цепи (то есть индуктивность первичной обмотки, когда вторичная цепь открыта) с Индуктивность короткого замыкания вторичной обмотки, когда она закрыта.

Поток утечки

Идеальная модель трансформатора предполагает, что весь поток, генерируемый первичной обмоткой, соединяет все повороты каждой обмотки, в том числе сама. На практике часть потока пересекает путь, который выводит его вне обмотки. Этот поток, известный как поток утечки, вызывает утечку Индуктивность последовательно со взаимно связанными обмотками трансформаторов. Поток излишки заставляет энергию попеременно хранится и высвобождается из магнитного поля для каждого цикла источника питания. Потеряйте, чем прямая потеря мощности, это приводит к плохому регуляции напряжения, вызывая вторичное Напряжение, чтобы не было пропорционально первичному напряжению, особенно при тяжелых нагрузках. Поэтому трансформаторы обычно разработаны с очень низкой индуктивностью утечки.В некоторых приложениях требуется увеличение утечки, и длинные магнитные пути, воздушные промежутки или магнитные шунты могут быть преднамеренно введены в конструкцию трансформатора, чтобы ограничить ток короткого замыкания, который он будет поставлять. Трансформаторы могут использоваться для питания нагрузки, которые демонстрируют Отрицательное сопротивление, такое как электрические дуги, ртуть и натриевые лампы и неоновые огни, или безопасно обрабатывать нагрузки, которые периодически связаны с коротким замыканием, такие как сварщики дуг.Воздушные зазоры также используются для предотвращения насыщения трансформаторов, особенно аудио трансформаторов в цепях с компонентами постоянного тока в обмотках. Насыщенный реактор использует насыщение ядра железа для контроля переменного тока.

Знание индуктивности утечки также полезно, когда трансформаторы эксплуатируются параллельно. Можно показать, что если два трансформатора имеют одинаковый процент импеданса и связанное с ним отношение сопротивления реактивности утечки на обмотке их соответствующие рейтинги. Однако, коммерческие трансформаторы имеют широкие допуски импеданса. Кроме того, сопротивление импеданса и X/R трансформаторов разных размеров, как правило, различны.

• Эквивалентная схема

• Ссылаясь на этот рисунок, физическое поведение реального трансформатора может быть представлено эквивалентной схемой, которая может включать идеальный трансформатор.

• Потеря обмотки джоул и реактивное сопротивление утечки представлены следующим последовательным импедансом модели:

• Первичная обмотка: RP, XP

• Вторичные обмотки: рупий, xs.

• В нормальных эквивалентных преобразованиях RS и XS на самом деле обычно упоминаются на первичную сторону, умножая эти импедансы на квадрат соотношения поворотов (NP/NS) 2 = A2.

• Потери железа и реактивное сопротивление представлены следующими импедансами шунтирования модели:

• Потеря железа или потеря железа: rc.

• Реактивное сопротивление намагничивания: XM.

RC и XM в совокупности называются ветвью намагничивания модели.

Потеря ядра в первую очередь вызвана эффектами гистерезиса и вихревого тока в ядре и пропорциональна квадрату флюса ядра, работающего на данной частоте. 142–143 Ядра с конечной проницаемостью требует намагничивающего тока для поддержания взаимного потока в ядре. Ток намагничивания находится в фазе с магнитным потоком, а взаимосвязь между ними нелинейна из -за эффектов насыщения. Однако все импедансы эквивалентной схемы линейны по определению, и этот нелинейный эффект обычно не отражается в эквивалентной схеме трансформатора Анкет 142 Для синусоидального источника питания поток сердечника отстает индуцированную электродвижущую силу на 90 °. Когда вторичная обмотка открыта, ток перемешивания ветвь возбуждения равна току без нагрузки трансформатора.

Полученная модель, хотя иногда называемая эквивалентной схемой "точной ", основанной на предположении о линейности, сохраняет много приближений, может упростить анализ, предполагая, что импеданс намагниченного ветви относительно высок и перемещая ветвь слева от первичной импеданс. Это вводит ошибки, но позволяет объединить первичное и контрольное вторичное сопротивление и реактивное сопротивление, просто суммируя как два последовательных импеданса.Трансформатор эквивалентный импеданс схемы и коэффициент преобразования параметры могут быть получены с помощью следующих испытаний: тест на разомкнутую цепь, тест коротких замыканий, тест на сопротивление обмотки, тест коэффициента преобразования.