Вихревые токи трансформаторов | Техника и Программы

Паразитные вихревые токи в обмотках и сердечнике в значительной мере ответственны за потери, особенно в трансформаторах на большие токи и при нелинейной нагрузке. На Рис. 7.9 показаны пути этих токов в проводниках. Магнитное поле, обозначенное знаком «+», перпендикулярное к направлению проводника, индуцирует напряжения, вызывающие протекание вихревых токов в своих петельках. Напряжения в смежных проводниках уничтожают другдруга в середине. Но тем не менее остаются токи, которые текут вдоль радиальной поверхности проводников, что увеличивает омические потери в обмотках по сравнению с потерями от тока, протекающего вдоль проводника обмотки.

Перекладка проводов с помощью полупетли в середине обмотки уменьшает вихревые токи, так как индуцируемые напряжения противопо-

Рис. 7.9. Перекладка проводов для уменьшения вихревъа: токов

ложны в месте скрутки. Провода для больших токов часто делают из двух или трех проводников, собранных в бифилярную или трифилярную скрутку. Перекладка проводов используется с ранних дней телефонии для уменьшения перекрестнъюс искажений и взаимодействия между линиями питания. В линиях передачи энергии на большие расстояния перекладка проводов применяется для обеспечения фазовой балансировки.

Вихревые токи в сердечнике также вносят свой вклад в потери. Хотя магнитное поле и направлено в плоскости пластин, вихревые токи текут в их поперечном сечении, как показано на Рис. 7.10. Эти токи могут быть уменьшены при уменьшении толщины пластин сердечника, что и используется в высокочастотных трансформаторах. Однако из практических соображений, касающихся цены и удобства обращения, наиболее распространенным является применение пластин из кремнистого железа толщиной 0.014 дюйма (0.356 мм). Однако в некоторых специальных случаях используются пластины толщиной 0.001…0.002 дюйма (0.0254…0.051 мм). На уникальном оборудовании завода «Сендцимер» (Sendzimer) их прокатывают, а затем нарезают, как часовые пружинки, для производства тороидальных сердечников. Сплав, используемый в этом случае, может содержать никель и (или) молибден.

Если напряжение в первичной обмотке или ток во вторичной обмотке содержат гармонические составляющие, то потери из-за вихревых токов могут значительно увеличиться. В первом случае это происходит из-за увеличения потерь в сердечнике, а во втором — из-за увеличения омических потерь в проводах. Широкое распространение драйверов электродвигателей с регулировкой скорости вращения, которые обычно создают воз-

Рис. 7.10. Вихревые токи в пластиие сердечника

мущения в цепи их питания, привело к необходимости разработки стандартов на способность трансформаторов работать с большим содержанием гармоник в токе вторичной цепи. Эта способность характеризуется коэффициентом k, определяемым как

где n — номер гармоники, а /„ — среднеквадратичное значение тока на этой гармонике. Основная гармоника при этом — I\. Стандартные конструкции имеют k = A и k = 13. Например, ток вторичной цепи, содержащий 20% пятой и 14% седьмой гармоник, будет иметь & = [1+(0.2х5)² + (0.14х7)

2] = 3. Если содержание гармоник убывает обратно пропорционально к основной, коэффициент k растет линейно с добавлением каждой гармоники. Важно отметить, что нет надежных способов оценить возможность применения стандартного трансформатора в цепях с нелинейными токами.

Как показано на Рис. 7.11, магнитное поле в трансформаторе увеличивается от нуля в зоне внутренних витков первичной обмотки до максимума в зоне ее внешних витков, а затем спадает до нуля в зоне внешних витков вторичной обмотки. Вихревые токи пропорциональны магнитному полю, а потери — квадрату токов и, следовательно, поля. По этой причине потери из-за вихревых токов в основном сконцентрированы вблизи зазора между первичной и вторичной обмотками.

Для устранения проникновения во вторичную цепь трансформаторов синфазных помех из первичной сети часто применяют заземленный экран из медной фольги, размещаемый между первичной и вторичной обмотками. Этот экран называют электростатической защитой, или экраном Фарадея. Этот экран может вызвать проблемы, если первичная и вторичная обмотки имеют разную длину в аксиальном направлении или вторичная обмотка состоит из нескольких секций, используемых не одновременно. В обоих случаях часть магнитного поля проходит радиально через экран, что может привести к его перегреву и, как следствие, к повреждению изоляции. Этот случай был упомянут в самом начале этой главы.

Рис. 7.11. Потери из-за вихревых токов в обмотках

Рис. 7.12. Нагрев вихревыми токами экранов Фарадея из различпыхматериалов

Поскольку приходилось неоднократно встречаться с такой проблемой, это подтолкнуло автора к проведению ряда экспериментов по определению реакции ряда материалов, из которых мог бы быть изготовлен экран Фарадея, на воздействие магнитного поля, перпендикулярного поверхности образцов. На катушку, возбуждавшую магнитное поле, подавался переменный ток частотой 60 Гц. Температура образцов измерялась с помощью термопары. Результаты приведены на Рис. 7.12. Интересно, что сетка из того или иного металла обеспечивала практически такую же электростатическую защиту, как и сплошной лист, а сопротивление экрана имело небольшое значение. В соответствии с результатами, приведенными на Рис. 7.12, в компании, где работал автор, в качестве стандартного материала для экранов Фарадея было принято использовать монель или нержавеющую сталь.

Источник: Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI, 2008. — 252 c.: ил. (Серия «Силовая электроника»).

Для уменьшения вихревых токов используют сердечники трансформаторов

В электрических аппаратах, приборах и машинах металлические детали иногда движутся в магнитном поле или неподвижные металлические детали пересекаются силовыми линиями меняющегося по величине магнитного поля. В этих металлических деталях индуктируется ЭДС самоиндукции.

Под действием этих э. д. с. в массе металлической детали протекают вихревые токи (токи Фуко) , которые замыкаются в массе, образуя вихревые контуры токов.

Вихревыми токами (также токами Фуко) называются электрические токи, возникающие вследствие электромагнитной индукции в проводящей среде (обычно в металле) при изменении пронизывающего ее магнитного потока.

Вихревые токи порождают свои собственные магнитные потоки, которые, по правилу Ленца, противодействуют магнитному потоку катушки и ослабляют его. Кроме того, они вызывают нагрев сердечника, что является бесполезной тратой энергии.

Пусть имеется сердечник из металлического материала. Поместим на этот сердечник катушку, по которой пропустим переменный ток. Вокруг катушки окажется переменный магнитный ток, пересекающий сердечник. При этом в сердечнике станет наводиться индуцированная ЭДС, которая, в свою очередь, вызывает в сердечнике токи, называемые вихревыми. Эти вихревые токи нагревают сердечник. Так как электрическое сопротивление сердечника невелико, то наводимые в сердечниках индуцированные токи могут оказываться достаточно большими, а нагрев сердечника — значительным.

Впервые вихревые токи были обнаружены французским учёным Д.Ф. Араго (1786 — 1853) в 1824 г. в медном диске, расположенном на оси под вращающейся магнитной стрелкой. За счёт вихревых токов диск приходил во вращение. Это явление, названное явлением Араго, было объяснено несколько лет спустя M. Фарадеем с позиций открытого им закона электромагнитной индукции.

Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко (1819 — 1868) и названы его именем. Он назвал явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.

В качестве примера на рис унке показаны вихревые токи, индуктируемые в массивном сердечнике, помещенном в катушку, обтекаемую переменным током. Переменное магнитное поле индуктирует токи, которые замыкаются по путям, лежащим в плоскостях, перпендикулярных направлению поля.

Вихревые токи: а — в массивном сердечнике, б — в пластинчатом сердечнике

Способы уменьшения токов Фуко

Мощность, затрачиваемая на нагрев сердечника вихревыми токами, бесполезно снижает КПД технических устройств электромагнитного типа.

Чтобы уменьшить мощность вихревых токов, увеличивают электрическое сопротивление магнитопровода, для этого сердечники набирают из отдельных тонких (0,1- 0,5 мм) пластин, изолированных друг от друга с помощью специального лака или окалины.

Магнитопроводы всех машин и аппаратов переменного тока и сердечники якорей машин постоянного тока собирают из изолированных друг от друга лаком или поверхностной непроводящей пленкой (фосфатированных) пластин, выштампованных из листовой электротехнической стали. Плоскость пластин должна быть параллельна направлению магнитного потока.

При таком делении сечения сердечника магнитопровода вихревые токи существенно ослабляются, так как уменьшаются магнитные потоки, которыми сцепляются контуры вихревых токов, а следовательно, понижаются и индуктируемые этими потоками э. д. с, создающие вихревые токи.

В материал сердечника также вводят специальные добавки, также увеличивающие его электрическое сопротивление. Для увеличения электрического сопротивления ферромагнетика электротехническую сталь приготовляют с присадкой кремния.

Сердечники некоторых катушек (бобин) набирают из кусков отожженной железной проволоки. Полоски железа располагают параллельно линиям магнитного потока. Вихревые же токи, протекающие в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока, ограничиваются изолирующими прокладками. Для магнитопроводов приборов и устройств, работающих на высокой частоте, применяют магнетодиэлектрики. Чтобы снизить вихревые токи в проводах, последние изготавливают в виде жгута из отдельных жил, изолированных друг от друга.

Лицендрат — это система переплетенных медных проводов, в которой каждая жила изолирована от соседних. Лицендрат предназначен для использования на высокочастотных токах для предотвращения возникновения паразитных токов и токов Фуко.

Применение токов Фуко

В ряде случаев вихревые токи используются в технике, например для торможения вращающихся массивных деталей. Электродвижущая сила, наводимая в элементах детали при пересечении магнитного поля, вызывает в ее толще замкнутые токи, которые, взаимодействуя с магнитным полем, создают значительные противодействующие моменты.

Широко применяется также такое магнитоиндукционное торможение для успокоения движения подвижных частей электроизмерительных приборов, в частности для создания противодействующего момента и торможения подвижной части электрических счетчиков.

В этих приборах диск, укрепленный на оси счетчика, вращается в зазоре постоянного магнита. Наводимые в массе диска при этом движении вихревые токи, взаимодействуя с потоком того же магнита, создают противодействующий и тормозящий моменты.

Например, вихревые токи нашли в устройстве магнитного тормоза диска электрического счетчика. Вращаясь, диск пересекает магнитные силовые линии постоянного магнита. В плоскости диска возникают вихревые токи, которые, в свою очередь, создают свои магнитные потоки в виде трубочек вокруг вихревого тока. Взаимодействуя с основным полем магнита, эти потоки тормозят диск.

В ряде случаев, применяя вихревые токи, можно использовать технологические операции, которые невозможно применить без токов высокой частоты. Например, при изготовления вакуумных приборов и устройств из баллона необходимо тщательно откачать воздух и иные газы. Однако в металлической арматуре, находящейся внутри баллона, имеются остатки газа, которые можно удалить только после заваривания баллона.

Для полного обезгаживания арматуры вакуумный прибор помещают в поле высокочастотного генератора, в результате действия вихревых токов арматура нагревается до сотен градусов, остатки газа при этом нейтрализуются.

Примером полезного применения вихревых токов, вызываемых переменным полем, могут служить электрические индукционные печи. В них магнитное поле высокой частоты, создаваемое обмоткой, которая окружает тигель, наводит вихревые токи в металле, находящемся в тигле. Энергия вихревых токов трансформируется в тепло, плавящее металл.

Трансформатор — это статический электромагнитный аппарат,

служащий для преобразования посредством магнитного поля электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока того же или иного напряжения при сохранении частоты тока.

повышающих трансформаторов — силовые трансформаторы (от единиц до нескольких сотен тысяч киловольт-ампер) и

понижающих трансформаторов — трансформаторы малой мощности

A0—300 ВА). Первые используют в сетях распределения электри-

ческой энергии, последние — в разных областях новой техники:

в радиоэлектронике, автоматике, реактивной технике и т. д.

Простейший однофазный трансформатор состоит из стального

сердечника (рис. 3-1) и двух обмоток — первичной с числом вит-

ков w1 и вторичной с числом витков w2.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА

;

.

Векторная диаграмма идеального трансформатора приведена на рисунке

ХОЛОСТОЙ РЕЖИМ ТРАНСФОРМАТОРА

Режим работы трансформатора, при котором его вторичная обмотка разомкнута, Рис. 1 , называют холостым режимом или холостым

ходом (трансформатор работает без нагрузки).

Именно такой режим работы был рассмотрен в предыдущем параграфе. Однако там мы пренебрегли нелинейностью кривой намагничивания стального сердечника, явлением гистерезиса и токами Фуко, действием потоков рассеяния магнитного поля и активным сопротивлением обмотки.

Нелинейность кривой намагничивания

Нелинейность зависимости первичного тока от магнитного

потока, из-за которой намагничивание сердечника заходит в об-

ласть магнитного насыщения, приводит к тому, что ток в первич-

ной обмотке становится несинусоидальным.

В соответствии с теоремой Фурье всякий периодический несинусоидальный ток может быть представлен бесконечным рядом, состоящим из постоянной

составляющей и суммы переменных составляющих с возрастающими кратными частотами и убывающими амплитудами. Их называют гармоническими составляющими или гармониками;

В зависимости от конкретной задачи такое разложение:

может не иметь постоянной составляющей;

начальные фазы гармоник могут быть равными нулю или отличаться на п;

может иметь только четные или только нечетные гармоники.

Так, несинусоидальный ток, получающийся в результате нелинейности кривой намагничивания сердечника трансформатора, в соответствии с теоремой Фурье может быть представлен в виде суммы двух первых нечетных гармоник (первой и третьей, рис. 3-4) или заменен «эквива-

лентной синусоидой» (см. рис. 3-3). Эквивалентный ток, сдвинутый по фазе относительно приложенного напряжения на —π, поддерживает магнитный поток и является чисто реактивным током. Его называют намагничивающим током .

Гистерезис также влияет на форму тока.

Как известно, в ферромагнетике, подвергнутом циклическому перемагничиванию, магнитный поток связан с током зависимостью, выражаемой петлей гистерезиса. В результате ток i в катушке (рис. 3-5) оказывается несинусоидальным и сдвинутым по фазе относительно потока на некоторый небольшой угол потерь (7°). Этот ток может быть представлен в виде суммы двух токов — намагничивающего тока Iн (реактивный ток) и тока от гистерезиса ir (активный ток). Появление тока Iг понятно из физической сущности явления гистерезиса: на перемагничивание сердечника затрачивается энергия, пропорциональная площади петли гистерезиса. Эта энергия идет на нагревание сердечника. Для уменьшения потерь на гистерезис сердечники электрических машин переменного тока изготавливают из специальной трансформаторной стали.

Вихревые токи, или токи Фуко, возникающие в проводниках, находящихся в переменных магнитных полях, возникают и в сердечниках трансформаторов. Замыкаясь в толще сердечника, эти Рис. 5 токи нагревают их, создавая потери энергии. Поскольку вихревые токи возникают в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока,то для уменьшения этих токов сердечники трансформаторов иабирают из отдельных изолированных друг от друга стальных пластин.

Потоки рассеяния в сердечнике трансформатора создаются той частью магнитного потока, которая замыкается не через магнитопровод, а через воздух в непосредственной близости от витков. Поскольку потоки рас-

сеяния Фр1 (рис. 3-6) замыкаются в основном через воздух, то их можно считать пропорциональными создающим их токам. Потоки рассеяния составляют лишь около 0,25% от основного магнитного потока трансформа-

Активное сопротивление первичной цепи создает потери за счет активного тока, нагревающего обмотку. Для уменьшения этих потерь обмотки машин

выполняют, как правило, из меди.

Для холостого режима трансформатора, с учтем все виды потерь, для первичной обмотки, на основании второго закона Кирхгофа можно составить следующее уравнение :

где ul _ подведенное напряжение; е1 — ЭДС самоиндукции в пер-

вичной обмотке, ер1 —ЭДС от потоков рассеяния.

Перепишем уравнение в векторной форме:

и

Построим векторную диаграмму:

Для построения в качестве основного возьмем вектор магнитного потока Фо (рис. 3-7). Из-за потерь на гистерезис и на вихревые токи этот поток отстает от создавшего его тока I1 на угол потерь б (5—7°). Кроме того, ток I1 создает еще поток рассеяния Фр1, замыкающийся через воздух и потому совпадающий по фазе с током I1. Поток Фо индуцирует в обмотках трансформатора ЭДС , отстающие от него по фазе на , а поток Фр1 также индуцирует в обмотке ЭДС рассеяния &р1, отстающую от него по фазе на — . и Uu получим

треугольник внутреннего падения напряжения в первичной обмот-

ке, гипотенуза которого Uл = 101гх есть полное падение напряже-

ния в первичной обмотке от тока холостого хода, а катетыи

векторы падений напряжений соответственно на индуктивном и активном сопротивлениях.

Поэтому приложенное к первичной обмотке напряжение U1 уравно-

вешивается в основном ЭДС , тогда

где k — коэффициент трансформации (отношение высшего напряже-

Режим холостого хода используется для определения:

коэффициента трансформации k и

потерь в трансформаторе на гистерезис и вихревые токи, на так называемые «потери в стали».

РАБОЧИЙ РЕЖИМ ТРАНСФОРМАТОРА

Режим работы трансформатора, при котором во вторичную

обмотку включена нагрузка, называют рабочим режимом или ре-

Но если во вторичную обмотку включить какую-нибудь нагрузку, в ней появится ток /2, возбуждающий в том же сердечнике свой магнитный поток Ф2 (рис. 3-8), размагничивающе действующий на сердечник (в

соответствии с законом Ленца).

Построим векторную диаграмму нагруженного трансформатора.

Построение начнем с основного магнитного потока в сердечнике Фо (рис 3-9). Он остается практически неизменным в процессе работы и отстает от тока холостого хода /01 на угол потерь на гистерезис δ (5—7°).

Характером и значением нагрузки во вторичной обмотке опреде-

ляется значение вторичного тока /2 и угол φ 2.

Для нахождения длины и положения вектора тока в первичной

обмотке 1г надо вектор тока холостого хода /01 сложить с век-

тором некоторого добавочного тока / 2 в этой же обмотке, обусло-

вленного нагрузкой трансформатора .

Вторичный ток î2 создает некоторый небольшой поток рассея-

ния Фр2, совпадающий с ним по фазе. Поток Фр2, в свою очередь,

индуцирует ЭДС рассеяния Εр2, отстающую от него по фазе на — π/2.

Ток î2 на индуктивном сопротивлении xL2 создает падение напряже-

Так как вторичная обмотка сама является источником тока, то

уравнение электрического равновесия для этой обмотки будет

Паразитные вихревые токи в обмотках и сердечнике в значительной мере ответственны за потери, особенно в трансформаторах на большие токи и при нелинейной нагрузке. На Рис. 7.9 показаны пути этих токов в проводниках. Магнитное поле, обозначенное знаком «+», перпендикулярное к направлению проводника, индуцирует напряжения, вызывающие протекание вихревых токов в своих петельках. Напряжения в смежных проводниках уничтожают другдруга в середине. Но тем не менее остаются токи, которые текут вдоль радиальной поверхности проводников, что увеличивает омические потери в обмотках по сравнению с потерями от тока, протекающего вдоль проводника обмотки.

Перекладка проводов с помощью полупетли в середине обмотки уменьшает вихревые токи, так как индуцируемые напряжения противопо-

Рис. 7.9. Перекладка проводов для уменьшения вихревъа: токов

ложны в месте скрутки. Провода для больших токов часто делают из двух или трех проводников, собранных в бифилярную или трифилярную скрутку. Перекладка проводов используется с ранних дней телефонии для уменьшения перекрестнъюс искажений и взаимодействия между линиями питания. В линиях передачи энергии на большие расстояния перекладка проводов применяется для обеспечения фазовой балансировки.

Вихревые токи в сердечнике также вносят свой вклад в потери. Хотя магнитное поле и направлено в плоскости пластин, вихревые токи текут в их поперечном сечении, как показано на Рис. 7.10. Эти токи могут быть уменьшены при уменьшении толщины пластин сердечника, что и используется в высокочастотных трансформаторах. Однако из практических соображений, касающихся цены и удобства обращения, наиболее распространенным является применение пластин из кремнистого железа толщиной 0.014 дюйма (0.356 мм). Однако в некоторых специальных случаях используются пластины толщиной 0.001…0.002 дюйма (0.0254…0.051 мм). На уникальном оборудовании завода «Сендцимер» (Sendzimer) их прокатывают, а затем нарезают, как часовые пружинки, для производства тороидальных сердечников. Сплав, используемый в этом случае, может содержать никель и (или) молибден.

Если напряжение в первичной обмотке или ток во вторичной обмотке содержат гармонические составляющие, то потери из-за вихревых токов могут значительно увеличиться. В первом случае это происходит из-за увеличения потерь в сердечнике, а во втором — из-за увеличения омических потерь в проводах. Широкое распространение драйверов электродвигателей с регулировкой скорости вращения, которые обычно создают воз-

Рис. 7.10. Вихревые токи в пластиие сердечника

мущения в цепи их питания, привело к необходимости разработки стандартов на способность трансформаторов работать с большим содержанием гармоник в токе вторичной цепи. Эта способность характеризуется коэффициентом k, определяемым как

где n — номер гармоники, а /„ — среднеквадратичное значение тока на этой гармонике. Основная гармоника при этом — I. Стандартные конструкции имеют k = A и k = 13. Например, ток вторичной цепи, содержащий 20% пятой и 14% седьмой гармоник, будет иметь & = [1+(0.2х5) 2 + (0.14х7) 2 ] = 3. Если содержание гармоник убывает обратно пропорционально к основной, коэффициент k растет линейно с добавлением каждой гармоники. Важно отметить, что нет надежных способов оценить возможность применения стандартного трансформатора в цепях с нелинейными токами.

Как показано на Рис. 7.11, магнитное поле в трансформаторе увеличивается от нуля в зоне внутренних витков первичной обмотки до максимума в зоне ее внешних витков, а затем спадает до нуля в зоне внешних витков вторичной обмотки. Вихревые токи пропорциональны магнитному полю, а потери — квадрату токов и, следовательно, поля. По этой причине потери из-за вихревых токов в основном сконцентрированы вблизи зазора между первичной и вторичной обмотками.

Для устранения проникновения во вторичную цепь трансформаторов синфазных помех из первичной сети часто применяют заземленный экран из медной фольги, размещаемый между первичной и вторичной обмотками. Этот экран называют электростатической защитой, или экраном Фарадея. Этот экран может вызвать проблемы, если первичная и вторичная обмотки имеют разную длину в аксиальном направлении или вторичная обмотка состоит из нескольких секций, используемых не одновременно. В обоих случаях часть магнитного поля проходит радиально через экран, что может привести к его перегреву и, как следствие, к повреждению изоляции. Этот случай был упомянут в самом начале этой главы.

Рис. 7.11. Потери из-за вихревых токов в обмотках

Рис. 7.12. Нагрев вихревыми токами экранов Фарадея из различпыхматериалов

Поскольку приходилось неоднократно встречаться с такой проблемой, это подтолкнуло автора к проведению ряда экспериментов по определению реакции ряда материалов, из которых мог бы быть изготовлен экран Фарадея, на воздействие магнитного поля, перпендикулярного поверхности образцов. На катушку, возбуждавшую магнитное поле, подавался переменный ток частотой 60 Гц. Температура образцов измерялась с помощью термопары. Результаты приведены на Рис. 7.12. Интересно, что сетка из того или иного металла обеспечивала практически такую же электростатическую защиту, как и сплошной лист, а сопротивление экрана имело небольшое значение. В соответствии с результатами, приведенными на Рис. 7.12, в компании, где работал автор, в качестве стандартного материала для экранов Фарадея было принято использовать монель или нержавеющую сталь.

Источник: Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI, 2008. — 252 c.: ил. (Серия «Силовая электроника»).

| Вихревые токи, хитрый трансформатор

Бытующее представление о том, что давление в патроне, в корпусе артиллерийского снаряда или в камере сгорания ракетного двигателя формируется только газами — глубоко ошибочно.

26. Вихревые токи, хитрый трансформатор

Замкнутые токи возникают в массивных проводниках, когда изменяются пронизывающие их магнитные поля. Их называют индуцированными токами (токами Фуко), так как они наводятся изменяющимися магнитными полями и этот процесс называется электромагнитной индукцией. Вихревые токи показаны в сечении массивного проводящего тела пунктирными линиями на рис. 105, a.

а)

b)

с)

Рис. 105. а) схема вихревых токов в массивном теле; b) разрез тела; с) фото хитрого трансформатора; d) схема формирования магнитных полей хитрого трансформатора

Вполне естественно, что магнитное поле, формируемое током проводимости вокруг проводника, по которому он течёт, проникает в массивное тело и ориентирует в нём электроны так, как они сориентированы в проводнике, и направление движения электронов в проводнике и в массивном теле совпадают.

Вполне естественно, что на формирование вихревых токов расходуется энергия. Чтобы уменьшить её, надо разорвать электрическую цепь, по которой движутся свободные электроны в массивном теле. Для этого его делают не сплошным, а собирают из пластин (рис. 105, b) и изолируют плоскости их контакта. В результате общая электрическая цепь массивного тела разрывается и вихревое движение электронов в его сечении нарушается. За счёт этого потери электрической энергии уменьшаются.

Полая катушка индуктивности – давно известное электротехническое устройство. Однако, оказалось, что магнитное поле, формируемое обмоткой такой катушки, зависит от схемы её намотки. Это необычное явление обнаружил российский изобретатель инженер Зацаринин С. Б. и назвал такую катушку «хитрый трансформатор» (рис. 105, с). В его работе имеются элементы, которые противоречат существующим знаниям по электродинамике. Вот как он описал работу хитрого трансформатора.

«Создан трансформатор похожий на классический. Имеется первичная и вторичная сторона, то есть. передающая и приемная. На фото (рис. 105, с) показан общий вид этого трансформатора. Входная обмотка хитрого трансформатора обладает всеми свойствами классической индуктивности. В качестве сердечника используется токопроводящий стержень из любого материала, включая жидкости, газы и любые металлы.

В экземпляре на фото (рис. 105, с) использовался отрезок медной трубки D=16 мм, L=80мм. Этот же стержень является «вторичной обмоткой», т. е. с его торцов снимается выходное напряжение. Только не говорите мне о токах Фуко, короткозамкнутом витке, о принципиальной невозможности наведения напряжения и т. д. Нет никаких вихревых токов — любая сплошная железяка работает, по крайней мере, до 200кГц (выше не проверял). Нет КЗ витка — введение и извлечение сердечника не меняет индуктивность первичной обмотки даже в третьем знаке после запятой.

Таким образом, имеем силовой трансформатор с передачей входного напряжения (и мощности) из изолированной друг от друга первичной во вторичную цепи с коэффициентом передачи, примерно, единица. Параметры первичной обмотки не имеют никаких особенностей и могут быть рассчитаны на напряжения милливольт…мегавольт (только вопросы изоляции). Вторичная обмотка, одновременно являющаяся сердечником и расположенная внутри первичной обмотки, представляет собой в частном случае отрезок проводника, выполненного из любого токопроводящего материала в форме вытянутого цилиндра или пустотелой трубки с очень малым активным и реактивным сопротивлением.

Мы можем иметь неограниченное (в разумных пределах) напряжение между торцами трубки и в то же время никаким соединением внутри неё не можем получить ток. Вот и ответ на вопрос о токах Фуко и КЗ витке. В сердечнике принципиально не могут возникнуть какие-либо токи, кроме тока внешней нагрузки.»[2].

Наши пояснения

В Интернете уже появилась информация о якобы раскрытом секрете «хитрого» трансформатора. Показывался видеофильм, в котором «хитрый» трансформатор представлялся обыкновенным цилиндром без намотки какого-либо провода. Он формировал напряжение на вторичной обмотке, роль которой выполнял металлический стержень, вставленный в цилиндр. Попытаемся дать физическую интерпретацию интернетовскому «хитрому» трансформатору (рис. 105, d).

Представим два параллельных провода А и В, в которых ток течёт снизу вверх, от плюсовых клемм к минусовым. Известно, что вокруг этих проводов сформируются равнонаправленные магнитные поля. В зоне контакта магнитные силовые линии направлены навстречу друг другу, в результате такие провода сближаются (рис. 16, а).

А теперь представим, что вместо двух проводов взят цилиндр 1 и к его концам присоединены те же электрические полюса. Теперь под действием электрического потенциала все электроны цилиндра примут ориентированное положение от его плюсового конца к минусовому и кольцевые сближающиеся магнитные силовые линии заполнят всё внутренне пространство цилиндра.

Подсоединяем к клеммам цилиндра провода переменного тока. Направления магнитных полей будут меняться с частотой тока и каждый раз, сближаясь, будут заполнять все внутреннее пространство цилиндра.

Вставляем в цилиндр токопроводящий стержень 2 и к его концам подключаем лампочку 3. Так как магнитные поля, формируемые электронами цилиндра, будут всегда сближаться, независимо от частоты изменения тока, то эти поля будут пронизывать токопроводящий стержень и с такой же частотой менять ориентацию электронов вдоль стержня. В результате на его концах будет возникать электрический потенциал. Если мы включим в сеть этого стрежня лампочку 3 (рис. 105, d), то она будет гореть.

Таким образом, понимание подобных процессов базируется на понимании закономерностей взаимодействия магнитных полей (рис. 16), которые ещё не все раскрыты. Вполне естественно, что не раскрыт ещё и секрет «хитрого» трансформатора. Зацаринин С. Б. дополнительно поясняет особенности его работы.

«Основным, парадоксальным свойством «хитрого» трансформатора является независимость коэффициента трансформации от количества витков в первичной и вторичной цепи при постоянном коэффициенте трансформации по напряжению и току. Кроме того, в «хитром» трансформаторе индуктивность обмоток не зависит от числа витков в обмотке. Передача энергии из первичной обмотки во вторичную с помощью «хитрого» трансформатора может осуществляться и при взаимно перпендикулярном  расположении  витков  первичной  и  вторичной цепей. Согласно современной научной парадигме этого не может быть. «Хитрый» трансформатор имеет ряд других  «особенностей»  поведения, поэтому уместно было бы назвать явление, управляемое работой «хитрого» трансформатора, «хитрой индуктивностью».

Зацаринин Сергей Борисович – принципиален в отношении непонятных физических процессов и ищет экспериментальное им объяснение. Это и стало основой нашего научного сотрудничества, которое привело к разработке первого в мире самовращающегося генератора электрических импульсов (рис. 43) и последующих моделей МГ-2 и МГ-3, в которых принцип хитрого трансформатора пока не реализован.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Объём новой электродинамической информации достаточен, чтобы считать её введением в Новую электродинамику, которая делает лишь первые шаги в своём развитии, но они оказались столь весомыми, что их невозможно уже игнорировать. Однако, история науки убедительно свидетельствует о нежелании корифеев устаревших знаний знакомиться с новыми знаниями и проверять их достоверность. Потомки будут потешаться над поразительно низким научным интеллектом современной академической элиты.

Потери мощности в трансформаторе

КПД трансформатора никогда не достигает 100 %, поскольку в нём всегда присутствуют потери электроэнергии. Потери в трансформаторах принято разделять на два вида: потери в меди (медные витки обмоток) и потери в стали (материал сердечника).

Потери в меди возникают из-за собственного сопротивления медного проводника. Ток, протекая по обмотке, обуславливает некоторое падение напряжения, которое и является потерей мощности. При этом электрическая энергия преобразуется в тепловую, которая разогревает обмотку.

Потери в стали в свою очередь состоят из потерь, вызванных вихревыми токами, и обусловленых циклическим перемагничиванием (гистерезис).

Вихревые токи возникают в проводнике, который находится в переменном магнитном поле. Этим условиям удовлетворяет стальной сердечник, на который намотаны медные витки. В нем постоянно возникают вихревые токи, величина которых может достигать достаточно больших значений, из-за которых в свою очередь происходит нагрев сердечника.

Величина потерь, вызванных необходимостью циклического перемагничивания определяется в первую очередь качеством стали, из которой сделан сердечник. В сердечнике как бы находится большое количество диполей, которые под действием переменного магнитного поля периодически изменяют своё направление (поворачиваются с периодичностью изменения магнитного поля). В ходе пространственного изменения положения диполей возникают механические силы трения между ними, что вызывает дополнительный нагрев сердечника. Таким образом происходит преобразование магнитной энергии в тепловую (потери мощности на гистерезис).

Чтобы снизить эти потери, применяется ряд мер. Потери, вызванные циклическим перемагничиванием, могут быть уменьшены, если использовать специальный структурированный особым образом магнитомягкий материал для изготовления сердечника (электротехническая сталь). Такой материал обладает большой магнитной проницаемостью, но при этом малой коэрцитивной силой.

Для снижения потерь в меди применяется увеличение сечения проводников обоих обмоток, при этом электросопротивление их уменьшается. С другой стороны, это вызывает увеличение стоимости и веса трансформатора, поэтому достаточным считается такое сечение, при котором не возникает заметного нагрева обмоток.

Чтобы уменьшить вихревые токи, сердечник выполняется не в виде единого монолитного блока, а собирается из множества электроизолированных пластин. Толщина каждой из них может равняться всего нескольким десятым долям миллиметра. Также электрическую проводимость сильно снижает специально вводимый в сталь легирующий элемент — кремний.

Комплексное использование мер по снижению потерь мощности позволяет довести КПД трансформаторов до 85-90%.

Трансформаторы, устройство и принцип действия, назначение различных типов

Трансформатор это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования напряжения электрической энергии переменного тока. Основной принцип работы трансформатора состоит в использовании явления электромагнитной индукции.

К основным частям, из которых состоит трансформатор, относятся магнитный сердечник (магнитопровод) и намотанные на нём обмотки.

Принцип действия трансформатора напряжения заключается в следующем. Одна из обмоток подключается к источнику электрического напряжения. Эту обмотку называют первичной, она служит источником энергии, трансформируемой устройством.

Ток переменного направления, протекающий по первичной обмотке, создаёт знакопеременный магнитный поток в трансформаторном магнитопроводе.

Под воздействием магнитного потока сердечника во вторичных обмотках (их может быть несколько) наводится электродвижущая сила (ЭДС) индукции. Наведённая ЭДС индукции вызывает во вторичных обмотках появление некоторого напряжения, а при подключении к ним нагрузки — вторичного тока.

Форма магнитного трансформаторного сердечника может быть различной, главное условие — магнитный поток должен образовывать замкнутые контуры (один или несколько).

Наибольшее распространение получили следующие формы трансформаторных магнитопроводов:

• Ш – образные;
• П – образные;
• тороидальные (по аналогии с предыдущими типами сердечников их можно назвать О – образными).

В процессе трансформации электрической энергии, часть её теряется вследствие наличия потерь. Трансформаторные потери подразделяются на две категории — потери в меди и в стали. Данные определения требуют разъяснения.

Потери в меди.

Под этим термином подразумеваются омические потери при протекании токов в обмотках трансформаторов. Теряемая в обмотках энергия уходит на их нагрев.

Интересный факт. Нередко встречаются трансформаторы, обмотки которых выполнены из алюминиевых проводников. Теряемую в таких обмотках мощность логично было бы назвать «потери в алюминии», однако такой термин не употребляется. Словосочетание «потери в меди» вероятно можно отнести к профессиональному жаргону.

Потери в стали.

Данный вид теряемой мощности состоит из двух компонентов:

• потери, возникающие вследствие образования в сердечнике вихревых токов;
• мощность, затрачиваемая на перемагничивание.

Вихревые токи (токи Фуко) возникают в любом электропроводящем материале под воздействием переменного магнитного поля. Трансформаторный сердечник, являющийся проводником, не является исключением.

Для уменьшения влияния вихревых токов, магнитопроводы трансформаторов обычно изготавливают не цельными изделиями, а набираются из тонких пластин специальной электротехнической стали. Каждая пластина перед сборкой покрывается электроизоляционным лаком.

Такая технология позволяет избежать возникновения глобальных вихревых токов по всей толщине сердечника, что значительно снижает потери энергии и соответственно, нагрев магнитопровода.

ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОКОВ ФУКО

Для того чтобы оценить масштабы энергии, которая может выделяться при протекании вихревых токов, полезно вспомнить принцип работы индукционных плавильных печей. В ёмкость печи, выполненную из огнеупорной керамики, помещают лом стали, чугуна или железную руду.

Плавильная ёмкость окружена мощной спиральной обмоткой, по которой пропускается ток высокой частоты. Содержимое ёмкости в данном случае играет роль магнитного сердечника.

Под воздействием возникающих вихревых токов происходит интенсивный разогрев и расплавление загруженного железосодержащего материала. Электроплавильное производство относится к одному из самых энергоёмких.

Потери на перемагничивание обусловлены следующими факторами:

1. Макроструктура магнитных материалов имеет зернистый характер. Образование структурных зёрен происходит на стадии застывания расплавленного металлического сплава вследствие возникновения множества очагов кристаллизации.

2. В результате образуются зёрна структуры, которые представляют собой монокристаллические образования — домены. Каждый домен магнитного материала имеет некоторое результирующее направление вектора магнитной индукции.

При отсутствии внешнего магнитного поля векторы индукции доменов направлены хаотически. Но если поместить такой материал в магнитное поле, векторы доменов становятся однонаправленными.

Применительно к процессу трансформации происходит следующее. Ток первичной обмотки создаёт в сердечнике магнитное поле, направление индукции которого меняется с частотой 50 герц (при подключении к обычной электросети).

С такой же частотой происходит переориентация векторов магнитной индукции доменов магнитопровода. Энергия, затрачиваемая на циклическое перемагничивание, выделяется в виде тепла, нагреваемого сердечник.

Энергию, затраченную на перемагничивание сердечника, называют также потерями на гистерезис. Величина этих потерь зависит от свойств материала трансформаторного сердечника, а если более конкретно, от вида их кривой намагничивания — петли гистерезиса.

Наименьшими потерями характеризуются магнитомягкие материалы — электротехническая сталь и пермаллой, которые и используются при изготовлении трансформаторных магнитопроводов.

ВИДЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ

В зависимости от специфических функций, выполняемых трансформаторами, они подразделяются на несколько основных типов:

• силовые, предназначенные для трансформации мощности;
• измерительные, к которым относятся трансформаторы тока и напряжения;
• разделительные, служащие для разделения электрических цепей.

Силовые трансформаторы используются на электрических станциях, в распределительных сетях и в точках потребления электроэнергии. Основная их функция — трансформирование передаваемой электрической энергии с одной ступени напряжения в другую.

Смысл смены ступеней напряжения заключается в том, что выработка, транспортировка и потребление электрической энергии происходит на разных уровнях напряжения.

Мощные турбогенераторы электрических станций вырабатывают электроэнергию напряжением 20 кВ. Передача энергии на большие расстояния осуществляется по воздушным линиям (ЛЭП), имеющим напряжение сотни киловольт — 110, 220, 500 кВ.

Более высокое напряжение (750 и 1150 кВ) применяется реже ввиду дороговизны оборудования и ряда технических сложностей. Повышение напряжения транспортировки электроэнергии позволяет снизить её потери.

Потребляется же большая часть электричества с напряжением 0,4 кВ. Максимальное напряжение конечных электрических устройств составляет не более нескольких киловольт. К таким устройствам относятся высоковольтные приводные двигатели мощных производственных механизмов, тяговые двигатели электровозов, питающихся от контактных электрических сетей.

Таким образом, электрическая энергия на своём пути от её производства до поступления к конечному потребителю несколько раз изменяет уровень напряжения. Эту работу выполняют силовые трансформаторы, установленные на электрических станциях и подстанциях распределительных сетей.

Измерительные трансформаторы используются в цепях измерения, защиты и контроля. Устройства этого типа осуществляют преобразование первичных значений тока и напряжения в пропорциональные им вторичные величины, необходимые для работы измерительных приборов, устройств защиты и автоматики.

Преобразование токовых величин осуществляется трансформаторами тока, для контроля уровня напряжения служат трансформаторы напряжения. Измерительные трансформаторы относятся к средствам измерений и подлежат периодической метрологической поверке, так же как все измерительные приборы.

Разделительные трансформаторы используются в тех случаях, когда необходимо обеспечить гальваническую развязку между отдельными участками электросетей.

Необходимость такого разделения может диктоваться требованиями электробезопасности. Например, таким способом осуществляется питание некоторых видов медицинского оборудования. В данном случае используется одно из основных свойств, присущих трансформатору — отсутствие гальванической связи между его обмотками.

  *  *  *

© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.

10. Трансформаторы

Трансформатор — это статический электромагнитный аппарат,

служащий для преобразования посредством магнитного поля электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока того же или иного напряжения при сохранении частоты тока.

Различают:

повышающих трансформаторов — силовые трансформаторы (от единиц до нескольких сотен тысяч киловольт-ампер) и

понижающих трансформаторов — трансформаторы малой мощности

A0—300 ВА). Первые используют в сетях распределения электри-

ческой энергии, последние — в разных областях новой техники:

в радиоэлектронике, автоматике, реактивной технике и т. д.

УСТРОЙСТВО

Простейший однофазный трансформатор состоит из стального

сердечника (рис. 3-1) и двух обмоток — первичной с числом вит-

ков w1 и вторичной с числом витков w2.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА

;

.

Векторная диаграмма идеального трансформатора приведена на рисунке

ХОЛОСТОЙ РЕЖИМ ТРАНСФОРМАТОРА

Режим работы трансформатора, при котором его вторичная обмотка разомкнута, Рис. 1 , называют холостым режимом или холостым

ходом (трансформатор работает без нагрузки).

Именно такой режим работы был рассмотрен в предыдущем параграфе. Однако там мы пренебрегли нелинейностью кривой намагничивания стального сердечника, явлением гистерезиса и токами Фуко, действием потоков рассеяния магнитного поля и активным сопротивлением обмотки.

Нелинейность кривой намагничивания

Нелинейность зависимости первичного тока от магнитного

потока, из-за которой намагничивание сердечника заходит в об-

ласть магнитного насыщения, приводит к тому, что ток в первич-

ной обмотке становится несинусоидальным.

В соответствии с теоремой Фурье всякий периодический несинусоидальный ток может быть представлен бесконечным рядом, состоящим из постоянной

составляющей и суммы переменных составляющих с возрастающими кратными частотами и убывающими амплитудами. Их называют гармоническими составляющими или гармониками;

В зависимости от конкретной задачи такое разложение:

может не иметь постоянной составляющей;

начальные фазы гармоник могут быть равными нулю или отличаться на п;

может иметь только четные или только нечетные гармоники.

Так, несинусоидальный ток, получающийся в результате нелинейности кривой намагничивания сердечника трансформатора, в соответствии с теоремой Фурье может быть представлен в виде суммы двух первых нечетных гармоник (первой и третьей, рис. 3-4) или заменен «эквива-

лентной синусоидой» (см. рис. 3-3). Эквивалентный ток, сдвинутый по фазе относительно приложенного напряжения на —π, поддерживает магнитный поток и является чисто реактивным током. Его называют намагничивающим током .

Гистерезис также влияет на форму тока.

Как известно, в ферромагнетике, подвергнутом циклическому перемагничиванию, магнитный поток связан с током зависимостью, выражаемой петлей гистерезиса. В результате ток i в катушке (рис. 3-5) оказывается несинусоидальным и сдвинутым по фазе относительно потока на некоторый небольшой угол потерь (7°). Этот ток может быть представлен в виде суммы двух токов — намагничивающего тока Iн (реактивный ток) и тока от гистерезиса ir (активный ток). Появление тока Iг понятно из физической сущности явления гистерезиса: на перемагничивание сердечника затрачивается энергия, пропорциональная площади петли гистерезиса. Эта энергия идет на нагревание сердечника. Для уменьшения потерь на гистерезис сердечники электрических машин переменного тока изготавливают из специальной трансформаторной стали.

Вихревые токи, или токи Фуко, возникающие в проводниках, находящихся в переменных магнитных полях, возникают и в сердечниках трансформаторов. Замыкаясь в толще сердечника, эти Рис. 5 токи нагревают их, создавая потери энергии. Поскольку вихревые токи возникают в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока,то для уменьшения этих токов сердечники трансформаторов иабирают из отдельных изолированных друг от друга стальных пластин.

Потоки рассеяния в сердечнике трансформатора создаются той частью магнитного потока, которая замыкается не через магнитопровод, а через воздух в непосредственной близости от витков. Поскольку потоки рас-

сеяния Фр1 (рис. 3-6) замыкаются в основном через воздух, то их можно считать пропорциональными создающим их токам. Потоки рассеяния составляют лишь около 0,25% от основного магнитного потока трансформа-

тора.

Активное сопротивление первичной цепи создает потери за счет активного тока, нагревающего обмотку. Для уменьшения этих потерь обмотки машин

выполняют, как правило, из меди.

Для холостого режима трансформатора, с учтем все виды потерь, для первичной обмотки, на основании второго закона Кирхгофа можно составить следующее уравнение :

где ul _ подведенное напряжение; е1 — ЭДС самоиндукции в пер-

вичной обмотке, ер1 —ЭДС от потоков рассеяния.

Перепишем уравнение в векторной форме:

Или

и

Построим векторную диаграмму:

Для построения в качестве основного возьмем вектор магнитного потока Фо (рис. и Uu получим

треугольник внутреннего падения напряжения в первичной обмот-

ке, гипотенуза которого Uл = 101гх есть полное падение напряже-

ния в первичной обмотке от тока холостого хода, а катетыи

векторы падений напряжений соответственно на индуктивном и активном сопротивлениях.

Поэтому приложенное к первичной обмотке напряжение U1 уравно-

вешивается в основном ЭДС , тогда

где k — коэффициент трансформации (отношение высшего напряже-

ния к низшему).

На практике:

Режим холостого хода используется для определения:

коэффициента трансформации k и

потерь в трансформаторе на гистерезис и вихревые токи, на так называемые «потери в стали».

РАБОЧИЙ РЕЖИМ ТРАНСФОРМАТОРА

Режим работы трансформатора, при котором во вторичную

обмотку включена нагрузка, называют рабочим режимом или ре-

жимом нагрузки.

Но если во вторичную обмотку включить какую-нибудь нагрузку, в ней появится ток /2, возбуждающий в том же сердечнике свой магнитный поток Ф2 (рис. 3-8), размагничивающе действующий на сердечник (в

соответствии с законом Ленца).

Построим векторную диаграмму нагруженного трансформатора.

Построение начнем с основного магнитного потока в сердечнике Фо (рис 3-9). Он остается практически неизменным в процессе работы и отстает от тока холостого хода /01 на угол потерь на гистерезис δ (5—7°).

Характером и значением нагрузки во вторичной обмотке опреде-

ляется значение вторичного тока /2 и угол φ 2.

Для нахождения длины и положения вектора тока в первичной

обмотке 1г надо вектор тока холостого хода /01 сложить с век-

тором некоторого добавочного тока / 2 в этой же обмотке, обусло-

вленного нагрузкой трансформатора .

Вторичный ток î2 создает некоторый небольшой поток рассея-

ния Фр2, совпадающий с ним по фазе. Поток Фр2, в свою очередь,

индуцирует ЭДС рассеяния Εр2, отстающую от него по фазе на — π/2.

Ток î2 на индуктивном сопротивлении xL2 создает падение напряже-

ния .

Так как вторичная обмотка сама является источником тока, то

уравнение электрического равновесия для этой обмотки будет

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Коэффициент полезного действия трансформатора — это отно-

шение отдаваемой активной мощности к потребляемой

℅

где РСТ — потери в стали (в сердечнике) и Рн — потери в меди

(в обмотках) измеряют в опытах холостого хода и короткого замы-

кания соответственно.

К потерям, имеющим место при работе трансформатора,

относятся потери на гистерезис (в результате постоянного цикли-

ческого перемагничивания сердечника), на вихревые токи и на на-

гревание проводов обмоток. Других потерь в трансформаторе

практически нет.

Для определения потерь обычно пользуются двумя опытами —

опытом холостого хода и опытом короткого замыкания.

В опыте холостого хода, в котором на первичную обмотку I

подают номинальное напряжение, а вторичную II оставляют ра-

зомкнутой, определяют потери в стали трансформатора, т. е. по-

тери на гистерезис и на вихревые токи (рис. 3-11).

Таким образом, можно считать, что в холостом режиме энергия, потребляемая трансформатором из сети, расходуется только на потери в стали, поэтому мощность этих потерь измеряют ваттметром, включенным

в первичную цепь.

КОНСТРУКЦИИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Трансформатор состоит из двух основных частей: магнитопрово-

да (сердечника) и обмоток. Для значительного уменьшения потерь

от вихревых токов, возникающих при перемагничивании, сердеч-

ники собирают из отдельных штампованных тонких @,5—0,36 мм)

пластин специальной трансформаторной стали, содержащей до

4—5% кремния. Эта сталь характеризуется малыми потерями от

гистерезиса и большим электрическим сопротивлением. Для умень-

шения потерь от вихревых токов в настоящее время пластины изо-

лируют друг от друга тонкими оксидными пленками.

По конструкции сердечники различают стержневые (рис. 3-15, а)

и броневые (рис. 3-15, б).

трехфазных трансформаторов являются обычно стержневыми (рис. 3-16).

КПД трансформатора, потери в стали

КПД трансформатора всегда будет меньше 100% т.к. в каждом трансформаторе всегда имеются потери электрической энергии, вследствие чего из первичной обмотки во вторичную передаётся не вся энергия, а лишь бОльшая её часть.

Различают два вида потерь в трансформаторе — потери в меди (в проводах, которыми он намотан) и потери в стали (в сердечнике).

Потери в меди обуславливаются наличием в проводах обмоток трансформатора электрического сопротивления. Ток, протекающий в обмотке, создаёт на таком проводнике падение напряжения. На обмотке развивается некоторая электрическая мощность и часть энергии преобразуется в тепло, нагревающее обмотку.

Потери в стали

Потери в стали состоят из двух видов потерь:

• потери из-за вихревых токов;
• потери на циклическое перемагничивание.

Возникновение вихревых токов в сердечнике можно объяснить следующим образом. Сердечник, изготовленный из стали, представляет собой металлический проводник, помещённый в переменное магнитное поле. В сердечнике так же, как и в витках любой обмотки, будет создаваться индуктированная Э.Д.С., и по сердечнику будет протекать ток. Так как сечение сердечника велико, то его электрическое сопротивление мало. Поэтому токи, протекающие в сердечнике, достигают больших величин. При этом происходит активное расходование энергии и преобразование её в тепло, которое нагревает сердечник.

Величина потерь второго вида, т.е. потерь, возникающих при циклическом перемагничивании, сильно зависят от материала сердечника. Материал сердечника можно представить как бы состоящим из большого числа элементарных магнитиков (магнитных диполей), которые в обычном состоянии расположены хаотически. При внесении такого материала в магнитное поле магнитные диполи начинают поворачиваться в направлении действия магнитного поля. Если магнитное поле переменное, то диполи будут периодически поворачиваться сначала в одну, а потом в другую сторону с частотой изменения данного поля. При этом возникают силы трения и энергия магнитного поля также переходит в тепло, нагревающее сердечник.

Для увеличения КПД трансформатора нужно уменьшить все виды потерь. Потери в меди можно уменьшить путём увеличения сечения проводов обмоток. Однако при этом значительно увеличатся размеры, вес и стоимость трансформатора. Поэтому увеличение сечения проводов производится лишь до такой величины, при которой не наблюдается заметного нагрева обмоток. Потери на перемагничивание значительно уменьшаются, если в качестве материала сердечника трансформаторов применить специальную магнитомягкую сталь, имеющую определённый состав и структуру.

Наконец, для уменьшения потерь на вихревые токи сердечник собирается не из монолитных стальных брусков, а из отдельных изолированных друг от друга пластин толщиной в несколько десятых долей миллиметра. Кроме того, в состав материала сердечника вводится в качестве присадки кремний. И то и другое способствует увеличению электрического сопротивления сердечника, которое, в свою очередь, влечёт за собой уменьшение величины вихревых токов.

В результате всех этих мер КПД трансформатора обычно равен 85-90%.

Что такое потери на вихревые токи? — определение и выражение

Когда к магнитному материалу прикладывают переменное магнитное поле, в самом материале индуцируется ЭДС в соответствии с Законом электромагнитной индукции Фарадея. Поскольку магнитный материал является проводящим материалом, эти ЭДС циркулируют ток внутри тела материала.

Эти циркулирующие токи называются вихревыми токами. Они возникают, когда проводник испытывает изменяющееся магнитное поле.

Поскольку эти токи не отвечают за выполнение какой-либо полезной работы, они вызывают потери (потери I ² R) в магнитном материале, известные как потери на вихревые токи . Как и потери на гистерезис, потери на вихревые токи также увеличивают температуру магнитного материала.

Гистерезис и потери на вихревые токи в магнитном материале также известны под названием потери в стали или потерь в сердечнике или магнитных потерь .

Вид магнитного сердечника в разрезе показан на рисунке выше.Когда изменяющийся поток связывается с самим сердечником, он индуцирует в сердечнике ЭДС, которая, в свою очередь, устанавливает циркулирующий ток, называемый Eddy Current . И этот ток, в свою очередь, вызывает потери, называемые потерями на вихревые токи или (I ² R) потерями, , где I — значение тока, а R — сопротивление пути вихревого тока.

Если сердечник сделан из твердого железа с большей площадью поперечного сечения, величина I будет очень большой, и, следовательно, будут высокими потери.Для уменьшения потерь на вихревые токи в основном есть два метода.

• За счет уменьшения величины вихревого тока.

Величину тока можно уменьшить, разделив твердый сердечник на тонкие листы, называемые пластинами, в плоскости, параллельной магнитному полю. Каждая пластина изолирована от другой тонким слоем покрытия из лака или оксидной пленки.

Благодаря ламинированию сердечника площадь каждой секции уменьшается, и, следовательно, индуцированная ЭДС также уменьшается.Чем меньше площадь, через которую проходит ток, тем выше сопротивление пути вихревого тока.

Применение вихревых токов

Как вы знаете, под действием вихревых токов выделяемое тепло не используется для какой-либо полезной работы, поскольку они являются основным источником потерь энергии в машинах переменного тока, таких как трансформаторы, генераторы и двигатели. Поэтому они известны как потери на вихревые токи. Однако есть некоторые применения этого вихревого тока, например, при индукционном нагреве.

• В случае индукционного нагрева железный вал размещается в качестве сердечника индукционной катушки.Когда высокочастотный ток проходит через катушку, вихревой ток выделяет большое количество тепла в самой внешней части вала.
  В центре вала количество тепла уменьшается. Это связано с тем, что крайняя периферия вала обеспечивает путь с низким сопротивлением для вихревых токов. Этот процесс используется в автомобилях для поверхностного упрочнения тяжелых валов.
• Эффект вихревого тока также используется в электрических приборах, например, в счетчиках энергии индукционного типа для обеспечения тормозного момента.
• Для обеспечения демпфирующего момента в приборах с подвижной катушкой на постоянных магнитах.
• Вихретоковые приборы используются для обнаружения трещин в металлических деталях.
• Используется в поездах с вихретоковыми тормозами.

Математическое выражение для потерь на вихревые токи

Трудно определить потери на вихревые токи по значениям сопротивления и тока, но экспериментально потери мощности на вихревые токи в магнитном материале задаются уравнением, показанным ниже:

где,
K _e — co -эффективность вихревых токов.Его значение зависит от природы магнитного материала.
B _м — максимальное значение плотности потока в wb / m ²
T — толщина ламинации в метрах
F — частота реверсирования магнитного поля в Гц
V — объем магнитного материала в м ³
Это все о вихретоковых потерях.

Вихревой ток в трансформаторе и его минимизация

Нет, потери на вихревые токи не такие же, как потери в сердечнике . Потери в сердечнике обычно относятся к самому материалу, поглощающему часть энергии магнитного поля, когда он намагничивается и размагничивается.Идеальный материал действует как идеальная пружина, поскольку вы получаете обратно всю вложенную энергию магнитного поля. Настоящие материалы будут иметь несколько потерь, как и настоящие пружины.

Вихревые токи — это токи, вызванные изменяющимся магнитным полем. Это именно тот эффект, который вызывает токи во вторичной обмотке, когда магнитное поле изменяется из-за того, как приводится в действие первичная обмотка. Подумайте о разнице между проводящим металлическим сердечником и другой вторичной обмоткой. Проблема в том, что его практически нет.Проводящий сердечник действует как другая вторичная обмотка, которая всегда закорочена.

Значит ли это, что в сердечнике трансформатора нельзя использовать проводящий материал? Не полностью. На первый взгляд, вы используете что-то вроде феррита, который имеет разумные магнитные свойства, но не проводит. Однако, к сожалению, материалы с действительно хорошими магнитными свойствами, как железо, обладают проводимостью. Трансформатор с железным сердечником будет значительно меньше, чем трансформатор с ферритовым сердечником, рассчитанный на ту же мощность.

Следовательно, стоит подумать о том, как использовать железо, но не допускайте его проведения, чтобы закоротить вторичную обмотку. Один из способов — это так называемый порошковый сердечник . Железо измельчают на мелкие кусочки, которые подвешиваются в чем-то изолирующем. Вы по-прежнему получаете большую часть свойств железа, но сыпучий материал не может проводить много, потому что каждая из отдельных частиц железа в значительной степени изолирована друг от друга.

Другие более распространенные методы использования проводящего материала, такого как железо, основаны на наблюдении, что нам нужно только предотвратить проводимость материала в определенном направлении, которое находится по кругу вокруг центра сердечника.Один из способов сделать это — сделать сердечник из связки тонких железных пластин с еще более тонким изолирующим слоем между ними. Крошечные вихревые токи все еще существуют, но только внутри каждого тонкого листа, поэтому они значительно уменьшаются. Это часто называют ламинированным сердечником и довольно часто. Взгляните на большой силовой трансформатор линейной частоты, и вы, вероятно, сможете увидеть стопку пластин.

Другой метод — начать с длинного тонкого листа железа и намотать его, чтобы получился объемный объем с тонким изоляционным слоем между каждым слоем обмотки.Теперь сердечник трансформатора выглядит как вторичная обмотка, но поскольку концы не соединены, это всегда разомкнутая цепь и, следовательно, электрически отсутствует. Это часто называют сердечником с намоткой . Опять же, посмотрите на большие силовые трансформаторы линейной частоты, и вы иногда сможете увидеть спираль из тонких слоев вместо параллельных плоских слоев, как в многослойном сердечнике.

Эффективность трансформатора

и приложения — Узнайте — ScienceFlip

Эффективность трансформатора и приложения — Изучите

---

Модель трансформатора Ideal делает два допущения:

• Флюсосцепление или передача потока идеальны.Это означает, что весь поток в первичной катушке также проходит через вторичную катушку.
• Трансформатор имеет 100% КПД и нет потерь энергии.

На самом деле это не так, вторичное напряжение и ток будут меньше, чем предсказано уравнениями идеального трансформатора, и это также приведет к некоторой потере мощности. Это происходит по трем основным причинам:

---

Вихревые токи

Наведенные токи возникают не только в катушках и проводах.Они также могут возникать на более крупных проводниках, таких как сплошные куски или листы металла. Когда существует относительное движение между магнитным полем и проводником большего размера, результирующий индуцированный ток представляет собой круговую петлю тока. Эти круговые петли тока называются вихревыми токами.

Вихревые токи также являются применением закона Ленца. Магнитные поля, создаваемые вихревыми токами, противодействуют изменениям магнитного потока, которые его создали. Направление вихревого тока определяется с помощью правила для правой руки и закона Ленца:

• Определить, в каком направлении изменяется исходное магнитное поле
• Большой палец указывает в сторону поля соперника
• Пальцы наматываются по направлению вихревого тока

В примере ниже металлическая пластина движется слева направо через магнитное поле, направленное внутрь страницы.Когда он движется в поле слева, магнитное поле на странице увеличивается. Это вызовет вихревой ток с результирующим полем, которое противодействует этому, то есть вне страницы. Используя правило для правой руки, указав большим пальцем из страницы, пальцы указывают, что вихревой ток, который образуется, будет направлен против часовой стрелки. Тот же процесс используется, когда пластина выходит из поля справа — поле увеличивается за пределы страницы, индуцированное поле указывает на страницу, правило правого захвата указывает, что вихревой ток будет по часовой стрелке:

---

Снижение влияния вихревых токов в трансформаторах

Вихревые токи, возникающие в железном сердечнике трансформатора, приводят к значительным потерям тепла и энергии.Чтобы уменьшить влияние вихревых токов, железный сердечник состоит из ряда слоев, которые изолированы друг от друга и расположены таким образом, чтобы эти слои мешали вихревым токам. Это приводит к меньшим вихревым токам и меньшим потерям энергии / тепла.

---

Распределение энергии по высоковольтным линиям электропередачи

Городам и поселкам требуется огромное количество энергии, а электростанции часто находятся на большом расстоянии от городов и региональных центров, которые также обеспечивают электроэнергией.Это создает проблему с потерей мощности на линиях электропередачи. Линии передачи — это очень длинные проводники, и даже хорошие проводники имеют небольшое сопротивление. На таких больших расстояниях общее сопротивление этих линий передачи может быть значительным, что приводит к большим потерям энергии от станции к потребителю.

Эффективная передача энергии по огромному количеству сетей является огромной проблемой для инженеров, особенно с учетом больших расстояний, по которым линии электропередачи транспортируют энергию в этой стране.Мощность, потерянная в цепи, определяется выражением:. Учитывая это, уравнение мощности также можно записать как:.

Из этого уравнения видно, что передача мощности с большим током приведет к большим потерям энергии. Задача инженеров состоит в том, чтобы передавать электричество слабым током, насколько это практически возможно. Чаще всего это достигается с помощью трансформаторов. Напомним, что мощность первичной обмотки равна мощности вторичной обмотки. Кроме того, вспоминая, что: можно увидеть, что передача с большим напряжением приведет к меньшему току.

На электростанциях

используется повышающий трансформатор для увеличения напряжения рядом с источником, и, что важно, это приводит к меньшему току. По мере приближения линий электропередачи к городам и поселкам напряжение снижается с помощью понижающего трансформатора, прежде чем в конечном итоге снизится до 415 В для промышленных объектов и 240 В для жилых районов. Важно отметить, что с учетом уравнения: уменьшение тока в 2 раза приводит к уменьшению потерь энергии в 4 раза!

---

Пример:

Электростанция должна передать 400 МВт мощности в соседний город по линии электропередачи с общим сопротивлением 2.0 Ом. Каковы были бы общие потери мощности, если бы начальное напряжение было 250 кВ?

Ответ:

с использованием: и создания темы:

с использованием: потери мощности«

Потери на вихревые токи — обзор

6.6 КПД трансформаторов

КПД трансформаторов очень высок, и большой блок мощностью около 200 МВА может иметь максимальный КПД более 99,6%.Чтобы рассчитать такой высокий КПД, проще всего измерить потери и добавить их к выходной мощности, чтобы получить потребляемую мощность.

КПД определяется как

η = выходная мощность на входе × 100%.

Это выражение можно преобразовать в форму, позволяющую получить большую точность при использовании логарифмической линейки для вычислений.

η = потребляемая мощность — потери мощности на входе × 100% = (1 — потери мощности на входе) × 100%.

Потери мощности в трансформаторе:

(a)

Потери в стали .Он состоит из потерь на вихревые токи и потерь на гистерезис. Эти потери постоянны при всех нагрузках, при условии, что напряжение и частота питания постоянны (см. Раздел 6.4).

Их можно измерить, подключив одну обмотку трансформатора к источнику питания с напряжением и частотой, на которые рассчитан трансформатор. Другая обмотка в разомкнутой цепи. Мощность, потребляемая от источника питания, измеряется ваттметром, и, поскольку потери в меди незначительны, предполагается, что прибор показывает потери в стали.Это испытание обычно известно как испытание на обрыв цепи (рис. 6.8 (а)).

РИС. 6.8.

(б)

Потери в меди . Это вызвано токами, протекающими в первичной и вторичной обмотках. Если они должны быть измерены ваттметром, потери в стали должны быть уменьшены по величине до значения, когда они пренебрежимо малы по сравнению с потерями в меди. Самый простой способ уменьшить потери в стали в данном трансформаторе — это уменьшить плотность магнитного потока до низкого значения, и это можно сделать, уменьшив приложенное напряжение.Используемая схема приведена на рис. 6.8 (б).

Если вторичная обмотка замкнута накоротко, к первичной обмотке необходимо приложить лишь небольшое напряжение для циркуляции токов полной нагрузки как в первичной, так и во вторичной обмотках. Во время испытания на короткое замыкание можно предположить, что ваттметр, подключенный к первичной цепи, показывает только общие потери в меди двух обмоток. Важно, чтобы соединение, вызывающее короткое замыкание на вторичной обмотке, имело как можно более низкое сопротивление, чтобы потери в меди в нем были очень малы по сравнению с потерями в обмотках трансформатора, которые сами по себе имеют низкое сопротивление.Это испытание обычно известно как испытание на короткое замыкание, и потери в меди изменяются пропорционально квадрату тока в обмотках.

Низкое напряжение, необходимое для этого испытания, может быть получено от подходящего низковольтного вспомогательного трансформатора, первичная обмотка которого может питаться от Variac (см. Раздел 6.9).

Следующие результаты были получены в лаборатории на однофазном трансформаторе 2 кВА, 200/100 В. Для каждого теста необходимы разные инструменты из-за диапазона измеряемых значений.

Испытание на обрыв цепи

Напряжение питания200 В Ток питания 0⋅94 APower32 Вт

Испытание на короткое замыкание

· 6

Первичное напряжение	(В)	0	1 · 3	5 · 3	5 · 97	8 · 4
Первичный ток I 1	(A)	0	2 · 0	4 · 0	6 · 0	8 · 0	100
Вторичный ток I 2	(A)	0	3 · 9	7 · 6	11,7	15 · 3 19255
Потребляемая мощность	(Вт)	0	3 · 0	10 · 2	23 · 6	40 · 2	64 · 0

Сопротивление первичная обмотка была измерена мостом Уитстона, и ее сопротивление оказалось равным 0,1 7 Ом.

Во время испытания на разрыв цепи потери в меди в первичной обмотке составляют (0 · 94 ² × 0 · 17) = 0 · 15 Вт, и они пренебрежимо малы по сравнению с показанием ваттметра, равным 32 Вт. Таким образом, ваттметр Можно предположить, что потери в стали 32 Вт. Следует выяснить, соответствует ли мощность, потребляемая ваттметром (см. раздел 2.6), величине, сопоставимой с показаниями ваттметра. Если сопоставимо, мощность, потребляемая прибором, должна быть вычтена из указанной мощности, чтобы получить истинные потери в стали.

При испытании на короткое замыкание требовалось 8 · 4 В для циркуляции первичного тока полной нагрузки

2000200 = 10 А.

Дальнейшее испытание показало, что в разомкнутой цепи потери в стали составляли всего 1 Вт, когда первичная обмотка питалась напряжением 8,4 В. Эти потери в стали пренебрежимо малы по сравнению с показаниями ваттметра, равными 64 Вт. Можно предположить, что ваттметр показывает потери в меди двух обмоток.

Отношение первичного тока к вторичному практически постоянно во время испытания на короткое замыкание.Если построить график потребляемой мощности относительно квадрата первичного или вторичного тока, будет обнаружено, что существует линейная зависимость. Таким образом, потери в меди изменяются пропорционально квадрату тока, и когда трансформатор находится под нагрузкой при номинальном напряжении, предполагается, что потери в меди изменяются как квадрат нагрузки на трансформаторе.

В этих испытаниях потери в меди при полной нагрузке и потери в стали составляли 64 Вт и 32 Вт соответственно. Используя эти результаты, можно рассчитать соотношение между КПД и выходной мощностью.Необходимо указать коэффициент мощности нагрузки, и для этого расчета предполагается коэффициент мощности 0,8.

Типичный расчет трансформатора мощностью 2 кВА на три четверти полной нагрузки выглядит следующим образом:

Потери в стали = 32 Вт. Потери в меди = (34) 2 × (потери в меди при полной нагрузке) = (34) 2 × 64 Вт = 36 Вт. Выходная мощность = (2000 × 34) × 0⋅8 Вт = 1200 Вт. Потребляемая мощность = (1200 + 32 + 36) Вт = 1268 Вт. Эффективность η = (1-32 + 361268) × 100% = (1−0⋅0597) × 100%. = 94⋅63%.

Считыватель может рассчитать КПД для других нагрузок при коэффициенте мощности 0,8, некоторые значения приведены в следующей таблице:

Нагрузка	0	14 F.L.	12 F.L.	34 F.L.	F.L.	114 F.L.
КПД (%)	0	91 · 76	94 · 33	94 · 63	94 · 33	93 · 82

Расчеты показывают, что КПД увеличивается до некоторое максимальное значение, а затем уменьшается при дальнейшем увеличении нагрузки. Можно показать, что максимальный КПД достигается при нагрузке, когда переменные потери в меди равны постоянным потерям в стали.Если это происходит при X раз полной нагрузке, тогда

X2 × 64 = 32 Вт∴неопределено X = 0⋅71.

Таким образом, максимальный КПД этого трансформатора на нагрузке с коэффициентом мощности 0,8 составляет

ηmax = (1-32 + 32 (0⋅71 × 2000 × 0⋅8) + 32 + 32) × 100%. = 94⋅67%.

Распределительный трансформатор вряд ли будет постоянно полностью загружен, и он спроектирован так, чтобы иметь максимальный КПД при нагрузке, близкой к той, при которой он будет работать в течение значительных периодов времени.

Особенностью всех машин является то, что максимальная эффективность достигается, когда постоянные потери равны переменным потерям.

Потери трансформатора:

Потери трансформатора:

Потеря меди

Всякий раз, когда в проводнике течет ток, рассеивается мощность. в сопротивлении проводника в виде тепла. Количество мощности рассеивается проводником

прямо пропорционально сопротивлению провода, а к квадрату проходящего через него тока. Чем больше значение сопротивление или ток, тем больше

рассеиваемая мощность.Первичная и вторичная обмотки Трансформаторы обычно изготавливают из медной проволоки с низким сопротивлением.

Сопротивление данной обмотки является функцией диаметр проволоки и ее длина. Потери меди можно минимизировать, используя проволока нужного диаметра. Большой

Для сильноточных обмоток требуется провод диаметром

, тогда как Для слаботочных обмоток можно использовать проволоку малого диаметра.

Вихретоковые потери

Сердечник трансформатора обычно состоит из тип ферромагнетика, потому что он хороший проводник магнитных линий потока.

Когда первичная обмотка трансформатора с железным сердечником возбуждаемое источником переменного тока, флуктуирующее магнитное поле произведено. Это магнитное поле режет

проводящий материал сердечника и индуцирует в нем напряжение. В индуцированное напряжение вызывает прохождение случайных токов через сердечник, которые рассеивает мощность в виде

тепло. Эти нежелательные токи называются вихревыми токами. Вихревой ток, произведенный из-за

к резистивной природе сердечника и, следовательно, Вихревой текущий убыток пропорционален

кв. Тока в обмотке.

Чтобы минимизировать потери из-за вихревых токов, Сердечники трансформатора ЛАМИНИРОВАНЫ. Поскольку тонкие изолированные листы не обеспечить легкий путь для тока,

Значительно уменьшены вихретоковые потери.

Гистерезис потери

Когда магнитное поле проходит через сердечник, сердечник материал намагничивается. Чтобы стать намагниченными, домены внутри сердечника должны выровняться

с внешним полем.Если направление поля перевернутые, домены должны повернуться так, чтобы их полюса были выровнены с новым направление внешнего поля.

Силовые трансформаторы обычно работают от 60 Гц или Переменный ток 400 Гц. Каждый крошечный домен должен дважды перестроиться во время каждый цикл, или всего 120

раза в секунду при использовании переменного тока 60 Гц. В энергия, используемая для поворота каждого домена, рассеивается в виде тепла внутри железного сердечника.Эта потеря называется

ПОТЕРЯ ГИСТЕРЕЗИСА, может рассматриваться как результат молекулярное трение. Потери на гистерезис могут быть уменьшены до небольшого значения за счет надлежащего выбор основных материалов.

Вихревые токи и потери вихревых токов в учебниках и ссылках по энергосистеме | ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРАНСМИССИОННЫХ ЛИНИЙ и СТУПИЦА ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

Вихревые токи, также известные как токи Фуко, представляют собой индуцированные токи, присутствующие в проводниках, причем их направление противоположно изменению потока, которое их породило.Когда проводник подвергается воздействию магнитного поля, которое является динамическим (изменяется из-за относительного движения), вихревые токи будут присутствовать в виде циркулирующего потока электронов или тока внутри тела проводника.

Эти циркулирующие вихри тока создают индуцированные магнитные поля, которые противодействуют изменению исходного магнитного поля из-за закона Ленца, вызывая силы отталкивания или сопротивления между проводником и магнитом.

Когда проводник движется относительно поля, создаваемого источником, электродвижущие силы (ЭДС) могут возникать вокруг петель внутри проводника.Эти ЭДС, воздействующие на удельное сопротивление материала, генерируют ток вокруг контура в соответствии с законом индукции Фарадея.

Эти токи рассеивают энергию и создают магнитное поле, которое имеет тенденцию противодействовать изменениям поля.

Для получения дополнительной информации о вихревых токах ниже приведены полезные ссылки по этой теме.

Что такое вихревой ток?

Вихревой ток — это ток, индуцируемый маленькими завихрениями («водоворотами») на большом проводнике (изобразите лист меди).Если большая проводящая металлическая пластина перемещается через магнитное поле, которое пересекает перпендикулярно листу, магнитное поле будет индуцировать небольшие «кольца» тока, которые фактически создадут внутренние магнитные поля, противодействующие изменению. Подробнее…

Что такое вихретоковые потери?

Сердечники силовых трансформаторов обычно изготавливаются из мягкого железа или стали. Потому что железо и сталь — хорошие проводники; ток может быть индуцирован в сердечнике, когда сердечник подвергается воздействию движущегося магнитного поля.Таким образом, если не будут приняты особые меры предосторожности, в сердечнике трансформатора будут индуцироваться большие циркулирующие токи. Эти токи называются вихревыми токами. Подробнее…

Видео с объяснением вихревых токов

Упрощенный высокоточный расчет потерь на вихревые токи в обмотках с круглым проводом
Недавно было показано, что наиболее часто используемые методы расчета потерь на высокочастотные вихревые токи в обмотках с круглым проводом могут иметь значительную погрешность, превышающую 60%.Предыдущая работа включает формулу, основанную на параметрическом наборе моделирования анализа конечных элементов (FEA), который дает потери эффекта близости для большого диапазона частот с использованием параметров из справочной таблицы на основе геометрии обмотки. Подробнее …

Вихревые токи на соленоидах
Явление, вызванное скоростью изменения индуцированного магнитного поля. Относительное движение вызывает циркулирующий поток электронов или тока внутри проводника, что приводит к потере эффективности.Узнайте больше о потерях на вихревые токи в классе «Соленоиды 235» ниже. Подробнее …

Конструкция трансформатора

и конструкция сердечника трансформатора

Эта магнитная цепь, более известная как «сердечник трансформатора», предназначена для того, чтобы обеспечить проход для магнитного поля, которое необходимо для индукции напряжения между двумя обмотками.

Однако такая конструкция трансформатора , в которой две обмотки намотаны на отдельные ветви, не очень эффективна, поскольку первичная и вторичная обмотки хорошо разделены друг от друга.Это приводит к низкой магнитной связи между двумя обмотками, а также к большой утечке магнитного потока из самого трансформатора. Но помимо этой конструкции в форме буквы «O», существуют различные типы «конструкции трансформатора» и доступные конструкции, которые используются для преодоления этих недостатков, создавая более компактный трансформатор меньшего размера.

Эффективность простой конструкции трансформатора может быть повышена за счет приведения двух обмоток в плотный контакт друг с другом, тем самым улучшая магнитную связь.Увеличение и концентрация магнитной цепи вокруг катушек может улучшить магнитную связь между двумя обмотками, но это также имеет эффект увеличения магнитных потерь сердечника трансформатора.

Сердечник не только обеспечивает путь для магнитного поля с низким сопротивлением, но и предотвращает циркуляцию электрических токов внутри самого стального сердечника. Циркулирующие токи, называемые «вихревыми токами», вызывают нагрев и потери энергии в сердечнике, снижая эффективность трансформатора.

Эти потери возникают в основном из-за напряжений, индуцированных в железной цепи, которая постоянно подвергается воздействию переменных магнитных полей, создаваемых внешним синусоидальным питающим напряжением. Один из способов уменьшить эти нежелательные потери мощности — сконструировать сердечник трансформатора из тонких стальных пластин.

В большинстве конструкций трансформаторов центральный железный сердечник изготавливается из высокопроницаемого материала, обычно из тонких пластин кремнистой стали. Эти тонкие пластины собраны вместе, чтобы обеспечить необходимый магнитный путь с минимальными магнитными потерями.Удельное сопротивление самого стального листа высокое, что снижает потери на вихревые токи за счет очень тонких слоев.

Эти стальные листы трансформатора различаются по толщине от 0,25 мм до 0,5 мм, и, поскольку сталь является проводником, листы и любые фиксирующие шпильки, заклепки или болты электрически изолированы друг от друга очень тонким слоем изоляционного лака или оксидного слоя на поверхности.

Конструкция сердечника трансформатора

Обычно название, связанное с конструкцией трансформатора, зависит от того, как первичная и вторичная обмотки намотаны вокруг центрального многослойного стального сердечника.Двумя наиболее распространенными и базовыми конструкциями трансформатора являются трансформатор с закрытым сердечником и трансформатор с корпусом-сердечником .

В трансформаторе с замкнутым сердечником (с сердечником) первичная и вторичная обмотки намотаны снаружи и окружают сердечник. В трансформаторе «оболочкового типа» (оболочка) первичная и вторичная обмотки проходят внутри стального магнитопровода (сердечника), который образует оболочку вокруг обмоток, как показано ниже.

Конструкция сердечника трансформатора

В обоих типах конструкции сердечника трансформатора магнитный поток, связывающий первичную и вторичную обмотки, проходит полностью внутри сердечника без потери магнитного потока через воздух.В конструкции трансформатора с сердечником одна половина обмотки намотана вокруг каждого плеча (или плеча) магнитной цепи трансформатора, как показано выше.

Катушки не расположены так, что первичная обмотка на одном плече, а вторичная обмотка — на другом, а вместо этого половина первичной обмотки и половина вторичной обмотки размещены одна над другой концентрически на каждом плече, чтобы увеличить магнитную связь, позволяющую практически все магнитные силовые линии проходят через первичную и вторичную обмотки одновременно.Однако при такой конструкции трансформатора небольшой процент силовых линий магнитного поля выходит за пределы сердечника, и это называется «потоком рассеяния».

Сердечники трансформатора

типа оболочки преодолевают этот поток рассеяния, поскольку и первичная, и вторичная обмотки намотаны на одну и ту же центральную ветвь или ветвь, площадь поперечного сечения которой в два раза больше, чем у двух внешних ветвей. Преимущество здесь состоит в том, что магнитный поток имеет два замкнутых магнитных пути, которые обтекают катушки как с левой, так и с правой стороны, прежде чем вернуться обратно к центральным катушкам.

Это означает, что магнитный поток, циркулирующий вокруг внешних сторон трансформатора этого типа, равен Φ / 2. Поскольку магнитный поток имеет замкнутый путь вокруг катушек, это дает преимущество уменьшения потерь в сердечнике и повышения общей эффективности.

Ламинирование трансформатора

Но вам может быть интересно, как первичная и вторичная обмотки намотаны на эти многослойные железные или стальные сердечники для этого типа трансформаторных конструкций.Катушки сначала наматываются на каркас, который имеет поперечное сечение цилиндрического, прямоугольного или овального типа, чтобы соответствовать конструкции многослойного сердечника. В трансформаторных конструкциях с корпусом и сердечником для установки обмоток катушки отдельные листы штампуются или вырубаются из более крупных стальных листов и формуются в полосы из тонкой стали, напоминающие буквы «E», «L», «П» и «Я», как показано ниже.

Типы сердечников трансформатора

Эти ламинированные штамповки при соединении вместе образуют сердцевину необходимой формы.Например, два штампа «E» плюс два штампа «I» для замыкания концов, чтобы получить сердечник E-I, образующий один элемент стандартного сердечника трансформатора кожухового типа. Эти отдельные листы плотно стыкуются вместе во время строительства, чтобы уменьшить сопротивление воздушного зазора в стыках, создавая сильно насыщенную плотность магнитного потока.

Пластины сердечника трансформатора обычно укладываются друг на друга поочередно, чтобы получился стык внахлест, при этом добавляются дополнительные пары пластин, чтобы получить сердечник нужной толщины.Такое чередование слоев пластин также дает трансформатору преимущество в виде уменьшения утечки магнитного потока и потерь в стали. Конструкция многослойного трансформатора с сердечником E-I в основном используется в изолирующих трансформаторах, повышающих и понижающих трансформаторах, а также в автотрансформаторах.

Обмотки трансформатора

Обмотки трансформатора — еще одна важная часть конструкции трансформатора, поскольку они являются основными проводниками с током, намотанными вокруг многослойных частей сердечника.В однофазном двухобмоточном трансформаторе будут присутствовать две обмотки, как показано. Та, которая подключена к источнику напряжения и создает магнитный поток, называемый первичной обмоткой, а вторая обмотка, называемая вторичной, в которой напряжение индуцируется в результате взаимной индукции.

Если вторичное выходное напряжение меньше первичного входного напряжения, трансформатор известен как «понижающий трансформатор». Если вторичное выходное напряжение больше, чем первичное входное напряжение, это называется «повышающим трансформатором».

Конструкция сердечника

Тип провода, используемого в качестве основного токоведущего проводника в обмотке трансформатора, — медный или алюминиевый. Хотя алюминиевый провод легче и, как правило, дешевле, чем медный провод, необходимо использовать провод с большей площадью поперечного сечения, чтобы пропускать такой же ток, как и с медью, поэтому он используется в основном в более крупных силовых трансформаторах.

Трансформаторы мощности и напряжения малой кВА, используемые в электрических и электронных схемах низкого напряжения, как правило, используют медные проводники, поскольку они имеют более высокую механическую прочность и меньший размер проводников, чем аналогичные типы алюминия.Обратной стороной является то, что в комплекте с сердечником эти трансформаторы могут быть намного тяжелее.

Обмотки и катушки трансформатора можно в целом разделить на концентрические катушки и многослойные катушки. В конструкции трансформатора с сердечником обмотки обычно располагаются концентрически вокруг плеча сердечника, как показано выше, при этом первичная обмотка с более высоким напряжением наматывается на вторичную обмотку с более низким напряжением.

Зажимные или «блинные» катушки состоят из плоских проводников, намотанных по спирали, и названы так из-за расположения проводников в виде дисков.Чередующиеся диски выполнены по спирали снаружи к центру в чередующемся расположении с отдельными катушками, сложенными вместе и разделенными изоляционными материалами, такими как бумага или пластиковый лист. Сэндвич-катушки и обмотки чаще встречаются с сердечником корпусного типа.

Спиральные обмотки , также известные как винтовые обмотки, представляют собой еще одну очень распространенную цилиндрическую катушку, используемую в низковольтных силовых трансформаторах. Обмотки состоят из прямоугольных проводников с большим поперечным сечением, намотанных сбоку, с изолированными жилами, намотанными параллельно, непрерывно по длине цилиндра, с соответствующими прокладками, вставленными между соседними витками или дисками, чтобы минимизировать циркулирующие токи между параллельными жилами.Змеевик продвигается наружу по спирали, напоминающей спираль штопора.

Сердечник трансформатора

Изоляция, используемая для предотвращения короткого замыкания проводов в трансформаторе, обычно представляет собой тонкий слой лака или эмали в трансформаторе с воздушным охлаждением. Этим тонким лаком или эмалевой краской наносят на проволоку перед намоткой на сердечник.

В трансформаторах большей мощности и распределительных трансформаторов проводники изолированы друг от друга с помощью пропитанной маслом бумаги или ткани.Весь сердечник и обмотки погружены и запечатаны в защитном баке, содержащем трансформаторное масло. Трансформаторное масло действует как изолятор, а также как хладагент.

Ориентация точек трансформатора

Мы не можем просто взять ламинированный сердечник и обернуть вокруг него одну из конфигураций катушки. Мы могли бы, но можем обнаружить, что вторичное напряжение и ток могут не совпадать по фазе с первичным напряжением и током. Обмотки двух катушек имеют различную ориентацию одна относительно другой.Любая катушка может быть намотана на сердечник по часовой стрелке или против часовой стрелки, поэтому для отслеживания их относительной ориентации используются «точки» для обозначения данного конца каждой обмотки.

Этот метод определения ориентации или направления намотки трансформатора называется «точечным соглашением». Затем обмотки трансформатора наматываются таким образом, чтобы между напряжениями обмоток существовали правильные фазовые соотношения, при этом полярность трансформатора определялась как относительная полярность вторичного напряжения по отношению к первичному напряжению, как показано ниже.

Конструкция трансформатора с точечной ориентацией

Первый трансформатор показывает две «точки» рядом на двух обмотках. Ток, выходящий из вторичной точки, является «синфазным» с током, поступающим в первичную точку. Таким образом, полярности напряжений на пунктирных концах также синфазны, поэтому, когда напряжение положительно на точечном конце первичной катушки, напряжение на вторичной катушке также будет положительным на отмеченном пунктиром конце.

Второй трансформатор показывает две точки на противоположных концах обмоток, что означает, что первичная и вторичная обмотки трансформатора намотаны в противоположных направлениях. Результатом этого является то, что ток, выходящий из вторичной точки, составляет 180 ^o «не в фазе» с током, входящим в первичную точку. Таким образом, полярности напряжений на пунктирных концах также не совпадают по фазе, поэтому, когда напряжение на пунктирном конце первичной катушки положительное, напряжение на соответствующей вторичной катушке будет отрицательным.

Тогда конструкция трансформатора может быть такой, что вторичное напряжение может быть «синфазным» или «не синфазным» по отношению к первичному напряжению. Трансформаторы, которые имеют несколько различных вторичных обмоток, которые электрически изолированы друг от друга, важно знать полярность точек каждой вторичной обмотки, чтобы их можно было соединить вместе последовательно (вторичное напряжение суммируется) или последовательно встречно. (вторичное напряжение — разница) конфигурации.

Способность регулировать коэффициент трансформации трансформатора часто бывает желательной для компенсации влияния изменений первичного напряжения питания, регулирования трансформатора или изменения условий нагрузки. Регулировка напряжения трансформатора обычно выполняется путем изменения отношения витков и, следовательно, его отношения напряжений, в результате чего часть первичной обмотки на стороне высокого напряжения отводится, что упрощает регулировку. Отводы предпочтительнее на стороне высокого напряжения, поскольку напряжение на виток ниже, чем на вторичной стороне низкого напряжения.

Изменение первичного ответвления трансформатора

В этом простом примере переключение ответвлений первичной обмотки рассчитано для изменения напряжения питания на ± 5%, но можно выбрать любое значение. Некоторые трансформаторы могут иметь две или более первичных или две или более вторичных обмотки для использования в различных приложениях, обеспечивающих разные напряжения от одного сердечника.

Потери в сердечнике трансформатора

Способность железа или стали переносить магнитный поток намного выше, чем в воздухе, и эта способность пропускать магнитный поток называется проницаемостью .Большинство сердечников трансформаторов изготавливаются из низкоуглеродистой стали, которая может иметь проницаемость порядка 1500 по сравнению с 1,0 для воздуха.

Это означает, что многослойный стальной сердечник может переносить магнитный поток в 1500 раз лучше, чем поток воздуха. Однако, когда магнитный поток течет в стальном сердечнике трансформатора, в стали возникают два типа потерь. Один назвал «потери на вихревые токи», а другой — «гистерезисными потерями».

Гистерезисные потери

Потери на гистерезис трансформатора возникают из-за трения молекул о поток магнитных силовых линий, необходимых для намагничивания сердечника, которые постоянно меняются по величине и направлению сначала в одном направлении, а затем в другом из-за влияния синусоидальное напряжение питания.

Это молекулярное трение вызывает выделение тепла, которое представляет собой потерю энергии в трансформаторе. Чрезмерные потери тепла могут со временем сократить срок службы изоляционных материалов, используемых при изготовлении обмоток и конструкций. Поэтому охлаждение трансформатора важно.

Кроме того, трансформаторы рассчитаны на работу с определенной частотой питания. Снижение частоты питания приведет к увеличению гистерезиса и повышению температуры в железном сердечнике.Таким образом, уменьшение частоты питания с 60 Гц до 50 Гц приведет к увеличению имеющегося гистерезиса и уменьшению мощности трансформатора в ВА.

Потери на вихревые токи

С другой стороны, потери на вихревые токи трансформатора

вызваны протеканием циркулирующих токов, индуцированных в стали, вызванных течением магнитного потока вокруг сердечника. Эти циркулирующие токи возникают из-за того, что для магнитного потока сердечник действует как одиночная петля из проволоки. Поскольку железный сердечник является хорошим проводником, вихревые токи, индуцируемые твердым железным сердечником, будут большими.

Вихревые токи ничего не влияют на полезность трансформатора, но вместо этого они противодействуют потоку индуцированного тока, действуя как отрицательная сила, вызывая резистивный нагрев и потери мощности внутри сердечника.

Ламинирование железного сердечника

Потери на вихревые токи в сердечнике трансформатора невозможно полностью исключить, но их можно значительно уменьшить и контролировать, уменьшив толщину стального сердечника. Вместо того, чтобы иметь один большой твердый железный сердечник в качестве материала магнитного сердечника трансформатора или катушки, магнитный путь разделен на множество тонких штампованных стальных форм, называемых «пластинами».

Пластины, используемые в конструкции трансформатора, представляют собой очень тонкие полосы изолированного металла, соединенные вместе для получения твердого, но многослойного сердечника, как мы видели выше. Эти листы изолированы друг от друга слоем лака или бумаги для увеличения эффективного удельного сопротивления сердечника, тем самым увеличивая общее сопротивление для ограничения протекания вихревых токов.

Результатом всей этой изоляции является то, что нежелательные потери мощности наведенные вихревые токи в сердечнике значительно снижаются, и именно по этой причине цепи магнитного железа каждого трансформатора и других электромагнитных машин все ламинированы.Использование пластин в конструкции трансформатора снижает потери на вихревые токи.

Потери энергии, которые проявляются в виде тепла из-за гистерезиса и вихревых токов на магнитном пути, обычно известны как «потери в сердечнике трансформатора». Поскольку эти потери возникают во всех магнитных материалах в результате действия переменных магнитных полей. Потери в сердечнике трансформатора всегда будут присутствовать в трансформаторе, когда первичная обмотка находится под напряжением, даже если к вторичной обмотке не подключена нагрузка.Кроме того, сочетание гистерезиса и потерь на вихревые токи обычно называют «потерями в стали трансформатора», поскольку магнитный поток, вызывающий эти потери, является постоянным при всех нагрузках.

Потери меди

Но есть также другой тип потерь энергии, связанный с трансформатором, который называется «потери в меди». Трансформатор Потери в меди в основном связаны с электрическим сопротивлением первичной и вторичной обмоток. Большинство катушек трансформатора намотаны с использованием медного провода, сопротивление которого измеряется в Ом (Ом), и, как мы знаем из закона Ома, сопротивление медного провода будет противодействовать любым токам намагничивания, протекающим через него.

Когда электрическая нагрузка подключена ко вторичной обмотке трансформатора, большие электрические токи начинают течь как в первичной, так и во вторичной обмотках, электрическая энергия и мощность (I ² R) теряются в виде тепла. Обычно потери в меди меняются в зависимости от тока нагрузки, они почти равны нулю на холостом ходу и максимальны при полной нагрузке, когда ток протекает на максимуме.

Номинальное значение вольт-ампер (ВА) трансформатора может быть увеличено за счет улучшения конструкции и конструкции, чтобы уменьшить эти потери в сердечнике и меди.Трансформатору с высоким номинальным напряжением и током требуются проводники большого сечения, чтобы минимизировать потери в меди. Увеличение скорости рассеивания тепла (лучшее охлаждение) принудительным воздухом или маслом или улучшение его изоляции, чтобы она могла выдерживать более высокие температуры, тем самым увеличивая номинальную мощность трансформатора в ВА.

Тогда мы можем определить идеальный трансформатор как имеющий:

• Нет петель гистерезиса или потерь на гистерезис → 0
• Бесконечное сопротивление материала сердечника, дающее нулевые потери на вихревые токи → 0
• Нулевое сопротивление обмотки, дающее ноль I ² * R потери в меди → 0

В следующем уроке о трансформатора мы рассмотрим нагрузку трансформатора вторичной обмотки по отношению к электрической нагрузке и увидим влияние «NO-нагрузки» и «ON-load» подключенного трансформатора на ток первичной обмотки.

.

No related posts.