Трансформатор

Эта статья об электрическом устройстве. Чтобы узнать о других значениях, см. Трансформатор (значения) .

Трансформатор с О-образным сердечником, состоящий из двух катушек медного провода, намотанных вокруг магнитного сердечника.

В электротехнике трансформатор — это пассивный компонент , который передает электрическую энергию от одной электрической цепи к другой цепи или нескольким цепям . Меняющийся ток в любой катушке трансформатора создает переменный магнитный поток в сердечнике трансформатора, который индуцирует различную электродвижущую силу (ЭДС) во всех других катушках, намотанных вокруг того же сердечника. Электрическая энергия может передаваться между отдельными катушками без металлического (проводящего) соединения между двумя цепями. Закон индукции Фарадея , открытый в 1831 году, описывает эффект индуцированного напряжения в любой катушке из-за изменения магнитного потока, окружающего катушку.

Трансформаторы используются для изменения уровней напряжения переменного тока , такие трансформаторы называются повышающими или понижающими для увеличения или уменьшения уровня напряжения соответственно. Трансформаторы также можно использовать для обеспечения гальванической развязки между цепями, а также для соединения каскадов цепей обработки сигналов. С момента изобретения первого трансформатора постоянного потенциала в 1885 году трансформаторы стали незаменимы для передачи , распределения и использования электроэнергии переменного тока. В электронных и электроэнергетических приложениях встречается широкий спектр конструкций трансформаторов. Трансформаторы различаются по размерам: от ВЧ- трансформаторов объемом менее кубического сантиметра до агрегатов весом в сотни тонн, используемых для соединения энергосистемы .

Принципы

Уравнения идеального трансформатора

По закону индукции Фарадея:

$V_{\text{P}}=-N_{\text{P}}{\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} t}}$ ( Уравнение 1 )

$V_{\text{S}}=-N_{\text{S}}{\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} t}}$ ( уравнение 2 )

где $V$ напряжение мгновенное ​ , $N$ — число витков обмотки, dΦ/dt — производная магнитного потока Φ через один виток обмотки за время ( t ), а индексы _P и _S обозначают первичную и вторичную обмотку.

Объединив соотношение ур. 1 и уравнение 2:

Коэффициент оборотов $={\frac {V_{\text{P}}}{V_{\text{S}}}}={\frac {N_{\text{P}}}{N_{\text{S}}}}=a$ ( уравнение 3 )

где для повышающего трансформатора а < ​​1, а для понижающего а > 1.

По закону сохранения энергии , полная и активная : реактивная мощности сохраняются на входе и выходе

$S=I_{\text{P}}V_{\text{P}}=I_{\text{S}}V_{\text{S}}$ ( уравнение 4 )

где $S$ это кажущаяся мощность и $I$ является текущим .

Объединение уравнения. 3 и уравнение. 4 с этой сноской дает идеальную идентичность трансформатора :

${\frac {V_{\text{P}}}{V_{\text{S}}}}={\frac {I_{\text{S}}}{I_{\text{P}}}}={\frac {N_{\text{P}}}{N_{\text{S}}}}={\sqrt {\frac {L_{\text{P}}}{L_{\text{S}}}}}=a$ ( уравнение 5 )

где $L$ это обмотка самоиндукции.

По закону Ома и тождеству идеального трансформатора:

$Z_{\text{L}}={\frac {V_{\text{S}}}{I_{\text{S}}}}$ ( уравнение 6 )

$Z'_{\text{L}}={\frac {V_{\text{P}}}{I_{\text{P}}}}={\frac {aV_{\text{S}}}{I_{\text{S}}/a}}=a^{2}{\frac {V_{\text{S}}}{I_{\text{S}}}}=a^{2}{Z_{\text{L}}}$ ( уравнение 7 )

где $Z_{\text{L}}$ сопротивление нагрузки вторичной цепи & $Z'_{\text{L}}$ — кажущееся сопротивление нагрузки или точки возбуждения первичной цепи, верхний индекс $'$ обозначающий отнесенный к первичному.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор линеен , не имеет потерь и идеально связан . Идеальная связь подразумевает бесконечно высокую магнитную проницаемость сердечника и индуктивность обмотки , а также нулевую результирующую магнитодвижущую силу (т. е. i _p n _p − i _s n _s = 0).

Идеальный трансформатор, подключенный к источнику V _P на первичной обмотке и сопротивлению нагрузки Z _L на вторичной обмотке, где 0 < Z _L < ∞.

Идеальный трансформатор и закон индукции

Меняющийся ток в первичной обмотке трансформатора создает переменный магнитный поток в сердечнике трансформатора, который также окружен вторичной обмоткой. Этот изменяющийся поток во вторичной обмотке вызывает изменение электродвижущей силы или напряжения во вторичной обмотке. Это явление электромагнитной индукции является основой действия трансформатора, и, в соответствии с законом Ленца , создаваемый таким образом вторичный ток создает поток, равный и противоположный потоку, создаваемому первичной обмоткой.

Обмотки намотаны вокруг сердечника с бесконечно высокой магнитной проницаемостью, так что весь магнитный поток проходит как через первичную, так и через вторичную обмотки. При подключении источника напряжения к первичной обмотке и нагрузки, подключенной к вторичной обмотке, токи трансформатора текут в указанных направлениях, а магнитодвижущая сила сердечника сводится к нулю.

Согласно закону Фарадея , поскольку в идеальном трансформаторе через первичную и вторичную обмотки проходит один и тот же магнитный поток, в каждой обмотке индуцируется напряжение, пропорциональное числу ее витков. Коэффициент напряжения обмотки трансформатора равен коэффициенту витков обмотки.

Идеальный трансформатор является разумным приближением к типичному коммерческому трансформатору, у которого коэффициент трансформации напряжения и коэффициент трансформации обмоток обратно пропорциональны соответствующему коэффициенту трансформации токов.

Сопротивление нагрузки, относящееся к первичной цепи, равно квадрату коэффициента трансформации, умноженному на полное сопротивление нагрузки вторичной цепи.

Настоящий трансформер

Поток рассеяния трансформатора

Отклонения от идеального трансформатора

Модель идеального трансформатора игнорирует многие основные линейные аспекты реальных трансформаторов, включая неизбежные потери и неэффективность.

(а) Потери в сердечнике, называемые потерями тока намагничивания, состоящие из

• Гистерезисные потери из-за нелинейных магнитных эффектов в сердечнике трансформатора и
• Потери вихревых токов из-за джоулевого нагрева сердечника пропорциональны квадрату приложенного напряжения трансформатора.

(б) В отличие от идеальной модели, обмотки реального трансформатора имеют ненулевые сопротивления и индуктивности, связанные с:

• Джоулевые потери из-за сопротивления в первичной и вторичной обмотках
• Поток рассеяния, который выходит из сердечника и проходит через одну обмотку, приводит к образованию первичного и вторичного реактивного сопротивления.

(c) аналогично индуктору , паразитной емкости и явлению собственного резонанса из-за распределения электрического поля. Обычно рассматриваются три вида паразитной емкости и приводятся уравнения замкнутого контура.

• Емкость между соседними витками в любом слое;
• Емкость между соседними слоями;
• Емкость между сердечником и слоем(ями), прилегающим к сердечнику;

Включение емкости в модель трансформатора сложно и попытки предпринимаются редко; Эквивалентная схема «реальной» модели трансформатора, показанная ниже, не включает паразитную емкость. Однако эффект емкости можно измерить путем сравнения индуктивности холостого хода, т. е. индуктивности первичной обмотки, когда вторичная цепь разомкнута, с индуктивностью короткого замыкания, когда вторичная обмотка закорочена.

Поток утечки

Основная статья: Индуктивность рассеяния

Модель идеального трансформатора предполагает, что весь поток, создаваемый первичной обмоткой, связывает все витки каждой обмотки, включая ее саму. На практике некоторый поток проходит по путям, выходящим за пределы обмоток. называется потоком рассеяния и приводит к появлению индуктивности рассеяния последовательно Такой поток со взаимно связанными обмотками трансформатора. Поток утечки приводит к тому, что энергия попеременно накапливается и разряжается из магнитных полей при каждом цикле подачи питания. Это не является прямой потерей мощности, но приводит к ухудшению регулирования напряжения , в результате чего вторичное напряжение не становится прямо пропорциональным первичному напряжению, особенно при большой нагрузке. Поэтому трансформаторы обычно проектируются так, чтобы иметь очень низкую индуктивность рассеяния.

В некоторых приложениях желательна повышенная утечка, и в конструкцию трансформатора могут намеренно вводить длинные магнитные пути, воздушные зазоры или магнитные байпасные шунты, чтобы ограничить ток короткого замыкания, который он будет выдавать. Трансформаторы с утечкой могут использоваться для питания нагрузок с отрицательным сопротивлением , таких как электрические дуги , ртутные и натриевые лампы и неоновые вывески , или для безопасного управления нагрузками, которые периодически подвергаются короткому замыканию, например, электродуговыми сварочными аппаратами .

Воздушные зазоры также используются для предотвращения насыщения трансформатора, особенно трансформаторов звуковой частоты в цепях, в обмотках которых протекает составляющая постоянного тока. использует Насыщаемый реактор насыщение активной зоны для управления переменным током.

Знание индуктивности рассеяния также полезно при параллельной работе трансформаторов. Можно показать, что если процентное сопротивление и соответствующее отношение реактивного сопротивления к сопротивлению обмотки ( X / R ) двух трансформаторов былиАналогично, трансформаторы будут распределять мощность нагрузки пропорционально своим номинальным характеристикам. Однако допуски по сопротивлению коммерческих трансформаторов значительны. Кроме того, импеданс и соотношение X/R трансформаторов различной мощности имеют тенденцию различаться.

Эквивалентная схема

См. Также: Эквивалентная схема Штейнмеца.

Если обратиться к схеме, физическое поведение практического трансформатора может быть представлено моделью эквивалентной схемы , которая может включать в себя идеальный трансформатор.

Джоулевые потери обмотки и реактивное сопротивление рассеяния представлены следующими последовательными сопротивлениями контуров модели:

• Первичная обмотка: R _P , X _P
• Вторичная обмотка: R _S , X _S .

В обычном процессе преобразования эквивалентности схемы R _S и X _S на практике обычно относят к первичной стороне путем умножения этих импедансов на квадрат коэффициента трансформации ( N _P / N _S ).  ² = а ² .

Эквивалентная схема реального трансформатора

Потери в сердечнике и реактивное сопротивление представлены следующими импедансами шунтирующей ветви модели:

• Потери в сердечнике или железе: R _C
• Реактивное сопротивление намагничивания: X _M .

R _C и X _M вместе называются ветвью намагничивания модели.

Потери в сердечнике вызваны в основном эффектами гистерезиса и вихревых токов в сердечнике и пропорциональны квадрату потока в сердечнике для работы на заданной частоте. Сердечнику с конечной проницаемостью требуется ток намагничивания I _M для поддержания взаимного потока в сердечнике. Ток намагничивания находится в фазе с потоком, причем взаимосвязь между ними нелинейна из-за эффектов насыщения. Однако все импедансы показанной эквивалентной схемы по определению линейны, и такие эффекты нелинейности обычно не отражаются в схемах замещения трансформаторов. При синусоидальном питании поток в сердечнике отстает от наведенной ЭДС на 90°. При разомкнутой вторичной обмотке ток намагничивания I ₀ равен току холостого хода трансформатора.

Измерительный трансформатор, с точкой полярности и маркировкой X1 на клемме со стороны низкого напряжения («НН»).

Полученная модель, хотя ее иногда называют «точной» эквивалентной схемой, основанной на предположениях о линейности , сохраняет ряд приближений. Анализ можно упростить, если предположить, что сопротивление намагничивающей ветви относительно велико, и переместить ветвь слева от первичных импедансов. Это вносит ошибку, но позволяет комбинировать первичное и вторичное сопротивления, а также реактивное сопротивление путем простого суммирования двух последовательных импедансов.

Параметры импеданса эквивалентной цепи трансформатора и коэффициента трансформации можно получить в результате следующих испытаний: испытание на разомкнутую цепь , испытание на короткое замыкание , испытание на сопротивление обмотки и испытание на коэффициент трансформации.

Уравнение ЭДС трансформатора

Если поток в сердечнике чисто синусоидальный , то соотношение для каждой обмотки между ее среднеквадратичным напряжением Erms _{обмотки} и частотой питания f , числом витков N , площадью поперечного сечения сердечника A в м ² и пиковая плотность магнитного потока B _пик в Втб/м ² или T (Тесла) определяется универсальным уравнением ЭДС:

$E_{\text{rms}}={\frac {2\pi fNAB_{\text{peak}}}{\sqrt {2}}}\approx 4.44fNAB_{\text{peak}}$

Полярность

часто Расположение точек используется на принципиальных схемах трансформаторов, паспортных табличках или маркировке клемм для определения относительной полярности обмоток трансформатора. Положительно увеличивающийся мгновенный ток, поступающий на «точечный» конец первичной обмотки, индуцирует напряжение положительной полярности, выходящее из «точечного» конца вторичной обмотки. Трехфазные трансформаторы, используемые в электроэнергетических системах, будут иметь паспортную табличку, на которой указано соотношение фаз между их клеммами. Это может быть векторная диаграмма или буквенно-цифровой код для обозначения типа внутреннего соединения (звезда или треугольник) для каждой обмотки.

Влияние частоты

ЭДС трансформатора при заданном потоке увеличивается с частотой. Работая на более высоких частотах, трансформаторы могут быть физически более компактными, поскольку данный сердечник способен передавать большую мощность, не достигая насыщения, и для достижения того же импеданса требуется меньше витков. Однако такие свойства, как потери в сердечнике и скин-эффект проводника, также увеличиваются с увеличением частоты. В самолетах и ​​военной технике используются источники питания частотой 400 Гц, что позволяет уменьшить вес сердечника и обмотки. И наоборот, частоты, используемые в некоторых системах электрификации железных дорог, были намного ниже (например, 16,7 Гц и 25 Гц), чем обычные частоты коммунальных сетей (50–60 Гц), по историческим причинам, связанным главным образом с ограничениями первых электротяговых двигателей . Следовательно, трансформаторы, используемые для понижения высокого напряжения воздушной линии, были намного больше и тяжелее для той же номинальной мощности, чем те, которые необходимы для более высоких частот.

Состояние перевозбуждения силового трансформатора, вызванное снижением частоты; поток (зеленый), магнитные характеристики железного сердечника (красный) и ток намагничивания (синий).

Работа трансформатора при расчетном напряжении, но на более высокой частоте, чем предполагалось, приведет к снижению тока намагничивания. При более низкой частоте ток намагничивания увеличится. Эксплуатация большого трансформатора на частоте, отличной от его расчетной, может потребовать оценки напряжений, потерь и охлаждения, чтобы определить, практична ли безопасная работа. Трансформаторам могут потребоваться защитные реле для защиты трансформатора от перенапряжения при частоте выше номинальной.

Одним из примеров являются тяговые трансформаторы, используемые для обслуживания электропоездов и высокоскоростных поездов, работающих в регионах с разными электрическими стандартами. Преобразовательное оборудование и тяговые трансформаторы должны работать на различные входные частоты и напряжения (от 50 Гц до 16,7 Гц и номиналом до 25 кВ).

На гораздо более высоких частотах требуемый размер сердечника трансформатора резко снижается: физически небольшой трансформатор может выдерживать уровни мощности, которые потребовали бы массивного железного сердечника на частоте сети. Развитие импульсных силовых полупроводниковых приборов сделало жизнеспособными импульсные источники питания , позволяющие генерировать высокую частоту, а затем изменять уровень напряжения с помощью небольшого трансформатора.

В трансформаторах для высокочастотных применений, таких как импульсные источники питания, обычно используются материалы сердечника с гораздо меньшими потерями на гистерезис и вихревые токи, чем у трансформаторов для 50/60 Гц. Основными примерами являются железный порошок и ферритовые сердечники. Более низкие частотно-зависимые потери этих сердечников часто происходят за счет плотности потока при насыщении. Например, насыщение феррита происходит при значительно более низкой плотности потока, чем ламинированное железо.

Большие силовые трансформаторы уязвимы к повреждению изоляции из-за переходных напряжений с высокочастотными компонентами, например, вызванных переключением или ударом молнии.

Энергетические потери

Потери энергии в трансформаторе преобладают потери в обмотках и сердечнике. Эффективность трансформаторов имеет тенденцию повышаться с увеличением мощности трансформаторов. КПД типичных распределительных трансформаторов составляет от 98 до 99 процентов.

Поскольку потери трансформатора изменяются в зависимости от нагрузки, часто бывает полезно свести в таблицы потери холостого хода , потери при полной нагрузке, потери при половинной нагрузке и т. д. Потери на гистерезис и вихревые токи постоянны при всех уровнях нагрузки и преобладают при отсутствии нагрузки, тогда как потери в обмотке увеличиваются с увеличением нагрузки. Потери на холостом ходу могут быть значительными, так что даже неработающий трансформатор приводит к утечке электроэнергии. Для проектирования энергоэффективных трансформаторов хорошего качества с меньшими потерями требуется сердечник большего размера, кремниевая сталь или даже аморфная сталь для сердечника и более толстый провод, что увеличивает первоначальную стоимость. Выбор конструкции представляет собой компромисс между первоначальной стоимостью и эксплуатационными расходами.

Потери в трансформаторе возникают из-за:

Джоулевые потери на обмотке

Ток, протекающий через проводник обмотки, вызывает джоулевой нагрев из-за сопротивления провода. По мере увеличения частоты скин-эффект и эффект близости приводят к увеличению сопротивления обмотки и, следовательно, потерь.

Основные потери

Гистерезисные потери

Каждый раз, когда магнитное поле меняется на противоположное, небольшое количество энергии теряется из-за гистерезиса внутри сердечника, вызванного движением магнитных доменов внутри стали. Согласно формуле Штейнмеца, тепловая энергия, обусловленная гистерезисом, определяется выражением

$W_{\text{h}}\approx \eta \beta _{\text{max}}^{1.6}$ и,

Таким образом, потери на гистерезис определяются выражением

$P_{\text{h}}\approx {W}_{\text{h}}f\approx \eta {f}\beta _{\text{max}}^{1.6}$

где f — частота, η — коэффициент гистерезиса, а β _max — максимальная плотность потока, эмпирический показатель которой варьируется примерно от 1,4 до 1,8, но для железа часто указывается как 1,6. Для более подробного анализа см. Магнитный сердечник и уравнение Штейнмеца .

Потери вихревых токов

вихревые токи Изменяющимся магнитным полем в проводящем металлическом сердечнике трансформатора индуцируются , и этот ток, протекающий через сопротивление железа, рассеивает энергию в виде тепла в сердечнике. Потери на вихревые токи являются сложной функцией квадрата частоты питания и обратной квадрату толщины материала. Потери на вихревые токи можно уменьшить, сделав сердечник стопки пластин (тонких пластин) электрически изолированным друг от друга, а не сплошным блоком; во всех трансформаторах, работающих на низких частотах, используются ламинированные или аналогичные сердечники.

Шум трансформатора, связанный с магнитострикцией

Магнитный поток в ферромагнитном материале, таком как сердечник, заставляет его физически расширяться и слегка сжиматься с каждым циклом магнитного поля, эффект, известный как магнитострикция , энергия трения которого создает слышимый шум, известный как гул сети или «трансформаторный шум». хм». Этот гул трансформатора особенно неприятен в трансформаторах, питающихся на промышленных частотах , и в высокочастотных обратноходовых трансформаторах, связанных с телевизионными ЭЛТ .

Случайные потери

Индуктивность рассеяния сама по себе в значительной степени не имеет потерь, поскольку энергия, подаваемая в ее магнитные поля, возвращается в источник питания в следующем полупериоде. Однако любой поток утечки, который перехватывает близлежащие проводящие материалы, такие как опорная конструкция трансформатора, приведет к возникновению вихревых токов и преобразованию в тепло.

радиационный

Существуют также радиационные потери из-за колеблющегося магнитного поля, но они обычно невелики.

Передача механической вибрации и звукового шума

Помимо магнитострикции, переменное магнитное поле вызывает колебания сил между первичной и вторичной обмотками. Эта энергия вызывает передачу вибрации в соединенных друг с другом металлических конструкциях, тем самым усиливая слышимый шум трансформатора.

Строительство

Ядра

Основная форма = основной тип; форма оболочки = тип оболочки

Трансформаторы с закрытым сердечником имеют «форму сердечника» или «форму оболочки». Когда обмотки окружают сердечник, трансформатор имеет форму сердечника; когда обмотки окружены сердечником, трансформатор имеет форму оболочки. Конструкция в форме оболочки может быть более распространенной, чем конструкция в форме сердечника, для распределительных трансформаторов из-за относительной простоты укладки сердечника вокруг обмоточных катушек. Конструкция в форме сердечника, как правило, более экономична и, следовательно, более распространена, чем конструкция в форме корпуса для высоковольтных силовых трансформаторов в нижней части их диапазонов номинальных напряжений и мощности (номинально меньше или равна 230 кВ или 75 МВА). При более высоких номинальных напряжении и мощности более распространены корпусные трансформаторы. Конструкция кожухообразной формы, как правило, предпочтительнее для применений со сверхвысоким напряжением и более высокой МВА, поскольку, несмотря на более трудоемкие в изготовлении, трансформаторы кожухообразной формы характеризуются лучшим соотношением кВА к весу, лучшими характеристиками прочности при коротком замыкании и более высокими характеристиками прочности при коротком замыкании. иммунитет к повреждениям при транспортировке.

Сердечники из ламинированной стали

Трансформатор кожухового типа с ламинированным сердечником, края пластин вверху фотографии.

Перемежающиеся пластины трансформатора EI, показывающие воздушный зазор и пути потока.

Трансформаторы, предназначенные для использования на силовых или звуковых частотах, обычно имеют сердечники из кремниевой стали с высокой проницаемостью . Сталь имеет проницаемость, во много раз превышающую проницаемость свободного пространства , и, таким образом, сердечник служит для значительного уменьшения тока намагничивания и ограничения потока на пути, который тесно соприкасается с обмотками. Первые разработчики трансформаторов вскоре поняли, что сердечники, изготовленные из твердого железа, приводят к непомерно высоким потерям на вихревые токи, и их конструкции смягчали этот эффект с помощью сердечников, состоящих из пучков изолированных железных проводов. В более поздних конструкциях сердечник создавался путем укладки слоев тонких стальных пластин - принцип, который до сих пор используется. Каждая пластина изолирована от соседей тонким непроводящим слоем изоляции. Универсальное уравнение ЭДС трансформатора можно использовать для расчета площади поперечного сечения сердечника для предпочтительного уровня магнитного потока.

Эффект ламинирования заключается в ограничении вихревых токов сильно эллиптическими путями, которые охватывают небольшой поток, и тем самым уменьшают их величину. Более тонкие ламинаты уменьшают потери, но они более трудоемки и дороги в изготовлении. Тонкие пластины обычно используются в высокочастотных трансформаторах, причем некоторые из очень тонких стальных пластин могут работать на частоте до 10 кГц.

Ламинирование сердечника значительно снижает потери на вихревые токи.

Одна из распространенных конструкций ламинированного сердечника состоит из чередующихся стопок стальных листов E-образной формы, увенчанных деталями I-образной формы , что и привело к его названию EI-трансформатор . Такая конструкция имеет тенденцию иметь больше потерь, но очень экономична в производстве. Тип с разрезанным сердечником или C-образным сердечником изготавливается путем намотки стальной полосы на прямоугольную форму и последующего склеивания слоев вместе. Затем его разрезают на две части, образуя две буквы С, а сердечник собирают, связывая две половинки буквы С вместе стальной лентой. Их преимущество заключается в том, что флюс всегда ориентирован параллельно зернам металла, что снижает сопротивление.

стального сердечника Остаточная намагниченность означает, что он сохраняет статическое магнитное поле при отключении питания. При повторном подаче питания остаточное поле будет вызывать высокий пусковой ток до тех пор, пока эффект остаточного магнетизма не уменьшится, обычно после нескольких циклов приложенного сигнала переменного тока. Устройства защиты от перегрузки по току, такие как предохранители, должны быть выбраны так, чтобы этот безвредный бросок прошел.

На трансформаторах, подключенных к длинным воздушным линиям электропередачи, наведенные токи, вызванные геомагнитными возмущениями во время солнечных бурь, могут вызвать насыщение сердечника и срабатывание устройств защиты трансформатора.

Распределительные трансформаторы могут обеспечить низкие потери холостого хода за счет использования сердечников, изготовленных из кремнистой стали с низкими потерями и высокой проницаемостью или аморфного (некристаллического) металлического сплава . Более высокая первоначальная стоимость материала сердечника компенсируется в течение срока службы трансформатора меньшими потерями при небольшой нагрузке.

Твердые сердечники

Сердечники из порошкового железа используются в таких цепях, как импульсные источники питания, работающие на частотах выше сетевых и до нескольких десятков килогерц. Эти материалы сочетают высокую магнитную проницаемость с высоким объемным электросопротивлением . Для частот, выходящих за пределы диапазона УКВ сердечники из непроводящих магнитных керамических материалов, называемых ферритами . , обычно используются Некоторые радиочастотные трансформаторы также имеют подвижные сердечники (иногда называемые «втулками»), которые позволяют регулировать коэффициент связи (и полосу пропускания ) настроенных радиочастотных цепей.

Тороидальные сердечники

Небольшой трансформатор с тороидальным сердечником

Тороидальные трансформаторы построены на кольцеобразном сердечнике, который, в зависимости от рабочей частоты, сделан из длинной полосы кремнистой стали или пермаллоя, намотанной на катушку, порошкового железа или феррита . Ленточная конструкция обеспечивает оптимальное выравнивание границ зерен , повышая эффективность трансформатора за счет уменьшения сопротивления сердечника . Форма замкнутого кольца исключает воздушные зазоры, присущие конструкции EI-сердечника. Поперечное сечение кольца обычно квадратное или прямоугольное, но доступны и более дорогие сердечники с круглым поперечным сечением. Первичная и вторичная обмотки часто наматываются концентрически, чтобы покрыть всю поверхность сердечника. магнитным полем сердечника Это сводит к минимуму необходимую длину провода и обеспечивает экранирование, сводящее к минимуму возникновение электромагнитных помех .

Тороидальные трансформаторы более эффективны, чем более дешевые ламинированные трансформаторы EI при аналогичном уровне мощности. Другие преимущества по сравнению с типами EI включают меньший размер (около половины), меньший вес (около половины), меньший механический шум (что делает их лучшими в аудиоусилителях), меньшее внешнее магнитное поле (около одной десятой), низкие потери без нагрузки ( что делает их более эффективными в резервных цепях), одноболтовое крепление и больший выбор форм. Основными недостатками являются более высокая стоимость и ограниченная мощность (см. параметры классификации ниже). Из-за отсутствия остаточного зазора в магнитном пути тороидальные трансформаторы также имеют тенденцию показывать более высокий пусковой ток по сравнению с ламинированными типами EI.

Ферритовые тороидальные сердечники используются на более высоких частотах, обычно от нескольких десятков килогерц до сотен мегагерц, чтобы уменьшить потери, физический размер и вес индуктивных компонентов. Недостатком конструкции тороидального трансформатора является более высокая трудоемкость намотки. Это связано с тем, что необходимо пропускать всю длину обмотки катушки через отверстие сердечника каждый раз, когда к катушке добавляется один виток. Как следствие, тороидальные трансформаторы мощностью более нескольких кВА встречаются редко. Относительно небольшое количество тороидов предлагается с номинальной мощностью выше 10 кВА и практически ни один тороид с номинальной мощностью выше 25 кВА. Небольшие распределительные трансформаторы могут получить некоторые преимущества тороидального сердечника, разделив его и раскрыв, а затем вставив катушку, содержащую первичную и вторичную обмотки.

Воздушные сердечники

Трансформатор можно изготовить, разместив обмотки рядом друг с другом, такая конструкция называется трансформатором с «воздушным сердечником». Трансформатор с воздушным сердечником устраняет потери из-за гистерезиса в материале сердечника. Индуктивность намагничивания резко снижается из-за отсутствия магнитного сердечника, что приводит к большим токам намагничивания и потерям при использовании на низких частотах. Трансформаторы с воздушным сердечником непригодны для использования в распределительных сетях. но часто используются в радиочастотных приложениях. Воздушные сердечники также используются в резонансных трансформаторах, таких как катушки Теслы, где они могут обеспечить достаточно низкие потери, несмотря на низкую индуктивность намагничивания.

Обмотки

Обмотки обычно располагаются концентрически, чтобы минимизировать утечку потока.

Вид в разрезе обмоток трансформатора. Легенда:
Белый : воздух, жидкость или другая изолирующая среда.
Зеленая спираль : кремниевая сталь с ориентированной структурой.
Черный : Первичная обмотка
Красный : вторичная обмотка.

Электрический проводник, используемый для обмоток, зависит от применения, но во всех случаях отдельные витки должны быть электрически изолированы друг от друга, чтобы обеспечить прохождение тока по каждому витку. Для небольших трансформаторов, в которых токи малы и разность потенциалов между соседними витками мала, катушки часто наматывают из эмалированного магнитного провода . Силовые трансформаторы большей мощности могут быть намотаны медными прямоугольными полосковыми проводниками, изолированными промасленной бумагой и блоками прессованного картона .

Высокочастотные трансформаторы, работающие в диапазоне от десятков до сотен килогерц, часто имеют обмотки из плетеного литцендратного провода , чтобы минимизировать потери на скин-эффект и эффект близости. В больших силовых трансформаторах также используются многожильные проводники, поскольку даже на низких частотах мощности в противном случае в сильноточных обмотках возникло бы неравномерное распределение тока. Каждая жила изолирована индивидуально, а жилы расположены так, что в определенных точках обмотки или по всей обмотке каждая часть занимает разные относительные положения во всем проводнике. Транспозиция выравнивает ток, текущий в каждой жиле проводника, и уменьшает потери на вихревые токи в самой обмотке. Многожильный проводник также более гибок, чем одножильный проводник аналогичного размера, что облегчает производство.

Обмотки сигнальных трансформаторов минимизируют индуктивность рассеяния и паразитную емкость для улучшения высокочастотной характеристики. Катушки разделены на секции, и эти секции чередуются между секциями другой обмотки.

Трансформаторы промышленной частоты могут иметь отводы в промежуточных точках обмотки, обычно на стороне обмотки более высокого напряжения, для регулировки напряжения. Отводы могут быть повторно подключены вручную, или для переключения отводов может быть предусмотрен ручной или автоматический переключатель. под нагрузкой Автоматические переключатели ответвлений используются при передаче или распределении электроэнергии, в таком оборудовании, как трансформаторы для дуговых печей , или в автоматических регуляторах напряжения для чувствительных нагрузок. Трансформаторы звуковой частоты, используемые для передачи звука на громкоговорители громкой связи, имеют отводы, позволяющие регулировать сопротивление каждого динамика. Трансформатор с центральным отводом часто используется в выходном каскаде усилителя мощности звука по двухтактной схеме . Трансформаторы модуляции в передатчиках AM очень похожи.

Охлаждение

Вид в разрезе трансформатора, погруженного в жидкость. Расширитель (резервуар) наверху обеспечивает изоляцию жидкости от атмосферы при изменении уровня охлаждающей жидкости и температуры. Стенки и ребра обеспечивают необходимый отвод тепла.

на 7–10 °C Эмпирическое правило гласит, что ожидаемый срок службы электрической изоляции уменьшается вдвое примерно при каждом повышении рабочей температуры (пример применения уравнения Аррениуса ).

Небольшие трансформаторы сухого типа и трансформаторы с жидкостным погружением часто самоохлаждаются за счет естественной конвекции и рассеивания тепла излучением. По мере увеличения номинальной мощности трансформаторы часто охлаждаются с помощью принудительного воздушного охлаждения, принудительного масляного охлаждения, водяного охлаждения или их комбинации. Большие трансформаторы заполнены трансформаторным маслом , которое одновременно охлаждает и изолирует обмотки. Трансформаторное масло часто представляет собой минеральное масло высокой степени очистки , которое охлаждает обмотки и изоляцию, циркулируя внутри бака трансформатора. Система изоляции на основе минерального масла и бумаги тщательно изучалась и использовалась более 100 лет. Подсчитано, что 50% силовых трансформаторов прослужат 50 лет, средний срок выхода из строя силовых трансформаторов составляет от 10 до 15 лет и что около 30% отказов силовых трансформаторов происходят из-за повреждений изоляции и перегрузки. Длительная работа при повышенной температуре ухудшает изоляционные свойства изоляции обмоток и диэлектрического теплоносителя, что не только сокращает срок службы трансформатора, но в конечном итоге может привести к его катастрофическому выходу из строя. Благодаря большому объему эмпирических исследований, проведенных в качестве руководства, испытания трансформаторного масла , включая анализ растворенных газов, предоставляют ценную информацию по техническому обслуживанию.

Строительные нормы во многих юрисдикциях требуют, чтобы внутренние трансформаторы с жидкостным наполнением либо использовали диэлектрические жидкости, менее воспламеняющиеся, чем масло, либо устанавливались в огнестойких помещениях. Сухие трансформаторы с воздушным охлаждением могут быть более экономичными, поскольку они исключают затраты на огнестойкое трансформаторное помещение.

Бак жидкостных трансформаторов часто имеет радиаторы, по которым жидкий теплоноситель циркулирует за счет естественной конвекции, или ребра. В некоторых крупных трансформаторах используются электрические вентиляторы для принудительного воздушного охлаждения, насосы для принудительного жидкостного охлаждения или теплообменники для водяного охлаждения. Масляный трансформатор может быть оснащен реле Бухгольца , которое, в зависимости от степени скопления газа из-за внутренней дуги, используется либо для включения аварийной сигнализации, либо для обесточивания трансформатора. Масляные трансформаторные установки обычно включают в себя меры противопожарной защиты, такие как стены, маслозащита и спринклерные системы пожаротушения.

Полихлорированные бифенилы (ПХД) обладают свойствами, которые когда-то благоприятствовали их использованию в качестве диэлектрического охладителя , хотя опасения по поводу их устойчивости к окружающей среде привели к повсеместному запрету на их использование. Сегодня нетоксичные, стабильные масла на основе силикона или фторированные углеводороды могут использоваться там, где затраты на огнестойкую жидкость компенсируют дополнительные затраты на строительство трансформаторного хранилища. Однако длительный срок службы трансформаторов может означать, что вероятность заражения может быть высокой еще долгое время после запрета.

Некоторые трансформаторы имеют газовую изоляцию. Их обмотки заключены в герметичные резервуары под давлением и часто охлаждаются азотом или газообразным гексафторидом серы.

Экспериментальные силовые трансформаторы в диапазоне 500–1000 кВА были построены со жидким азотом или гелием обмотками, охлаждаемыми сверхпроводящими , что исключает потери в обмотке, не влияя на потери в сердечнике.

Изоляция

Трансформатор подстанции проходит испытания.

Изоляция должна быть предусмотрена между отдельными витками обмоток, между обмотками, между обмотками и сердечником, а также на выводах обмотки.

Межвитковая изоляция небольших трансформаторов может представлять собой слой изоляционного лака на проводе. Слой бумаги или полимерной пленки может быть вставлен между слоями обмоток, а также между первичной и вторичной обмотками. Трансформатор можно покрыть или окунуть в полимерную смолу, чтобы повысить прочность обмоток и защитить их от влаги или коррозии. Смола может быть пропитана изоляцией обмотки с использованием комбинации вакуума и давления во время процесса нанесения покрытия, устраняя все воздушные пустоты в обмотке. В крайнем случае, всю катушку можно поместить в форму, а вокруг нее залить смолу в виде сплошного блока, герметизирующего обмотки.

В больших маслонаполненных силовых трансформаторах обмотки обернуты изоляционной бумагой, которая пропитывается маслом при сборке трансформатора. В масляных трансформаторах для изоляции и охлаждения обмоток и сердечника используется минеральное масло высокой степени очистки. Конструкция маслонаполненных трансформаторов требует, чтобы изоляция, покрывающая обмотки, перед введением масла была тщательно высушена от остаточной влаги. Сушка может осуществляться путем циркуляции горячего воздуха вокруг сердечника, путем циркуляции трансформаторного масла с внешним нагревом или сушки в паровой фазе (VPD), при которой испаренный растворитель передает тепло за счет конденсации на катушке и сердечнике. Для небольших трансформаторов используется резистивный нагрев путем подачи тока в обмотки.

Втулки

Трансформаторы большей мощности снабжаются высоковольтными изолированными вводами из полимеров или фарфора. Большой ввод может представлять собой сложную конструкцию, поскольку он должен обеспечивать тщательный контроль градиента электрического поля, не допуская утечки масла из трансформатора.

Параметры классификации

в Электрическая подстанция Мельбурне , Австралия : три из пяти трансформаторов напряжением 220–66 кВ, каждый мощностью 150 МВА.

Замаскированный трансформатор в Лэнгли-Сити , Канада.

Трансформаторы можно классифицировать по многим признакам, например:

• Номинальная мощность : от долей вольт-ампера (ВА) до более тысячи МВА.
• Режим работы трансформатора : Непрерывный, кратковременный, прерывистый, периодический, переменный.
• Диапазон частот : сетевая частота , звуковая частота или радиочастота .
• Класс напряжения : От нескольких вольт до сотен киловольт.
• Тип охлаждения : Сухой или погружной в жидкость; Самоохлаждение, принудительное воздушное охлаждение; принудительное масляное охлаждение, водяное охлаждение.
• Применение : источник питания, согласование импеданса, стабилизатор выходного напряжения и тока, импульс , изоляция цепи, распределение мощности , выпрямитель , дуговая печь , выход усилителя и т. д.
• Основная магнитная форма : форма ядра, форма оболочки, концентрическая, сэндвич.
• Описание трансформатора постоянного потенциала : повышающий, понижающий, изоляционный .
• Общая конфигурация обмотки : по векторной группе IEC , двухобмоточные комбинации обозначений фаз треугольник, звезда или звезда и зигзаг ; автотрансформатор Скотт -Т
• Схема фазосдвигающей обмотки выпрямителя : 2-обмоточная, 6-импульсная; 3-обмоточный, 12-пульсный; . . ., n -обмотка , [ n − 1]·6-импульсная; многоугольник; и т. д..

Приложения

Трансформатор на известняковой электростанции в Манитобе , Канада

Основная статья: Типы трансформаторов

Различные конкретные электрические конструкции требуют использования трансформаторов разных типов . Несмотря на то, что все они имеют общие принципы работы с трансформаторами, их конструкция или электрические свойства настраиваются в соответствии с определенными требованиями к установке или условиями схемы.

При передаче электроэнергии трансформаторы позволяют передавать электроэнергию при высоких напряжениях, что снижает потери из-за нагрева проводов. Это позволяет экономично располагать генерирующие станции на удалении от потребителей электроэнергии. Почти вся электроэнергия в мире, за исключением крошечной доли, к тому времени, как достигает потребителя, проходит через ряд трансформаторов.

Во многих электронных устройствах трансформатор используется для преобразования напряжения распределительной проводки в значения, удобные для требований схемы, либо непосредственно на частоте линии электропередачи, либо через импульсный источник питания .

Трансформаторы сигналов и звука используются для соединения каскадов усилителей и для согласования таких устройств, как микрофоны и проигрыватели пластинок , со входом усилителей. Аудиотрансформаторы позволяли телефонным сетям вести двусторонний разговор по одной паре проводов. Балунный . трансформатор преобразует сигнал, привязанный к земле, в сигнал, который имеет сбалансированное напряжение относительно земли , например, между внешними кабелями и внутренними цепями Изолирующие трансформаторы предотвращают утечку тока во вторичную цепь и используются в медицинской технике и на строительных площадках. Резонансные трансформаторы используются для связи между каскадами радиоприемников или в высоковольтных катушках Теслы.

Схема большого маслонаполненного силового трансформатора 1. Бак 2. Крышка 3. Расширительный бак 4. Индикатор уровня масла 5. Реле Бухгольца для обнаружения пузырьков газа после внутренней неисправности 6. Трубопроводы 7. Устройство РПН 8. Приводной двигатель устройства РПН 9. Приводной вал переключателя ответвлений 10. Ввод высокого напряжения (ВН) 11. Ввод высокого напряжения трансформаторов тока 12. Ввод низкого напряжения (НН) 13. Трансформаторы тока низкого напряжения 14. Ввод трансформатора напряжения для измерения 15. Сердечник 16. Ярмо сердечника 17. Конечности соединяют хомуты и удерживают их вверх 18. Катушки 19. Внутренняя проводка между катушками и устройством РПН 20. Клапан выпуска масла 21. Вакуумный клапан

История

Открытие индукции

Эксперимент Фарадея с индукцией между витками проволоки.

Электромагнитная индукция , принцип работы трансформатора, была открыта независимо Майклом Фарадеем в 1831 году и Джозефом Генри в 1832 году. Только Фарадей продвинул свои эксперименты до такой степени, что разработал уравнение, описывающее взаимосвязь между ЭДС и магнитным потоком, теперь известное как закон индукции Фарадея :

$|{\mathcal {E}}|=\left|{{\mathrm {d} \Phi _{\text{B}}} \over \mathrm {d} t}\right|,$

где $|{\mathcal {E}}|$ — величина ЭДС в вольтах, а Φ _B — магнитный поток через цепь в веберах .

Фарадей провел первые эксперименты по индукции между катушками проволоки, в том числе намотал пару катушек на железное кольцо, создав таким образом первый тороидальный трансформатор с закрытым сердечником. Однако он подавал на свой трансформатор только отдельные импульсы тока и так и не обнаружил связи между коэффициентом трансформации и ЭДС в обмотках.

Индукционная катушка, 1900 год, Бремерхафен, Германия.

Индукционные катушки

Основная статья: Индукционная катушка

Кольцевой трансформатор Фарадея.

Первым типом трансформатора, получившим широкое распространение, была индукционная катушка , изобретенная ирландско-католическим преподобным Николасом Калланом из Мейнут-колледжа , Ирландия, в 1836 году. Он был одним из первых исследователей, которые поняли, что чем больше витков имеет вторичная обмотка по отношению к первичной, тем больше будет наведенная вторичная ЭДС. Индукционные катушки возникли в результате усилий ученых и изобретателей по получению более высокого напряжения от батарей. Поскольку батареи производят постоянный ток (DC) , а не переменный ток, индукционные катушки полагались на вибрирующие электрические контакты , которые регулярно прерывали ток в первичной обмотке, чтобы создать изменения потока, необходимые для индукции. Между 1830-ми и 1870-ми годами попытки создать более совершенные индукционные катушки, в основном методом проб и ошибок, постепенно раскрыли основные принципы работы трансформаторов.

Первые трансформаторы переменного тока

К 1870-м годам стали доступны эффективные генераторы, производящие переменный ток (AC) , и было обнаружено, что переменный ток может питать индукционную катушку напрямую, без прерывателя .

В 1876 году русский инженер Павел Яблочков изобрел систему освещения на основе набора индукционных катушек, первичные обмотки которых были подключены к источнику переменного тока. Вторичные обмотки могли быть подключены к нескольким «электрическим свечам» (дуговым лампам) его собственной конструкции. Катушки, которые использовал Яблочков, функционировали по существу как трансформаторы.

В 1878 году завод Ганца в Будапеште, Венгрия, начал производить оборудование для электрического освещения и к 1883 году установил более пятидесяти систем в Австро-Венгрии. В их системах переменного тока использовались дуговые лампы и лампы накаливания, генераторы и другое оборудование.

В 1882 году Люсьен Голар и Джон Диксон Гиббс впервые продемонстрировали в Лондоне устройство с открытым железным сердечником из многослойных пластин, которое первоначально широко критиковалось, под названием «вторичный генератор», а затем в 1886 году продали эту идею компании Westinghouse в Соединенных Штатах. Они также продемонстрировали это изобретение в Турине, Италия, в 1884 году, где оно имело большой успех и было использовано в системе электрического освещения. В их устройстве использовалось фиксированное соотношение 1:1 для питания последовательной цепи нагрузки (лампы). Напряжение их системы контролировалось путем вталкивания и вытягивания ее открытого железного сердечника.

Распределение трансформаторов ранней серии

Индукционные катушки с разомкнутыми магнитными цепями неэффективны при передаче мощности нагрузкам . Примерно до 1880 года парадигмой передачи мощности переменного тока от источника высокого напряжения к нагрузке низкого напряжения была последовательная схема. Трансформаторы с открытым сердечником с соотношением около 1:1 были соединены со своими первичными обмотками последовательно, чтобы обеспечить возможность использования высокого напряжения для передачи при подаче на лампы низкого напряжения. Неотъемлемым недостатком этого метода было то, что выключение одной лампы (или другого электрического устройства) влияло на напряжение, подаваемое на все остальные в той же цепи. Для компенсации этой проблемной характеристики последовательной цепи было предложено множество конструкций регулируемых трансформаторов, в том числе те, в которых используются методы регулировки сердечника или обхода магнитного потока вокруг части катушки. Эффективные и практичные конструкции трансформаторов появились только в 1880-х годах, но в течение десятилетия трансформатор сыграл бы важную роль в войне токов и в победе систем распределения переменного тока над своими аналогами постоянного тока, и в этой позиции они всегда оставались доминирующими. с.

Трансформатор в форме корпуса. Эскиз, использованный Уппенборном для описания патентов и самых ранних статей инженеров ZBD 1885 года.

Основная форма, передняя часть; форма ракушки, спинка. Первые образцы высокоэффективных трансформаторов постоянного потенциала конструкции ЗБД, изготовленные на заводе Ганца в 1885 году.

В команду ZBD входили Карой Циперновски , Отто Блати и Дери Микса.

Конструкция Стэнли 1886 года для индукционных катушек с открытым сердечником с регулируемым зазором.

Трансформаторы с закрытым сердечником и параллельное распределение мощности

Осенью 1884 года Карой Циперновский , Отто Блати и Микса Дери (ZBD), три венгерских инженера, связанных с заводом Ганца , определили, что устройства с открытым сердечником непрактичны, поскольку они неспособны надежно регулировать напряжение. Осенью 1884 года завод Ганца также осуществил поставку первых в мире пяти высокоэффективных трансформаторов переменного тока, первый из которых был отгружен 16 сентября 1884 года. Этот первый блок был изготовлен по следующим характеристикам: 1400 Вт, 40 Гц, 120:72 В, 11,6:19,4 А, соотношение 1,67:1, однофазный, корпусной формы. В своих совместных патентных заявках 1885 года на новые трансформаторы (позже названные трансформаторами ZBD) они описали две конструкции с замкнутыми магнитными цепями, в которых медные обмотки были либо намотаны вокруг кольцевого сердечника из железной проволоки, либо окружены сердечником из железной проволоки. Эти две конструкции были первым применением двух основных конструкций трансформаторов, широко используемых по сей день, называемых «формой сердечника» или «формой оболочки».

В обеих конструкциях магнитный поток, соединяющий первичную и вторичную обмотки, почти полностью перемещался в пределах железного сердечника, не преднамеренно проходя через воздух (см. Тороидальные сердечники ниже). Новые трансформаторы были в 3,4 раза эффективнее биполярных устройств с открытым сердечником Голара и Гиббса. Патенты ZBD включали две другие важные взаимосвязанные инновации: одна касалась использования параллельных, а не последовательных рабочих нагрузок, другая касалась возможности иметь трансформаторы с высоким коэффициентом трансформации, так что напряжение питающей сети могло быть намного выше (первоначально 1400 В). до 2000 В), чем напряжение рабочих нагрузок (первоначально предпочтительно 100 В). При использовании в параллельно соединенных системах распределения электроэнергии трансформаторы с закрытым сердечником наконец сделали технически и экономически возможным обеспечение электроэнергией освещения в домах, на предприятиях и в общественных местах. Блати предложил использовать закрытые сердечники, Циперновский предложил использовать параллельные шунтирующие соединения , а Дери провел эксперименты; В начале 1885 года три инженера также устранили проблему потерь на вихревые токи , изобретя ламинирование электромагнитных сердечников.

Трансформаторы сегодня спроектированы на основе принципов, открытых тремя инженерами. Они также популяризировали слово «трансформатор» для описания устройства для изменения ЭДС электрического тока. хотя этот термин уже использовался к 1882 году. В 1886 году инженеры ZBD спроектировали, а завод Ганца поставил электрооборудование для первой в мире электростанции , которая использовала генераторы переменного тока для питания параллельно соединенной общей электрической сети - паровой электростанции Рим-Черки.

Улучшения Вестингауза

Е-образные пластины для сердечников трансформаторов, разработанные компанией Westinghouse.

Опираясь на развитие технологий переменного тока в Европе, Джордж Вестингауз основал компанию Westinghouse Electric в Питтсбурге, штат Пенсильвания, 8 января 1886 года. Новая фирма стала активно заниматься развитием электрической инфраструктуры переменного тока (AC) на всей территории Соединенных Штатов. Компания Edison Electric Light Company имела опцион на права США на трансформаторы ZBD, требуя от Westinghouse разработки альтернативных конструкций на тех же принципах. Джордж Вестингауз купил патенты Голара и Гиббса за 50 000 долларов в феврале 1886 года. Он поручил Уильяму Стэнли перепроектировать трансформатор Голара и Гиббса для коммерческого использования в Соединенных Штатах. Первая запатентованная конструкция Стэнли заключалась в создании индукционных катушек с одиночными сердечниками из мягкого железа и регулируемыми зазорами для регулирования ЭДС, присутствующей во вторичной обмотке (см. изображение). Этот дизайн впервые был использован в коммерческих целях в США в 1886 году. но компания Westinghouse намеревалась улучшить конструкцию Stanley, чтобы сделать ее (в отличие от типа ZBD) простой и дешевой в производстве.

Вестингауз, Стэнли и их коллеги вскоре разработали более простой в изготовлении сердечник, состоящий из стопки тонких железных пластин Е-образной формы, изолированных тонкими листами бумаги или другого изоляционного материала. Затем предварительно намотанные медные катушки можно было вставить на место и уложить прямые железные пластины, чтобы создать замкнутую магнитную цепь. В 1887 году компания Westinghouse получила патент на новую недорогую конструкцию.

Другие ранние конструкции трансформаторов

В 1889 году инженер русского происхождения Михаил Доливо-Добровольский разработал первый трехфазный трансформатор в Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft («Компания генеральной электроэнергетики») в Германии.

В 1891 году Никола Тесла изобрел катушку Теслы — резонансный трансформатор двойной настройки с воздушным сердечником для создания очень высокого напряжения на высокой частоте.

Трансформаторы звуковой частоты (« повторяющие катушки ») использовались ранними экспериментаторами при разработке телефона .

См. также

• Противопожарные барьеры для высоковольтных трансформаторов
• Индуктивная связь
• Профиль нагрузки
• Намагниченность
• Параметрический преобразователь
• Многофазная система
• Инвертор мощности
• ректиформер
• Преобразователь напряжения

Библиография

• Биман, Дональд, изд. (1955). Справочник по промышленным энергосистемам . МакГроу-Хилл.
• Калверт, Джеймс (2001). «Внутренние трансформеры» . Денверский университет. Архивировано из оригинала 9 мая 2007 года . Проверено 19 мая 2007 г.
• Кольтман, JW (январь 1988 г.). «Трансформер». Научный американец . 258 (1): 86–95. Бибкод : 1988SciAm.258a..86C . doi : 10.1038/scientificamerican0188-86 . ОСТИ   6851152 .
• Колтман, JW (январь – февраль 2002 г.). «Трансформатор [Исторический обзор]» . Журнал отраслевых приложений IEEE . 8 (1): 8–15. дои : 10.1109/2943.974352 . S2CID   18160717 .
• Бреннер, Эгон; Джавид, Мансур (1959). «Глава 18 – Цепи с магнитной связью» . Анализ электрических цепей . МакГроу-Хилл. стр. 586–622.
• CEGB, (Центральное управление по производству электроэнергии) (1982). Практика современных электростанций . Пергамон. ISBN  978-0-08-016436-6 .
• Кросби, Д. (1958). «Идеальный трансформер» . IRE Транзакции по теории цепей . 5 (2): 145. doi : 10.1109/TCT.1958.1086447 .
• Дэниелс, Арканзас (1985). Введение в электрические машины . Макмиллан. ISBN  978-0-333-19627-4 .
• Де Келенаер, Ганс; Чепмен, Дэвид; Фассбиндер, Стефан; Макдермотт, Майк (2001). Возможности энергосбережения в ЕС за счет использования энергоэффективных распределительных трансформаторов электроэнергии (PDF) . 16-я Международная конференция и выставка по распределению электроэнергии (CIRED 2001). Институт техники и технологий. дои : 10.1049/cp:20010853 . Проверено 10 июля 2014 г.
• Дель Веккио, Роберт М.; Пулен, Бертран; Фегали, Пьер ТМ; Шах, Дилипкумар; Ахуджа, Раджендра (2002). Принципы проектирования трансформаторов: с применением к силовым трансформаторам с сердечником . Бока-Ратон: CRC Press. ISBN  978-90-5699-703-8 .
• Финк, Дональд Г.; Битти, Х. Уэйн, ред. (1978). Стандартный справочник для инженеров-электриков (11-е изд.). МакГроу Хилл. ISBN  978-0-07-020974-9 .
• Готлиб, Ирвинг (1998). Практическое руководство по трансформаторам: для инженеров электроники, радиотехники и связи . Эльзевир. ISBN  978-0-7506-3992-7 .
• Гварниери, М. (2013). «Кто изобрел трансформатор?». Журнал промышленной электроники IEEE . 7 (4): 56–59. дои : 10.1109/МИЭ.2013.2283834 . S2CID   27936000 .
• Халачи, А.А.; Фон Фукс, GH (апрель 1961 г.). «Трансформатор изобрели 75 лет назад». Сделки IEEE Американского института инженеров-электриков . 80 (3): 121–125. дои : 10.1109/AIEEPAS.1961.4500994 . S2CID   51632693 .
• Хамейер, Кей (2004). Электрические машины I: основы, конструкция, функции, эксплуатация (PDF) . RWTH Ахенский университет, Институт электрических машин. Архивировано из оригинала (PDF) 10 февраля 2013 г.
• Хаммонд, Джон Уинтроп (1941). Люди и вольты: история General Electric . Компания JB Lippincott. стр. см. особ. 106–107, 178, 238.
• Харлоу, Джеймс (2004). Разработка электрических трансформаторов (PDF) . ЦРК Пресс. ISBN  0-8493-1704-5 .
• Хьюз, Томас П. (1993). Сети власти: электрификация в западном обществе, 1880-1930 гг . Балтимор: Издательство Университета Джона Хопкинса. п. 96. ИСБН  978-0-8018-2873-7 . Проверено 9 сентября 2009 г.
• Хиткот, Мартин (1998). Книга трансформеров J&P (12-е изд.). Ньюнес. ISBN  978-0-7506-1158-9 .
• Хиндмарш, Джон (1977). Электрические машины и их применение (4-е изд.). Эксетер: Пергамон. ISBN  978-0-08-030573-8 .
• Котари, ДП; Награт, Эй Джей (2010). Электрические машины (4-е изд.). Тата МакГроу-Хилл. ISBN  978-0-07-069967-0 .
• Кулкарни, СВ; Хапарде, SA (2004). Трансформаторостроение: проектирование и практика . ЦРК Пресс. ISBN  978-0-8247-5653-6 .
• Макларен, Питер (1984). Элементарная электроэнергетика и машины . Эллис Хорвуд. ISBN  978-0-470-20057-5 .
• Маклайман, полковник Уильям (2004). «Глава 3» . Справочник по проектированию трансформаторов и индукторов . КПР. ISBN  0-8247-5393-3 .
• Пансини, Энтони (1999). Электрические трансформаторы и энергетическое оборудование . ЦРК Пресс. ISBN  978-0-88173-311-2 .
• Паркер, MR; Ула, С.; Уэбб, МЫ (2005). «§2.5.5 «Трансформеры» и §10.1.3 «Идеальный трансформатор » . В Уитакере, Джерри К. (ред.). Справочник по электронике (2-е изд.). Тейлор и Фрэнсис. стр. 172, 1017. ISBN.  0-8493-1889-0 .
• Райан, HM (2004). Проектирование и испытания высокого напряжения . ЦРК Пресс. ISBN  978-0-85296-775-1 .

Внешние ссылки

Общие ссылки :

• (Видео) Пусковой ток силового трансформатора (анимация)