Трансформатор: принцип работы и применение.

Введение

Устройство для передачи энергии между цепями – электрическое устройство.

В электротехнике трансформатор – это пассивный компонент, который передает электрическую энергию из одной электрической цепи в другую или несколько цепей. Изменение тока в любой обмотке трансформатора создает изменяющийся магнитный поток в сердечнике трансформатора, который, в свою очередь, индуцирует изменяющуюся электродвижущую силу (ЭДС) в любой другой обмотке, намотанной на тот же сердечник. Электрическая энергия может передаваться между отдельными обмотками без металлического (проводящего) соединения между двумя цепями. Закон электромагнитной индукции Фарадея, открытый в 1831 году, описывает эффект индуцированного напряжения в любой обмотке из-за изменения магнитного потока, охватывающего эту обмотку. Трансформаторы используются для изменения уровней напряжения переменного тока; такие трансформаторы называют повышающими или понижающими, в зависимости от того, увеличивают или уменьшают они уровень напряжения. Трансформаторы также могут использоваться для обеспечения гальванической развязки между цепями, а также для соединения каскадов схем обработки сигналов. С момента изобретения первого трансформатора постоянного напряжения в 1885 году трансформаторы стали незаменимыми для передачи, распределения и использования электрической энергии переменного тока. В электронике и энергетике используется широкий спектр конструкций трансформаторов. Размеры трансформаторов варьируются от радиочастотных трансформаторов объемом менее одного кубического сантиметра до устройств весом в сотни тонн, используемых для соединения элементов энергосистемы.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор является линейным, без потерь и обладает идеальной связью. Идеальная связь подразумевает бесконечно высокую магнитную проницаемость сердечника и индуктивность обмоток, а также нулевую результирующую магнитодвижущую силу (т.е. ipnp − isns = 0). Переменный ток в первичной обмотке трансформатора создает переменный магнитный поток в сердечнике трансформатора, который также охватывает вторичную обмотку. Этот переменный поток во вторичной обмотке индуцирует переменную электродвижущую силу или напряжение во вторичной обмотке. Это явление электромагнитной индукции лежит в основе работы трансформатора, и в соответствии с законом Ленца, вторичный ток, возникающий таким образом, создает поток, равный по величине и противоположный по направлению потоку, созданному первичной обмоткой. Обмотки намотаны на сердечник с бесконечно высокой магнитной проницаемостью, так что весь магнитный поток проходит как через первичную, так и через вторичную обмотки. При подключении к первичной обмотке источника напряжения, а к вторичной – нагрузки, токи трансформатора текут в указанных направлениях, а магнитодвижущая сила сердечника компенсируется до нуля. Согласно закону Фарадея, поскольку один и тот же магнитный поток проходит через первичную и вторичную обмотки в идеальном трансформаторе, напряжение, индуцированное в каждой обмотке, пропорционально числу ее витков. Отношение напряжений обмоток трансформатора равно отношению числа витков обмоток. Идеальный трансформатор является разумным приближением для типичного коммерческого трансформатора, при котором отношение напряжений и отношение числа витков обмоток обратно пропорциональны соответствующему отношению токов. Импеданс нагрузки, отнесенный к первичной цепи, равен квадрату коэффициента трансформации, умноженному на импеданс нагрузки вторичной цепи.

Поток утечки

Идеальная модель трансформатора предполагает, что весь поток, создаваемый первичной обмоткой, охватывает все витки каждой обмотки, включая саму себя. На практике, часть потока проходит по путям, выводящим его за пределы обмоток. Этот поток называется потоком рассеяния и приводит к появлению индуктивности рассеяния, включенной последовательно с взаимно связанными обмотками трансформатора. Трансформаторы с рассеянием могут использоваться для питания нагрузок с отрицательным сопротивлением, таких как электрические дуги, ртутные и натриевые лампы, а также неоновые вывески, или для безопасной работы с нагрузками, которые периодически закорачиваются, например, электрическими сварочными аппаратами. Насыщаемый реактор использует насыщение сердечника для управления переменным током. Знание индуктивности рассеяния также полезно при параллельной работе трансформаторов. Можно показать, что если процентное сопротивление и отношение реактивного сопротивления обмотки к активному сопротивлению (X/R) двух трансформаторов были бы одинаковы, то трансформаторы делили бы мощность нагрузки пропорционально своим номинальным мощностям. Однако допуски на сопротивление коммерческих трансформаторов значительны. Кроме того, сопротивление и отношение X/R трансформаторов различной мощности, как правило, различаются.

Ядра

Трансформаторы с закрытым сердечником изготавливаются в форме "сердечника" или "оболочки". Если обмотки окружают сердечник, трансформатор имеет форму сердечника; если сердечник окружает обмотки, трансформатор имеет форму оболочки. Конструкция в форме сердечника, как правило, более экономична и, следовательно, более распространена, чем конструкция в форме оболочки для трансформаторов высокого напряжения в нижней части диапазона их напряжения и мощности (не более, номинально, 230 кВ или 75 МВА). При более высоких напряжениях и мощностях трансформаторы в форме оболочки, как правило, используются чаще. Конструкция в форме оболочки предпочтительна для сверхвысокого напряжения и больших значений MVA, поскольку, хотя она более трудоемка в производстве, трансформаторы в форме оболочки характеризуются более высоким отношением кВА к весу, лучшей устойчивостью к короткому замыканию и большей устойчивостью к повреждениям при транспортировке. Проницаемость стали во много раз превышает проницаемость вакуума, поэтому сердечник значительно снижает намагничивающий ток и направляет магнитный поток по пути, обеспечивающему тесное соединение обмоток. Первые разработчики трансформаторов быстро поняли, что сердечники из цельного железа приводят к неприемлемым потерям на вихревые токи, и их конструкции смягчили этот эффект, используя сердечники, состоящие из пучков изолированной железной проволоки. Универсальное уравнение ЭДС трансформатора можно использовать для расчета площади поперечного сечения сердечника для заданного уровня магнитного потока. Тонкие листы обычно используются в высокочастотных трансформаторах, при этом некоторые очень тонкие стальные листы могут работать при частоте до 10 кГц. Один из распространенных типов ламинированного сердечника изготавливается из перекрывающихся стопок стальных листов в форме буквы "Е", увенчанных деталями в форме буквы "I", что и дало ему название трансформатора "E I". Для защиты от перегрузки по току необходимо выбирать устройства, такие как предохранители, которые позволят безопасно пропускать кратковременный пусковой ток. В трансформаторах, подключенных к длинным воздушным линиям электропередачи, токи, индуцированные геомагнитными возмущениями во время солнечных бурь, могут вызвать насыщение сердечника и срабатывание устройств защиты трансформатора. Распределительные трансформаторы могут достигать низких потерь холостого хода, используя сердечники, изготовленные из низкосортной высокопроницаемой кремниевой стали или аморфного (некристаллического) металлического сплава. Более высокая первоначальная стоимость материала сердечника компенсируется в течение срока службы трансформатора его меньшими потерями при малой нагрузке.

Closed core transformers are constructed in 'core form' or 'shell form'. When windings surround the core, the transformer is core form; when windings are surrounded by the core, the transformer is shell form. Core form design tends to, as a general rule, be more economical, and therefore more prevalent, than shell form design for high voltage power transformer applications at the lower end of their voltage and power rating ranges (less than or equal to, nominally, 230 kV or 75 MVA). At higher voltage and power ratings, shell form transformers tend to be more prevalent. Shell form design tends to be preferred for extra high voltage and higher MVA applications because, though more labor intensive to manufacture, shell form transformers are characterized as having inherently better kVA to weight ratio, better short circuit strength characteristics and higher immunity to transit damage. The steel has a permeability many times that of free space and the core thus serves to greatly reduce the magnetizing current and confine the flux to a path which closely couples the windings. Early transformer developers soon realized that cores constructed from solid iron resulted in prohibitive eddy current losses, and their designs mitigated this effect with cores consisting of bundles of insulated iron wires. The transformer universal EMF equation can be used to calculate the core cross sectional area for a preferred level of magnetic flux. Thin laminations are generally used on high frequency transformers, with some of very thin steel laminations able to operate up to 10 kHz. One common design of laminated core is made from interleaved stacks of E shaped steel sheets capped with I shaped pieces, leading to its name of E I transformer. Overcurrent protection devices such as fuses must be selected to allow this harmless inrush to pass. On transformers connected to long, overhead power transmission lines, induced currents due to geomagnetic disturbances during solar storms can cause saturation of the core and operation of transformer protection devices. Distribution transformers can achieve low no load losses by using cores made with low loss high permeability silicon steel or amorphous (non crystalline) metal alloy. The higher initial cost of the core material is offset over the life of the transformer by its lower losses at light load.

Твердые ядра

Порошковые железные сердечники используются в схемах, таких как импульсные источники питания, работающие на частотах выше частоты сети и до нескольких десятков килогерц. Эти материалы сочетают в себе высокую магнитную проницаемость и высокое объемное электрическое сопротивление. Для частот, превышающих диапазон ВЧ (VHF), обычно используются сердечники из непроводящих магнитных керамических материалов, называемых ферритами. Ленточная конструкция обеспечивает оптимальную ориентацию границ зерен, повышая эффективность трансформатора за счет уменьшения магнитного сопротивления сердечника. Закрытая кольцевая форма исключает воздушные зазоры, свойственные конструкции сердечника EI.

Воздушные ядра

Трансформатор можно изготовить, расположив обмотки близко друг к другу; такая конструкция называется трансформатором с воздушным сердечником. Трансформатор с воздушным сердечником устраняет потери на гистерезис в материале сердечника. Воздушные сердечники также используются в резонансных трансформаторах, таких как катушки Тесла, где они могут обеспечивать относительно низкие потери, несмотря на низкую намагничивающую индуктивность.

Намотки

Электрический проводник, используемый для обмоток, зависит от области применения, но во всех случаях отдельные витки должны быть электрически изолированы друг от друга, чтобы обеспечить прохождение тока по каждому витку. Для небольших трансформаторов, где токи низкие и разность потенциалов между соседними витками мала, катушки часто наматываются эмалированной магнитной проволокой. Более крупные силовые трансформаторы могут быть обмотаны медными прямоугольными проводниками, изолированными маслом, пропитанной бумагой и блоками прессованного картона. Высокочастотные трансформаторы, работающие в диапазоне от десятков до сотен килогерц, часто имеют обмотки из литцендрата для минимизации потерь из-за скин-эффекта и эффекта близости. Крупные силовые трансформаторы также используют многожильные проводники, поскольку даже при низких частотах сети неравномерное распределение тока могло бы возникнуть в обмотках с высоким током. Небольшие сухие и масляные трансформаторы часто охлаждаются естественной конвекцией и теплоотдачей посредством излучения. С увеличением мощности трансформаторы часто охлаждаются принудительным воздушным охлаждением, принудительным масляным охлаждением, водяным охлаждением или их комбинациями. Большие трансформаторы заполнены трансформаторным маслом, которое одновременно охлаждает и изолирует обмотки. Трансформаторное масло обычно представляет собой высокоочищенное минеральное масло, которое охлаждает обмотки и изоляцию, циркулируя внутри бака трансформатора. Система минерального масла и бумажной изоляции широко изучалась и используется уже более 100 лет. По оценкам, 50% силовых трансформаторов прослужат 50 лет, средний срок службы до отказа силовых трансформаторов составляет около 10–15 лет, и примерно 30% отказов силовых трансформаторов обусловлены неисправностями изоляции и перегрузками. Длительная работа при повышенной температуре ухудшает изоляционные свойства изоляции обмоток и диэлектрической охлаждающей жидкости, что не только сокращает срок службы трансформатора, но и в конечном итоге может привести к катастрофическому выходу из строя. В настоящее время могут использоваться нетоксичные, стабильные масла на основе силикона или фторированные углеводороды, когда стоимость огнестойкой жидкости компенсирует дополнительные затраты на строительство трансформаторного зала. Однако длительный срок службы трансформаторов может означать, что потенциал воздействия может оставаться высоким даже после запрета на их использование. Некоторые трансформаторы газоизолированы. Их обмотки заключены в герметичные резервуары под давлением и часто охлаждаются азотом или гексафторидом серы.

The electrical conductor used for the windings depends upon the application, but in all cases the individual turns must be electrically insulated from each other to ensure that the current travels throughout every turn. For small transformers, in which currents are low and the potential difference between adjacent turns is small, the coils are often wound from enamelled magnet wire. Larger power transformers may be wound with copper rectangular strip conductors insulated by oil impregnated paper and blocks of pressboard. High frequency transformers operating in the tens to hundreds of kilohertz often have windings made of braided Litz wire to minimize the skin effect and proximity effect losses. Large power transformers use multiple stranded conductors as well, since even at low power frequencies non uniform distribution of current would otherwise exist in high current windings. Small dry type and liquid immersed transformers are often self cooled by natural convection and radiation heat dissipation. As power ratings increase, transformers are often cooled by forced air cooling, forced oil cooling, water cooling, or combinations of these. Large transformers are filled with transformer oil that both cools and insulates the windings. Transformer oil is often a highly refined mineral oil that cools the windings and insulation by circulating within the transformer tank. The mineral oil and paper insulation system has been extensively studied and used for more than 100 years. It is estimated that 50% of power transformers will survive 50 years of use, that the average age of failure of power transformers is about 10 to 15 years, and that about 30% of power transformer failures are due to insulation and overloading failures. Prolonged operation at elevated temperature degrades insulating properties of winding insulation and dielectric coolant, which not only shortens transformer life but can ultimately lead to catastrophic transformer failure. Today, non toxic, stable silicone based oils, or fluorinated hydrocarbons may be used where the expense of a fire resistant liquid offsets additional building cost for a transformer vault. However, the long life span of transformers can mean that the potential for exposure can be high long after banning. Some transformers are gas insulated. Their windings are enclosed in sealed, pressurized tanks and often cooled by nitrogen or sulfur hexafluoride gas.

Изоляция

Должна быть обеспечена изоляция между отдельными витками обмотки, между обмотками, между обмотками и сердечником, а также на выводах обмотки. Межвитковая изоляция небольших трансформаторов может представлять собой слой изоляционного лака на проводе. Между слоями обмотки, а также между первичной и вторичной обмотками, может быть вставлен слой бумаги или полимерной пленки. Трансформатор может быть покрыт или погружен в полимерную смолу для повышения прочности обмотки и защиты от влаги или коррозии. Смола может проникать в изоляцию обмотки с использованием комбинации вакуума и давления в процессе нанесения, устраняя все воздушные включения в обмотке. В предельном случае вся катушка может быть помещена в форму, и смола заливается вокруг нее в виде монолитного блока, герметизируя обмотки. В больших масляных силовых трансформаторах используются обмотки, обернутые изоляционной бумагой, которая пропитывается маслом при сборке трансформатора. Масляные трансформаторы используют высокоочищенное минеральное масло для изоляции и охлаждения обмоток и сердечника. Конструкция масляных трансформаторов требует тщательной сушки изоляции, покрывающей обмотки, от остаточной влаги перед заливкой масла. Сушка может осуществляться путем циркуляции горячего воздуха вокруг сердечника, циркуляции внешне нагретого трансформаторного масла или парофазной сушкой (VPD), при которой испаренный растворитель передает тепло посредством конденсации на катушке и сердечнике. Для небольших трансформаторов используется резистивный нагрев путем подачи тока в обмотки.

Бушинги

Крупные трансформаторы оснащаются высоковольтными изолирующими втулками, изготовленными из полимеров или фарфора. Большая втулка может представлять собой сложную конструкцию, поскольку она должна обеспечивать точный контроль градиента электрического поля, предотвращая при этом утечку масла из трансформатора.

Приложения

Различные конкретные конструкции электротехнических устройств требуют разнообразных типов трансформаторов. Хотя все они основаны на общих принципах работы трансформаторов, они адаптируются по конструкции или электрическим свойствам к определенным требованиям к установке или условиям в цепи. В системах передачи электроэнергии трансформаторы обеспечивают передачу электроэнергии при высоком напряжении, что снижает потери на нагрев проводов. Это позволяет экономично размещать электростанции на удалении от потребителей электроэнергии. Подавляющая часть мировой электроэнергии проходит через ряд трансформаторов, прежде чем достигает конечного потребителя. Электромагнитная индукция, лежащая в основе работы трансформатора, была независимо открыта Майклом Фарадеем в 1831 году и Джозефом Генри в 1832 году. Только Фарадей продолжил свои эксперименты до вывода уравнения, описывающего взаимосвязь между ЭДС и магнитным потоком, известного как закон электромагнитной индукции Фарадея:

где – величина ЭДС в вольтах, а ΦB – магнитный поток через цепь в веберах. Фарадей провел первые эксперименты по индукции между катушками с проволокой, в том числе обмотал пару катушек вокруг железного кольца, создав таким образом первый тороидальный трансформатор с замкнутым сердечником. Однако он подавал на свой трансформатор только отдельные импульсы тока и так и не обнаружил взаимосвязь между отношением витков и ЭДС в обмотках.

Индукционные катушки

Первым широко используемым трансформатором была индукционная катушка, изобретенная ирландским католическим священником Николасом Калланом из колледжа Мэйнут, Ирландия, в 1836 году. В 1878 году фабрика Ганца в Будапеште, Венгрия, начала производство оборудования для электрического освещения, и к 1883 году в Австро-Венгрии было установлено более пятидесяти таких систем. Их системы переменного тока использовали дуговые и лампы накаливания, генераторы и другое оборудование. В 1882 году Люсьен Гаулард и Джон Диксон Гиббс впервые продемонстрировали устройство с первоначально широко критикуемым открытым железным сердечником из ламинированных пластин, названным «вторичным генератором», в Лондоне, а затем продали эту идею компании Westinghouse в Соединенных Штатах в 1886 году. Они также представили свое изобретение в Турине, Италия, в 1884 году, где оно имело большой успех и было внедрено в систему электрического освещения. Их устройство использовало фиксированное соотношение 1:1 для питания последовательной цепи для потребителя (ламп). Напряжение в их системе регулировалось путем перемещения открытого железного сердечника внутрь и наружу.

Распределение трансформаторов с ранней серией

Индукционные катушки с открытыми магнитными цепями неэффективны при передаче мощности нагрузкам. До примерно 1880 года общепринятой схемой передачи переменного тока от источника высокого напряжения к низковольтной нагрузке была последовательная цепь. Трансформаторы с открытым сердечником с коэффициентом трансформации, близким к 1:1, соединялись первичными обмотками последовательно, чтобы обеспечить использование высокого напряжения для передачи, одновременно подавая низкое напряжение на лампы. Основным недостатком этого метода было то, что отключение одной лампы (или другого электрического устройства) влияло на напряжение, подаваемое на все остальные устройства в той же цепи. Для компенсации этой проблемной характеристики последовательной цепи было разработано множество конструкций регулируемых трансформаторов, включая те, которые использовали методы регулировки сердечника или обхода магнитного потока вокруг части катушки. [[Изображение:Trafo1885.jpg|thumb|right|Трансформатор оболочечного типа. Эскиз, использованный Уппенборном для описания патентов и ранних публикаций инженеров ZBD 1885 года. Первый экземпляр был изготовлен по следующим техническим характеристикам: 1400 Вт, 40 Гц, 120:72 В, 11,6:19,4 А, коэффициент трансформации 1,67:1, однофазный, оболочечного типа. В обоих вариантах конструкции магнитный поток, сцепляющий первичную и вторичную обмотки, проходил почти полностью внутри железного сердечника, без преднамеренного пути через воздух (см. Тороидальные сердечники ниже). Новые трансформаторы были в 3,4 раза эффективнее биполярных устройств с открытым сердечником Гауларда и Гиббса. Патенты ZBD включали два других важных взаимосвязанных нововведения: одно касалось использования параллельно соединенных, а не последовательно соединенных, потребительских нагрузок, а другое – возможности использования трансформаторов с высоким коэффициентом трансформации, при котором напряжение сети питания могло быть значительно выше (первоначально 1400–2000 В), чем напряжение потребительских нагрузок (первоначально предпочтительно 100 В). При использовании в параллельно соединенных системах распределения электроэнергии трансформаторы с закрытым сердечником, наконец, сделали технически и экономически целесообразным обеспечение электроэнергией для освещения домов, предприятий и общественных мест. Блати предложил использовать закрытые сердечники, Зиперновский предложил использовать параллельные шунтовые соединения, а Дери провел эксперименты; в начале 1885 года те же три инженера также решили проблему потерь на вихревые токи, изобретя ламинирование электромагнитных сердечников. Современные трансформаторы проектируются на основе принципов, открытых этими тремя инженерами. Они также популяризировали слово «трансформатор» для обозначения устройства, изменяющего ЭДС электрического тока, хотя этот термин уже использовался к 1882 году. В 1886 году инженеры ZBD разработали, а завод Ganz поставил электрическое оборудование для первой в мире электростанции, использующей генераторы переменного тока для питания параллельно соединенной общей электрической сети – паровой электростанции Rome Cerchi.

Induction coils with open magnetic circuits are inefficient at transferring power to loads. Until about 1880, the paradigm for AC power transmission from a high voltage supply to a low voltage load was a series circuit. Open core transformers with a ratio near 1:1 were connected with their primaries in series to allow use of a high voltage for transmission while presenting a low voltage to the lamps. The inherent flaw in this method was that turning off a single lamp (or other electric device) affected the voltage supplied to all others on the same circuit. Many adjustable transformer designs were introduced to compensate for this problematic characteristic of the series circuit, including those employing methods of adjusting the core or bypassing the magnetic flux around part of a coil. [[Image:Trafo1885. jpg|thumb|right|Shell form transformer. Sketch used by Uppenborn to describe ZBD engineers' 1885 patents and earliest articles. This first unit had been manufactured to the following specifications: 1,400 W, 40 Hz, 120:72 V, 11.6:19.4 A, ratio 1.67:1, one phase, shell form. In both designs, the magnetic flux linking the primary and secondary windings traveled almost entirely within the confines of the iron core, with no intentional path through air (see Toroidal cores below). The new transformers were 3.4 times more efficient than the open core bipolar devices of Gaulard and Gibbs. The ZBD patents included two other major interrelated innovations: one concerning the use of parallel connected, instead of series connected, utilization loads, the other concerning the ability to have high turns ratio transformers such that the supply network voltage could be much higher (initially 1,400 to 2,000 V) than the voltage of utilization loads (100 V initially preferred). When employed in parallel connected electric distribution systems, closed core transformers finally made it technically and economically feasible to provide electric power for lighting in homes, businesses and public spaces. Bláthy had suggested the use of closed cores, Zipernowsky had suggested the use of parallel shunt connections, and Déri had performed the experiments; In early 1885, the three engineers also eliminated the problem of eddy current losses with the invention of the lamination of electromagnetic cores. Transformers today are designed on the principles discovered by the three engineers. They also popularized the word 'transformer' to describe a device for altering the EMF of an electric current although the term had already been in use by 1882. In 1886, the ZBD engineers designed, and the Ganz factory supplied electrical equipment for, the world's first power station that used AC generators to power a parallel connected common electrical network, the steam powered Rome Cerchi power plant.

Улучшения Westinghouse

Основываясь на достижениях в области технологии переменного тока в Европе, Джордж Уэстингхаус основал компанию Westinghouse Electric в Питтсбурге, штат Пенсильвания, 8 января 1886 года. Новая фирма активно занялась разработкой инфраструктуры электричества переменного тока (AC) по всей территории Соединенных Штатов. Edison Electric Light Company владела опционом на права в США на трансформаторы ZBD, что вынуждало Westinghouse разрабатывать альтернативные конструкции, основанные на тех же принципах. В феврале 1886 года Джордж Уэстингхаус приобрел патенты Гауларда и Гиббса за 50 000 долларов. Он поручил Уильяму Стэнли задачу перепроектировать трансформатор Гауларда и Гиббса для коммерческого использования в Соединенных Штатах. Первый запатентованный Стэнли дизайн представлял собой индукционные катушки с одинарными сердечниками из мягкого железа и регулируемыми воздушными зазорами для регулирования ЭДС во вторичной обмотке (см. рисунок). Этот дизайн впервые был коммерчески использован в США в 1886 году, но Уэстингхаус стремился улучшить конструкцию Стэнли, чтобы сделать ее (в отличие от трансформаторов типа ZBD) простой и дешевой в производстве. В 1891 году Никола Тесла изобрел катушку Тесла – воздушный, двойной резонансный трансформатор для получения очень высоких напряжений на высокой частоте. Аудиочастотные трансформаторы ("повторительные катушки") использовались первыми экспериментаторами при разработке телефона.