для чего применяется трансформатор с подвижным сердечником
Трансформаторы специального назначения
Трансформаторы специального назначения – это трансформаторы, изготовленные для узкой специальной области применения.
Основными из них являются:
1) Трансформатор для дуговой электросварки (рис. 31):
– представляет собой однофазный понижающий трансформатор, преобразующий напряжение сети 220 или 380 В в напряжение (60÷70) В, необходимое для устойчивого горения электрической дуги. Т. к. сопротивление электрической дуги очень мало, сварочный трансформатор работает в режиме, близком к короткому замыканию. Поэтому для ограничения величины тока во вторичную цепь трансформатора последовательно включают дроссель с подвижным сердечником. Изменяя величину воздушного зазора в магнитной цепи дросселя, можно плавно менять величину индуктивного сопротивления дросселя и, следовательно, величину сварочного тока.
2) Трансформатор с подвижным сердечником – это трансформатор, сердечник которого имеет неподвижную часть с первичной обмоткой и подвижную часть с вторичной обмоткой, расположенную внутри неподвижной. Первичная обмотка выполнена из двух катушек, включенных встречно. Если такой трансформатор включить в цепь аналогично вольтдобавочному трансформатору то, изменяя положение подвижного сердечника с вторичной обмоткой, можно плавно регулировать вторичное напряжение.
Рис. 31. Схема включения (а) и внешние характеристики (б) трансформатора для электродуговой сварки.
3) Трансформатор с подвижным сердечником (рис. 32) – это трансформатор, сердечник которого имеет неподвижную часть с первичной обмоткой и подвижную часть с вторичной обмоткой, расположенную внутри неподвижной. Первичная обмотка выполнена из двух катушек, включенных встречно. Если такой трансформатор включить в цепь аналогично вольтдобавочному трансформатору то, изменяя положение подвижного сердечника с вторичной обмоткой, можно плавно регулировать вторичное напряжение.
4) Трансформаторы для выпрямительных установок (рис. 33) – это трансформаторы, во вторичную цепь которых включены вентили, преобразующие переменный ток в пульсирующий. Массогабариты трансформаторов для выпрямительных установок всегда больше, чем у трансформаторов такой же выходной мощности, но при синусоидальных токах в обмотках. Это объясняется тем, что в трансформаторах, работающих в выпрямительных схемах, полезная мощность определяется постоянной составляющей вторичного тока, нагрев обмоток – полным вторичным и первичным токами, содержащими высшие гармоники.
Первичную (сетевую) обмотку трёхфазных выпрямительных трансформаторов обычно соединяют в «звезду» или в «треугольник», а вторичную (вентильную) соединяют так, чтобы обеспечить преобразование одно – или трёхфазного тока в многофазный с числом фаз, необходимым для соответствующей схемы преобразования. Чем больше фаз, тем меньше пульсация выпрямленного напряжения. В выпрямителях однофазного тока на электровозах применяют двухфазные (двухимпульсовые) схемы. На тяговых подстанциях применяют шестифазные (шестиимпульсовые) схемы, а иногда и двенадцатифазные (двенадцатиимпульсовые).
Рис. 32. Конструкция (а) и принципиальная схема (б) трансформатора с подвижным сердечником.
Рис. 33. Принципиальная схема однополупериодного выпрямителя (а), токи и напряжения в обмотках трансформатора (б) и трёхфазный однополупериодный выпрямитель (в).
5) Трансформатор, регулируемый подмагничиванием шунтов (рис. 34) – это трансформатор, имеющий три последовательно и согласно соединённых обмотки, одна из которых (цепь подмагничивания) питается постоянным током. При изменении постоянного тока в цепи подмагничивания, на выходе трансформатора плавно изменяется напряжение.
Рис. 34. Трансформатор, регулируемый подмагничиванием шунтов: конструкция (а) и зависимость вторичного напряжения от постоянного тока подмагничивания (б).
5) Импульсные трансформаторы – служат для трансформации кратковременных импульсов напряжения при минимальных искажениях их формы. Для уменьшения искажений, обусловленных влиянием гистерезиса, вихревых токов, паразитных ёмкостей и индуктивностей рассеивания, обмотки импульсных трансформаторов делают малослойными, а сердечники выполняют витыми из холоднокатаной электротехнической стали или из пермаллоя.
6) Пик–трансформаторы – предназначены для преобразования синусоидального напряжения в напряжение пикообразной формы, которое необходимо для отпирания управляемых вентилей (тиристоров), тиратронов и др. Пик трансформатор представляет собой двухобмоточный трансформатор с сильно насыщенным магнитопроводом и линейным активным или индуктивным сопротивлением в цепи первичной обмотки. Благодаря этому во вторичной обмотке индуктируется ЭДС в виде кратковременных импульсов, максимумы которых соответствуют моментам прохождения тока трансформатора через нуль.
7) Реакторы (дроссели) – это статические электромагнитные устройства, предназначенные для использования их индуктивностей в электрических цепях. Реактор представляет собой катушку с ферромагнитным сердечником.
В зависимости от назначения реакторы бывают:
а) сглаживающие – для сглаживания пульсаций выпрямленного тока, в том числе и в цепях тяговых двигателей на электровозах и электропоездах переменного тока;
б) переходные – для переключения выводов трансформатора;
в) делительные – для равномерного распределения тока нагрузки между параллельно включенными вентилями;
г) токоограничивающие – для ограничения тока короткого замыкания;
д) помехоподавляющие – для подавления радиопомех, возникающих при работе электрических машин и аппаратов;
ж) индуктивные шунты – для распределения при переходных процессах тока между обмотками возбуждения тяговых двигателей и включенными параллельно им резисторами и др.
Виды и характеристика специальных трансформаторов
Специальные трансформаторы представляют собой особый тип устройств, предназначенных для выполнения определенных целей. Наиболее популярными и востребованными являются трехобмоточные, автомобильные, измерительные варианты. Каждая техника обладает собственными видами подключения, нюансами использования.
Специальный трансформатор — это не определенное устройство, а класс оборудования, который включает в себя несколько видов.
Трехобмоточный
Трехобмоточный тип необходим для корректного распределения поступающий электрической энергии. Используется в радиотехнике, является небольшим по габаритам и весу специальным трансформатором. Он заменяет два двухомоточных, так как с его помощью получают два вида энергии по номинальным показателям. Качество позволяет упростить работу инженера, потратить меньше на прибор.
Схема трехобмоточного типа проста. Присутствует три несвязанных друг с другом обмотки, которые находятся на одном стержне. На первичную обмотку поступает энергия, создается магнитный поток.
В результате обмотки 2 и 3 дают различные номинальные показатели, при этом в сумме они всегда дают большее число, чем одна первая.
Под номинальный мощностью понимают показатель первичной, хотя в целом, если учитывать суммирование второй и третьей, то оно будет выше.
Автомобильные
Специальные типы автомобильных трансформаторов широко применяются в конструировании средств передвижения. В отличии от обычного оборудования есть связь сторон ВН и НН (последняя часть обмотки первой). В зависимости от числа витков изменяется то, будет ли коэффициент повышающими или понижающим. Ток нагрузки действует на участок обмотки не целиком, а выборочно, при этом трансформация не отличается от единицы. Токи практически идентичные, в результате возникают показатели небольшие. Устанавливают провода меньшего сечения, так как это не влияет на функциональность. Обратите внимание, что:
Несмотря на все преимущества автомобильные трансформаторы имеют некоторые недостатки. Среди ни выделяют:
Трансформаторы такого типа подбираются в строгом соответствии с требованиями автомобильно транспорта.
Измерительные
Измерительные трансформаторы используются для расширения функционала приборов. В результате внедрения оборудования в конструкцию снижается риск короткого замыкания — повышается безопасность на производстве. Измерительная техника применяется в устройствах сигнализации, релейной защиты и автоматических устройствах.
Прибор состоит из нескольких обмоток и магнитного провода. Первичная подключается последовательным образом, включается в сеть. Вторичная имеет обмотки меньшего сечения, но большее число. К устройству подключатся счетчики, амперметры, катушки, трансформаторы работают на токах от 5 до 15 тысяч Ампер. Коэффициент трансформации — это сумма токов внешней и внутренней обмоток. Узнать значение параметра можно на эксплуатационном листе измерительного трансформатора.
Приборы этого типа разделяются по классу точности. Погрешность выражается в процентном соотношении тока. Вторичная нагрузка соответствует каждому варианту точности, при этом если она максимальная, то погрешность увеличивается.
Трансформаторы напряжения
Устройства применяются в схемах оборудования с напряжением от 380 В. Схема схожа с силовыми понижающими приборами. Первичная обмотка состоит из конструкций малого сечения, подключается параллельно. Вторичная имеет большие по размеру витки. Сопротивление приборов вольметров, катушек, частотометров максимальное, при помощи трансформатора напряжения понижающего типа вносят корректировку в работу.
Максимальный порог возможностей — до 500 тысяч В, следовательно оборудование может использоваться в технических устройствах, установленных в городе, на подстанциях, в метро. Имеют различный класс точности, в эксплуатационном листе выражены к проценты в В. Конструктивные особенности различные в зависимости от используемого напряжения. Для устройства, предназначенных для обработки напряжения до 3 тысяч используются сухие конструкции с охлаждением воздухом.
Если параметр превышает значение 3 тысяч, то обязательно применяют специальные масляные варианты, при этом кожух заземляют во избежание производственных травм.
Специальные трансформаторы — особый класс устройств, выполняющих специфические задачи. Подбираются в строгом соответствии с назначением.
Трансформаторы в составе печей сопротивления
К специальным трансформаторам, также можно отнести трансформаторы, используемые в составе печей сопротивления и соляных электродных ваннах. В большинстве случаев, для этих целей применяются трансформаторы сухого типа с естественным воздушным охлаждением.
Особенностью таких печных трансформаторов является наличие нескольких ступеней регулирования, как правило, не более 8-ми. С одной стороны, это обусловлено необходимостью иметь несколько температурных режимов печи, а с другой – материалом нагревателей, которые могут менять в широких пределах свое сопротивление при изменении температуры. Как правило, переключение ступеней регулирования напряжения происходит без возбуждения, путем изменения числа витков первичной обмотки.
Также особенностью таких трансформаторов являются относительно низкие величины вторичного напряжения и большие токи обмотки низкого напряжения. Так как нагрузка в печах сопротивления и соляных электрованнах носит относительно спокойный характер (без режимов эксплуатационных коротких замыканий), то в остальном, конструкция таких трансформаторов может быть идентична сухим силовым трансформаторам общего назначения.
В отечественной промышленности наиболее распространенными типами таких специальных трансформаторов являются печные трансформаторы серий ТЭСК и ОЭСК.
Устройство и принцип работы трансформатора
Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем знакомство с электронными компонентами и в этой статье рассмотрим устройство и принцип работы трансформатора.
Трансформаторы нашли широкое применение в радио и электротехнике и применяются для передачи и распределения электрической энергии в сетях энергосистем, для питания схем радиоаппаратуры, в преобразовательных устройствах, качестве сварочных трансформаторов и т.п.
Трансформатор предназначен для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины.
В большинстве случаев трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника) с расположенными на нем двумя катушками (обмотками) электрически не связанных между собой. Магнитопровод изготавливают из ферромагнитного материала, а обмотки мотают медным изолированным проводом и размещают на магнитопроводе.
Одна обмотка подключается к источнику переменного тока и называется первичной (I), с другой обмотки снимается напряжение для питания нагрузки и обмотка называется вторичной (II). Схематичное устройство простого трансформатора с двумя обмотками показано на рисунке ниже.
1. Принцип работы трансформатора.
Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.
Если на первичную обмотку подать переменное напряжение U1, то по виткам обмотки потечет переменный ток Io, который вокруг обмотки и в магнитопроводе создаст переменное магнитное поле. Магнитное поле образует магнитный поток Фo, который проходя по магнитопроводу пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует (наводит) в них переменные ЭДС – е1 и е2. И если к выводам вторичной обмотки подключить вольтметр, то он покажет наличие выходного напряжения U2, которое будет приблизительно равно наведенной ЭДС е2.
При подключении к вторичной обмотке нагрузки, например, лампы накаливания, в первичной обмотке возникает ток I1, образующий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1 изменяющийся с той же частотой, что и ток I1. Под воздействием переменного магнитного потока в цепи вторичной обмотки возникает ток I2, создающий в свою очередь противодействующий согласно закону Ленца магнитный поток Ф2, стремящийся размагнитить порождающий его магнитный поток.
В результате размагничивающего действия потока Ф2 в магнитопроводе устанавливается магнитный поток Фo равный разности потоков Ф1 и Ф2 и являющийся частью потока Ф1, т.е.
Результирующий магнитный поток Фo обеспечивает передачу магнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу е2, под воздействием которой во вторичной цепи течет ток I2. Именно благодаря наличию магнитного потока Фo и существует ток I2, который будет тем больше, чем больше Фo. Но и в то же время чем больше ток I2, тем больше противодействующий поток Ф2 и, следовательно, меньше Фo.
Из сказанного следует, что при определенных значениях магнитного потока Ф1 и сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки устанавливаются соответствующие значения ЭДС е2, тока I2 и потока Ф2, обеспечивающие равновесие магнитных потоков в магнитопроводе, выражаемое формулой приведенной выше.
Таким образом, разность потоков Ф1 и Ф2 не может быть равна нулю, так как в этом случае отсутствовал бы основной поток Фo, а без него не мог бы существовать поток Ф2 и ток I2. Следовательно, магнитный поток Ф1, создаваемый первичным током I1, всегда больше магнитного потока Ф2, создаваемого вторичным током I2.
Величина магнитного потока зависит от создающего его тока и от числа витков обмотки, по которой он проходит.
Напряжение вторичной обмотки зависит от соотношения чисел витков в обмотках. При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке будет приблизительно равно напряжению, подаваемому на первичную обмотку, и такой трансформатор называют разделительным.
Если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подаваемого на первичную обмотку, и такой трансформатор называют повышающим.
Если же вторичная обмотка содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее будет меньше, чем напряжение подаваемое на первичную обмотку, и такой трансформатор называют понижающим.
Следовательно. Путем подбора числа витков обмоток, при заданном входном напряжении U1 получают желаемое выходное напряжение U2. Для этого пользуются специальными методиками по расчету параметров трансформаторов, с помощью которых производится расчет обмоток, выбирается сечение проводов, определяются числа витков, а также толщина и тип магнитопровода.
Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то в магнитопроводе образуется магнитный поток постоянный во времени, по величине и направлению. В этом случае в первичной и вторичной обмотках не будет индуцироваться переменное напряжение, а следовательно, не будет передаваться электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Однако если в первичной обмотке трансформатора будет течь пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение частота которого будет равна частоте пульсации тока в первичной обмотке.
2. Устройство трансформатора.
2.1. Магнитопровод. Магнитные материалы.
Назначение магнитопровода заключается в создании для магнитного потока замкнутого пути, обладающего минимальным магнитным сопротивлением. Поэтому магнитопроводы для трансформаторов изготавливают из материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях. Материалы должны иметь малые потери на вихревые токи, чтобы не перегревать магнитопровод при достаточно больших значениях магнитной индукции, быть достаточно дешевыми и не требовать сложной механической и термической обработки.
Магнитные материалы, используемые для изготовления магнитопроводов, выпускаются в виде отдельных листов, либо в виде длинных лент определенной толщины и ширины и называются электротехническими сталями.
Листовые стали (ГОСТ 802-58) изготавливаются методом горячей и холодной прокатки, ленточные текстурованные стали (ГОСТ 9925-61) только методом холодной прокатки.
Также применяют железноникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллой, перминдюр и др. (ГОСТ 10160-62), и низкочастотные магнитомягкие ферриты.
Для изготовления разнообразных относительно недорогих трансформаторов широко применяются электротехнические стали, имеющие небольшую стоимость и позволяющие трансформатору работать как при постоянном подмагничивании магнитопровода, так и без него. Наибольшее применение нашли холоднокатаные стали, имеющие лучшие характеристики по сравнению со сталями горячей прокатки.
Сплавы с высокой магнитной проницаемостью применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, предназначенных для работы при повышенных и высоких частотах 50 – 100 кГц.
Недостатком таких сплавов является их высокая стоимость. Так, например, стоимость пермаллоя в 10 – 20 раз выше стоимости электротехнической стали, а пермендюра – в 150 раз. Однако в ряде случаев их применение позволяет существенно снизить массу, объем и даже общую стоимость трансформатора.
Из магнитомягких низкочастотных ферритов с высокой начальной проницаемостью изготавливают прессованные магнитопроводы, которые применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, работающих на высоких частотах от 50 – 100 кГц. Достоинством ферритов является невысокая стоимость, а недостатком является низкая индукция насыщения (0,4 – 0,5 Т) и сильная температурная и амплитудная нестабильность магнитной проницаемости. Поэтому их применяют лишь при слабых полях.
Выбор магнитных материалов производится исходя из электромагнитных характеристик с учетом условий работы и назначения трансформатора.
2.2. Типы магнитопроводов.
Магнитопроводы трансформаторов разделяются на шихтованные (штампованные) и ленточные (витые), изготавливаемые из листовых материалов и прессованные из ферритов.
Шихтованные магнитопроводы набираются из плоских штампованных пластин соответствующей формы. Причем пластины могут быть изготовлены практически из любых, даже очень хрупких материалов, что является достоинством этих магнитопроводов.
Ленточные магнитопроводы изготавливаются из тонкой ленты, намотанной в виде спирали, витки которой прочно соединены между собой. Достоинством ленточных магнитопроводов является полное использование свойств магнитных материалов, что позволяет уменьшить массу, размеры и стоимость трансформатора.
В зависимости от типа магнитопровода трансформаторы подразделяются на стрежневые, броневые и тороидальные. При этом каждый из этих типов может быть и стрежневым и ленточным.
В магнитопроводах стержневого типа обмотки располагается на двух стержнях (стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки). Это усложняет конструкцию трансформатора, но уменьшает толщину намотки, что способствует снижению индуктивности рассеяния, расхода проволоки и увеличивает поверхность охлаждения.
Стержневые магнитопроводы используют в выходных трансформаторах с малым уровнем помех, так как они малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей низкой частоты. Это объясняется тем, что под влиянием внешнего магнитного поля в обеих катушках индуцируются напряжения, противоположные по фазе, которые при равенстве витков обмоток компенсируют друг друга. Как правило, стержневыми выполняются трансформаторы большой и средней мощности.
В магнитопроводе броневого типа обмотка располагается на центральном стержне. Это упрощает конструкцию трансформатора, позволяет получить более полное использование окна обмоткой, а также создает некоторую механическую защиту обмотки. Поэтому такие магнитопроводы получили наибольшее применение.
Некоторым недостатком броневых магнитопроводов является их повышенная чувствительность к воздействию магнитных полей низкой частоты, что делает их малопригодными к использованию в качестве выходных трансформаторов с малым уровнем помех. Чаще всего броневыми выполняются трансформаторы средней мощности и микротрансформаторы.
Тороидальные или кольцевые трансформаторы позволяют полнее использовать магнитные свойства материала, имеют малые потоки рассеивания и создают очень слабое внешнее магнитное поле, что особенно важно в высокочастотных и импульсных трансформаторах. Но из-за сложности изготовления обмоток не получили широкого применения. Чаще всего их делают из феррита.
Для уменьшения потерь на вихревые токи шихтованные магнитопроводы набираются из штампованных пластин толщиной 0,35 – 0,5 мм, которые с одной стороны покрывают слоем лака толщиной 0,01 мм или оксидной пленкой.
Лента для ленточных магнитопроводов имеет толщину от нескольких сотых до 0,35 мм и также покрывается электроизолирующей и одновременно склеивающейся суспензией или оксидной пленкой. И чем тоньше слой изоляции, тем плотнее происходит заполнение сечения магнитопровода магнитным материалом, тем меньше габаритные размеры трансформатора.
За последнее время наряду с рассмотренными «традиционными» типами магнитопроводов находят применение новые формы, к числу которых следует отнести магнитопроводы «кабельного» типа, «обращенный тор», катушечный и др.
На этом пока закончим. Продолжим во второй части.
Удачи!
1. В. А. Волгов – «Детали и узлы радио-электронной аппаратуры», Энергия, Москва 1977 г.
2. В. Н. Ванин – «Трансформаторы тока», Издательство «Энергия» Москва 1966 Ленинград.
3. И. И. Белопольский – «Расчет трансформаторов и дросселей малой моности», М-Л, Госэнергоиздат, 1963 г.
4. Г. Н. Петров – «Трансформаторы. Том 1. Основы теории», Государственное Энергетическое Издательство, Москва 1934 Ленинград.
5. В. Г. Борисов, – «Юный радиолюбитель», Москва, «Радио и связь» 1992 г.