Трансформатор

Устройство для передачи энергии между цепями

Базовый трансформатор, состоящий из двух катушек медного провода, намотанных на магнитный сердечник.

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 наведенного 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. ^[1] В электронике и электроэнергетике 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:

где - мгновенное напряжение , - количество витков в обмотке, dΦ/dt - производная магнитного потока Φ через один виток обмотки по времени ( t ), а индексы _P и _S обозначают первичную и вторичную обмотку. ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle N}$

Объединив соотношение ур. 1 и уравнение 2:

где для повышающего трансформатора а < ​​1, а для понижающего а > 1. ^[3]

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

где полная мощность и ток . ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle I}$

Объединение уравнения. 3 и уравнение. 4 с этой сноской ^{[b] [4] дает} идентичность идеального трансформатора :

где - самоиндукция обмотки. ${\displaystyle L}$

По закону Ома и тождеству идеального трансформатора:

где – полное сопротивление нагрузки вторичной цепи; & – кажущееся сопротивление нагрузки или точки возбуждения первичной цепи, верхний индекс обозначает первичную цепь. ${\displaystyle Z_{\text{L}}}$ ${\displaystyle Z'_{\text{L}}}$ ${\displaystyle '}$

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). ^{[3] [с]}

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 ^[d]

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 лежит в основе 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. ^[6]

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. ^[7]

Настоящий трансформер

Поток рассеяния трансформатора

Отклонения от идеального трансформатора

Модель идеального трансформатора игнорирует многие основные линейные аспекты реальных трансформаторов, включая неизбежные потери и неэффективность. ^[8]

(a) Потери в сердечнике, называемые потерями тока намагничивания, состоящие из ^[9]

• 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 ^[9]
• 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 ^[10]

• 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

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. ^[11] Такой поток называется потоком рассеяния и приводит к образованию индуктивности рассеяния последовательно со взаимно связанными обмотками трансформатора. ^[12] 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. ^[11] Поэтому трансформаторы обычно проектируются с очень низкой индуктивностью 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. ^[12] 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 . ^{[9] : 485}

Воздушные зазоры также используются для предотвращения насыщения трансформатора, особенно трансформаторов звуковой частоты в цепях, в обмотках которых протекает составляющая постоянного тока. ^[13] Реактор с насыщением использует насыщение активной зоны для управления переменным током.

Знание индуктивности рассеяния также полезно при параллельной работе трансформаторов. Можно показать, что если бы процентное сопротивление ^[e] и соответствующее соотношение реактивного сопротивления рассеяния обмотки к сопротивлению ( X / R ) двух трансформаторов были одинаковыми, трансформаторы разделили бы мощность нагрузки пропорционально их соответствующим номиналам. Однако допуски по сопротивлению коммерческих трансформаторов значительны. Кроме того, импеданс и соотношение X/R трансформаторов различной мощности имеют тенденцию различаться. ^[15]

Эквивалентная схема

Ссылаясь на диаграмму, физическое поведение практического трансформатора можно представить с помощью модели эквивалентной схемы , которая может включать идеальный трансформатор. ^[16]

Джоулевые потери обмотки и реактивное сопротивление утечки 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  = a 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. ^{[9] : 142–143} 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. ^{[9] : 142} 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. ^[16]

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. ^[16] 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 эквивалентного сопротивления 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 любой обмотки между ее среднеквадратичным напряжением Erms _{обмотки} и частотой питания f , числом витков N , площадью поперечного сечения сердечника A в м ² и пиковой плотностью магнитного потока _Пик B в Вб/м ² или Т (тесла) определяется универсальным уравнением ЭДС: ^[9]

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

Полярность

Расположение точек часто 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, показывающий тип внутреннего соединения (звезда или треугольник) для каждой обмотки.

Влияние частоты

ЭДС трансформатора при заданном потоке увеличивается с частотой. ^[9] 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. ^[17] 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 электрических тяговых 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 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. ^[18] КПД типичных распределительных трансформаторов составляет от 98 до 99 процентов. ^{[18] [19]}

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 с меньшими потерями требуется сердечник большего размера, кремниевая сталь хорошего качества 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. ^[20]

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

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

Таким образом, потери на гистерезис определяются выражением

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

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. ^[20] Более подробный анализ см. в разделе « Магнитный сердечник и уравнение Штейнмеца» .

Потери вихревых токов

Изменяющимся магнитным полем в проводящем металлическом сердечнике трансформатора индуцируются вихревые токи , 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. ^[20] Потери на вихревые токи можно уменьшить, сделав сердечник пакета 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». ^[21] 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. ^[22]

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. ^[23]

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. ^[24] Конструкция в форме оболочки может быть более распространенной, чем конструкция в форме сердечника, для распределительных трансформаторов из-за относительной простоты укладки сердечника вокруг обмоток. ^[24] Конструкция в форме сердечника, как правило, более экономична и, следовательно, более распространена, чем конструкция в форме оболочки для силовых трансформаторов высокого напряжения в нижнем конце их диапазонов номинального напряжения и мощности (меньше или равна номинально 230 кВ или 75 МВА). При более высоких номинальных напряжении и мощности более распространены корпусные трансформаторы. ^{[24] [25] [26]} Корпусчатая конструкция, как правило, предпочтительнее для применений со сверхвысоким напряжением и более высокой МВА, поскольку, несмотря на более трудоемкость изготовления, корпусные трансформаторы характеризуются лучшим соотношением кВА к весу. , лучшие характеристики прочности при коротком замыкании и более высокая устойчивость к повреждениям при транспортировке. ^[26]

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 . ^[27] Сталь имеет проницаемость, во много раз превышающую проницаемость свободного пространства, и сердечник, таким образом, служит для значительного уменьшения тока намагничивания и ограничения потока на пути, который тесно соединяет обмотки. ^[28] 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. ^[29] Более поздние конструкции создавали сердечник путем укладки слоев тонких стальных пластин - принцип, который до сих пор используется. Каждая пластина изолирована от соседей тонким непроводящим слоем изоляции. ^[30] Универсальное уравнение ЭДС трансформатора можно использовать для расчета площади поперечного сечения сердечника для предпочтительного уровня магнитного потока. ^[9]

Эффект ламинирования заключается в ограничении вихревых токов сильно эллиптическими путями, которые охватывают небольшой поток, и тем самым уменьшают их величину. Более тонкие пластины уменьшают потери, ^[27] , но их изготовление более трудоемко и дорого. ^[31] Тонкие пластины обычно используются в высокочастотных трансформаторах, причем некоторые из очень тонких стальных пластин способны 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 . ^[31] Такая конструкция имеет тенденцию проявлять 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. ^[31] Их преимущество заключается в том, что поток всегда ориентирован параллельно металлическим зернам, что снижает сопротивление.

Остаточная намагниченность стального сердечника 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. ^{[32] Для защиты от этого безобидного} броска необходимо выбирать устройства защиты от сверхтоков, такие как предохранители.

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. ^[33]

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 более низкими потерями при небольшой нагрузке. ^[34]

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 , обычно используются сердечники из непроводящих магнитных керамических материалов, называемых ферритами . ^[31] Некоторые радиочастотные трансформаторы также имеют подвижные сердечники (иногда называемые «болванками»), 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, изготавливается из длинной полосы кремнистой стали или пермаллоя , намотанной на катушку, порошкового железа или феррита . ^[35] 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. ^{[9] : 485} 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. Это сводит к минимуму необходимую длину провода и обеспечивает экранирование, сводящее к минимуму возникновение электромагнитных помех магнитным полем сердечника .

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. ^[36]

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. ^[12] 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 распределении электроэнергии ^[12] , но часто используются в радиочастотных приложениях. ^[37] 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. Обозначения:
Белый : воздух, жидкость или другая изолирующая среда.
Зеленая спираль : текстурированная кремниевая сталь.
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 . ^[38]

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. ^[39] В больших силовых трансформаторах также используются многожильные проводники, поскольку даже при низких частотах мощности в противном случае в сильноточных обмотках возникло бы неравномерное распределение тока. ^[38] Каждая жила изолирована индивидуально, а жилы расположены таким образом, 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. ^[38]

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. Автоматические переключатели ответвлений под нагрузкой 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.

Эмпирическое правило гласит, что ожидаемый срок службы электрической изоляции уменьшается вдвое примерно при каждом повышении рабочей температуры на 7–10 °C (пример применения уравнения Аррениуса ). ^[40]

Небольшие трансформаторы сухого типа и трансформаторы с жидкостным погружением часто самоохлаждаются за счет естественной конвекции и радиационного рассеивания тепла. По мере увеличения номинальной мощности трансформаторы часто охлаждаются с помощью принудительного воздушного охлаждения, принудительного масляного охлаждения, водяного охлаждения или их комбинации. ^[41] Большие трансформаторы заполнены трансформаторным маслом , которое одновременно охлаждает и изолирует обмотки. ^{[42] 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 уже 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. ^{[43] [44]} Длительная работа при повышенной температуре ухудшает изоляционные свойства изоляции обмоток и диэлектрического охладителя, что не только сокращает срок службы трансформатора, но в конечном итоге может привести к катастрофическому выходу трансформатора из строя. ^[40] 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 в трансформаторах, заполненных жидкостью внутри помещений, использовались диэлектрические жидкости, менее воспламеняющиеся, чем масло, или устанавливались в огнестойких помещениях. ^[18] 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. ^[42] Масляный трансформатор может быть оборудован реле Бухгольца , которое, в зависимости от степени скопления газа из-за внутренней дуги, используется либо для сигнализации, либо для обесточивания трансформатора. ^[32] Масляные трансформаторные установки обычно включают в себя меры противопожарной защиты, такие как стены, маслозащита и спринклерные системы пожаротушения.

Полихлорированные бифенилы (ПХБ) 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. ^[45] 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. ^{[18] [46]} Однако длительный срок службы трансформаторов может означать, что вероятность воздействия может быть высокой еще долгое время после запрета. ^[47]

Некоторые трансформаторы имеют газовую изоляцию. Их обмотки заключены в герметичные резервуары под давлением и часто охлаждаются азотом или газообразным гексафторидом серы . ^[46]

Экспериментальные силовые трансформаторы в диапазоне от 500 до 1000 кВА были построены со сверхпроводящими обмотками , охлаждаемыми жидким азотом или гелием , что устраняет потери в обмотке, не влияя на потери в сердечнике. ^{[48] ​​[49]}

Изоляция

Трансформатор подстанции проходит испытания.

Изоляция должна быть обеспечена 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. ^[50]

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. ^[51]

Параметры классификации

Электрическая подстанция в 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

Различные конкретные электрические конструкции требуют использования трансформаторов разных типов . Хотя 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 на нагрев проводов. Это позволяет экономично располагать генерирующие станции на удалении от потребителей электроэнергии. ^[52] Вся, кроме крошечной доли мировой электроэнергии, к тому времени, как она достигает потребителя, проходит через ряд трансформаторов. ^[22]

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 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 ^[53]

Электромагнитная индукция , принцип работы трансформатора, была открыта независимо Майклом Фарадеем в 1831 году ^{и Джозефом} Генри ^в 1832 ^году . уравнение, описывающее связь между ЭДС и магнитным потоком, теперь известное как закон индукции Фарадея :

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

где – величина ЭДС в вольтах, а Φ _B – магнитный поток через цепь в веберах . ^[58] ${\displaystyle |{\mathcal {E}}|}$

Фарадей провел первые эксперименты по индукции между катушками проволоки, включая намотку пары катушек на железное кольцо, создав таким образом первый тороидальный трансформатор с закрытым сердечником. ^{[57] [59]} 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

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. ^[57] Он был одним из первых исследователей, осознавших, что чем больше витков имеет вторичная обмотка по отношению к первичной обмотке, 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 были 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. ^[60]

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. ^{[57] [61]}

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. ^[62] 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. ^[63]

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. ^[62] Эффективные и практичные конструкции трансформаторов появились только в 1880-х годах, но в течение десятилетия трансформатор сыграет важную роль в войне токов и в победе систем распределения переменного тока над своими аналогами постоянного тока. с тех пор оставался доминирующим. ^[64]

Трансформатор в форме корпуса. Эскиз, использованный Уппенборном для описания патентов и самых ранних статей инженеров ZBD 1885 года. ^[62]

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 Микса Дери.

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. ^[61] Завод Ганца также осенью 1884 года осуществил поставку первых в мире пяти высокоэффективных трансформаторов переменного тока, первый из этих блоков был отгружен 16 сентября 1884 года. ^[65] Этот первый блок был изготовлен для следующие характеристики: 1400 Вт, 40 Гц, 120:72 В, 11,6:19,4 А, передаточное число 1,67:1, однофазный, корпусной формы. ^[65] 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. ^[62] Эти две конструкции были первым применением двух основных конструкций трансформаторов, широко используемых по сей день, называемых «формой сердечника» или «формой оболочки». ^[66]

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. ^[67] 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 от 1400 до 2000 В), чем напряжение рабочих нагрузок (первоначально предпочтительно 100 В). ^{[68] [69]} При использовании в параллельно соединенных системах распределения электроэнергии трансформаторы с закрытым сердечником наконец сделали технически и экономически целесообразным обеспечивать электроэнергией освещение в домах, на предприятиях и в общественных местах. Блати предложил использовать закрытые сердечники, Циперновский предложил использовать параллельные шунтирующие соединения , а Дери провел эксперименты; ^[70] В начале 1885 года три инженера также устранили проблему потерь на вихревые токи с изобретением ламинирования электромагнитных сердечников. ^[71]

Трансформаторы сегодня спроектированы на основе принципов, открытых тремя инженерами. Они также популяризировали слово «трансформатор» для описания устройства для изменения ЭДС электрического тока ^[72], хотя этот термин уже использовался к 1882 году . ^{[73] [74]} В 1886 году инженеры ZBD разработали и Завод Ganz поставил электрооборудование для первой в мире электростанции , которая использовала генераторы переменного тока для питания параллельно соединенной общей электрической сети, паровой электростанции Рим-Черки. ^[75]

Улучшения Вестингауза

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

Опираясь на развитие технологии переменного тока в Европе, ^[76] Джордж Вестингауз основал компанию Westinghouse Electric в Питтсбурге, штат Пенсильвания, 8 января 1886 года. ^[77] Новая фирма стала активно заниматься развитием электрической инфраструктуры переменного тока (AC) по всей территории Соединенных Штатов. Состояния. 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. ^[78] Он поручил Уильяму Стэнли перепроектировать трансформатор Голара и Гиббса для коммерческого использования в Соединенных Штатах. ^[79] Первая запатентованная конструкция Стэнли заключалась в индукционных катушках с одиночными сердечниками из мягкого железа и регулируемыми зазорами для регулирования ЭДС, присутствующей во вторичной обмотке (см. Изображение). Эта конструкция ^[80] была впервые использована в коммерческих целях в США в 1886 году ^[81], но компания Westinghouse намеревалась усовершенствовать конструкцию Стэнли, чтобы сделать ее (в отличие от типа ZBD) простой и дешевой в производстве. ^[80]

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. ^[70]

Другие ранние конструкции трансформаторов

В 1889 году инженер российского происхождения Михаил Доливо-Добровольский разработал первый трехфазный трансформатор в Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft («Компания генеральной электроэнергетики») в Германии. ^[82]

В 1891 году Никола Тесла изобрел катушку Теслы — резонансный трансформатор двойной настройки с воздушным сердечником для создания очень высокого напряжения на высокой частоте. ^[83]

Трансформаторы звуковой частоты (« повторяющие катушки ») использовались ранними экспериментаторами при разработке телефона . ^[84]

Смотрите также

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

Примечания

1. Когда витки обмотки ориентированы перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, поток представляет собой произведение плотности магнитного потока и площади сердечника, причем магнитное поле меняется со временем в зависимости от возбуждения первичной обмотки. Выражение , определяемое как производная магнитного потока по времени , обеспечивает меру скорости магнитного потока в сердечнике и, следовательно, ЭДС, наведенной в соответствующей обмотке. Знак минус в уравнении 1 и уравнение 2 согласуется с законом Ленца и законом Фарадея в том смысле, что по соглашению ЭДС, «индуцированная увеличением связей магнитного потока, противоположна направлению, которое задавалось бы правилом правой руки ». ${\displaystyle \mathrm {d} \Phi /\mathrm {d} t}$ ${\displaystyle \Phi }$ ${\displaystyle t}$
2. Хотя каждая индуктивность обмоток идеального трансформатора бесконечно велика, квадратный корень из коэффициента индуктивностей обмоток равен коэффициенту витков.
3. Это также подразумевает следующее: чистый поток в сердечнике равен нулю, входное сопротивление бесконечно, когда вторичная обмотка разомкнута, и равна нулю, когда вторичная обмотка закорочена; в идеальном трансформаторе фазовый сдвиг равен нулю; входная и выходная мощность, а также реактивный вольт-ампер сохраняются; эти три утверждения применимы для любой частоты выше нуля, и периодические формы сигналов сохраняются. ^[5]
4. Направление токов трансформатора соответствует правилу правой руки.
5. Процент импеданса — это отношение падения напряжения во вторичной обмотке от холостого хода до полной нагрузки. ^[14]

Рекомендации

1. Беделл, Фредерик (1942). «История формы волны переменного тока, ее определение и стандартизация». Труды Американского института инженеров-электриков . 61 (12): 864. doi :10.1109/T-AIEE.1942.5058456. S2CID  51658522.
2. Скиллинг, Хью Хилдрет (1962). Электромеханика . Джон Уайли и сыновья, Inc.п. 39
3. Brenner & Javid 1959, §18-6 «Идеальный трансформатор», стр. 598–600.
4. Бреннер и Джавид 1959, §18-1 Символы и полярность взаимной индуктивности, стр. = 589–590
5. Кросби 1958, с. 145
6. Пол А. Типлер, Физика , Worth Publishers, Inc., 1976 ISBN 0-87901-041-X , стр. 937-940 
7. Фланаган, Уильям М. (1993). Справочник по проектированию и применению трансформаторов (2-е изд.). МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-021291-6.стр. 2-1, 2-2
8. Электротехника: Введение . Издательство Колледжа Сондерса. 1984. с. 610. ИСБН 0-03-061758-8.
9. Say, MG (1983). Машины переменного тока (5-е изд.). Лондон: Питман. ISBN 978-0-273-01969-5.
10. Л. Далессандро, Ф.д. С. Кавальканте и Дж. В. Колар, «Самоемкость высоковольтных трансформаторов», IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 22, нет. 5, стр. 2081–2092, 2007.
11. McLaren 1984, стр. 68–74.
12. Калверт, Джеймс (2001). «Внутренние трансформеры». Денверский университет. Архивировано из оригинала 9 мая 2007 года . Проверено 19 мая 2007 г.
13. Терман, Фредерик Э. (1955). Электронная и радиотехника (4-е изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. стр. 15.
14. Хиткот 1998, стр. 4
15. Ноултон, AE, изд. (1949). Стандартный справочник для инженеров-электриков (8-е изд.). МакГроу-Хилл. п. см. особ. Раздел 6 Трансформаторы и др., стр. 547–644.Номенклатура параллельной работы, стр. 585–586.
16. Дэниэлс 1985, стр. 47–49.
17. «Электрические системы 400 Гц». Aerospaceweb.org . Проверено 21 мая 2007 г.
18. De Keulenaer et al. 2001 г.
19. Кубо, Т.; Сакс, Х.; Надель, С. (2001). Возможности для новых стандартов эффективности приборов и оборудования. Американский совет по энергоэффективной экономике . п. 39, рис. 1 . Проверено 21 июня 2009 г.
20. Heathcote 1998, стр. 41–42.
21. «Понимание шума трансформатора» (PDF) . ФП. Архивировано из оригинала (PDF) 10 мая 2006 года . Проверено 30 января 2013 г.
22. Наилен, Ричард (май 2005 г.). «Почему нас должны беспокоить трансформаторы». Электрический аппарат . Архивировано из оригинала 29 апреля 2009 г.
23. Пансини 1999, с. 23
24. Del Vecchio et al. 2002, стр. 10–11, рис. 1.8.
25. Группа гидроэнергетических исследований и технических услуг. «Трансформаторы: основы, обслуживание и диагностика» (PDF) . Министерство внутренних дел США, Бюро мелиорации. п. 12 . Проверено 27 марта 2012 г.
26. Инженерный корпус армии США (1994). «ЭМ 1110-2-3006 Проектирование и проектирование – Электротехническое проектирование гидроэлектростанций». Глава 4 Силовые трансформаторы . п. 4-1.
27. Хиндмарш 1977, стр. 29–31.
28. Готлиб 1998, с. 4
29. Аллан, ди-джей (январь 1991 г.). «Силовые трансформаторы – второй век». Энергетический журнал . 5 (1): 5–14. дои : 10.1049/pe: 19910004.
30. Кулкарни и Хапарде 2004, стр. 36–37.
31. McLyman 2004, стр. с 3-9 по 3-14.
32. Harlow 2004, §2.1.7 и §2.1.6.2.1 в разделе §2.1 Силовые трансформаторы Х. Джина Сима и Скотта Х. Дигби в главе 2 «Типы оборудования».
33. Ботелер, Д.Х.; Пирьола, Р.Дж.; Неванлинна, Х. (1998). «Влияние геомагнитных возмущений на электрические системы на поверхности Земли». Достижения в космических исследованиях . 22 (1): 17–27. Бибкод : 1998AdSpR..22...17B. дои : 10.1016/S0273-1177(97)01096-X.
34. Хасэгава, Рюсуке (2 июня 2000 г.). «Современное состояние аморфных магнитомягких сплавов». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 215–216 (1): 240–245. Бибкод : 2000JMMM..215..240H. дои : 10.1016/S0304-8853(00)00126-8.
35. МакЛайман 2004, с. 3-1
36. «Тороидальные силовые трансформаторы. Номинальная мощность утроена. | Журнал Magnetics» . www.magnetsmagazine.com . Архивировано из оригинала 24 сентября 2016 г. Проверено 23 сентября 2016 г.
37. Ли, Рубен. «Трансформаторы с воздушным сердечником». Электронные трансформаторы и схемы . Проверено 22 мая 2007 г.
38. CEGB 1982
39. Диксон, Ллойд (2001). «Проектирование силового трансформатора» (PDF) . Справочник по проектированию магнитных устройств . Инструменты Техаса.
40. Harlow 2004, §3.4.8 в разделе 3.4 «Нагрузка и тепловые характеристики», Роберт Ф. Тиллман в главе 3 «Вспомогательные темы».
41. Пансини 1999, с. 32
42. Х. Ли Уиллис, Справочник по планированию распределения электроэнергии , 2004 CRC Press. ISBN 978-0-8247-4875-3 , стр. 403 
43. Хартли, Уильям Х. (2003). Анализ отказов трансформаторов. 36-я ежегодная конференция Международной ассоциации инженерных страховщиков. п. 7 (рис. 6). Архивировано из оригинала 20 октября 2013 года . Проверено 30 января 2013 г.{{cite conference}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
44. Хартли, Уильям Х. (~ 2011 г.). «Анализ отказов трансформаторов, часть 1 – с 1988 по 1997 год». Локомотив. Архивировано из оригинала 18 июня 2018 года . Проверено 30 января 2013 г.{{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
45. «Часто задаваемые вопросы по ASTDR Tox для полихлорированных дифенилов» . 2001 . Проверено 10 июня 2007 г.
46. Кулкарни и Хапард 2004, стр. 2–3.
47. «Что силиконовые браслеты говорят о химическом воздействии на уругвайских детей» . www.buffalo.edu . Проверено 28 января 2022 г.
48. Мехта, СП; Аверса, Н.; Уокер, MS (июль 1997 г.). «Трансформирующие трансформаторы [Сверхпроводящие обмотки]» (PDF) . IEEE-спектр . 34 (7): 43–49. дои : 10.1109/6.609815 . Проверено 14 ноября 2012 г.
49. Пансини 1999, стр. 66–67.
50. Лейн, Кейт (2007) (июнь 2007 г.). «Основы создания больших трансформаторов сухого типа». ЭК&М . Проверено 29 января 2013 г.{{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
51. Райан 2004, стр. 416–417.
52. Хиткот 1998, стр. 1
53. Пойзер, Артур Уильям (1892). Магнетизм и электричество: Учебное пособие для учащихся продвинутых классов. Лондон и Нью-Йорк: Longmans, Green, & Co. 285, рис. 248.
54. «Краткая история электромагнетизма» (PDF) .
55. «Электромагнетизм». Архив Смитсоновского института .
56. Макферсон, доктор философии, Райан К. Джозеф Генри: Восхождение американского ученого. Архивировано из оригинала 8 декабря 2015 г. Проверено 28 октября 2015 г.
57. Guarnieri 2013, стр. 56–59.
58. Чоу, Тай Л. (2006). Введение в электромагнитную теорию: современный взгляд. Садбери, Массачусетс: Издательство Jones and Bartlett. п. 171. ИСБН 978-0-7637-3827-3.
59. Фарадей, Майкл (1834). «Экспериментальные исследования по электричеству, 7-я серия». Философские труды Королевского общества . 124 : 77–122. дои : 10.1098/rstl.1834.0008. S2CID  116224057.
60. "Трансформер Стэнли - 1886 - MagLab" . Архивировано из оригинала 11 октября 2017 г. Проверено 27 июля 2021 г.
61. Хьюз 1993, стр. 95–96.
62. Аппенборн, Ф.Дж. (1889). История трансформера. Лондон: E. & FN Spon. стр. 35–41.
63. Галакси, Эндрю; Фукс, Джордж (апрель 1961 г.). «Трансформатор изобрели 75 лет назад». Труды Американского института инженеров-электриков. Часть III: Силовые аппараты и системы . 80 (3): 121–125. doi :10.1109/AIEEPAS.1961.4500994. S2CID  51632693. Архивировано из оригинала 28 ноября 2023 года . Проверено 28 ноября 2023 г.{{cite journal}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)
64. Кольтман 1988, стр. 86–95.
65. Halacsy & Von Fuchs 1961, стр. 121–125.
66. Лукас, младший «Историческое развитие трансформатора» (PDF) . Центр IEE Шри-Ланки . Проверено 1 марта 2012 г.
67. Езенски, Шандор. «Электростатика и электродинамика в Пештском университете в середине XIX века» (PDF) . Университет Павии . Архивировано из оригинала 27 июня 2022 года . Проверено 3 марта 2012 г.{{cite web}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)
68. «Венгерские изобретатели и их изобретения». Институт развития альтернативной энергетики в Латинской Америке. Архивировано из оригинала 22 марта 2012 г. Проверено 3 марта 2012 г.
69. "Блати, Отто Титуш". Будапештский университет технологии и экономики, Национальный центр технической информации и библиотека . Проверено 29 февраля 2012 г.
70. Смил, Вацлав (2005). Создание двадцатого века: технические инновации 1867–1914 годов и их долгосрочное влияние . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. п. 71. ИСБН 978-0-19-803774-3. Трансформатор ЗБД.
71. Электрическое общество Корнельского университета (1896 г.). Труды Электрического общества Корнелльского университета . Андрус и Церковь. п. 39.
72. Надь, Арпад Золтан (11 октября 1996 г.). «Лекция, посвященная 100-летию открытия электрона в 1897 году (предварительный текст)». Будапешт. Архивировано из оригинала 25 ноября 2012 года . Проверено 9 июля 2009 г.
73. Оксфордский словарь английского языка (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета. 1989.
74. Госпитальер, Эдуард (1882). Современное применение электричества. Перевод Юлиуса Майера. Нью-Йорк: Д. Эпплтон и компания, с. 103.
75. «Отто Блати, Микса Дери, Карой Циперновски». МЭК Техлайн. Архивировано из оригинала 6 декабря 2010 г. Проверено 16 апреля 2010 г.
76. Бруссо, Барри; Аллерханд, Адам (январь 2021 г.). «Противоположная история раннего распределения электроэнергии». Журнал отраслевых приложений IEEE . IEEE.org: 12. doi : 10.1109/MIAS.2020.3028630 . S2CID  230605234. Архивировано из оригинала 12 декабря 2020 года . Проверено 1 января 2023 г.
77. История городка Тиникум (Пенсильвания) 1643–1993 (PDF) . Историческое общество городка Тиникум. 1993. Архивировано (PDF) из оригинала 23 апреля 2015 года.
78. Уильям Р. Хубер (2022). Джордж Вестингауз, питающий мир. МакФарланд и компания . п. 84. ИСБН 9781476686929.
79. Скрабец, Квентин Р. (2007). Джордж Вестингауз: Нежный гений. Издательство Алгора. п. 102. ИСБН 978-0-87586-508-9.
80. Кольтман 2002
81. Международная электротехническая комиссия . Отто Блати, Микса Дери, Карой Циперновски. Архивировано из оригинала 6 декабря 2010 года . Проверено 17 мая 2007 г. {{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь )
82. Нейдхёфер, Герхард (2008). Михаэль фон Доливо-Добровольский и трехфазное электричество: начало современных электронных технологий и энергоснабжения (на немецком языке). В сотрудничестве с комитетом VDE «История электротехники» (2-е изд.). Берлин: VDE-Verl. ISBN 978-3-8007-3115-2.
83. Ут, Роберт (12 декабря 2000 г.). «Катушка Теслы». Тесла: Повелитель Молний . PBS.org . Проверено 20 мая 2008 г.
84. «Телефон | История, определение, изобретения, использование и факты | Британника» . www.britanica.com . Проверено 17 июля 2022 г.

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. doi :10.1109/AIEEPAS.1961.4500994. S2CID  51632693.
• Хамейер, Кей (2004). Электрические машины I: основы, конструкция, функции, работа (PDF) . RWTH Ахенский университет, Институт электрических машин. Архивировано из оригинала (PDF) 10 февраля 2013 г.
• Хаммонд, Джон Уинтроп (1941). Мужчины 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.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
• 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). Трансформаторное машиностроение: 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 (демпфирование)
• (Видео) Перевозбуждение (затухание) силового трансформатора
• Схемы трехфазных трансформаторов от All About Circuits