Трансформатор

Device to couple energy between circuits

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

В электротехнике трансформатор — это пассивный компонент , который передает электрическую энергию из одной электрической цепи в другую цепь или несколько цепей . Переменный ток в любой катушке трансформатора создает переменный магнитный поток в сердечнике трансформатора, который индуцирует переменную электродвижущую силу (ЭДС) в любых других катушках, намотанных вокруг того же сердечника. Электрическая энергия может передаваться между отдельными катушками без металлического (проводящего) соединения между двумя цепями. Закон индукции Фарадея , открытый в 1831 году, описывает эффект индуцированного напряжения в любой катушке из-за изменяющегося магнитного потока, охватываемого катушкой.

Трансформаторы используются для изменения уровней напряжения переменного тока , такие трансформаторы называются повышающими или понижающими для увеличения или уменьшения уровня напряжения соответственно. Трансформаторы также могут использоваться для обеспечения гальванической развязки между цепями, а также для соединения каскадов цепей обработки сигналов. С момента изобретения первого трансформатора постоянного напряжения в 1885 году трансформаторы стали необходимыми для передачи , распределения и использования электроэнергии переменного тока. ^[1] В электронных и электрических приложениях встречается широкий спектр конструкций трансформаторов. Трансформаторы различаются по размеру от ВЧ- трансформаторов объемом менее кубического сантиметра до агрегатов весом в сотни тонн, используемых для соединения электросетей .

Принципы

Уравнения идеального трансформатора

По закону индукции Фарадея:

где — мгновенное напряжение , — число 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 обмотки. ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle N}$

Объединяем соотношение ур. 1 и ур. 2:

где для повышающего трансформатора a < 1 и для понижающего трансформатора a > 1. ^[3]

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

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

Объединение уравнений 3 и 4 с этой примечанием ^{[b] [4]} дает идеальную идентичность трансформатора :

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

По закону Ома и тождеству идеального трансформатора:

где - сопротивление нагрузки вторичной цепи, а - кажущееся сопротивление нагрузки или точки возбуждения первичной цепи, верхний индекс относится к первичной цепи. ${\displaystyle Z_{\text{L}}}$ ${\displaystyle Z'_{\text{L}}}$ ${\displaystyle '}$

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор линейный , без потерь и идеально связанный . Идеальное соединение подразумевает бесконечно высокую магнитную проницаемость сердечника и индуктивность обмотки , а также нулевую чистую магнитодвижущую силу (т.е. i _p n _p  −  i _s n _s  = 0). ^{[3] [c]}

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]

Переменный ток в первичной обмотке трансформатора создает переменный магнитный поток в сердечнике трансформатора, который также охвачен вторичной обмоткой. Этот переменный поток во вторичной обмотке индуцирует переменную электродвижущую силу или напряжение во вторичной обмотке. Это явление электромагнитной индукции является основой действия трансформатора, и в соответствии с законом Ленца , вторичный ток, созданный таким образом, создает поток, равный и противоположный потоку, созданному первичной обмоткой.

Обмотки намотаны вокруг сердечника с бесконечно высокой магнитной проницаемостью, так что весь магнитный поток проходит как через первичную, так и через вторичную обмотку. При подключении источника напряжения к первичной обмотке и нагрузки ко 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 — это разумное приближение к типичному коммерческому трансформатору, у которого коэффициент напряжения и коэффициент витков обмотки обратно пропорциональны соответствующему коэффициенту тока.

Сопротивление нагрузки, относящееся к первичной цепи, равно квадрату отношения витков, умноженному на сопротивление нагрузки вторичной цепи. ^[7]

Настоящий трансформатор

Поток рассеяния трансформатора

Отклонения от идеального трансформатора

Идеальная модель трансформатора не учитывает многие основные линейные аспекты реальных трансформаторов, включая неизбежные потери и неэффективность. ^[8]

(а) Потери в сердечнике, которые в совокупности называются потерями тока намагничивания и состоят из ^[9]

• Потери на гистерезис из-за нелинейных магнитных эффектов в сердечнике трансформатора, а также
• Потери на вихревые токи из-за джоулева нагрева в сердечнике, пропорциональные 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, выходящий из сердечника и проходящий только через одну обмотку, приводит к возникновению первичного и вторичного реактивного сопротивления.

(c) аналогично индуктору , паразитная емкость и явление саморезонанса 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 является сложным и редко предпринимается; эквивалентная схема «реальной» модели трансформатора, показанная ниже, не включает паразитную емкость. Однако эффект емкости можно измерить, сравнив индуктивность разомкнутой цепи, т. е. индуктивность первичной обмотки, когда вторичная цепь разомкнута, с индуктивностью короткого замыкания, когда вторичная обмотка закорочена.

Поток утечки

Идеальная модель трансформатора предполагает, что весь поток, создаваемый первичной обмоткой, связывает все витки каждой обмотки, включая ее саму. На практике некоторый поток проходит по путям, которые выводят его за пределы обмоток. ^[11] Такой поток называется потоком рассеяния и приводит к индуктивности рассеяния последовательно с взаимно связанными обмотками трансформатора. ^{[12] Поток рассеяния приводит к тому, что энергия попеременно сохраняется в магнитных полях и высвобождается из} них с каждым циклом 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 желательно увеличить утечку, и длинные магнитные пути, воздушные зазоры или магнитные обходные шунты могут быть намеренно введены в конструкцию трансформатора, чтобы ограничить ток короткого замыкания, который он будет поставлять. ^[12] Трансформаторы с утечкой могут использоваться для питания нагрузок, которые демонстрируют отрицательное сопротивление , таких как электрические дуги , ртутные и натриевые лампы и неоновые вывески , или для безопасного обращения с нагрузками, которые периодически замыкаются накоротко, такими как электродуговые сварочные аппараты . ^{[9] : 485}

Воздушные зазоры также используются для предотвращения насыщения трансформатора, особенно трансформаторов звуковой частоты в цепях, в обмотках которых протекает постоянный ток. ^[13] Насыщающийся реактор использует насыщение сердечника для управления переменным током.

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

Эквивалентная схема

Обращаясь к диаграмме, физическое поведение практического трансформатора может быть представлено эквивалентной моделью схемы , которая может включать в себя идеальный трансформатор. ^[16]

Джоулевые потери обмотки и реактивное сопротивление утечки представлены следующими последовательными сопротивлениями контура модели:

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

При обычном ходе эквивалентного преобразования цепи R _S и X _S на практике обычно относят к первичной стороне путем умножения этих импедансов на квадрат отношения витков, ( N _P / N _S )  ²  = a ² .

Эквивалентная схема реального трансформатора

Потери в сердечнике и реактивное сопротивление представлены следующими сопротивлениями шунтирующих ветвей модели:

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

R _C и X _M вместе называются намагничивающей ветвью модели.

Потери в сердечнике в основном вызваны гистерезисом и вихревыми токами в сердечнике и пропорциональны квадрату потока сердечника для работы на заданной частоте. ^{[9] : 142–143} Сердечник с конечной проницаемостью требует намагничивающего тока I _M для поддержания взаимного потока в сердечнике. Намагничивающий ток находится в фазе с потоком, причем соотношение между ними нелинейно из-за эффектов насыщения. Однако все импедансы показанной эквивалентной схемы по определению линейны, и такие эффекты нелинейности обычно не отражаются в эквивалентных схемах трансформатора. ^{[9] : 142} При синусоидальном питании поток сердечника отстает от индуцированной ЭДС на 90°. При разомкнутой вторичной обмотке ток намагничивающей ветви I ₀ равен току холостого хода трансформатора. ^[16]

Измерительный трансформатор с точкой полярности и маркировкой X1 на клемме стороны низкого напряжения («LV»)

Полученная модель, хотя иногда и называется «точной» эквивалентной схемой, основанной на предположениях о линейности , сохраняет ряд приближений. ^[16] Анализ можно упростить, предположив, что сопротивление намагничивающей ветви относительно высокое, и переместив ветвь влево от первичных импедансов. Это вносит ошибку, но позволяет объединить первичные и приведенные вторичные сопротивления и реактивное сопротивление путем простого суммирования в виде двух последовательных импедансов.

Параметры полного сопротивления эквивалентной цепи трансформатора и коэффициента трансформации можно получить из следующих испытаний: испытание на холостой ход , испытание на короткое замыкание , испытание сопротивления обмотки и испытание коэффициента трансформации.

Уравнение ЭДС трансформатора

Если поток в сердечнике чисто синусоидальный , то соотношение для любой обмотки между ее действующим напряжением E _rms обмотки и частотой питания f , числом витков N , площадью поперечного сечения сердечника A в м ² и пиковой плотностью магнитного потока B _peak в Вб/м ² или Тл (тесла) задается универсальным уравнением ЭДС: ^[9]

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

Полярность

Точка часто используется в схемах трансформаторных цепей, на табличках или маркировках клемм для определения относительной полярности обмоток трансформатора. Положительно увеличивающийся мгновенный ток, поступающий на конец первичной обмотки с точкой, индуцирует положительное напряжение полярности, выходящее из конца вторичной обмотки с точкой. Трехфазные трансформаторы, используемые в электроэнергетических системах, будут иметь табличку с указанием фазовых соотношений между их клеммами. Это может быть в форме векторной диаграммы или с использованием буквенно-цифрового кода для указания типа 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 заданный сердечник способен передавать больше мощности, 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 частотой. В самолетах и ​​военной технике используются источники питания частотой 400 Гц, которые уменьшают вес сердечника и обмотки. ^[17] И наоборот, частоты, используемые для некоторых систем электрификации железных дорог, были намного ниже (например, 16,7 Гц и 25 Гц), чем обычные частоты коммунальных служб (50–60 Гц) по историческим причинам, связанным в основном с ограничениями ранних тяговых электродвигателей . Следовательно, трансформаторы, используемые для понижения высоких напряжений воздушной линии, были намного больше и тяжелее для той же номинальной мощности, чем те, которые требовались для более высоких частот.

Состояние перевозбуждения силового трансформатора, вызванное снижением частоты; потока (зеленый), магнитных характеристик железного сердечника (красный) и тока намагничивания (синий).

Работа трансформатора при его расчетном напряжении, но на более высокой частоте, чем предполагалось, приведет к уменьшению тока намагничивания. При более низкой частоте ток намагничивания увеличится. Работа большого трансформатора при частоте, отличной от расчетной, может потребовать оценки напряжений, потерь и охлаждения, чтобы установить, является ли безопасная эксплуатация практичной. Для трансформаторов могут потребоваться защитные реле , чтобы защитить трансформатор от перенапряжения при частоте, превышающей номинальную.

Одним из примеров являются тяговые трансформаторы, используемые для электропоездов и высокоскоростных поездов, работающих в регионах с различными электрическими стандартами. Преобразовательное оборудование и тяговые трансформаторы должны работать с различными входными частотами и напряжениями (в диапазоне от 50 Гц до 16,7 Гц и номиналом до 25 кВ).

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

Трансформаторы для более высокочастотных применений, таких как ИБП, обычно используют материалы сердечника с гораздо меньшими потерями на гистерезис и вихревые токи, чем для 50/60 Гц. Основными примерами являются сердечники из железного порошка и феррита. Более низкие частотно-зависимые потери этих сердечников часто происходят за счет плотности потока при насыщении. Например, насыщение феррита происходит при существенно меньшей плотности потока, чем у ламинированного железа.

Крупные силовые трансформаторы уязвимы к выходу из строя изоляции из-за переходных напряжений с высокочастотными компонентами, возникающих, например, при переключении или ударе молнии.

Потери энергии

Энергетические потери трансформатора в основном обусловлены потерями в обмотках и сердечнике. Эффективность трансформаторов имеет тенденцию к повышению с увеличением мощности трансформатора. ^[18] Эффективность типичных распределительных трансформаторов составляет около 98–99 процентов. ^{[18] [19]}

Поскольку потери трансформатора изменяются в зависимости от нагрузки, часто бывает полезно составить таблицу потерь холостого хода , потерь при полной нагрузке, потерь при половинной нагрузке и т. д. Потери на гистерезис и вихревые токи постоянны на всех уровнях нагрузки и доминируют при отсутствии нагрузки, в то время как потери в обмотках увеличиваются с увеличением нагрузки. Потери холостого хода могут быть значительными, так что даже неработающий трансформатор представляет собой утечку электроэнергии. Проектирование энергоэффективных трансформаторов для более низких потерь требует большего сердечника, высококачественной кремнистой стали или даже аморфной стали для сердечника и более толстого провода, что увеличивает начальную стоимость. Выбор конструкции представляет собой компромисс между начальной стоимостью и эксплуатационными расходами. ^[20]

Потери в трансформаторе возникают из-за:

Джоулевые потери в обмотке

Ток, протекающий через проводник обмотки, вызывает джоулево тепло из-за сопротивления провода. С ростом частоты скин-эффект и эффект близости приводят к увеличению сопротивления обмотки и, следовательно, потерь.

Потери в сердечнике

Потери на гистерезис

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 из-за гистерезиса определяется как

${\displaystyle W_{\text{h}}\approx \eta \beta _{\text{max}}^{1.6}}$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 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 на вихревые токи

Вихревые токи индуцируются в проводящем металлическом сердечнике трансформатора изменяющимся магнитным полем, 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 обратного квадрата толщины материала. ^[20] Потери на вихревые токи можно уменьшить, сделав сердечник из стопки пластин (тонких пластин), электрически изолированных друг от друга, а не из сплошного блока; все трансформаторы, работающие на низких частотах, используют пластинчатые или подобные сердечники.

Магнитострикционный трансформаторный гул

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 производит слышимый шум, известный как гул сети или «гул трансформатора». ^[21] Этот гул трансформатора особенно неприятен в трансформаторах, питаемых на частотах сети , и в высокочастотных трансформаторах строчной развертки , 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 со следующим полупериодом. Однако любой поток рассеяния, который пересекает близлежащие проводящие материалы, такие как опорная конструкция трансформатора, вызовет вихревые токи и преобразуется в тепло. ^[22]

Радиационный

Имеются также потери на излучение из-за осциллирующего магнитного поля, но они обычно невелики.

Передача механической вибрации и акустического шума

В дополнение к магнитострикции переменное магнитное поле вызывает колебательные силы между первичной и вторичной обмотками. Эта энергия вызывает передачу вибрации в взаимосвязанных металлических конструкциях, тем самым усиливая слышимый гул трансформатора. ^[23]

Строительство

Ядра

Форма сердечника = тип сердечника; форма оболочки = тип оболочки

Трансформаторы с закрытым сердечником изготавливаются в «форме сердечника» или «форме оболочки». Когда обмотки окружают сердечник, трансформатор имеет форму сердечника; когда обмотки окружены сердечником, трансформатор имеет форму оболочки. ^[24] Конструкция оболочки может быть более распространенной, чем конструкция сердечника, для распределительных трансформаторов из-за относительной простоты укладки сердечника вокруг катушек обмотки. ^[24] Конструкция сердечника, как правило, более экономична и, следовательно, более распространена, чем конструкция оболочки для высоковольтных силовых трансформаторов на нижнем конце их диапазонов напряжения и мощности (номинально меньше или равна 230 кВ или 75 МВА). При более высоких напряжениях и мощностях, как правило, более распространены трансформаторы в форме оболочки. ^{[24] [25] [26]} Конструкция в форме оболочки, как правило, предпочтительна для сверхвысокого напряжения и более высокой МВА, поскольку, хотя и более трудоемка в производстве, трансформаторы в форме оболочки характеризуются изначально лучшим отношением кВА к весу, лучшими характеристиками прочности при коротком замыкании и более высокой устойчивостью к повреждениям при переходе. ^[26]

Ламинированные стальные сердечники

Трансформатор броневой конструкции с пластинчатым сердечником, на верхней части фотографии показаны края пластин

Перемежающиеся пластины трансформатора EI, показывающие воздушный зазор и пути потока

Трансформаторы для использования на силовых или звуковых частотах обычно имеют сердечники, изготовленные из кремниевой стали с высокой проницаемостью . ^[27] Сталь имеет проницаемость во много раз больше, чем свободное пространство , и, таким образом, сердечник служит для значительного уменьшения намагничивающего тока и ограничения потока по пути, который тесно связывает обмотки. ^[28] Ранние разработчики трансформаторов вскоре поняли, что сердечники, изготовленные из цельного железа, приводят к непомерным потерям на вихревые токи, и их конструкции смягчили этот эффект с помощью сердечников, состоящих из пучков изолированных железных проводов. ^[29] Более поздние конструкции сконструировали сердечник путем укладки слоев тонких стальных пластин, принцип, который остался в использовании. Каждая пластина изолирована от своих соседей тонким непроводящим слоем изоляции. ^[30] Универсальное уравнение ЭДС трансформатора может быть использовано для расчета площади поперечного сечения сердечника для предпочтительного уровня магнитного потока. ^[9]

Эффект пластин заключается в ограничении вихревых токов сильно эллиптическими путями, которые заключают в себе небольшой поток, и, таким образом, 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 до 10 кГц.

Ламинирование сердечника значительно снижает потери на вихревые токи.

Одна из распространенных конструкций ламинированного сердечника изготавливается из чередующихся стопок стальных листов E-образной формы, покрытых I-образными деталями, что привело к его названию трансформатор EI . ^[31] Такая конструкция имеет тенденцию демонстрировать больше потерь, но очень экономична в производстве. Тип сердечника с разрезным сердечником или C-сердечником изготавливается путем намотки стальной полосы вокруг прямоугольной формы и последующего склеивания слоев вместе. Затем он разрезается на две части, образуя две C-образные формы, и сердечник собирается путем связывания двух C-половин вместе стальной лентой. ^[31] Они имеют то преимущество, что поток всегда ориентирован параллельно зернам металла, что снижает сопротивление.

Остаточная намагниченность стального сердечника означает, что он сохраняет статическое магнитное поле при отключении питания. Когда питание затем подается снова, остаточное поле будет вызывать высокий пусковой ток до тех пор, пока эффект остаточного магнетизма не уменьшится, обычно после нескольких циклов приложенной формы волны переменного тока. ^[32] Устройства защиты от перегрузки по току, такие как предохранители, должны быть выбраны, чтобы позволить этому безвредному пусковому току пройти.

На трансформаторах, подключенных к длинным воздушным линиям электропередачи, индуцированные токи из-за геомагнитных возмущений во время солнечных бурь могут вызвать насыщение сердечника и срабатывание устройств защиты трансформатора. ^[33]

Распределительные трансформаторы могут достигать низких потерь холостого хода, используя сердечники, изготовленные из кремнистой стали с высокой проницаемостью и низкими потерями или аморфного (некристаллического) металлического сплава . Более высокая начальная стоимость материала сердечника компенсируется в течение срока службы трансформатора его более низкими потерями при малой нагрузке. ^[34]

Твердые сердечники

Порошковые железные сердечники используются в таких схемах, как импульсные источники питания, которые работают выше сетевых частот и до нескольких десятков килогерц. Эти материалы сочетают высокую магнитную проницаемость с высоким удельным электрическим сопротивлением . Для частот, выходящих за пределы диапазона VHF , распространены сердечники из непроводящих магнитных керамических материалов, называемых ферритами . ^[31] Некоторые радиочастотные трансформаторы также имеют подвижные сердечники (иногда называемые «слизняками»), которые позволяют регулировать коэффициент связи (и полосу пропускания ) настроенных радиочастотных цепей.

Тороидальные сердечники

Малый тороидальный трансформатор

Тороидальные трансформаторы построены вокруг кольцевого сердечника, который, в зависимости от рабочей частоты, изготовлен из длинной полосы кремнистой стали или пермаллоя, намотанной в катушку, порошкообразного железа или феррита . ^[35] Конструкция полосы обеспечивает оптимальное выравнивание границ зерен , что повышает эффективность трансформатора за счет снижения сопротивления сердечника . Замкнутая кольцевая форма устраняет воздушные зазоры, присущие конструкции сердечника EI. ^{[9] : 485} Поперечное сечение кольца обычно квадратное или прямоугольное, но доступны также более дорогие сердечники с круглым поперечным сечением. Первичная и вторичная катушки часто намотаны концентрически, чтобы покрыть всю поверхность сердечника. Это минимизирует длину необходимого провода и обеспечивает экранирование для минимизации магнитного поля сердечника от создания электромагнитных помех .

Тороидальные трансформаторы более эффективны, чем более дешевые ламинированные типы EI при аналогичном уровне мощности. Другие преимущества по сравнению с типами EI включают меньший размер (примерно вдвое), меньший вес (примерно вдвое), меньший механический гул (что делает их превосходными в аудиоусилителях), меньшее внешнее магнитное поле (примерно одна десятая), низкие потери без нагрузки (что делает их более эффективными в резервных цепях), монтаж на один болт 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 демонстрировать 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, для снижения потерь, физических размеров и веса индуктивных компонентов. Недостатком конструкции тороидального трансформатора является более высокая стоимость труда 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 с номинальной мощностью более нескольких кВА встречаются редко. Относительно мало тороидов предлагается с номинальной мощностью более 10 кВА, и практически ни одного с мощностью более 25 кВА. Небольшие распределительные трансформаторы могут достичь некоторых преимуществ тороидального сердечника, разделив его и принудительно открыв, а затем вставив бобину, содержащую первичную и вторичную обмотки. ^[36]

Воздушные сердечники

Трансформатор можно изготовить, разместив обмотки рядом друг с другом, такое расположение называется «воздушным сердечником». Воздушный сердечник трансформатора 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. Воздушные сердечники трансформаторов непригодны для использования в распределении электроэнергии, ^[12] но часто используются в радиочастотных приложениях. ^[37] Воздушные сердечники также используются для резонансных трансформаторов, таких как катушки Тесла, где они могут достигать достаточно низких потерь, несмотря на низкую индуктивность намагничивания.

Обмотки

Обмотки обычно располагаются концентрически, чтобы свести к минимуму рассеяние потока.

Вид в разрезе обмоток трансформатора. Условные обозначения:
Белый : Воздух, жидкость или другая изолирующая среда
Зеленая спираль : Сталь с ориентированной зернистостью
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 гарантировать, что ток проходит через каждый виток. Для небольших трансформаторов, в которых токи низкие и разность потенциалов между соседними витками мала, катушки часто наматываются из эмалированной обмоточной проволоки . Более крупные силовые трансформаторы могут быть намотаны медными прямоугольными полосовыми проводниками, изолированными пропитанной маслом бумагой и блоками прессованного картона . ^[38]

Высокочастотные трансформаторы, работающие в диапазоне от десятков до сотен килогерц, часто имеют обмотки из плетеной проволоки Litz, чтобы минимизировать потери из-за скин-эффекта и эффекта близости. ^[39] Большие силовые трансформаторы также используют многожильные проводники, поскольку даже при низких частотах мощности в сильноточных обмотках в противном случае существовало бы неравномерное распределение тока. ^[38] Каждая жила индивидуально изолирована, и жилы расположены таким образом, что в определенных точках обмотки или по всей обмотке каждая часть занимает различные относительные положения в полном проводнике. Транспозиция выравнивает ток, текущий в каждой жиле проводника, и снижает потери на вихревые токи в самой обмотке. Многожильный проводник также более гибкий, чем сплошной проводник аналогичного размера, что облегчает производство. ^[38]

Обмотки трансформаторов сигналов минимизируют индуктивность рассеяния и паразитную емкость для улучшения высокочастотного отклика. 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 с более высоким напряжением, для регулировки напряжения. Отводы могут быть вручную переподключены, или для переключения отводов может быть предусмотрен ручной или автоматический переключатель. Автоматические переключатели ответвлений под нагрузкой используются при передаче или распределении электроэнергии, на таком оборудовании, как трансформаторы дуговых печей , или для автоматических регуляторов напряжения для чувствительных нагрузок. Трансформаторы звуковой частоты, используемые для распределения звука на громкоговорители общественного пользования, имеют отводы, позволяющие регулировать импеданс для каждого динамика. Трансформатор с отводом от средней точки часто используется в выходном каскаде усилителя мощности звука в двухтактной схеме . Модуляционные трансформаторы в АМ- передатчиках очень похожи.

Охлаждение

Вид в разрезе трансформатора, погруженного в жидкость. Консерватор (резервуар) сверху обеспечивает изоляцию жидкости от атмосферы при изменении уровня и температуры охлаждающей жидкости. Стенки и ребра обеспечивают необходимое рассеивание тепла.

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

Небольшие сухие и погруженные в жидкость трансформаторы часто охлаждаются естественным путем за счет конвекции и рассеивания тепла излучением. По мере увеличения мощности трансформаторы часто охлаждаются принудительным воздушным охлаждением, принудительным масляным охлаждением, водяным охлаждением или их комбинацией. ^[41] Большие трансформаторы заполнены трансформаторным маслом , которое охлаждает и изолирует обмотки. ^[42] Трансформаторное масло часто представляет собой высокоочищенное минеральное масло , которое охлаждает обмотки и изоляцию, циркулируя внутри бака трансформатора. Система изоляции из минерального масла и бумаги широко изучалась и использовалась более 100 лет. По оценкам, 50% силовых трансформаторов выдержат 50 лет эксплуатации, средний возраст выхода из строя силовых трансформаторов составляет около 10-15 лет, и около 30% отказов силовых трансформаторов происходят из-за отказов изоляции и перегрузки. ^{[43] [44]} Длительная работа при повышенной температуре ухудшает изоляционные свойства изоляции обмоток и диэлектрического хладагента, что не только сокращает срок службы трансформатора, но и может в конечном итоге привести к его катастрофическому отказу. ^[40] Благодаря большому объему эмпирических исследований 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 с жидким диэлектриком для помещений использовались диэлектрические жидкости, которые менее воспламеняемы, чем масло, или чтобы они устанавливались в огнестойких помещениях. ^[18] Сухие трансформаторы с воздушным охлаждением могут быть более экономичными, если они исключают расходы на огнестойкую трансформаторную комнату.

Бак заполненных жидкостью трансформаторов часто имеет радиаторы, через которые жидкий охладитель циркулирует посредством естественной конвекции или ребер. Некоторые большие трансформаторы используют электрические вентиляторы для принудительного воздушного охлаждения, насосы для принудительного жидкостного охлаждения или имеют теплообменники для водяного охлаждения. ^[42] Масляный трансформатор может быть оснащен реле Бухгольца , которое, в зависимости от серьезности накопления газа из-за внутренней дуги, используется либо для включения сигнализации, либо для обесточивания трансформатора. ^[32] Установки масляных трансформаторов обычно включают меры противопожарной защиты, такие как стены, масляная изоляция и спринклерные системы пожаротушения.

Полихлорированные бифенилы (ПХБ) обладают свойствами, которые когда-то благоприятствовали их использованию в качестве диэлектрического хладагента , хотя опасения по поводу их экологической стойкости привели к повсеместному запрету на их использование. ^[45] Сегодня нетоксичные, стабильные масла на основе силикона или фторированные углеводороды могут использоваться там, где стоимость огнестойкой жидкости компенсирует дополнительные затраты на строительство трансформаторного хранилища. ^{[18] [46]} Однако длительный срок службы трансформаторов может означать, что потенциал воздействия может быть высоким еще долгое время после запрета. ^[47]

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

Экспериментальные силовые трансформаторы в диапазоне 500–1000 кВА были построены с использованием сверхпроводящих обмоток, охлаждаемых жидким азотом или гелием , что исключает потери в обмотках, не влияя на потери в сердечнике. ^{[48] [49]}

Изоляция

Испытания трансформатора подстанции.

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

Межвитковая изоляция небольших трансформаторов может представлять собой слой изоляционного лака на проводе. Слой бумаги или полимерных пленок может быть вставлен между слоями обмоток, а также между первичной и вторичной обмотками. Трансформатор может быть покрыт или погружен в полимерную смолу для повышения прочности обмоток и защиты их от влаги или коррозии. Смолу можно пропитать в изоляцию обмотки, используя комбинации вакуума и давления во время процесса покрытия, устраняя все воздушные пустоты в обмотке. В пределе, вся катушка может быть помещена в форму, и смола отлита вокруг нее как сплошной блок, инкапсулируя обмотки. ^[50]

Большие масляные силовые трансформаторы используют обмотки, обернутые изоляционной бумагой, которая пропитывается маслом во время сборки трансформатора. Масляные трансформаторы используют высокоочищенное минеральное масло для изоляции и охлаждения обмоток и сердечника. Конструкция масляных трансформаторов требует, чтобы изоляция, покрывающая обмотки, была тщательно высушена от остаточной влаги перед введением масла. Сушка может осуществляться путем циркуляции горячего воздуха вокруг сердечника, путем циркуляции снаружи нагретого трансформаторного масла или путем сушки в паровой фазе (VPD), когда испаряющийся растворитель передает тепло путем конденсации на катушке и сердечнике. Для небольших трансформаторов используется резистивный нагрев путем подачи тока в обмотки.

Втулки

Более крупные трансформаторы снабжены высоковольтными изолированными втулками из полимеров или фарфора. Большая втулка может быть сложной конструкцией, поскольку она должна обеспечивать тщательный контроль градиента электрического поля, не допуская утечки масла из трансформатора. ^[51]

Параметры классификации

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

Замаскированный трансформатор в Лэнгли-Сити , Канада

Трансформаторы можно классифицировать разными способами, например:

• Номинальная мощность : от долей вольт-ампера (ВА) до более тысячи МВА.
• Режим работы трансформатора : непрерывный, кратковременный, прерывистый, периодический, переменный.
• Диапазон частот : промышленная частота , звуковая частота или радиочастота .
• Класс напряжения : от нескольких вольт до сотен киловольт.
• Тип охлаждения : сухое или жидкостное; самоохлаждение, принудительное воздушное охлаждение; принудительное масляное охлаждение, водяное охлаждение.
• Применение : источник питания, согласование импеданса, стабилизатор выходного напряжения и тока, импульсный генератор , изоляция цепей, распределение электроэнергии , выпрямитель , дуговая печь , выход усилителя и т. д.
• Основная форма магнита : сердечниковая, оболочковая, концентрическая, сэндвичевая.
• Описание трансформатора постоянного напряжения : повышающий, понижающий, изолирующий .
• Общая конфигурация обмотки : по группе соединения обмоток МЭК , двухобмоточные комбинации обозначений фаз «треугольник», «звезда» или «звезда» и «зигзаг» ; автотрансформатор , «Т-образный» трансформатор Скотта .
• Конфигурация фазосдвигающей обмотки выпрямителя : 2-обмоточная, 6-пульсная; 3-обмоточная, 12-пульсная; . . ., n -обмоточная , [ n  − 1]·6-пульсная; многоугольник; и т. д.

Приложения

Трансформатор на электростанции по производству известняка в Манитобе , Канада

Различные специальные электрические приложения требуют различных типов трансформаторов . Хотя все они разделяют основные характерные принципы трансформаторов, они настраиваются по конструкции или электрическим свойствам для определенных требований к установке или условий цепи.

В передаче электроэнергии трансформаторы позволяют передавать электроэнергию при высоких напряжениях, что снижает потери из-за нагрева проводов. Это позволяет экономично размещать генерирующие установки на расстоянии от потребителей электроэнергии. ^[52] Вся, за исключением крошечной доли мировой электроэнергии, проходит через ряд трансформаторов к моменту, когда она достигает потребителя. ^[22]

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

Сигнальные и аудиотрансформаторы используются для соединения каскадов усилителей и для согласования таких устройств, как микрофоны и проигрыватели пластинок , со входом усилителей. Аудиотрансформаторы позволили телефонным цепям вести двусторонний разговор по одной паре проводов. Симметрирующий трансформатор преобразует сигнал, который привязан к земле, в сигнал, который имеет сбалансированное напряжение относительно земли , например, между внешними кабелями и внутренними цепями. Разделительные трансформаторы предотвращают утечку тока во вторичную цепь и используются в медицинском оборудовании и на строительных площадках. Резонансные трансформаторы используются для связи между каскадами радиоприемников или в высоковольтных катушках Тесла.

Схема большого масляного силового трансформатора 1. Бак 2. Крышка 3. Бак-расширитель 4. Индикатор уровня масла 5. Реле Бухгольца для обнаружения пузырьков газа после внутреннего замыкания 6. Трубопровод 7. Переключатель ответвлений 8. Приводной двигатель для переключателя ответвлений 9. Приводной вал для переключателя ответвлений 10. Высоковольтный ввод (HV) 11. Высоковольтный ввод трансформаторов тока 12. Низковольтный ввод (LV) 13. Низковольтные трансформаторы тока 14. Ввод трансформатора напряжения для измерения 15. Сердечник 16. Ярмо сердечника 17. Втулки соединяют ярма и удерживают их 18. Катушки 19. Внутренняя проводка между катушками и переключателем ответвлений 20. Клапан выпуска масла 21. Вакуумный клапан

История

Открытие индукции

Эксперимент Фарадея с индукцией между катушками провода ^[53]

Электромагнитная индукция , принцип работы трансформатора, была открыта независимо Майклом Фарадеем в 1831 году и Джозефом Генри в 1832 году. ^{[54] [55] [56] [57]} Только Фарадей продвинул свои эксперименты до точки выведения уравнения, описывающего связь между ЭДС и магнитным потоком, теперь известного 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 контур в веберах . ^[58] ${\displaystyle |{\mathcal {E}}|}$

Фарадей провел ранние эксперименты по индукции между катушками провода, включая намотку пары катушек вокруг железного кольца, создав таким образом первый тороидальный трансформатор с закрытым сердечником. ^{[57] [59]} Однако он только подавал отдельные импульсы тока на свой трансформатор и так и не обнаружил связь между соотношением витков и ЭДС в обмотках.

Индукционная катушка, 1900, Бремерхафен, Германия

Индукционные катушки

Кольцевой трансформатор Фарадея

Первым типом трансформатора, получившим широкое распространение, была индукционная катушка , изобретенная ирландским католиком преподобным Николасом Калланом из колледжа Мейнут , Ирландия, в 1836 году. ^[57] Он был одним из первых исследователей, осознавших, что чем больше витков вторичной обмотки по отношению к первичной, тем больше будет индуцированная вторичная ЭДС. Индукционные катушки возникли в результате усилий ученых и изобретателей по получению более высоких напряжений от батарей. Поскольку батареи вырабатывают постоянный ток (DC) , а не переменный, индукционные катушки полагались на вибрирующие электрические контакты , которые регулярно прерывали ток в первичной обмотке, чтобы создавать изменения потока, необходимые для индукции. Между 1830-ми и 1870-ми годами попытки построить более совершенные индукционные катушки, в основном методом проб и ошибок, постепенно выявили основные принципы трансформаторов.

Первые трансформаторы переменного тока

К 1870-м годам появились эффективные генераторы, вырабатывающие 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, основанную на наборе индукционных катушек, где первичные обмотки были подключены к источнику переменного тока. Вторичные обмотки могли быть подключены к нескольким «электрическим свечам» (дуговым лампам) его собственной конструкции. Катушки, которые использовал Яблочков, по сути, функционировали как трансформаторы. ^[60]

В 1878 году фабрика Ганца , Будапешт, Венгрия, начала производить оборудование для электрического освещения и к 1883 году установила более пятидесяти систем в Австро-Венгрии. Их системы переменного тока использовали дуговые и накаливания лампы, генераторы и другое оборудование. ^{[57] [61]}

В 1882 году Люсьен Голард и Джон Диксон Гиббс впервые продемонстрировали в Лондоне устройство с изначально широко критикуемым пластинчатым открытым железным сердечником, названное «вторичным генератором», а затем продали идею компании Westinghouse в Соединенных Штатах в 1886 году. ^[29] Они также продемонстрировали изобретение в Турине, Италия, в 1884 году, где оно имело большой успех и было принято для системы электрического освещения. ^[62] Их устройство использовало фиксированное отношение 1:1 для питания последовательной цепи для нагрузки использования (ламп). Напряжение их системы контролировалось путем вталкивания и вытягивания его открытого железного сердечника. ^[63]

Ранняя схема последовательного распределения трансформаторов

Индукционные катушки с открытыми магнитными цепями неэффективны при передаче мощности к нагрузкам . Примерно до 1880 года парадигмой передачи мощности переменного тока от источника высокого напряжения к нагрузке низкого напряжения была последовательная цепь. Трансформаторы с открытым сердечником с коэффициентом, близким к 1:1, были соединены с их первичными обмотками последовательно, чтобы позволить использовать высокое напряжение для передачи, одновременно подавая низкое напряжение на лампы. 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. Было введено множество конструкций регулируемых трансформаторов, чтобы компенсировать эту проблемную характеристику последовательной цепи, включая те, которые использовали методы регулировки сердечника или обхода магнитного потока вокруг части катушки. ^[62] Эффективные, практичные конструкции трансформаторов появились только в 1880-х годах, но в течение десятилетия трансформатор сыграл важную роль в войне токов и в том, что системы распределения переменного тока одержали победу над своими аналогами постоянного тока, и с тех пор они остаются доминирующими. ^[64]

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

Форма сердечника спереди; форма оболочки сзади. Самые ранние образцы высокоэффективных трансформаторов постоянного напряжения, разработанных ZBD, изготовленные на заводе Ганца в 1885 году.

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

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

Трансформаторы с закрытым сердечником и параллельное распределение электроэнергии

Осенью 1884 года Карой Циперновский , Отто Блати и Микша Дери (ZBD), три венгерских инженера, связанных с заводом Ганца , определили, что устройства с открытым сердечником нецелесообразны, поскольку они не способны надежно регулировать напряжение. ^[61] Осенью 1884 года завод Ганца также осуществил поставку первых в мире пяти высокоэффективных трансформаторов переменного тока, первый из которых был отправлен 16 сентября 1884 года. ^[65] Этот первый блок был изготовлен со следующими характеристиками: 1400 Вт, 40 Гц, 120:72 В, 11,6:19,4 А, отношение 1,67:1, однофазный, в форме оболочки. ^[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, которые широко используются и по сей день, называемых «форма сердечника» или «форма оболочки». ^[66]

В обеих конструкциях магнитный поток, связывающий первичную и вторичную обмотки, проходил почти полностью в пределах железного сердечника, без преднамеренного пути через воздух (см. Тороидальные сердечники ниже). Новые трансформаторы были в 3,4 раза эффективнее биполярных устройств с открытым сердечником Голарда и Гиббса. ^[67] Патенты ZBD включали два других крупных взаимосвязанных нововведения: одно касалось использования параллельно соединенных, а не последовательно соединенных, нагрузок потребления, другое касалось возможности иметь трансформаторы с высоким коэффициентом трансформации, так что напряжение питающей сети могло быть намного выше (первоначально от 1400 до 2000 В), чем напряжение нагрузок потребления (первоначально предпочтительнее было 100 В). ^{[68] [69]} При использовании в параллельно соединенных электрических распределительных системах трансформаторы с закрытым сердечником наконец сделали технически и экономически осуществимым обеспечение электроэнергией освещения в домах, на предприятиях и в общественных местах. Блати предложил использовать закрытые сердечники, Циперновский предложил использовать параллельные шунтирующие соединения , а Дери провел эксперименты; ^[70] В начале 1885 года три инженера также устранили проблему потерь на вихревые токи , изобретя пластинчатую структуру электромагнитных сердечников. ^[71]

Трансформаторы сегодня разрабатываются 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 спроектировали, а фабрика Ganz поставила электрооборудование для первой в мире электростанции , которая использовала генераторы переменного тока для питания параллельно подключенной общей электрической сети, паровой электростанции Rome-Cerchi. ^[75]

Усовершенствования Westinghouse

E-образные пластины для сердечников трансформаторов, разработанные Westinghouse

Опираясь на прогресс технологии переменного тока в Европе, ^[76] Джордж Вестингауз основал Westinghouse Electric в Питтсбурге, штат Пенсильвания, 8 января 1886 года. ^[77] Новая фирма начала активно разрабатывать электрическую инфраструктуру переменного тока (AC) по всем Соединенным Штатам. Компания Edison Electric Light Company имела опцион на права США на трансформаторы ZBD, требуя от Вестингауза заниматься альтернативными проектами на тех же принципах. Джордж Вестингауз купил патенты Голарда и Гиббса за 50 000 долларов в феврале 1886 года. ^[78] Он поручил Уильяму Стэнли задачу по перепроектированию трансформатора Голарда и Гиббса для коммерческого использования в Соединенных Штатах. ^[79] Первая запатентованная конструкция Стэнли была для индукционных катушек с одинарными 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 Вестингауз намеревался усовершенствовать конструкцию Стэнли, чтобы сделать ее (в отличие от типа ZBD) простой и дешевой в производстве. ^[80]

Вестингауз, Стэнли и партнеры вскоре разработали сердечник, который было проще изготовить, состоящий из стопки тонких железных пластин в форме буквы «Е», изолированных тонкими листами бумаги или другого изоляционного материала. Затем предварительно намотанные медные катушки можно было вставить на место, а прямые железные пластины уложить, чтобы создать замкнутую магнитную цепь. Вестингауз получил патент на новую недорогую конструкцию в 1887 году. ^[70]

Другие ранние конструкции трансформаторов

В 1889 году русский инженер Михаил Доливо-Добровольский разработал первый трехфазный трансформатор в Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft («Всеобщая электрическая компания») в Германии. ^[82]

В 1891 году Никола Тесла изобрел катушку Теслы — резонансный трансформатор с воздушным сердечником и двойной настройкой для получения очень высоких напряжений на высокой частоте. ^[83]

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

Смотрите также

• Противопожарные барьеры для высоковольтных трансформаторов
• Индуктивная связь
• Профиль нагрузки
• Намагничивание
• Параметрический трансформатор
• Полифазная система
• Инвертор мощности
• Выпрямитель
• Преобразователь напряжения

Примечания

1. При витках обмотки, ориентированных перпендикулярно линиям магнитного поля, поток является произведением плотности магнитного потока и площади сердечника, магнитное поле изменяется со временем в соответствии с возбуждением первичной обмотки. Выражение , определяемое как производная магнитного потока по времени , дает меру скорости магнитного потока в сердечнике и, следовательно, ЭДС, индуцированной в соответствующей обмотке. Отрицательный знак в ур. 1 и ур. 2 согласуется с законом Ленца и законом Фарадея в том, что по соглашению ЭДС "индуцированная увеличением связей магнитного потока противоположна направлению, которое было бы задано правилом правой руки ". ${\displaystyle \mathrm {d} \Phi /\mathrm {d} t}$ ${\displaystyle \Phi }$ ${\displaystyle t}$
2. Хотя индуктивность каждой обмотки идеального трансформатора бесконечно велика, квадратный корень из отношения индуктивностей обмоток равен отношению витков.
3. Это также подразумевает следующее: чистый поток сердечника равен нулю, входное сопротивление бесконечно, когда вторичная обмотка разомкнута, и равно нулю, когда вторичная обмотка закорочена; фазовый сдвиг через идеальный трансформатор равен нулю; входная и выходная мощность, а также реактивный вольт-ампер сохраняются; эти три утверждения применимы для любой частоты выше нуля, а периодические формы волн сохраняются. ^[5]
4. Направление токов трансформатора соответствует правилу правой руки.
5. Процентное сопротивление — это отношение падения напряжения во вторичной обмотке от нулевой нагрузки к полной нагрузке. ^[14]

Ссылки

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 . John Wiley & Sons, Inc.стр. 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, стр. 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.). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-021291-6.стр. 2-1, 2-2
8. Электротехника: Введение . Saunders College Publishing. 1984. стр. 610. ISBN 0-03-061758-8.
9. Say, MG (1983). Машины переменного тока (5-е изд.). Лондон: Pitman. ISBN 978-0-273-01969-5.
10. Л. Далессандро, Ф. д. С. Кавальканте и Дж. В. Колар, «Собственная емкость высоковольтных трансформаторов», IEEE Transactions on Power Electronics, т. 22, № 5, стр. 2081–2092, 2007.
11. McLaren 1984, стр. 68–74.
12. Calvert, James (2001). "Inside Transformers". Университет Денвера. Архивировано из оригинала 9 мая 2007 г. Получено 19 мая 2007 г.
13. Терман, Фредерик Э. (1955). Электроника и радиотехника (4-е изд.). Нью-Йорк: McGraw-Hill. С. 15.
14. Хиткот 1998, стр. 4
15. Knowlton, AE, ред. (1949). Стандартный справочник для инженеров-электриков (8-е изд.). McGraw-Hill. стр. см. в особенности раздел 6 Трансформаторы и т. д., стр. 547–644.Номенклатура параллельной работы, стр. 585–586
16. Daniels 1985, стр. 47–49
17. "400 Гц Электрические Системы". Aerospaceweb.org . Получено 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 . стр. 39, рис. 1. Получено 21 июня 2009 г.
20. Heathcote 1998, стр. 41–42
21. "Понимание шума трансформатора" (PDF) . FP. Архивировано из оригинала (PDF) 10 мая 2006 г. Получено 30 января 2013 г.
22. Nailen, Richard (май 2005 г.). "Почему мы должны беспокоиться о трансформаторах". Electrical Apparatus . Архивировано из оригинала 29-04-2009.
23. Пансини 1999, стр. 23
24. Дель Веккио и др. 2002, стр. 10–11, рис. 1.8
25. Группа гидроэнергетических исследований и технических услуг. "Трансформаторы: основы, техническое обслуживание и диагностика" (PDF) . Министерство внутренних дел США, Бюро мелиорации. стр. 12. Получено 27 марта 2012 г.
26. Корпус инженеров армии США (1994). "EM 1110-2-3006 Проектирование и конструкция – Проектирование электрических схем гидроэлектростанций". Глава 4 Силовые трансформаторы . стр. 4-1.
27. Hindmarsh 1977, стр. 29–31
28. Готтлиб 1998, стр. 4
29. Allan, DJ (январь 1991 г.). «Силовые трансформаторы – второе столетие». Power Engineering Journal . 5 (1): 5–14. doi :10.1049/pe:19910004.
30. Кулкарни и Хапарде 2004, стр. 36–37.
31. McLyman 2004, стр. 3-9 по 3-14
32. Harlow 2004, §2.1.7 и §2.1.6.2.1 в разделе §2.1 Силовые трансформаторы Х. Джин Сима и Скотта Х. Дигби в главе 2 Типы оборудования
33. Boteler, DH; Pirjola, RJ; Nevanlinna, H. (1998). «Влияние геомагнитных возмущений на электрические системы на поверхности Земли». Advances in Space Research . 22 (1): 17–27. Bibcode : 1998AdSpR..22...17B. doi : 10.1016/S0273-1177(97)01096-X.
34. Хасегава, Рюсукэ (2 июня 2000 г.). «Современное состояние аморфных магнитно-мягких сплавов». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 215–216 (1): 240–245. Bibcode : 2000JMMM..215..240H. doi : 10.1016/S0304-8853(00)00126-8.
35. Маклайман 2004, стр. 3-1
36. "Тороидальные линейные силовые трансформаторы. Номинальная мощность утроилась. | Журнал Magnetics". www.magneticsmagazine.com . Архивировано из оригинала 2016-09-24 . Получено 2016-09-23 .
37. Ли, Рубен. "Трансформаторы с воздушным сердечником". Электронные трансформаторы и схемы . Получено 22 мая 2007 г.
38. CEGB 1982
39. Диксон, Ллойд (2001). "Проектирование силовых трансформаторов" (PDF) . Справочник по проектированию магнитных устройств . Texas Instruments.
40. Harlow 2004, §3.4.8 в разделе 3.4 Нагрузка и тепловые характеристики Роберта Ф. Тиллмана в главе 3 Дополнительные темы
41. Пансини 1999, стр. 32
42. H. Lee Willis, Power Distribution Planning Reference Book , 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. стр. 7 (рис. 6). Архивировано из оригинала 20 октября 2013 г. Получено 30 января 2013 г.{{cite conference}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
44. Хартли, Уильям Х. (~2011). «Анализ отказов трансформаторов, часть 1 – 1988 по 1997 год». Локомотив. Архивировано из оригинала 18 июня 2018 года . Получено 30 января 2013 года .{{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
45. "ASTDR ToxFAQs для полихлорированных бифенилов". 2001. Получено 10 июня 2007 г.
46. Кулкарни и Хапард 2004, стр. 2–3.
47. «Что говорят силиконовые браслеты о воздействии химических веществ на уругвайских детей». www.buffalo.edu . Получено 28.01.2022 .
48. Mehta, SP; Aversa, N.; Walker, MS (июль 1997 г.). "Трансформирующие трансформаторы [сверхпроводящие обмотки]" (PDF) . IEEE Spectrum . 34 (7): 43–49. doi :10.1109/6.609815 . Получено 14 ноября 2012 г. .
49. Пансини 1999, стр. 66–67
50. Лейн, Кит (2007) (июнь 2007). «Основы больших сухих трансформаторов». EC&M . Получено 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 студентов продвинутых классов. Лондон и Нью-Йорк: Longmans, Green, & Co. стр. 285, рис. 248.
54. «Краткая история электромагнетизма» (PDF) .
55. "Электромагнетизм". Архив Смитсоновского института .
56. MacPherson, Ph.D., Ryan C. Joseph Henry: The Rise of an American scholar. Архивировано из оригинала 2015-12-08 . Получено 2015-10-28 .
57. Guarnieri 2013, стр. 56–59.
58. Chow, Tai L. (2006). Введение в электромагнитную теорию: современная перспектива. Садбери, Массачусетс: Jones and Bartlett Publishers. стр. 171. ISBN 978-0-7637-3827-3.
59. Фарадей, Майкл (1834). «Экспериментальные исследования электричества, 7-я серия». Philosophical Transactions of the Royal Society . 124 : 77–122. doi :10.1098/rstl.1834.0008. S2CID  116224057.
60. "Stanley Transformer – 1886 - MagLab". Архивировано из оригинала 2017-10-11 . Получено 2021-07-27 .
61. Hughes 1993, стр. 95–96
62. Uppenborn, FJ (1889). История трансформатора. Лондон: E. & FN Spon. стр. 35–41.
63. Халакси, Эндрю; Фукс, Джордж (апрель 1961 г.). «Трансформатор изобретен 75 лет назад». Труды Американского института инженеров-электриков. Часть III: Силовые приборы и системы . 80 (3): 121–125. doi :10.1109/AIEEPAS.1961.4500994. S2CID  51632693. Архивировано из оригинала 28 ноября 2023 г. . Получено 28 ноября 2023 г. .{{cite journal}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)
64. Колтман 1988, стр. 86–95
65. Halacsy & Von Fuchs 1961, стр. 121–125.
66. Лукас, Дж. Р. «Историческое развитие трансформатора» (PDF) . Центр IEE Шри-Ланки . Получено 1 марта 2012 г.
67. Еженски, Шандор. «Электростатика и электродинамика в Пештском университете в середине XIX века» (PDF) . Университет Павии . Архивировано из оригинала 27 июня 2022 г. . Получено 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 2012-03-22 . Получено 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. Smil, Vaclav (2005). Создание двадцатого века: Технические инновации 1867–1914 годов и их длительное воздействие . Оксфорд: Oxford University Press. стр. 71. ISBN 978-0-19-803774-3. Трансформатор ЗБД.
71. Электрическое общество Корнеллского университета (1896). Труды Электрического общества Корнеллского университета . Андрус и Чёрч. стр. 39.
72. Надь, Арпад Золтан (11 октября 1996 г.). «Лекция в ознаменование 100-летия открытия электрона в 1897 г. (предварительный текст)». Будапешт. Архивировано из оригинала 25 ноября 2012 г. Получено 9 июля 2009 г.
73. Оксфордский словарь английского языка (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета. 1989.
74. Hospitalier, Édouard (1882). Современные применения электричества. Перевод Юлиуса Майера. Нью-Йорк: D. Appleton & Co. стр. 103.
75. «Отто Блати, Микса Дери, Карой Циперновски». МЭК Техлайн. Архивировано из оригинала 6 декабря 2010 г. Проверено 16 апреля 2010 г.
76. Brusso, Barry; Allerhand, Adam (январь 2021 г.). «Противоречивая история раннего распределения электроэнергии». Журнал IEEE Industry Applications . IEEE.org: 12. doi : 10.1109/MIAS.2020.3028630 . S2CID  230605234. Архивировано из оригинала 12 декабря 2020 г. Получено 1 января 2023 г.
77. История городка Тиникум (Пенсильвания) 1643–1993 (PDF) . Историческое общество городка Тиникум. 1993. Архивировано (PDF) из оригинала 23 апреля 2015 г.
78. Уильям Р. Хубер (2022). Джордж Вестингауз Powering the World. McFarland & Company . стр. 84. ISBN 9781476686929.
79. Скрабец, Квентин Р. (2007). Джордж Вестингауз: Gentle Genius. Algora Publishing. стр. 102. ISBN 978-0-87586-508-9.
80. Колтман 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=проигнорировано ( помощь )
82. Neidhöfer, Gerhard (2008). Michael von Dolivo-Dobrowolsky и Three-Phase: The Beginnings of Modern e Technology and Power Supply (на немецком языке). В сотрудничестве с VDE "History of Electrical Engineering" Committee (2-е изд.). Берлин: VDE-Verl. ISBN 978-3-8007-3115-2.
83. Uth, Robert (12 декабря 2000 г.). «Катушка Теслы». Tesla: Master of Lightning . PBS.org . Получено 20 мая 2008 г. .
84. "телефон | История, определение, изобретение, использование и факты | Britannica". www.britannica.com . Получено 2022-07-17 .

Библиография

• Биман, Дональд, ред. (1955). Справочник по промышленным энергосистемам . McGraw-Hill.
• Calvert, James (2001). "Inside Transformers". Университет Денвера. Архивировано из оригинала 9 мая 2007 г. Получено 19 мая 2007 г.
• Колтман, Дж. У. (январь 1988 г.). «Трансформатор». Scientific American . 258 (1): 86–95. Bibcode : 1988SciAm.258a..86C. doi : 10.1038/scientificamerican0188-86. OSTI  6851152.
• Колтман, Дж. У. (янв.–февр. 2002 г.). «Трансформатор [Исторический обзор]». Журнал IEEE Industry Applications . 8 (1): 8–15. doi :10.1109/2943.974352. S2CID  18160717.
• Бреннер, Эгон; Джавид, Мансур (1959). «Глава 18–Цепи с магнитной связью». Анализ электрических цепей . McGraw-Hill. С. 586–622.
• CEGB (Центральный совет по производству электроэнергии) (1982). Современная практика электростанций . Пергам. ISBN 978-0-08-016436-6.
• Кросби, Д. (1958). «Идеальный трансформатор». Труды IRE по теории цепей . 5 (2): 145. doi :10.1109/TCT.1958.1086447.
• Дэниелс, А. Р. (1985). Введение в электрические машины . Macmillan. ISBN 978-0-333-19627-4.
• Де Кеуленар, Ганс; Чапман, 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 инжиниринга и технологий. doi :10.1049/cp:20010853 . Получено 10 июля 2014 г.
• Del Vecchio, Robert M.; Poulin, Bertrand; Feghali, Pierre TM; Shah, Dilipkumar; Ahuja, Rajendra (2002). Принципы проектирования трансформаторов: с приложениями к силовым трансформаторам с сердечником. Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-90-5699-703-8.
• Fink, Donald G.; Beatty, H. Wayne, ред. (1978). Стандартный справочник для инженеров-электриков (11-е изд.). McGraw Hill. ISBN 978-0-07-020974-9.
• Готтлиб, Ирвинг (1998). Практический справочник по трансформаторам: для инженеров по электронике, радио и связи. Elsevier. ISBN 978-0-7506-3992-7.
• Гварниери, М. (2013). «Кто изобрел трансформатор?». Журнал промышленной электроники IEEE . 7 (4): 56–59. doi :10.1109/MIE.2013.2283834. S2CID  27936000.
• Halacsy, AA; Von Fuchs, GH (апрель 1961 г.). «Трансформатор изобретен 75 лет назад». Труды 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, эксплуатация (PDF) . RWTH Aachen University Institute of Electrical Machines. Архивировано из оригинала (PDF) 2013-02-10.
• Хаммонд, Джон Уинтроп (1941). Люди и вольты: история General Electric. JB Lippincott Company. стр. см. в особенности 106–107, 178, 238.
• Харлоу, Джеймс (2004). Электрическая трансформаторная техника (PDF) . CRC Press. ISBN 0-8493-1704-5.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
• Хьюз, Томас П. (1993). Сети власти: электрификация в западном обществе, 1880-1930. Балтимор: Издательство Университета Джона Хопкинса. стр. 96. ISBN 978-0-8018-2873-7. Получено 9 сентября 2009 г. .
• Хиткот, Мартин (1998). J & P Transformer Book (12-е изд.). Newnes. ISBN 978-0-7506-1158-9.
• Hindmarsh, John (1977). Электрические машины и их применение (4-е изд.). Exeter: Pergamon. ISBN 978-0-08-030573-8.
• Котари, Д.П.; Награт, И.Дж. (2010). Электрические машины (4-е изд.). Tata McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-069967-0.
• Кулкарни, С.В.; Хапарде, С.А. (2004). Трансформаторное машиностроение: проектирование и практика. CRC Press. ISBN 978-0-8247-5653-6.
• Макларен, Питер (1984). Элементарная электроэнергия и машины . Эллис Хорвуд. ISBN 978-0-470-20057-5.
• Маклайман, полковник Уильям (2004). "Глава 3". Справочник по проектированию трансформаторов и индукторов . CRC. ISBN 0-8247-5393-3.
• Пансини, Энтони (1999). Электрические трансформаторы и силовое оборудование. CRC Press. ISBN 978-0-88173-311-2.
• Паркер, М. Р.; Ула, С.; Вебб, У. Э. (2005). "§2.5.5 'Трансформаторы' и §10.1.3 'Идеальный трансформатор'". В Whitaker, Jerry C. (ред.). The Electronics Handbook (2-е изд.). Taylor & Francis. стр. 172, 1017. ISBN 0-8493-1889-0.
• Райан, Х. М. (2004). Высоковольтная техника и испытания. CRC Press. ISBN 978-0-85296-775-1.

Внешние ссылки

Общие ссылки :

• (Видео) Пусковой ток силового трансформатора (анимация)