Копилка

В ветку помещаю копии информационных постов и базовые экспы из рабочих веток.
Цель - чтобы все было в одном месте и без спама.
Коментарии в данной ветке запрещены.
fantom

P.S.
ссылки на некоторые полезные книги из моей библиотеки.
Ф.И. Холуянов. Трансформаторы однофазного и трехфазного тока. 1934г
В.Ф. Миткевич. Магнитный поток и его преобразования. 1946г
З.И. Расовский. Электротехника в рисунках. 1966г
Л.И. Мандельштамм. Полное собрание сочинений. Том1. 1948г.
Р.Ф. Фейнман. Лекции по физике. 2000г
А.А.Гришаев. Этот «цифровой» физический мир. 2010г.

Начнем со стандартного определения:
Трансформатор (от лат. transformo — преобразовывать) — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одного или нескольких напряжений переменного тока в одно или несколько других напряжений переменного тока без изменения частоты этого переменного тока.

Устройство простейшего трансформатора.
Трансформатор состоит из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных обмоток (как правило медь или алюминий), охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкого материала.



Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:
1) Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм)
2) Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)

На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся переменное напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе, сдвинутый по фазе, при синусоидальном токе, на 90° по отношению к напряжению на первичной обмотке. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе наводит во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС, пропорциональную первой производной магнитного потока, и при синусоидальном токе сдвинутую на 90° в сторону запаздывания по отношению к магнитному потоку.

Режим холостого хода.
При этом на первичную обмотку подается напряжение от внешнего источника.
Вторичная (е) же обмотка в этом режиме никуда не подключена.
В данном случае первичная обмотка представляет собой классическую индуктивность, ток в которой должен повторять по форме напряжение на первичной обмотке и запаздывать на 90° относительно этого напряжения. Данный ток создает магнитный поток в сердечнике. Наводимая этим потоком на витки всех расположенных на сердечнике катушек ЭДС, в свою очередь, будет запаздывать еще на 90° относительно магнитного потока.
В результате ЭДС возбуждаемая магнитным потоком в первичной (так же как и во всех остальных) обмотке, должна полностью компенсировать в ней действие внешней ЭДС (90+90=180 т.е. они находится в противофазе).
В реальном трансформаторе полной компенсации не происходит, что приводит к возникновению в первичной обмотке небольшого (3-8% от номинального) тока, называемого током холостого хода.



Теперь рассмотрим подробнее процесс создания и поддержания магнитного потока в сердечнике трансформатора.
Сердечники современных 50гц трансформаторов предназначены для работы с индукцией порядка 1.5 Тесла.
Однако для создания такого казалось бы сильного магнитного потока (для сравнения магнитная индукция создаваемая редкоземельными Nd-Fe-B магнитами составляет 1.2 - 1.4 Тл.) требуется совсем незначительный ток от источника. Возьмем для примера 100Вт трансформатор на 220В 50 Гц. Вспомним формулу расчета активной мощности P=V * I
При номинальной мощности и активной нагрузке ток в первичной обмотки должен достигать 100Вт / 220В = 0.454А (потери не учитываем). Отсюда ток холостого хода должен быть порядка 0.454А * 0.05 = 0.0227A = 22.7mA ( 5% от 0.454A).
Для упрощения примем этот ток активным (хотя реально он отстает от напряжения почти на 90° и является реактивным).
Тогда потребляемая трансформатором мощность будет всего 220В * 0.0227А = 5Вт.
Для того чтобы создать в сердечнике 100Вт трансформатора магнитный поток, равный потоку создаваемому редкоземельными магнитами, достаточна мощность всего несколько Ватт.
Предвижу возражения читателей на последнее утверждение. Как же так ? Это же холостой ход! При нем сердечник работает далеко от точки насыщения и далеко от значения рабочей магнитной индукции!
Да это распространенное убеждение. Только вот оно ложное.
Значение потока магнитной индукции в сердечнике трансформатора при холостом ходе и при максимальной нагрузке остается неизменным.
Откуда следует такой казалось бы не очевидный вывод ?
Да все и того же закона электромагнитной индукции. Скажем наш трансформатор предназначен понизить сетевое напряжение 220В в первичной обмотке до 12В во вторичной. Простой эксперимент показывает, что независимо от того работает наш трансформатор в режиме холостого хода или к нему подключена расчетная нагрузка, напряжение на вторичной обмотке останется равным 12В. А поскольку ЭДС наводимая магнитным потоком во вторичной обмотке прямо связана с напряженностью этого потока, то из этого следует что магнитный поток остается неизменным, как на холостом ходу так и при работе трансформатора под полной нагрузкой.

Суммируем:
1) В режиме холостого хода трансформатор потребляет несколько (3- % от расчетной мощности.
2) Потребляемая при холостом ходе мощность носит реактивных характер так как фаза потребляемого тока отстает на 90° от подводимого к первичной обмотке напряжения.
3) Даже такой незначительной мощности хватает для создания в сердечнике высоких значений магнитного потока.
4) Значение потока магнитной индукции в сердечнике трансформатора при холостом ходе равно его значению при расчетной мощности.

Режим работы трансформатора с номинальной нагрузкой.

В этом режиме вторичная обмотка подключена к нагрузке.
Возможны несколько основных типов нагрузки:
1) Активная нагрузка
2) Индуктивная нагрузка
3) Емкостная нагрузка
4) Активно-Емкостная смешанная нагрузка
5) Активно-Индуктивная смешанная нагрузка
В данном посте мы рассмотрим самый простой вариант - работа трансформатора на чисто активную нагрузку.
Варианты 2 - 5 будут рассмотрены по мере необходимости в части углубленного анализа.



Работа трансформатора на активную нагрузку, будет полностью включать в себя все процессы протекающие в нем при режиме холостого хода (ХХ).
Подача входного переменного напряжения на первичную обмотку породит в ней ток, отстающий на 90° от фазы входного напряжения. Этот ток, в свою очередь, породит синфазный с ним первичный магнитный поток Ф1 в сердечнике. Поток Ф1 наведет во вторичной (как и в первичной) обмотке ЭДС, отстающую по фазе на 180° от питающего напряжения.
А вот дальнейшее поведение системы будет уже отличаться от режима ХХ.
Поскольку к выводам вторичной обмотки трансформатора подсоединена нагрузка, то наведенная в этой обмотке ЭДС сразу вызовет появление тока, протекающего через нагрузку. Этот ток, протекая по виткам вторичной обмотки, в свою очередь, породит вторичный магнитный поток Ф2 в сердечнике трансформатора.
Эффект будет такой как будто мы подключили к выводам вторичной обмотки другой источник переменного напряжения, фаза которого сдвинута на 180° относительно фазы входного напряжения на первичной обмотке.
Фаза потока Ф2 будет совпадать в фазой тока во вторичной обмотке и в свою очередь будет сдвинута на 180° (противофаза) относительно фазы первичного магнитного потока Ф1. Этот вторичный магнитный поток Ф2, в первую очередь начнет компенсировать действие потока Ф1 на сердечник, а во вторую очередь будет наводить свою ЭДС во всех обмотках трансформатора.
В первичной обмотке эта наведенная потоком Ф2 ЭДС вступит в конфликт с питающим напряжением, поскольку они будут иметь противоположенную фазу (сдвинуты на 180°).
Это вызовет такой эффект, как будто индуктивное сопротивление первичной обмотки уменьшилось, что увеличит нагрузку на источник входного напряжения. Для того чтобы сохранить напряжение на первичной обмотке постоянным, источник входного напряжения вынужден будет увеличить ток, отдаваемый в цепь первичной обмотки. Это в свою очередь вызовет увеличение напряженности магнитного потока Ф1, действие которого начнет компенсировать влияние потока Ф2 на сердечник. Так будет продолжаться до тех пор, пока увеличение тока в первичной обмотке не скомпенсирует эффекты порожденные током во вторичной обмотке, подсоединенной к нагрузке.
Однако, как мы уже выяснили, суммарный магнитный поток в сердечнике должен оставаться неизменным.
В результате увеличение напряженности потока Ф1 скомпенсирует величину напряженности потока Ф2, что сохранит суммарный магнитный поток в сердечнике неизменным и равным по величине потоку при ХХ.
Важно понять, что токи I1 и I2, а также магнитные потоки Ф1 и Ф2 (от первичной и от вторичной обмоток) "не видят" друг друга - то есть напрямую никак не взаимодействуют один с другим.
То что мы имеем дело с результатами их совместной деятельности, происходит от наложения результатов их воздействия на магнитный материал сердечника или на витки обмоток трансформатора.
То есть мы видим не отдельные величины, а результат их суммарного воздействия на физические объекты.
Соответственно и токи в первичной и во вторичной обмотках являются независимыми. То что они влияют друг на друга определяется всей сложной цепочкой передачи воздействия через посредничество двух независимых магнитных потоков. Иллюзия прямой зависимости возникает от того, что они оба тока взаимодействуют с одними и теми же объектами: витками обмоток трансформатора и материалом сердечника.

Суммируем:
1) Режим работы трансформатора под нагрузкой полностью включает в себя эффекты режима ХХ.
2) Эффект увеличения входного тока трансформатора при подключении нагрузки определяется многоступенчатым процессом, при посредничестве двух магнитных потоков.
3) Суммарный магнитный поток в сердечнике под нагрузкой остается практически тем же что и при режиме ХХ.
4) Магнитные потоки порожденные токами в первичной и вторичной обмотках являются независимыми, однако мы видим только результат их совместного влияния на элементы трансформатора.

Режим короткого замыкания вторичной обмотки трансформатора.

Возникает когда выводы вторичной обмотки трансформатора оказываются соединенными между собой через сопротивление много меньшее номинального сопротивления нагрузки. При этом говорят, что вторичная обмотка замкнута накоротко.
На первый взгляд кажется, что при коротком замыкании трансформатор должен неизбежно разрушиться, от резкого увеличения тока (на порядки) во вторичной , а как следствие и в первичной обмотке.
При этих условиях температура обмоток за секунды может достичь величин порядка 500° С. Кроме того, при работе трансформатора к обмоткам всегда приложено переменные механические усилия, стремящиеся раздвинуть обмотку в радиальном и осевом направлениях. Эти усилия пропорциональны произведению токов в обмотках, и если при коротком замыкании каждый из токов I1 и I2 увеличится, например, в 100 раз, то усилия возрастут в 10000 раз. При этом обмотки трансформатора должны были бы мгновенно разрушиться.
Однако на практике этого не происходит. Обычно трансформаторы успешно выдерживают короткие замыкания в течении времени, пока устройства защиты не отключит их от сети.
Почему же так происходит ? Какая сила ограничивает токи в обмотках?
В этом режиме проявляется пока не рассматриваемое нами, но очень интересное явление под названием магнитные потоки рассеяния. Детально это явление мы рассмотрим в одном из следующих постов. Сейчас просто констатируем, что наличие этих потоков дает решающий вклад в ограничение токов короткого замыкания в трансформаторе. Напряженность потоков рассеяния прямо пропорциональна токам в обмотках. Поскольку они замкнуты, то потоки ФР1 и ФР2 наводят в обмотках соответствующие ЭДС ЕР1 и ЕР2.



Повторим про фазовые сдвиги.
Магнитный поток Ф1 и ток в первичной обмотке I1 отстают на 90 от напряжения U1. Этот поток наводит во вторичке ЭДС U2, сдвинутую на 180 (противофазную) по отношению к U1.
Поскольку вторичка замкнута то ток в ней будет совпадать по фазе с напряжением, как при работе на активную нагрузку.
Но будет принципиальное отличие. Линии магнитного поля катушки N2 будут замыкаться не через сердечник, как при нормальном режиме, а по воздуху. При этом будет отсутствовать зацепление магнитного потока от вторичной обмотки с витками первичной обмотки. То есть поток ФР2 будет наводит ЭДС только в витках самой же вторичной обмотки. При этом ЭДС UР2 будет противофазна (сдвинута на 180) по отношению к ЭДС U2. Соответственно, ЭДС UР2 будет бороться с ЭДС U2, что приведет к уменьшению тока короткого замыкания во вторичной обмотке. В современной литературе говорят, что возрастает индуктивное сопротивление вторичной обмотки. Можно сказать что, благодаря рассеянию трансформатор способен сам в какой то мере защищаться от токов короткого замыкания.

Суммируем.
При коротком замыкании во вторичной обмотке:
1) Гравенствующую роль в системе приобретают магнитные потоки рассеяния.
2) Магнитный поток вторичной обмотки проходит не по материалу сердечника, а по воздуху, минуя витки первичной обмотки.
3) Максимальный ток в обмотках ограничивается влиянием ЭДС UР2.

Осциллограмма холостого хода трансформатора.

Осциллограмма трансформатора с активной нагрузкой



Ток в первичке, немного отстает от напряжения из за величины нагрузки, несколько ниже номинальной.
То есть продолжает быть заметной реактивная составляющая - след от ХХ.
Ток во вторичке, поскольку нагрузка активная, полностью совпадает по фазе с напряжением на вторичке.

Динамические процессы в трансформаторе.
Кроме стандартного режима работы трансформатора (режим холостого хода и режим номинальной нагрузки)
представляют интерес коротко текущие процессы, сопровождающие изменение режима работы трансформаторов.
Несмотря на их малую длительность, изучить их необходимо для понимания принципов работы трансформатора.

Есть несколько типов переходных процессов:
- Волновые процессы а обмотках трансформатора.
Они обусловленны рождением волнового фронта перепадом потенциала на выводах коммутируемой обмотки. Детальное рассмотрение волновых процессов при включении мы проведем в одном из следующих постов.
- Переходные процессы в обмотках с участием сердечника трансформатора.
Именно эти процессы, на первый взгляд более простые, мы сейчас и рассмотрим.

Можно выделить следующие переходные процессы:
- подключение трансформатора к источнику ЭДС
- отключение трансформатора от источника ЭДС
- внезапное короткое замыкание во вторичной обмотке
- снятие кроткого замыкания со вторичной обмотки

Подключение трансформатора к источнику ЭДС при не нагруженной вторичной обмотке. Часть 1.
Наверное многие из Ваc замечали, что при включении трансформатора с габаритной мощностью скажем от 100ВТ и больше, в сеть - в нем раздается некий, быстро затухающий звук. Этот звук обусловлен механической вибрацией пластин сердечника и проводом обмоток трансформатора от так называемого "броска тока намагничивания".
Рассмотрим поведение системы детально.

Для упрощения, сначала рассмотрим поведение обычной катушки без сердечника в подобной ситуации.
Магнитный поток является интегральной функцией приложенного напряжения. Если напряжение меняется по синусоидальной кривой, то и магнитный поток будет также меняться по синусоидальной кривой со сдвигом по фазе на 90.
При переходном режиме включения магнитный поток катушки меняется согласно тому же закону электромагнитной индукции, но форма кривых изменения его во времени зависит от момента подключения катушки к источнику ЭДС.

1) Индуктивность подключается к источнику синусоидальной ЭДС в момент пика напряжения:
В первый момент включения магнитный поток равен нулю.
Начиная с нулевого значения, поток будет нарастать до тех пор, пока напряжение имеет положительное значение, т. е. до момента пересечения 0. В этот момент магнитный поток достигнет наибольшего значения и начнет уже убывать.
Изменение магнитного потока будет в рассматриваемом случае происходить по той же синусоидальной кривой, что и при установившемся режиме.



2) Индуктивность подключается к источнику синусоидальной ЭДС в момент 0 напряжения:
Магнитный поток катушки будет нарастать до тех пор, пока приложенное напряжение станет опять равным 0, т. е. в течение всего полупериода. Увеличение потока прекратится в момент прохождения напряжения через нуль. В течение следующего полупериода поток будет убывать, пока напряжение не изменит своей полярности.



Мы видим, что начальный ток переходного процесса в катушке при подключении ее к источнику в 0 напряжения, в два раза больше тока включения той же катушки в момент прохождения напряжения через максимум.
Если бы активное сопротивление катушки было равно нулю (как на нашем рисунке) , то магнитный поток и ток, пульсировали бы в катушке неопределенно долгое время, не меняя своих знаков. Ток в катушке (так же, как и магнитный поток)
мы можем представить как бы сложенным из тока установившегося режима и постоянного тока равного амплитудному значению установившегося тока.
Наличие активного сопротивления катушки быстро снижает постоянный ток до нуля, вследствие чего режим включения постепенно переходит в режим установившегося состояния.

Подключение трансформатора к источнику ЭДС. Часть 2.
Реальный трансформатор отличается от рассмотренной выше катушки наличием стального сердечника (напомню, что мы говорим о 50Гц трансформаторах). Следствием этого является:
1) В результате резкого увеличения магнитной проницаемости среды внутри катушки по сравнению с воздухом, магнитная индукция возрастает в μ раз. То есть сердечник как бы концентрирует магнитное поле в своем обьеме.
2) Замкнутый сердечник образует канал для замыкания линий магнитного поля, что приводит к образованию замкнутого магнитного потока в материале сердечника. Тут можно провести аналогию с замкнутым контуром по которому проходит электрический ток, только в данном случае ток "магнитный".

Как же изменится динамика установления рабочего тока при включении в сеть трансформатора, по сравнению с катушкой без сердечника ?
Для примера возьмем момент подключения трансформатора при 0 входного напряжения.
Как мы говорили, магнитный поток должен увеличиться до своего двойного значения по сравнению с установившемся режимом. Индукция сердечника при этом также в два раза превысит номинальное значение. При этом говорят, что сердечник погрузится в глубокое насыщение, что в свою очередь увеличит его магнитное "сопротивление". Сильное магнитное поле приведет к уменьшению магнитной проницаемости сердечника, что резко снизит эквивалентное индуктивное сопротивление обмотки. Результатом этого будет резкое увеличение амплитуды броска тока при включении. Особенно велики броски тока при подключении трансформаторов, изначально рассчитанных на работу в режиме насыщения типа МОТ-ов. Броски тока при подключении мощных трансформаторов могут превышать ток холостого хода в 100-120 раз, а ток номинальной нагрузки в 8-12раз.
Именно это броски и являются причиной звука, рождающегося при включении трансформаторов в сеть.
Значительную роль в формировании амплитуды броска тока вносит момент предыдущего отключения трансформатора от источника ЭДС. Указанный эффект обеспечивается остаточной индукцией в сердечнике. Представьте, мы выключили трансформатор и сети, а потом, через некоторое время, включаем снова. Изменяющаяся по синусоидальному закону магнитная индукция начинает изменяться не с нулевого значения, а со смещением на значение остаточной магнитной индукции с прошлого включения. Остаточная индукция может составлять 80-90% от номинальной рабочей, и таким образом рабочая точка сердечника сместится далеко за излом характеристики намагничивания, что даст еще большую величину броска тока. Длительность переходных процессов при включении трансформатора составляет от нескольких периодов напряжения питания до нескольких секунд.

Характерный вид кривой броска тока намагничивания в мощном трансформаторе.