Почему ненагруженный трансформатор потребляет очень мало энергии

Трансформатор без нагрузки потребляет электричество?

Много ли электроэнергии потребляет трансформатор, включенный в сеть без нагрузки? Есть ли смысл выдергивать все вилки из розеток?

Вообще говоря, немного потребляет. Первичная обмотка имеет некоторое активное сопротивление, петля гистерезиса сердечника имеет некоторую площадь. Потери качественного трансформатора на холостом ходу отличны от нуля, но пренебрежимо малы. Это с одной стороны. С другой — существуют счётчики, которые замеряют потребляемую мощность радикально просто — перемножают амплитуду тока на амплитуду напряжения. Для обычной нагрузки это, правда, похоже на мощность. А трансформатор на холостом ходу — это индуктивная нагрузка. И там даже при нулевой потребляемой мощности возможна огромная амплитуда тока. И счётчик будет крутится одинаково — подключена к трансформатору нагрузка или нет. Так что лучше пронаблюдать глазками, как счётчик реагирует на трансформатор без нагрузки. Или на всякий случай всё выдёргивать из розеток.

6.2. Уменьшение потребления электричества

Система подачи и потребления электричества промышленных или коммерческих предприятий имеет в большинстве своем достаточно сложную структуру, поэтому, рассматривая вопрос об экономии при потреблении энергии, удобнее всего разделить его на четыре части и рассмотреть отдельно:

Система подачи электроэнергии

Система подачи электричества, разветвленная внутри предприятия подобно кроне дерева, состоит из электрических линий, выключателей, прерывателей цепей, предохранителей и трансформаторов. Потери в этой системе редко превышают 3 % от общей потребляемой энергии.

Очень выгодно, чтобы система подачи работала непрерывно, обеспечивая отдельные узлы необходимой энергией даже в случае каких-то поломок или при проверке, например, кабельной системы. Двойная подводка к основным центрам потребления является решением проблемы, но это увеличит первоначальные затраты на систему подачи примерно на 35 %. Однако в дальнейшем эти затраты окупаются за счет уменьшения остановок предприятия, связанных с аварийными ситуациями.

Электрические линии

Мощность, потребляемая в электрической цепи, определяется как произведение тока на напряжение, см. форм. (1.4). Напряжение при этом будет падать пропорционально сопротивлению в цепи. Это сопротивление зависит от размера провода, металла, из которого провод сделан, и его температуры. В результате, если потери в проводнике увеличиваются, необходим больший ток, чтобы в каком-либо месте выделилось определенное количество энергии. Это касается не только проводов, но и выключателей, прерывателей, предохранителей.

Увеличение вдвое сечения проводника уменьшит потери электроэнергии на 75 %, но повлечет за собой затраты, в несколько раз большие, чем экономия, полученная в результате. Стоимость проводников составляет около 10 % от стоимости электрического оборудования. Поскольку увеличение вдвое размеров проводников удвоит эту стоимость, возможности экономии в данном случае будут невелики.

Переключатели, размыкатели, предохранители

Потери энергии, связанные с этими элементами, минимальны, их замена на что-либо другое дала бы очень маленькую экономию. Если же по какой-либо причине имеет место плохой контакт или другая неисправность, неправильная работа вызовет перегревание и неминуемую аварию, грозящую перерывом в работе. Контроль перегрева подобных устройств поможет избежать дорогостоящих остановок.

Однако с точки зрения достижения режимной экономии на этих устройствах, то возможности здесь минимальные.

Трансформаторы

Потери. Классификация потерь трансформатора приведена ниже, см. также гл. 3.

Потери холостого хода, или потери в железе. Эти потери энергии возникают в магнитной системе трансформатора, они связаны с намагничиванием сердечника, не зависят от нагрузки и остаются постоянными все время, пока трансформатор включен в сеть.

Потери короткого замыкания (нагрузочные), или потери в меди. Это энергия, потребляемая в обмотке трансформатора и зависящая от тока нагрузки.

Величина потерь каждого типа изменяется в зависимости от того, как используется трансформатор. Например, распределительные трансформаторы, рассчитанные на низкие нагрузки (бытовые), имеют очень маленькие (из-за своих размеров) потери холостого хода, но потери в меди несколько выше средних. В годы второй мировой войны появилась сталь с улучшенными магнитными свойствами. Трансформаторы большой мощности, изготовленные до этого времени, имели потери холостого хода существенно большие, чем изготовленные позже. Потери холостого хода, как и нагрузочные потери, примерно на 50 % выше у сухих трансформаторов с воздушным охлаждением по сравнению с масляными (иммерсионными) трансформаторами или трансформаторами, заполненными жидким диэлектриком.

Данные о потерях холостого хода и нагрузочных потерях для различных типов трансформаторов, изготовленных в США, см. табл. 6.1.

Потери в трансформаторах

холостого хода, отн. ед.

короткого замыкания (в меди), отн. ед

изготовленные в 1948 г. и позднее

Изготовленные до 1948 г.

Столбовые (распределительные) трансформаторы

Избыточная мощность. Трансформаторы настолько надежны в работе, что создается видимость их абсолютной эффективности. Но это не так. Потери в трансформаторах существуют, их можно оценить и убедиться, что часто имеют место существенные потери энергии из-за того, что завышена мощность трансформатора или суммарная мощность нескольких трансформаторов, работающих на общую нагрузку.

В промышленности или в коммерческих предприятиях часто встречается ситуация, когда трансформаторы работают с существенно более низкими нагрузками по сравнению с номинальными. Обычно это происходит потому, что данный трансформатор, имеющий избыточную мощность, оказался «под рукой». Поскольку ненагруженные трансформаторы, как и ненагруженные моторы, потребляют энергию постоянно, – при этом потери холостого хода определяются паспортной полной нагрузкой, а не реальной нагрузкой – потери энергии в результате этого могут быть большими, особенно для трансформаторов старого образца. По этой причине на трансформаторы, работающие с нагрузками, меньшими расчетных, следует обратить особое внимание с точки зрения перераспределения нагрузок. (Это относится прежде всего в США к трансформаторам образца до 1948 г., если их нагрузка менее 75 % от номинала.) Обычно в таких ситуациях производят переключение нагрузки и отключение одного или нескольких трансформаторов. Стоимость монтажа кабелей или шин для перекоммутации нагрузок между близко расположенными трансформаторами нужно сравнить с возможной экономией из-за уменьшения потерь холостого хода. Нужно учесть некоторое увеличение потерь в меди при увеличении нагрузки на трансформатор. Нагрузочные потери пропорциональны квадрату нагрузки, т. е. для трансформатора, загруженного на 50 %, составляют 25 % от потерь при полной нагрузке.

Когда речь идет о коэффициенте мощности, стоит обратить внимание еще на одну величину – это реактивная составляющая тока трансформатора. Обычно этот ток сдвинут по фазе, не зависит от нагрузки и составляет 5 % от номинального тока полной нагрузки. Этот ток определяет реактивную мощность, измеряемую в киловольт-амперах, составляющую примерно 5 % от номинальной мощности трансформатора. Таким образом, если используется трансформатор, рассчитанный на большую нагрузку, то реактивные потери энергии уменьшат коэффициент мощности трансформатора по сравнению с тем, который мог бы быть при правильно выбранном трансформаторе.

Электродвигатели

До настоящего времени двигатели на большинстве промышленных предприятий являются одним из главных потребителей энергии. И хотя по своей конструкции они являются высокоэффективными, их неправильное использование может стать причиной заметных потерь электроэнергии на данном предприятии.

Коэффициент полезного действия при полной нагрузке

Преобразуя электрическую энергию в механическую, все двигатели теряют энергию, которая выделяется в виде тепла и должна поглощаться окружающим воздухом. Часть этого тепла образуется за счет трения в подшипниках и вентиляторе. Однако основную часть потерь энергии в двигателе определяют два других фактора – потери в сердечнике и омические потери. Потери в сердечнике определяются теплом, выделяющимся в роторе и пластинах сердечника за счет магнитного потока. Омические потери – это тепло, выделяемое током, проходящим через обмотку статора при создании магнитного поля. Нагрузка двигателя должна составлять не менее 70 % от номинальной. Коэффициент полезного действия двигателя, максимальный при 100%-ной нагрузке, падает всего на 3 % при 70 % от номинала, но уже на 8 % при 50 % от номинала, на 25 % – при 30 и на 55 % при 10 % от номинальной нагрузки.

Коэффициент полезного действия при нагрузках,

меньших номинальной

Мощные двигатели появились в основном в расчете на максимально возможные нагрузки для насосов или других механизмов. Однако на практике очень редко случается, чтобы такие двигатели работали действительно с максимальными нагрузками. Кроме того, большинство электродвигателей в течение коротких промежутков времени могут работать с нагрузками, превышающими номинальную. В этом случае следует помнить, что при каждом шаге вниз по ряду номиналов мощности двигателей коэффициент полезного действия при полной нагрузке, как правило, снижается на 0,5–1 %. Это снижение КПД нужно принимать во внимание при оценке экономии.

Определить, не избыточен ли по мощности двигатель, можно лишь с помощью измерений по данным контрольного ваттметра с записью на ленту. Для этого также могут использоваться непрерывные измерения с помощью амперметра при условии, что нагрузка остается относительно постоянной. Результаты затем сравниваются с паспортными данными, чтобы установить, не является ли двигатель слишком мощным для данной нагрузки.

Наиболее типичны следующие причины работы двигателей в режиме неполной нагрузки.

Конструкторы имеют привычку завышать мощность двигателя на всякий случай, поскольку за умеренное превышение мощности не критикуют.

Исходные данные для конструкторских разработок могли содержать ошибку, или проявился консерватизм в желании завысить мощность (на всякий случай).

При установке избыточно мощного двигателя могла приниматься во внимание аварийная ситуация, о чем позже забыли, а двигатель остался.

Технологические процессы могли измениться постепенно по сравнению с моментом установки двигателя.

Иногда оказывается возможным увеличить степень загруженности двигателей заменой двигателей, работающих с неполной загрузкой, меньшими, которые, в свою очередь, могут освободиться в результате подобных замен в пределах данного предприятия. В большинстве случаев для этого требуются очень незначительные капиталовложения или вообще можно обойтись без них. Основные затраты будут связаны с присоединением менее мощных двигателей к нагрузке, причем работа, как правило, может быть выполнена работниками данного предприятия. Низкий коэффициент мощности, связанный с недогрузкой, можно поднять с помощью конденсаторов (как это обычно бывает) или синхронных двигателей. Однако низкий КПД двигателя нельзя скомпенсировать никаким способом. Двигатели должны работать с нагрузкой не ниже 25–30 % от номинальной. Правильный выбор двигателей способствует как экономии, так и уменьшению начальных капиталовложений.

Из рис. 6.1 видно, как можно увеличить эффективность использования двигателя. Например, при замене двигателя мощностью 74,6 кВт, работающего с 40%-ной нагрузкой по отношению к номинальной, на меньший двигатель, для которого данная нагрузка будет 100%-ной,

годовая экономия = 74,6 0,40,0753(1 – 0,85)8760 = 2952 долл. США,

где 0,0753 – стоимость электроэнергии, долл./кВт∙ч; 8760 – число часов в году; 0,85 – коэффициент продолжительности работы двигателя.

Рис.6.1. КПД и коэффициент мощности в зависимости от нагрузки

Двигатели с высоким КПД

В 1965 г. в США в результате реконструкции двигателей серии U с целью сделать их более компактными появились более дешевые двигатели серии Т. Эти двигатели работают при более высокой температуре, они меньше по размерам при заданной мощности, чем двигатели серии U. Однако при уменьшении размеров увеличиваются омические потери в обмотке, а также потери в пластинах сердечника, что снижает КПД двигателей. В настоящее время удорожание электричества сместило акцент с уменьшения размеров и начальной цены двигателей на стоимость их эксплуатации.

Что касается «более эффективных» электродвигателей, пока много разговоров, но мало дела. За исключением Е-Рlus двигателей (Gould Inс.; мощность от 1 до 18,6 кВт) изготовители почти не предоставляют выбора. Двигатели от Gould Inс. имеют КПД, всегда на 1,2 % превышающие КПД аналогичных двигателей других марок. Среди остальных корпораций наиболее эффективные двигатели предлагает Westinghouse Electronic Corporation; остальные выпускают примерно одинаковую продукцию, слегка отличающуюся теми или иными параметрами. Например, двигатель мощностью 11,2 кВт с коэффициентом полезного действия 90 % стоит на 75 долл. США дороже, чем стандартный. При условии, что его КПД на 1,2 % выше, получим:

годовая экономия = 11,2 0,0120,07538760 = 88,65 долл. США,

где 0,0753 – стоимость электроэнергии, долл./кВт∙ч.

Двигатели с высоким коэффициентом полезного действия отличаются не только более высоким коэффициентом мощности при полной нагрузке (по номиналу), для них характерно и не столь резкое падение коэффициента мощности при работе с неполной по отношению к номинальной нагрузкой (довольно обычная ситуация в процессе эксплуатации двигателя). Двигатели с высоким КПД – это, в основном, двигатели переменного тока и номинальной мощностью ниже 150 кВт, прежде всего двигатели с номинальной мощностью 4–15 кВт. Хотя при покупке нового двигателя необходимо обращать внимание на модели с высоким коэффициентом полезного действия, следует иметь в виду, что возможная экономия на этом пути несравненно меньше той, которую можно получить при правильном выборе размера двигателя в расчете на определенную нагрузку.

Холостой ход

Самый прямой путь сэкономить энергию – исключить холостую работу двигателя. Это простая, на первый взгляд, вещь на практике требует постоянного надзора или автоматического контроля.

Потреблению энергии при отсутствии нагрузки иногда не придают значения. Однако очень часто ток холостого хода сравним с током при полной нагрузке.

Слишком высокие скорости

В большинстве случаев нагрузка двигателя прямо пропорциональна его скорости. Это относится к станкам, подъемникам, смесителям, конвейерам и поршневым насосам (при постоянном давлении). Однако мощность таких установок, как вентиляторы, воздуходувки или центробежные насосы, зависит от скорости нелинейно. Если эти установки имеют свободный выпуск, мощность пропорциональна кубу скорости, т.е.

Например, если двухскоростной вентилятор работает с половинной скоростью, теоретически потребляемая мощность равна

или 12,5 % от мощности полной нагрузки.

Потери на трение могут увеличить это значение до 20 %. Для вентилятора мощностью 3,73 кВт при работе с половинной скоростью

годовая экономия = 3,73 (1 – 0,2)0,07538760 = 1968 долл. США.

Уменьшение нагрузки

Уменьшение нагрузки обычного двигателя означает, очевидно, уменьшение расходов на электричество. Смазка всех движущихся частей, таких, как подшипники и цепные приводы, также снизит потери, связанные с трением. Установка шариковых или роликовых подшипников вместо подшипников скольжения, особенно на трансмиссионных валах, – еще один важный способ экономии.

Обязательная профилактика оборудования поможет также избежать потерь, связанных с трением, и вовремя обнаруживать несоосность оборудования, заклинивание подшипников, проскальзывание ремней и т. п.

Высокий пусковой вращающий момент

Для нагрузок, требующих нормальных пусковых моментов, подходят двигатели серии В (общего назначения, наиболее часто встречающиеся на промышленных предприятиях США) или серии А, выпускаемые National Electrical Manufactures Association (NЕМА). В случае высокоинерционных нагрузок можно использовать специально сконструированные двигатели малых размеров с высоким вращающим моментом. Двигатели серии В (NЕМА), которые были рассчитаны на нагрузки, требующие повышенных пусковых моментов, будут работать с меньшей эффективностью по сравнению с той, которая была бы, если бы двигатель работал с нагрузкой, требующей его максимальной скорости. С другой стороны, двигатель меньших размеров серий С или D (от NЕМА), может обеспечить тот же самый вращающий момент, но при нормальных условиях работать в режиме, близком к номинальному по величине нагрузки.

Электромашинные преобразователи

Полупроводниковые выпрямители как источники постоянного тока для двигателей постоянного тока и других установок, где используется постоянный ток, наиболее предпочтительны по сравнению с другими системами. Широко распространенные до недавнего времени электромашинные преобразователи несравненно менее эффективны по сравнению с полупроводниковыми выпрямителями. Выпрямители работают с большими КПД при полной нагрузке и отличаются меньшими падениями КПД при неполной нагрузке. Их КПД остается почти постоянным при изменении нагрузки, в то время как в электромашинных преобразователях КПД в аналогичной ситуации падает очень сильно. КПД электромашинных преобразователей составляет примерно 70 % при полной нагрузке, КПД полупроводниковых выпрямителей – соответственно 96 %.

Освещение

Большие расходы на электроэнергию часто бывают связаны с неправильно организованным освещением предприятия.

Стандарты освещения

Первый шаг в выполнении любой программы по уменьшению расходов на освещение состоит в принятии стандартов на данном предприятии. Рекомендованные американской компанией СYNАМID уровни освещенности для различных условий работы приведены в табл. 6.2. Выполнение этих рекомендаций может дать существенную экономию энергии.

Рекомендуемые уровни освещенности по стандартам американской компании

1. Локальное освещение лампами

накаливания от собственных источников

(100-ваттные безопасные рассеиватели

с зеленым абажуром)

2. Упаковочные помещения

3. Залы управления

передняя часть приборной доски – верт.

задняя часть приборной доски – верт.

4. Коридоры и лестничные пролеты

(закрытые пролеты – ЛН)

5. Маленькие складские помещения

7. Туалеты и гардероб

8. Складские помещения

9. Залы с механическим оборудованием

10. Пульты и служба техники безопасности

1. Кафетерий – залы

2. Пропускной пункт – внутри

– проход для пассажиров

3. Складские помещения в зависимости

4. Магазины и гаражи

5. Другие площади – так же, как в производственных помещениях или офисах

Окончание табл. 6.2

1. Офисы – личные кабинеты

2. Компьютерные залы

4. Коридоры и лестницы

5. Редакционные помещения

6. Подсобные помещения

9. Комнаты отдыха

10. Медицинское обслуживание – общее

11. Приемные и коридоры

12. Телефонные станции

1. Производственные площади с локальным

освещением от собственных источников,

2. Узкие проходы, трапы

4. Общие площади

8. Насосные станции

9. Железнодорожные линии

10. Подстанции и пульты

Замечание.Поскольку КПД ламп НЛВД выше по сравнению с КПД других ламп, фирма «Дюпон» рекомендует, по возможности, НЛВД.

При определении необходимого уровня освещенности для конкретного помещения очень важно, чтобы этот уровень определялся потребностью в освещении рабочего места. Традиционный же способ – это равномерное освещение по всей площади. Однако, с увеличением стоимости электроэнергии, в настоящее время приходится находить оптимальные способы освещения на предприятиях. Вместо того чтобы освещать всю площадь по самому высокому уровню, определяемому отдельными рабочими местами, можно снизить общий уровень освещения, сделать дополнительное освещение там, где требуется, и получить таким образом экономию.

Неравномерное освещение не только снижает потребление энергии – оно привлекательно и по другой причине – уменьшает излишнюю яркость, которая часто создает дискомфорт для глаз. Когда рабочие места освещены стандартным образом, а уровень освещенности остальной части помещения – умеренный, такой дискомфорт исчезает.

Проверка уровня освещенности

Имея соответствующие стандарты освещения, следует провести проверку по всему предприятию, чтобы установить действительный уровень освещенности. Эта проверка позволит определить, какие изменения нужно сделать, чтобы привести освещение в соответствие со стандартами.

По мере старения лампы интенсивность идущего от нее света несколько снижается. Если замена ламп происходит выборочно, по мере необходимости, как это бывает в большинстве случаев, средний уровень остается прежним. Если, однако, провести полную замену всех ламп одновременно, освещенность помещения увеличится, и любые приборы это немедленно зафиксируют.

Пути снижения расходов на освещение

в рамках существующей системы

В зависимости от конкретных условий одна или несколько предлагаемых ниже мер помогут снизить количество затрачиваемой на освещение энергии до 40 %.

«Уходя гасите свет!» Самый очевидный и выгодный шаг в снижении затрат на освещение – это выключить лампы, если они не нужны. Однако для реализации этой идеи нужно, чтобы ее поддержали все сотрудники. Во-первых, рядовые контролеры должны понимать, что экономить свет – их обязанность, дающая важный результат. Администрация должна также активно поддержать программу экономии. Простой, но эффективный способ, которым представители администрации могут продемонстрировать свою заинтересованность в выполнении программы, – дать всем увериться в том, что лампы выключены во всех кабинетах, где в данный момент никого нет. Это будет хорошим примером и убедит остальных сотрудников в том, что важно экономить энергию на всех площадях, большинстве случаев полная замена существующей системы освещения на другую, более эффективную, нереальна. Тем не менее, можно рассмотреть отдельные меры по снижению расходов на освещение в пределах существующей системы.

Могут быть ситуации, когда в помещении не производятся никакие работы, но минимальное освещение должно оставаться; или работа выполняется на ограниченной территории в период уменьшенного выпуска продукции, например, в вечернее или ночное время. Схема освещения часто не обеспечивает возможностей для частичного уменьшения освещенности. Стоимость модификации проводки, которая могла бы обеспечить частичное отключение, нужно сравнить с возможной экономией энергии, и дополнительная проводка должна быть сделана только в том случае, если она обеспечит реальную экономию.

Исторически сложилось так, что флуоресцентные лампы оставались включенными в дневное время или в течение других отрезков времени, потому что время жизни трубки сильно уменьшалось от частых включений. Необходимость в этом сейчас уменьшилась, так как трубки стали более терпимы к большому числу включений, а стоимость энергии выше по сравнению со стоимостью трубки. Целесообразность выключения в каждом конкретном случае должна быть определена сравнением стоимости электричества со стоимостью замены, которая включает стоимость как лампы, так и ее установки. Последняя зависит от того, заменяется ли одна лампа или сразу несколько, от того, сколько времени требуется, чтобы выполнить работу. Тем не менее, можно принять, что лампы следует выключать, если они не используются более 5 минут.

Лишние лампы. Второй шаг в уменьшении затрат – уберите лишние лампы, если они не нужны. Этим правилом часто можно воспользоваться в кабинетах или помещениях, где равномерное освещение обеспечено ровными рядами осветителей. Например, над дверью кабинета лампы можно убрать, не уменьшая уровень освещенности над рабочим местом. Световые нагрузки в офисных помещениях могут быть снижены за счет этого на 25 %.

Часто можно уменьшить освещение проходов, сокращая часть ламп; лампы над рабочими площадями могут обеспечить достаточное освещение в проходах. Завышенная освещенность (около 1290 лк) в служебных помещениях, в комнатах, коридорах, на складах встречается очень часто.

Если одна из ламп двухлампового осветителя обеспечивает нужное освещение, можно вставить «фиктивную трубку», чтобы стандартный сдвоенный светильник действовал как одинарный, без изменения балластного сопротивления. Если речь идет о лампах дневного света, обе лампы должны быть вынуты из арматуры, если не поставлена «фиктивная лампа». Если в цепи остается одна лампа, то в некоторых системах происходит серьезное повреждение пускорегулирующих устройств. Фактически большинство сдвоенных светильников дневного света не могут работать с одной лампой. Если лампы убираются, балластное сопротивление будет потреблять электроэнергию, даже если осветитель выключен (за исключением некоторых типов светильников, которые имеют соответствующие выключатели в патронах ламп).

Работа двухлампового светильника дневного света длиной 2,78 м в течение года стоит 0,167 0,07538760 = 110 долл. США (с учетом балластной нагрузки).

Заметная экономия может быть получена в том случае, когда значительное число лишних ламп будет исключено из системы освещения.

Техобслуживание. Скопления пыли и грязи на арматуре сильно влияют на эффективность работы лампы, уменьшая освещенность. Из-за этого освещенность может уменьшиться до величин, составляющих примерно 30 % от начальных, к моменту замены ламп, в особенно грязных помещениях – еще больше. При среднем уровне загрязненности промышленного предприятия нужно чистить арматуру хотя бы при замене ламп.

Число ламп, требуемых для того, чтобы обеспечить желаемый уровень освещенности на данном предприятии, будет зависеть от правил техобслуживания данного предприятия. Дополнительное освещение, необходимое для того, чтобы компенсировать постепенное уменьшение света из-за грязи, должно быть предусмотрено с самого начала.

При проверке уровня освещенности важно состояние арматуры. Если чистые светильники способны улучшить уровень освещения так, что можно убрать некоторое количество ламп, более частая чистка арматуры может решить проблему. Однако стоимость работ по очистке нужно принимать во внимание при оценке возможной экономии.

И, наконец, очень светлые стены уменьшают количество поглощаемого света.

Используйте лампы с меньшей мощностью! Уменьшение затрат на освещение может быть достигнуто за счет допустимого снижения мощности используемой лампы, если нельзя убрать лампу вообще. Многие фирмы производят лампы дневного света пониженной мощности, обеспечивающие снижение освещенности на 20 %. Для таких трубок при пониженной мощности нужно соответствующее балластное сопротивление, которое начали производить в США с 1970 г.

Перестановка светильников. Большой перерасход энергии может быть связан с неправильной установкой освещения. Перестановка светильников может оказаться целесообразной, если первоначально было установлено равномерное освещение, в то время как на самом деле равномерное освещение требуется только на отдельных участках. Оптимальное размещение ламп дает увеличение освещения там, где это необходимо, при общем уменьшении освещенности. В таких случаях оценка экономии должна производиться в зависимости от затрат на перестановку.

Замена существующей системы освещения

Как правило, непрактично заменять существующую систему на другую, хотя и более эффективную. Однако, если новая система освещения должна устанавливаться на новых или модифицирующихся сооружениях, нужно рассматривать наиболее экономичные системы. В табл. 6.3 приведены характеристики различных осветительных систем в США.

Почему при разомкнутой вторичной обмотке трансформатор потребляет мало энергии?

Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.

решение вопроса

Связанных вопросов не найдено

• Все категории
• экономические 43,679
• гуманитарные 33,657
• юридические 17,917
• школьный раздел 612,441
• разное 16,911

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

Почему в трансформаторе на обоих обмотках мощность тока одинаковый

Чем автотрансформатор отличается от трансформатора и для чего он нужен

Для повышения или понижения напряжения и гальванической развязки цепей используются трансформаторы. Обычный трансформатор состоит из двух и более обмоток не соединённых друг с другом, расположенных на одном сердечнике.

Но изменить величину напряжения можно и с помощью другого устройства — автотрансформатора, принцип действия и сферы применения которого мы и рассмотрим сегодня.

Отличия от трансформатора

Прежде чем перейти к разговору об автотрансформаторе, давайте вспомним как устроен обычный трансформатор. Он состоит из сердечника, на котором расположены две или больше обмоток. Обмотка, которая подключается к источнику питания называется первичной (w1), а обмотка, к которой подключается нагрузка — вторичной (w2).

Рисунок 1 — электромагнитная схема трансформатора Рисунок 1 — электромагнитная схема трансформатора

При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока, создаётся магнитный поток Ф и замыкается в сердечнике. Так как вторичная обмотка намотана на том же сердечнике, то магнитный поток, пересекая её витки, наводит в них ЭДС. При подключении ко вторичной обмотке нагрузки Zн индуцированная ЭДС порождает электрический ток. Ток вторичной обмотки влияет на ток первичной обмотки так, что при увеличении тока нагрузки (тока во вторичной обмотке) увеличивается ток в первичной.

Так как индуктированная ЭДС в каждом витке одинаковая, то напряжение первичной и вторичной обмоток зависят только от соотношения количества витков между ними, а это соотношение называется коэффициентом трансформации: k=w1/w2.

Первичная и вторичная обмотки трансформатора не имеют электрической связи и мощность из одной обмотки в другую передаётся электромагнитным путём, а магнитопровод (сердечник) на котором они расположены усиливает индуктивную связь между обмотками.

Рисунок 2 — схема трансформатора Рисунок 2 — схема трансформатора

Вернёмся к теме, согласно п. 2.25 ГОСТ 16110-82 автотрансформатор — это трансформатор, две или более обмоток которого гальванически связаны так, что они имеют общую часть.

Фраза «гальванически связаны» — значит, что между первичной и вторичной обмоткой есть электрический контакт. Для наглядности ещё раз изобразим обычный трансформатор и пронумеруем выводы его обмоток: начало и конец первичной — цифрами 1 и 2, а вторичной — цифрами 3 и 4.

Рисунок 3 — схема трансформатора Рисунок 3 — схема трансформатора

Если соединить вывод 2 с выводом 3 (рисунок 4 — а), то мы получим автотрансформатор. Но такого обозначения на схеме вы не встретите нигде, обычно их изображают как на рисунке 4 — б.

Рисунок 4 — автотрансформатор: а) соединение обмоток для сравнения с трансформатором; б) обозначение на схеме Рисунок 4 — автотрансформатор: а) соединение обмоток для сравнения с трансформатором; б) обозначение на схеме

На рисунке 5 видим, что обмотка 1-4 первичная, так как к ней подключён источник питания. А вот с обмоткой 3-4 дело обстоит интереснее: так как к ней подключена нагрузка то логично её называть вторичной, но при этом она является частью первичной обмотки.

В зависимости от конкретного случая источник переменного тока и нагрузку подключают к разным выводам, например, если подключить источник питания к выводам 1 и 4, а нагрузку к выводам 3 и 4 — мы получим понижающий автотрансформатор. Если подключить питание к выводам 3 и 4, а нагрузку к 1 и 4 — получим повышающий автотрансформатор.

Принцип действия

Рассмотрим принцип работы автотрансформатора, и предположим, что у нас понижающий автотрансформатор к которому питание и нагрузка подключены как изображено на рисунке 4 — в.

Электрический ток, протекая по обмотке 1-4 автотрансформатора, создаёт в сердечнике переменный магнитный поток, который индуктирует в обмотке ЭДС E. При этом ЭДС каждого витка одинакова, и ЭДС во вторичной обмотке E2 будет пропорциональна количеству её витков (w2), относительно полного количества витков автотрансформатора (w1+w2), то есть между точками 1 и 4.

Соотношения этих ЭДС можно записать так:

где E – ЭДС индуктированная во всей обмотке, E2 – ЭДС вторичной обмотки, W – общее количество витков первичной и вторичной обмотки (W=w1+w2).

Кстати отношение W/w2 называют коэффициентом трансформации и обозначают латинской буквой k, то есть k=W/w2.

То есть если у нашего автотрансформатора всего 100 витков, при этом нагрузка подключается к последним 30 виткам, то если мы подадим на концы катушки переменное напряжение U1=10 вольт, то на нагрузке будет U2=3 вольта.

Рисунок 5 — электромагнитная схема, напряжения и токи в обмотках автотрансформатора Рисунок 5 — электромагнитная схема, напряжения и токи в обмотках автотрансформатора

Особенности: ток первичной и вторичной обмоток, мощности

В трансформаторе мощность от источника питания и первичной обмотки передаётся во вторичную обмотку и нагрузку через магнитное поле, пронизывающее сердечник. Электрической связи между обмотками нет. У автотрансформатора обмотки связаны друг с другом, даже более того, «вторичная» обмотка – это часть первичной обмотки. Поэтому мощность от источника питания в нагрузку передаётся и через электрическую, и через магнитную связь.

Из этого вытекает несколько особенностей, и для начала рассмотрим токи в обмотках автотрансформатора. Ток первичной , вернее последовательной части обмотки обозначим как I1, ток нагрузки — I2, а ток, протекающий во вторичной обмотке — I12.

Если составить по первому правилу Кирхгофа уравнение токов, для точки соединения обмоток 2-3, то ток нагрузки I2 состоит из суммы токов I1 и I12:

Выразим ток вторичной обмотки I12:

То есть ток вторичной обмотки равен разницы тока нагрузки и тока первичной обмотки.

И что это нам даёт?

Допустим, к сети напряжением 220В нужно подключить нагрузку с номинальным напряжением 110В, мощность которой составляет 1 кВт.

Для этой задачи можно использовать трансформатор с коэффициентом трансформации 2, давайте рассчитаем номинальный ток нагрузки (вторичной обмотки):

Ток первичной обмотки, потребляемый трансформатором из сети 220В составит:

Таким образом ток вторичной обмотки составит 9,1А, а ток первичной – 4,34 А.

При использовании для этой задачи авто трансформатора с коэффициентом трансформации 2, из сети будет потребляться ток:

Ток нагрузки будет таким же, как и в предыдущем случае:

А вот ток вторичной обмотки:

То есть в этом конкретном случае и первичную и вторичную обмотки можно намотать одинаковым проводом, а при использовании трансформатора для вторичной обмотки понадобился бы провод, условно, в два раза большего сечения.

Для большей наглядности давайте посчитаем то же самое, только представим, что у нас есть нагрузка рассчитанная на другое напряжение, например, на U2=175 вольт (величина взята для примера). В этом случае коэффициент трансформации автотрансформатора будет меньше — 1,31. Потребляемый из сети ток останется таким же:

Рассчитаем ток нагрузки:

Тогда ток вторичной обмотки составит:

При использовании трансформатора для этой же задачи ток вторичной обмотки составил бы:

Мы видим разницу между токами вторичной обмотки в 5 раз. Это позволяет намотать вторичную обмотку проводом меньшего сечения , чем пришлось бы использовать во вторичной обмотке обычного трансформатора. При этом чем меньше коэффициент трансформации, тем меньше ток во вторичной обмотке автотрансформатора. При коэффициентах трансформации больше 2 это преимущество нивелируется.

В этом и заключается первое преимущество автотрансформатора перед трансформатором.

Для автотрансформаторов выделяют проходную и расчётную мощности, давайте разберёмся в чём их отличие и на что они влияют.

Как уже неоднократно отмечалось, у трансформатора вся мощность из первичной обмотки во вторичную передаётся с помощью магнитного поля. При этом сердечник подбирается по мощности трансформатора, то есть чем мощнее трансформатор – тем больше должен быть сердечник.

У автотрансформатора мощность из сети передаётся в нагрузку не только за счёт магнитной связи, но и за счёт электрической связи между обмотками. Поэтому выделяют несколько видов мощности.

Проходная мощность Sпр — это произведение выходного напряжения на ток нагрузки:

Расчётная мощность Sрасч (она же трансформаторная или типовая) — это мощность, которая передаётся из сети в нагрузку магнитным полем, и составляет лишь часть от проходной. Оставшаяся часть от проходной мощности передаётся в нагрузку с помощью электрической связи, обозначим её как Sэ.

Разложим проходную мощность на составляющие. Так как I2=I1+I12, то формула проходной мощности примет вид:

Расчётная мощность так называется, потому что именно её используют при расчётах трансформатора. Что это нам даёт?

В рассмотренном выше примере через сердечник трансформатора передавался 1 кВт мощности, а у автотрансформатора через магнитное поле передавалось всего:

Что в 5 раз меньше, чем у трансформатора. Так как мощность — это основной критерий выбора сердечника, то площадь сердечника автотрансформатора будет меньше, чем у трансформатора аналогичной мощности.

Но как и в случае с сечением провода, чем больше коэффициент трансформации, тем большая мощность передаётся магнитным полем, и наоборот — при маленьких коэффициентах трансформации больше мощности передаётся через электрическую связь. Зависимость отношения Sэ к Sпр от коэффициента трансформации изображена на рисунке 6. Таким образом при больших коэффициентах трансформации выгода от использования автотрансформаторов вместо трансформаторов исчезает.

Рисунок 6 — зависимость Sэ/Sпр от коэффициента трансформации Рисунок 6 — зависимость Sэ/Sпр от коэффициента трансформации

То есть наиболее целесообразно применять автотрансформаторы вместо трансформаторов при коэффициенте преобразования меньше чем 2.

Подведём итоги

На практике с автотрансформаторами мы сталкиваемся довольно часто, например, в релейных и электронных (симисторных) стабилизаторах напряжения они используются для повышения и понижения напряжения.

Рисунок 7 — блок схема релейного стабилизатора Рисунок 7 — блок схема релейного стабилизатора

Трёхфазные автотрансформаторы нашли применение в сетях высокого напряжения для связи сетей с «соседними» напряжениями — 110 и 220, 220 и 500 кВ.

Для проведения испытаний, а также настройки электрооборудования используются лабораторные автотрансформаторы – ЛАТРы. Это автотрансформаторы, в которых вместо отвода от обмотки для подключения нагрузки используется скользящий контакт, на рисунке 8 он обведён зелёным цветом, типа токосъёмной щётки. Изменяя положение скользящего контакта, вы подключаете нагрузку к разным виткам обмотки, другими словами – вы можете регулировать напряжение.

При этом с помощью большинства ЛАТРов можно как понижать, так и повышать напряжение. Кстати ЛАТР – это основа электромеханических, или, как их ещё называют, сервоприводных стабилизаторов напряжения.

Рисунок 8 — ЛАТР: а) внешний вид, б) внутреннее устройство (красным выделен скользящий контакт, к которому подключается нагрузка) Рисунок 8 — ЛАТР: а) внешний вид, б) внутреннее устройство (красным выделен скользящий контакт, к которому подключается нагрузка)

При одинаковой мощности преимущества автотрансформаторов перед трансформаторами заключаются в пониженном расходе меди и электротехнической стали для сердечника. При этом КПД автотрансформаторов достигает 99,7%. Но преимущества тем больше выражены, чем больше Sэ, и меньше расчётная часть Sрасч проходной мощности, то есть при низких коэффициентах трансформации. И все преимущества исчезают при больших коэффициентах трансформации.

Применение автотрансформаторов для преобразования в сетях высокого напряжения улучшает КПД энергосистем, снижает стоимость передачи энергии, но приводит к увеличению токов короткого замыкания.

Кроме этого, у автотрансформаторов есть серьёзный недостаток — гальваническая связь с питающей сетью. Это значит, что напряжение на вторичной обмотке может оказаться таким же, как на первичной. Поэтому с целью обеспечения электробезопасности использование автотрансформаторов для питания переносных светильников сверхнизкого напряжения запрещается (ПТЭЭП п.2.12.6 и ряд других документов), а также для питания другого оборудования, на котором работают люди. По этой же причине нельзя использовать автотрансформаторы в качестве силовых для понижения 6-10 кВ до 0,4 кВ.

Из-за наличия электрической связи между обмотками вытекает ещё один недостаток – необходимо выполнять изоляции обеих обмоток на большее напряжение, по сравнению с обычными трансформаторами.

1. Изменится ли соотношение между напряжениями на клеммах первичной и вторичной катушек трансформатора, если железный сердечник заменить медным
2. Ток во вторичной катушке трансформатора зависит от сопротивления подключенных приборов. Изменится ли в связи с этим ток в первичной катушке, и если изменится, то как это происходит.
3. Почему ненагруженный трансформатор использует очень мало энергии?
4. Обмотки трансформатора изготовлены из проводов разной толщины. Почему?
5. Изменяется ли мощность тока при преобразовании его в трансформаторе?
Спасибо.

1. Коэффициент трансформации зависит только от соотношения витков — это для идеального трансформатора. В реальности, если заменить железо медью — сильно уменьшится индуктивность обмоток, возрастут токи холостого хода, потери. Поэтому и соотношение напряжений может уменьшиться — за счет потерь. А вообще — и сгореть этот трансформатор с медью может, если не уследить — от перегрева.
2. Конечно. Если ток во вторичной обмотке меняется, значит с нее снимается какая-то мощность, энергия. Это энергия поступает с первичной обмотки. Больше ток вторичной — больше энергопотребление — больше ток и в первичной обмотке.
3. Если трансформатор рассчитан и изготовлен правильно, на холостом ходу индуктивное сопротивление первичной обмотки достаточно велико, ток холостого хода очень мал, соответственно, энергопотребление мало. Когда подключена нагрузка — сопротивление обмотки падает из-за индуктивной связи.
4. Разная толщина проводов обмоток, поскольку различные по величине токи протекают через них. Если трансформатор сетевой понижающий, в первичной обмотке напряжение больше, ток меньше — толщина провода меньше. Во вторичной — напряжение меньше, ток больше — провод должен быть толще. А максимально допустимая сила тока через проводник ограничивается его сечением — с учетом материала проводника и возможностью теплоотвода.
5. Для идеального трансформатора мощность на выходе равна мощности на входе. В реальном есть потери, поэтому на выходе мощность меньше на величину потерь. Закон сохранения энергии в основе, трансформатор — пассивное устройство с этой точки зрения.

Почему в трансформаторе разные обмотки? в учебнике этого нет

12v, подаваемое на выпрямитель, имеет в соответствующее число раз меньше витков, зато сечение провода довольно большое — ведь через нее передаётся почти вся потребляемая прибором мощность, а напряжение мало. (Мощность равна произведению тока и напряжения — это в учебнике есть) . А еще может быть, например, отдельная вторичная обмотка, питающая одну только лампочку (указывающую, что прибор включен) — и напряжение мало (обычно 6,3 вольта) , и ток мал.

Пипец, в учебнике нет, а на практике есть. Мехаьботы поработят биомассу.
Может нужно хоть ОТКРЫТЬ учебник?

Почему в трансформаторе на обоих обмотках мощность тока одинаковый?

ответ:Не равность напряжений по фазам, не качественная сборка, неравное количество пластин в кернах, короче много чего может влиять на это.

Ответ разместил: Гость

1)t=30sec v1=10 m/s v2=55 m/c найти: а-? решение: а=v1-v2/t=10-55/30=-1,5m/s2 ответ: а=-1,5m/s2 2)v1=20m/s v2=40m/s a=2m/s2 найти: t-? решение: a=v1-v2/t=> t=v1-v2/a=20-40/2=10cек. ответ: t=10сек.

Ответ разместил: Гость

1)дано δt=39 m=80 кг с=460 дж/кг с найти q-? решение q=cmδt q=460*80*39=1 435 200 дж=1 435,2 кдж 2)дано кпд=30%=0,3 а пол=6 кдж=6 000 дж найти q сгор-? решение q=a/η q=6 000/0.3=20 000 дж

Ответ разместил: Гость

Плотность * объем * ускорение свободного падения * высоту= мощность*время (в секундах) ответ 1500 м^3держи)

Другие вопросы по Физике

Физика, 01.03.2019 10:20, Angel4892

Трамвайный вагон массой 15 т движется по выпуклому мосту радиусом кривизны 50м опредилите скорость трамвая если его вес на середине моста равен 102 кн

Физика, 10.03.2019 06:40, 5555Анастасия5555

На поверхность вольфрама падает излучение с длиной волны 220 нм. определить максимальную скорость вылетающего из него электронов, если поверхнностный скачок потенциала для вольфрама равен 4,56 в

Физика, 09.03.2019 23:44, СЕРГЕЙ2288822

Знайти кут відхилення променя скляною призмою, заломлений кут якої 3° ,якщо кут падіння променя на передню грань призми рівне нулю.

Физика, 13.03.2019 20:20, ayazhan10yearsold

Можно ли назвать движение по окружности с постоянным ускорением равноускоренным? почему?

Физика, 14.03.2019 13:50, Voight

За какое время автомобиль, двигаясь из состояния покоя с ускорением 0,6м/с^2 пройдет 30 м

Физика, 15.03.2019 12:20, oznobiseva2006

Мотоциклист при торможении с ускорением 0.4 м/с2 останавливается через 10с после начала торможения. какую скорость имел мотоциклист в момент начала торможения?

Знаешь правильный ответ?

Почему в трансформаторе на обоих обмотках мощность тока одинаковый.

Вопросы по предметам

Химия, 19.09.2021 01:49

Физика, 19.09.2021 01:49

Английский язык, 19.09.2021 01:49

История, 19.09.2021 01:49

Беларуская мова, 19.09.2021 01:49

Информатика, 19.09.2021 01:49

Английский язык, 19.09.2021 01:49

Физика, 19.09.2021 01:49

История, 19.09.2021 01:49

Математика, 19.09.2021 01:48

Вопросов на сайте — 18250717

Мгновенный доступ к ответу
в нашем приложении

Будь умнее, скачай сейчас!

Слишком короткий вопрос

Неверный логин или пароль

Новый пароль отправлен на почту

Задайте свой вопрос эксперту

Ваш вопрос слишком короток

Вопрос отправлен эксперту. Вы получите ответ на почту.

Как же все таки работает трансформатор? Или немного о мифах и парадоксах.

Если кратко, автор той статьи утверждал, что магнитный поток не принимает участия в передаче энергии через трансформатор, поскольку теория говорит, что он постоянен. Общий магнитный поток в трансформаторе, идеальном, действительно не зависит от тока нагрузки. В реальном трансформаторе общий магнитный поток имеет некоторую зависимость от тока нагрузки. Поэтому говорят, что он почти не зависит. Тем не менее, магнитный поток принимает самое непосредственного участие в работе трансформатора.

О том, как работает трансформатор, написано много статей. Но чаще всего трансформатор описывается с точки зрения электротехники. Я же опишу его работу с точки зрения и электротехники, и физики. Начнем с самого начала, хоть оно и кажется элементарным.

Электрический ток в направленное движение заряженных частиц. Это могут быть, например, электроны или ионы. А движение заряженных частиц порождает магнитное поле. Магнитное поле характеризуется двумя величинами, вектором напряженности магнитного поля Н и вектором магнитной индукции В. Эти величины связаны между собой

J это магнитный момент, или вектор намагниченности среды в данной точке Мы не будем принимать во внимание какие либо внешние магнитные поля и эффекты, поэтому J=0. μ это относительная магнитная проницаемость среды, а μ0 это магнитная постоянная. Для вакуума μ=1. Если μ не зависит от напряженности магнитного поля, то такую среду называют изотропной. Мы будем рассматривать именно такую среду, а про анизотропность поговорим позднее. Число в скобках это номер формулы, что бы было удобнее ссылаться на них в тексте.

Теперь переходим к рассмотрению катушки с током. Начнем с одного витка, или контура. Текущий по контуру ϒ электрический ток создает в каждой точке пространства r0 магнитное поле с индукцией (для вакуума)

Это закон Био-Савара-Лапласа. Здесь r это положение точек самого контура. Для примера, магнитная индукция поля катушки, длина которой намного больше ее диаметра, намотанная проводом, диаметр которого много меньше диаметра катушки, через которую течет постоянный ток хорошо известна и вовсе не столь устрашающая (с учетом магнитной проницаемости среды)

Обратите внимание на те условия, для которых эта формула применима. Именно эти ограничения позволяют формуле быть такой простой. Теперь введем понятие магнитного потока Ф, который является потоком вектора индукции В через через поверхность S.

При изменении магнитного потока, пронизывающего какой либо контур, в контуре наводится ЭДС. Эта ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения потокосцепления контура ψ

Потокосцепление равно алгебраической сумме всех пронизывающих контур потоков. Если все витки обмотки w пронизываются потоком Ф, то ψ=wФ. Нужно отметить, что ψ это полное (результирующее) потокосцепление контура (обмотки). Оно создается не только внешним, по отношению к данному контуру потоком, но и собственным потоком пронизывающим контур при протекании по нему электрического тока.

Наведение ЭДС в контуре при изменении тока протекающего через этот контур называют самоиндукцией. Наведенную ЭДС называют ЭДС самоиндукции.

Формулу (4), с учетом того, что поверхность S у нас не изменяется, и заменив поток на потокосцепление, можно выразить как ψ=Li. Здесь L это коэффициент пропорциональности между ψ и i, который называют индуктивностью. Подставив это в формулу (5) получим

Следовательно, ЭДС самоиндукции в катушке пропорциональна скорости изменения тока в этой катушке. Если ток не меняется, то ЭДС самоиндукции равна 0. Минус означает, что ЭДС самоиндукции препятствует изменению тока в катушке.

Теперь возьмем вторую катушку и расположим ее так, что бы их магнитные потоки частично пересекались. Такие катушки называются магнитно связанными. Теперь у нас изменяющийся магнитный поток первой катушки, при изменении тока в ней, будет наводить ЭДС во второй. А изменяющийся магнитный поток второй катушки, при изменении тока в ней, будет наводить ЭДС в первой. Наведение ЭДС в каком либо контуре при изменении тока в другом контуре называют взаимоиндукцией. А наведенную ЭДС называют ЭДС взаимоиндукции.

Поток Ф1, создаваемый током первой катушки, частично замыкается (Ф11) не проходя через вторую, частично проходит через нее (Ф12). При этом Ф1=Ф11+Ф12. Аналогично для потока второй катушки Ф2=Ф22+Ф21. Полное потокосцепление катушек будет

Если поток взаимоиндукции для катушки направлен согласно потоку самоиндукции, то в формулах (7) ставят знак плюс. При встречном направлении, знак минус. При этом ψ21 пропорционально току i2, а ψ12 пропорционально току i1.

Коэффициенты пропорциональности численно равны друг другу М12=М21=М. Коэффициент М называют взаимной индуктивностью катушек. Полная ЭДС, индуцируемая в катушках будет суммой ЭДС самоиндукции и ЭДС взаимоиндукции.

Взаимная индуктивность М зависит только от взаимного расположения катушек, числа их витков, геометрических размеров и магнитной проницаемости среды.

Я назвал катушки магнитно связанными. Введем понятие коэффициента связи k

Коэффициент связи равен 1 только в том случае, когда весь поток создаваемый первой катушкой, сцепляется со второй, и наоборот.

Собственно говоря, две магнитно связанные катушки это и есть трансформатор. И мы получили все формулы, которые описывают его работу. А теперь рассмотрим частный случай использования трансформатора для передачи энергии из первичной цепи во вторичную. Да, это именно частный случай, но, обычно, трансформатор так и используется.

Мы рассматривали две катушки без сердечника, это так называемый воздушный трансформатор. Но большинство трансформаторов имеют сердечник. Мы, для упрощения, будем рассматривать сердечник магнитная проницаемость которого не зависит от напряженности магнитного поля. Фактически, в нашем случае, сердечник просто концентрирует магнитное поле внутри себя позволяя считать коэффициент связи, формула (10), равным 1.

К первой катушке, называемой первичной обмоткой, прикладывается напряжение u1, а вторичная обмотка (вторая катушка) подключается к нагрузке Z2 с, в общем случае, комплексным сопротивлением. Работа трансформатора описывается уже знакомыми нам формулами (9). При этом обмотки (катушки) включены встречно, то есть, в формулах будет стоять знак минус. Кроме того, вспомним второй закон Кирхгофа. Получим систему уравнений описывающих работу трансформатора

Приложенное к первичной обмотке напряжение вызывает в ней протекание тока i1, который вызывает сцепленный с ней поток Ф1 Этот поток индуцирует в ней ЭДС самоиндукции, а во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции. ЭДС взаимоиндукции вторичной вызывает протекание в ней тока нагрузки i2. Протекающий по вторичной обмотке ток вызывает сцепленный с ней поток Ф2, который наводит в ней ЭДС самоиндукции, а в первичной обмотке ЭДС взаимоиндукции. Уравнения (11) отражают именно это. Суммарная ЭДС в каждой обмотке является алгебраической суммой ЭДС самоиндукции и ЭДС взаимоиндукции. То есть именно так, как мы ранее и видели. Однако, вместо двух потоков, Ф1 и Ф2, мы можем рассматривать суммарный поток, или общий, магнитный поток Ф равный алгебраической сумме потоков Ф1 и Ф2. С учетом их встречного направления Ф=Ф1-Ф2.

В трансформаторе работающем в установившемся режиме под нагрузкой ЭДС в обмотках индуцируются именно этим общим потоком.

Теперь посмотрим, что будет, если у нас изменится сопротивление нагрузки, например, уменьшится. При этом у нас увеличится ток i2, что вызовет увеличение магнитного потока Ф2 сцепленного с вторичной обмоткой. Это вызовет увеличение ЭДС взаимоиндукции для первичной обмотки, что приведет к увеличению тока i1 в первичной обмотке. Увеличение тока i1 в первичной обмотке вызовет увеличение сцепленного с ней потока Ф1. Если внимательно посмотреть на уравнения (11) и формулу (6), то будет видно, что увеличение потока Ф1 будет равно увеличению потока Ф2. То есть, общий поток у нас не изменится. Это одно из основных свойств трансформатора. Однако, обратите внимание, что не изменится именно общий, суммарный поток. Само изменение тока в цепи первичной обмотки было вызвано взаимоиндукцией, через изменение сцепленных с обмотками потоков. То есть, оба потока, и Ф1, и Ф2, увеличились, а вот их алгебраическая сумма осталась прежней. Нельзя считать, что общий поток это и есть сцепленный с каждой из обмоток поток, которые не меняются. Общий поток это лишь абстракция позволяющая описать установивший режим работы трансформатора, когда напряжение, подаваемое на первичную обмотку, когда неизменно сопротивление подключенной к вторичной обмотке нагрузки. То есть, только для случая постоянства протекающих по обмоткам токов. Это очень важный момент. И именно в этом допустил ошибку автор критикуемой мной статьи.

Чему же равен этот общий поток? Давайте рассмотрим работу трансформатора с не подключенной к вторичной обмотке нагрузке. Это называется режимом холостого хода. В этом случае вторичная обмотка не оказывает влияния на ток первичной обмотки, так как ток в ней отсутствует. Ток холостого хода первичной обмотки будет определяться формулой (6). Общий магнитный поток идеального трансформатора будет равен магнитному потоку холостого хода. И, для установившегося режима, не будет зависеть от тока нагрузки.

Многие не знают, но трансформатор работает именно так!

Трансформатор это одно из самых важных устройств для электрики и энергетики. Без него никакая дальняя передача электроэнергии была бы невозможна. Но как работает это замечательное устройство? Вы удивитесь, какой простой , но, в то же время, чудесный принцип лежит в основе его работы! Интересно? Тогда читайте дальше !

Превращения электричества: научная магия

Электрическая энергия может существовать в двух видах — электрического поля и магнитного . Поле — это невидимая сила , способная вызывать в предметах самые разные процессы. Например, поле гравитации притягивает ваш бутерброд к полу, когда вы, по неловкости, выпускаете его из рук. А электрическое и магнитное поле действуют на металлы . Когда магнитное поле пересекает металл, причём "в движении", в металле возникает упорядоченное движение зарядов, то есть электрический ток .

Действие магнитного поля на проводник из металла Действие магнитного поля на проводник из металла

Конечно, если убрать магнитное поле, заряды снова "разбредутся" и ток сойдёт на нет. Но при повторении этого процесса раз за разом, по кругу, на концах металлического предмета появится переменное напряжение — так работает генератор .

Трансформатор — превращатель: работаем с магнитным полем

Хорошо — скажете вы — но при чём тут трансформатор ? Да при всём! Что представляет собой любой трансформатор? Две катушки с проводом, надетые на железную рамку . И да — они не соединены друг с другом — вообще никак. Между ними пустота — но не совсем.

Принцип работы трансформатора Принцип работы трансформатора

Если подать на одну из катушек переменное напряжение , она породит магнитное поле — тоже переменное. Через железную рамку, которая вбирает в себя это поле, оно попадает на вторую катушку. А что происходит, когда через провод проходит движущееся магнитное поле? Правильно — в нём возникает ток .

Если на обоих катушках одинаковое количество оборотов (витков) провода, то и напряжение на выходе будет равно напряжению на входе, потому что магнитное поле порождается и впитывается одинаковым числом "рамок" из провода.

Повышающий трансформатор для линии электропередачи Повышающий трансформатор для линии электропередачи

Но при разном числе витков, напряжение изменится . Если на второй катушке витков в два раза больше, чем на первой — напряжение повысится в два раза. Это применяется в линиях электропередачи — при высоком напряжении сила тока становится небольшой и потери на тепло в проводах стремятся к нулю. Это повышающий трансформатор .

Понижающие трансформаторы в дорогом усилителе звука Понижающие трансформаторы в дорогом усилителе звука

А понижающий трансформатор, то есть тот, в котором вторая катушка имеет меньше витков, чем первая, используется в бытовой технике и так называемых подстанциях — домиках, внутри которых очень высокое напряжение, пришедшее издалека, становится нормальным — 380/220 Вольт и подаётся в наши дома.

Заключение

Трансформатор

Трансформатор напряжения

Трансформатор напряжения можно отнести больше к электротехнике, чем к электронике. Самый обыкновенный однофазный трансформатор напряжения выглядит вот так.

Если откинуть верхнюю защиту трансформатора, то мы можем четко увидеть, то он состоит из какого-то железного каркаса, который собран из металлических пластин, а также из двух катушек, которые намотаны на этот железный каркас. Здесь мы видим, что из одной катушки выходит два черных провода

а с другой катушки два красных провода

Эти обе катушки одеваются на сердечник трансформатора. То есть в результате мы получаем что-то типа этого

Ничего сложного, правда ведь?

Но дальше самое интересное. Если подать на одну из этих катушек переменное напряжение, то в другой катушке тоже появляется переменное напряжение. Но как же так возможно? Ведь эти обмотки абсолютно не касаются друг друга и они изолированы друг от друга. Во чудеса! Все дело, в так называемой электромагнитной индукции.

Если объяснить простым языком, то когда на первичную обмотку подают переменное напряжение, то в сердечнике возникнет переменное магнитное поле с такой же частой. Вторая катушка улавливает это переменное магнитное поле и уже выдает переменное напряжение на своих концах.

Обмотки трансформатора

Эти самые катушки с проводом в трансформаторе называются обмотками. В основном обмотки состоят из медного лакированного провода. Такой провод находится в лаковой изоляции, поэтому, провод в обмотке не коротит друг с другом. Выглядит такой обмоточный трансформаторный провод примерно вот так.

Он может быть разного диаметра. Все зависит от того, на какую нагрузку рассчитан тот или иной трансформатор.

У самого простого однофазного трансформатора можно увидеть две такие обмотки.

Для того, чтобы узнать, где первичная обмотка, а где вторичная, достаточно посмотреть на шильдик трансформатора.

Как работает трансформатор

Чтобы разобраться с принципом работы, давайте рассмотрим рисунок.

Здесь мы видим простую модель трансформатора. Подавая на вход переменное напряжение U₁ в первичной обмотке возникает ток I₁ . Так как первичная обмотка намотана на замкнутый магнитопровод, то в нем начинает возникать магнитный поток, который возбуждает во вторичной обмотке напряжение U₂ и ток I₂ . Как вы можете заметить, между первичной и вторичной обмотками трансформатора нет электрического контакта. В электронике это называется гальванически развязаны.

Формула трансформатора

Главная формула трансформатора выглядит так.

В трансформаторе соблюдается также закон сохранения энергии, то есть какая мощность заходит в трансформатор, такая мощность выходит из трансформатора:

Эта формула справедлива для идеального трансформатора. Реальный же трансформатор будет выдавать на выходе чуть меньше мощности, чем на его входе. КПД трансформаторов очень высок и порой составляет даже 98%.

Типы трансформаторов по конструкции

Однофазные трансформаторы

Это трансформаторы, которые преобразуют однофазное переменное напряжение одного значения в однофазное переменное напряжение другого значения.

В основном однофазные трансформаторы имеют две обмотки, первичную и вторичную. На первичную обмотку подают одно значение напряжения, а со вторичной снимают нужное нам напряжение. Чаще всего в повседневной жизни можно увидеть так называемые сетевые трансформаторы, у которых первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение, то есть 220 В.

На схемах однофазный трансформатор обозначается так:

Иногда требуется множество различных напряжений для питания различных приборов. Зачем ставить на каждый прибор свой трансформатор, если можно с одного трансформатора получить сразу несколько напряжений? Поэтому, иногда вторичных обмоток бывает несколько пар, а иногда даже некоторые обмотки выводят прямо из имеющихся вторичных обмоток. Такой трансформатор называется трансформатором со множеством вторичных обмоток. На схемах можно увидеть что-то подобное:

Трехфазные трансформаторы

Эти трансформаторы в основном используются в промышленности и чаще всего превосходят по габаритам простые однофазные трансформаторы. Почти все трехфазные трансформаторы считаются силовыми. То есть они используются в цепях, где нужно питать мощные нагрузки. Это могут быть станки ЧПУ и другое промышленное оборудование.

На схемах трехфазные трансформаторы обозначаются вот так:

Здесь мы видим три типа соединения обмоток (слева-направо)

• звезда-звезда
• звезда-треугольник
• треугольник-звезда

В 90% случаев используется именно звезда-звезда.

Типы трансформаторов по напряжению

Понижающий трансформатор

Это трансформатор, которые понижает напряжение. Допустим, на первичную обмотку мы подаем 220 Вольт, а снимаем 12 Вольт. В этом случае коэффициент трансформации (k) будет больше 1.

Повышающий трансформатор

Это трансформатор, который повышает напряжение. Допустим, на первичную обмотку мы подаем 10 Вольт, а со вторичной снимаем уже 110 В. То есть мы повысили наше напряжение 11 раз. У повышающих трансформаторов коэффициент трансформации меньше 1.

Разделительный или развязывающий трансформатор

Такой трансформатор используется в целях электробезопасности. В основном это трансформатор с одинаковым числом обмоток на входе и выходе, то есть его напряжение на первичной обмотке будет равняться напряжению на вторичной обмотке. Нулевой вывод вторичной обмотки такого трансформатора не заземлен. Поэтому, при касании фазы на таком трансформаторе вас не ударит электрическим током. Про его использование можете прочесть в статье про ЛАТР. У развязывающих трансформаторов коэффициент трансформации равен 1.

Согласующий трансформатор

Такой трансформатор используется для согласования входного и выходного сопротивления между каскадами схем.

Работа понижающего трансформатора на практике

Итак, имеем простой однофазный понижающий трансформатор.

Именно на нем мы будем проводить различные опыты.

Подключаем красную первичную обмотку к сети 220 Вольт и замеряем напряжение на вторичной обмотке трансформатора без нагрузки. 13, 21 Вольт, хотя на трансформаторе написано, что он должен выдавать 12 Вольт.

Теперь подключаем нагрузку на вторичную обмотку и видим, что напряжение просело.

Интересно, какую силу тока кушает наша лампа накаливания? Вставляем мультиметр в разрыв цепи и замеряем.

Если судить по шильдику, то на нем написано, что он может выдать в нагрузку 400 мА и напряжение будет 12 Вольт, но как вы видите, при нагрузку близкой к 400 мА у нас напряжение просело почти до 11 Вольт. Вот тебе и китайский трансформатор. Нагружать более, чем 400 мА его не следует. В этом случае напряжение просядет еще больше, и трансформатор будет греться, как утюг.

Как проверить трансформатор

Как проверить на короткое замыкание обмоток

Хотя обмотки прилегают очень плотно к друг другу, их разделяет лаковый диэлектрик, которым покрываются и первичная и вторичная обмотка. Если где-то возникло короткое замыкание между проводами, то трансформатор будет сильно греться или издавать сильный гул при работе. Также он будет пахнуть горелым лаком. В этом случае стоит замерить напряжение на вторичной обмотке и сравнить, чтобы оно совпадало с паспортным значением.

Проверка на обрыв обмоток

При обрыве все намного проще. Для этого с помощью мультиметра мы проверяем целостность первичной и вторичной обмотки. Итак, сопротивление первичной обмотки нашего трансформатора чуть более 1 КОм. Значит обмотка целая.