Трансфарматар

Трансфарма́тар (ад  «пераўтвараць») — статычная (г. зн. без рухомых частак) электрамагнітная прылада для пераўтварэння пры дапамозе электрамагнітнай індукцыі пераменнага электрычнага току аднаго напружання ў пераменны ток звычайна іншага напружання пры нязменнай частаце і без істотных страт магутнасці.

 Гісторыя 

Развіццё трансфарматараў пачалося ў 1831 годзе, калі Майкл Фарадэй адкрыў з’яву электрамагнітнай індукцыі, якая палягае ў аснове функцыянавання трансфарматараў.

29 жніўня 1831 года Фарадэй апісаў у сваім дзённіку вопыт, падчас якога ён наматаў на жалезнае кальцо дыяметрам 15 см і таўшчынёй 2 см два медныя провады даўжынёй 15 і 18 см. Пры падключэнні да заціскаў адной абмоткі батарэі гальванічных элементаў пачынаў адхіляцца гальванометр на зацісках іншай абмоткі. Як Фарадэй працаваў з пастаянным токам, пры дасягненні ў першаснай абмотцы яго максімальнага значэння, ток у другаснай абмотцы знікаў, і для аднаўлення эфекту трансфармацыі патрабавалася адключыць і зноў падключыць батарэю да першаснай абмотцы.

Таксама ў 1831 годзе прыблізныя накіды схемы трансфарматара з’яўляюцца таксама ў працах Д. Генры, аднак як і Фарадэй, пра трансфармацыю токаў ён нічога не пісаў. Аднак у выніку Фарадэй распрацаваў ураўненне, якое апісвае ўзаемасувязь паміж ЭРС і магнітным патокам, цяпер вядомае як закон індукцыі Фарадэя:

дзе  — велічыня ЭРС у вольтах, і ΦB — магнітны паток праз ланцуг у веберах.

Фарадэй правёў першыя эксперыменты па індукцыі паміж шпулямі дроту, уключаючы намотку пары шпулек на жалезнае кальцо, стварыўшы такім чынам першы тараідальны трансфарматар з закрытым стрыжнем, аднак ён даваў на свой трансфарматар толькі асобныя імпульсы току і так і не выявіў сувязі паміж каэфіцыентам трансфармацыі і ЭРС у абмотках.

 Індукцыйныя шпулі 
Першым тыпам трансфарматара, які шырока распаўсюдзіўся, была індукцыйная шпуля, вынайдзена вялебным Нікаласам Каланам з Мейнут-каледжа, Ірландыя, у 1836 годзе. Ён быў адным з першых даследчыкаў, якія зразумелі, што чым больш віткоў мае другасная абмотка адносіна першаснай, тым больш будзе наведзеная другасная ЭРС. Індукцыйныя шпулі ўзніклі ў выніку намаганняў навукоўцаў і вынаходнікаў па атрыманні больш высокага напружання ад батарэй. Паколькі батарэі вырабляюць пастаянны ток, а не пераменны, індукцыйныя шпулі залежалі ад вібрацыйных электрычных кантактаў, якія рэгулярна перарывалі ток у першаснай абмотцы, каб стварыць змены патоку, неабходныя для індукцыі. Паміж 1830-мі і 1870-мі гадамі спробы стварыць больш дасканалыя індукцыйныя шпулі (у асноўным метадам спроб і памылак) паступова раскрылі асноўныя прынцыпы працы трансфарматараў.

 Першыя трансфарматары 
Да 1870-х гадоў сталі даступны эфектыўныя генератары, якія вырабляюць пераменны ток, і было выяўлена, што пераменны ток можа сілкаваць індукцыйную катушку непасрэдна, без вібрацыйных электрычных кантактаў ці перарывальнікаў.

У 1876 годзе рускі інжынер Павел Яблачкаў вынайшаў сістэму асвятлення на аснове набору індукцыйных шпуль, першасныя абмоткі якіх былі падлучаны да крыніцы пераменнага току, а другасныя абмоткі маглі быць падлучаны да некалькіх «электрычным свечак» (дугавых лямп) яго ўласнай канструкцыі. Шпулі, якія выкарыстаў яблычкаў, функцыянавалі па сутнасці як трансфарматары . 30 лістапада 1876 года П. Яблачкаў атрымаў патэнт на прыладу якую зараз бы назвалі трансфарматарам з разамкнутым асяродкам.

У 1882 годзе ў Лондане Люсьен Голар і Джон Дыксан Гібс упершыню прадэманстравалі прыладу з адкрытым жалезным стрыжнем з шматслойных пласцін, якую першапачаткова шырока дэманстравалі, пад назвай «другасны генератар». Ідэю затым прадалі кампаніі Westinghouse ў ЗША.

 Канструкцыя 
Усе трансфарматары складаюцца з:

 дзвюх абмотак, першаснай і другаснай (магчымы выпадкі, калі другасных абмотак некалькі);
 магнітаправода, выкананага з ферамагнітнага матэрыялу.
 каркаса для абмотак;
 ізаляцыя;
 сістэма астуджэння

 Абмотка 
Абмотка — сукупнасць віткоў правадніка, якія ўтвараюць электрычны ланцуг, у якой сумуюцца ЭРС, наведзеныя ў вітках. У трохфазным трансфарматары пад абмоткай звычайна маюць на ўвазе сукупнасць абмотак аднаго напружання злучаных паміж сабой.

Электрычны праваднік, які выкарыстоўваецца для абмотак, залежыць ад прымянення, але ва ўсіх выпадках асобныя віткі павінны быць электрычна ізаляваны адзін ад аднаго, каб забяспечыць праходжанне току па кожным вітку. Для невялікіх трансфарматараў, у якіх токі малыя і рознасць патэнцыялаў паміж суседнімі віткамі малая, шпулі часта намотваюць з эмаляванага проваду. Сілавыя трансфарматары большай магутнасці могуць быць наматаны меднымі праваднікамі прамавугольнай формы (для найбольш эфектыўнага выкарыстання прасторы), ізаляванымі прамасленай паперай і блокамі прэсаванага кардона. У некаторых выпадках, для памяншэння віхравых токаў, намотачны праваднік раздзяляюць на некалькі паралельна пракладзеных жыл. У гэтым выпадку кожную жылу ізалююць спецыяльнай паперай ці эмалевым лакам.

Высокачастотныя трансфарматары, якія працуюць у дыяпазоне ад дзясяткаў да сотняў кілагерц, часта маюць абмоткі з плеценай літцэндратнага дроту, каб мінімізаваць страты на скін-эфект і эфект блізкасці.

 Ахалоджванне 
Эмпірычнае правіла абвяшчае, што чаканы тэрмін службы электрычнай ізаляцыі памяншаецца ўдвая прыкладна пры кожным павышэнні працоўнай тэмпературы на 7-10 °C. Гэта абумоўлена тым што працяглая праца трансфарматара пры падвышанай тэмпературы пагаршае ізаляцыйныя ўласцівасці ізаляцыі абмотак (і дыэлектрычнага цепланосбіта пры яго выкарыстанні), што не толькі скарачае тэрмін службы трансфарматара, але і ў канчатковым выніку можа прывесці да яго выхаду са строю (часам з катастрафічнымі наступствамі).

Невялікія трансфарматары сухога тыпу і трансфарматары з вадкасным апусканнем часта самаахалоджваюцца за кошт натуральнай канвекцыі і радыяцыйнага рассейвання цяпла. Па меры павелічэння намінальнай магутнасці бакі трансфарматараў робяць з усё большай колькасцю рэбраў астуджвання, магчыма нават з прымусовым ахалоджваннем, паветраным астуджваннем знешнімі вентылятарамі, масленым астуджваннем, вадзяным астуджваннем або іх спалучэннем. Пры гэтым трансфарматары магутнасці больш за 200 кВА амаль заўсёды маюць масленае ахалоджванне.

Трансфарматарнае масла, якое выкарыстоўваюць для ахалоджвання, апроч астуджвання абмотак таксама дадаткова ізалюе іх, а ў выпадку электрычнага прабою — загасіць электрычную дугу. Але само масла патрабуе высокай ступені ачысткі, і праз пэўны перыяд яго трэба замяніць ці адфільтраваць. У некаторых мадэлях трансфарматараў нават прадугледжаны ўбудаваны фільтр для масла.

Таксама ў магутных трансфарматараў ёсць пашыральны маслены бак, які ўяўляе сабой рэзервуар для трансфарматарнага масла размешчаны трохі вышэй за асноўны бак трансфарматара. Асноўнае яго прызначэнне — кампенсацыя тэмпературных змен аб’ёму трансфарматарнага масла і дадатковая засцярога ад паніжанага ўзроўню масла ў асноўным баку (з абмоткамі). Ён таксама можа служыць як апорная канструкцыі для дапаможных прылад (тэрмометр для масла, манометр унутранага ціску) і апаратуры кіравання.

Пры праектаванні трансфарматарных бакаў, з’яўляецца супадзенні гукавых частот, якія выпрацоўвае стрыжань трансфарматара, і частот рэзанансу дэталяў бака, што можа ўзмацніць шум, выпраменьванне ў навакольнае асяроддзе.

Прыкладна ў 1930-1970-я гады для ахалоджвання трансфарматараў прымянялі маслы на аснове поліхларыраваных біфенілаў (ПХБ), якія апроч іншага маюць вельмі добрыя дыэлектрычныя ўласцівасці, і высокую кропку ўспышкі. Аднак у выніку далейшых даследаванняў поліхлараваныя біфенілы былі аднесены да стойкіх арганічных забруджвальнікаў, і з прычыны іх устойлівасці ў навакольным асяроддзі, іх выкарыстанне зводзяць да мінімуму.
міні|275x275пкс|Трансфарматар блока сілкавання касетнага магнітафона Technics RS-B605 (1988—1989 гады)

 Каэфіцыент трансфармацыі 
Ступень змянення (трансфармацыі) ацэньваецца пры дапамозе каэфіцыента трансфармацыі KTP:



дзе:
 E1 — ЭРС у першаснай абмотцы,
 E2 — ЭРС у другаснай абмотцы,
 W1 — колькасць віткоў у першаснай абмотцы,
 W2 — колькасць віткоў у другаснай абмотцы.

 Страты ў трансфарматарах 

 Страты ў стрыжні 
Ступень страт (і зніжэння ККД) у трансфарматары залежыць, галоўным чынам, ад якасці, канструкцыі і матэрыялу «трансфарматарнага жалеза» (электратэхнічная сталь). Страты ў сталі складаюцца ў асноўным з страт на нагрэў стрыжня, на гістэрэзіс і віхравыя токі.

 Віхравыя токі 
Зменлівым магнітным полем праводзячага металічнага стрыжня трансфарматара індукуюцца віхравыя токі, гэтыя токі, працякаючы праз супраціўленне жалеза, рассейваюць энергію ў выглядзе цяпла ў стрыжні. Страты на віхравыя токі — складаная функцыя квадрата частаты сілкавання і зваротнай квадрату таўшчыні матэрыялу. Страты на віхравыя токі можна паменшыць, зрабіўшы стрыжань са стосу пласцін (тонкіх пласцін) электрычна ізаляваных адна ад адной, а не суцэльным блокам. Таму на практыцы маналітныя сталёвыя стрыжні не прымяняюцца. А для зніжэння страт у магнітапровадзе трансфарматара магнітапровад вырабляюць з адмысловых гатункаў трансфарматарнай сталі з дабаўкай крэмнію, які павышае ўдзельнае супраціўленне жалеза электрычнаму току, а самі пласціны лакіруюцца для ізаляцыі адна ад адной.

 Гістэрэзіс 
Кожны раз, калі магнітнае поле змяняецца на супрацьлеглае, невялікая колькасць энергіі губляецца праз гістэрэзіс унутры стрыжня, праз рух магнітных даменаў унутры сталі. Паводле формулы Штэйнмеца, цеплавая энергія, абумоўленая гістарэзісам, вызначаецца выразам:

Страты на гістарэзіс вызначаюцца выразам:

дзе f — частата, η — каэфіцыент гістэрэзісу, а βmax — максімальная шчыльнасць патоку, эмпірычны паказчык якой вар’іруецца прыкладна ад 1,4 да 1,8, але для жалеза часта паказваецца як 1,6.

 Магнітастрыкцыя 
Магнітны паток у ферамагнітным матэрыяле, такім як стрыжань, прымушае яго фізічна пашырацца і злёгку сціскацца з кожным цыклам (змены) магнітнага поля, эфект, вядомы як магнітастрыкцыя, энергія трэння якой стварае чутны шум, вядомы як гул сеткі або «трансфарматарны шум», гэты гул трансфарматара прымальны ў магутных трансфарматарах, якія сілкуюцца на прамысловых частотах (50-60 Гц), і ў высокачастотных зваротнаходавых трансфарматарах (радковы трансфарматар), звязаных з тэлевізійнымі ЭПТ.

 Страты ў абмотцы 

 Джоўлевы страты 
Ток, які праходзіць праз праваднік абмоткі, выклікае джоўлева награванне праз супраціўлення проваду. Па меры павелічэння частаты скін-эфект і эфект блізкасці прыводзяць да павелічэння супраціўлення абмоткі і, такім чынам, страт.

 Віды трансфарматараў 

 Сілавы трансфарматар 
Сілавы трансфарматар — трансфарматар, прызначаны для пераўтварэння электрычнай энергіі ў электрычных сетках і ва ўстаноўках, прызначаных для прыёму і выкарыстання электрычнай энергіі. Слова «сілавы» адлюстроўвае працу гэтага віду трансфарматараў з вялікімі магутнасцямі (аднак часам сілавымі называюць трансфарматары адносна невялікай магутнасці выкарыстаныя ў блоках сілкавання). Неабходнасць прымянення сілавых трансфарматараў абумоўлена рознай велічынёй працоўнага напружання ЛЭП (35-750 кВ), гарадскіх і сельскіх электрасетак (як правіла 6,10 кВ), напружання якое падаецца канчатковым спажыўцам (0,4 кВ, яно ж 380/220 В) і напружання, патрэбнага для працы электрамашын і электрапрыбораў (самыя розныя ад адзінак вольт да сотняў кілавольт).

Сілавы трансфарматар пераменнага току выкарыстоўваецца для непасрэднага пераўтварэння напружання ў ланцугах пераменнага току. Тэрмін «сілавы» паказвае адрозненне такіх трансфарматараў ад вымяральных і спецыяльных трансфарматараў.

 Аўтатрансфарматар 
міні|250x250пкс|Аўтатрансфарматар АТДЦТН-125000/330/110
Аўтатрансфарматар — варыянт трансфарматара, у якім першасная і другасная абмоткі злучаныя наўпрост, і маюць за кошт гэтага не толькі электрамагнітную сувязь, але і электрычную. Абмотка аўтатрансфарматара мае некалькі вывадаў (як мінімум 3), пры падлучэнні да якіх, можна атрымліваць розныя ўзроўні напружання. Перавагай аўтатрансфарматара з’яўляецца больш высокі ККД, паколькі толькі частка магутнасці падвяргаецца пераўтварэнню — гэта асабліва істотна, калі ўваходнае і выходнае напружанні адрозніваюцца нязначна.

Недахопам з’яўляецца адсутнасць электрычнай ізаляцыі (гальванічнай развязкі) паміж першасным і другасным ланцугом. Прымяненне аўтатрансфарматараў замест звычайных трансфарматараў эканамічна апраўдана для злучэння эфектыўна заземленых сетак з напружаннем 110 кВ і вышэй пры каэфіцыентах трансфармацыі не больш за 3-4. Значны плюс — меншы расход сталі для стрыжня, медзі для абмотак, меншая вага і габарыты, і ў выніку — меншы кошт.

 Трансфарматар току 
міні|250x250пкс|Трансформатор току ТПК 10
Трансфарматар току — трансфарматар, першасная абмотка якога сілкуецца ад крыніцы току. Тыповае ўжыванне — для зніжэння току першаснай абмоткі да зручнай велічыні, якая выкарыстоўваецца ў ланцугах вымярэння, абароны, кіравання і сігналізацыі, акрамя таго, трансфарматар току ажыццяўляе гальванічную развязку (у адрозненне ад шунтавых схем вымярэння току). Звычайна намінальнае значэнне току другаснай абмоткі распаўсюджаных трансфарматараў 1 А ці 5 А. Першасная абмотка трансфарматара току ўключаецца паслядоўна ў ланцуг з нагрузкай, пераменны ток у якой неабходна кантраляваць, а ў другасную абмотку ўключаюцца вымяральныя прыборы або выканаўчыя і індыкатарныя прылады, напрыклад, рэле.

Другасная абмотка токавага трансфарматара павінна працаваць у рэжыме, блізкім да рэжыму кароткага замыкання. Пры выпадковым або наўмысным разрыве ланцуга другаснай абмоткі на ёй наводзіцца вельмі высокае напружанне, якое можа выклікаць пробай ізаляцыі ці нават пашкоджанне падлучаных прылад.

Пры працы другаснай абмоткі ў рэжыме кароткага замыкання стаўленне токаў абмотак блізка да (у ідэальным выпадку роўна) каэфіцыенту трансфармацыі.

 Трансфарматар напружання 
Трансфарматар напружання — трансфарматар, які сілкуецца ад крыніцы напружання. Тыповае ўжыванне — пераўтварэнне высокага напружання ў нізкае ў ланцугах, у вымяральных ланцугах і ланцугах РЗіА. Прымяненне трансфарматара напружання дазваляе ізаляваць лагічныя ланцугі засцярогі і ланцугі вымярэння ад ланцуга высокага напружання.

 Зварачны трансфарматар 
Зварачны трансфарматар — трансфарматар, прызначаны для розных відаў зваркі.

Зварачны трансфарматар пераўтварае напружанне сеткі (220 або 380 В) у нізкае напружанне, а ток з нізкага — у высокі (да тысяч ампер).

Зварачны ток рэгулюецца дзякуючы змене велічыні або індуктыўнага супраціўлення, або другаснага напружання халастога ходу трансфарматара, што ажыццяўляецца з дапамогай секцыявання колькасці віткоў першаснай або другаснай абмоткі. Гэта забяспечвае ступеньчатае рэгуляванне току.

 Здвоены дросель 
Здвоены дросель (сустрэчны індуктыўны фільтр) — канструктыўна ёсць трансфарматарам з двума аднолькавымі абмоткамі. Дзякуючы ўзаемнай індукцыі шпуль ён пры тых самых памерах больш эфектыўны, за звычайны дросель. Здвоеныя дроселі шырока распаўсюджаны як уваходныя фільтры блокаў сілкавання; у дыферэнцыяльных сігнальных фільтрах лічбавых ліній, а таксама ў гукавой тэхніцы.

 Гл. таксама 

 Электрычная падстанцыя

 Крыніцы 

 Літаратура 


 Курс лекцый па дысцыпліне «Электрычныя машыны» для студэнтаў спецыяльнасці Электрапрывад (ГДТУ імя П. О. Сухога)
 А. В. Іваноў-Смаленскі. Электрычныя машыны. — Масква, 2006.
 В. К. Бензарь. Словарь-справочник по электротехнике, промышленной электронике и автоматике. — 2-е изд. — Мн.: Вышэйшая школа, 1985. — С. 133—135. — 176 с. — 20 000 экз.

 Трансформа́тор // Политехнический словарь / Редкол.: А. Ю. Ишлинский (гл. ред.) и др. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Советская энциклопедия, 1989. — С. 543. — 656 с. с ил. — 150 000 экз. — ISBN 5-85270-003-7.


 Спасылкі 

Катэгорыя:Электрычныя машыны
Катэгорыя:Электроніка
Катэгорыя:Вікіпедыя:Істотныя артыкулы