Тест по физике Трансформатор для 11 класса
Тест по физике Трансформатор. Генерирование переменного тока. Передача электроэнергии на расстояние для 11 класса с ответами. Тест включает в себя 2 варианта. В каждом варианте по 5 заданий.
1 вариант
1. На каком физическом явлении основана работа трансформатора?
А. Магнитное действие тока.
Б. Электромагнитная индукция.
В. Тепловое действие тока.
2. Число витков в первичной обмотке трансформатора в 2 раза меньше числа витков во вторичной обмотке. На первичную обмотку подали напряжение U. Чему равно напряжение на вторичной обмотке трансформатора?
3. В однородном магнитном поле вокруг оси АВ с одинаковой частотой вращаются две одинаковые рамки (рис. 39).
Каково отношение максимальных значений ЭДС индукции, генерируемых в рамках I и II?
А. 1 : 1.
Б. 1 : 2.
В. 2 : 1.
4. Проволочная рамка вращается с постоянной угловой скоростью в однородном магнитном поле (рис. 40, а). Какой из графиков (рис. 40, б) соответствует зависимости силы тока в рамке от времени?
5. Во сколько раз изменяются потери энергии в линии электропередачи, если на понижающую подстанцию будет подаваться напряжение 100 кВ вместо 10 кВ при условии передачи одинаковой мощности?
А. Увеличится в 100 раз.
Б. Уменьшится в 100 раз.
В. Увеличится в 10 раз.
2 вариант
1. Какой ток можно подавать на обмотку трансформатора?
А. Только переменный.
Б. Только постоянный.
В. Переменный и постоянный.
2. Число витков в первичной обмотке трансформатора в 2 раза больше числа витков во вторичной обмотке. На первичную обмотку подали напряжение U. Чему равно напряжение на вторичной обмотке трансформатора?
3. В однородном магнитном поле вокруг оси АВ с одинаковой частотой вращаются две одинаковые рамки (рис. 41).
Каково отношение максимальных значений ЭДС индукции, генерируемых в рамках I и II?
А. 1 : 2.
Б. 1 : 1.
В. 4: 1.
4. Проволочная рамка вращается с постоянной угловой скоростью в однородном магнитном поле (рис. 42, а). Какой из графиков (рис. 42, б) соответствует зависимости ЭДС индукции в рамке от времени?
5. Во сколько раз изменяются потери энергии в линии электропередачи, если на понижающую подстанцию будет подаваться напряжение 10 кВ вместо 100 кВ при условии передачи одинаковой мощности?
А. Увеличится в 10 раз.
Б. Уменьшится в 100 раз.
В. Увеличится в 100 раз.
Ответы на тест по физике Трансформатор. Генерирование переменного тока. Передача электроэнергии на расстояние для 11 класса
1 вариант
1-Б
2-В
3-А
4-В
5-Б
2 вариант
1-А
2-Б
3-Б
4-Б
5-В
Какой ток можно подавать на обмотку трансформатора?
Трансформатор
Что такое трансформатор?
Слово “трансформатор” образуется от английского слова “transform” – преобразовывать, изменяться. Надеюсь все помнят фильм “Трансформеры”. Там автомобили легко преобразовывались в трансформеров и обратно. Но… трансформатор у нас не преобразовывается по внешнему виду. Он обладает еще более удивительным свойством – преобразовывает переменное напряжение одного значения в переменное напряжение другого значения! Это свойство трансформатора очень широко используется в радиоэлектронике и электротехнике.
Виды трансформаторов
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:
Первичная обмотка слева, а вторичная – справа.
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:
Первичные обмотки обозначаются заглавными буквами, а вторичные обмотки – маленькими буквами.
Здесь мы видим три типа соединения обмоток (слева-направо)
В 90% случаев используется именно звезда-звезда.
Принцип работы трансформатора
Рассмотрим вот такую картинку:
1 – первичная обмотка трансформатора
3 – вторичная обмотка трансформатора
Ф – направление магнитного потока
U1 – напряжение на первичной обмотке
U2 – напряжение на вторичной обмотке
На картинке показан самый обычный однофазный трансформатор.
Магнитопровод состоит из пластинок специальной стали. По нему течет магнитный поток Ф (показано стрелками). Этот магнитный поток создается переменным напряжением первичной обмотки трансформатора. Снимается напряжение со вторичной обмотки трансформатора.
Но как такое возможно? У нас ведь нет никакой связи между первичной и вторичной обмотками? Как может ток течь через разомкнутую цепь? Все дело именно в магнитном потоке, который создает первичная обмотка трансформатора. Вторичная обмотка “ловит” этот магнитный поток и преобразовывает его в переменное напряжение с такой же частотой.
В настоящее время трансформаторы создают в другом конструктивном исполнении. Такое исполнение имеет свои плюсы, такие как удобство намотки первичной и вторичной обмоток, а также меньшие габариты.
Формула трансформатора
U2 – напряжение на вторичной обмотке
U1 – напряжение на первичной обмотке
N1 – количество витков первичной обмотки
N2 – количество витков вторичной обмотки
I1 – сила тока первичной обмотки
I2 – сила тока вторичной обмотки
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%.
Виды трансформаторов по выходному напряжению
Понижающий трансформатор
Это трансформатор, которые понижает напряжение. Допустим, на первичную обмотку заходит 220 В, а на вторичной у нас получается 12 В. То есть мы большее напряжение преобразовали в меньшее напряжение.
Повышающий трансформатор
Это трансформатор, который повышает напряжение. Тут тоже все до боли просто. Допустим, на первичную обмотку мы подаем 10 Вольт, а со вторичной снимаем уже 110 В. То есть мы повысили наше напряжение в несколько раз.
Согласующий трансформатор
Такой трансформатор используется для согласования входного и выходного сопротивления между каскадами схем.
Разделительный или развязывающий трансформатор (трансформатор 220-220)
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.
Как проверить трансформатор
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, то трансформатор будет сильно греться или издавать сильный гул при работе. В этом случае стоит замерить напряжение на вторичной обмотке и сравнить, чтобы оно совпадало с паспортным значением.
Обрыв обмотки трансформатора
При обрыве все намного проще. Для этого с помощью мультиметра мы проверяем целостность первичной и вторичной обмотки.
На фото ниже я проверяю целостность первичной обмотки, которая состоит из 2650 витков. Сопротивление есть? Значит все ОК. Обмотка не в обрыве. Если бы она была в обрыве, мультиметр показал бы на дисплее “1”.
Таким же способом проверяем и вторичную обмотку, которая состоит из 18 витков
Работа трансформатора
Работа понижающего трансформатора
Итак, у нас в гостях трансформатор от выжигательного прибора по дереву:
Его первичная обмотка – это цифры 1, 2.
Вторичная обмотка – цифры 3, 4.
Его внутренности выглядят вот так:
Подключаем первичную обмотку трансформатора к 220 Вольтам
Ставим крутилку на мультиметре на измерения переменного тока и замеряем напряжение на первичной обмотке (напряжение сети).
Замеряем напряжение на вторичной обмотке.
Настало время проверить наши формулы
1.54/224=0.006875 (коэффициент отношения напряжения)
18/2650=0.006792 (коэффициент отношения обмоток)
Сравниваем числа… погрешность вообще копейки! Формула работает! Погрешность связана с потерями на нагрев обмоток трансформатора и магнитопровода, а также погрешность измерения мультиметра. Насчет силы тока работает простое правило: понижая напряжение, повышаем силу тока и наоборот, повышая напряжение, понижаем силу тока.
Трансформатор на холостом ходу
Работа трансформатора на холостом ходу подразумевает работу трансформатора без нагрузки на вторичной обмотке.
Нашим подопытным кроликом будет уже другой трансформатор
Вторичных обмоток здесь целых две пары, но мы будем использовать только одну.
Два красных провода – это первичная обмотка трансформатора. На эти провода мы будем подавать напряжение из сети 220 В.
Снимать напряжение будем со вторичной обмотки с двух синих проводов.
Для того, чтобы произвести замеры, нам потребуется выставить на мультиметре крутилку на измерение переменного напряжения.Если вы не знаете, как измерять переменное напряжение и силу тока, рекомендую прочитать вот эту статью.
Замеряем напряжение на первичной обмотке трансформатора, куда мы подаем 220 В.
Мультиметр показывает 230 В. Ну что же, бывает).
Теперь замеряем напряжение на вторичной обмотке трансформатора
Получили 22 Вольта.
Интересно, а какую силу тока потребляет из розетки наш трансформатор при холостом режиме?
Мультиметр показал 60 миллиампер. Оно и понятно, ведь наш трансформатор не идеальный.
Как вы видите, на вторичной обмотке трансформатора нет никакой нагрузки, но он все равно “кушает” силу тока, а следовательно и электрическую энергию из сети. Если сосчитать мощность, то получим P=IU=230×0,06=13,8 Ватт. А если у нас он простоит включенным хотя бы часик, то у нас он съест электроэнергию 13,8 Ватт* час или 0,0138кВатт*час. А сколько сейчас стоит один киловатт электроэнергии? В России 4-5 рублей. Копейка рубль бережет. Поэтому, не рекомендуется оставлять в сети электроприборы, имеющие трансформаторный блок питания.
Трансформатор под нагрузкой
Опыт №1
Работа трансформатора под нагрузкой подразумевает режим, при котором к его вторичной обмотке цепляется нагрузка. Для этого последовательно соединяем две лампы накаливания по 13,5 Вольт. В этом случае напряжение будет падать поровну на каждой из ламп накаливания, так как мы соединили их последовательно. Почему так получается, читайте статью про делитель напряжения.
Интересно, а поменяется ли сила тока на первичной обмотке, если мы нагрузим вторичную обмотку нашими лампочками? Лампочки загорелись, а сила тока на первичной обмотке тоже поменялась 😉
Когда мы замеряли без нагрузки, у нас было 60 миллиампер в цепи первичной обмотки. Цепь вторичной обмотки у нас была разомкнута, так как мы не присоединяли никакую нагрузку. Как только мы подсоединили лампы накаливания ко вторичной обмотке трансформатора, они стали сразу потреблять силу тока. Но еще кстати, сила тока поднялась в цепи первичной обмотки, до уровня 65,3 миллиампер. Отсюда напрашивается вывод:
Если растет сила тока в цепи вторичной обмотки трансформатора, то растет и сила тока в цепи первичной обмотки.
Опыт №2
Давайте проведем еще один опыт. Для этого замеряем напряжение без нагрузки на вторичной обмотке трансформатора, так называемый – холостой режим работы
а теперь подсоединяем наши лампочки и снова замеряем напряжение
Ого, напряжение просело на 0,2 В.
Давайте замеряем силу тока во вторичной обмотке с лампочками
Получили 105 миллиампер.
Все те же самые аналогичные операции проводим и для мощного резистора номиналом в 10 Ом и мощностью рассеивания в 10 Ватт. Замеряем напряжение на вторичной обмотке, при включении резистора
Интересно, какая сила тока течет во вторичной цепи, в которой включен резистор
Ого-го, почти 2 Ампера.
Вывод: при включении нагрузки происходит просадка напряжения. Напряжение падает тем больше, чем больше силы тока кушает нагрузка. Здесь также играет роль еще один немаловажный фактор – мощность трансформатора. Чем больше мощность трансформатора, тем меньше будет просадка напряжения. Мощность трансформатора зависит от его габаритов. Чем больше габариты, тем больше его размер сердечника. Следовательно, такой трансформатор может выдавать приличную силу тока во вторичной обмотке с минимальной просадкой напряжения.
Контрольная работа по электротехнике на тему «Трансформатор»
Контрольная работа по теме»Трансформатор»
1. На каком физическом явлении основана работа трансформатора?
2. Какой ток можно подавать на обмотку трансформатора? а. Переменный.б. Постоянный.
А. Только а. Б. Только б. В. а и б. Г. Ни а, ни б.
А. равно U 2 ; Б. меньше U 2 ; В. больше U 2 ; Г. ответ неоднозначен.
5. Понижающий трансформатор со 100 витками во вторичной обмотке понижает напряжение от 2 000 В до 100 В. Сколько витков в его первичной обмотке?
7. Трехфазный маслянный трансформатор ТМ-1200/8, мощностью 1200 кВА, имеет номинальное напряжение первичной обмотки 8 кВ; номинальное напряжение вторичной обмотки 0,4 кВ, поперечное сечение стержня магнитопровода 0,06 м², коэффициент заполнения стержня сталью 0,95.
Определите: коэффициент трансформации k, основной магнитный поток Фмакс., число витков первичной и вторичной обмотки w1; w2, номинальный фазный ток первичной и вторичной обмоток I1ном.; I2ном., если частота переменного тока в сети f = 50 Гц, а максимальное значение магнитной индукции в стержнеBмакс. = 2,5 Тл.
8. Однофазный двухобмоточный трансформатор, имеет номинальное напряжение вторичной обмотки 300 В; номинальный ток вторичной обмотки 195 А, коэффициент трансформации 17, ЭДС одного витка 6 В, коэффициент заполнения стержня сталью 0,95.
Определите: основной магнитный поток Фмакс., площадь поперечного сечения стержня Qст., число витков первичной и вторичной обмотки w1; w2, номинальное напряжение первичной обмотки U1ном., номинальный фазный ток первичной обмотки I1ном., и номинальную мощность Sном., если частота переменного тока в сети f = 50 Гц, а максимальное значение магнитной индукции в стержне Bмакс. = 1,5 Тл
Контрольная работа по теме»Трансформатор»
1. На каком физическом явлении основана работа трансформатора?
А. Тепловое действие тока. Б. Магнитное действие тока. В. Электромагнитная индукция. Г. Среди ответов нет правильного.
2. Какой ток можно подавать на обмотку трансформа тора? а. Постоянный.б. Переменный.
А. Только а. Б. Только б. В. а и б. Г. Ни а, ни б.
А. уменьшится; Б. увеличится; В. не изменится; Г. ответ неоднозначен.
7. Трехфазный маслянный трансформатор ТМ-35/2, мощностью 35 кВА, имеет номинальное напряжение первичной обмотки 2 кВ; номинальное напряжение вторичной обмотки 0,2 кВ, поперечное сечение стержня магнитопровода 0,03 м², коэффициент заполнения стержня сталью 0,95.
Определите: коэффициент трансформации k, основной магнитный поток Фмакс., число витков первичной и вторичной обмотки w1; w2, номинальный фазный ток первичной и вторичной обмоток I1ном.; I2ном., если частота переменного тока в сети f = 50 Гц, а максимальное значение магнитной индукции в стержне Bмакс. =2,0 Тл.
8. Однофазный двухобмоточный трансформатор, имеет номинальное напряжение вторичной обмотки 600 В; номинальный ток вторичной обмотки 200 А, коэффициент трансформации 15, ЭДС одного витка 4 В, коэффициент заполнения стержня сталью 0,95.
Определите: основной магнитный поток Фмакс., площадь поперечного сечения стержня Qст., число витков первичной и вторичной обмотки w1; w2, номинальное напряжение первичной обмотки U1ном., номинальный фазный ток первичной обмотки I1ном., и номинальную мощность Sном., если частота переменного тока в сети f = 50 Гц, а максимальное значение магнитной индукции в стержне Bмакс. = 1,5 Тл.
Что нужно знать о трансформаторах тока
В статье читатель узнает, что такое трансформатор тока, где они применяются. Мы постараемся дать краткую характеристику видам и типам устройства, объясним принцип действия. Также предлагаем ознакомиться с видеороликом в конце текста для лучшего понимания материала.
Без такого привычного устройства современный мир был бы невозможен в том виде, каком мы к нему привыкли. Его задача – помочь передавать энергию на большие расстояния. Тех, кто дочитает материал до конца, ждет приятный бонус: файл с книгой о трансформаторах тока Афанасьева А.А. По любым вопросам не стесняйтесь писать в комментариях, опытные эксперты будут рады вам помочь.
Что это за устройство
Трансформатор представляет собой устройство, которое преобразовывает напряжение переменного тока (повышает или понижает). Состоит трансформатор из нескольких обмоток (двух или более), которые намотаны на общий ферромагнитный сердечник.
Если трансформатор состоит только из одной обмотки, то он называется автотрансформатором. Современные трансформаторы тока бывают: стержневыми, броневыми или тороидальными. Все три типа трансформаторов имеют похожие характеристики, и надежность, но отличаются друг от друга способом изготовления.
В трансформаторах стержневого типа обмотка намотана на сердечник, а в трансформаторах стержневого типа обмотка включается в сердечник. В трансформаторе стержневого типа обмотки хорошо видны, а из сердечника видна только нижняя и верхняя часть.
Сердечник броневого трансформатора скрывает в себе практически всю обмотку. Обмотки трансформатора стержневого типа расположены горизонтально, в то время как это расположение в броневом трансформаторе может быть как вертикальным, так и горизонтальным. Независимо от типа трансформатора, в его состав входят такие три функциональные части: магнитная система трансформатора (магнитопровод), обмотки, а также система охлаждения.
Это устройство, первичная обмотка которого последовательно включена в рабочую цепь, а вторичная служит для проведения измерений. Подобные устройства используются не только в лабораториях для оценки величин. Истинное место трансформаторов тока возле электростанций, где они помогают контролировать режимы, внося коррективы в процесс эксплуатации оборудования.
Достаточно часто трансформаторы используются при передаче электроэнергии на дальние расстояния. Непосредственно на электрогенерирующих предприятиях они позволяют существенно повысить напряжение, которое вырабатывается источником переменного тока.
Повышая напряжение до 1150 кВт, трансформаторы обеспечивают более экономную передачу электроэнергии: значительно снижаются потери электричества в проводах и появляется возможность уменьшить площадь сечения кабелей, используемых в линиях электропередач.
Тем, кому будет интересно почитать, материал в тему: малоизвестные факты о двигателях постоянного тока.
Область применения
Трансформаторы получили широкое распространение, как в промышленности, так и в быту. Одной из основных областей их промышленного применения является передача электроэнергии на дальние расстояния и ее перераспределение.
Не менее известны сварочные (электротермические) трансформаторы. Как видно из названия, данный тип устройств применяется в электросварке и для подачи питания на электротермические установки. Трансформаторы тока принято классифицировать по роду тока. Измеряемое напряжение различается по роду. Для проведения измерений в цепи постоянного тока используется нарезка сигнала на импульсы. Напрямую трансформация невозможна:
По назначению: мы уже сказали, что часто трансформаторы тока применяются для измерений (к примеру, кВт ч). Называют системы, где требуется защитить персонал для повышения безопасности.
Также достаточно широкой областью применения трансформаторов является обеспечение электропитания различного оборудования. Трансформаторы делят в зависимости от назначения. Выносные измерительные трансформаторы тока используются для обеспечения работоспособности цепей учета электроэнергии защиты энергетических линий и силовых автотрансформаторов. В зависимости от выполняемых функций различают следующие виды:
Они имеют различные размеры и эксплуатационные показатели. Могут размещаться в корпусах небольших приборов или являться отдельными, габаритными устройствами.
Принцип работы устройства
Принцип работы трансформатора основан на эффекте электромагнитной индукции. Классическая конструкция состоит из металлического магнитопровода и электрически не связанных обмоток, выполненных из изолированного провода. Та обмотка, на которую подается электроэнергия, называется первичной. Вторая — подсоединённая к устройствам, потребляющим ток, называется вторичной.
Соотношение между входным и выходным напряжением трансформатора прямо пропорционально отношению количества витков соответствующих обмоток. Эта величина называется коэффициентом трансформации: Ктр=W1/W2=U1/U2, где:
Обмотки могут быть расположены либо в виде отдельных катушек, либо одна поверх другой. У маломощных устройств обмотки выполняются из провода с хлопчатобумажной или эмалевой изоляцией.
Микротрансформатор имеет обмотки из алюминиевой фольги толщиной не более 20—30 мкм. В качестве изолирующего материала выступает оксидная пленка, полученная естественным окислением фольги. Подробнее принцип работы трансформатора тока рассмотрен в видеоролике:
Вкратце принцип работы и устройство трансформатора тока заключается в подаче питания от источника электричества. Наиболее актуальным является использование для снижения первичных показателей тока до величины, применяемой в измерительных и защитных цепях, сигнализации и управления.
Во вторичной обмотке отмечаются показатели тока 5 А или 1 А. Измерительные устройства подключаются к вторичной обмотке, а к первичной подключается цепь, в которой измеряют ток. Для расчета тока во второй обмотке используют показания в первичной обмотке и делят на коэффициент трансформации.
Режимы работы трансформатора
Существуют такие три режима работы трансформатора: холостой ход, режим короткого замыкания, рабочий режим. Трансформатор «на холостом ходу», когда выводы от вторичных обмоток никуда не подключены.
Если сердечник трансформатора изготовлен из магнитомягкого материала, тогда ток холостого хода показывает, какие в трансформаторе происходят потери на перемагничивание сердечника и вихревые токи.
В режиме короткого замыкания выводы вторичной обмотки соединены между собой накоротко, а на первичную обмотку подают небольшое напряжение, с таким расчетом, чтобы ток короткого замыкания был равен номинальному току трансформатора.
Величину потерь (мощность) можно посчитать, если напряжение во вторичной обмотке умножить на ток короткого замыкания. Такой режим трансформатора находит свое техническое применение в измерительных трансформаторах.
Если подключить нагрузку к вторичной обмотке, то в ней возникает ток, индуцирующий магнитный поток, направленный противоположно магнитному потоку в первичной обмотке. Теперь в первичной обмотке ЭДС источника питания и ЭДС индукции питания не равны.
Поэтому ток в первичной обмотке увеличивается до тех пор, пока магнитный поток не достигнет прежнего значения. Для трансформатора в режиме активной нагрузки справедливо равенство:
где U2, U1 – мгновенные напряжения на концах вторичной и первичной обмоток, а N1, N2 – количество витков в первичной и вторичной обмотке.
Если U2> U1, трансформатор называется повышающим, в противном случае перед нами понижающий трансформатор. Любой трансформатор принято характеризовать числом k, где k – коэффициент трансформации.
Виды и типы трансформаторов
Трансформаторы — это достаточно широко распространенные устройства, поэтому существует множество их разновидностей. По конструктивному исполнению и назначению они делятся на несколько видов.
Стоит выделить способ классификации трансформаторов по способу их охлаждения. Различают сухие устройства с естественным воздушным охлаждением в открытом, защищенном и герметичном исполнении корпуса и с принудительным воздушным охлаждением.
Устройства с жидкостным охлаждением могут использовать различные типы теплообменной жидкости. Чаще всего это масло, однако встречаются модели, где в качестве теплообменного вещества используется вода или жидкий диэлектрик.
Кроме того, производят трансформаторы с комбинированным охлаждением жидкостно-воздушным. При этом каждый из способов охлаждения может быть как естественным, так и с принудительной циркуляцией. Трансформаторы тока имеют три основных вида. Наиболее применяемые из них:
Тороидальные исполнения трансформаторов устанавливают на шины или кабели. Поэтому первичная обмотка для них не нужна, в отличие от обычных трансформаторов напряжения и тока. Первичный ток протекает по шине, которая проходит в центре трансформатора. Он дает возможность вторичной обмотке фиксировать показатели тока.
Такие трансформаторы тока редко используются для замера параметров тока, так как их надежность и точность измерений оставляет желать лучшего. Они чаще используются для дополнительной защиты от короткого замыкания.
Характеристики трансформаторов
К основным техническим характеристиками трансформаторов можно отнести:
Один из основных параметров — это номинальная мощность устройства, выраженная в вольт-амперах. Точные граничные показатели могут несколько различаться в зависимости от количества фаз и других характеристик. Однако, как правило, маломощными считаются устройства, преобразовывающие до нескольких десятков вольт-ампер.
Приборами средней мощности считаются устройства от нескольких десятков до нескольких сотен, а трансформаторы большой мощности работают с показателями от нескольких сотен до нескольких тысяч вольт-ампер.
Рабочая частота – различают устройства с пониженной частотой (менее стандартной 50 Гц), промышленной частоты – ровно 50 Гц, повышенной промышленной частоты (от 400 до 2000 Гц) и повышенной частоты (до 1000 Гц).
Параметры трансформаторов тока
При выборе для работы в тандеме с трёхфазным счётчиком первым делом обращают внимание на коэффициент трансформации. Ряд значений стандартизирован, и нужно выбирать приборы, способные работать в паре. Выше говорилось, что в иных случаях коэффициент трансформации возможно менять, и нужно этим пользоваться.
Помимо рабочего напряжения роль играет ток в первичной обмотке (исследуемой сети). Понятно, что с ростом увеличивается нагрев, и однажды токонесущая часть может сгореть. Это требование не столь актуально для трансформаторов без первичной обмотки. Номинальный вторичный ток обычно равен 1 либо 5 А, что служит критерием для согласования с сопрягаемыми устройствами.
Полагается обращать внимание на сопротивление нагрузки в цепи измерения. Вряд ли найдётся счётчик, выбивающийся из общего ряда, но нужно контролировать момент. В противном случае не гарантируется точность показаний. Коэффициент нагрузки обычно не ниже 0,8.
Это уже касается измерительных приборов, с индуктивностями в составе. ГОСТ нормирует значение в вольт-амперах. Для получения сопротивления в омах требуется поделить цифру на квадрат тока вторичной обмотки.
Предельные режимы работы обычно характеризуются током электродинамической стойкости, возникающим при коротком замыкании. В паспорте пишут значение, при котором прибор проработает сколь угодно долго без выхода из строя.
Остаётся лишь произвести операцию умножения. Указанный параметр не касается приборов без первичной обмотки. Вдобавок определяется ток термической стойкости, который трансформатор выдерживает без критического перегрева. Этот вид устойчивости способен выражаться кратностью.
Отличие трансформатора тока от трансформатора напряжения
Одним из некоторых отличий является способ создания изоляции между двумя обмотками. Первичную обмотку в трансформаторах тока изолируют соответственно параметрам принимаемого напряжения. Вторичная обмотка имеет заземление.
Для трансформатора напряжения при коротком замыкании его работа опасна из-за риска возникновения аварии. Для трансформатора тока такой режим работы вполне приемлемый и безопасный. Хотя бывают у таких трансформаторов также угрозы аварии, но для этого устанавливают свои системы и средства защиты.
Заключение
Надеемся, что теперь вам полностью понятен принцип работы трансформаторов тока. Предлагаем скачать файл с книгой о трансформаторах тока Афанасьева А.А., в котором подробно рассмотрены все нюансы работы с трансформаторами тока. Если хотите регулярно узнавать новую информацию по этой теме, а также по теме металлоискателей и радиодеталей: подписывайтесь на нашу группу в социальной сети «Вконтакте».
Принцип работы трансформатора
Для преобразования электрического напряжения одной величины в электрическое напряжение другой величины, то есть для преобразования электрической мощности, применяют электрические трансформаторы.
Трансформатор может преобразовывать лишь переменный ток в переменный ток, поэтому для получения постоянного тока, переменный ток с трансформатора при необходимости выпрямляют. Для этой цели служат выпрямители.
Так или иначе, любой трансформатор (будь то трансформатор напряжения, трансформатор тока или импульсный трансформатор) работает благодаря явлению электромагнитной индукции, которое проявляет себя во всей красе именно при переменном или импульсном токе.
В простейшем виде однофазный трансформатор состоит всего из трех основных частей: ферромагнитного сердечника (магнитопровода), а также первичной и вторичной обмоток. В принципе обмоток у трансформатора может быть и больше двух, но минимум их две. В некоторых случаях функцию вторичной обмотки может нести на себе часть витков первичной обмотки (см. виды трансформаторов), но подобные решения встречаются достаточно редко по сравнению с обычными.
Главная часть трансформатора — ферромагнитный сердечник. Когда трансформатор работает, то именно внутри ферромагнитного сердечника присутствует изменяющееся магнитное поле. Источником изменяющегося магнитного поля в трансформаторе служит переменный ток первичной обмотки.
Напряжение на вторичной обмотке трансформатора
Известно, что любой электрический ток сопровождается магнитным полем, соответственно переменный ток сопровождается переменным (изменяющимся по величине и направлению) магнитным полем.
Таким образом, подав в первичную обмотку трансформатора переменный ток, получим изменяющееся магнитное поле тока первичной обмотки. А чтобы магнитное поле было сконцентрировано главным образом внутри сердечника трансформатора, данный сердечник изготавливают из материала с высокой магнитной проницаемостью, в тысячи раз большей чем у воздуха, чтобы основная часть магнитного потока первичной обмотки замкнулась бы именно внутри сердечника, а не по воздуху.
Таким образом переменное магнитное поле первичной обмотки сконцентрировано в объеме сердечника трансформатора, который изготавливают из трансформаторной стали, феррита или другого подходящего материала, в зависимости от рабочей частоты и назначения конкретного трансформатора.
Вторичная обмотка трансформатора находится на общем сердечнике с его первичной обмоткой. Поэтому переменное магнитное поле первичной обмотки пронизывает также и витки вторичной обмотки.
А явление электромагнитной индукции как раз и заключается в том, что изменяющееся во времени магнитное поле наводит в пространстве вокруг себя изменяющееся электрическое поле. И поскольку в данном пространстве вокруг изменяющегося магнитного поля находится провод вторичной обмотки, то индуцированное переменное электрическое поле действует на носители заряда внутри этого провода.
Данное действие электрическим полем вызывает в каждом витке вторичной обмотки ЭДС. В результате между выводами вторичной обмотки появляется переменное электрическое напряжение. Когда вторичная обмотка включенного в сеть трансформатора не нагружена, трансформатор работает в режиме холостого хода.
Работа трансформатора под нагрузкой
Если же ко вторичной обмотке работающего трансформатора подключена некая нагрузка, то во всей вторичной цепи трансформатора возникает ток через нагрузку.
Данный ток порождает свое собственное магнитное поле, которое, по закону Ленца, имеет такое направление, что противодействует «причине, его вызывающей». То есть магнитное поле тока вторичной обмотки в каждый момент времени стремится уменьшить увеличивающееся магнитное поле первичной обмотки или же стремится поддержать магнитное поле первичной обмотки когда оно уменьшается, оно всегда направлено навстречу магнитному полю первичной обмотки.
Таким образом, когда вторичная обмотка трансформатора нагружена, в его первичной обмотке возникает противо-ЭДС, заставляющая первичную обмотку трансформатора потреблять из питающей сети больше тока.
Соотношение витков первичной N1 и вторичной N2 обмоток трансформатора определяет соотношение между его входным U1 и выходным U2 напряжениями и входным I1 и выходным I2 токами, при работе трансформатора под нагрузкой. Данное соотношение называется коэффициентом трансформации трансформатора:
Коэффициент трансформации больше единицы если трансформатор понижающий, и меньше единицы — если трансформатор повышающий.
Трансформатор напряжения является разновидностью понижающего трансформатора, предназначенной для гальванической развязки цепей высокого напряжения от цепей низкого напряжения.
Обычно, когда речь идет о высоком напряжении, имеют ввиду 6 и более киловольт (на первичной обмотке трансформатора напряжения), а под низким напряжением понимают величины порядка 100 вольт (на вторичной обмотке).
Такой трансформатор применяется, как правило, для измерительных целей. Он понижает, например, высокое напряжение линии электропередач до удобного для измерения низковольтного напряжения, при этом может также гальванически изолировать цепи измерения, защиты, управления, — от высоковольтной цепи. Трансформатор данного типа обычно работает в режиме холостого хода.
Трансформатором напряжения можно назвать в принципе и любой силовой трансформатор, применяемый для преобразования электрической мощности.
У трансформатора тока первичная обмотка, состоящая обычно всего из одного витка, включается последовательно в цепь источника тока. Данным витком может выступать участок провода цепи, в которой необходимо измерить ток.
Провод просто продевается через окно сердечника трансформатора и становится этим самым единственным витком — витком первичной обмотки. Вторичная же его обмотка, имеющая много витков, подключается к измерительному прибору, отличающемуся малым внутренним сопротивлением.
Трансформаторы данного типа используются для измерения величин переменного тока в силовых цепях. Здесь ток и напряжение вторичной обмотки оказываются пропорциональны измеряемому току первичной обмотки (токовой цепи).
Трансформаторы тока широко применяются в устройствах релейной защиты электроэнергетических систем, поэтому обладают высокой точностью. Они делают измерения безопасными, так как гальванически надежно изолируют измерительную цепь от первичной цепи (обычно высоковольтной — десятки и сотни киловольт).
Данный трансформатор предназначен для преобразования тока (напряжения) импульсной формы. Короткие импульсы, обычно прямоугольные, подаваемые на его первичную обмотку, заставляют трансформатор работать практически в режиме переходных процессов.
Такие трансформаторы используются в импульсных преобразователях напряжения и других импульсных устройствах, а также в качестве дифференцирующих трансформаторов.
Применение импульсных трансформаторов позволяет снизить вес и стоимость устройств, в которых они применяются просто в силу повышенной частоты преобразования (десятки и сотни килогерц) по сравнению с сетевыми трансформаторами, работающих на частоте 50-60 Гц. Прямоугольные импульсы, у которых длительность фронта много меньше длительности самого импульса, нормально трансформируются с малыми искажениями.
Что такое трансформатор тока, принцип работы, типы, схемы
В данной статье мы подробно рассмотрим что такое трансформатор тока, опишем принцип его работы, какие бывают типы, а так же расчеты и схемы трансформатора тока.
Описание и принцип работы
Трансформатор тока представляет собой тип «измерительного трансформатора», который предназначен для производства переменного тока в его вторичной обмотки, которое пропорционально току измеряется в его первичном. Трансформаторы тока уменьшают токи высокого напряжения до гораздо более низкого значения и обеспечивают удобный способ безопасного контроля фактического электрического тока, протекающего в линии электропередачи переменного тока, с использованием стандартного амперметра. Принцип работы основного трансформатора тока немного отличается от обычного трансформатора напряжения.
В отличие от трансформатора напряжения или мощности, рассматриваемого ранее, трансформатор тока состоит из одного или нескольких витков в качестве своей первичной обмотки. Эта первичная обмотка может иметь либо один плоский виток, либо катушку из сверхпрочного провода, намотанного на сердечник, либо просто проводник или шину, расположенную через центральное отверстие, как показано на рисунке. Купить трансформатор тока вы можете в популярном интернет магазине Алиэкспресс:
Из-за такого типа расположения трансформатор тока часто называют также «последовательным трансформатором», поскольку первичная обмотка, которая никогда не имеет более нескольких витков, соединена последовательно с проводником с током, питающим нагрузку.
Однако вторичная обмотка может иметь большое количество витков катушки, намотанных на многослойный сердечник из магнитного материала с малыми потерями. Этот сердечник имеет большую площадь поперечного сечения, так что создаваемая плотность магнитного потока является низкой при использовании провода с меньшей площадью поперечного сечения, в зависимости от того, какой ток должен быть понижен, когда он пытается выдать постоянный ток, независимо от подключенной нагрузки.
Вторичная обмотка будет подавать ток либо на короткое замыкание, в виде амперметра, либо на резистивную нагрузку, пока напряжение, наведенное во вторичной обмотке, не станет достаточно большим, чтобы насытить сердечник или вызвать отказ из-за чрезмерного пробоя напряжения.
В отличие от трансформатора напряжения, первичный ток трансформатора тока не зависит от тока вторичной нагрузки, а контролируется внешней нагрузкой. Вторичный ток обычно оценивается в стандартный 1 Ампер или 5 Ампер для больших значений первичного тока.
Существует три основных типа трансформаторов тока: обмоточный, тороидальный и стержневой.
Трансформаторы тока могут снизить или «понизить» уровни тока с тысяч ампер до стандартного выходного сигнала с известным отношением либо к 5 А, либо к 1 А для нормальной работы. Таким образом, небольшие и точные приборы и устройства управления могут использоваться с трансформаторами тока, потому что они изолированы от любых высоковольтных линий электропередач. Существует множество применений для измерения и использования для трансформаторов тока, таких как ваттметры, измерители коэффициента мощности, защитные реле или в качестве катушек отключения в магнитных выключателях или MCB.
Конструкция и схема трансформатора тока
Обычно трансформаторы тока и амперметры используются вместе как согласованная пара, в которой конструкция трансформатора тока такова, чтобы обеспечить максимальный вторичный ток, соответствующий полномасштабному отклонению амперметра. В большинстве трансформаторов тока существует приблизительное соотношение обратных витков между двумя токами в первичной и вторичной обмотках. Вот почему калибровка трансформатора тока обычно для определенного типа амперметра.
Большинство трансформаторов тока имеют стандартную вторичную номинальную мощность 5 А, при этом первичные и вторичные токи выражаются в таком соотношении, как 100/5. Это означает, что ток первичной обмотки в 20 раз больше, чем ток вторичной обмотки, поэтому, когда в первичном проводнике протекает 100 ампер, во вторичной обмотке будет протекать 5 ампер. Трансформатор тока, скажем, 500/5, будет производить 5 А во вторичной обмотке при 500 А в первичной обмотке, что в 100 раз больше.
Увеличивая количество вторичных обмоток Ns, ток вторичной обмотки можно сделать намного меньшим, чем ток в измеряемой первичной цепи, потому что, когда Ns увеличивается, Is уменьшается пропорционально. Другими словами, число витков и ток в первичной и вторичной обмотках связаны обратно пропорционально.
Трансформатор тока, как и любой другой трансформатор, должен удовлетворять уравнению ампер-виток, и мы знаем из нашего учебника по трансформаторам напряжения с двойной обмоткой, что это отношение витков равно:
из которого мы получаем:
Коэффициент тока устанавливает коэффициент витков, и, поскольку первичный обычно состоит из одного или двух витков, тогда как вторичный может иметь несколько сотен витков, соотношение между первичным и вторичным может быть довольно большим. Например, предположим, что номинальный ток первичной обмотки составляет 100А. Вторичная обмотка имеет стандартный рейтинг 5А. Тогда соотношение между первичным и вторичным токами составляет 100А-5А или 20: 1. Другими словами, первичный ток в 20 раз больше вторичного тока.
Однако следует отметить, что трансформатор тока с номиналом 100/5 не совпадает с трансформатором с номиналом 20/1 или подразделениями 100/5. Это связано с тем, что отношение 100/5 выражает «номинальный ток на входе / выходе», а не фактическое соотношение первичных и вторичных токов. Также обратите внимание, что число витков и ток в первичной и вторичной обмотках связаны обратно пропорционально.
Но относительно большие изменения в соотношении витков трансформаторов тока могут быть достигнуты путем изменения первичных витков через окно трансформатора ток, где один первичный виток равен одному проходу, а более одного прохода через окно приводит к изменению электрического соотношения.
Так, например, трансформатор тока с отношением, скажем, 300 / 5А можно преобразовать в другой из 150 / 5А или даже 100 / 5А, пропустив основной первичный проводник через его внутреннее окно два или три раза, как показано ниже. Это позволяет более высокому значению трансформатора тока обеспечивать максимальный выходной ток для амперметра, когда используется на меньших первичных линиях тока.
Пример трансформатора тока
Трансформатор тока стержневого типа, который имеет 1 виток на своей первичной обмотке и 160 витков на своей вторичной обмотке, должен использоваться со стандартным диапазоном амперметров с внутренним сопротивлением 0,2 Ом. Амперметр необходим для полного отклонения шкалы, когда первичный ток составляет 800 А. Рассчитайте максимальный вторичный ток и вторичное напряжение на амперметре.
Напряжение через амперметр:
Выше мы видим, что, поскольку вторичная обмотка трансформатора тока подключена к амперметру с очень малым сопротивлением, падение напряжения на вторичной обмотке составляет всего 1,0 В при полном первичном токе.
Однако, если амперметр был удален, вторичная обмотка фактически разомкнута, и, таким образом, трансформатор действует как повышающий трансформатор. Это частично связано с очень большим увеличением намагничивающего потока во вторичном сердечнике, поскольку реактивное сопротивление вторичной утечки влияет на вторичное индуцированное напряжение, потому что во вторичной обмотке нет противоположного тока, чтобы предотвратить это.
Результатом является очень высокое напряжение, наведенное во вторичной обмотке, равное отношению: Vp (Ns / Np), развиваемое через вторичную обмотку. Например, предположим, что наш трансформатор тока сверху используется на трехфазной линии электропередачи напряжением 480 вольт. Следовательно:
Это высокое напряжение связано с тем, что отношение вольт на витки в первичной и вторичной обмотках практически постоянно, а поскольку Vs = Ns * Vp, значения Ns и Vp являются высокими значениями, поэтому Vs чрезвычайно велико.
По этой причине трансформатор тока никогда не следует оставлять разомкнутым или работать без нагрузки, когда через него протекает основной первичный ток, точно так же, как трансформатор напряжения никогда не должен работать при коротком замыкании. Если амперметр (или нагрузка) должен быть удален, сначала следует установить короткое замыкание на вторичных клеммах, чтобы исключить риск удара током.
Ручные трансформаторы тока
В настоящее время доступно много специализированных типов трансформаторов тока. Популярный и портативный тип, который может быть использован для измерения нагрузки цепи, называется «клещами», как показано на рисунке.
Измерители зажимов открывают и закрывают вокруг проводника с током и измеряют его ток, определяя магнитное поле вокруг него, обеспечивая быстрое считывание результатов измерений, как правило, на цифровом дисплее без отключения или размыкания цепи.
Наряду с ручным зажимом типа трансформатора тока имеются трансформаторы тока с разделенным сердечником, у которых один конец съемный, поэтому нет необходимости отсоединять проводник нагрузки или шину для его установки. Они доступны для измерения токов от 100 до 5000 ампер, с квадратными размерами окна от 1 ″ до более 12 ″ (от 25 до 300 мм).
Подводя итог, можно сказать, что трансформатор тока (ТТ) представляет собой тип измерительного трансформатора, используемого для преобразования первичного тока во вторичный ток через магнитную среду. Его вторичная обмотка обеспечивает значительно уменьшенный ток, который можно использовать для обнаружения условий сверхтока, пониженного тока, пикового или среднего тока.
Первичная катушка трансформатора тока всегда соединена последовательно с главным проводником, в результате чего ее также называют последовательным трансформатором. Номинальный вторичный ток рассчитан на 1А или 5А для простоты измерения. Конструкция может представлять собой один первичный виток, как в типах тороидальных, кольцевых или стержневых, или несколько витков первичной обмотки, как правило, для малых коэффициентов тока.
Трансформаторы тока предназначены для использования в качестве устройств пропорционального тока. Поэтому вторичная обмотка трансформаторов тока никогда не должна эксплуатироваться в разомкнутой цепи, точно так же, как трансформатор напряжения никогда не должен работать при коротком замыкании.
Очень высокое напряжение возникает в результате разомкнутой цепи вторичной цепи трансформатора тока под напряжением, поэтому их клеммы должны быть замкнуты накоротко, если амперметр должен быть удален или когда ТТ не используется перед включением питания системы.
В следующей статье о трансформаторах мы рассмотрим, что происходит, когда мы соединяем вместе три отдельных трансформатора в конфигурации «звезда» или «треугольник», чтобы получить более мощный силовой трансформатор, называемый трехфазным трансформатором, который используется для питания трехфазных источников питания.
