Электроника:Переменный ток/Трансформаторы/Практические соображения – Трансформаторы

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Практические соображения – Трансформаторы[1]

Производительная мощность

Как уже отмечалось, трансформаторы должны быть грамотно спроектированы, чтобы обеспечить приемлемую связь по мощности, точную регулировку напряжения и минимальные искажения тока возбуждения. Кроме того, трансформаторы должны быть спроектированы так, чтобы без проблем передавать ожидаемые значения тока первичной и вторичной обмоткам.

Это означает, что проводники обмотки должны быть изготовлены из проволоки соответствующего калибра, чтобы избежать проблем с нагревом.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор должен иметь идеальную «связь» (без индуктивного рассеяния), идеальную регулировку напряжения, идеально синусоидальный ток возбуждения, отсутствие гистерезиса и потерь на вихревые токи и достаточно толстый провод, способный выдержать любой ток. К сожалению, идеальный трансформатор будет бесконечно большим и тяжёлым, чтобы идеально соответствовать своим идеальным характеристикам.

Так что, при практическом проектировании трансформаторов приходится идти на компромиссы.

Помимо этого, изоляция проводов обмотки является проблемой там, где встречаются высокие напряжения, как это часто бывает в повышающих и понижающих силовых распределительных трансформаторах.

Обмотки нужно не только хорошо изолировать от железного сердечника, но и обмотки должны быть достаточно изолированы друг от друга, чтобы обеспечить электрическую изоляцию между обмотками.

Номинальные характеристики трансформатора

С учетом этих ограничений, в зависимости от конкретной задачи, трансформаторы делаются с расчётом на определённые уровни напряжения и тока первичной и вторичной обмоток, хотя номинальный ток обычно выводится из номинального значения в вольт-амперах (ВА), присвоенного трансформатору.

Например, возьмём понижающий трансформатор с номинальным напряжением первичной обмотки 120 В, номинальным напряжением вторичной обмотки 48 В и номинальной мощностью в 1 кВА (1000 ВА). Максимально допустимые токи для обмотки можно так и определить, используя 1 кВА (1000 ВА).

Рис. 1. По формула вычисляем максимально допустимые токи для обмоток.

Иногда обмотки имеют номинальный ток в амперах, но это скорее характерно для небольших трансформаторов. Большие трансформаторы почти всегда рассчитываются по напряжению обмотки в ВА или кВА.

Энергетические потери

Когда трансформаторы передают мощность, они делают это с минимальными потерями. Мы уже упоминали о том, что КПД современных силовых трансформаторов обычно превышает 95%. Однако нелишним будет знать, куда уходят эти небольшие потери и откуда они берутся.

Само собой, какие-то потери мощности возникают из-за сопротивления проводов обмоток. Если это не сверхпроводящие провода, всегда будет рассеиваться мощность в виде тепла через сопротивление проводников, по которым течёт ток. Поскольку для трансформаторов требуются длинные провода, эти потери могут быть весьма существенны.

Увеличение диаметра обмоточного провода – один из способов минимизировать эти потери, но тогда значительно увеличиваются стоимость, размер и вес.

Потери из-за вихревых токов

Помимо резистивных потерь, большая часть потерь мощности трансформатора связана с магнитными эффектами в сердечнике. Возможно, наиболее существенной из этих «потерь в сердечнике» являются затраты на вихревые токи, которые представляют собой рассеяние резистивной мощности из-за прохождения индуцированных токов через железо сердечника.

Поскольку железо проводит электричество, а также прекрасно «проводит» магнитный поток, в сердечнике токи индуцируются так же, индуцируются токи во вторичных обмотках из переменного магнитного поля.

Эти наведённые токи – чью перпендикулярность вектору магнитной индукции объясняет закон Фарадея – стремятся проходить через поперечное сечение сердечника перпендикулярно виткам первичной обмотки.

Их круговое движение и дало им их необычное название: они подобны водоворотам в потоке воды, которые циркулируют, а не движутся по прямым линиям.

Железо является хорошим проводником электричества, но не настолько хорошим, как медь или алюминий, из которых обычно делаются проволочные обмотки. Значит, этим «вихревым токам» приходится преодолевать существенное электрическое сопротивление, поскольку они циркулируют по железному сердечнику.

Преодолевая это сопротивление, они рассеивают энергию в виде тепла. Так что, это и есть основной источник потерь в трансформаторе, который трудно устранить.

Индукционный нагрев

Это явление настолько ярко выражено, что его часто используют как средство нагрева чёрных (железосодержащих) материалов. На фотографии ниже показан блок «индукционного нагрева», повышающий температуру большого участка трубы.

Проводные витки, покрытые высокотемпературной изоляцией, опоясывают трубу, вызывая вихревые токи в стенках трубы за счёт электромагнитной индукции. Чтобы максимизировать эффект вихревых токов, используется высокочастотный переменный ток, а не частота линии электропередачи (60 Гц).

Блоки в правой части изображения вырабатывают высокочастотный переменный ток и регулируют величину тока в проводах, чтобы стабилизировать температуру трубы на заранее определённом «заданном значении».

Рис. 2. Индукционный нагрев: первичная изолированная обмотка индуцирует ток в железной трубе с вторичными потерями.

Смягчение вихревых токов

Основная стратегия уменьшения этих расточительных вихревых токов состоит в том, что железный сердечник изготавливается из листов, каждый из которых покрыт изолирующим лаком. Таким образом сердечник разделён на тонкие пластины. В результате ширина слоёв сердечника слишком мала для циркуляции «вихревых токов»:

Рис. 3. Разделение железного сердечника на тонкие изолированные пластины сводит к минимуму потери из-за вихревых токов.

Подобные пластинчатые сердечники входят в стандартную комплектацию почти всех низкочастотных трансформаторов. Вспомните, что на фотографии трансформатора, разрезанного пополам (разделы 1 и 2 этой главы), железный сердечник был не цельнометаллическим, а состоял из множества тонких листов.

Потери из-за вихревых токов растут с увеличением частоты, поэтому трансформаторы, предназначенные для работы от высокочастотной энергии (например, 400 Гц, что применяется в военных целях и авиации), должны использовать ещё более тонкие пластины, чтобы снизить потери до приемлемого минимума.

Это имеет нежелательный эффект в виде увеличения стоимости изготовления трансформатора.

Другой аналогичный метод минимизации потерь из-за вихревых токов, который больше подходит для высокочастотных приложений, – это изготовление сердечника из железного порошка, а не из тонких листов железа.

Подобно ламинированным листам, каждая гранула железа покрыта электроизоляционным материалом. Это делает сердечник в целом непроводящим, хотя электроны перемещаются в пределах отдельных гранул. Сердечники из порошкового железа часто используются в трансформаторах, работающих с радиочастотными (т.е. высокочастотными) токами.

Магнитный гистерезис

Еще одна «сердечная потеря» – это магнитный гистерезис. Все ферромагнитные материалы склонны какое-то время сохранять некоторую степень намагниченности после того, как воздействие внешнего магнитного поля завершилось.

Эта склонность оставаться намагниченным называется «гистерезисом», и требуются определенные затраты энергии, чтобы преодолеть это противодействие, изменяющееся каждый раз, когда магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой, меняет полярность (дважды за один цикл волны переменного тока).

Этот тип потерь можно уменьшить за счёт правильного выбора материала сердечника (выбор для сердечника сплава с низким гистерезисом, о чём можно судить насколько мала площадь у гистерезисной B/H-кривой) и проектирования сердечника с минимальной магнитной индукцией (увеличение площади поперечного сечения).

Высокочастотный скин-эффект

Потери энергии в трансформаторе тем больше, чем выше частота. Скин-эффект внутри проводников обмотки уменьшает доступную площадь поперечного сечения для потока электронов, тем самым увеличивая эффективное сопротивление при повышении частоты и создавая больше мощности, теряемой из-за резистивного рассеивания.

Потери в магнитном сердечнике также увеличиваются из-за более высоких частот, вихревых токов и эффектов гистерезиса, которые становятся более серьёзными. По этой причине трансформаторы значительных размеров предназначены для эффективной работы в ограниченном диапазоне частот.

В большинстве систем распределения электроэнергии, где частота сети очень стабильна, можно показаться, что чрезмерная частота никогда не будет проблемой. К сожалению, неприятности приходят в виде гармоник, создаваемых нелинейными нагрузками.

Как мы разобрали в предыдущих главах, несинусоидальные сигналы эквивалентны аддитивным последовательностям нескольких синусоидальных сигналов с разными амплитудами и частотами. В энергосистемах эти другие частоты являются целыми числами, кратными основной (линейной) частоте, что означает, что они всегда будут выше, а не ниже проектной частоты трансформатора.

Они могут вызвать серьезный перегрев трансформатора. Силовые трансформаторы проектируются для обработки определённых уровней гармоник энергосистемы, и эта способность иногда обозначается рейтингом «K-фактор».

Паразитные ёмкость и индуктивность

Помимо номинальной мощности и потерь мощности, трансформаторы часто имеют другие нежелательные ограничения, о которых следует знать разработчикам схем. Подобно их более простым аналогам – индукторам – трансформаторы обладают ёмкостью из-за изоляционного диэлектрика между проводниками: от обмотки к обмотке, от витка к витку (в одной обмотке) и от обмотки к сердечнику.

Частота резонанса трансформатора

Обычно эта ёмкость незначительна, но приложения с малыми сигналами (особенно с высокой частотой) могут плохо переносить эту каверзу.

Кроме того, эффект наличия ёмкости наряду с расчётной индуктивностью обмоток даёт трансформаторам возможность резонировать на определённой частоте, что определённо является проблемой проектирования в сигнальных приложениях, где приложенная частота может достигнуть этой точки (что касается силовых трансформаторах, то обычно их резонансная частота находится далеко за пределами рабочей частоты переменного тока).

Сдерживание магнитного потока

Сдерживать магнитный поток (т.е. обеспечить, чтобы магнитный поток трансформатора не уходил в окружающее пространство, дабы не воздействовать на соседние приборы, и убедиться, что магнитный поток других устройств также экранирован от сердечника трансформатора) – ещё одна проблема, присущая не только индукторам, но и трансформаторам.

Утечки из-за индуктивности

Индуктивность рассеяния тесно связана с проблемой удержания магнитного потока. В начале этой главы мы уже убедились с помощью моделирования SPICE насколько пагубно влияние индуктивности рассеяния на регулировку напряжения. Поскольку индуктивность рассеяния эквивалентна индуктивности, последовательно соединённой с обмоткой трансформатора, она проявляется как последовательное сопротивление с нагрузкой.

Таким образом, чем больше тока потребляет нагрузка, тем меньше напряжения на выводах вторичной обмотки. Обычно при проектировании трансформатора предполагается хорошая регулировка напряжения, но существуют и исключительные области применения.

Как указывалось ранее, для схем разрядного освещения требуется повышающий трансформатор со «слабой» (плохой) регулировкой напряжения для пониженного напряжения после того, как в лампе возникает дуга. Один из способов добиться выполнения этого критерия в техзадании – спроектировать трансформатор с путями рассеяния магнитного потока в обход вторичной обмотки (или вторичных обмоток).

Результирующий поток рассеяния создаст индуктивность рассеяния, которая, в свою очередь, «ослабит» регулировку, а это как раз и нужно для разрядного освещения.

Насыщенность сердечника

Магнитный поток в сердечнике не может превысить определённую величину, что также ограничивает возможности трансформатора. Для трансформаторов с ферромагнитным стержнем необходимо учитывать пределы насыщения сердечника.

Помните, что ферромагнитные материалы не могут поддерживать бесконечную плотность магнитного потока: на определённом уровне они «насыщаются» (это зависит от материала и размеров сердечника), а это означает, что дальнейшее увеличение магнитодвижущей силы (МДС) не приводит к пропорциональному увеличению потока магнитного поля (Φ).

Когда первичная обмотка трансформатора перегружается из-за чрезмерного приложенного напряжения, поток в сердечнике может достичь уровня насыщения в пиковые моменты цикла синусоидальной волны переменного тока. Если это произойдёт, напряжение, индуцированное во вторичной обмотке, больше не будет соответствовать волне напряжения, питающего первичную катушку.

Другими словами, в перегруженном трансформаторе волны от первичной обмотки до вторичной начнут искажаться, создавая гармоники на выходе вторичной обмотки. Как мы уже обсуждали, гармоники в энергосистемах переменного тока редко ведут к чему-то хорошему.

Пиковые трансформаторы

Специальные приборы, известные как пиковые трансформаторы, используют этот принцип для создания коротких импульсов напряжения вблизи пиков волн напряжения источника питания. Сердечник в таких устройствах рассчитан на быстрое и резкое насыщение при уровнях напряжения значительно ниже пикового.

Это приводит к сильно «срезанной» форме волны синусоидального потока, а вторичные импульсы напряжения возникают только при изменении потока (ниже уровней насыщения):

Рис. 4. Волновые формы сигналов напряжения и магнитного потока для пикового трансформатора.

Работа на частотах ниже нормы

Другой причиной ненормального насыщения сердечника трансформатора является работа на частотах ниже нормы. Например, если силовой трансформатор, предназначенный для работы на частоте 60 Гц, вынужден работать на частоте 50 Гц, магнитный поток достигает более высоких пиковых уровней, чем было раньше, когда создавалось соразмерное противодействующее напряжение, необходимое для балансировки с напряжением источника питания.

Это верно, даже если напряжение источника питания не изменилось.

Рис. 5. Магнитный поток выше в сердечнике трансформатора с частотой 50 Гц по сравнению с 60 Гц для того же напряжения.

Поскольку мгновенное напряжение обмотки пропорционально мгновенной скорости изменения магнитного потока в трансформаторе, волна напряжения, достигающая того же пикового значения, но требующая больше времени для завершения каждого полупериода, требует, чтобы поток поддерживал ту же скорость изменений, как и раньше, но в течении более длительных периодов времени.

Таким образом, если поток должен расти с той же скоростью, что и раньше, но в течение более длительных периодов времени, он поднимется до более высокого пикового значения. Математически это ещё один пример дифференциального исчисления в действии. Поскольку напряжение пропорционально скорости изменения магнитного потока, можно сказать, что волна напряжения является производной от волны магнитного потока, причем «производная» – это операция вычисления, определяющая одну математическую функцию (волновую) с точки зрения скорости изменения другой функции.

Однако, если мы зайдём с прямо противоположной стороны и свяжем исходную волну с её производной, то можно сказать, что исходная волна является интегралом от производной волны (кто изучал матан, тот в курсе что интегральное и дифференциальное исчисления – это две стороны одной медали). В этом случае волна напряжения является производной волны магнитного потока, а волны магнитного потока является интегралом от волны напряжения.

Интеграл любой математической функции пропорционален площади, находящейся между линией этой функции и горизонтальной осью. Поскольку каждый полупериод сигнала 50 Гц накапливает бо́льшую площадь между волной и нулевой осью графика, чем для сигнала 60 Гц (а мы знаем, что магнитный поток является интегралом напряжения), поэтому волна магнитного потока будет достигать более высоких пиковых значений.

Рис. 6. Магнитный поток, изменяющийся с той же скоростью, возрастает до более высокого уровня при 50 Гц, чем при 60 Гц.

Еще одна причина насыщения трансформатора – наличие постоянного тока в первичной обмотке. Любая величина постоянного напряжения, попадающего на первичную обмотку трансформатора, вызовет дополнительный магнитный поток в сердечнике. Это дополнительное «смещение» потока будет подталкивать волну переменного магнитного потока ближе к насыщению в одном полупериоде, чем в другом.

Рис. 7. Постоянный ток в первичной обмотке сдвигает пики волны к верхнему пределу насыщения.

Для большинства трансформаторов насыщение сердечника является крайне нежелательным эффектом, и его можно избежать благодаря удачной конструкции: обмотки и сердечник проектируются таким образом, чтобы плотность магнитного потока оставалась значительно ниже уровней насыщения.

Это гарантирует, что соотношение между МДС и Φ будет более линейным на протяжении всего цикла потока, что хорошо, поскольку способствует меньшим искажениям волны тока намагничивания.

Кроме того, проектирование сердечника для низких плотностей магнитного потока обеспечивает «подушку безопасности» между нормальными пиками магнитного потока и пределами насыщения сердечника, дабы приспособиться к случайным, ненормальным условиям, таким как изменение частоты и смещение постоянного тока.

Пусковой ток

Когда трансформатор изначально подключён к источнику переменного напряжения, может возникнуть значительный скачок тока через первичную обмотку, называемый пусковым током. Это чем-то похоже на пусковой ток электродвигателя, который запускается при внезапном подключении к источнику питания, хотя всплески тока в трансформаторе вызваны другим явлением.

Мы знаем, что скорость изменения мгновенного потока в сердечнике трансформатора пропорциональна мгновенному падению напряжения на первичной обмотке. Или, как указывалось ранее, волна напряжения является производной от волны магнитного потока, а волна магнитного потока является интегралом для волны напряжения.

В непрерывно работающем трансформаторе эти два сигнала сдвинуты по фазе на 90°. Поскольку поток (Φ) пропорционален магнитодвижущей силе (МДС) в сердечнике, а МДС пропорционален току обмотки, волна тока будет синфазной с волной магнитного потока, и обе волны будут отставать от волны напряжения на 90°:

Рис. 8. Установление непрерывности: магнитный поток, как и ток, отстаёт от приложенного напряжения на 90°.

Предположим, что первичная обмотка трансформатора внезапно подключается к источнику переменного напряжения в точный момент времени, когда мгновенное напряжение достигает своего положительного пикового значения.

Чтобы трансформатор создавал противоположное падение напряжения, чтобы уравновеситься с этим приложенным напряжением источника питания, должен генерироваться быстро возрастающий магнитный поток. В результате ток в обмотке увеличивается хоть и быстро, но на самом деле не быстрее, чем при обычных условиях:

Рис. 9. Подключение трансформатора к сети при пиковом напряжении переменного тока: поток быстро увеличивается от нуля, как и в обычном режиме.

И магнитный поток сердечника, и ток катушки начинаются с нуля и достигают тех же пиковых значений, которые наблюдаются при непрерывной (не пиковой) работе. Таким образом, в этом сценарии нет «всплеска», «броска» и при этом ток остаётся нулевым.

В качестве альтернативы давайте рассмотрим, что произойдёт, если подключение трансформатора к источнику переменного напряжения произойдёт именно в тот момент времени, когда мгновенное напряжение равно нулю.

Во время непрерывной работы (когда трансформатор запитан в течение некоторого времени), это момент времени, когда и магнитный поток, и ток обмотки достигают своих отрицательных пиков, испытывая нулевую скорость изменения (dΦ/dt = 0 и di/dt = 0).

По мере того, как напряжение достигает своего положительного пика, скорости изменений в волнах магнитного потока и тока нарастают до своих максимальных положительных значений. При этом обе волны поднимаются до своих положительных пиков по мере того, как напряжение опускается до уровня нуля:

Рис. 10. Запуск при e = 0 В – это не то же самое, что непрерывный запуск на предыдущем рисунке. Ожидаемые формы сигналов неверны – и Φ и мне приходится снова начинать с нуля.

Однако существует значительная разница между работой в непрерывном режиме и условием внезапного пуска, предполагаемым в этом сценарии: во время непрерывной работы уровни магнитного потока и тока были на своих отрицательных пиках, когда напряжение было в нулевой точке. Однако в трансформаторе, который простаивает, и магнитный поток, и ток обмотки тоже должны начинаться с нуля.

Когда магнитный поток увеличивается в ответ на повышение напряжения, он будет увеличиваться от нуля вверх, а не от ранее отрицательного (намагниченного) состояния, как это происходит в трансформаторе, который был запитан некоторое время.

Таким образом, в трансформаторе, который только сейчас «запускается», магнитный поток будет примерно в два раза превышать нормальную пиковую величину, поскольку он «интегрирует» область под первым полупериодом волны напряжения:

Рис. 11. Начиная с e = 0 В, Φ начинается с начального условия, когда Φ = 0, увеличиваясь в два раза по сравнению с нормальным значением, при этом предполагается, что это не насыщает сердечник.

В идеальном трансформаторе ток намагничивания также увеличился бы примерно в два раза по сравнению с нормальным пиковым значением, генерируя необходимую МДС для создания этого потока, превышающего нормальный.

Однако большинство трансформаторов не спроектированы с достаточным запасом между нормальными пиками магнитного потока и пределами насыщения, чтобы избежать насыщения в таких условиях. Поэтому сердечник почти наверняка будет насыщаться в течение этого первого полупериода напряжения.

Во время насыщения для генерации магнитного потока необходимо непропорционально большая МДС. Это означает, что ток обмотки, который создаёт МДС, вызывающую магнитный поток в сердечнике, непропорционально возрастёт до значения, легко превышающего вдвое его нормальный пик:

Рис. 12. Начиная с e = 0 В, ток также увеличивается в два раза по сравнению с нормальным значением для ненасыщенного сердечника или значительно выше в случае насыщения (на которое рассчитано).

Это механизм, вызывающий пусковой ток в первичной обмотке трансформатора при подключении к источнику переменного напряжения. Как видите, величина пускового тока сильно зависит от точного времени, когда именно выполнено электрическое подключение к источнику.

Если трансформатор имеет некоторый остаточный магнетизм в своём сердечнике в момент подключения к источнику, «всплеск» тока может быть ещё более серьёзным. Из-за этого устройства максимальной токовой защиты трансформатора обычно делают «медленно действующими», что позволяет выдерживать подобные скачки тока без размыкания цепи.

Тепло и шум

Помимо нежелательных электрических эффектов, трансформаторы могут также проявлять нежелательные физические эффекты, наиболее заметными из которых являются выделение тепла и шума. Шум – это, скорее, просто неприятно, а вот нагрев – потенциально серьёзная проблема, поскольку изоляция обмотки может оказаться поврежденной, если будет допущен перегрев.

Нагрев сводится к минимуму за счёт грамотной конструкции, гарантирующей, что сердечник не приближается к уровням насыщения, вихревые токи должны быть сведены к минимуму, обмотки не должны перегружаться или работать слишком близко к максимально допустимой нагрузке.

Сердечник и обмотки больших силовых трансформаторов погружены в специальную масляную ванну для отведения тепла и глушения шума, а также для устранения влаги, которая в противном случае нарушила бы целостность изоляции обмотки.

Теплоотводящие «радиаторные» трубки на внешней стороне корпуса трансформатора обеспечивают конвекцию в потоке масла для вывода тепла от сердечника трансформатора в окружающий воздух:

Рис. 13. Силовые трансформаторы большой мощности погружают в теплоизолирующее масло.

Безмасляные или «сухие» трансформаторы часто оцениваются с точки зрения максимального «повышения» рабочей температуры (превышающей температуру окружающей среды) в соответствии с системой буквенных классов: A, B, F или H. Эти буквенные коды расположены в порядке от наименьшей термостойкости до наибольшей:

  • Класс A: Повышение температуры обмотки допустимо не более чем до 55°C при температуре окружающего воздуха 40°C (максимум).
  • Класс B: Повышение температуры обмотки допустимо не более чем до 80°C при температуре окружающего воздуха 40°C (максимум).
  • Класс F: Повышение температуры обмотки допустимо не более чем до 115°C при температуре окружающего воздуха 40°C (максимум).
  • Класс H: Повышение температуры обмотки допустимо не более чем до 150°C при температуре окружающего воздуха 40°C (максимум).

Что касается шума, то это эффект, в первую очередь возникающий из-за такого явления как магнитострикция: т.е. небольшое изменение длины сердечника, проявляемое ферромагнитным объектом при намагничивании.

Характерный тревожный «гул», слышимый поблизости от больших силовых трансформаторов, – это звук расширения и сжатия железного сердечника с частотой 120 Гц (это в два раза выше частоты самой системы, которая в США составляет 60 Гц) – т.е. за один цикл сжатия/расширения сердечника для каждого пика волны напряжения. Также к этому неприятному звуку примешивается шум, создаваемый механическими силами между первичной и вторичной обмотками.

Опять же, поддержание низких уровней магнитного потока в сердечнике является ключом к минимизации этого эффекта. Что объясняет, почему феррорезонансные трансформаторы, которым приходится работать в режиме насыщения для большей части волны тока, нагреваются и гудят во время работы.

Потери из-за магнитных сил в обмотке

Еще одно шумовое явление в силовых трансформаторах – это следствие физической реакции между первичной и вторичной обмотками при большой нагрузке.

Если вторичная обмотка разомкнута, через неё не будет проходить ток и, следовательно, отсутствует магнитодвижущая сила (МДС), создаваемая током. Однако, когда вторичная обмотка «загружена» (в настоящее время ток подаётся на нагрузку), обмотка генерирует МДС, которой противодействует «отражённая» МДС в первичной обмотке, чтобы предотвратить изменение уровня магнитного потока в сердечнике.

Эти противоположные МДС, возникающие между первичной и вторичной обмотками в результате вторичного (нагрузочного) тока, создают физическую силу отталкивания между обмотками, которая заставляет их вибрировать.

Конструкторам трансформаторов приходится учитывать эти физические нюансы при проектировании катушек обмотки, чтобы обеспечить адекватную механическую опору, способную выдерживать напряжения. Однако в условиях большой нагрузки (высокого тока) эти напряжения могут быть достаточно большими, чтобы вызвать различимый шум, исходящий от трансформатора.

Итог

  • Силовые трансформаторы ограничены по количеству мощности, которую они могут передавать от первичной обмотки (или обмоток) ко вторичной. Большие блоки обычно имеют номинальные значения в ВА (вольт-амперы) или кВА (киловольт-амперы).
  • Сопротивление в обмотках трансформатора снижает эффективность, поскольку ток рассеивает тепло, тратя энергию.
  • Магнитные эффекты в железном сердечнике трансформатора также способствуют снижению эффективности. Среди нежелательных эффектов – вихревые токи (циркулирующие индукционные токи в железном сердечнике) и гистерезис (потеря мощности из-за склонности железа к намагничиванию, когда волны напряжения/тока движутся в определённом направлении).
  • Повышенная частота приводит к увеличению потерь мощности в силовом трансформаторе. Наличие гармоник в энергосистеме является источником частот, значительно превышающих нормальные, что может вызвать перегрев больших трансформаторов.
  • И трансформаторы, и катушки индуктивности обладают определённой неизбежной паразитной ёмкостью из-за изоляции проводов (диэлектрика), отделяющей витки обмотки от железного сердечника и друг от друга. Эта ёмкость может быть достаточно значительной, из-за чего в трансформаторе возникает собственная резонансная частота, что может быть весьма проблематичным в сигнальных приложениях.
  • Индуктивность рассеяния возникает из-за того, что магнитный поток не на 100% связан между обмотками трансформатора. Любой поток, не связанный с передачей энергии от одной обмотки к другой, будет накапливать и выделять энергию – собственно, так и работает (само)индукция. Индуктивность утечки ухудшает регулировку напряжения трансформатора (вторичное напряжение «проседает» больше при заданной величине тока нагрузки).
  • Магнитное насыщение сердечника трансформатора может быть вызвано чрезмерным первичным напряжением, работой на слишком низкой частоте и/или наличием постоянного тока в любой из обмоток. Насыщение можно минимизировать или избежать с помощью консервативной конструкции, которая обеспечивает достаточный запас прочности между пиковыми значениями плотности магнитного потока и пределами насыщения сердечника.
  • Трансформаторы часто испытывают значительные пусковые токи при первоначальном подключении к источнику переменного напряжения. Пусковой ток наиболее велик, если подключение к источнику переменного тока выполняется в момент, когда мгновенное напряжение источника равно нулю.
  • Шум – обычное явление для трансформаторов (особенно это касается силовых трансформаторов), в первую очередь это следствие магнитострикции сердечника. Физические силы, вызывающие вибрацию обмотки, также генерируют шум в условиях большой (сильноточной) нагрузки вторичной обмотки.


См.также

Внешние ссылки