Трансформатор тепловое действие тока

Переменный ток. Трансформатор.

Основная часть электроэнергии в мире в настоящее время вырабатывается генераторами переменного тока, создающими синусоидальное напряжение. Они позволяют наиболее просто и экономно осуществлять передачу, распределение и использование электрической энергии.

Устройство, предназначенное для превращения механической энергии в энергию переменного тока, называется генератором переменного тока. Он характеризуется переменным напряжением U(t) (индуцированной ЭДС) на его клеммах. В основу работы генератора переменного тока положено явление электромагнитной индукции.

Переменным током называется электрический ток, который изменяется с течением времени по гармоническому закону. Величины U0, I0 = U0/R называются амплитудными значениями напряжения и силы тока. Значения напряжения U(t) и силы тока I(t), зависящие от времени, называют мгновенными.

Переменный ток характеризуется действующими значениями силы тока и напряжения. Действующим (эффективным) значением переменного тока называется сила такого постоянного тока, который, проходя по цепи, выделил бы в единицу времени такое же количество теплоты, что и данный переменный ток. Для переменного тока действующее значение силы тока может быть рассчитано по формуле:

Аналогично можно ввести действующее (эффективное) значение и для напряжения, рассчитываемое по формуле:

Таким образом, выражения для мощности постоянного тока остаются справедливыми и для переменного тока, если использовать в них действующие значения силы тока и напряжения:

Обратите внимание, что если идет речь о напряжении или силе переменного тока, то (если не сказано иного) имеется в виду именно действующее значение. Так, 220В – это действующее напряжение в домашней электросети.

Конденсатор в цепи переменного тока.

Строго говоря, конденсатор ток не проводит (в том смысле, что носители заряда через него не протекают). Поэтому, если конденсатор подключен в цепь постоянного тока, то сила тока в любой момент времени в любой точке цепи равна нулю. При подключении в цепь переменного тока из-за постоянного изменения ЭДС конденсатор перезаряжается. Ток через него по-прежнему не течет, но ток в цепи существует. Поэтому условно говорят, что конденсатор проводит переменный ток. В этом случае вводится понятие сопротивления конденсатора в цепи переменного тока (или емкостного сопротивления). Это сопротивление определяется выражением:

Обратите внимание, что емкостное сопротивление зависит от частоты переменного тока. Оно в корне отличается от привычного нам сопротивления R. Так, на сопротивлении R выделяется теплота (поэтому его часто называют активным), а на емкостном сопротивлении теплота не выделяется. Активное сопротивление связано со взаимодействием носителей заряда при протекании тока, а емкостное – с процессами перезарядки конденсатора.

Катушка индуктивности в цепи переменного тока.

При протекании переменного тока в катушке возникает явление самоиндукции, и, следовательно, ЭДС. Из-за этого напряжение и сила тока в катушке не совпадают по фазе (когда сила тока равна нулю, напряжение имеет максимальное значение и наоборот). Из-за такого несовпадения средняя тепловая мощность, выделяющаяся в катушке, равна нулю. В этом случае вводится понятие сопротивления катушки в цепи переменного тока (или индуктивного сопротивления). Это сопротивление определяется выражением:

Обратите внимание, что индуктивное сопротивление зависит от частоты переменного тока. Как и емкостное сопротивление, оно отличается от сопротивления R. Как и на емкостном сопротивлении, на индуктивном сопротивлении теплота не выделяется. Индуктивное сопротивление связано с явлением самоиндукции в катушке.

Разновидности

Высоковольтное измерительное оборудование включает в себя два типа устройств. В эту категорию устройств входят:

• Измерительный трансформатор напряжения.
• Измерительный трансформатор тока.

Первая категория приборов предназначена для работы вольтметров, фазометров, реле соответствующих типов. В область работы измерительных трансформаторов тока входит осуществление функционирования амперметров и прочего подобного оборудования.

Представленные типы измерительных трансформаторов производятся с номинальной мощностью от 5 до нескольких сот ВА. Измерительные трансформаторы тока и напряжения предназначены для совместной работы с вольтметрами на 100 В и амперметрами 1-5 А.

Трансформатор

Трансформатор — статическое устройство, которое преобразует переменный электрический ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения, не изменяя его частоту. Он может работать только на переменном токе.

Основные конструкционные части трансформатора

Устройство состоит из трех основных частей:

1. Первичная обмотка трансформатора. Число витков N₁.
2. Сердечник замкнутой формы из магнитомягкого материала (например, сталь).
3. Вторичная обмотка. Число витков N₂.

На схемах трансформатор изображают таким образом:

Принцип работы

Работа силового трансформатора основывается на законе электромагнитной индукции Фарадея.

Между двумя раздельными обмотками (первичной и вторичной), которые связаны общим магнитным потоком, проявляется взаимная индукция. Взаимная индукция — процесс, с помощью которого первичная обмотка индуцирует напряжение во вторичной обмотке, расположенной в непосредственной близости от нее.

На первичную обмотку поступает переменный ток, который производит магнитный поток, при подключении к источнику питания. Магнитный поток проходит через сердечник и так как он меняется в течение времени, то возбуждает во вторичной обмотке ЭДС индукции. Напряжение тока на второй обмотке может быть ниже, чем на первой, тогда трансформатор называется понижающим. У повышающего трансформатора на вторичной обмотке напряжение тока выше. Частота тока остается неизменной. Эффективное понижение или повышение напряжения не может увеличить электрическую мощность, поэтому на выходе трансформатора сила тока соответственно пропорционально повышается или понижается.

Для амплитудных значений напряжения на обмотках можно записать следующее выражение:

k — коэффициент трансформации.

Для повышающего трансформатора k>1, а для понижающего — k<1.

Во время работы реального устройства всегда существуют потери энергии:

• происходит нагревание обмоток;
• затрачивается работа на намагничивание сердечника;
• в сердечнике возникают токи Фуко (они оказывают тепловое действие на массивный сердечник).

Для уменьшения потерь при нагревании, трансформаторные сердечники делают не из цельного куска металла, а из тонких пластин, между которыми располагается диэлектрик.

Режимы работы

Холостой ход

• Режимом холостого хода трансформатора называется режим с разомкнутой вторичной обмоткой (I₂ = 0).

В этом случае напряжение на вторичной обмотке равно индуцируемой в ней ЭДС (см. уравнение (1)):

Тогда из уравнения (2) получаем

В зависимости от коэффициента трансформации k (числа витков N₁ и N₂) напряжение U₂ может быть как больше (k < 1), так и меньше напряжения U₁ (k > 1).

• Трансформатор, который увеличивает напряжение, называют повышающим, а трансформатор, который уменьшает напряжение — понижающим.

Рабочий ход

• Рабочим ходом трансформатора называют режим, при котором в цепь его вторичной обмотки включена некоторая нагрузка.

При таком режиме работы из уравнения (1) получаем

где (U_ <2>=I_ <2>cdot R_<2>,) R₂ — сопротивление нагрузки.

Так как потери энергии в современных трансформаторах не превышают 2%, то можно записать, что мощности тока в обоих обмотках трансформатора практически одинаковы:

Тогда с учетом уравнения (2) получаем

В повышающем трансформаторе (k < 1) напряжение U₂ > U₁, а сила тока I₂ < I₁. В понижающем трансформаторе все наоборот.

Режимом короткого замыкания

• Режимом короткого замыкания называется режим, при котором вторичная обмотка трансформатора замкнута без нагрузки.

Данный режим опасен для трансформатора, поскольку в этом случае ток во вторичной обмотке максимален и происходит электрическая и тепловая перегрузка системы.

Как выбрать токовый трансформатор для прибора учета электроэнергии

Для выбора нужного вам ТТ необходимо руководствоваться следующей информацией:

• знать параметры сети, номинальное напряжение;
• какой будет ток в первичной и вторичной обмотке ТТ;
• какой у токового трансформатора коэффициент;
• класс точности изделия;
• конструкция токового трансформатора.

Когда определяются параметры напряжения, надо принимать максимально возможное значение напряжения. Для счетчика 0,4 кВ рекомендуется токовый трансформатор 0,66 кВ.

Величина тока на вторичной обмотке — около 5 ампер, а ток первичной обмотки можно рассчитать по коэффициенту трансформации. Необходимо учитывать всю нагрузку, выбирая коэффициент трансформации, допускается подключение ТТ с завышенным коэффициентом трансформации.

Выбор ТТ по классу точности зависит от цели, в которых используется изделие, коммерческий учет рекомендует класс точности не ниже 0,5S, а для условий технического учета достаточная точность — 1S.