Мозговой штурм трансформатора


     Papalashvili Dimitri         Georga, Tbilisi,   2459226        E-mail: d170347@gmail.com

Секреты трансформатора

Предлагаю вашему вниманию материалы форума Реалстранник.
Тема касается обыкновенного 50-герцового трансформатора.
Какие секреты трансформатора предлагает раскрыть человек под ником fantom?
Как говорится - поживём, увидим!

Тему ведёт fantom

Хочу открыть тему про такое, казалось бы, обычное устройство, как трансформатор.
Особенно банальным кажется повсеместно применяемый 50-гц трансформатор на сердечнике из трансформаторной стали.
Многие, скорее всего, спросят: что можно сказать нового о таком простом и понятном устройстве?
Зачем в 101-й раз перемалывать азбучные истины?
Ответ: ровно затем, что в работе этих устройств есть важные моменты либо освещенные в литературе однобоко и поверхностно, либо вообще не освещенные.
Как бы ни странно это не звучало, но это факт.
Именно об этих особенностях работы трансформатора и пойдет речь в серии последующих постов.
Однако как правильно выразился один из форумчан: иногда стоит "заново научиться ходить".
Поэтому придется начать с общей и, несомненно, известной большинству из Вас информации.
Рассмотрим сначала классическое определение принципов работы и режимов трансформатора.
В дальнейшем мы перейдем к углубленному рассмотрению стандартных режимов, а также к нестандартным режимам работы трансформаторов.
Начнем со стандартного определения: Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно-связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока.
Устройство простейшего трансформатора.
Трансформатор состоит из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных обмоток (как правило, медь или алюминий), охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкого материала.



Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:
1) Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм)
2) Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)
На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся переменное напряжение от внешнего источника.
Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе, сдвинутый по фазе, при синусоидальном токе, на 90° по отношению к напряжению на первичной обмотке.
В результате действия электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе наводит во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС, пропорциональную первой производной магнитного потока, и при синусоидальном токе сдвинутую на 90° в сторону запаздывания по отношению к магнитному потоку.
Хочу заметить, что в дальнейшем мы ограничимся рассмотрением трансформаторов на частоту 50Гц подключенных и источнику переменного синусоидального напряжения.
Различают 3 основных режима работы трансформатора.

1) Режим холостого хода
2) Режим номинальной нагрузки во вторичной обмотке
3) Режим короткого замыкания вторичной обмотки

Режим холостого хода.
В этом режиме на первичную обмотку подается напряжение от внешнего источника.
Вторичная (е) же обмотка в этом режиме никуда не подключена.
В данном случае первичная обмотка представляет собой классическую индуктивность, ток в которой должен повторять по форме напряжение на первичной обмотке и запаздывать на 90° относительно этого напряжения.
Данный ток создает магнитный поток в сердечнике.
Наводимая этим потоком на витки всех расположенных на сердечнике катушек ЭДС, в свою очередь, будет запаздывать еще на 90° относительно магнитного потока.
В результате ЭДС возбуждаемая магнитным потоком в первичной (так же как и во всех остальных) обмотке, должна полностью компенсировать в ней действие внешней ЭДС (90+90=180, т.е. они находится в противофазе).
В реальном трансформаторе полной компенсации не происходит, что приводит к возникновению в первичной обмотке небольшого (3-8% от номинального) тока, называемого током холостого хода.



Теперь рассмотрим подробнее процесс создания и поддержания магнитного потока в сердечнике трансформатора.
Сердечники современных 50гц трансформаторов предназначены для работы с индукцией порядка 1.5 Тесла.
Однако для создания такого, казалось бы, сильного магнитного потока (для сравнения: магнитная индукция, создаваемая редкоземельными Nd-Fe-B магнитами, составляет 1.2 - 1.4 Тл.) требуется совсем незначительный ток от источника.
Возьмем для примера 100Вт трансформатор на 220В 50 Гц.
Вспомним формулу расчета активной мощности P=V ∙ I. При номинальной мощности и активной нагрузке ток в первичной обмотки должен достигать 100Вт / 220В = 0.454А (потери не учитываем).
Отсюда ток холостого хода должен быть порядка 0.454А * 0.05 = 0.0227A = 22.7mA ( 5% от 0.454A).
Для упрощения примем этот ток активным (хотя реально он отстает от напряжения почти на 90° и является реактивным).
Тогда потребляемая трансформатором мощность будет всего 220В ∙ 0.0227А = 5Вт.
Для того чтобы создать в сердечнике 100Вт трансформатора магнитный поток, равный потоку создаваемому редкоземельными магнитами, достаточна мощность всего несколько Ватт.
Предвижу возражения читателей на последнее утверждение. Как же так? Это же холостой ход!
При нем сердечник работает далеко от точки насыщения и далеко от значения рабочей магнитной индукции!
Да это распространенное убеждение. Только вот оно ложное.
Значение потока магнитной индукции в сердечнике трансформатора при холостом ходе и при максимальной нагрузке остается неизменным.
Откуда следует такой, казалось бы, не очевидный вывод?
Да все и того же закона электромагнитной индукции.
А поскольку ЭДС, наводимая магнитным потоком во вторичной обмотке, прямо связана с напряженностью этого потока, то из этого следует, что магнитный поток остается неизменным, как на холостом ходу, так и при работе трансформатора при полной нагрузке.
Осциллограмма холостого хода трансформатора.



Ток в первичке, немного отстает от напряжения из за величины нагрузки, несколько ниже номинальной.
То есть продолжает быть заметной реактивная составляющая - след от ХХ.
Ток во вторичке, поскольку нагрузка активная, полностью совпадает по фазе с напряжением на вторичке.

Суммируем:
1) В режиме холостого хода трансформатор потребляет несколько (3-8) % от расчетной мощности.
2) Потребляемая при холостом ходе мощность носит реактивных характер. Так как фаза потребляемого тока отстает на 90° от подводимого к первичной обмотке напряжения.
3) Даже такой незначительной мощности хватает для создания в сердечнике высоких значений магнитного потока.
4) Значение потока магнитной индукции в сердечнике трансформатора при холостом ходе равно его значению при расчетной мощности.

dmax

Тема мне очень интересна, часто не выходит из головы. Спасибо.
fantom почему ЭДС, наведенная в первичке ее же магнитным потоком, отстает от тока на 90°?
Ведь в индуктивности ток от напряжения отстает, а не наоборот.
Вы не рассматриваете движение магнитных потоков в сердечнике.
Магнитный поток вторички всегда противодействует магнитному потоку первички.
И еще вопрос - почему будете рассматривать только 50 Герц, на высоких частотах ведь габариты трансформатора уменьшаются по отношению к мощности.
Или цель данной ветки только теория 50-герцовых трансформаторов?

fantom

Тут вопрос в причинной связи. Порядок такой.
ЭДС источника создает ток в первичке. Он сдвинут на 90° относительно напряжения. Создаваемый им магнитный поток синфазен току возбуждения.
Внимание еще раз - магнитный поток создается входным током!
Далее уже созданный поток рождает вторичную ЭДС во всех обмотках трансформатора.
В том числе и в первичной обмотке. Это совершенно другая ЭДС, не та, которая подается из источника.
Так вот именно она отстает от порождающего ее потока еще на 90°.

dmax написал:
Вы не рассматриваете движение магнитных потоков в сердечнике. Магнитный поток вторички всегда противодействует магнитному потоку первички.
fantom Пока мы рассматриваем режим холостого хода - то есть, тока во вторичной обмотке нет. Всему свое время.

dmax написал:
И еще вопрос - почему будете рассматривать только 50 Герц, на высоких частотах ведь габариты трансформатора уменьшаются по отношению к мощности.
Или цель данной ветки только теория 50-герцовых трансформаторов?

fantom 50Гц потому что стальные сердечники, как оказалось, таят в себе немало сюрпризов.
Нет, цель ветки, конечно же, не голая теория, обязательно будут результаты эксов - я же практик
Тема создана как раз для изучения малоизвестных, и необычных свойств трансформаторов.
Но для начала нам нужно научиться говорить на одном языке. Вот и повторяем азбуку.

dmax написал:
Спасибо, понял, Не знал что создаваемая вторичная ЭДС отстает от потока на 90°.
Вроде нигде об этом не написано.(или я не замечал) Это точно ?

fantom А вы не верьте на слово, а проверьте

dmax написал:
Получается, что ток во вторичной обмотке (при нагрузке) сдвинут относительно тока первички на 180° ???

fantom Вы отлично схватываете!

dmax
Извиняюсь, еще вопрос, просто хочу расставить все точки над И.
Я вот изобразил, условный трансформатор. Для простоты я развернул сердечник, чтобы было видно, как намотаны обмотки.
Правильно ли я изобразил движение тока?



dmax написал:
Получается, что ток во вторичной обмотке(при нагрузке) сдвинут относительно тока первички на 180° ???
Но тогда получается что магнитные потоки первички и вторички должны быть синфазны
(только сдвинуты на 180°), но по классике они противоположны- в противофазе.

fantom Если два синусоидальных сигнала сдвинуты один на 180° относительно другого, то говорят, что эти сигналы находятся в противофазе.

pirx написал:
Как то включал транс через амперметр в сеть и наблюдал броски тока при включении.
Примерно каждый 2 раз стрелка отлетала примерно в 2 раза больше чем при предыдущем включении.
Наверно в предыдущий раз выключение намагничивало сердечник противоположно тому, как включался он при большом отбросе стрелки.

fantom
Прекрасное наблюдение!
Обязательно к этой теме вернемся.
Тема огромная и крайне благодатная.
Вот только нужно закончить необходимую подготовительную часть.

maxsys
Ну, раз такие подробности, которых очень не хватает для не специалистов в электронике, тогда может можно оставить здесь ответ на такой вопрос:
Что вообще значит 90 градусов, 180 , отставание тока от напряжения или синфазность ЭДС?
Как это представить себе визуально?
Вообще как понять?
Чем это сопровождается и какая разница смещение это или нет?
ps: Я так понимаю, что с этим будет связано практически все, поэтому лучше сразу все понять, если можно еще добавить - чем ток в батарейке "хуже" чистого СИНУСА.

dmax
maxsys по поводу отставания тока, Фантом изобразил графиками в 4-м посте.

maxsys
Да по графику видно, но сам процесс не совсем понятен
Напряжение - это давление.
Ток - это то, что толкает это самое давление.
Здесь получается, что то, типа баллон с газом, есть давление (напряжение) но газ (ток) не идет.
Открываем кран газ (ток) пошел (за счет давления)
Не совсем въезжаю, как они могут опережать или отставать друг от друга

sean
Скорее всего, чтобы не входить в заблуждение, рассматривать работу трансформатора с позиции только Тока и Магнитного потока.
Напряжение здесь, мне думается, только отвлекает от понимания Работы трансформатора.

fx3201
Да, направление тока и полярность напряжения на картинке верны.

maxsys написал:
Что вообще значит 90 градусов, 180 , отставание тока от напряжения или синфазность ЭДС ? как это представить себе визуально? Вообще как понять? Чем это сопровождается и какая разница смещение это или нет?

Mebius
А Вы вспомните обычную катушку индуктивности и закон Фарадея.
Если по катушке течет постоянный ток, то никакой ЭДС самоиндукции катушка не производит.
Но если вдруг Вы захотите усилить ток или наоборот - ослабить, магнитное поле катушки начнет "сопротивляться" этому изменению, создавая противо - ЭДС самоиндукции.
Т.е. если Вы пытаетесь увеличить ток, ЭДС будет направлена навстречу вашему источнику напряжения.
Если пытаетесь уменьшить - то наоборот, ЭДС будет складываться с напряжением источника, препятствуя изменению тока в цепи.
Это - азбука.
А проявляются эти процессы внешне следующим образом: если приложите к катушке напряжение, ток в ней будет линейно нарастать до бесконечности (если сопротивление цепи нулевое) с темпом, который ограничивает индуктивность катушки.
Это - на постоянном напряжении.
А на синусоидальном, ток будет отставать от напряжения на четверть периода.
Вот Вам и 90 градусов, о которых шла речь.
Но есть и обратная закономерность: если ток (магнитное поле) в цепи с катушкой изменяется линейно (растет или убывает), то на катушке образуется постоянная ЭДС самоиндукции соответствующего направления.
Т.е. ток (магнитное поле) линейно растет, а напряжение - постоянное. И чем быстрее меняется ток, тем больше напряжение ЭДС.
Т.е. ЭДС - первая производная от скорости изменения магнитного поля.
Ну а на синусном питании - сами сообразите, какой фазовый сдвиг получается.

Чем ток в батарейке "хуже" чистого СИНУСА

А он ничем не хуже и не лучше. Просто в батарейке электрическая поляризация неизменна и создается химической реакцией.
Поэтому, она источник постоянного напряжения. А промышленная электроэнергия создается в основном вращающимися электрическими машинами.
Поэтому там напряжение знакопеременное с частотой (у нас в стране) 50 Гц.


Реклама открывается в следующей вкладке

Режим работы трансформатора с номинальной нагрузкой.

fantom
В этом режиме вторичная обмотка подключена к нагрузке.
Возможны несколько основных типов нагрузки:
1) Активная нагрузка.
2) Индуктивная нагрузка.
3) Емкостная нагрузка.
4) Активно-Емкостная смешанная нагрузка.
5) Активно-Индуктивная смешанная нагрузка.
В данном посте мы рассмотрим самый простой вариант - работа трансформатора на чисто активную нагрузку.
Варианты 2 - 5 будут рассмотрены по мере необходимости в части углубленного анализа.



Работа трансформатора на активную нагрузку, будет полностью включать в себя все процессы, протекающие в нем при режиме холостого хода ( ХХ).
Подача входного переменного напряжения на первичную обмотку породит в ней ток, отстающий на 90° от фазы входного напряжения.
Этот ток, в свою очередь, породит синфазный с ним первичный магнитный поток Ф1 в сердечнике.
Поток Ф1 наведет во вторичной (как и в первичной) обмотке ЭДС, отстающую по фазе на 180° от питающего напряжения.
А вот дальнейшее поведение системы будет уже отличаться от режима ХХ.
Поскольку к выводам вторичной обмотки трансформатора подсоединена нагрузка, то наведенная в этой обмотке ЭДС сразу вызовет появление тока, протекающего через нагрузку.
Этот ток, протекая по виткам вторичной обмотки, в свою очередь, породит вторичный магнитный поток Ф2 в сердечнике трансформатора.
Эффект будет такой как будто мы подключили к выводам вторичной обмотки другой источник переменного напряжения, фаза которого сдвинута на 180° относительно фазы входного напряжения на первичной обмотке.
Фаза потока Ф2 будет совпадать в фазой тока во вторичной обмотке и в свою очередь будет сдвинута на 180° (противофаза) относительно фазы первичного магнитного потока Ф1.
Этот вторичный магнитный поток Ф2, в первую очередь начнет компенсировать действие потока Ф1 на сердечник, а во вторую очередь будет наводить свою ЭДС во всех обмотках трансформатора.
В первичной обмотке эта наведенная потоком Ф2 ЭДС вступит в конфликт с питающим напряжением, поскольку они будут иметь противоположенную фазу (сдвинуты на 180°).
Это вызовет такой эффект, как будто индуктивное сопротивление первичной обмотки уменьшилось, что увеличит нагрузку на источник входного напряжения.
Для того чтобы сохранить напряжение на первичной обмотке постоянным, источник входного напряжения вынужден будет увеличить ток, отдаваемый в цепь первичной обмотки.
Это в свою очередь вызовет увеличение напряженности магнитного потока Ф1, действие которого начнет компенсировать влияние потока Ф2 на сердечник.
Так будет продолжаться до тех пор, пока увеличение тока в первичной обмотке не скомпенсирует эффекты порожденные током во вторичной обмотке, подсоединенной к нагрузке.
Однако, как мы уже выяснили, суммарный магнитный поток в сердечнике должен оставаться неизменным.
В результате увеличение напряженности потока Ф1 скомпенсирует величину напряженности потока Ф2, что сохранит суммарный магнитный поток в сердечнике неизменным и равным по величине потоку при ХХ.
Важно понять, что токи I1 и I2, а также магнитные потоки Ф1 и Ф2 (от первичной и от вторичной обмоток) "не видят" друг друга - то есть напрямую никак не взаимодействуют один с другим.
То, что мы имеем дело с результатами их совместной деятельности, происходит от наложения результатов их воздействия на магнитный материал сердечника или на витки обмоток трансформатора.
То есть мы видим не отдельные величины, а результат их суммарного воздействия на физические объекты.
Соответственно: токи в первичной и во вторичной обмотках являются независимыми.
То, что они влияют друг на друга, определяется всей сложной цепочкой передачи воздействия через посредничество двух независимых магнитных потоков.
Иллюзия прямой зависимости возникает от того, что они оба тока взаимодействуют с одними и теми же объектами: витками обмоток трансформатора и материалом сердечника.

Суммируем:
1) Режим работы трансформатора под нагрузкой полностью включает в себя эффекты режима ХХ.
2) Эффект увеличения входного тока трансформатора при подключении нагрузки определяется многоступенчатым процессом, при посредничестве двух магнитных потоков.
3) Суммарный магнитный поток в сердечнике под нагрузкой остается тем же что и при режиме ХХ.
4) Магнитные потоки порожденные токами в первичной и вторичной обмотках являются независимыми, однако мы видим только результат их совместного влияния на элементы трансформатора.

sean
А если вторичную обмотку намотать в другую сторону? Как изменится вторичный магнитный поток?

fantom Абсолютно никак не изменится. Ведь наводимая от Ф1 на вторичную обмотку ЭДС тоже поменяет фазу относительно выводов.

doktorsvet
Здравствуйте Фантом, интересная тема.
Как думаете, можно ли намотать такой хитрый трансформатор, чтобы при активной нагрузке магнитные потоки сложились синфазно на первичной обмотке и не увеличивали потребление трансформатора?

fantom
Как намотать - не знаю.
Однако планирую в этой ветке попытаться сформулировать, как можно достичь подобного результата.
Точнее не так. Я буду счастлив, если участники ветки сами смогут это сформулировать, а я только помогу им в этом.

Режим короткого замыкания вторичной обмотки трансформатора.

Возникает когда выводы вторичной обмотки трансформатора оказываются соединенными между собой через сопротивление много меньшее номинального сопротивления нагрузки.
При этом говорят, что вторичная обмотка замкнута накоротко.
На первый взгляд кажется, что при коротком замыкании трансформатор должен неизбежно разрушиться, от резкого увеличения тока (на порядки) во вторичной , а как следствие и в первичной обмотке.
При этих условиях температура обмоток за секунды может достичь величин порядка 500° С.
Кроме того, при работе трансформатора к обмоткам всегда приложено переменные механические усилия, стремящиеся раздвинуть обмотку в радиальном и осевом направлениях.
Эти усилия пропорциональны произведению токов в обмотках, и если при коротком замыкании каждый из токов
I1 и I2 увеличится, например, в 100 раз, то усилия возрастут в 10000 раз.
При этом обмотки трансформатора должны были бы мгновенно разрушиться.
Однако на практике этого не происходит.
Обычно трансформаторы успешно выдерживают короткие замыкания в течении времени, пока устройства защиты не отключит их от сети.
Почему же так происходит ? Какая сила ограничивает токи в обмотках?
В этом режиме проявляется пока не рассматриваемое нами, но очень интересное явление под названием магнитные потоки рассеяния.
Детально это явление мы рассмотрим в одном из следующих постов.
Сейчас просто констатируем, что наличие этих потоков дает решающий вклад в ограничение токов короткого замыкания в трансформаторе.
Напряженность потоков рассеяния прямо пропорциональна токам в обмотках.
Поскольку они замкнуты, то потоки ФР1 и ФР2 наводят в обмотках соответствующие ЭДС ЕР1 и ЕР2.


Повторим про фазовые сдвиги.
Магнитный поток Ф1 и ток в первичной обмотке I1 отстают на 90o от напряжения U1.
Этот поток наводит во вторичке ЭДС U2, сдвинутую на 180o (противофазную) по отношению к U1.
Поскольку вторичка замкнута то ток в ней будет совпадать по фазе с напряжением, как при работе на активную нагрузку.
Но будет принципиальное отличие. Линии магнитного поля катушки N2 будут замыкаться не через сердечник, как при нормальном режиме, а по воздуху.
При этом будет отсутствовать зацепление магнитного потока от вторичной обмотки с витками первичной обмотки.
То есть поток ФР2 будет наводит ЭДС только в витках самой же вторичной обмотки.
При этом ЭДС UР2 будет противофазна (сдвинута на 180o) по отношению к ЭДС U2.
Соответственно, ЭДС UР2 будет бороться с ЭДС U2, что приведет к уменьшению тока короткого замыкания во вторичной обмотке.
В современной литературе говорят, что возрастает индуктивное сопротивление вторичной обмотки.
Можно сказать что, благодаря рассеянию трансформатор способен сам в какой то мере защищаться от токов короткого замыкания.

Суммируем.
При коротком замыкании во вторичной обмотке:
1) Гравенствующую роль в системе приобретают магнитные потоки рассеяния.
2) Магнитный поток вторичной обмотки проходит не по материалу сердечника, а по воздуху, минуя витки первичной обмотки.
3) Максимальный ток в обмотках ограничивается влиянием ЭДС UР2.
Динамические процессы в трансформаторе.
Кроме стандартного режима работы трансформатора (режим холостого хода и режим номинальной нагрузки) представляют интерес коротко текущие процессы, сопровождающие изменение режима работы трансформаторов.
Несмотря на их малую длительность, изучить их необходимо для понимания принципов работы трансформатора.

Есть несколько типов переходных процессов:
- Волновые процессы а обмотках трансформатора.
Они обусловленны рождением волнового фронта перепадом потенциала на выводах коммутируемой обмотки.
Детальное рассмотрение волновых процессов при включении мы проведем в одном из следующих постов.
- Переходные процессы в обмотках с участием сердечника трансформатора.
Именно эти процессы, на первый взгляд более простые, мы сейчас и рассмотрим.
Можно выделить следующие переходные процессы:
- подключение трансформатора к источнику ЭДС
- отключение трансформатора от источника ЭДС
- внезапное короткое замыкание во вторичной обмотке
- снятие кроткого замыкания со вторичной обмотки

Подключение трансформатора к источнику ЭДС
при не нагруженной вторичной обмотке. Часть 1.

Наверное многие из Ваc замечали, что при включении трансформатора с габаритной мощностью скажем от 100ВТ и больше, в сеть - в нем раздается некий, быстро затухающий звук.
Этот звук обусловлен механической вибрацией пластин сердечника и проводом обмоток трансформатора от так называемого "броска тока намагничивания". Рассмотрим поведение системы детально.
Для упрощения, сначала рассмотрим поведение обычной катушки без сердечника в подобной ситуации.
Магнитный поток является интегральной функцией приложенного напряжения.
Если напряжение меняется по синусоидальной кривой, то и магнитный поток будет также меняться по синусоидальной кривой со сдвигом по фазе на 90o.
При переходном режиме включения магнитный поток катушки меняется согласно тому же закону электромагнитной индукции, но форма кривых изменения его во времени зависит от момента подключения катушки к источнику ЭДС.
1) Индуктивность подключается к источнику синусоидальной ЭДС в момент пика напряжения:
В первый момент включения магнитный поток равен нулю.
Начиная с нулевого значения, поток будет нарастать до тех пор, пока напряжение имеет положительное значение, т. е. до момента пересечения 0.
В этот момент магнитный поток достигнет наибольшего значения и начнет уже убывать.
Изменение магнитного потока будет в рассматриваемом случае происходить по той же синусоидальной кривой,
что и при установившемся режиме.



2) Индуктивность подключается к источнику синусоидальной ЭДС в момент 0 напряжения: Магнитный поток катушки будет нарастать до тех пор, пока приложенное напряжение станет опять равным 0, т. е. в течение всего полупериода. Увеличение потока прекратится в момент прохождения напряжения через нуль.
В течение следующего полупериода поток будет убывать, пока напряжение не изменит своей полярности.


Мы видим, что начальный ток переходного процесса в катушке при подключении ее к источнику в 0 напряжения, в два раза больше тока включения той же катушки в момент прохождения напряжения через максимум.
Если бы активное сопротивление катушки было равно нулю (как на нашем рисунке) , то магнитный поток и ток, пульсировали бы в катушке неопределенно долгое время, не меняя своих знаков.
Ток в катушке (так же, как и магнитный поток) мы можем представить как бы сложенным из тока установившегося режима и постоянного тока равного амплитудному значению установившегося тока.
Наличие активного сопротивления катушки быстро снижает постоянный ток до нуля, вследствие чего режим включения постепенно переходит в режим установившегося состояния.



pirx
Ну может Фантом продолжит повествование - это чую цветочки еще \ их можно принять за аксиому \ вот ягодки наверняка потребуют реальных ПРОСТЫХ ЭКСОВ и симуляторы там наверняка пасуют...


matrac
Что за пик обратной полярности? Вообще кривые тока трансформатора несимметричны при пуске на положительной и отрицательной полу волнах напряжения сети. Так же непонятен ток при отключении трансформатора. Намагничивание транса которым меряете ток?


fantom
Эх matrac... рано Вы затеяли этот разговор.
Давайте я все же завершу хотя бы минимальную подготовку...
А вообще...
Пик тока обратной полярности это похоже энергия отдаваемая сердечником в сеть...
Сейчас как раз выясняю все подробности про это...
Но там странно не только это. Крайне интересен атрефакт под кодовым названием "пупырышек".
Будем разбираться по порядку - судя по всему там копать и копать...
С уважением

Подключение трансформатора к источнику ЭДС. Часть 2.

Реальный трансформатор отличается от рассмотренной выше катушки наличием стального сердечника (напомню, что мы говорим о 50 Гц трансформаторах).
Следствием этого является:
1) В результате резкого увеличения магнитной проницаемости среды внутри катушки по сравнению с воздухом, магнитная индукция возрастает в μ раз.
То есть сердечник как бы концентрирует магнитное поле в своем обьеме.
2) Замкнутый сердечник образует канал для замыкания линий магнитного поля, что приводит к образованию замкнутого магнитного потока в материале сердечника.
Тут можно провести аналогию с замкнутым контуром по которому проходит электрический ток, только в данном случае ток "магнитный".

Как же изменится динамика установления рабочего тока при включении в сеть трансформатора, по сравнению с катушкой без сердечника ?
Для примера возьмем момент подключения трансформатора при 0 входного напряжения.
Как мы говорили, магнитный поток должен увеличиться до своего двойного значения по сравнению с установившемся режимом.
Индукция сердечника при этом также в два раза превысит номинальное значение.
При этом говорят, что сердечник погрузится в глубокое насыщение, что в свою очередь увеличит его магнитное "сопротивление".
Сильное магнитное поле приведет к уменьшению магнитной проницаемости сердечника, что резко снизит эквивалентное индуктивное сопротивление обмотки.

Результатом этого будет резкое увеличение амплитуды броска тока при включении.
Особенно велики броски тока при подключении трансформаторов, изначально рассчитанных на работу в режиме насыщения типа МОТ-ов ( трансформатор от микроволновки ).
Броски тока при подключении мощных трансформаторов могут превышать ток холостого хода в 100-120 раз,
а ток номинальной нагрузки в 8-12 раз.
Именно это броски и являются причиной звука, рождающегося при включении трансформаторов в сеть.
Значительную роль в формировании амплитуды броска тока вносит момент предыдущего отключения трансформатора от источника ЭДС.

Указанный эффект обеспечивается остаточной индукцией в сердечнике.
Представьте, мы выключили трансформатор и сети, а потом, через некоторое время, включаем снова.
Изменяющаяся по синусоидальному закону магнитная индукция начинает изменяться не с нулевого значения,
а со смещением на значение остаточной магнитной индукции с прошлого включения.
Остаточная индукция может составлять 80-90% от номинальной рабочей, и таким образом рабочая точка сердечника сместится далеко за излом характеристики намагничивания, что даст еще большую величину броска тока.
Длительность переходных процессов при включении трансформатора составляет от нескольких периодов напряжения питания до нескольких секунд.


Характерный вид кривой броска тока намагничивания в мощном трансформаторе.

pirx
Как то включал латр без нагрузки и вышибало слабый автомат примерно каждый 2 раз.
Потом мерил ток включения по отбросу стрелки и примерно каждый 2 раз был больше предыдущего.
И точно при включении транса если он достаточно мощный и не сильно стянут убывающее по силе гудение.
Фантомушка не томи сказывай далей...


fantom
Потерпите еще совсем немного. Скоро начинаем практикум... (f)

Переходный режим короткого замыкания вторичной обмотки.

Такой режим возникает при внезапным коротким замыканием вторичной обмотки накоротко при при условии,
что первичная обмотка находится под нормальным напряжением.
По прошествии переходного режима оно переходит в фазу установившегося короткого замыкания,
описанного в посте #105583.
Начальная сила тока короткого замыкания зависит от момента короткого замыкания относительно фазы напряжения на первичной обмотке.

1) Если короткое замыкание происходит в момент пика ЭДС на первичной обмотке, когда суммарный магнитный поток трансформатора проходит через нулевое значение.
В таком случае ток в обмотках получает сразу же то значение, которое он имеет при установившемся режиме короткого замыкания.
Как мы уже говорили поток от вторичной обмотки при этом вытесняется в поток рассеяния и его фаза противоположена фазе первичного потока.



2) Если короткое замыкание происходит в момент 0 ЭДС на первичной обмотке, когда суммарный магнитный поток трансформатора имеет максимальную амплитуду.
Замыкание произошло в момент максимальной амплитуды потока, и согласно закону Ленца, вторичная обмотка будет стремиться сохранить этот поток и в последующие моменты времени - то есть сопротивляться его изменению.
Однако сам суммарный поток с течением времени уменьшается до его значения его при установившемся коротком замыкании.
Так вот это уменьшение будет компенсироваться увеличением напряженности поля рассеяния вторичной обмотки.
Наибольшее значение поток рассеяния вторичной обмотки получит в момент, когда поток в сердечнике станет равен 0.
И этот момент наступит спустя полупериода (180o) питающего напряжения.
Магнитный поток , а с ним и ток во вторичной обмотке перестанут пересекать 0 линию и станут пульсирующими одного знака.
В этом можно увидеть некоторую аналогию с переходным режимом включения трансформатора в сеть.
Как и в тот раз кривую вторичного тока можно представить как суперпозицию номинального тока короткого замыкания и постоянного тока смещения, равного по амплитуде току установившегося короткого замыкания.
Теоретичеки ток короткого замыкания, происшедшего в момент 0 входной ЭДС превышает ток установившегося короткого замыкания в 2 раза.


Скорость спадания ассиметрии тока будет существенно выше, чем в случае переходного процесса при подключении трансформатора к сети.
И как и раньше наличие сердечника лишь усиливает эффект.
Почему так происходит было описано в предыдущем посте.
В зависимости от конструктивных особенностей трансформатора, влияющих на величину потоков рассеяния, бросок тока может достигать значений в 10-15 раз превосходящих ток от номинальной нагрузки.

matrac
Уважаемый fantom, было бы не плохо, если все теоретические посты шли с графической иллюстрацией происходящих процессов (в идеале с видео).
Так будет более понятно. Слова не всегда правильно интерпретируются, представлять в голове все описания сложно.
Спасибо!



Практикум. Часть1.

fantom
Давайте посмотрим на реальные осциллограммы.
Будем испытывать вот такой трансформатор.



Первичная и вторичная обмотки будут расположены на разных кернах. Такая конструкция в дальнейшем упростит нам изучение распределения поля по сердечнику. Пропустим осциллограммы установившегося режима ХХ и режима активной нагрузки. Режим установившегося КЗ посмотрим немного позднее, когда попробуем смотреть поля рассеяния. А сейчас взглянем на режим подключения трансформатора с разомкнутой вторичной обмоткой (режим ХХ) к источнику ЭДС 220В 50Гц.
Схема стенда.


Далее приведены осциллограммы подключения трансформатора к сети в противоположный фазах.





Первое на что бы я хотел обратить внимание это несинусоидальная форма тока в первичной обмотке.
Подробное объяснение этому феномену можно найти на страницах 65-69 книги проф.Холуянова.
Скачать отсюда .
Здесь же приведем только вывод: Для того, чтобы магнитный поток трансформатора с железом был синусоидальным, намагничивающий его ток должен быть несинусоидальным и содержать в основном третью и пятую гармоники (150 и 250Гц).

Практикум. Часть 2

Ну а теперь - поехали! (из анекдота про резиновый автобус)
Сегодня мы закончим изложение, на первый взгляд, скучных основ и приступим к вещам более интересным, но менее согласующихся с точкой зрения ортодоксальной физики.
Хотя и в том что уже изложено, есть целый ряд моментов, на которые стоит обратить пристальное внимание.
И еще - я рассчитываю на активную и конструктивную позицию читателей.
С этого момента начинается то, что требует осмысления.
Исходные: трансформатор тот же, схема стенда - та же, вторичная обмотка нагружена на лампу 100Вт.
Обнаружено : несоответствие результатов измерений теоретической модели, описанной в учебниках.
Суть эффекта: величина броска тока при включении первичной обмотки трансформатора на замкнутом стальном сердечнике в сеть, зависит от комбинации фаз отключения трансформатора от сети в предыдущий раз и фазы включения в текущий раз.
Важно именно взаимное сочетание этих двух параметров.

Результаты.








Литература:
Усовершенствованный алгоритм отстройки от бросков тока намагничивания. Скачать отсюда

zwitt Privet Wsem , Nie interesno li eto :



Nado chitat' dalshe etu statju
A i neplocho byloby poznakomitsja s etom softom : RSCAD Software Suite
Zbig


dmax

нуу понятно, по Лидскальну, мы намагничиваем сердечник и в какой момент мы опять включаем транс --такой и результат.
Но это все ток потребления. Нельзя ли как то увеличить ток во вторичке минимально воздействовав на первичку ?

pirx
Фантомуша!
Я понял что измерение тока идет через провод просунутый через колечко на который намотана обмотка к которой подключен осцил?
Может корректнее проводить измерения на малоомном резисторе который подключен последовательно в цепь?
Только надо для безопасности осцила наверно подключать при эксах с сетью через разделительный транс.

fantom
Измерения провожу через токовый трансформатор, намотанный на 80 мм кольце из аморфного железа (его особенность не сильно изменять проницаемость при сильном изменении напряженности магнитного поля).
Почему такой большой диаметр - чтобы при сравнительно большом шунтирующем резисторе (порядка 50 ом) не вводить сердечник в насыщение при токах до 15 А.
То есть это компромисс между отношением сигнал/шум и размерами транса.
Транс приемлемо линеен до 50 Кгц и до 15 А на 50 Гц - проверено на активной нагрузке.
Так что в корректности измерения тока я более-менее уверен.
По поводу резистора. У него есть свои недостатки.
Он должен быть достаточно малоомным, а это маленькая амплитуда на нем.
У цифровых осциллографов есть тонкое место - динамический диапазон.
То есть, если одновременно со слабым сигналом, есть какая-то импульсная, пусть короткая составляющая, скажем в 10-50-100 раз большей амплитуды, то искажается форма слабого сигнала на входе.
Не только я, но и многие мои знакомые на это натыкались.
Так что резистор - не панацея.
Еще один способ - измеритель тока на эффекте Холла. Пожалуй это наилучший вариант. Надеюсь следующий экс показать уже используя подобный датчик.
С уважением

zwitt
Privet,
Mozet byt wychodom iz polozenija bylby shunt 0,1 (ili daze po mienshe) ohm i usilitel na primer INA138 ot TI www.ti.com/lit/ds/symlink/ina168.pdf
Z Uwazenijem


sean
Тогда уж лучше ACS712 ( 20 A) Только от этого суть экспериментов не измениться. Fantomas'у Respect!


dmax написал:
нуу понятно, по Лидскальну, мы намагничиваем сердечник и в какой момент мы опять включаем транс --такой и результат.
Но это все ток потребления. Нельзя ли как то увеличить ток во вторичке минимально воздействовав на первичку ?

fantom
Dmax,
Многие посмотрели видео Далли, потом схемы которые за него рисовали другие.
У кого нибудь получилось ? Неа...
У меня например не вышло - на этапе детального анализа нашел в схемах несколько грубых несоответствий, и поскольку причин таких решений не видел, то дальше работу прекратил.
Единственный кто вызывает на эту тему доверие это Visa, у которого по его словам таки получилось.
Однако я твердо убежден, что получилось у него не совсем то, что делал Далли.
Скорее это можно назвать "по мотивам".
В чем же отличие - а человек долго и упорно попытался понять: в чем таки суть?
И если понял, то все остальное получилось легко и свободно.
Другой пример - ветка которую открыли от имени Мустафы.
Вроде человек максимум рассказал в конференции - так?
И где повторы? Нету? Мустафа - обманщик?

Я немного знаю этого человека, и Вам скажу - он говорит только то в чем убежден!
Неужели за столько времени на форуме Вы так и не поняли.
Никто не даст готового решения с разъяснениями по сборке для людей любого уровня, включая историков и врачей.
Этот вопрос решается путем похода в магазин и покупки готового устройства, чего к сожалению в ближайшей перспективе не просматривается.
Выход? Попробуйте понять, а почему все происходит именно так как я показал в экспе ?
Попробуйте выстроить в своем сознании логическую цепочку, чтоб объяснить осциллограммы.
Скажем так: если вы сможете четко и логически непротиворечиво, с построением последовательности причин и следствий, объяснить: почему при подключении нагрузки ко вторичке, в первичке вырастает ток, Вы достаточно легко сможете построить то, о чем тут многие мечтают.
Иначе придется ждать пока появится в магазинах
С уважением .

korkuz
fantom,спасибо за Ваш труд и терпение!Если не трудно,выскажите свое мнение по гипотезе Казаковых.
Скачать отсюда

fantom
Она созвучна с моим мнением. Я бы тоже все хотел избавиться от МП в его классическом понимании.
А вот по поводу первичных и вторичных токов...
Давайте попробуем разобраться вместе
С уважением.

maxsys
А можно сделать так что бы в первичке ток не отставал ? например кондесатором
И будет ли на разхождение между током и напряжением на первички, влиять нагрузка на вторичке ?
Что бы понятней было, что я имею ввиду
Может ли первичка быть нагрузкой для вторички ?


fantom
Транс с лампой 100 Вт во вторичке


Подвинуть Вам фазу... Да не проблема! Так что ли?


Вуаля

maxsys написал:
зы: знаю что типа второй конец транса как бы соеденяется через землю в обход счетчика, но думаю что это не совсем так.
К примеру как работает транс Тесла,как нагрузка горит подключенная к земле и к одному выводу вв транса.


fantom
maxsys, я зачем пошел у Вас на поводу и ответил на Ваш пост?
Чтобы Вы поняли что то конкретное... Например что приведенная схема из 3 деталей потребляет от сети ровно 0 активной мощности, а лампа, простите за резкость - горит...
Или что то по поводу принципа, о котором рассказывал Мустафа...
А Вы.... Воровайки давайте обсуждать в положенном им месте...
С уважением

maxsys написал:
Проведя экс по данной схеме, я вряд ли увижу то о чем Вы говорите, ведь реактивку и актив без прибора не увижу.
Для меня это будет общее потребление (или я не прав ?)
Может разберем работу схемы ? Что там происходит ?
Что происходит в первичках-вторичках при подключении двух трансов таким способом ?


fantom
Да не происходит там ничего волшебного.
Не надо гоняться за чудом, тогда оно само Вас найдет.
Две обмотки соединятся последовательно тупо для удвоения напряжения.
Потому как фазосдвигающая емкость имеет реактивное сопротивление, и чтобы на лампе было приемлемое - надо увеличить входное.
Зачем я написал тот пост? Да затем что многие, и я в том числе, разгоняли колебательный контур.
У меня получалось при затратах 15 Вт в контуре бродило 5 с лишним КилоВАР.
И проблема там ровно одна - эти ВАРы ничего не дают, потому как ток и напряжение сдвинуты на 90о.
Так что активная или реактивная это две большие разницы.
Вообшем полезно уметь преобразовывать одно в другое...
С уважением

Практикум. Часть 3

Скрипач - не нужен. (с) Кин Дза Дза
Зададим глупый вопрос: а зачем вообще трансформатору вторичная обмотка?
Ну понятно, что для гальванической развязки - это да.
А еще ? Вот есть автотрансформаторы. И понижающие и повышающие.
Вы скажете там одна обмотка? Ну и что ??????
Скажете, что напряжение идет напрямую из сети? А вот и нет
Просто в автотрансформаторе обмотка и первичная и вторичная одновременно.
Представляете как "просто" теперь будет детально описать его работу?
Но если хотим разобраться в работе трансформатора - то придется.
А пока посмотрите очередное кино ....
Схема стенда.


dmax
похоже все точно так же как в предыдущем опыте.



Продолжение следует



free counters

Яндекс.Метрика