Почему гудит нагруженный трансформатор и как устранить это явление. Как работает трансформатор, его принцип действия и устройство на простом языке

Инструкция

В основу трансформатора положено явление, называемое электромагнитной индукцией. При воздействии на проводник изменяющегося магнитного поля на концах этого проводника возникает напряжение, соответствующее первой производной изменения этого поля. Таким образом, когда поле постоянное, напряжения на концах проводника не возникает. Это напряжение очень мало, но его можно повысить. Для этого достаточно вместо прямого проводника использовать катушку, состоящую из желаемого количества витков. Поскольку витки соединены последовательно, напряжения на них суммируются. Поэтому при прочих равных условиях напряжение будет больше по сравнению с единичным витком или прямым проводником в число раз, соответствующее количеству витков.

Создавать переменное магнитное поле можно по-разному. Например, вращать рядом с катушкой магнит - получится генератор. В трансформаторе же для этого используют еще одну обмотку, называемую первичной, и на нее подают напряжение той или иной формы. Во вторичной обмотке возникает напряжение, форма которого соответствует первой производной формы напряжения в первичной обмотке. Если напряжение на первичной обмотке изменяется по синусоидальному закону, на вторичной оно будет изменяться по косинусоидальному. Коэффициент трансформации (не путать с коэффициентом полезного действия) соответствует соотношению чисел витков обмоток. Он может быть как меньше, так и больше единицы. В первом случае трансформатор будет понижающим, во втором - повышающим. Количество витков, приходящееся на один вольт (т. наз. "число витков на вольт") - одинаковое для всех обмоток трансформатора. Для трансформаторов промышленной частоты оно составляет не менее 10, иначе КПД падает и увеличивается нагрев.

Магнитная проницаемость воздуха очень мала, поэтому трансформаторы без сердечников применяют только при работе на очень высоких частотах. В трансформаторах промышленной частоты нашли применение сердечники из стальных пластин, покрытых слоем диэлектрика. Благодаря этому пластины электрически изолированы друг от друга, и не возникают вихревые токи, способные снизить КПД и увеличить нагрев. В трансформаторах импульсных блоков питания, работающих на повышенных частотах, такие сердечники неприменимы, так как существенные вихревые токи могут возникнуть в каждой отдельной пластине, а магнитная проницаемость избыточна. Здесь применяют сердечники из ферритов - диэлектриков, обладающих магнитными свойствами.

Потери в трансформаторе, снижающие его КПД, возникают за счет излучения им переменного электромагнитного поля, небольших вихревых токов, все же возникающих в сердечнике несмотря на принятые меры по их подавлению, а также наличия у обмоток активного сопротивления. Все эти факторы, кроме первого, ведут к нагреву трансформатора. Активное сопротивление обмотки должно быть пренебрежимо малым по сравнению с внутренним сопротивлением источника питания или нагрузки. Поэтому чем больше ток через обмотку и ниже напряжение на ней, тем более толстый провод для нее применяют.

«Трансформатор – это электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения…

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Линии индукции магнитного поля, создаваемого переменным током в первичной обмотке, благодаря наличию сердечника практически без потерь (без рассеяния) пронизывают витки вторичной обмотки…

Тип трансформатора характеризуется коэффициентом трансформации, который равен отношению числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной:

k = N 1 / N 2 …

… при k >1 … трансформатор будет понижающим… при k < 1 … повышающим…

Современные трансформаторы имеют очень высокие КПД (до 95–99%)».

Прочитав внимательно данный параграф, решив упражнение 9, у меня появилось несколько вопросов:

1. Почему у трансформатора такой высокий КПД?

2. Какие бывают виды трансформаторов, чему равен коэффициент трансформации?

3. И, наконец, почему гудит трансформатор?

В учебнике я ответа на них не нашел. Но, слава богу, есть Интернет, и с его помощью попробуем ответить на поставленные вопросы.

Вопрос 1. Почему у трансформатора такой высокий КПД?

Из учебника мы знаем, что «…при работе трансформатора всегда имеются энергетические потери, связанные с такими физическими процессами, как:

нагревание обмоток трансформатора при прохождении электрического тока;

работа по перемагничиванию сердечника;

рассеяние магнитного потока».

Понятно, что первые две причины больших потерь не создадут. На перемагничивание много энергии не надо, а тепловые потери можно уменьшить, уменьшив сопротивление обмоток. Но как быть с рассеиванием магнитного поля. Почему магнитное поле передаются почти без рассеяния?

Дело в том, что передача магнитного поля осуществляется по специальным магнитопроводам (сердечникам из электротехнической стали или других ферромагнитных веществ) с магнитной проницаемостью намного большей, чем у воздуха или вакуума . Это концентрирует магнитные силовые линии в теле магнитопровода, уменьшая магнитное рассеивание, а кроме того, усиливает плотность магнитного потока в части пространства, занятой магнитопроводом. Последнее приводит к усилению магнитного поля и меньшему потреблению тока "холостого хода", то есть меньшим потерям.

Если подробнее, то, как известно, магнитные силовые линии - концентричные и замкнутые сами на себя "кольца", охватывающие проводник с током. Прямой проводник с током охватывается кольцами магнитного поля по всей длине. Если изогнуть проводник кольцом, все магнитные линии, распределенные по длине окружности "собьются в кучку" внутри кольца. Вот внутрь кольца и вставляется сердечник. К сожалению, по геометрическим причинам магнитные замкнутые сердечники никак не могут заполнить все пространство вокруг обмотки трансформатора. Поэтому магнитные силовые линии, охватывающие виток обмотки трансформатора находятся в неравных условиях по периметру витка. Одним силовым линиям "повезло" больше и они проходят только по облегченному маршруту сердечника, другим же приходится часть пути проходить по сердечнику (внутри витка), а остальную по воздуху, для создания замкнутого силового "кольца". Магнитное сопротивление воздуха почти гасит такие линии поля и соответственно нивелирует наличие той части витка, которая породила эту магнитную линию.

Из всего вышесказанного следует вывод - в работе трансформатора с замкнутым ферромагнитопроводом принимает участие не весь виток, а только небольшая часть, которая полностью окружена этим магнитопроводом. Другая часть проходящая по воздуху очень мала, поэтому малы и потери.

Ответив на первый вопрос, переходим ко второму:

Вопрос 2. Какие бывают виды трансформаторов, чему равен коэффициент трансформации?

Данный вопрос возник при решении задачи №2 упражнения 9. Цитата: «…Каким должно быть отношение k числа витков во вторичной и первичной обмотках трансформатора…». Ученики сразу начали находить по формуле коэффициент трансформации, а у меня возник вопрос, неужели не нашлось другой буквы, чтобы обозначить искомое отношение? Но полистав другие учебники, я был, мягко говоря, удивлен. Например, в «Справочном руководстве по физике» (авторы Б.М.Яворский, Ю.А.Селезнев, М., 1989 г) на стр.273 k = N 2 / N 1 . С точностью до наоборот! Такая же формула у А.И.Слободянюка в его книге «Физика для избранных. Магнитостатика, электродинамика, теория колебаний», 2011 г.

А все дело в правильном определении. Коэффициент трансформации трансформатора - это величина, выражающая масштабирующую (преобразовательную) характеристику трансформатора относительно какого-нибудь параметра электрической цепи (напряжения, тока, сопротивления и т.д.).

Таким образом, есть коэффициент трансформации напряжения, а есть коэффициент трансформации силы тока. И это определяется видами трансформатора.

Трансформатор тока - трансформатор, питающийся от источника тока. Типичное применение - для снижения первичного тока до величины, используемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации. Номинальное значение тока вторичной обмотки 1А, 5А. Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, равен току первичной обмотки, деленному на коэффициент трансформации.

I 2 = I 1 / k , или k = I 1 / I 2 = N 2 / N 1 (формула примерная, для режима холостого хода).

Трансформатор напряжения - трансформатор, питающийся от источника напряжения. Типичное применение - преобразование высокого напряжения в низкое в цепях, в измерительных цепях. Применение трансформатора напряжения позволяет изолировать логические цепи защиты и цепи измерения от цепи высокого напряжения.

По ГОСТ 18685-73 (устанавливает применяемые в науке, технике и производстве термины и определения основных понятий в области видов, параметров, характеристик и элементов трансформаторов тока и напряжения), k = U 1 / U 2 = N 1 / N 2 .

И, наконец, третий вопрос.

Вопрос 3. Почему гудит трансформатор?

Вопрос задали ученики, а чтобы ответить на него, пришлось изрядно попотеть. Оказалось, гудение гудению разница! Если трансформатор гудит громко, скорее всего, повреждена изоляция витков катушки. Между соседними витками, лишёнными изоляции могут проскакивать искры, сопровождаемые звуковыми щелчками, аналогично тому, как во влажную погоду начинают сильно гудеть провода линий высокого напряжения.

Возможны и другие причины. К примеру, пластины недостаточно сильно скреплены. Они могут, притягиваясь магнитным полем, банально ударяться друг о друга. Возможно, виновата сама обмотка: если витки неплотно уложены, особенно при больших токах, медные провода тоже могут вибрировать.

Однако, в современных трансформаторах ослабленная обмотка и плохо склеенные пластины не встречаются. Тогда основную роль в гудении начинают играть тонкие материи, а именно явление магнитострикции и электрострикции.

Магнитострикция - явление, заключающееся в том, что при изменении состояния намагниченности тела его объем и линейные размеры изменяются. Эффект вызван изменением взаимосвязей между атомами в кристаллической решётке, и поэтому свойственен всем веществам. Изменение формы тела может проявляться в растяжении, сжатии, изменении объёма, что зависит как от действующего магнитного поля, так и от кристаллической структуры тела. Наибольшие изменения размеров обычно происходят у сильномагнитных материалов, из которых обычно и изготавливается сердечник.

Эти линейные колебания и порождают колебания прилегающего воздуха, звуковые колебания, воспринимаемые человеческим ухом как "гудение".

Электрострикция - эффект изменения линейных размеров вещества при приложении к нему электрического поля. Наблюдается абсолютно во всех веществах.

Связь между деформацией и электрическим полем является квадратичной. Линейная связь между деформацией и электрическим полем наблюдается в пьезоэлектриках.

Оба явления изменения линейных размеров тела под действиями электро и магнитных полей проявляются в виде низкочастотного гудения даже в технологичных современных трансформаторах, так как количество элементов в них крайне велико и в совокупности они, так или иначе, выдают характерный гул.

Когда-то в начале прошлого века в США была популярной реклама на тему «молчаливого слуги». Вопрос касался электричества, а, точнее, его способности бесшумно выполнять различную работу. Компания General Electric стремилась таким образом привлечь внимание потребителей к бытовой технике. Но если коснуться чисто физического процесса работы электричества, то, оказывается, оно не такое уж «молчаливое». Примером может служить всем известный прибор трансформатор, который способен издавать довольно громкий гул. Так почему гудит трансформатор?

Как работает трансформатор

Чтобы разобраться в этом, не мешает вспомнить школьный урок физики, где описан принцип работы трансформатора. Трансформатор работает на основе Он включает в себя катушки, намотанные проводом разного диаметра и с различным количеством витков. Эти катушки представляют первичную и вторичную обмотки трансформатора. Между обмотками есть связь. Она осуществляется посредством своеобразного кольца из специальной ферромагнитной стали. Кольцо получило название сердечника и расположено внутри обмоток. Сама конструкция сердечника собрана из тонких пластин.

Когда на первичную обмотку подают переменный ток, то он создает магнитное поле в сердечнике. Это поле тоже меняется по закону изменения породившего его тока. В свою очередь, поле наводит ЭДС индукции во вторичной обмотке - преобразованный электрический ток.

Материал сердечника разбит на множество микроучастков. В каждом таком участке без наличия входного напряжения присутствует свое магнитное поле, направленное часто противоположно друг к другу. Однако под напряжением все потоки начинают устремляться в одном направлении, создавая мощный магнит. Все это сопровождается изменением физических размеров самого сердечника. Можно догадаться теперь, почему гудит трансформатор.

Эффект магнитострикции

Так как поле переменное, то и пластины сердечника начинают сжиматься и вытягиваться в такт с ним. Этот процесс получил название магнитострикции. Производятся такие движения с большой частотой в 100 Гц, при частоте тока в 50 Гц, в пространство исходит вибрация, которая имеет звуковой диапазон и различима человеческим ухом. Кроме стандартной частоты, в составе переменного тока имеются более высокочастотные гармоники. Их больше, чем больше нагружен трансформатор, а это в свою очередь более резкая и слышимая вибрация. Вот почему гудит трансформатор.

Другие причины шума в трансформаторе

Но не все причины «разговорчивости» трансформатора сокрыты в магнитострикции. Почему нагруженный трансформатор гудит? Выделяют шум:

• Обмоток трансформатора. Это обусловлено тем, что поток магнитный пытается сместить обмотки относительно сердечника. Звук усиливается в случае некачественно намотанной катушки, если витки плохо прилегают друг к другу.
• Пластин сердечника. Почему? Трансформатор очень часто гудит, когда они плохо подогнаны и имеют зазоры между плоскими поверхностями. Тогда, кроме сжимания, слышен шум от звона металла.

• Дефект либо повреждение изоляции медного провода. Такое может случиться в толще обмотки, где имеют место повышенные температуры. В этом случае между обмотками может проскакивать искра, сопровождаемая щелчком. Чем разряд мощнее, тем звук характерней и громче.
• Всех плохо закрепленных деталей в трансформаторе почему? Трансформатор гудит при работе, так как они дребезжат.

Для того чтобы избежать этого недостатка в трансформаторах, были разработаны трансформаторы бесшумного типа. Их схема построена таким образом, что происходит преобразование частоты тока (повышение) до уровня, при котором вибрация не воспринимается в звуковом диапазоне. Это 10 КГц и выше. Бесшумные трансформаторы по своим габаритам и массе гораздо меньше обычных.

Заключение

Чтобы не задавать себе вопрос о том, почему гудит трансформатор, все мощные модели нужно брать качественные, зарекомендовавших себя производителей. Маломощные не так требовательны к точности исполнения. Но если все же имеющийся трансформатор при работе издает шум, можно попробовать устранить его стягиванием пластин при помощи винтов. Только постараться не переусердствовать и не расслоить металл сердечника. Если болты отсутствуют, используют лак или клей, которым заливают сердечник. Устранить дребезжание обмоток можно только с помощью их перемотки.

Учительница спрашивает Вовочку: - Вовочка, а кем работает твой папа? - Трансформатором, Марья Ивановна. - А это как так? - Ну, он 380 рублей получает, 220 маме отдает, а на остальные 160 гудит…

А почему гудит трансформатор? Вы когда-нибудь задумывались об этом? Кто-то скажет что это от того, что плохо закреплены между собой витки или обмотки колеблются, стукаясь о железо. Может быть площадь сердечника оказалась меньше требуемой по расчетам или слишком много вольт на виток получилось при намотке? А соответствует ли подаваемая частота данному материалу сердечника? Давайте, однако, разбираться.

На самом деле причиной гудения трансформатора изначально является магнитострикция. Магнитострикцией называется явление изменения размеров и формы ферромагнитного тела под действием переменного магнитного поля. Кроме магнитострикции причинами шума могут быть работающие масляные насосы и вентиляторы систем охлаждения мощных трансформаторов. Электродинамические усилия в обмотках и электромеханические устройства, регулирующие напряжение под нагрузкой, также создают шум.

В существенной степени уровень этого шума зависит от величины электромагнитной нагрузки и габаритных размеров трансформатора. И в основе шума именно вибрация ферромагнитного магнитопровода, сопровождающая магнитострикцию. Степень выраженности явления зависит от величины магнитной индукции, а также от структуры и от физических характеристик самой электротехнической стали. Далее вибрация передается маслу и опорам сердечника, а от масла и опор сердечника — непосредственно баку.

Поскольку длина волны для сетевой частоты в трансформаторном масле составляет приблизительно 12 метров, а стенка бака расположена на небольшом расстоянии от сердечника, то бак полностью принимает и воспроизводит соответствующие вибрации близлежащих частей сердечника.

Иногда прочие источники шума оказываются громче, например та же система активного охлаждения, однако в целом доминирует именно магнитный шум сердечника, вызванный магнитострикцией.

Под действием переменного магнитного поля, сердечник испытывает переменные магнитострикционные деформации. И если бы листы стали, из которых набран сердечник, испытывали бы растяжения прямо пропорционально квадрату магнитной индукции, то магнитострикционные колебания обладали бы одной устойчивой частотой, равной 100 Гц для сетевых 50 Гц. Однако на деле эта зависимость не прямопропорциональна, и колебания, а за ними и вибрация бака, выдают шум с высшими гармониками.

Как для холоднокатаной, так и для горячекатаной электротехнических сталей данные по относительному количественному удлинению при магнитострикции имеются. Горячекатаная листовая сталь с повышенным содержанием кремния практически полностью препятствует проявлению магнитострикции, и 6% кремния, добавленные в трансформаторную сталь, почти блокируют ее. Но такую сталь невозможно применять в трансформаторах в силу не лучших механических ее характеристик.

У холоднокатаной стали, при том же значении магнитной индукции, относительное удлинение оказывается меньше, чем у стали горячекатаной. Но в силу того, что индукция в сердечниках из холоднокатаной стали превосходит индукцию для стали горячекатаной, удлинения сердечников оказываются приблизительно одинаковыми.

Исследования показали, что шум магнитопровода из горячекатаной стали при значении индукции в 1,35 Тл соответствует шуму холоднокатаной стали при магнитной индукции 1,55 Тл. А при увеличении индукции в сердечнике трансформатора из холоднокатаной стали на 0,1 Тл, шум становится сильнее на 8 дБ.

Трансформаторный сердечник может также попасть в резонанс с колебаниями от магнитострикции, да еще и с гармониками вибраций в магнитопроводе. Если магнитопровод или детали трансформатора угодят в резонанс с данными гармониками, то диапазон шума с ярко выраженными пиками охватит кратные гармоники удвоенной сетевой частоты.

Экспериментально подтверждено, что гармоники вибраций магнитопровода особо ярко выражены при высоких значениях магнитной индукции, когда происходит переход нелинейного участка кривой намагничивания при наличии обилия гармоник магнитострикционных вибраций.

Одна из главных составляющих этого шума в трансформаторе принадлежит поперечным колебаниям листов. Эти отчетливые вибрации возникают вследствие различия листов по длине и толщине, в итоге коэффициенты удлинения для каждого листа различны, а это ведет к изменению зазора сочленений в функции мгновенных значений индукции.

Это ведет к перераспределению во времени магнитных потоков между соседними листами, и в итоге получаются поперечные вибрации листов. Магнитный поток изменяется во времени, а вместе с ним и степень насыщения ферромагнетика. Кривая намагниченности искажается, и как следствие, появляются высшие гармоники и шум магнитострикции.

Важно, что длина сердечника изменяется уже не только от магнитострикции, но и под действием магнитных сил, которые возникают при переходе магнитного потока от пластины к пластине. Так получается тогда, когда параллельно расположенные пластины отличаются магнитной проницаемостью. Экспериментально подтверждено, что как продольные, так и поперечные колебания листов порождают вибрации и шум приблизительно одинаковой интенсивности. Поэтому, даже если полностью подавить один из источников шума трансформатора, общий шум не снизится более чем на 3 дБ.

Реакторы, дроссели, имеющие конструктивные воздушные зазоры, отличает шум, вызванный именно магнитными силами. Между двумя частями, разделенными зазором, возникают переменно силы притяжения с удвоенной частотой намагничивания.

Шум, вызываемый электродинамическими силами в обмотках трансформатора, работающего под нагрузкой, как правило довольно тих, если отсутствуют осевые люфты, как это свойственно для упругой прессовки обмоток. Поэтому от нагрузки уровень этого шума трансформатора практически не зависит.

Данное положение позволяет нормировать уровень шума трансформатора. Однако характер и величина нагрузки все же связаны с магнитной индукцией в трансформаторной стали в процессе работы, поэтому уровень магнитного шума с мощностью нагрузки все же связан.

Надеемся, что эта небольшая статья позволила неискушенному читателю получить ответ на вопрос, почему же гудит трансформатор.

Андрей Повный (Google+ ,

Трансформатор – техническое устройство, передающее электрическую энергию от неподвижной катушки к другой такой же катушке, которая не связана с первой электрическим способом. Передача энергии осуществляется через магнитный поток, соединяющий обмотки и непрерывно меняющий свое направление и величину («Элементарная электротехника для радиолюбителей», А.Д. Батраков, 1950).

Когда переменный ток проходит по первичной катушке, она создает магнитное поле. Мощные силовые линии этого поля пронизывают не только первую, но и вторую обмотку трансформатора. Линии надежно замыкаются вокруг проводников, которые становятся связанными не электрическим, а магнитным образом.

Степень связи между двумя катушками определяется расстоянием между ними.

Когда концы вторичной катушки подсоединяются к потребителю электроэнергии, в цепи возникает электрический ток, а включенный в цепь прибор получает энергию. За счет разницы в количестве витков первичной и вторичной катушек можно получить на выходе любое требуемое напряжение. Это и считается основным полезным свойством любого трансформатора.

Почему шумит трансформатор

Мощные силовые трансформаторы тока – один из источников вредного шума, который можно часто ощущать на производственных территориях. Шум, который напоминает гудение, вызван чаще всего сильной вибрацией активных элементов устройства, которые усиливаются резонансными явлениями.

Почему возникает вибрация? Она в большинстве случаев обусловлена явлением, именуемым магнитострикцией. Этот эффект представляет собой своеобразную деформацию кристаллической решетки, из которой состоит магнитный материал. Магнитострикция возникает при намагничивании элементов конструкции, в ходе которого возрастает индукция, вызывающая смещение кристаллов материала.

Кристаллы приходят во вращение, в результате чего линейные размеры металла с высокой периодичностью меняются. Именно это явление ведет к вибрации и шуму.

Другая причина гудения трансформатора – проявление магнитных сил. Особенно этот эффект выражен на стыках соединений элементов устройства. Отдельные листы сердечника трансформатора под действием таких поперечных сил выгибаются, порождая звуковую волну и увеличивая магнитострикционный эффект. Трансформатор начинает усиленно гудеть.

Уровень шума трансформаторов прямо зависит от их габаритов и массы. Могут влиять на силу звука длина стержня магнитной системы, а также качество стали. Вхождение системы в резонанс или повреждение витков катушки способны существенно увеличить шум работающего трансформатора.