Принцип действия тороидальных трансформаторов

Принцип действия тороидальных трансформаторов

Простейший силовой тороидальный трансформатор состоит из магнитопровода (сердечника), выполненного из ферромагнитного материала (обычно листовая электротехническая сталь) и двух обмоток, расположенных на стержнях магнитопровода (рис. 1.1, а). Одна из обмоток, которую называют первичной, присоединена к источнику переменного тока Г на напряжение U₁. К другой обмотке,

называемой вторичной, подключен потребитель Z_н. Первичная и вторичная обмотки трансформатора не имеют электрической связи друг с другом, и мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем. Магнитопровод, на котором расположены эти обмотки, служит для усиления индуктивной связи между обмотками.

Действие тороидального трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток i₁, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками (первичной и вторичной) и индуцирует в них ЭДС: в первичной обмотке ЭДС самоиндукции

где omega1 и omega2 — число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

При подключении нагрузки Zн к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС e Z2 в цепи этой обмотки создается ток i2, на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U2. В повышающих траснформаторах U2 > U1, а в понижающих U1 > U2.

Из (1.1) и (1.2) видно, что ЭДС е1 и е2, наводимые в обмотках трансформатора, отличаются друг от друга лишь за счет разного числа витков &omega1 и &omega2 в обмотках, поэтому, применяя обмотки с требуемым соотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое отношение напряжений.

Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения, — обмоткой низшего напряжения (НН). На рис. 1.1,б показано изображение однофазного трансформатора на принципиальных электрических схемах.

Тороидальный трансформатор для работы в режиме КЗ с защитой.

Трансформаторы обладают свойством обратимости, один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повышающего и понижающего. Но обычно трансформатор имеет определенное назначение: либо он повышающий, либо – понижающий.

Трансформатор – это аппарат переменного тока. Если же его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то магнитный поток в магнитопроводе трансформатора также будет постоянным как по величине, так и по направлению (dФ &frasl dt = 0), поэтому в обмотках трансформатора не будет наводиться ЭДС, а следовательно, электроэнергия из первичной цепи не будет передаваться во вторичную.

Классифицируют трансформаторы по нескольким признакам:

по назначению – силовые общего назначения, силовые специального назначения, импульсные, для преобразования частоты и т.д.;

по виду охлаждения – с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением;

по числу трансформируемых фаз – однофазные и трехфазные;

по форме магнитопровода – стержневые, броневые, бронестержневые, тороидальные;

по числу обмоток на фазу – двухобмоточные, многообмоточные.

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

• Вычислительная техника
  • Микроконтроллеры микропроцессоры
  • ПЛИС
  • Мини-ПК
• Силовая электроника
• Датчики
• Интерфейсы
• Теория
  • Программирование
  • ТАУ и ЦОС
• Перспективные технологии
  • 3D печать
  • Робототехника
  • Искусственный интеллект
  • Криптовалюты

Чтение RSS

Что такое тороидальная катушка или тороидальный соленоид

Соленоид представляет собой электромагнит, образованный из провода, несущего ток. Электромагниты имеют магнитные поля, созданные посредством токов. Провод соленоида часто формируется в спиральную катушку, и внутри нее часто используется кусок металла, такой как железо. Когда соленоид согнут в форме круга или пончика, он называется тороидом.

Тороид имеет внутри себя магнитное поле, которое образует ряд концентрических окружностей. Вне него поле равно нулю. Сила этого магнитного поля зависит от количества катушек, которые имеет тороид на своем корпусе. Поле неоднородно, потому что поле сильнее у внутренней части кольца, нежели там, где ближе к внешней части. Это означает, что если r принять за радиус трансформатора, магнитное поле будет уменьшаться с ростом r.

Тороиды ценны, потому что, как и все соленоиды, они являются индукторами. Индукторы могут создавать токи в соседних катушках. Они были изобретены в августе 1831 года английским физиком Майклом Фарадеем. Фарадей обнаружил, что изменение магнитного поля может вызвать напряжение в соседнем проводнике, и это называется законом индукции Фарадея. Тороиды также имеют так называемую самоиндуктивность, которая является типом сопротивления. Тороид сопротивляется или борется с изменением своего собственного тока, будь то увеличение или уменьшение. Сила самоиндукции зависит от количества обмоток катушки и источника переменного тока.

Трансформаторы изготовлены из пары соленоидов, обернутых вокруг металлического сердечника, который обычно является ферритом. Тороидальные трансформаторы представляют собой две катушки, обернутые вокруг металла, такие как ферритовая или кремниевая сталь, которая имеет форму пончика. Катушки либо обернуты в разные области, либо расположены друг над другом. Они предпочтительны для высокочастотных трансформаторов, где они используются для увеличения или уменьшения напряжения от источников питания и для изоляции различных частей в цепи. Высокочастотные трансформаторы также используются для согласования импеданса, что означает, что они помогают подключать входные и выходные части различных цепей.

Тороиды имеют некоторые недостатки по сравнению с обычными соленоидами. Их труднее наматывать, а также настраивать. Однако они более эффективны при производстве необходимых индуктивностей. Для той же индуктивности, что и обычный соленоид, тороид требует меньше намоток катушки и может быть меньше по размеру. Другим преимуществом является то, что поскольку магнитное поле ограничено внутри, тороиды и тороидальные трансформаторы могут быть размещены вблизи других электронных компонентов без забот о нежелательных индуктивных взаимодействиях.

Тороиды используются в телекоммуникации, медицинских устройствах, музыкальных инструментах, усилителях, балластах и многом другом. Токамак – это устройство ядерного синтеза, которое использует магнитное поле для ограничения плазмы. Плазма представляет собой газ, содержащий свободные электроны и ионы, и появляется только при высоких температурах. Ограничение плазмы в токамаке осуществляется с использованием тороида.

Тороидальный момент — Toroidal moment

Тороидальный момент является независимым членом в мультипольном разложении из электромагнитных полей , кроме магнитных и электрических мультиполей . В расширении электростатического мультиполя все распределения заряда и тока могут быть расширены до полного набора коэффициентов электрического и магнитного мультиполей. Однако в электродинамическом мультипольном разложении возникают дополнительные члены. Коэффициенты при этих членах задаются тороидальными мультипольными моментами, а также производными по времени электрических и магнитных мультипольных моментов. В то время как электрические диполи можно понимать как разделенные заряды, а магнитные диполи — как круговые токи, осевые (или электрические) тороидальные диполи описывают расположение тороидальных зарядов, тогда как полярные (или магнитные) тороидальные диполи (также называемые анаполем ) соответствуют полю соленоида, изогнутому в тор .

СОДЕРЖАНИЕ

• 1 Классический тороидальный дипольный момент
• 2 Квантовый тороидальный дипольный момент
• 3 Свойства симметрии дипольных моментов
• 4 Магнитные тороидальные моменты в физике конденсированного состояния
• 5 Магнитный тороидальный момент и его связь с магнитоэлектрическим эффектом
• 6 Ферротороидность в физике конденсированного состояния
• 7 Анапольная темная материя
• 8 ссылки
• 9 Литература

Классический тороидальный дипольный момент

Комплексное выражение позволяет записать плотность тока J как сумму электрического, магнитного и тороидального моментов с использованием декартовых или сферических дифференциальных операторов. Тороидальный член низшего порядка — это тороидальный диполь. Его величина в направлении i определяется выражением

Т я знак равно 1 10 c ∫ [ р я ( р ⋅ J ) — 2 р 2 J я ] d 3 Икс . < displaystyle T_ = < frac <1><10c>> int [r_ ( mathbf cdot mathbf ) -2r ^ <2>J_ ] mathrm ^ <3>x.>

Поскольку этот член возникает только при разложении плотности тока до второго порядка, он обычно исчезает в длинноволновом приближении.

Однако недавнее исследование пришло к выводу, что тороидальные мультипольные моменты не являются отдельным семейством мультиполей, а скорее членами электрических мультипольных моментов более высокого порядка.

Квантовый тороидальный дипольный момент

В 1957 годе Яков Зельдович обнаружил , что , так как слабое взаимодействие нарушает симметрию четности , спин 1 / 2 Дирака частицы должны иметь тороидальный дипольный момент, также известный как анапольный момент, в дополнении к обычным электрическим и магнитным диполям. Взаимодействие этого члена легче всего понять в нерелятивистском пределе, когда гамильтониан имеет вид

где d , μ и a — электрический, магнитный и анапольный моменты соответственно, а σ — вектор матриц Паули .

Ядерный тороидальный момент цезия был измерен в 1997 году Вудом и др. .

Свойства симметрии дипольных моментов

Все дипольные моменты — это векторы, которые можно различить по разной симметрии при пространственной инверсии (P: r ↦ — r ) и обращении времени (T: t ↦ — t ). Либо дипольный момент остается неизменным при преобразовании симметрии («+1»), либо он меняет свое направление («-1»):

Дипольный момент	п	Т
осевой тороидальный дипольный момент	+1	+1
электрический дипольный момент	−1	+1
магнитный дипольный момент	+1	−1
полярный тороидальный дипольный момент	−1	−1

Магнитные тороидальные моменты в физике конденсированного состояния

В конденсированных средах магнитный тороидальный порядок может быть вызван разными механизмами:

• Порядок локализованных спинов, нарушающих пространственную инверсию и обращение времени. Результирующий тороидальный момент описывается суммой перекрестных произведений спинов S_i магнитных ионов и их положений r_i в элементарной магнитной ячейке: T = ∑ _ir_i × S_i
• Формирование вихрей делокализованными магнитными моментами.
• Локальные орбитальные токи (как в мультиферроикеCuO ).
• В сверхпроводниках из оксидов меди были предложены орбитальные петлевые токи, которые могут быть важны для понимания высокотемпературной сверхпроводимости . Экспериментальная проверка нарушения симметрии такими орбитальными токами была заявлена ​​в купратах через рассеяние поляризованных нейтронов.

Магнитный тороидальный момент и его связь с магнитоэлектрическим эффектом

Наличие магнитного тороидального дипольного момента T в конденсированном веществе связано с наличием магнитоэлектрического эффекта : приложение магнитного поля H в плоскости тороидального соленоида через силу Лоренца приводит к накоплению токовых петель и, следовательно, к электрическая поляризация перпендикулярны как Т и Н . Результирующая поляризация имеет вид P _i = ε _ijk T _j H _k (где ε — символ Леви-Чивиты ). Таким образом, результирующий магнитоэлектрический тензор, описывающий кросс-коррелированный отклик, является антисимметричным .

Ферротороидность в физике конденсированного состояния

Фазовый переход к спонтанному дальнему порядку микроскопических магнитных тороидальных моментов был назван «ferrotoroidicity». Ожидается, что схемы симметрии первичных ферроиков (фазовые переходы со спонтанным точечным нарушением симметрии) будут заполнены пространственно-нечетным, нечетным по времени макроскопическим параметром порядка. Ферротороидный материал должен иметь домены, которые можно переключать с помощью соответствующего поля, например, изгиба магнитного поля. Оба этих отличительных свойства ферроидного состояния были продемонстрированы в искусственной модельной ферротороидной системе, основанной на наномагнитном массиве.

Существование ферротороидности все еще обсуждается, и четких доказательств пока не представлено — в основном из-за сложности отличить ферротороидность от антиферромагнитного порядка, поскольку у обоих нет суммарной намагниченности и симметрия параметра порядка одинакова.

Анапольная темная материя

Всем самосопряженным CPT- частицам, в частности майорановскому фермиону , запрещается иметь какие-либо мультипольные моменты, кроме тороидальных. На уровне дерева (т. Е. Не допуская петель в диаграммах Фейнмана ) частица, состоящая только из анаполя, взаимодействует только с внешними токами, а не с электромагнитными полями в свободном пространстве, и сечение взаимодействия уменьшается по мере замедления скорости частицы. По этой причине тяжелые майорановские фермионы были предложены в качестве вероятных кандидатов на роль холодной темной материи .

Как рассчитать и сделать простой тороидальный трансформатор

Большинство электронных устройств для своей работы нуждаются в определённом типе питания, отличающегося от поступающего из промышленной сети. Одним из видов таких устройств является тороидальный трансформатор. Прибор нашёл широкое применение в различных областях энергетики, электроники и радиотехники. Наиболее часто трансформаторы используются в электрических сетях и в блоках питания всевозможной электронной техники.

Конструкция и принцип работы

Трансформатор — название слова происходит от латинского transformare, что в переводе означает превращать. Общепринятое определение для него следующее: трансформатор — это устройство, которое, используя явление электромагнитной индукции, способно изменять амплитуду напряжения без изменения формы и частоты сигнала.

Трансформатор — это электротехнический прибор, с помощью которого происходит уменьшение или увеличение переменного электрического напряжения. Такие трансформаторы называют понижающими или повышающими. При этом следует отметить, что существуют и такие приборы, которые оставляют величину синусоидального сигнала без изменения, они называются гальваническими или дроссельными.

Любой трансформатор в своей конструкции содержит следующие компоненты:

• магнитопровод (сердечник);
• обмотки;
• каркас для расположения обмоток;
• изолятор;
• различные дополнительные элементы (скобы для крепления, планки для вывода контактов и т. п. ).

Трансформатор в своей конструкции имеет две или более обмотки с индуктивной связью. Выпускаются они как проволочного, так и ленточного типа и всегда покрываются слоем изоляции. Обмотки закрепляются на магнитопроводе, изготовленном из мягкого ферромагнитного материала. Первичная обмотка подсоединяется к источнику напряжения, а вторичная к нагрузке.

Общий принцип работы устройства, независимо от его вида и назначения, заключается в следующем. На первичную обмотку прибора подаётся переменный сигнал, что приводит к появлению в ней переменного тока. Этот ток, в свою очередь, наводит в сердечнике переменное магнитное поле, под действием, которого происходит возникновение переменной электродвижущей силы (ЭДС) в обмотках. При подключении нагрузки к вторичной обмотке по ней начинает протекать переменный ток. Обмотка, на которую подаётся сигнал, называется первичкой. Обмотка, подключённая к нагрузке, называется вторичкой.

По способу охлаждения тороидальные устройства различаются на использующие воздушное и жидкостное охлаждение. Кроме этого, существуют трансформаторы с совмещённым охлаждением — жидкостно-воздушным. К главным техническим параметрам устройства относятся:

1. Величина входного напряжения: допустимое значение напряжения, подаваемое на первичку.
2. Величина выходного напряжения. Определяется коэффициентом трансформации.
3. Тип трансформации. Существует с повышением или понижением уровня сигнала.
4. Число фаз. В зависимости от сети, в которой используются трансформаторы, они делятся на однофазные или трехфазные.
5. Число обмоток. Существуют двухобмоточные или многообмоточные устройства.

К основным параметрам устройства относят: номинальную мощность и коэффициент трансформации. Единица измерения мощности вольт-ампер (ВА). Коэффициент трансформации показывает соотношение уровней напряжения на входе устройства к его выходу. Его значение прямо пропорционально отношению количества витков первички к вторичке.

В тороидальном трансформаторе в качестве основы используется кольцевой сердечник, геометрически представляющий собой тор. Преимущество такого вида магнитопровода заключается в простой перемотке трансформатора своими руками и получении наибольшего коэффициента полезного действия (КПД) по сравнению с другими типами трансформаторов при тех же габаритных значениях. К недостаткам торов относят повышенный нагрев при работе.

Трансформатор тока

Кроме стандартного типа трансформаторов напряжения существует особый вид, называемый трансформатором тока. Основное его назначение — изменять значение тока относительно своего входа. Другое название такого вида устройства — токовый.

Токовый трансформатор — измерительный прибор, предназначенный для измерения силы переменного тока. Применяются токовые устройства тогда, когда нужно измерить ток большой силы или для защиты полупроводниковых приборов от возникших на линии нештатных его значений.

Токовое устройство по виду ничем не отличается от трансформатора напряжения, его отличия — в подключении и количестве витков в обмотке. Первичка выполняется с помощью одного или пары витков. Эти витки пропускаются через тороидальный магнитопровод, и именно через них измеряется ток. Токовые устройства выполняются не только тороидального типа, но и могут быть выполнены и на других видах сердечниках. Главным условием является то, чтобы измеряемый провод совершил полный виток.

Вторичная обмотка при таком исполнении шунтируется низкоомным сопротивлением. При этом величина напряжения на этой обмотке не должна быть большого значения, так как во время прохождения наибольших токов сердечник будет находиться в режиме насыщения.

В некоторых случаях измерения проводятся на нескольких проводниках которые пропущены через тор. Тогда величина тока будет пропорциональна силе суммы токов.

Расчёт параметров изделия

Перед тем как намотать тороидальный трансформатор в домашних условиях понадобится рассчитать его значения. Для этого нужно знать исходные данные. К ним относят: величину напряжения на выходе, внешний и внутренний диаметр сердечника.

Мощность устройства определяется произведением площадей S и Sо, умноженных на коэффициент: P=1,9* S * Sок.

Площадь поперечного сечения рассчитывается по формуле: S=h*(D-d)/2, где:

• S- площадь сечения;
• h- высота конструкции;
• D- наружный диаметр;
• d — внутренний диаметр.

Для вычисления площади окна используется формула: Sок=3,14*d2/4.

Количество витков во вторичной обмотке равно произведению W2=U2*50/Sок.

Далее остаётся рассчитать количество витков в первичке. Для этого используется выражение: W1=(Uвх*W2)/Uвых, где Uвх — напряжение на входе, а Uвых — напряжение на выходе устройства.

Такую методику расчёта можно применить почти для любого вида тороидального трансформатора. Но для расчёта некоторых изделий существует своя методика.

Сварочное устройство

Такой тип трансформатора характеризуется большой силой тока на выходе. В качестве вводных параметров используется максимальная сила тока и напряжение. Например, для устройства с величиной сварочного тока 200 ампер и напряжением 50 вольт расчёт происходит следующим образом:

1. Рассчитывается мощность трансформатора: Р = 200 А * 50 В = 1000 Вт.

2. Вычисляется сечение окна: Sок = π * d2/ 4 = 3,14 * 144 / 4 (см2) ≈ 113 см².

3. Площадь поперечного сечения: Sс=h * Н = 2 см * 30 см = 60 см².

4. Мощность сердечника: Рс = 2,76 * 113 * 60 (Вт) ≈ 18712,8 Вт.

5. Количество витков первичной обмотки: W1 = 40 * 220 / 60 = 147 витков.

6. Количество витков для вторичной обмотки: W2 = 42 * 60 / 60 = 42 витка.

7. Площадь провода вторички находится исходя из наибольшего рабочего тока: Sпр = 200 А /(8 А/мм2) ≈ 25 мм².

8. Вычисляется площадь провода первички: S1 = 43 А /(8 А/мм2) ≈ 5,4 мм².

Такой вариант расчёта применим не только для сварочников, но и с успехом может быть использован для других типов. Как видно, никаких трудностей при расчёте возникнуть не должно.

Токовый трансформаторный прибор

Трансформатор тока своими руками сделать несложно, но перед его изготовлением понадобится выполнить расчёт. Такой расчёт отличаетчя от общепринятого в связи с конструктивными особенностями изделия. Начинается он с необходимой величины тока вторички (единица измерения ампер): Iам = Iпер / Iвт, где:

• Iпер — величина тока первичной обмотки, умноженная на число витков в ней;

• Iвт — количество витков во вторичной обмотке.

Для того чтобы разобраться, как правильно выполнить расчёт, проще рассмотреть практический пример самодельного токового устройства. Пусть на выходе токового устройства необходимо получить 4 вольта, а ток ограничить уровнем 5 ампер.

Поэтапно методика вычисления выглядит так:

1. Берётся ферритовое кольцо, для примера 20×12х6 из 2000hМ.
2. Мотается 100 витков провода. Эти витки составляют вторичную обмотку, так как первичная — это просто один виток проволоки, пропущенный через феррит.
3. Значение тока во вторичке будет равно: I/Kтр = 5 / 100 = 0,05 A. где Ктр — коэффициент трансформации трансформатора (отношение количества первичной обмотки к вторичной).
4. Величина нагрузочного шунта рассчитывается согласно закону Ома: R = U/I. Получается R= 4/0,05 = 80 Ом.

Таким образом можно выполнить расчёт для любых требуемых параметров. Независимо от формы тока на входе, на выходе токового устройства напряжение всегда двухполярное. В качестве шунта вторичной обмотки используется именно сопротивление, а не диод. Если есть необходимость в диоде, то вначале подключается резистор, а затем диод или диодный мост. Во втором случае сопротивление включается в диагональ моста.

Самостоятельное изготовление

Цена на готовые изделия велика, при этом не всегда удаётся найти прибор с требуемыми параметрами. Поэтому целесообразно изготовить трансформатор или автотрансформатор своими руками. Кроме изготовления трансформатора с нуля существует возможность перемотать неисправное устройство.

Для изготовления изделия потребуются трансформаторное железо и провод. Железо представляет собой пластины собранные в виде тора и образующие магнитопровод. Его можно купить либо взять со старых разобранных приборов. Например, взять пластины от промышленных трансформаторов и, используя приспособление в виде разрезанного кольца, скатать из металла пластинки в виде бублика. Пластинки собрать, сердечник обтянуть стеклотканью и залить лаком.

Витки обмоток изготавливаются из медного провода нужного диаметра. Сама намотка не вызывает сложностей:

1. Наматывается первичная обмотка. Для этого один конец проволоки закрепляется на расстоянии около трёх сантиметров от поверхности железа, а оставшаяся часть провода сворачивается в виде полоски.
2. Полоска с проводом поочерёдно продевается через внутреннее отверстие сердечника, обматывая его грани, и равномерно распределяется по всей поверхности. В конце вывод фиксируется и выводится в районе начала обмотки на таком же расстоянии, что и начало.
3. Сверху первичная обмотка проматывается слоем диэлектрика (стеклотканью).
4. Таким же способом наматывается вторичная обмотка.
5. После выполнения требуемого количество витков сверху наматывается стеклоткань, и трансформатор покрывается лаком.

Если в процессе намотки необходимо выполнить отвод, тогда наматываемый провод разрывается. На место разрыва впаивается отвод, а основной провод мотается дальше. Место отвода, как правило, тщательно изолируется. Закрепление концов обмоток обычно выполняется с помощью ниток, которыми привязываются провода к поверхности сердечника или проложенного провода. Полоску продеваемого провода лучше разместить на «челнок». Изготавливается он из небольшого пластикового профиля с прорезями в торцах для фиксации проволоки.

Такая работа требует внимательности и аккуратности, особенно при наматывании первичной обмотки. Для изготовления нескольких устройств целесообразно использовать станок для намотки тороидальных трансформаторов. Своими руками такой прибор выполнить сложно, но возможно.

Намоточный станок своими руками

Один из возможных вариантов — сделать станок, оснащённый регулируемым укладчиком и счётчиком витков, используя принцип велосипедного колеса.

Колесо надевается на штырь в стене, при этом его обод снабжается резиновым кольцом. Для того чтобы на обод надеть сердечник, предварительно потребуется его разрезать, а затем снова скрепить, получив цельный круг. Намотав на него необходимую длину проволоки, один ее конец подсоединяется к свободно расположенному на ободе сердечнику. Катушка передвигается по ободу полными кругами, в результате чего проволока укладывается на каркас. При этом для подсчёта оборотов используется велосипедный счётчик.

Создание более совершенного устройства потребует применение шаговых двигателей с позиционированием их положения. Для этого используются микроконтроллеры и электронный счётчик. Такое конструирование требует определённых навыков в радиоэлектронике.

Originally posted 2018-07-04 07:14:26.