Принцип действия и устройство трансформатора

Впервые трансформатор был применен П.Н. Яблочковым в 1876 году.

Трансформатором называется статистический электромагнитный аппарат, посредством которого переменный ток при одном напряжении преобразуется в переменный ток той же частоты при другом напряжении.

Показать: U₁, I₁, P₁; U₂, I₂, P₂, ВН, НН, U₂>U₁ или U₁<U₂ по числам витков обмоток - коэффициент трансформации.

 

· Холостой ход трансформатора

Это такой режим трансформатора, при котором первичная обмотка находится под номинальным напряжением, а вторичная разомкнута, т.е. сила тока и мощность в ней равны нулю. Сила тока в первичной обмотке в десятки раз меньше номинальной. Потери энергии в меди и стали также минимальны. Под нагрузкой трансформатор, имея почти неизменное напряжение на входе, меняет первичный ток в зависимости от изменения силы тока во вторичной обмотке.

 

· Опыт короткого замыкания трансформатора

Следует различать короткое замыкание в эксплуатационных условиях и опыт короткого замыкания. При эксплуатации КЗ является аварийным режимом, при котором внутри трансформатора выделяется большое количество теплоты, способное его разрушить.

Опыт короткого замыкания выполняется при сильно пониженном первичном напряжении. Его значение выбирают так, чтобы ток I

 в первичной обмотке был равен номинальному значению, несмотря на КЗ вторичной обмотки. С помощью этого КЗ определяют мощность потерь в меди, а напряжение при КЗ всегда указывается на щитке трансформатора.

 

· Соединение обмоток трансформаторов

У однофазных трансформаторов начала обмоток обозначают буквами А, а, концы X, x. Большие буквы - обмотки высшего, а малые обмотки низшего напряжений.

В 3-х фазных трансформаторах начала и концы обмоток обозначают A,B,C,X,Y,Z - высшее напряжение; А_m, В_m, С_m, X_m, Y_m, Z_m - среднее; a, b, c, x, y, z - низшее напряжение. Нулевую точку О, О_m и о. Соединение в звезду обозначают Y, а в треугольник D, звезда с нулевой точкой.

Трансформатор соединен по высокой в звезду, а по низкой в треугольник, то это выглядит Y/D так или / D.

В 3-хфазных трансформаторах, обмотки которых могут соединяться в звезду или треугольник, возможно образование 12 различных групп со сдвигом фаз векторов линейных ЭДС от 0 до 360^о через 30^о. Из двенадцати групп соединений стандартизированы две группы // и О со сдвигом фаз 330 и 0^о.

 

· Параллельная работа трансформаторов

Включение трансформаторов, при котором одноименные выводы обмоток ВН и НН подключены к одноименным сборным шинам (фазам) сети, называют параллельным.

Существует три условия, соблюдение которых необходимо для включения трансформаторов на параллельный режим:

включаемые трансформаторы имели одинаковый коэффициент трансформации (не более ±0,5%);

трансформаторы имели одинаковое напряжение короткого замыкания;

наличие и у трансформаторов одинаковых групп соединения.

 

· Классификация трансформаторов. Автотрансформаторы

Трансформаторы, предназначенные для преобразования электрической энергии и электрических сетях и установках, называют силовыми.

К силовым относятся однофазные, трехфазные и многофазные. Трансформатор, у которого первичной обмоткой является обмотка низшего напряжения, называют повышающим, а если наоборот - понижающим. Трансформатор, в магнитной системе которого создается 3-х фазное магнитное поле, называют трехфазным, а у которого однофазное магнитное поле - однофазным.

Буквенные обозначения содержат данные о трансформаторе.

Например: АОДЦТН - 250 000/500/220-64.

Автотрансформатор А, однофазный О, принудительное масляное охлаждение ДЦ, с РПН (регулировка напряжения под нагрузкой) Н, число обмоток, работающих на самостоятельные сети Т. Мощность 250 МВ·А, обмотка ВН класс 500 кВ, обмотка СН класс 220 кВ, год 1964.

Трансформаторы, у которых вторичная обмотка является частью первичной, называют автотрансформаторами. Если в первичной обмотке сделать ответвление с каким-то числом витков, то получается вторичная обмотка, к которой и подключается нагрузка.

Коэффициент трансформации автотрансформатора как и у трансформатора К = w₁/w₂»U₁/U₂

 

· Передача электроэнергии

Основными источниками питания электрических систем служат электрические станции. На гидроэлектростанции (ГЭС) механическую энергию водяного потока преобразуют в электрическую.

На тепловых электростанциях (ТЭС) в электрическую преобразуют энергию, выделяемую при сгорании топлива.

Атомные электростанции (АЭС) - это тоже тепловые паротурбинные станции. Для временного электроснабжения применяют дизельные или газотурбинные электростанции.

Для передачи электроэнергии потребителю сооружают линии электропередачи (ЛЭП), и подают на них высокое напряжение. Генератор вырабатывает 6 кВ, поэтому перед подачей в ЛЭП это напряжение поднимают на электроустановках, называемыми электрической подстанцией. У потребителя создают понижающую подстанцию, где трансформатор высокое напряжение понижает до нужного для энергетических установок предприятий.

 

· Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводниковый диод

В природе существует большая группа веществ, занимающих промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по величине электропроводности.

Полупроводниками называют вещества, удельное сопротивление которых находится в интервале от 10^-3 до 10⁷ Ом·м. К типичным полупроводникам относятся германий и кремний, селен, теллур, мышьяк.

Удельное сопротивление полупроводника зависит от внешних факторов: температуры, освещенности, электрического поля. С ростом температуры удельное сопротивление полупроводника уменьшается. С ростом освещенности также происходит уменьшение сопротивления полупроводника.

Такой ход зависимости удельного сопротивления от температуры ​ρ(T)​ показывает, что у полупроводников концентрация свободных носителей заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Объясним такую зависимость на примере германия.

Атомы германия на внешней оболочке имеют четыре валентных электрона. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум разным атомам. Валентные электроны в кристалле германия связаны с атомами гораздо сильнее, чем в металлах, поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках значительно меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.

При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название дырок. Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместится на новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут появляться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.

Если полупроводник поместить в электрическое поле, то в упорядоченном движении участвуют свободные электроны и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток ​I​ в полупроводнике складывается из электронного ​IЭ​ и дырочного IД токов:

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок.

Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Собственный полупроводник — полупроводник, не содержащий примесей, влияющих на его электропроводность.

При наличии примесей электрическая проводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка в кристалл кремния примесей фосфора в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков.

Примесной проводимостью называют проводимость полупроводников при наличии примесей.

Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную.

Электронная проводимость

Электронная проводимость возникает при введении в кристалл германия с четырехвалентными атомами пятивалентных атомов (например, атомов мышьяка, ​As​).

Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказывается лишним, он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным.

Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорной примесью. В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника.

Основными носителями заряда являются электроны. Концентрация свободных электронов намного больше концентрации дырок. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником ​ n ​-типа.

Дырочная проводимость

Дырочная проводимость возникает при введении в кристалл германия трехвалентных атомов (например, атомов индия, ​In​). Атом индия с помощью своих валентных электронов создал ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия.

Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью. В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места – дырки. На эти места могут переходить электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к движению дырок по кристаллу.

Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов.

Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью. Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа. Основными носителями заряда в полупроводниках p-типа являются дырки.

p-n переход (электронно-дырочный переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.

При контакте двух полупроводников n- и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок. Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости называется запирающим слоем. Объемные заряды этого слоя создают между p- и n-областями запирающее напряжение ​UЗ​, приблизительно равное 0,35 В для германиевых n-p-переходов и 0,6 В для кремниевых.

p-n-переход обладает свойством односторонней проводимости. Если полупроводник с p-n-переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n-областью, а отрицательный – с p-областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает. Дырки в p-области и электроны в n-области будут смещаться от p-n-перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Ток через p-n-переход практически не идет. Напряжение, поданное на p-n-переход, в этом случае называют обратным. Незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов.

Если p-n-переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с p-областью, а отрицательный с n-областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p-области и электроны из n-области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать p-n-переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через p-n-переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.

Способность p-n-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами.

Полупроводниковые диоды изготавливают из кристаллов кремния или германия. Они используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода приведена на рисунке.

Полупроводниковые диоды имеют малые размеры, длительный срок службы, механическую прочность. Существенным недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры.

Выпрямитель (электрического тока) — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования входного электрического тока переменного направления в ток постоянного направления^[1] (то есть однонаправленный ток), в частном случае — в постоянный выходной электрический ток.

Большинство выпрямителей создаёт не постоянный, а пульсирующий ток, для сглаживания пульсаций применяют фильтры.

Устройство, выполняющее обратную функцию — преобразование постоянного тока в переменный ток называется инвертором.

Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрической машины).