Работают ли трансформаторы с постоянным током?

Зачем трансформатору переменный ток

Трансформатор передает энергию между обмотками посредством магнитного потока, который меняется со временем. Этот изменяющийся во времени поток создается, когда на первичную обмотку поступает переменное (переменное) напряжение. При постоянном постоянном токе (DC) поток достигает постоянного значения, и нет никакого изменения потока, вызывающего напряжение во вторичной обмотке, поэтому трансформатор перестает передавать мощность запланированным образом.

Что произойдет, если подать постоянный ток на первичную обмотку трансформатора?

Если вы подключаете постоянный ток к первичной обмотке, сердечник трансформатора быстро намагничивается до почти постоянного потока, определяемого амплитудой постоянного тока и кривой намагничивания сердечника. В этот момент:

• После того как переходный процесс затихает, на вторичной обмотке не появляется индуцированное переменное напряжение.
• В тот момент, когда подается или снимается постоянный ток, происходит переходный процесс (быстрое изменение), который может вызвать всплеск во вторичной обмотке — это кратковременно и непригодно для устойчивой подачи мощности.
• Риск насыщения: смещение постоянного тока подталкивает сердечник к насыщению, вызывая большие токи намагничивания, которые перегревают обмотку и могут перегореть предохранители или повредить изоляцию обмотки.

Практические эксперименты и предупреждения о тестировании

Если вы хотите безопасно наблюдать эффекты постоянного тока, следуйте контролируемым тестам и методам защиты. Никогда не подключайте незащищенную первичную обмотку трансформатора непосредственно к источнику напряжения, ожидающему переменного тока.

Безопасная тестовая установка

Используйте низковольтный регулируемый источник постоянного тока, последовательный токоограничивающий резистор или предохранитель высокого номинала и амперметр. Подавайте постоянный ток небольшими порциями, контролируя ток обмотки и температуру сердечника. Немедленно остановитесь, если ток быстро возрастает или температура повышается.

Что измерять

Отслеживайте следующее: первичный постоянный ток (для обнаружения насыщения), любые кратковременные скачки напряжения на вторичной обмотке во время переключения, температуру обмотки через определенный период и состояние изоляции после испытаний.

Когда источники постоянного тока используются с трансформаторами (обычные реальные случаи)

Существует несколько практических ситуаций, когда постоянный или импульсный постоянный ток взаимодействует с трансформаторами — их понимание проясняет, что возможно, а что невозможно.

• Выпрямленный переменный ток, питающий трансформатор: Трансформатор должен видеть переменный поток. Если вы выпрямляете переменный ток и подаете чистый постоянный ток на первичную обмотку (без компонента переменного тока), это не будет работать. Если выпрямленный сигнал по-прежнему содержит значительную переменную составляющую (например, полуволну без сильной фильтрации), трансформатор будет испытывать изменения потока и может выдавать выходной сигнал, но с искажениями и нагревом.
• Дроссели и катушки индуктивности со смещением постоянного тока: Дроссели (аналогичные однообмоточным трансформаторам) несут смещение постоянного тока во многих цепях (сглаживающие дроссели). Конструкторы учитывают постоянный ток, выбирая материал сердцевины и воздушные зазоры, чтобы предотвратить насыщение.
• Импульсные источники питания: они преобразуют постоянный ток в высокочастотный переменный ток (через переключающие транзисторы) перед использованием небольшого высокочастотного трансформатора. Трансформатор никогда не видит постоянного постоянного тока — он видит намеренно генерируемый переменный ток.

Альтернативы и решения для передачи энергии постоянного тока

Если вам необходимо передать питание для системы постоянного тока, используйте соответствующие альтернативы, а не трансформатор линейной частоты, подключенный к постоянному току.

• Преобразователи постоянного тока в постоянный: используйте импульсные преобразователи, предназначенные для преобразования одного напряжения постоянного тока в другое с возможностью гальванической развязки (изолированные обратноходовые преобразователи, прямые преобразователи), в которых используются трансформаторы, управляемые высокочастотными импульсами переключения.
• Используйте вращающиеся преобразователи или мотор-генераторные установки для устаревших нужд, когда источник переменного тока должен генерироваться из постоянного тока (редко и громоздко).
• Для передачи сигнала со смещением постоянного тока используйте разделительные конденсаторы или оптопары вместо того, чтобы полагаться на трансформаторы для передачи компонентов постоянного тока.

Краткий справочник: поведение переменного и постоянного тока в трансформаторах

Советы по дизайну и контрольный список безопасности

• Никогда не ждите, что силовой трансформатор будет обеспечивать стабильную мощность при питании от постоянного тока; предполагайте повреждение, если оно специально не предназначено для смещения постоянного тока.
• Если схема содержит компоненты постоянного и переменного тока, убедитесь, что конструкция сердечника и обмотки трансформатора выдерживает смещение постоянного тока, или включите разделительные конденсаторы для блокировки постоянного тока.
• Для изолированного преобразования постоянного тока выберите коммутационную топологию постоянного тока с трансформатором, управляемым управляемыми высокочастотными сигналами.
• Всегда добавляйте защиту от бросков тока/перегрузки по току и контроль температуры при экспериментировании с нетипичным использованием трансформатора.

Выводы и ключевые выводы

Обычный трансформатор для работы требует изменения потока — постоянный постоянный ток этого не обеспечивает. Использование постоянного тока на первичной обмотке трансформатора приводит к насыщению, нагреву и отсутствию устойчивого вторичного напряжения. Для систем, которые начинаются с постоянного тока, используйте преобразователи, синтезирующие переменный ток для трансформатора, или используйте топологии преобразователей постоянного тока, предназначенные для изоляции. Следуйте безопасным процедурам испытаний и консервативно проектируйте всякий раз, когда присутствует смещение постоянного тока.