Трансформатор: принцип действия, конструкция и виды

Основные сведения о трансформаторах как физическом явлении

Трансформатор — это статический прибор, который разработан для того, чтобы преобразовывать напряжение и передавать его на большие расстояния без изменения частоты электрического тока.

Самый простой трансформатор включают в себя две обмотки с изолированными электропроводами. Эти провода намотаны вокруг стального многослойного сердечника.

Простое объяснение принципа работы прибора

Как устроена работа трансформатора:

Как только к одной из обмоток подводят электроток, появляется сильное магнитное поле вокруг стального сердечника, на котором она обмотана. А когда к процессу подключают вторичную обмотку, по закону электромагнитной индукции электрический ток передается от одной катушки к другой.

Любой трансформатор способен работать в 3-х режимах:

  1. Рабочий режим — когда вторичная катушка трансформатора получает ток, напряжение и сопротивление от первичной цепи.
  2. Режим холостого хода предполагает размыкание вторичной обмотки. Этот режим позволяет произвести расчет коэффициента трансформации и измерить ток, который течет в первичной цепи.
  3. Режим короткого замыкания предполагает замыкание концов вторичной обмотки напрямую, при котором сопротивление в цепи равно нулю. В этом режиме можно определить потери, которые происходят за счет нагревания обмоток.

Коэффициент трансформации

Коэффициент трансформации в трансформаторе — это величина, которая показывает преобразовательную функцию трансформатора относительно одного из параметров электрической цепи: силы тока, напряжения или сопротивления.

В физике формулы для вычисления этой величины представлены таким образом:

1. k = U 1 U 2 , где:

  • k — коэффициент трансформации;
  • U 1 — напряжение на первичной обмотке;
  • U 2 — напряжение на вторичной обмотке.

2. k = I 2 I 1 , где:

  • k — коэффициент трансформации;
  • I 1 — напряжение на первичной обмотке;
  • I 2 — напряжение на вторичной обмотке.

3. k = N 1 N 2 , где:

  • k — коэффициент трансформации;
  • N 1 — количество витков на первичной обмотке;
  • N 2 — количество витков на вторичной обмотке.

Коэффициент трансформации показывает, каким устройством он является: повышающим или понижающим.

Повышающим он бывает в том случае, если на вторичной обмотке величина напряжения больше, чем на первичной.

Понижающим — в том случае, если во второй цепи возникает меньшее по величине напряжение, чем в первичной цепи.

Классификация по видам

Трансформатор — это сложное устройство, поэтому существует несколько их классификаций:

  • по числу фаз трансформаторы бывают: однофазными, трехфазными, многофазными;
  • по числу обмоток: двух, трех, многообмоточными;
  • по принципу действия: понижающими, повышающими, разделительными;
  • по назначению: силовыми, измерительными, специальными;
  • по способу охлаждения: сухими или масляными;
  • по типу магнитопровода: стержневыми; броневыми или кольцевыми.

Самая обширная классификация трансформаторов — это классификация по их назначению.

  1. Силовыми. Это высокомощные аппараты, которые используют на линиях электропередачи и крупных подстанциях для преобразования электроэнергии и подачи ее конечным пользователям.
  2. Автотрансформаторами. Такие приборы характеризуются тем, что первичная и вторичная катушки в них связаны друг с другом напрямую.
  3. Измерительными. В таких трансформаторах первичная катушка последовательно подключается к электрической цепи с другими устройствами, а вторичная обмотка используется для измерения приборов и функционирует в режиме короткого замыкания.
  4. Трансформаторами напряжения. Такие устройства понижают напряжение и применяются для изоляции электрических цепей и защиты измерительных приборов.
  5. Импульсными. Такие трансформаторы созданы, чтобы преобразовывать амплитуду и полярность импульсов, не меняя их формы.
  6. Сварочными. Эти устройства работают при большом сварочном токе, необходимом для расплавления металла. Напряжение в сети должно быть снижено до безопасного уровня.
  7. Разделительными. Такие трансформаторы характеризуются отсутствием какой-либо электросвязи между обмотками и используются для увеличения безопасности электрических сетей и создания развязки между ее узлами.
  8. Согласующими. Такие аппараты нужны для согласования сопротивления в электрических схемах. Устройства такого типа обеспечивают наименьшее искажение сигналов и создают развязки между устройствами, включенными в электрическую цепь.
  9. Пик-трансформаторами. Эти аппараты преобразовывают синусоидальный ток в напряжение импульсов.
  10. Воздушными. Это трансформаторы сухого охлаждения. Они необходимы, чтобы преобразовывать напряжение в сети.
  11. Масляными. Такие устройства применяются при большой выходной мощности для того, чтобы не случилось разрушения изоляции обмоток. Охлаждение системы в них происходит с использованием специального масла.
  12. Сдвоенными дросселями. В таких трансформаторах находятся две идентичные обмотки, за счет чего между ними образуется встречный индуктивный фильтр.
  13. Вращающимися. Такие устройства состоят из 2-х полусердечников с обмотками. Катушки вращаются друг относительно друга. Работа в таких трансформаторах возможна именно за счет большой скорости вращения.

Применение в источниках электропитания

Помимо основных задач устройства предназначены для:

  • передачи электроэнергии на дальние расстояния;
  • обеспечения необходимой схемы работы в преобразовательных устройствах;
  • согласования напряжения на входе и выходе аппаратов — трансформатор применяют для работы самых разных бытовых, электротехнических, радио- и теле приборов. Примером может служить трансформатор в чайнике или светодиодном светильнике.

Эти аппараты активно используются во многих областях промышленности: машиностроении, электроэнергетике, на транспорте.

6. Трансформаторы

6.1. Назначение, устройство и принцип действия трансформаторов.

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, преобразующие электрическую. энергию переменного тока с параметрами U1, I1 в электрическую энергию переменного тока с параметрами U2, I2 той же частоты. [1, 5].

Основное назначение трансформаторов – согласование уровней номинальных (рабочих) напряжений или токов источников и приёмников электрической. энергии. Кроме согласования трансформаторы применяются для выполнения разделительных, измерительных, дифференцирующих и некоторых других функций, а также специальных функций (например, сварочные трансформаторы ) [5].

Читайте также:
Шумоизоляция потолка своими руками

Устройство трансформатора показано на рисунке 6.1.

6.1. К пояснению устройства и принципа действия трансформатора.

Трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного магнитопровода (сердечника), на котором расположены две обмотки, выполненные из медного или алюминиевого провода. Для уменьшения потерь в стали, сердечник собирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

Обмотка, с числом витков W1, подключаемая к источнику питания, называется первичной. К другой обмотке с числом витков W2, называемой вторичной, подключается приёмник Zн.

Все величины, относящиеся к первичной обмотке (напряжение, ток, мощность, число витков и т. д.) называются первичными, а величины, относящиеся ко вторичной обмотке, – вторичными.

Трансформатор, у которого W2 < W1, называется понижающим. Если

W2 > W1, то трансформатор называется повышающим.

Величина к = W1/ W2 называется коэффициентом трансформации трансформатора.

Трансформатор, имеющий первичную и одну вторичную обмотку, называется двухобмотачным. Если у трансформатора две или более вторичных обмоток, то он называется трёх- или многообмотачным.

В однофазных цепях синусоид тока применяют однофазные трансформаторы, в трёхфазных цепях – трёхфазные трансформаторы [Борисов, с. 288-289].

На рисунке 6.2. показаны условные графические обозначения трансформаторов в электрических схемах.

Рис. 6.2. Условные графические обозначения схем однофазного (а, б)

и трёхфазного (в, г) трансформаторов.

У однофазных трансформаторов начало и конец первичной обмотки обозначаются большими буквами: начало А, конец Х; вторичной обмотки – малыми буквами: начало а, конец х. Предполагается, что направление обмотки от начала к концу относительно магнитопровода обеих обмоток одинаковое: или по часовой, или против часовой стрелки [Зорин, с. 304].

По мощности трансформаторы подразделяются на трансформаторы:

малой мощности – до 50 – 1000 ВА;

средней мощности – до 20 – 500 кВА;

большой мощности – до 500 000 – 1 000 000 кВА.

(см. [Зорин, с. 332-333]).

Трансформаторы средней и большой мощности, используемые в системах передачи и распределения электроэнергии, а также при её использовании в промышленных установках называются силовыми.

Трансформаторы, устанавливаемые на электрических станциях и подстанциях, называются силовыми трансформаторами общего назначения. В промышленности широко распространены также силовые трансформаторы специального назначения: выпрямительных, сварочных и др. электроустановок.

Трансформаторы малой мощности применяются в радиотехнических системах и системах автоматического управления производственными процессами. Сюда относятся импульсные, разделительные, согласующие, дифференцирующие и др. типы маломощных трансформаторов.

Несмотря на большое разнообразие типов трансформаторов, принцип действия всех трансформаторов одинаков и основан на явлении электромагнитной индукции.

Принцип работы, устройство и виды трансформаторов

Человеку, мало знакомому с электрикой сложно представить себе, что такое трансформатор, где он задействован, назначение элементов его конструкции.

Общая информация об устройстве

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования тока переменной частоты с одним напряжением в переменный ток с иным напряжением, но с прежней частотой, основанный на явлении электромагнитной индукции.

Применяются приборы во всех сферах деятельности человека: электроэнергетике, радиотехнической, радиоэлектронной промышленности, бытовой сфере.

Конструкция

Устройство трансформатора предполагает наличие одной либо большего числа отдельных катушек (ленточных или проволочных), находящихся под единым магнитным потоком, накрученных на сердечник, изготовленный из ферромагнетика.

Схема устройства трансформатора

Важнейшие конструктивные части следующие:

  • обмотка;
  • каркас;
  • магнитопровод (сердечник);
  • охлаждающая система;
  • изоляционная система;
  • дополнительные части, необходимые в защитных целях, для установки, обеспечения подхода к выводящим частям.

В приборах чаще всего можно увидеть обмотку двух типов: первичную, получающую электроток от стороннего питающего источника, и вторичную, с которой напряжение снимается.

Сердечник обеспечивает улучшенный обратный контакт обмоток, обладает пониженным сопротивлением магнитному потоку.

Некоторые виды приборов, работающие на сверхвысокой и высокой частоте, производятся без сердечника.

Производство приборов налажено в трех базовых концепциях обмоток:

  • броневой;
  • тороидальной;
  • стержневой.

Устройство трансформаторов стержневых подразумевает накручивание обмотки на сердечник строго горизонтальное. В приборах броневого типа она заключена в магнитопроводе, размещается горизонтально либо вертикально.

Надежность, эксплуатационные особенности, устройство и принцип действия трансформатора принимаются без какого-либо влияния принципа его изготовления.

Принцип работы

Принцип работы трансформатора базируется на эффекте взаимоиндукции. Поступление тока переменной частоты от стороннего поставщика электроэнергии на вводы первичной обмотки формирует в сердечнике магнитное поле с переменным потоком, проходящего через вторичную обмотку и индуцирующее образование электродвижущей силы в ней. Закорачивание на приемнике электроэнергии вторичной обмотки обуславливает прохождение сквозь приемник электротока из-за влияния электродвижущей силы, вместе с тем в первичной обмотке образуется ток нагрузки.

Трансформатор 10/0.4 кВ

Назначение трансформатора — перемещение преобразованной электрической энергии (без перемены ее частоты) к вторичной обмотке из первичной с подходящим для функционирования потребителей напряжением.

Классификация по видам

Силовые

Силовой трансформатор переменного электротока — это прибор, использующийся в целях трансформирования электроэнергии в подводящих сетях и электроустановках значительной мощности.

Необходимость в силовых установках объясняется серьезным различием рабочих напряжений магистральных линий электропередач и городских сетей, приходящих к конечным потребителям, требующимся для функционирования работающих от электроэнергии машин и механизмов.

Автотрансформаторы

Устройство и принцип работы трансформатора в таком исполнении подразумевает прямое сопряжение первичной и вторичной обмоток, благодаря этому одновременно обеспечивается их электромагнитный и электрический контакт. Обмотки устройств имеют не менее трех выводов, отличающихся своим напряжением.

Автотрансформатор 220 кВ

Основным достоинством этих приборов следует назвать хороший КПД, потому как преобразуется далеко не вся мощность — это значимо для малых расхождениях напряжений ввода и вывода. Минус — неизолированность цепей трансформатора (отсутсвтие разделения) между собой.

Читайте также:
Технологии ремонта асфальта

Трансформаторы тока

Данным термином принято обозначать прибор, запитанный непосредственно от поставщика электроэнергии, применяющийся в целях понижения первичного электротока до подходящих значений для использующихся в измеряющих и защитных цепях, сигнализации, связи.

Первичная обмотка трансформаторов электротока, устройство которых предусматривает отсутствие гальванических связей, подключается к цепи с подлежащим определению переменным электротоком, а электроизмерительные средства подсоединяются к вторичной обмотке. Текущий по ней электроток примерно соответствует току первичной обмотки, поделенному на коэффициент трансформирования.

Трансформаторы напряжения

Назначение этих приборов — снижение напряжения в измеряющих цепях, автоматики и релейной защиты. Такие защитные и электроизмерительные цепи в устройствах различного назначения отделены от цепей высокого напряжения.

Импульсные

Данные виды трансформаторов необходимы для изменения коротких по времени видеоимпульсов, как правило, имеющих повторение в определенном периоде со значительной скважностью, с приведенным к минимуму изменением их формы. Цель использования — перенос ортогонального электроимпульса с наиболее крутым срезом и фронтом, неизменным показателем амплитуды.

Главным требованием, предъявляющимся к приборам данного типа, является отсутствие искажений при переносе формы преобразованных импульсов напряжения. Действие на вход напряжения какой-либо формы обуславливает получение на выходе импульса напряжения идентичной формы, но, вероятно, с другим диапазоном либо измененной полярностью.

Разделительные

Что такое трансформатор разделительный становится понятно исходя из самого определения — это прибор с первичной обмоткой, не связанной электрически (т.е. разделенной) с вторичными.

Существует два типа таких устройств:

Силовые применяются с целью улучшения надежности электросетей при непредвиденном синхронном соединении с землей и токоведущими частями, либо элементами нетоковедущими, оказавшимися из-за нарушения изоляции под напряжением.

Сигнальные применяются в целях обеспечения гальванической развязки электроцепей.

Согласующие

Как работает трансформатор данного вида также понятно из его названия. Согласующими называются приборы, применяющиеся с целью согласования между собой сопротивления отдельных элементов электросхем с приведенным к минимуму изменением формы сигнала. Также устройства такого типа используются для исключения гальванических взаимодействий между отдельными частями схем.

Пик-трансформаторы

Принцип действия пик-трансформаторов базируется на преобразование характера напряжения, от входного синусоидального в импульсное. Полярность после перехода изменяется по прошествии половины периода.

Сдвоенный дроссель

Его азначение, устройство и принцип действия, как трансформатора, абсолютно идентичны приборам с парой подобных обмоток, которые, в данном случае, абсолютно одинаковы, намотанны встречно или согласованно.

Также часто можно встретить такое наименование данного устройства, как встречный индуктивный фильтр. Это говорит о сфере применения прибора – входная фильтрация напряжения в блоках питания, звуковой технике, цифровых приборах.

Режимы работы

Холостой ход (ХХ)

Такой порядок работы реализуется от размыкания вторичной сети, после чего в ней прекращается течение электротока. В первичной обмотке течет ток холостого хода, составной его элемент — ток намагничивающий.

Когда вторичный ток равен нулю, электродвижущая сила индукции в первичной обмотке целиком возмещает напряжение питающего источника, а потому при пропаже нагрузочных токов, идущий сквозь первичную обмотку ток по своему значению соответствует току намагничивающему.

Функциональное назначение работы трансформаторов вхолостую — определение их важнейших параметров:

  • КПД;
  • показателя трансформирования;
  • потерь в магнитопроводе.

Режим нагрузки

Режим характеризуется функционированием устройства при подаче напряжения на вводы первичной цепи и подключении нагрузки во вторичной. Нагружающий ток идет по «вторичке», а в первичной — суммарный ток нагрузки и ток холостой работы. Этот режим функционирования считается для прибора преобладающим.

На вопрос, как работает трансформатор в основном режиме, отвечает основной закон ЭДС индукции. Принцип таков: подача нагрузки к вторичной обмотке вызывает образование во вторичной цепи магнитного потока, образующего в сердечнике нагружающий электроток. Направлен он в сторону, противоположную его течению, создающегося первичной обмоткой. В первичной цепи паритет электродвижущих сил поставщика электроэнергии и индукции не соблюдается, в первичной обмотке осуществляется повышение электротока до того времени, пока магнитный поток не вернется к своему исходному значению.

Короткое замыкание (КЗ)

Переход прибора в этот режим осуществляется при кратковременном замыкании вторичной цепи. Короткое замыкание — особый тип нагрузки, прилагаемая нагрузка — сопротивление вторичной обмотки — единственная.

Принцип работы трансформатора в режиме КЗ таков: к первичной обмотке приходит незначительное переменное напряжение, выводы вторичной соединяются накоротко. Напряжение на входе устанавливается с таким расчетом, чтобы величина замыкающего тока соответствовала величине номинального электротока устройства. Величина напряжения определяет энергопотери, приходящиеся на разогрев обмоток, а также на активное сопротивление.

Такой режим характерен для приборов измерительного типа.

Исходя из многообразия устройств и видов назначения трансформаторов, можно с уверенностью сказать, что на сегодня они — незаменимые, использующиеся практически повсеместно устройства, благодаря которым обеспечивается стабильность и достижение необходимых потребителю значений напряжения, как гражданских сетей, так и сетей предприятий промышленности.

Принцип действия и устройство трансформаторов

Современное электроснабжение невозможно представить без трансформаторов, кроме того, они используются практически во всех источниках питания как в старой технике— сетевые железные трансформаторы, так и в современной – миниатюрные импульсные трансформаторы. В этой статье мы расскажем об их устройстве и принципе работы .

Читайте также:
Фильтры для водонагревателей и бойлеров

Что такое трансформатор?

Для начала заглянем в ГОСТ 16110 «Силовые трансформаторы. Термины и определения», в нём сказано:

Трансформатор — статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре, расположенном в изменяющемся или подвижном магнитном потоке, возникает ЭДС. Его открыл в 1831 году Майкл Фарадей.

С помощью трансформаторов можно повысить или понизить переменное напряжение для питания чего-либо, а также измерять большие величины. Например, с помощью трансформатора тока можно измерить любые значения тока даже амперметром или ваттметром с малым пределом измерения, нужно лишь умножить показания измерительного прибора на коэффициент трансформации.

Обмотки трансформаторов связаны индуктивно, то есть между ними нет электрического контакта, поэтому с помощью трансформаторов не только преобразовывают параметры электрической энергии, силу тока и напряжение, но и выполняют гальваническую развязку цепей. Гальваническая развязка — это и есть передача электрического сигнала или энергии без электрического контакта систем, взаимодействующих друг с другом. Что бывает необходимым для обеспечения безопасности как для компонентов электрических схем, так и для людей, которые их будут использовать.

Кратко о принципе работы

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. В простейшем случае у трансформатора есть две обмотки, на одну из них подают переменный ток, а с другой его снимают. Ток, который протекает в первичной обмотке порождает магнитное поле, поток которого изменяет свою величину и направление соответственно изменению направления и величины тока в первичной обмотке, например в отечественной электросети ток и напряжение изменяются по синусоидальному закону с частотой в 50 герц.

Магнитный поток замыкается в сердечнике трансформатора, и пронизывает витки вторичной обмотки. Согласно закону электромагнитной индукции в каждом витке вторичной обмотки наводится ЭДС, величина которого прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока и количеству витков, который он пронизывает.

Устройство

Итак, поговорим о том, как устроен трансформатор, на примере простейшего однофазного трансформатора. Состоит он из двух и более обмоток (1, 2), расположенных на сердечнике (3). Сердечник – это магнитопровод или устройство для прохождения магнитного потока с определенными потерями, зависящими от материала, из которого он выполнен.

Если трансформатор работает в низкочастотной цепи, например, в электросети с частотой 50 Гц, то сердечник набирается из тонких пластин электротехнической стали толщиной 0.3-0.5 мм (или другого магнитомягкого материала), изолированных друг от друга диэлектриком. Сами же тонкие пластины используются для снижения потерь в виде тепла на вихревые токи, или, как их еще называют, токи Фуко. В некоторых случаях сердечник может отсутствовать, а сердечники трансформаторов импульсных источников питания, которые работают на высокой частоте в десятки и сотни килогерц, делают цельными (не из пластин) и зачастую из феррита. У высокочастотных трансформаторов сердечник и вовсе отсутствует.

Одна из обмоток называется первичной — на неё подают напряжение от источника переменного тока, например, из электросети. Остальные обмотки называются вторичными — с них снимают напряжение, к ним подключают нагрузку, измерительные приборы и прочее.

Если необходимо получать разные напряжения на вторичной обмотке или обеспечить возможность подключения первичной обмотки к источникам переменного тока с разным напряжением, то делают отводы от обмоток, или несколько обмоток, соединенных одним из концом между собой.

Отношение напряжения на первичной обмотке к напряжению на вторичной обмотке называют коэффициентом трансформации. То есть если на первичную обмотку подают 220В, а со вторичной обмотки снимают 110В, то коэффициент трансформации (k) такого трансформатора равен:

Соответственно такой трансформатор называют понижающим, если на вторичной обмотке напряжение больше, чем на первичной — он повышающий, а если напряжения равны – разделительный.

Коэффициент трансформации (k) определяется соотношением количества витков первичной обмотки ко вторичной:

Один и тот же трансформатор может быть, как понижающим, так и повышающим это зависит от того, на какую обмотку подаётся напряжение. То есть, понятия «первичная» и «вторичная» обмотки относительны, и применяются в зависимости от конкретного включения трансформатора. Допустим, у нас есть понижающий трансформатора 220/12 вольт, обмотка 12 вольт помечена в документации как вторичная, а 220 как первичная. Но если подать 12 вольт переменного тока на «вторичную» обмотку, то этот трансформатор будет уже повышающим, и на обмотке 220 вольт появится такое напряжение, таким образом, первичная и вторичная обмотки поменяются ролями.

Ток в первичной и вторичной обмотки также соотносится с коэффициентом трансформации, а напряжения в первичной и вторичной обмотках обратно пропорциональны токам вторичной и первичной обмотки. То есть в понижающем трансформаторе на вторичной обмотке напряжение (U2) ниже, чем на первичной (U1) в k раз, а ток вторичной обмотки во столько же раз выше, чем в первичной и наоборот.

Коэффициент полезного действия трансформаторов зависит потерь в сердечнике, сопротивления обмоток, коэффициента мощности, но самое большое влияние на КПД оказывает коэффициент нагрузки. В общем виде формула имеет вид:

Читайте также:
Требования к оборудованию систем аварийного освещения

На холостом ходу КПД трансформатора стремится к нулю, поскольку никакой полезной работы не совершается, максимальный же КПД стремится к единице и приходится на область от 50% и выше от номинальной мощности, а далее незначительно снижается.

Условное графическое обозначение (УГО) трансформаторов на схемах соответствует их устройству и отражает количество первичных, вторичных обмоток и отводов от них.

Виды трансформаторов

Трансформаторы классифицируют по ряду критериев, по назначению выделяют:

  1. Силовые — используются в системах передачи и распределения электроэнергии.
  2. Сетевые —для питания отдельных приборов и устройств, зачастую понижающие, например, 220/12, 220/5.
  3. Специального назначения — для конкретного применения, например, как сварочные трансформаторы.
  4. Измерительные – трансформаторы тока или напряжения. Используются для измерения высокого напряжения или большой силы тока.
  5. Испытательные — используются для испытания электрической прочности изоляционных материалов высоким напряжением.
  6. Радиотрансформаторы или трансформаторы связи — используются в автоматике, телемеханике, звуковой и радиоаппаратуре для согласования сопротивлений электрических цепей (согласующие транфсорматоры).
  7. Разделительные — для гальванической развязки от сети, используются с целью повышения электробезопасности.

По виду охлаждения:

  1. Сухие. Охлаждаются воздухом, а именно при его естественной или принудительной циркуляции.
  2. Масляные. Сердечник и обмотки находятся в корпусе, заполненном трансформаторным маслом, которое также выполняет роль диэлектрика. Масляное охлаждение также может быть естественным или с принудительной циркуляцией.

Устройство трансформатора с масляным охлаждением: 1 – магнитопровод; 2,3 – концентрические обмотки; 4 – бак; 5 – трубы радиатора; 6 – регулятор напряжения; 7,8 – вводы низкого и высокого напряжений

Устройство трансформатора с масляным охлаждением: 1 – магнитопровод; 2,3 – концентрические обмотки; 4 – бак; 5 – трубы радиатора; 6 – регулятор напряжения; 7,8 – вводы низкого и высокого напряжений

  1. Однофазные. На примере таких и было рассмотрено устройство и принцип работы выше.
  2. Трёхфазные. Содержат три одинаковых группы обмоток (по одной на каждую фазу), установленных на одном сердечнике.

А также различаются по форме магнитопровода:

В последнее время наблюдается большее распространение тороидальных трансформаторов для питания отдельных устройств, благодаря их относительной компактности, тем не менее броневые сердечники использовались и продолжают использоваться чаще остальных, а стержневая конструкция используется на силовых трёхфазных трансформаторах.

Сами же магнитопроводы бывают ленточными и шихтованными. Шихтованные магнитопроводы набираются из плоских штампованных пластин, а ленточные из ленты, намотанной спиралью или выгнутой по форме сердечника. Эти конструкции сердечников разборные, позволяют разъединять их на части для установки или замены обмоток после перемотки.

Есть и другие критерии для классификации, например соотношению первичного и вторичных напряжений: повышающие и понижающие; по числу обмоток различают двухобмоточные и многообмоточные трансформаторы, в которых используется одна первичная и две или больше вторичных обмоток; а по конструкции выделяют: цилиндрические, концентрические и дисковые.

На самом деле классификацию трансформаторов можно продолжать и далее углубляясь в особенности каждой из сфер применения, коих великое множество.

Заключение

Тема трансформаторов в электротехнике очень обширна, как и их сфера применения, а целью этой статьи было познакомить читателя с общими сведениями, которые следует знать о трансформаторах. Каждый из разделов статьи достоин отдельной статьи, и вложить всё необходимое в небольшой объём крайне сложно. Поэтому будет отлично, если вы напишите в комментариях, о чем хотели бы узнать в следующих статьях.

Трансформатор простыми словами

Мы привыкли к тому, что напряжение в розетке всегда 220 В. Возможно не все читатели подозревают, что прежде чем поступить к потребителю, выполнялись преобразования электрической энергии. Перед поступлением на провода ЛЭП, напряжение переменного тока увеличивали до десятков, а то и сотен киловольт, а на выходе – понижали, до привычных нам 220 В. Эти преобразования выполнили силовые трансформаторы. В данной статье я расскажу вам, что такое трансформатор простыми словами.

Потребность в преобразования переменного напряжения возникает практически на каждом шагу. Чаще всего мы испытываем необходимость в понижении напряжения, так как большинство узлов современных электронных устройств работает при низких напряжениях. Однако для некоторых цепей высоковольтных узлов требуются значительные напряжения, порядка нескольких тысяч вольт.

Промышленный трансформатор

Рис. 1. Промышленный трансформатор

Что такое трансформатор?

Если коротко, то это стационарное устройство, используемое для преобразования переменного напряжения с сохранением частоты тока. Действие трансформатора основано на свойствах электромагнитной индукции.

Немного исторических фактов

В основу действия трансформатора легло явление магнитной индукции, открытое М. Фарадеем в 1831 г. Физик, работая с постоянным электрическим током, заметил отклонение стрелки гальванометра, подключенного к одной из двух катушек, намотанных на сердечник. Причем гальванометр реагировал только в моменты коммутации первой катушки.

Поскольку опыты проводились от источника постоянного тока, Фарадей не смог объяснить открытое явление.

Прообраз трансформатора появился лишь в 1848 году. Его изобрел немецкий механик Г. Румкорф, называя устройство индукционной катушкой особой конструкции. Однако Румкорф не заметил трансформации выходных напряжений.Датой рождения первого трансформатора считается день выдачи патента П. Н. Яблочкову на изобретение устройства с разомкнутым сердечником. Это случилось 30.11.1876 года.

Типы аппаратов с замкнутыми сердечниками появились в 1884 году. Их создали англичане Джон и Эдуард Гопкнинсоны.

Читайте также:
Создание итальянской печи для пиццы на дровах своими руками

По большому счету, технический интерес у электромехаников к переменному току возник только благодаря изобретению трансформатора. Идеи российского электротехника М. О. Доливо-Добровольского и всемирно известного Николы Тесла победили в спорах о преимуществах переменных напряжений именно благодаря возможности трансформации тока.

С победой идей этих великих электротехников потребности в трансформаторах резко выросла, что привело к их усовершенствованию и созданию новых типов приборов.

Общее устройство и принцип работы

Рассмотрим конструкцию простого трансформатора, с двумя катушками насаженных на замкнутый магнитопровод (см. Рис. 2). Катушку, на которую поступает ток, будем называть первичной, а выходную катушку – вторичной.

Устройство трансформатора

Рисунок 2. Устройство трансформатора

Фактически все типы трансформаторов используют электромагнитную индукцию для преобразования напряжения поступающего в цепь первичной обмотки. При этом выходное напряжение снимается из вторичных обмоток. Они различаются только по форме, материалам магнитопроводов и способам наматывания катушек.

Ферромагнитные сердечники применяются в низкочастотных моделях. Для таких сердечников используются материалы:

  • сталь;
  • пермаллой;
  • феррит.

В некоторых высокочастотных моделях магнитопроводы могут отсутствовать, а в некоторых изделиях применяют материалы из высокочастотного феррита или альсифера.

В связи с тем, что для характеристик ферромагнетиков характерна нелинейность намагничивания, сердечники набирают из листовых материалов, на которые надевают обмотки. Нелинейная индуктивность приводит к гистерезису, для уменьшения которого применяют метод шихтования магнитопроводов.

Форма сердечника может быть Ш-образной или торроидальной.

Рисунок 3. Внешний вид трансформатора

Базовые принципы действия

Когда на выводы первичных обмоток поступает синусоидальный ток, то он во второй катушке создает переменное магнитное поле, пронизывающее магнитопровод. В свою очередь, изменение магнитного потока провоцирует наведение ЭДС в катушках. При этом величина напряжения ЭДС в обмотках находится в пропорциональной зависимости от количества витков и частоты тока. Отношение количества витков в цепи первичной обмотки к числу витков вторичной катушки называется коэффициентом трансформации: k = W1 / W2, где символами W1 и W2 обозначено количество витков в катушках.

Режимы работы

Силовой трансформатор может работать в трех режимах:

  • в состоянии холостого хода;
  • в режиме нагрузки;
  • в короткозамкнутом режиме.

Поскольку в цепи разомкнутой вторичной обмотки отсутствует ток, то в таком состоянии по первичной обмотке циркулирует ток холостого хода. Параметры этого тока используют при расчетах КПД, определяют коэффициент трансформации, находят потери в сердечнике.

Основным рабочим режимом трансформатора является состояние, когда к его второй обмотке подключена номинальная нагрузка. Первичный ток можно выразить через результирующую тока холостого хода и расчетного тока сопротивления нагрузки.

В режиме короткого замыкания вторичной обмотки, вся мощность концентрируется в цепях обмоток. В таком состоянии можно определить потери, расходуемые на нагревание проводов в обмотках.

Технические характеристики

Важной характеристикой являются коэффициенты трансформации. Они показывают зависимость выходного напряжения от соотношения витков в обмотках. Коэффициент трансформации является базовым параметром при расчете.

Другая важная характеристика трансформатора – его КПД. В некоторых аппаратах этот показатель составляет 0,9 – 0,98, что характеризует незначительные потери магнитных полей рассеяния. Мощность P зависит от площади S сечения магнитопровода. По значению S, при расчетах параметров трансформатора, определяют количество витков в катушках: W = 50 / S.

На практике мощность выбирают исходя из предполагаемой нагрузки, с учетом потерь в сердечнике. Мощность вторичной обмотки Pн= Uн× Iн, а мощность первичной катушки Pс= Uс× Iс. В идеале Pн = Pс (если пренебречь потерями в сердечнике). Тогда k = Uс / Uн = Iс / Iн , то есть, токи в каждой из обмоток имеют обратно пропорциональную зависимость от их напряжений, следовательно, и от количества витков.

Виды трансформаторов

С целью решения вопросов трансформации напряжения в различных цепях изобретены трансформаторы самых разных конструкций. Производители выбирают свои концепции магнитопроводов (см. рис. 4), которые не влияют на работу и параметры приборов:

  • стержневой тип (применяется в основном для трехфазных конструкций);
  • броневой тип (трехфазные аппараты);
  • тороидальный тип сердечника часто используется в трансформаторах, применяемых в различных электротехнических устройствах.

Более широкий спектр охватывает классификация по назначению.

Силовые

Назначения силового трансформатора понятно из названия. Термин силовые применяется к семейству моделей, как правило, большой мощности, используемых для преобразования электрической энергии в сетях ЛЭП и в различных обслуживающих установках.

При трансформации сохраняются частоты переменного тока, поэтому возможно подключение силовых трансформаторов в группы для работы в высоковольтных трехфазных сетях.

Силовые аппараты могут соединяться в группы с различными схемами подключения обмоток: по принципу звездочки, треугольником или зигзагом. Схема звездочка оправдана, если в трехфазных сетях нагрузка симметрическая. В противном случае предпочтения отдают треугольнику. При таком способе подключения токи первичной обмотки подмагничивают по отдельности каждый стержневой магнитопровод.

Тогда однофазное сопротивление приблизится к расчетному, а перекос напряжений будет устранен.

Автотрансформаторы

Группа устройств, в которых первичная и вторичная обмотки за счет их прямого соединения между собой образуют электрическую связь, называется автотрансформаторами. Характерным признаком этой группы является несколько пар выводов, к которым можно подключить нагрузку.

Обмотки автотрансформаторов имеют не только магнитную, но и электрическую связь. Они нашли применение в соединениях заземленных сетей, работающих под напряжением, превышающим 110 кВ, но при низких коэффициентах трансформации – не более 3 – 4.

Читайте также:
Что такое ячеистый бетон

Можно первичную обмотку подключить последовательно в электрическую цепь с другими устройствами и получить гальваническую развязку. Такие приборы получили названия трансформаторов тока. Первичную цепь таких устройств контролируют путём изменения однофазной нагрузки, а вторичную катушку используют в цепях измерительных приборов или сигнализации. Второе название приборов – измерительные трансформаторы.

Особенностью работы измерительных трансформаторов является особый режим выходной обмотки. Она функционирует в критическом режиме короткого замыкания. При разрыве вторичной цепи возникает резкое повышение напряжения в ней, что может вызвать пробои или повреждение изоляции.

Трансформатор тока

Трансформатор тока

Напряжения

Типичное применение – изоляция логических цепей защиты измерительных приборов от высокого напряжения. Трансформатор напряжения – это понижающий прибор, преобразующий высокое напряжение в более низкое.

Импульсные

В работе современной электронике применяются высокочастотные сигналы, которые часто необходимо отделить от других сигналов.
Задача импульсных трансформаторов – преобразования импульсных сигналов с сохранением формы импульса.

Для высокочастотных импульсных аппаратов выдвигаются требования о максимальном сохранении формы импульса на выходе. Имеет значение именно форма, а не амплитуда и даже не знак.

Сварочные

В работе сварочного аппарата важен большой сварочный ток. При этом, сетевое напряжение понижают до безопасного уровня. Благодаря мощному электрическому току дуговой разряд сварочного аппарата плавит металл.

В сварочном трансформаторе имеется возможность ступенчатого регулирования величины тока во вторичных цепях способом изменения индуктивного сопротивления, либо путем секционирования одной из обмоток.

Фото устройства представлено на рисунке 6. Обратите внимание на наличие коммутирующего переключателя.

Трансформатор для сварочного полуавтомата на броневом магнитопроводе

Рис. 6. Трансформатор для сварочного полуавтомата на броневом магнитопроводе

В сварочных аппаратах применяют конструкции на основе однофазных трансформаторов, а также с применением трехфазных трансформаторов. Для сварки некоторых металлов, например, нержавейки, сварочный ток выпрямляют.

Разделительные

Устройства, в которых нет электрической связи между обмотками, называют резделительными трансформаторами. Силовые разделительные аппараты применяются для повышения безопасности электросетей. Другая область применения разделительных трансформаторов – обеспечение гальванической развязки между отдельными узлами электрических цепей.

Согласующие

Данные типы аппаратов применяют для согласования сопротивления каскадов электронных схем. Они обеспечивают минимальное искажение формы сигналов, создают гальванические развязки между узлами электронных устройств.

Пик-трансформаторы

Аппараты, преобразующие синусоидальные токи в импульсные напряжения. Полярность выходных напряжений меняется через каждых полпериода.

Воздушные и масляные

Силовые трансформаторы бывают сухими (с воздушным охлаждением) (см. рис. 7) и масляными (см. рис. 8).

Модели сухих силовых трансформаторов чаще всего используют для преобразований сетевых напряжений, в том числе и в схемах трехфазных сетей.

Сухой трехфазный трансформатор

Рисунок 7. Сухой трехфазный трансформатор

При подключении нагрузки происходит нагревание обмоток, что грозит разрушением электрической изоляции. Поэтому в сетях с напряжениями свыше 6 кВ работают приборы с масляным охлаждением. Специальное трансформаторное масло повышает надежность изоляции, что очень важно при больших выходных мощностях.

Строение промышленного трансформатора с масляным охлаждением

Рис. 8. Строение промышленного трансформатора с масляным охлаждением

Сдвоенный дроссель

Конструктивно такой аппарат является трансформатором с одинаковыми катушками. Катушки одинаковой мощности образуют встречный индуктивный фильтр. Эффективность аппарата выше, чем у дросселя (при одинаковых размерах).

Вращающиеся

Применяются для обмена сигналами с вращающимися барабанами. Конструктивно состоят из двух половинок магнитопровода с катушками. Эти части вращаются относительно друг друга. Обмен сигналами происходит при больших скоростях вращения.

Обозначение на схемах

Трансформаторы наглядно изображаются на электрических схемах. Символически изображаются обмотки, которые разделены магнитопроводом в виде жирной или тонкой линии (см. рис. 9).

Пример обозначения

Пример обозначения

На схемах трехфазных трансформаторов обмотки начинаются со стороны сердечника.

Области применения

Кроме преобразования напряжений в электрических сетях, трансформаторы часто применяются в блоках питания радиоэлектронных устройств. Преимущественно это автотрансформаторы, которые одновременно выдают несколько напряжений для различных узлов.

Сегодня все чаще используют бестрансформаторные блоки питания. Однако там где требуется питание мощным переменным током, без электромагнитных устройств не обойтись.

Трансформаторы — назначение, виды и характеристики

Трансформатор — это статическое устройство, имеющее две или более обмотки, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного напряжения и тока в одну или несколько других систем переменного напряжения и тока, имеющих обычно другие значения при той же частоте, с целью передачи мощности. (Источник: ГОСТ 30830-2002)

общий вид трансформатора

Рис.1 Общий вид трансформатора

Значение трансформаторов как в электроэнергетике в целом, так и в повседневной жизни каждого человека трудно переоценить, они применяются повсеместно: на подстанциях, в городах и поселках, стоят силовые трансформаторы, понижающие высокое напряжение в тысячи и даже десятки тысяч Вольт до привычных нам 380/220 Вольт, на предприятиях стоят сварочные трансформаторы которые совершенно незаменимы на производстве, трансформаторы так же применяются и у нас дома в бытовой технике: в СВЧ-печах, блоках питания компьютеров и даже зарядных устройствах для телефонов.

В этой статье мы разберемся в том как устроены и как работают трансформаторы, какие бывают виды трансформаторов, а так же приведем их общие характеристики.

Общее устройство и принцип работы трансформаторов

В общем виде трансформатор представляет собой две обмотки расположенных на общем магнитопроводе. Обмотки выполняются из медного или алюминиевого провода в эмалевой изоляции, а магнитопровод изготовлен из тонких изолированных лаком пластин электротехнической стали, для уменьшения потерь электроэнергии на вихревые токи (так называемые токи Фуко).

Читайте также:
Технология забивки железобетонных свай

Та обмотка, которая подключается к источнику питания, называется первичной обмоткой, а обмотка к которой подключается нагрузка — соответственно вторичной. Если со вторичной обмотки (W2) трансформатора снимается напряжение (U2) ниже, чем напряжение (U1) которое подаётся на первичную обмотку (W1), то такой трансформатор считается понижающим, а если выше — повышающим.

Общее устройство трансформатора

Рис.2 Схема общего устройства трансформатора

Металлическая часть на которой располагается электрическая обмотка (катушка), т.е. которая находится в ее центре, называется сердечником, в трансформаторах этот сердечник имеет замкнутое исполнение и является общим для всех обмоток трансформатора, такой сердечник называется магнитопроводом.

Как уже было сказано выше принцип работы трансформаторов основан на законе электромагнитной индукции, для понимания того как это работает представим самый простой трансформатор, аналогичный тому который представлен на рисунке 2, т.е. у нас есть магнитопровод на котором располагаются 2 обмотки, представим, что первая обмотка состоит всего из одного витка, а вторая — из двух.

Теперь подадим напряжение 1 Вольт на первую обмотку, ее единственный виток условно создаст магнитный поток величиной в 1 Вб (Справочно: Вебер (Вб) — единица измерения магнитного потока) в магнитопроводе, так как магнитопровод имеет замкнутое исполнение магнитный поток будет протекать в нем по кругу при этом пересекая 2 витка второй обмотки, при этом в каждом из этих витков за счет электромагнитной индукции наводит (индуктирует) электродвижущую силу (ЭДС) в 1 Вольт, ЭДС этих двух витков складывается и на выходе со второй обмотки мы получаем 2 Вольта.

Таким образом, подав на первичную обмотку 1 Вольт на вторичной обмотке мы получили 2 Вольта, т.е. в данном случае трансформатор будет называться повышающим, т.к. он повышает поданное на него напряжение.

Но этот трансформатор может работать и в обратную сторону, т.е. если на вторую обмотку (с двумя витками) подать 2 Вольта, то с первой обмотки по тому же принципу мы получим 1 Вольт, в этом случае трансформатор будет называться понижающим.

Общие характеристики трансформаторов

К основным техническим характеристиками трансформаторов можно отнести:

  • номинальную мощность;
  • номинальное напряжение обмоток;
  • номинальный ток обмоток;
  • коэффициент трансформации;
  • коэффициент полезного действия;
  • число обмоток;
  • рабочую частоту;
  • количество фаз.

Мощность является одним из главных параметров трансформаторов. В паспортных (заводских) данных трансформатора указывается его полная мощность (обозначается буквой S), она зависит от типа используемого магнитопровода, количества и диаметра витков в обмотках, то есть от массогабаритных показателей электромагнитного аппарата.

Измеряется мощность в единицах В∙А (Вольт-Ампер). На практике для трансформаторов больших мощностей, как правило используются кратные Вольт-Амперам величины Киловольт-ампер — кВА (10 3 В∙А) и Мегавольт-ампер — МВА (10 6 В∙А).

Фактически каждый трансформатор имеет 2 значения мощности: входную (S1) — мощность, которую трансформатор потребляет из питающей его сети и выходную (S2) — мощность, которую трансформатор отдает подключенной к нему нагрузке, при этом выходная мощность всегда меньше входной за счет электрических потерь в самом трансформаторе (потери на нагрев обмоток, потери на вихревые токи и т.д.) величина этих потерь определяется другим основным параметром — коэффициентом полезного действия, сокращенно — КПД (обозначается буквой η), данный параметр указывается в процентах.

Например если КПД указано 92% — это значит, что выходная мощность трансформатора будет меньше входной на 8%, т.е. 8% -это потери в трансформаторе.

Формулы расчета мощности:

  • I1,I2 — соответственно, токи в первичной и вторичной обмотках трансформатора в Амперах;
  • U1,U2 — соответственно, напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора в Вольтах.

Следует помнить, что полная мощность состоит из активной (P) и реактивной (Q) мощностей:

  • Активная мощность определяется по формуле: P=U х I х cosφ ,Ватт (Вт)
  • Реактивная мощность определяется по формуле: Q=U х I х sinφ ,вольт-ампер реактивный (Вар)
  • Коэффициент мощности: cosφ=P/S;
  • Коэффициент реактивной мощности:sinφ=Q/S

Формулы расчета КПД (η) трансформатора:

Как уже было указано выше КПД определяет величину потерь в трансформаторе или иными словами эффективность работы трансформатора и определяется оно отношением выходной мощности (P2) к входной (P1):

В результате данного расчета значение КПД определяется в относительных единицах (в виде десятичной дроби), например — 0,92, чтобы получить значение КПД в процентах рассчитанную величину необходимо умножить на 100% (0,92*100%=92%).

Чем ближе КПД к 100% тем лучше, т.е. идеальный трансформатор — это трансформатор в котором P2=P1, однако в реальности из-за потерь в трансформаторе выходная мощность всегда ниже входной.

Это хорошо видно из так называемой энергетической диаграммы трансформатора (рис.3):

энергетическая диаграмма трансформатора

  • P1 — активная мощность, потребляемая трансформатором от источника;
  • P2 — активная (полезная) мощность, отдаваемая трансформатором приемнику;
  • ∆Pэл — электрические потери в обмотках трансформатора;
  • ∆Рм — магнитные потери в магнитопроводе трансформатора;
  • ∆Рдоп — дополнительные потери в остальных элементах конструкции.

В режиме холостого хода (работы без подключенной к трансформатору нагрузки) КПД трансформатора η = 0. Мощность холостого хода P, потребляемая трансформатором в этом режиме, расходуется на компенсацию магнитных потерь. С увеличением нагрузки в достаточно небольшом диапазоне (приблизительно β = 0,2) КПД достигает больших значений. В остальной части рабочего диапазона КПД трансформатора держится на высоком уровне. В режимах, близких к номинальному, КПД трансформатора η ном = 0,9 — 0,98.

Читайте также:
Шпаклевка бетонных стен под покраску

Зависимость КПД от нагрузки представлена на следующем графике (рис.4):

график зависимости КПД отт нагрузки трансформатора

Первичное номинальное напряжение U1н — это напряжение, которое требуется подать на первичную катушку трансформатора, чтобы в режиме холостого хода получить номинальное вторичное напряжение U2н.

Вторичное номинальное напряжение U2н — это значение, которое устанавливается на выводах вторичной обмотки при подаче на первичную обмотку номинального первичного напряжения U1н, в режиме холостого хода.

Номинальный первичный ток I1н — это максимальный ток, протекающий в первичной обмотке, т.е. потребляемый трансформатором из сети, на который рассчитан данный трансформатор и при котором возможна его длительная работа.

Номинальный вторичный ток I2н — это максимальный ток нагрузки, протекающий во вторичной обмотке, на который рассчитан данный трансформатор и при котором возможна его длительная работа.

Коэффициент трансформации (kт) — это отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке k=W1/W2.

Так же kт определяется как отношение напряжений на зажимах обмоток: kт=U1н/U2н.

Для понижающего трансформатора коэффициент трансформации больше 1, а для повышающего — меньше 1.

Примечание: для трансформаторов тока kт определяется как отношение номинальных значений первичного и вторичного токов kт=I1н/I2н

Число обмоток у однофазных трансформаторов чаще две, но может быть и больше. На первичную обмотку подают одно значение напряжения, а с вторичной обмотки снимают другое значение.

Когда требуются различные напряжения для питания нескольких приборов, то в этом случае вторичных обмоток может быть несколько. Также есть трансформаторы с общей точкой на вторичной обмотке для двуполярного питания.

Рабочая частота трансформаторов может быть различной. Но при одинаковых напряжениях первичной обмотки, трансформатор, разработанный для частоты 50 Гц, может использоваться при частоте сети 60 Гц, но не наоборот. При частоте меньше номинальной увеличивается индукция в магнитопроводе, что может повлечь его насыщение и как следствие резкое увеличение тока холостого хода и изменение его формы. При частоте больше номинальной повышается величина паразитных токов в магнитопроводе, повышается нагрев магнитопровода и обмоток, приводящий к ускоренному старению и разрушению изоляции.

Габариты трансформатора напрямую зависят от частоты тока в цепи, в которой он будет установлен. Конечно, трансформатор должен быть рассчитан на эту частоту. Зависимость эта обратная, т.е. с увеличением частоты габариты трансформатора значительно уменьшаются. Именно поэтому, импульсные блоки питания (с импульсными высокочастотными трансформаторами) намного компактнее.

В зависимости от назначения трансформаторы изготавливают однофазными и трехфазными.

Однофазный трансформатор представляет собой устройство для трансформирования электрической энергии в однофазной цепи. В основном имеет две обмотки, первичную и вторичную, но вторичных обмоток может быть и несколько.

Трехфазный трансформатор представляет собой устройство для трансформирования электрической энергии в трёхфазной цепи. Конструктивно состоит из трёх стержней магнитопровода, соединённых верхним и нижним ярмом. На каждый стержень надеты обмотки W1 и W2 высшего (U1) и низшего (U2) напряжений каждой фазы (рис.5).

схема общего устройства трехфазного трансформатора

Виды трансформаторов

Все трансформаторы можно разделить на следующие виды:

  1. силовые;
  2. автотрансформаторы;
  3. измерительные;
  4. разделительные;
  5. согласующие;
  6. импульсные;
  7. пик-трансформаторы;
  8. сварочные.

Силовые трансформаторы являются наиболее распространенным типом промышленных трансформаторов. Они применяются для повышения или понижения напряжения. Являются неотъемлемой частью сети электроснабжения предприятий, населенных пунктов и т.д.

Общий вид силового трансформатора

Автотрансформатором называется такой трансформатор, у которого имеется только одна обмотка с числом витков W1. Часть этой обмотки с числом витков W2 принадлежит одновременно первичной и вторичной цепям:

схема однофазного автотрансформатора

Данный тип трансформаторов применяется в приборах автоматического регулирования напряжения. Эти устройства используются, например, в образовательных учреждениях для проведения лабораторных работ, их можно встретить в электролабораториях различных предприятий для проведения тестовых работ.

Внешний вид автотрансформаторов:

Измерительные трансформаторы подразделяются на трансформаторы напряжения и трансформаторы тока. Они обеспечивают гальваническую развязку между цепями высокого и низкого напряжений. Как видно из названия, основное применение — снижение первичного напряжения или тока до величины, используемой в измерительных цепях, например для подключение амперметров, вольтметров, счетчиков электрической энергии. Также они могут применяться в различных цепях защиты, управления и сигнализации. От других типов трансформаторов отличаются повышенной точностью и стабильностью коэффициента трансформации.

Пример измерительных трансформаторов:

внешний вид измерительных трансформаторов

Разделительные трансформаторы, данные устройства мало чем отличается от обычных понижающих или повышающих трансформаторов. Единственное различие заключено в том, что на общем магнитопроводе размещаются абсолютно идентичные обмотки. То есть у них полностью совпадают такие параметры как сечение провода, количество витков, изоляция. Поэтому коэффициент трансформации у них равен единице.

Задачей этих устройств является обеспечение гальванической развязки, т.е. исключение непосредственной электрической связи между электрической сетью и подключаемому к ней, через данный трансформатор, оборудованию.

Применяются в тех областях где предъявляются повышенные требования к электробезопасности, например подключение медицинского оборудования.

Согласующие трансформаторы применяются для согласования сопротивления различных частей каскадов электронных схем, а также для подключения нагрузки, не соответствующей по сопротивлению допустимым значениям источника сигнала, что позволяют передать максимум мощности в такую нагрузку. При этом само непосредственное изменение показателей силы тока и напряжения не имеет значения.

Читайте также:
Солнечные батареи: особенности использования панелей для частного дома

Они применяются в усилителях низкой частоты в качестве входных, межкаскадных и выходных трансформаторов.

В качестве входных, согласующие трансформаоры применяются в звуковоспроизводящей аппаратуре для подключения микрофонов и звукоснимателей различных типов.

Трансформаторы этого типа используются для согласования сигнала при подключении антенн к приёмным и передающим устройствам.

Импульсные трансформаторы — это устройства с ферромагнитным сердечником, которые используются для изменения импульсов тока или напряжения. Преобразуют получаемый сигнал в прямоугольный импульс. Применяются для предотвращения высокочастотных помех. Импульсные трансформаторы наиболее часто используются в электронно-вычислительных устройствах, системах радиолокации, импульсной радиосвязи, в качестве измерительных устройств в счетчиках электроэнергии

внешний вид импульсных трансформаторов

Пик-трансформаторы — преобразуют напряжение синусоидальной формы в импульсные пики с сохранением их полярности и частоты колебаний.

Незаменимы там, где для запуска исполнительного устройства требуется единичный импульс с установленной амплитудой напряжения. Это, например, управляющие электронные схемы, собранные на тиристорах. Так же применяются в качестве генераторов импульсов, главным образом в высоковольтных исследовательских установках, в технике связи и радиолокации. Наибольшее применение пиковые трансформаторы получили в автоматизации технологических процессов.

внешний вид пик-трансформаторов

Сварочные трансформаторы — являются основными источникам питания для ручной дуговой сварки на переменном токе. Они служат для понижения напряжения сети с 220В или 380В до безопасного и вместе с тем повышения величины тока для увеличения температуры электрической дуги.

внешний вид сварочных трансформаторов

Была ли Вам полезна данная статья? Или может быть у Вас остались вопросы? Пишите в комментариях!

Не нашли на сайте статьи на интересующую Вас тему касающуюся электрики? Напишите нам здесь. Мы обязательно Вам ответим.

Устройство и принцип действия трансформатора

Трансформатор — это основной элемент всей современной энергосистемы. В этой статье мы расскажем об устройстве и видах трансформаторов, принципе работы и практическом применении.

Что такое трансформатор

Трансформатор — это специальное устройство, придуманное для того, чтобы преобразовывать напряжение и передавать его на большие расстояния без изменения частоты тока.

Трансформатор — это статическое устройство, так как в нем нет движущихся элементов. Работа прибора происходит за счет переменного тока и построена на принципе электромагнитной индукции.

Основными задачами данных устройств являются:

  1. Передача электроэнергии на расстояния.
  2. Обеспечение необходимой схемы включения в преобразовательных устройствах и согласование напряжения на входе и выходе аппарата.
  3. Питание в цепях различных электротехнических, бытовых, теле- и радиоприборов.

Данные аппараты широко используются во всех областях и сферах промышленности, а именно:

  • в энергетике;
  • в электротехнике;
  • в машиностроении;
  • на транспорте.

Когда появился, история создания

Создание первого трансформатора связано с именами и разработками ученых из разных стран:

  1. Английский физик М. Фарадей в 1831 году открыл явление электромагнитной индукции, которая лежит в основе работы электротрансформатора.
  2. Немец Г. Румкорф в 1848 году изобрел индукционную катушку, которая считается прообразом трансформатора.
  3. Русский инженер П. Яблочков в 1876 году получил патент на изобретение устройства, которое стало первым трансформатором переменного тока (это был прибор с разомкнутым сердечником).
  4. Англичане Д. и Э. Гопкинсоны (братья) в 1884 году создали первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками.
  5. Д. Свинберн предложил помещать прибор в сосуд с маслом для охлаждения устройства, что значительно повысило надежность работы трансформатора (конец 1880-х).
  6. Трехфазная система переменного тока была запатентована в США в 1888 году Николой Тесла.

В дальнейшем разработки ученых всего мира сводились к тому, чтобы улучшить свойства устройства и уменьшить потери напряжения в приборе.

Устройство и принцип работы трансформатора

Простейший трансформатор состоит из двух обмоток с изолированными проводами, которые намотаны на стальной сердечник, состоящий из нескольких слоев. Переменный ток подводится к одной из обмоток, которую называют первичной. Другая (вторичная) — подсоединяется к нагрузке.

Принцип работы электротрансформатора достаточно прост: когда к первичной обмотке подключают переменный ток, вокруг железного стержня, на который она намотана, появляется магнитное поле. Благодаря электродвижущей силе индукции при подключении вторичной обмотки к нагрузке происходит передача тока.

Маркировка, расшифровка основных параметров

На всех трансформаторы наносится специальная маркировка, которая позволяет определить тип устройства, условия его эксплуатации, номинальную мощность и напряжение. Российские и зарубежные приборы маркируют по-разному. В РФ чаще используют приборы, изготовленные по ГОСТу.

Информация о трансформаторе расположена на металлической пластине на корпусе устройства, наносится с помощью гравировки или тиснения:

  • название завода, на котором был изготовлен прибор;
  • год изготовления;
  • заводской номер;
  • номер стандарта, которому соответствует устройство;
  • показатель номинальной мощности (для трехфазных трансформаторов указывается для каждой обмотки);
  • показатель номинального тока (для всех обмоток);
  • количество фаз;
  • частота тока;
  • схема соединения обмоток;
  • требования к установке — внутренняя или наружная;
  • способ охлаждения;
  • другие сведения, в зависимости от типа охлаждения устройства.

Условные обозначения

Условные обозначения 2

Виды трансформаторов по типу магнитопровода

Магнитопровод — это устройство, которое усиливает магнитные потоки, возникающие от электротока в обмотках трансформаторов.

Магнитопроводы (сердечники) являются неотъемлемыми частями различного электрооборудования: катушек индуктивности, реле и пр.

В современном мире существуют различные конструкции трансформаторов, созданных под определенные цели и передачу напряжения разной мощности.

По типу сердечников устройства бывают:

  • стержневого типа (применяются, как правило, для трехфазных трансформаторов);
  • броневого типа (для трехфазных приборов);
  • тороидального типа (используются в трансформаторах, расположенных в различных электротехнических устройствах).
Читайте также:
Утепление внешних стен квартиры

Магнитопровод

В стержневом типе используются вертикальные сердечники со ступенчатым сечением, которые образуют окружность с горизонтальными ярмами (часть стержней без обмоток). Обмотки в таких магнитопроводах находятся на вертикальных элементах. Система сердечника представляет собой замкнутую цепь.

В броневом типе сердечники имеют форму прямоугольника в сечении и располагаются в горизонтальном положении. Обмотки также выполнены в прямоугольной форме. Такая конструкция довольно сложная в изготовлении, поэтому используется нечасто, на специальных видах устройств.

В тороидальном (кольцевом) типе используют кольцевые ленточные сердечники. Их применяют для создания силовых однофазных трансформаторов. Сердечники делают из электротехнической стали толщиной 0,3 и 0,35 мм, изготовленной по специальной технологии. Материалом для тороидальных магнитопроводов являются феррит или карбонильное железо. Такие сердечники широко распространены в радиоэлектронике.

Конструкции магнитопроводов отличаются способами соединения сердечников с частью стержней, на которых нет обмотки.

  • В стыковом соединении части магнитопроводов собирают раздельно. Сначала на вертикальные сердечники устанавливаются обмотки, затем они соединяются при помощи шпилек с верхними ярмом. Монтируется нижнее горизонтальное ярмо. В такой конструкции можно легко поменять обмотки.
  • В шихтованном соединении стержни и ярма представляют собой слоенные плиты. Соединение деталей осуществляется вхождением элементов друг в друга в промежутки между слоями сердечника. Такая конструкция более сложная в сборке.

Классификация трансформаторов

  • повышающими (если на вторичной обмотке напряжение больше, чем на первичной);
  • понижающими (если на второй катушке напряжение меньше, чем на первой).

Напряжение на первичной и выходной катушках зависит от соотношения количества витков обмоток на них. Чем их больше, тем выше напряжение. Соответственно, если входная обмотка имеет больше витков, чем выходная, на ней будет более высокое напряжение, и наоборот.

Классификация трансформаторов

Трансформаторы отличаются обширной классификацией по назначению:

  1. Силовой. Назначение силовых трансформаторов ясно из названия. В основном это устройства большой мощности, используемые в сетях ЛЭП для преобразования электрической энергии и передачи ее конечному потребителю. Использование таких устройств возможно в высоковольтных трехфазных сетях.
  2. Автотрансформатор. Это прибор, в котором первичная и вторичная обмотки соединены между собой напрямую. Такое устройство характеризуется тремя выводами. Трансформаторы данного типа имеют повышенный риск высоковольтного удара по нагрузке. Поэтому они должны быть надежно заземлены.
  3. Трансформатор тока или измерительный трансформатор. В таких устройствах первичную обмотку подключают последовательно в электроцепь с другими устройствами и получают гальваническую развязку. Первичная цепь контролируется изменением однофазной нагрузки, а вторичная катушка используется в цепи сигнализации или измерительных приборов. В таком типе устройства вторичная обмотка работает в режиме короткого замыкания.
  4. Трансформатор напряжения. Это устройство, понижающее напряжение. Обычно применяется для изоляции цепей защиты измерительных приборов.
  5. Импульсный. Это прибор, созданный для преобразования импульсов при обязательном сохранении их формы. Устройство меняет амплитуду и полярность импульсных сигналов, не затрагивая форму.
  6. Сварочный. Для работы такого устройства нужен большой сварочный ток, с помощью которого аппарат расплавляет металл. Сетевое напряжение при этом снижено до безопасного уровня.
  7. Разделительный. Основной характеристикой такого прибора является отсутствие электрической связи между обводками. Силовые разделительные аппараты используют для повышения безопасности электросетей и для обеспечения гальванической развязки между узлами электроцепей.
  8. Согласующий. Такое устройство применяется для согласования сопротивления в электронных схемах. Прибор обеспечивает минимальное искажение сигналов, создает развязки между узлами устройств в электрической цепи.
  9. Пик-трансформатор. Аппарат преобразовывает синусоидальный ток в импульсное напряжение. Полярность напряжения на выходе меняется через каждые полпериода.
  10. Воздушный. Это силовой трансформатор сухого охлаждения. Такой тип устройств обычно применяется для преобразования напряжения в сети, в том числе и в трехфазных схемах.
  11. Масляный. Это силовой трансформатор, у которого охлаждение происходит с помощью специального масла. Такие приборы применяют при большой выходной мощности (выше 6 кВ), чтобы предотвратить разрушение изоляции обмоток вследствие их перегрева.
  12. Сдвоенный дроссель. Устройство имеет абсолютно одинаковые катушки, между которыми образуется встречный индуктивный фильтр. Такой прибор эффективнее, чем у дросселя.
  13. Вращающийся. Устройство состоит из двух половинок сердечника с катушками, которые вращаются относительно друг друга. Обмен сигналами в приборе происходит при больших скоростях вращения.

Режимы работы трансформаторов

Выделяют 3 основных режима работы трансформаторов:

  1. Режим холостого хода, при котором выводы вторичной обмотки разомкнуты, а сопротивление нагрузки приравнивается к бесконечности. Измерение тока, который протекает в первичной обмотке, позволяет рассчитать коэффициент полезного действия трансформатора. При работе трансформатора в таком режиме можно вычислить коэффициент трансформации и потери в сердечнике.
  2. Рабочий режим или режим под нагрузкой — это режим, при котором вторичная цепь получает от первичной напряжение, ток и сопротивление.
  3. Режим короткого замыкания — это режим, при котором концы вторичной обмотки закорочены, мощность сконцентрирована в цепях обмоток, сопротивление нагрузки равно нулю. В этом состоянии можно определяют потери, которые расходуются на нагревание обмоток.

Столкнулись со сложной темой? Не нужно паниковать! Квалифицированные эксперты Феникс.Хелп готовы помочь в короткие сроки по самым разным дисциплинам.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: