Трансформатор принцип работы устройство назначение. Электрические трансформаторы

Продолжаем знакомство с электронными компонентами и в этой статье рассмотрим устройство и принцип работы трансформатора .

Трансформаторы нашли широкое применение в радио и электротехнике и применяются для передачи и распределения электрической энергии в сетях энергосистем, для питания схем радиоаппаратуры, в преобразовательных устройствах, качестве сварочных трансформаторов и т.п.

Трансформатор предназначен для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины.

В большинстве случаев трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника) с расположенными на нем двумя (обмотками) электрически не связанных между собой. Магнитопровод изготавливают из ферромагнитного материала, а обмотки мотают медным изолированным проводом и размещают на магнитопроводе.

Одна обмотка подключается к источнику переменного тока и называется первичной (I), с другой обмотки снимается напряжение для питания нагрузки и обмотка называется вторичной (II). Схематичное устройство простого трансформатора с двумя обмотками показано на рисунке ниже.

1. Принцип работы трансформатора.

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции .

Если на первичную обмотку подать переменное напряжение U1 , то по виткам обмотки потечет переменный ток Io , который вокруг обмотки и в магнитопроводе создаст переменное магнитное поле . Магнитное поле образует магнитный поток Фo , который проходя по магнитопроводу пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует (наводит) в них переменные ЭДС – е1 и е2 . И если к выводам вторичной обмотки подключить вольтметр, то он покажет наличие выходного напряжения U2 , которое будет приблизительно равно наведенной ЭДС е2 .

При подключении к вторичной обмотке нагрузки, например, лампы накаливания, в первичной обмотке возникает ток I1 , образующий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1 изменяющийся с той же частотой, что и ток I1 . Под воздействием переменного магнитного потока в цепи вторичной обмотки возникает ток I2 , создающий в свою очередь противодействующий согласно закону Ленца магнитный поток Ф2 , стремящийся размагнитить порождающий его магнитный поток.

В результате размагничивающего действия потока Ф2 в магнитопроводе устанавливается магнитный поток Фo равный разности потоков Ф1 и Ф2 и являющийся частью потока Ф1 , т.е.

Результирующий магнитный поток Фo обеспечивает передачу магнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу е2 , под воздействием которой во вторичной цепи течет ток I2 . Именно благодаря наличию магнитного потока Фo и существует ток I2 , который будет тем больше, чем больше Фo . Но и в то же время чем больше ток I2 , тем больше противодействующий поток Ф2 и, следовательно, меньше Фo .

Из сказанного следует, что при определенных значениях магнитного потока Ф1 и сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки устанавливаются соответствующие значения ЭДС е2 , тока I2 и потока Ф2 , обеспечивающие равновесие магнитных потоков в магнитопроводе, выражаемое формулой приведенной выше.

Таким образом, разность потоков Ф1 и Ф2 не может быть равна нулю, так как в этом случае отсутствовал бы основной поток Фo , а без него не мог бы существовать поток Ф2 и ток I2 . Следовательно, магнитный поток Ф1 , создаваемый первичным током I1 , всегда больше магнитного потока Ф2 , создаваемого вторичным током I2 .

Величина магнитного потока зависит от создающего его тока и от числа витков обмотки, по которой он проходит.

Напряжение вторичной обмотки зависит от соотношения чисел витков в обмотках . При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке будет приблизительно равно напряжению, подаваемому на первичную обмотку, и такой трансформатор называют разделительным .

Если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подаваемого на первичную обмотку, и такой трансформатор называют повышающим .

Если же вторичная обмотка содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее будет меньше, чем напряжение подаваемое на первичную обмотку, и такой трансформатор называют понижающим .

Следовательно. Путем подбора числа витков обмоток, при заданном входном напряжении U1 получают желаемое выходное напряжение U2 . Для этого пользуются специальными методиками по расчету параметров трансформаторов, с помощью которых производится расчет обмоток, выбирается сечение проводов, определяются числа витков, а также толщина и тип магнитопровода.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока . Если его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то в магнитопроводе образуется магнитный поток постоянный во времени, по величине и направлению. В этом случае в первичной и вторичной обмотках не будет индуцироваться переменное напряжение, а следовательно, не будет передаваться электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Однако если в первичной обмотке трансформатора будет течь пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение частота которого будет равна частоте пульсации тока в первичной обмотке.

2. Устройство трансформатора.

2.1. Магнитопровод. Магнитные материалы.

Назначение магнитопровода заключается в создании для магнитного потока замкнутого пути, обладающего минимальным магнитным сопротивлением. Поэтому магнитопроводы для трансформаторов изготавливают из материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях. Материалы должны иметь малые потери на вихревые токи, чтобы не перегревать магнитопровод при достаточно больших значениях магнитной индукции, быть достаточно дешевыми и не требовать сложной механической и термической обработки.

Магнитные материалы , используемые для изготовления магнитопроводов, выпускаются в виде отдельных листов, либо в виде длинных лент определенной толщины и ширины и называются электротехническими сталями .
Листовые стали (ГОСТ 802-58) изготавливаются методом горячей и холодной прокатки, ленточные текстурованные стали (ГОСТ 9925-61) только методом холодной прокатки.

Также применяют железноникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллой, перминдюр и др. (ГОСТ 10160-62), и низкочастотные магнитомягкие ферриты.

Для изготовления разнообразных относительно недорогих трансформаторов широко применяются электротехнические стали , имеющие небольшую стоимость и позволяющие трансформатору работать как при постоянном подмагничивании магнитопровода, так и без него. Наибольшее применение нашли холоднокатаные стали, имеющие лучшие характеристики по сравнению со сталями горячей прокатки.

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, предназначенных для работы при повышенных и высоких частотах 50 – 100 кГц.

Недостатком таких сплавов является их высокая стоимость. Так, например, стоимость пермаллоя в 10 – 20 раз выше стоимости электротехнической стали, а пермендюра – в 150 раз. Однако в ряде случаев их применение позволяет существенно снизить массу, объем и даже общую стоимость трансформатора.

Другим их недостатком является сильное влияние на магнитную проницаемость постоянного подмагничивания, переменных магнитных полей, а также низкая стойкость к механическим воздействиям – удар, давление и т.п.

Из магнитомягких низкочастотных ферритов с высокой начальной проницаемостью изготавливают прессованные магнитопроводы , которые применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, работающих на высоких частотах от 50 – 100 кГц. Достоинством ферритов является невысокая стоимость, а недостатком является низкая индукция насыщения (0,4 – 0,5 Т) и сильная температурная и амплитудная нестабильность магнитной проницаемости. Поэтому их применяют лишь при слабых полях.

Выбор магнитных материалов производится исходя из электромагнитных характеристик с учетом условий работы и назначения трансформатора.

2.2. Типы магнитопроводов.

Магнитопроводы трансформаторов разделяются на шихтованные (штампованные) и ленточные (витые), изготавливаемые из листовых материалов и прессованные из ферритов.

Шихтованные магнитопроводы набираются из плоских штампованных пластин соответствующей формы. Причем пластины могут быть изготовлены практически из любых, даже очень хрупких материалов, что является достоинством этих магнитопроводов.

Ленточные магнитопроводы изготавливаются из тонкой ленты, намотанной в виде спирали, витки которой прочно соединены между собой. Достоинством ленточных магнитопроводов является полное использование свойств магнитных материалов, что позволяет уменьшить массу, размеры и стоимость трансформатора.

В зависимости от типа магнитопровода трансформаторы подразделяются на стрежневые , броневые и тороидальные . При этом каждый из этих типов может быть и стрежневым и ленточным.

Стержневые .

В магнитопроводах стержневого типа обмотки располагается на двух стержнях (стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки). Это усложняет конструкцию трансформатора, но уменьшает толщину намотки, что способствует снижению индуктивности рассеяния, расхода проволоки и увеличивает поверхность охлаждения.

Стержневые магнитопроводы используют в выходных трансформаторах с малым уровнем помех, так как они малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей низкой частоты. Это объясняется тем, что под влиянием внешнего магнитного поля в обеих катушках индуцируются напряжения, противоположные по фазе, которые при равенстве витков обмоток компенсируют друг друга. Как правило, стержневыми выполняются трансформаторы большой и средней мощности.

Броневые .

В магнитопроводе броневого типа обмотка располагается на центральном стержне. Это упрощает конструкцию трансформатора, позволяет получить более полное использование окна обмоткой, а также создает некоторую механическую защиту обмотки. Поэтому такие магнитопроводы получили наибольшее применение.

Некоторым недостатком броневых магнитопроводов является их повышенная чувствительность к воздействию магнитных полей низкой частоты, что делает их малопригодными к использованию в качестве выходных трансформаторов с малым уровнем помех. Чаще всего броневыми выполняются трансформаторы средней мощности и микротрансформаторы.

Тороидальные .

Тороидальные или кольцевые трансформаторы позволяют полнее использовать магнитные свойства материала, имеют малые потоки рассеивания и создают очень слабое внешнее магнитное поле, что особенно важно в высокочастотных и импульсных трансформаторах. Но из-за сложности изготовления обмоток не получили широкого применения. Чаще всего их делают из феррита.

Для уменьшения потерь на вихревые токи шихтованные магнитопроводы набираются из штампованных пластин толщиной 0,35 – 0,5 мм, которые с одной стороны покрывают слоем лака толщиной 0,01 мм или оксидной пленкой.

Лента для ленточных магнитопроводов имеет толщину от нескольких сотых до 0,35 мм и также покрывается электроизолирующей и одновременно склеивающейся суспензией или оксидной пленкой. И чем тоньше слой изоляции, тем плотнее происходит заполнение сечения магнитопровода магнитным материалом, тем меньше габаритные размеры трансформатора.

За последнее время наряду с рассмотренными «традиционными» типами магнитопроводов находят применение новые формы, к числу которых следует отнести магнитопроводы «кабельного» типа, «обращенный тор», катушечный и др.

На этом пока закончим. Продолжим во .
Удачи!

Литература:

1. В. А. Волгов – «Детали и узлы радио-электронной аппаратуры», Энергия, Москва 1977 г.
2. В. Н. Ванин – «Трансформаторы тока», Издательство «Энергия» Москва 1966 Ленинград.
3. И. И. Белопольский – «Расчет трансформаторов и дросселей малой моности», М-Л, Госэнергоиздат, 1963 г.
4. Г. Н. Петров – «Трансформаторы. Том 1. Основы теории», Государственное Энергетическое Издательство, Москва 1934 Ленинград.
5. В. Г. Борисов, – «Юный радиолюбитель», Москва, «Радио и связь» 1992 г.

Трансформатор (преобразовывать, трансформировать ) представляет собой электромагнитное устройство статического типа, содержащее две или более обмотки, связанные индуктивно. С помощью метода электромагнитной индукции преобразует переменный ток в постоянный. Состоит из проволочных изолированных или ленточных катушек (обмоток), подвергающихся воздействию магнитного общего потока , намотанных на сердечник из ферромагнитного мягкого материала.

Немного об этапах развития

При производстве трансформаторов используют свойства материалов: металлические, магнитные, неметаллические. Для производства современного оборудования применили свои знания и открытия многие исследователи прошлых лет. А. Г. Столетов выявил петлю гистерезиса и особенную структуру ферромагнитного сплава. Теорию электромагнитных цепей разработали Братья Гопкинсоны.

Электромагнитная индукция открыта М. Фарадеем, это явление заложено в основу действия трансформатора. Схема первого трансформатора впервые появилась в работах Генри и Фарадея в 1831 году. Но ученые тогда еще не рассматривали прибор в качестве преобразователя переменного тока.

Француз-механик в 1848 году запатентовал индукционную катушку, которая стала прообразом трансформатора. В 1876 году впервые изобрел трансформатор Яблочков П. Н . , прибор представлял собой стержень с несколькими обмотками. Трансформаторы, имеющие замкнутые сердечники, были сконструированы братьями Гопкинсами в 1884 году.

С применением масляного охлаждения прибор стал выполнять свои функции более надежно. Устройство помещалось в сосуды из керамики с маслом, это вело к повышению надежности обмоток. Русский изобретатель механик Доливо-Добровольский М. О. сконструировал первый трехфазный двигатель асинхронного типа, трехфазную систему переменного тока и впервые сделал трёхфазный трансформатор с мощностью 230 КВт, работающий от напряжения 5 В.

Силовые трансформаторы начали выпускать в 1928 году с открытием Московского завода трансформаторов. В начале 1900 годов английский металлург сделал первую тонну трансформаторной стали для производства сердечников. А в начале 30-х годов XX века отмечено появление магнитного насыщения на 50%, уменьшение потерь на гистерезис в 4 раза, возрастание магнитной проницаемости в 5 раз при комбинированном применении нагревания и прокатки.

Виды трансформаторов

Автотрансформатор

Это вариант трансформатора, принцип работы которого заключается в соединении вторичной и первичной обмотки напрямую, в обмотках прослеживается электрическая и электромагнитная связь. Для подключения и получения различного напряжения в обмотке предусмотрено несколько выводов. Этот вид приборов работает с высоким коэффициентом полезного действия, так как преобразовывается только некоторая часть мощности, что важно при небольшой разнице входного и выходного напряжения.

К отрицательным характеристикам относится отсутствие гальванической развязки (изолирующего слоя) между вторичной и первичной цепью. Используют автотрансформаторы на месте обычных агрегатов для соединения заземленных контуров с показателями напряжения от 110 КВт, при этом коэффициент трансформации не должен превышать показание 3−4.

Положительным является низкая стоимость из-за меньшего веса сердечнниковой стали, медных проводов, отсюда маленькая масса прибора и небольшие габариты.

Силовой

Обычный стандартный прибор для преобразования электричества в сетях и устройствах, принимающих и использующих электрическую энергию.

Принцип работы и устройство трансформатора заключается в подаче питания от источника электричества. Наиболее актуальным является использование для снижения первичных показателей тока до величины, применяемой в измерительных и защитных цепях, сигнализации и управления. Во вторичной обмотке отмечаются показатели тока 5 А или 1 А. Измерительные устройства подключаются к вторичной обмотке, а к первичной подключается цепь, в которой измеряют ток. Для расчета тока во второй обмотке используют показания в первичной обмотке и делят на коэффициент трансформации.

Это прибор для преобразования больших показателей напряжения в низкие значения в стандартных цепях, измерительных линиях, и контурах РЗиА. Устройство питается от источника электрического напряжения, изолирует логические защитные контуры и измерительные цепи от цепи с высокими показателями напряжения.

Импульсного действия

Прибор используется для преобразования сигналов импульса с минимальным искажением формы и длительностью до десятков микросекунд. В основном применяется для передачи импульса прямоугольного типа (наиболее крутой срез и фронт, примерно постоянное колебание амплитуды). Служит для преобразования коротких видеоимпульсов, постоянно повторяющихся, основной задачей является передача трансформируемых импульсов в первоначальном и неискаженном виде. На выходе обмоток требуется получить ту же форму импульса напряжения, но иногда меняется полярность или амплитуда.

Разделительный тип

У этого прибора первичная и вторичная обмотки никак не связаны. Трансформатор используется для увеличения безопасного подключения к электрическим сетям, для случаев одновременного прикасания к токоведущим деталям и земле. Защищает от одновременного прикасания к деталям, которые не находятся под действием тока, но могут под ним оказаться в результате нарушения изоляции. Агрегаты призваны обеспечить гальваническую развязку (изоляцию) электрических цепей.

Пик-трансформатор

Служит для преобразования синусоидального тока в импульсное напряжение с полярностью, меняющейся через каждые полпериода.

Сдвоенный дроссель

Индуктивный встречный фильтр или сдвоенный дроссель представляет собой тип устройства с использованием двух обмоток. Из-за взаимной катушечной индукции он действует эффективнее, чем одинарный дроссель. Используется в качестве входного фильтровального приспособления перед блоками питания, в сигнальных дифференциальных цифровых контурах и в технике со звуком.

Броневой трехфазный

Выпускают две различных базовых конструкции:

стержневую;
броневую.

Обе конструкции не изменяют эксплуатационные качества и надежность прибора, но при изготовлении имеются существенные различия:

стержневой тип включает сердечник и обмотки, при взгляде на конструкцию сердечник скрыт за обмотками, видно только нижнее и верхнее ярмо, ось обмоток имеет вертикальное расположение;
броневой вид прибора включает сердечник в виде обмоток, при этом видно, что сердечник скрывает за собой часть обмоток трансформатора, ось обмоток может располагаться в вертикальном или горизонтальном положении.

Основные составляющие

В их качестве вступают:

магнитная система (сердечник, магнитопровод);
обмотки;
охладительная система.

Магнитная система

Состоит из элементов в комплекте, чаще всего применяются пластины из ферромагнитного материала или электротехнических сталей, которые компонуются в определенной геометрической форме. Ее выбор определяется локализацией в ней основного трансформаторного магнитного поля. Система магнитного воздействия одновременно со всеми узлами, элементами и деталями для соединения частей в общую конструкцию, носит название остова трансформатора.

Часть магнитной системы, включающая основные обмотки, называется стержнем. Другая часть магнитного комплекта, на которой нет рабочих обмоток, и она служит для соединения магнитной цепи, имеет наименование ярмо. В зависимости от того, как расположены стержни, подразделяют:

плоская система, где продольные стержни и ярма расположены в одной плоскости;
пространственная система включает разно плоскостное расположение сердечников и ярм;
симметричная система отличается одинаковой формой и длиной стержней, а их расположение по отношению к ярмам является стандартным для всех элементов;
несимметричная система, в ней все стержни различаются по форме и размеру, а их расположение не отличается симметрией и отлично от других элементов.

Обмотки

Основным конструктивным элементом обмотки служит виток, являющийся рядом параллельных соединенных проводников (в многопроволочном варианте жилы), один раз охватывающий часть магнитного сердечника. Ток витка совместно с током других витков, проводников и частей трансформатора продуцирует магнитное трансформаторно поле, в котором наводится под действием магнитного поля сила, движущая ток.

Обмоткой называется общее число витков, образующих электрический контур для суммирования ЭДС в витках. Трехфазный трансформатор имеет в конструкции комплект обмоток из трех рабочих фаз. Проводник обычно квадратного сечения, чтобы увеличить площадь его делят на два или несколько проводящих стержня. Этот прием помогает снизить вихревые токи и облегчить работу обмотки. Квадратный проводник называется жилой. В качестве обмотки используется транспонированный кабель.

Изоляцию делают бумажной обмоткой или лаком на эмалевой основе. Две параллельные жилы могут выполняться в единой изоляции, такой комплект называется кабелем. Чтобы понять, как работает трансформатор, нужно знать разделение обмоток по типам. В зависимости от назначения обмотки бывают:

основные, те, что принимают преобразованную энергию или отводят переменный ток;
регулирующие предусмотрены для нормализации коэффициента напряжения при небольших показаниях тока в обмотках;
вспомогательные предназначены для электрического снабжения собственных нужд меньшей мощности, чем номинальная трансформаторная мощность, подмагничивания магнитной системы током постоянного значения.

В зависимости от варианта исполнения обмотки делят:

рядовые - витки делаются по всей длине в направлении оси, последующие витки наматывают плотно, без пробелов;
винтовые - имеют многослойное наложение, предусмотрены расстояния между витками или заходами обмотки;
дисковые обмотки содержат последовательно соединенные диски, при этом в центр каждого наматывается обмотка в форме спирали;
фольговый вид обмотки выполнен из листа алюминия или меди, разной толщины.

Бак для охлаждения

Представляет собой масляный резервуар, обеспечивает защиту активного ингредиента, служит опорой для приборов управления и вспомогательных приборов. Перед добавлением масла в баке выкачивают воздух для безопасной диэлектрической прочности изоляции. При изготовлении звуковые частоты от сердечника трансформатора и от элементов бака должны совпадать.

Конструкция предусматривает дополнительные параметры для расширения масла в условиях нагревания, иногда это дополнительный расширительный бак. Если увеличивается номинальная мощность трансформатора, то токи внутри и снаружи ведут к перегреву конструкции. Аналогично действует магнитный рассеянный поток внутри бака. Чтобы снизить отрицательное воздействие делают вставки из немагнитных материалов, окружая ими проходные сильноточные изоляторы.

Применение трансформаторов

Так как потери для нагревания провода пропорциональны силе тока в квадрате, идущему по этому проводу, то при передаче электричества на длинные расстояния следует применять высокое напряжение при низкой силе тока. Из-за обеспечения безопасности в бытовых условиях не применяют слишком высокое напряжение. Для регулировки напряжения в сети используют трансформаторы, которые повышают напряжение перед передачей по высоковольтным линиям, затем снижение показателей перед потребительским применением.

Для питания различных узлов приема электроэнергии требуются разнообразные показатели напряжения (в телевизоре, компьютере). В прошлых периодах трансформатор был тяжелым и громоздким, но с увеличением частоты переменного тока размеры прибора можно уменьшить. Поэтому в современных устройствах сначала выпрямляют электрический ток, затем его преобразуют в импульсы с высокой частотой. Последние токи идут на импульсный трансформатор для трансформации в нужное напряжение.

Принцип действия:

В устройстве существуют 2 обмотки , их называют первичной и вторичной. К внешнему источнику подключается только первичная обмотка, тогда как вторичная обмотка предназначена для снятия напряжения.
Включая в электросеть первичную обвивку , в магнитопроводе создаётся магнитное поле (переменное) от первичной обмотки, в результате чего образуется ток вторичной обмотки, если его замкнуть через приёмник.
Синхронно в первичной обвивке образуется нагрузочный ток.
Отсюда происходит трансформирование электрической энергии, когда первичная сеть передаёт её вторичной. В результате, приёмник получит ту величину, на которую рассчитан прибор.

схема работы

Явление взаимной индукции, является основой работы трансформатора:

Чтобы улучшить магнитную связь 2 обмоток, они укладываются на магнитопровод стальной структуры.
В свою очередь , делается изоляция не только между ними, но и с магнитопроводом.
Каждая обмотка имеет свою маркировку. Если обмотка с высоким напряжением, её обозначают (ВН), низким – (НН).
Первичная обмотка подключается к электросети, вторичная – к приёмнику.

Напряжение на обвивках имеют различную величину, и от того в каких целях будет применяться устройство, зависит величина на обвивках:

Повышающий трансформатор будет иметь меньше напряжение на первичной обвивке, чем на второй.
Понижающий прибор , в точности всё наоборот.

Использование их различно:

На больших расстояниях используются повышающие приборы.
Если надо распределить электроэнергию потребителям – понижающие.

Существуют приборы с 3 обмотками, когда надо получить не только высокое и низкое напряжение, но и среднюю величину (СН).

Обвивки такого устройства также изолированы друг от друга и имеют подключение от электроэнергии одной обвивкой, когда 2 другие подсоединяются к разным приёмникам:

Обвивки имеют форму цилиндра и выполняются намоткой медного провода, имеющего круглое сечение для малых токов.
Для тока большой величины используются шины с прямоугольным сечением.
На сердечник магнитопровода делается обвивка для малого напряжения, так как она легко изолируется, по сравнению с обвивкой высокого номинала.
Сам сердечник исполняется круглой формы , если обвивка в форме цилиндра. Это делается для уменьшения немагнитных зазоров, и уменьшить длину витков обвивок. Отсюда уменьшится и масса меди на заданную площадь сечения круглого магнитопровода.
Круглый стержень проходит сложный процесс сборки из стальных листов. И чтобы упростить задачу, в устройствах с большим напряжением используются стержни со ступенчатым поперечным сечением, когда их число достигает всего 17 штук.
В мощных агрегатах устанавливаются дополнительные вентиляционные каналы, для охлаждения магнитопровода. Это достигается расположением их перпендикулярно и параллельно поверхности листов из стали.
В менее мощных устройствах сердечник выполняется с прямоугольным сечением.

Назначение и типы

трехфазный трансформатор

Трансформатор, можно назвать преобразователем одной величины напряжения или тока в другую.

Они могут быть:

трёхфазными;
однофазными;
понижающими;
повышающими;
измерительными и т.д.;

Назначение прибора: передаёт и распределяет электроэнергию заказчику.

В приборе есть активные компоненты: обвивка и сердечник магнитопоровода. В свою очередь, сердечник может быть стержневым и броневым. Для них используется холоднокатаная горячекатаная электротехническая сталь.

Обвивку используют непрерывную, винтовую, цилиндрическую, дисковую.

Среди современных изделий можно отметить следующие:

тороидальные;
броневые;
стержневые;

Они имеют характеристики похожие друг с другом, с высокой надёжностью. Единственное, что их различает – это способ изготовления.

В стержневом варианте, обвивка наматывается вокруг сердечника, тогда как в броневом типе идёт включение в сердечник. Поэтому, в стержневом типе, обвивку можно увидеть и располагается она только горизонтально, а в броневом, она скрыта, но может быть, как горизонтально, так и вертикально размещена.

Какой бы тип мы не рассматривали, у него имеются 3 компонента:

система охлаждения;
обвивка;
магнитопровод;

За счёт приборов удаётся значительно повысить напряжённость, идущую с электрических станций, на дальние расстояния, при этом, потери энергии будут минимальные по проводам. На основании вышеизложенного, можно использовать провода на линиях передач, с меньшей площадью сечения.

Потребителю также можно уменьшать потребление энергии с высоковольтных линий до номинальных значений (380, 220, 127 В).

Область применения и виды

трансформатор в телевизоре

Бытовые трансформаторы защищают технику при перепадах напряжения.

Поэтому применяют их в следующих приборах:

в освещении;
осциллографах;
телевизорах;
радиоприёмниках;
измерительных устройствах и т.д;

Сварочные экземпляры, разделяющие силовую и сварочную сеть, активно используются при сварке и электротермических конструкциях, где успешно понижают величину напряжения до обязательных номиналов.

В энергосети используются масляные агрегаты, где напряжённость 6 и 10 кВ.

Многие автоматические конструкции используют трансформаторы, где напряжение на обвивках несуидальное.

Виды:

Вращающийся . Передача сигнала ведётся на объекты, которые вращаются. Например, видеомагнитофон, где передача сигнала ведётся на барабан узла магнитной головки. Здесь существуют 2 половины магнитопровода и вращение их происходит с минимальным зазором в отношении друг друга. На основании этого, реализуется большая скорость оборотов, в контактном способе сигнала достичь такого эффекта не считается возможным.
Пик-трансформатор . В этом варианте происходит преобразование синусоидального напряжения в сплески, имеющие пикообразную форму. Активно используются в управлении тиристоров, а также электронных и полупроводниковых устройств.
Согласующий . Принимает участие в согласовании сопротивлений в разных промежутках электронной схемы, при этом, форма сигнала искажается минимально. Синхронно обеспечивается гальваническая развязка между зонами схем.
Разделительный . Здесь 2 обмотки не соединены между собой электрически. Такая схема даёт возможность повысить безопасность электрических сетей. Когда происходит случайное одновременное прикосновение к токоведущей части и земли, выдаётся гальваническая развязка электрической цепи.
Импульсный . В этом варианте преобразуются импульсные сигналы за очень короткий промежуток времени (десятки микросекунд), при этом, искривление конфигурации импульса минимально.
По напряжению . Здесь происходит конверсия большого напряжения в низкую величину. Этот вариант позволяет изолировать измерительные и логические цепи от большого напряжения.
По току . В этом типе измеряются цепи с большим током. Например, в конструкциях релейных щитов электроэнергетических систем. Поэтому, применяются достаточно жёсткие требования к точности.
Автотрансформатор . В этом типе соединение 2 обмоток ведётся напрямую. В результате, создаётся электрическая и электромагнитная связь, чем объясняется высокий КПД этого вида. Недостатком такого устройства, можно назвать отсутствие изоляции, то есть не существует гальваническая развязка.
Силовой . Этот вариант используется при изменяемом токе и преобразует электрическую энергию в установках и электросетях. Широко применяется этот тип на линиях ЛЭП с высокой напряжённостью (35-750 кВ), городских электрических сетях (10 и 6 кВ).
Сдвоенный дроссель . Наличие 2 равных обвивок, даёт возможность получить более результативный дроссель, чем обычный. Их используют на вводе фильтра в блоке питания, а также в звуковом оборудовании.
Трансфлюксор . Оставшаяся намагниченность магнитного провода имеет большую величину, что позволяет использовать его для сохранения сведений.

Немного из истории

Изобретение трансформаторов начиналось ещё в 1876 году, великим русским учёным П.Н. Яблоковым. Тогда его изделие не имело замкнутого сердечника, который появился значительно позже – 1884 год. И с появлением прибора учёные активно стали интересоваться переменным током.

Например, уже в 1889 году, М.О. Доливо-Добровольским (русским электротехником) была предложена трёхфазная система переменного тока. Им был построен первый 3-х фазный

Уже через пару лет, электромеханик предоставил свои работы на выставке, где произошла презентация трёхфазной высоковольтной линии, имеющую протяженность 175 км, где успешно повышалась и понижалась электроэнергия.

Немного позже, пришла очередь масляным агрегатам, так как масло не только оказалось хорошим изолятором, но и прекрасной охлаждающей средой.

В 20 столетии появились изделия более компактные и экономичные. Производителями продукции являлись иностранные фирмы. На настоящий момент, выпуском продукции занимаются и отечественные фирмы.

Трансформаторы - это устройства предназначенные для преобразования электроэнергии. Их основная задача - изменение значения переменного напряжения. Трансформаторы используются как в виде самостоятельных приборов, так и в качестве составных элементов других электротехнических устройств.

Достаточно часто трансформаторы используются при передаче электроэнергии на дальние расстояния. Непосредственно на электрогенерирующих предприятиях они позволяют существенно повысить напряжение, которое вырабатывается источником переменного тока.

Повышая напряжение до 1150 кВт, трансформаторы обеспечивают более экономную передачу электроэнергии: значительно снижаются потери электричества в проводах и появляется возможность уменьшить площадь сечения кабелей, используемых в линиях электропередач.

Принцип работы трансформатора основан на эффекте электромагнитной индукции. Классическая конструкция состоит из металлического магнитопровода и электрически не связанных обмоток выполненных из изолированного провода. Та обмотка, на которую подается электроэнергия, называется первичной. Вторая - подсоединённая к устройствам, потребляющим ток, называется вторичной.

После того как трансформатор подсоединяют к источнику переменного тока в его первичная обмотка формирует переменный магнитный поток. По магнитопроводу он передается на витки вторичной обмотки, индуцируя в них переменную ЭДС (электродвижущую силу). При наличии устройства потребления в цепи вторичной обмотки возникает электрический ток.

Соотношение между входным и выходным напряжением трансформатора прямо пропорционально отношению количества витков соответствующих обмоток.

Эта величина называется коэффициентом трансформации: Ктр=W 1 /W 2 =U 1 /U 2 , где:

W1, W2 - количество витков первичной и вторичной обмоток соответственно;
U1,U2 - входное и выходное напряжения соответственно.

Обмотки могут быть расположены либо в виде отдельных катушек либо одна поверх другой. У маломощных устройств обмотки выполняются из провода с хлопчатобумажной или эмалевой изоляцией. Микро трансформатор имеет обмотки из алюминиевой фольги толщиной не более 20-30 мкм. В качестве изолирующего материала выступает оксидная пленка, полученная естественным окислением фольги.

ВИДЫ И ТИПЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Трансформаторы - это достаточно широко распространенные устройства, поэтому существует множество их разновидностей. По конструктивному исполнению и назначению они делятся на:

Автотрансформаторы.

Они имеют одну обмотку с несколькими отводами. За счет переключения между этими отводами можно получить разные показатели напряжения. К недостаткам следует отнести отсутствие гальванической развязки между входом и выходом.

Импульсные трансформаторы.

Предназначены для преобразования импульсного сигнала незначительной продолжительности (около десятка микросекунд). При этом форма импульса искажается минимально. Обычно используется в цепях обработки видеосигнала.

Разделительный трансформатор.

Конструкция этого устройства предусматривает полное отсутствие электрической связи между первичной и вторичными обмотками, то есть обеспечивает гальваническую развязку между входными и выходными цепями. Используется для повышения электробезопасности и, как правило, имеет коэффициент трансформации равный единице.

Пик-трансформатор.

Используется для управления полупроводниковыми электрическими устройствами типа тиристоров. Преобразует синусоидальное напряжение переменного тока в пикообразные импульсы.

Стоит выделить способ классификации трансформаторов по способу их охлаждения.

Различают сухие устройства с естественным воздушным охлаждением в открытом, защищенном и герметичном исполнении корпуса и с принудительным воздушным охлаждением.

Устройства с жидкостным охлаждением могут использовать различные типы теплообменной жидкости. Чаще всего это масло, однако встречаются модели где в качестве теплообменного вещества используется вода или жидкий диэлектрик.

Кроме того производят трансформаторы с комбинированным охлаждением жидкостно-воздушным. При этом каждый из способов охлаждения может быть как естественным, так и с принудительной циркуляцией.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

К основным техническим характеристиками трансформаторов можно отнести:

уровень напряжения: высоковольтный, низковольтный, высоко потенциальный;
способ преобразования: повышающий, понижающий;
количество фаз: одно- или трехфазный;
число обмоток: двух- и многообмоточный;
форму магнитопровода: стержневой, тороидальный, броневой.

Один из основных параметров - это номинальная мощность устройства, выраженная в вольт-амперах. Точные граничные показатели могут несколько различаться в зависимости от количества фаз и других характеристик. Однако, как правило, маломощными считаются устройства, преобразовывающие до нескольких десятков вольт-ампер.

Приборами средней мощности считаются устройства от нескольких десятков до нескольких сотен, а трансформаторы большой мощности работают с показателями от нескольких сотен до нескольких тысяч вольт-ампер.

Рабочая частота – различают устройства с пониженной частотой (менее стандартной 50 Гц), промышленной частоты – ровно 50 Гц, повышенной промышленной частоты (от 400 до 2000 Гц) и повышенной частоты (до 1000 Гц).

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Трансформаторы получили широкое распространение, как в промышленности, так и в быту. Одной из основных областей их промышленного применения является передача электроэнергии на дальние расстояния и ее перераспределение.

Не менее известны сварочные (электротермические) трансформаторы. Как видно из названия, данный тип устройств применяется в электросварке и для подачи питания на электротермические установки. Также достаточно широкой областью применения трансформаторов является обеспечение электропитания различного оборудования.

В зависимости от назначения трансформаторы делят на:

Являются наиболее распространенным типом промышленного трансформатора. Применяются для повышения и понижения напряжения. Используется в линиях электропередач. По пути от электрогенерирующих мощностей до потребителя электроэнергия может несколько раз проходить через повышающие силовые трансформаторы, в зависимости от удалённости конкретного потребителя.

Перед подачей непосредственно на приборы потребления (станки, бытовые и осветительные приборы) электроэнергия претерпевает обратные преобразования, проходя через силовые понижающие трансформаторы.

Тока.

Выносные измерительные трансформаторы тока используются для обеспечения работоспособности цепей учета электроэнергии защиты энергетических линий и силовых автотрансформаторов. Они имеют различные размеры и эксплуатационные показатели. Могут размещаться в корпусах небольших приборов или являться отдельными, габаритными устройствами.

В зависимости от выполняемых функций различают следующие виды:

измерительные - подающее ток на приборы измерения и контроля;
защитные - подключаемые к защитным цепям;
промежуточные - используется для повторного преобразования.

Напряжения.

Они применяются для преобразования напряжения до нужных величин. Кроме того, такие устройства используются в цепях гальванической развязки и электро- радио- измерениях.

Все представленные на этом сайте материалы имеют исключительно информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Трансформатор – статический электромагнитный аппарат для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, той же частоты. Трансформаторы применяют в электрических цепях при передаче и распределении электрической энергии, а также в сварочных, нагревательных, выпрямительных электроустановках и многом другом.

Трансформаторы различают по числу фаз, числу обмоток, способу охлаждения. В основном используются силовые трансформаторы, предназначенные для повышения или понижения напряжения в электрических цепях.

Устройство и принцип работы

Схема однофазного двухобмоточного трансформатора представлена ниже.

На схеме изображены основные части: ферромагнитный сердечник, две обмотки на сердечнике. Первая обмотка и все величины которые к ней относятся (i1-ток, u1-напряжение, n1-число витков,Ф1 – магнитный поток) называют первичными, вторую обмотку и соответствующие величины - вторичными.

Первичную обмотку включают в сеть с переменным напряжением, её намагничивающая сила i1n1 создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф, который сцеплен с обеими обмотками и в них индуцирует ЭДС e1= -n1 dФ/dt, e2= -n2dФ/dt. При синусоидальном изменении магнитного потока Ф = Фm sinωt , ЭДС равно e = Em sin (ωt-π/2). Для того чтобы посчитать действующее значение ЭДС нужно воспользоваться формулой E=4.44 f n Фm, где f- циклическая частота, n – количество витков, Фm – амплитуда магнитного потока. Причем если вы хотите посчитать величину ЭДС в какой либо из обмоток, нужно вместо n подставить число витков в данной обмотке.

Из приведенных выше формул можно сделать вывод о том, что ЭДС отстает от магнитного потока на четверть периода и отношение ЭДС в обмотках трансформатора равно отношению чисел витков E1/E2=n1/n2.

Если вторая обмотка не находится под нагрузкой, значит трансформатор находится в режиме холостого хода. В этом случае i2 = 0, а u2=E2, ток i1 мал и мало падение напряжения в первичной обмотке, поэтому u1≈E1 и отношение ЭДС можно заменить отношением напряжений u1/u2 = n1/n2 = E1/E2 = k. Из этого можно сделать вывод, что вторичное напряжение может быть меньше или больше первичного, в зависимости от отношения чисел витков обмоток. Отношение первичного напряжения ко вторичному при холостом ходе трансформатора называется коэффициентом трансформации k.

Как только вторичная обмотка подключается к нагрузке, в цепи возникает ток i2, то есть совершается передача энергии от трансформатора, который получает ее из сети, к нагрузке. Передача энергии в самом трансформаторе происходит благодаря магнитному потоку Ф.

Обычно мощность на выходе и мощность на входе приблизительно равны, так как трансформаторы являются электрическими машинами с довольно высоким КПД, но если требуется произвести более точный расчет, то КПД находиться как отношение активной мощности на выходе к активной мощности на входе η = P2/P1.

Магнитопровод трансформатора представляет собой закрытый сердечник собранный из листов электротехнической стали толщиной 0,5 или 0,35мм. Перед сборкой листы с обеих сторон изолируют лаком.

По типу конструкции различают стержневой (Г-образный) и броневой (Ш-образный) магнитопроводы. Рассмотрим их структуру.

Стержневой трансформатор состоит из двух стержней, на которых находятся обмотки и ярма, которое соединяет стержни, собственно, поэтому он и получил свое название. Трансформаторы этого типа применяются значительно чаще, чем броневые трансформаторы.

Броневой трансформатор представляет собой ярмо внутри которого заключается стержень с обмоткой. Ярмо как бы защищает стержень, поэтому трансформатор называется броневым.

Обмотка

Конструкция обмоток, их изоляция и способы крепления на стержнях зависят от мощности трансформатора. Для их изготовления применяют медные провода круглого и прямоугольного сечения, изолированные хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой. Обмотки должны быть прочными, эластичными, иметь малые потери энергии и быть простыми и недорогими в изготовлении.

Охлаждение

В обмотке и сердечнике трансформатора наблюдаются потери энергии, в результате которых выделяется тепло. В связи с этим трансформатору требуется охлаждение. Некоторые маломощные трансформаторы отдают свое тепло в окружающую среду, при этом температура установившегося режима не влияет на работу трансформатора. Такие трансформаторы называют “сухими”, т.е. с естественным воздушным охлаждением. Но при средних и больших мощностях, воздушное охлаждение не справляется, вместо него применяют жидкостное, а точнее масляное. В таких трансформаторах обмотка и магнитопровод помещены в бак с трансформаторным маслом, которое усиливает электрическую изоляцию обмоток от магнитопровода и одновременно служит для их охлаждения. Масло принимает теплоту от обмоток и магнитопровода и отдает ее стенкам бака, с которых тепло рассеивается в окружающую среду. При этом слои масла имеющие разницу в температуре циркулируют, что улучшает теплообмен. Трансформаторам с мощностью до 20-30 кВА хватает охлаждения бака с гладкими стенками, но при больших мощностях устанавливаются баки с гофрированными стенками. Также нужно учитывать что при нагреве масло имеет свойство увеличиваться в объеме, поэтому в высокомощных трансформаторах устанавливают резервные баки и выхлопные трубы (в случае если масло закипит, появятся пары которым нужен выход). В трансформаторах меньшей мощности ограничиваются тем, что масло не заливают до самой крышки.