Назначение принцип действия и устройство трансформатора

Трансформатор – это электротехническое устройство, преобразователь электрической энергии одного напряжения в другое.

Принцип его действия основан на взаимной индукции. Обычно устройство состоит из магнитного сердечника и двух обмоток – первичной и вторичной. Первичная обмотка подключается к сети переменного тока, который, протекая по ней, создает в сердечника магнитный поток (обмотка закручивается вокруг сердечника, образуя витки). Магнитный поток, проходя через все витки, создает ЭДС, что приводит к уменьшению или повышению напряжения и преобразованию тока. После того, как к вторичной обмотке будет подключен приемник, то по ней начнет протекать электрический ток с выходным напряжением. Выходное напряжение всегда будет больше или меньше входного, а точная разница зависит от коэффициента трансформации.

Параллельно в первичной обмотке образуется нагрузочный ток, который суммируется с входным и формирует ток первичной обмотки. Важно, чтобы трансформатор передавал с первичной обмотки на вторичную ток, величина которого совпадает с требованиями приемного устройства.

Устройство трансформаторов

Магнитный сердечник используется для повышения магнитной связи между обмотками двух типов. Обмотки изолируют и друг от друга, и от сердечника. Обмотки бывают высшего и низшего напряжения, но какая будет какой зависит от типа трансформатора. В понижающих трансформаторах первичная обмотка имеет высшее напряжение, а в повышающих – низшее.

Разница между обмотками следующая:

  • Первичная обмотка всегда подключается к источнику питания.
  • Вторичная обмотка – к приемнику, потребляющему электроэнергию.

Трансформаторы ТМГ 12 и других типов могут использоваться и как понижающие, и как повышающие устройства. Понижающие трансформаторы необходимы для преобразования электрической энергии, поступающей с линий высоковольтных передач или с промышленной сети питания до приемлемых значений, требуемых при эксплуатации оборудования, а повышающие – для передачи электроэнергии на большие расстояния.

Также существуют трансформаторы с тремя обмотками. В таком случае к магнитопроводу крепятся все три обмотки, которые изолированы друг от друга. Одна обмотка подключается к источнику питания, а две другие используются для получения электрического тока разного напряжения, необходимого для питания разных приборов. Самым простым примером такой конструкции можно назвать зарядное устройство, работающее от автомобильного прикуривателя, с двумя портами. Один порт можно выдавать ток 2А, а другой – 5А.

Назначение трансформаторов

Разные виды трансформаторов используются практически во всех схемах питания электрических приборов и при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Трансформаторы принцип действия, конструкция, классификация

Электростанции вырабатывают ток относительно небольшого напряжения – 220, 380, 660В. Трансформаторы, повышая напряжение до значений порядка тысяч киловольт, позволяют существенно снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, а заодно и уменьшить площадь сечения проводов ЛЭП.

Гигантский трансформатор

Непосредственно перед тем как попасть к потребителю (например, в обычную домашнюю розетку), ток проходит через понижающий трансформатор. Именно так мы получаем привычные нам 220 Вольт.

Самый распространенный вид трансформаторов – силовые трансформаторы. Они предназначены для преобразования напряжения в электрических цепях. Помимо силовых трансформаторов в различных электронных приборах применяются:

  • импульсные трансформаторы;
  • силовые трансформаторы;
  • трансформаторы тока.

Принцип работы трансформатора

Трансформаторы бывают однофазные и многофазные, с одной, двумя или большим количеством обмоток. Рассмотрим схему и принцип работы трансформатора на примере простейшего однофазного трансформатора.

Кстати, в других статьях можно почитать, что такое фаза и ноль в электричестве.

Из чего состоит трансформатор? Во простейшем случае из одного металлического сердечника и двух обмоток. Обмотки электрически не связаны одна с другой и представляют собой изолированные провода.

Одна обмотка (ее называют первичной) подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, называемая вторичной, подключается к конечному потребителю тока.

Принцип устройства трансформатора

Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, в витках его первичной обмотки течет переменный ток величиной I1. При этом образуется магнитный поток Ф, который пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС.

Бывает, что вторичная обмотка не находится под нагрузкой. Такой режимы работы трансформатора называется режимом холостого хода. Соответственно, если вторичная обмотка подключена к какому-либо потребителю, по ней течет ток I2, возникающий под действием ЭДС.

Величина ЭДС, возникающей в обмотках, напрямую зависит от числа витков каждой обмотки. Отношение ЭДС, индуцированных в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению количества витков соответствующих обмоток.

Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки.

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.

Характеристики

В работе трансформаторных установок первостепенное значение имеет следующий ряд технических характеристик:

Величина рассчитывается по следующей формуле:

Кт – коэффициент трансформации.

В1 – количество витков проводника в 1-ой обмотке.

В2 – число витков во 2-ой намотке.

Коэффициент трансформации необходим для расчета степени понижения или повышения во время сборки агрегата.

КПД трансформатора определяет общие потери мощности – по соотношению на выходе и входе. Величина мощности определяется площадью сердечника, и, следовательно, при расчете задает количество витков намотки.

Современный трансформатор

Для этого применяется такая формула:

Пс – площадь сечения магнитовода.

В общем, параметр характеризует, насколько эффективно выполняет свою функцию установка. Так, у совершенных моделей величина может достигать 99 %.

Утрата электроэнергии в трансформаторе происходит 2-мя путями:

  1. На обмотках, или в меди – определяется нагрузочным током.
  2. На сердечнике, или в стали – задается напряжением.

Потери энергии на обмотках определяются силой тока нагрузки, и при отображении на графике выделяются параболической зависимостью. Потери на сердечнике определяются напряжением, и выстраиваются по графической прямой.

При этом обе величины измеряются в ваттах и при расчетах суммируются, формируя итоговую характеристику для установки. На практике замер параметра дает понять реальный КПД трансформатора и при необходимости улучшить его работу.

Справка! Трансформатор функционирует только в сетях с переменным напряжением. При подаче на первичную обмотку постоянного тока возникнет постоянный магнитный поток, и напряжение во вторичной обмотке не образуется.

Трансформаторы для светодиодной ленты

Разновидности

Доступные на сегодня трансформаторы классифицируются по следующему ряду признаков:

В зависимости от сферы применения устройства подразделяются на несколько видов:

  1. Силовые – преобразуют ток большой мощности как в сетях, так и на установках.
  2. Для систем освещения – используются для электропитания подсветок и систем освещения.
  3. Сварочные – применяются для стабилизации сварочной дуги в сварочных аппаратах.
  4. Измерительные – устанавливаются в инструменты для проведения измерений.
  5. Импульсные – применяются в современных точных устройствах для сохранности выходной формы электротока.

Кроме того, трансформаторные модули могут иметь обозначение по применимости к конкретному месту, устройству, технике.

Сварочный аппарат – это электротрансформатор

  • Типу охлаждения.

Для успешной работы трансформатору требуется эффективное отведение вырабатываемого тепла. Для этого применяется 2 типа систем охлаждения:

  1. Воздушные или сухие – с охлаждением за счет воздуха. Это стандартные бытовые установки для работы в 2-х и 3-х-фазных сетях.
  2. Масляные – с радиаторной системой отвода тепла, где в качестве теплоносителя заливается минеральное масло. Как правило, это агрегаты мощностью свыше 6 кВт.

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:

Виды магнитопроводов

  • 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.

Тока

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

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

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

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

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

На схемах трехфазных трансформаторов обмотки начинаются со стороны сердечника.

§63. Назначение и принцип действия трансформатора

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Трансформаторы позволяют значительно повысить напряжение, вырабатываемое источниками переменного тока, установленными на электрических станциях, и осуществить передачу электроэнергии на дальние расстояния при высоких напряжениях (110, 220, 500, 750 и 1150 кВ). Благодаря этому сильно уменьшаются потери энергии в проводах и обеспечивается возможность значительного уменьшения площади сечения проводов линий электропередачи.

В местах потребления электроэнергии высокое напряжение, подаваемое от высоковольтных линий электропередачи, снова понижается трансформаторами до сравнительно небольших значений (127, 220, 380 и 660 В), при которых работают электрические потребители, установленные на фабриках, заводах, в депо и жилых домах. На э. п. с. переменного тока трансформаторы применяют для уменьшения напряжения, подаваемого из контактной сети к тяговым двигателям и вспомогательным цепям.

Кроме трансформаторов, применяемых в системах передачи и распределения электроэнергии, промышленностью выпускаются трансформаторы: тяговые (для э. п. с), для выпрямительных установок, лабораторные с регулированием напряжения, для питания радиоаппаратуры и др. Все эти трансформаторы называют силовыми.

Трансформаторы используют также для включения электроизмерительных приборов в цепи высокого напряжения (их называют измерительными), для электросварки и других целей. Трансформаторы бывают однофазные и трехфазные, двух- и многообмоточные.

Принцип действия трансформатора.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из стального магнитопровода 2 (рис. 212) и двух расположенных на нем обмоток 1 и 3.

Рис. 212. Схема включения однофазного трансформатора

Рис. 212. Схема включения однофазного трансформатора

Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны. К одной из обмоток подается электрическая энергия от источника переменного тока. Эту обмотку называют первичной. К другой обмотке, называемой вторичной, подключают потребители (непосредственно или через выпрямитель).

При подключении трансформатора к источнику переменного тока (электрической сети) в витках его первичной обмотки протекает переменный ток i1, образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные э. д. с. е1 и е2. Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием э. д. с. е2 по ее цепи проходит ток i2.

Э. д. с, индуцированная в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его изменения. Магнитный поток каждого трансформатора является определенной величиной, зависящей от напряжения и частоты изменения переменного тока в источнике, к которому подключен трансформатор. Постоянна также и скорость изменения магнитного потока, она определяется частотой изменения переменного тока.

Следовательно, в каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая э. д.с. В результате этого отношение действующих значений э. д. с. Е1 и E2, индуцированных в первичной и вторичной обмотках трансформатора, будет равно отношению чисел витков N1 и N2 этих обмоток, т. е.

Отношение э. д. с. Евн обмотки высшего напряжения к э. д. с. Eнн обмотки низшего напряжения (или отношение чисел их витков) называется коэффициентом трансформации,

Коэффициент трансформации всегда больше единицы. Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (в трансформаторах средней и большой мощности они не превышают обычно 2—5 % номинальных значений напряжений U1 и U2), то можно считать, что отношение напряжения U1 первичной обмотки к напряжению U2 вторичной обмотки приблизительно равно отношению чисел их витков, т. е.

Таким образом, подбирая требуемое соотношение между числами витков первичной и вторичной обмоток, можно увеличивать или уменьшать напряжение на приемнике, подключенном к вторичной обмотке. Если необходимо на вторичной обмотке получить напряжение большее, чем подается на первичную, то применяют повышающие трансформаторы, у которых число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной.

В понижающих трансформаторах, наоборот, число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной.

Трансформатор не может осуществить преобразование напряжения постоянного тока. При подключении его первичной обмотки к сети постоянного тока в трансформаторе создается постоянный по величине и направлению магнитный поток, который не может индуцировать э. д. с. в первичной и вторичной обмотках. Поэтому не будет происходить передачи электрической энергии из первичной обмотки во вторичную.

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока через эту обмотку проходит некоторый ток, называемый током холостого хода. При включении нагрузки по вторичной обмотке трансформатора начинает проходить ток, при этом увеличивается и ток, проходящий по первичной обмотке.

Чем больше нагрузка трансформатора, т. е. электрическая мощность и ток i2, отдаваемые его вторичной обмоткой подключенным к ней приемникам, тем больше электрическая мощность и ток i1, поступающие из сети в первичную обмотку.

Ввиду того что потери мощности в трансформаторе обычно малы, можно приближенно принять, что мощности в первичной и вторичной обмотках одинаковы. В этом случае можно считать, что токи в обмотках трансформатора приблизительно обратно пропорциональны напряжениям: I1/I2 ≠ U2/U1 или что токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числам витков первичной и вторичной обмоток: I1/I2 ≠ N2/N1.

Это означает, что в повышающем трансформаторе ток во вторичной обмотке меньше, чем в первичной (во столько раз, во сколько напряжение U2 больше напряжения U1), а в понижающем ток во вторичной обмотке больше, чем в первичной.

Поэтому в трансформаторах обмотки высшего напряжения выполняются из более тонких проводов, чем обмотки низшего напряжения.

Типы трансформаторов

Трансформаторы классифицируются по ряду признаков:

  1. По назначению:
  • Силовые — используются в электросетях, электроприводах. Предназначены для передачи больших мощностей.
  • Осветительные — применяются для питания осветительных сетей.
  • Измерительные — используются в измерительных приборах и устройствах.
  • Сварочные — предназначены для стабилизации дуги при электросварке.
  • Импульсные — применяются в импульсных источниках питания.
  1. По роду тока:
  • Для переменного тока — основной тип, используется повсеместно.
  • Для постоянного тока — специальная конструкция, применяется реже.
  1. По способу охлаждения:
  • Сухие — охлаждаются воздухом или естественной конвекцией.
  • Масляные — охлаждаются и изолируются трансформаторным маслом.
  • С жидким диэлектриком — заполняются специальными жидкостями.
  1. По числу фаз:
  • Однофазные.
  • Трёхфазные.
  • Многофазные.

Многофазные трансформаторы применяются в специальных силовых установках, где требуется повышенная надежность и отказоустойчивость. При выходе из строя одной фазы, остальные продолжают работать. Также многофазные трансформаторы могут использоваться для преобразования многофазной системы в другую многофазную систему с другим числом фаз, но в большинстве обычных применений используются всё же однофазные и трёхфазные трансформаторы.

Такое разнообразие трансформаторов позволяет использовать их в самых разных областях электротехники.

Области применения трансформаторов

Трансформаторы широко применяются в различных областях:

  • Электроэнергетика — для передачи и распределения электроэнергии в электрических сетях. Используются мощные силовые трансформаторы на подстанциях для повышения/понижения напряжения.
  • Промышленность — для питания промышленного оборудования, установок, электроприводов. Применяются силовые трансформаторы.
  • Освещение — в системах освещения зданий, улиц, производственных помещений используются осветительные трансформаторы для питания ламп.
  • Электроника — импульсные и высокочастотные трансформаторы применяются в источниках питания, усилителях, передатчиках.
  • Электротермия — сварочные трансформаторы используются в электросварочном оборудовании для стабилизации и регулировки сварочного тока.
  • Измерительная техника — измерительные трансформаторы служат для передачи сигналов измерительной информации приборам.
  • Электротранспорт — тяговые трансформаторы применяются для питания электродвигателей на электровозах, трамваях и т.д.

Трансформаторы играют ключевую роль во многих областях, связанных с производством, передачей и потреблением электроэнергии.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий