По какому закону работает трансформатор. Принцип работы трансформатора. Работа однофазного трансформатора под нагрузкою

Принцип действия:

1. 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.
2. 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.
3. Синхронно в первичной обвивке образуется нагрузочный ток.
4. 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:

1. Чтобы улучшить магнитную связь 2 обмоток, они укладываются на магнитопровод стальной структуры.
2. В свою очередь , делается изоляция не только между ними, но и с магнитопроводом.
3. Каждая обмотка имеет свою маркировку. Если обмотка с высоким напряжением, её обозначают (ВН), низким – (НН).
4. 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:

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

Использование их различно:

1. На больших расстояниях используются повышающие приборы.
2. 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:

1. Обвивки имеют форму цилиндра и выполняются намоткой медного провода, имеющего круглое сечение для малых токов.
2. Для тока большой величины используются шины с прямоугольным сечением.
3. На сердечник магнитопровода делается обвивка для малого напряжения, так как она легко изолируется, по сравнению с обвивкой высокого номинала.
4. 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.
5. 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.
6. В мощных агрегатах устанавливаются дополнительные вентиляционные каналы, для охлаждения магнитопровода. Это достигается расположением их перпендикулярно и параллельно поверхности листов из стали.
7. 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:

1. 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.
2. 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.
3. Согласующий . Принимает участие в согласовании сопротивлений в разных промежутках электронной схемы, при этом, форма сигнала искажается минимально. Синхронно обеспечивается гальваническая развязка между зонами схем.
4. 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.
5. Импульсный . В этом варианте преобразуются импульсные сигналы за очень короткий промежуток времени (десятки микросекунд), при этом, искривление конфигурации импульса минимально.
6. По напряжению . Здесь происходит конверсия большого напряжения в низкую величину. Этот вариант позволяет изолировать измерительные и логические цепи от большого напряжения.
7. По току . В этом типе измеряются цепи с большим током. Например, в конструкциях релейных щитов электроэнергетических систем. Поэтому, применяются достаточно жёсткие требования к точности.
8. 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.
9. 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).
10. 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.
11. 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.

Для того, чтобы в домашних условиях самостоятельно повысить эффективность работы многих устройств и напряжение в электрической сети, часто используются регулирующие устройства. Предлагаем, в связи с этим, рассмотреть принцип работы трансформатора тока понижающего, повышающего, импульсного, Тесла, а также автотрансформатора.

Принцип работы и классификация трансформаторов

Принцип работы измерительного трансформатора (как и разделительного), очень прост. Он подчиняется закону Фарадея электромагнитной индукции. На самом деле взаимная индукция между двумя или более обмотками отвечает за действия преобразования в электрическом трансформаторе.

В соответствии с этим, закон Фарадея гласит: «скорость изменения потокосцепления по времени прямо пропорциональна наведенной ЭДС в проводнике или катушки».

Основы теории трансформатора

Скажем, у нас трансформатор с одной обмоткой, которая соединена с переменным электрическим источником тока. Переменный ток через обмотку производит постоянно меняющийся поток, который окружает катушку. Если любая другая обмотка приближена к предыдущей, определенная часть потока соединяется с ней. Этот поток постоянно меняется в амплитуде и направлении, но в этих случаях должно происходить изменение потокосцепления во вторую обмотку или обмотки.

Согласно закону Фарадея электромагнитной индукции, должно быть ЭДС, которое индуцируется раз в секунду. Если цепь последней обмотки закрыта, то через неё должен проходить электрический ток. Это простейший принцип работы электрического силового или сварочного трансформатора и это основной принцип работы трансформатора.

Схема силового трансформатора

Всякий раз, когда мы используем движение переменного тока к электрической катушки, поток энергии окружает эту обмотку. Поток тока будет неравномерным, и скорость его постоянно изменяется. Естественно ЭКГ будет производиться в нем, как в законе Фарадея, где говорится о явлении электромагнитной индукции. Это наиболее фундаментальное понятие теории трансформатора

Обмотка, которая принимает электрическую мощность от источника, как правило, известна как первичная обмотка трансформатора.

Обмотка, что дает требуемое выходное напряжение из-за взаимной индукции в трансформаторе, называется вторичной обмоткой трансформатора.

Основные конструкционные части трансформатора

Существует три основные части трансформатора:

1. Первичная обмотка трансформатора – производит магнитный поток, когда подключена к электрическому источнику.
2. Магнитный сердечник трансформатора – магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, создает замкнутую магнитную цепь.
3. Вторичная обмотка трансформатора – намотана на сердечник.

Как работает силовой или сварочный трансформатор

Электрический силовой трансформатор является статическим устройством, которое преобразует электрическую энергию от одной схемы к другой без непосредственного соединения, с помощью взаимной индукции между своих обмоток. Он преобразует энергию от одной схемы к другой, не меняя свою частоту, но может работать в разных уровнях напряжения, например если сварщик поменял флюс, или произошел сбой генератора при сварке.

Трехфазный трансформатор

Работа однофазного трансформатора напряжения

Принцип работы однофазного трансформатора не слишком отличается от трехфазного понижающего прибора. Когда электрический ток проходит в первичной обмотке, она создает МП, у которого достаточно мощные силовые линии. Они пронизывают первичную катушку полностью, и вторичную частично. Все эти линии замкнуты вокруг проводников катушек, но их часть замкнута непосредственно на проводниках.

Видео: наглядный урок, который рассказывает о принципе работы трансформатора

Согласно закону о магнитной связи, чем ближе объекты друг к другу, тем сильнее эта связь, но чем они дальше расположены – тем она слабее, и так пока не станет нулевой. Это объясняется тем, что при расположении коаксиального типа, чем обмотки расположены дальше, тем меньше сцепление силовых линий и их проникновение в трансформаторные катушки.

Схема: однофазный трансформатор

Нужно понимать, что в однофазном трансформаторе сила магнитного поля также зависит от тока. Скачки переменного электрического тока могут значительно снизить силу МП, или наоборот. Это еще называется законом электродвижущей силы. Т.е. в первой обмотке производится самоиндукция, а во вторичной – взаимоиндукция.

Как только концы этих обмоток соединятся – устройство, которому необходимо получить результаты работы трансформатора, станет снабжаться электрическим током, принцип работы будет запущен, в определенной последовательности катушки начнут работать.

Работа автотрансформатора

Чаще всего в домашних условиях используется трансформатор не с двумя обмотками, а с одной. Рассмотрим принцип работы электронного автотрансформатора (вольтодобавочного трансформатора), и его характеристики. Данные устройства относятся к трансформаторам специального использования, т.к. их обмотка низкого напряжения у обычных трансформаторов, является обмоткой высокого напряжения, те они связаны между собой не только магнитным полем, но и гальваническим.

Схема: автотрансформатор

Переключая обмотки при желании можно получить либо высокое, либо низкое напряжение. Подключая источник переменного тока к сердечнику, мы получим переменное магнитное поле. И между точками сердечника возникнет, и будет усиливаться ЭДС. Благодаря тому, что сердечник выполнен особенным образом, в нем протекает очень малое количество тока, которое создает достаточно сильное МП. Т.е. при экономии материалов мы получаем разное по необходимости, напряжение.

Автотрансформаторы целесообразнее использовать в областях, где нужно совсем незначительное изменение напряжения и РПН, но на продолжительный отрезок времени. Это лаборатории, небольшие предприятия или домашние хозяйства.

Бывают еще и узкоспециализированные лабораторные трансформаторы, у них несколько иная схема:

Обмотка выполнена из специального ферромагнитного материала, которая сводит вероятность резонансного движения к минимуму. Основные отличия от обычного прибора – это:

1. Кроме ферромагнетика они обмотаны медным проводом;
2. Низкие допустимые параметры – максимальная мощность до 7 кВА;
3. Здесь работает система строчного ролика – на поверхности трансформатора имеется дорожка, по которой передвигается контактирующий ролик или щетка.

Но у такого обмоточного трансформатора есть свои недостатки:

• нужно изолировать вторичные и первичные цепи, т.к. они имеют достаточно сильную электрическую связь;
• нельзя использовать дл защиты в мощных сетях, допустим предел от 6 до 10 кВ;
• ремонт и содержание требует значительных вложений.

Работа гидротрансформатора

Каждый водитель бульдозера либо другой машины, знаком с принципом работы трансформатора АКПП или гидротрасформатора, но какое его назначение. На самом деле, данный прибор является модернизированной муфтой, которая вращается не один раз, а два, газовое оборудование требует установки даже нескольких таких приборов.

Его необходимо установить между двигателем и трансмиссией, чтобы получить вращательное движение, которое после перейдет на колеса. Внешне механизм напоминает бублик, за что и получил такое «прозвище» от автослесарей, но у нег достаточно сложная конструкция:

По краю с обеих сторон встроены насосы, а в центре установлен мини реактор. Последний прибор должен передавать жидкость (масло, к примеру), на турбинное колесо, которое в свою очередь распределяет её равномерно по всей поверхности трансформатора.

Переднее колесо жестко соединено с главным валом машинного двигателя, захватывая жидкость, передает её далее по механизму. Но реактор при необходимости блокирует это движение и выводит колесо из работы.

Помимо блокировки вращающегося момента, конструкция масляного трехобмоточного трансформатора позволяет ему выполнять функции демпфинирования. Т.е., если авто достигло своего предела, скажем, 80 км/час, то для предотвращения несчастного случая вращающийся момент начинает передаваться уже через демпфинирующие пружины. Таким образом, производится защита от холостого хода и резкой остановки двигателя.

Таким образом и можно объяснить принцип работы трансформатора, как видите, все очень похоже, но есть некоторые нюансы у разных моделей в зависимости от области применения и конструкции.

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.

В энергетике, электронике и других отраслях прикладной электротехники большая роль отводится преобразованиям электромагнитной энергии из одного вида в другой. Этим вопросом занимаются многочисленные трансформаторные устройства, которые создаются под различные производственные задачи.

Одни из них, имеющие наиболее сложную конструкцию, выполняют трансформацию мощных потоков высоковольтной энергии, например. 500 или 750 киловольт в 330 и 110 кВ или в обратном направлении.

Трансформаторы работают только в цепях переменного напряжения разной частоты и не предназначены для применения в схемах постоянного тока, в которых используются преобразователи других типов.

Трансформаторы делятся на две основные группы: однофазные, питающиеся от сети однофазного переменного тока, и трехфазные, питающиеся от сети трехфазного переменного тока.

Трансформаторы очень различны по своей конструкции. Основными элементами трансформатора являются: замкнутый стальной сердечник (магнитопровод), обмотки и детали, служащие для крепления магнитопровода и катушек с обмотками и установки трансформатора в выпрямительное устройство. Матнитопровод предназначен для создания замкнутого пути для магнитного потока.

Части магннтопровода, на которых размещены обмотки, называются стержнями, а части, на которых отсутствуют обмотки и которые служат для замыкания: магнитного потока в магнитопроводе — ярмом. Материалом для магнитопровода трансформатора служит листовая электротехническая сталь (трансформаторная сталь). Эта сталь бывает различных марок, толщины, горячей и холодной прокатки.

Общие принципы работы трансформаторов

Мы знаем, что электромагнитная энергия неразрывна. Но ее принято представлять двумя составляющими:

1. электрической;

2. магнитной.

Так проще понимать происходящие явления, описывать процессы, делать расчеты, конструировать различные устройства и схемы. Целые разделы электротехники посвящены раздельным анализам работы электрических и магнитных цепей.

Электрический ток, как и магнитный поток, протекает только по замкнутой цепи, обладающей сопротивлением (электрическим или магнитным). Его создают внешние приложенные силы — источники напряжения соответствующих энергий.

Однако, при рассмотрении принципов работы трансформаторных устройств придётся одновременно исследовать оба этих фактора, учесть их комплексное воздействие на преобразование мощности.

Простейший трансформатор состоит из двух обмоток, выполненных намоткой витками изолированной проволоки, по которым протекает электрический ток и одной магистрали для магнитного потока. Ее принято называть сердечником или магнитопроводом.

К вводу одной обмотки приложено напряжение от источника электроэнергии U1, а с выводов второй оно, после преобразования в U2, подается на подключенную нагрузку R.

Под действием напряжения U1 в первой обмотке по замкнутой цепи протекает ток I1, величина которого зависит от полного сопротивления Z, состоящего из двух составляющих:

1. активного сопротивления проводов обмотки;

2. реактивной составляющей, обладающей индуктивным характером.

Величина индуктивного сопротивления оказывает большое влияние на работу трансформатора.

Протекающая по первичной обмотки электрическая энергия в виде тока I1 представляет собой часть электромагнитной, магнитное поле которой направлено перпендикулярно движению зарядов или расположению витков проволоки. В его плоскости размещен сердечник трансформатора — магнитопровод, по которому замыкается магнитный поток Ф.

Все это наглядно отражено на картинке и строго соблюдается при изготовлении. Сам магнитопровод тоже замкнут, хотя в отдельных целях, например, для снижения магнитного потока в нем могут делать зазоры, увеличивающие его магнитное сопротивление.

За счет протекания первичного тока по обмотке магнитная составляющая электромагнитного поля проникает в магнитопровод и циркулирует по нему, пересекая витки вторичной обмотки, которая замкнута на выходное сопротивление R.

Под действием магнитного потока во вторичной обмотке наводится электрический ток I2. На его величине сказывается значение приложенной напряженности магнитной составляющей и полной сопротивление цепи, включая подключенную нагрузку R.

При работе трансформатора внутри магнитопровода создается общий магнитный поток Ф и его составные части Ф1 и Ф2.

Как устроен и работает автотрансформатор

Среди трансформаторных устройств особой популярностью пользуются упрощенные конструкции, использующие в работе не две разные отдельно выполненные обмотки, а одну общую, разделенную на секции. Их называют автотрансформаторами.

Принцип работы такой схемы практически остался прежним: происходит преобразование входной электромагнитной энергии в выходную. По виткам обмотки W1 протекают первичные токи I1, а по W2 — вторичные I2. Магнитопровод обеспечивает путь движения для магнитного потока Ф.

У автотрансформатора имеется гальванически связь между входными и выходными цепями. Так как преобразованию подвергается не вся приложенная мощность источника, а только часть ее, то создается более высокий КПД, чем у обычного трансформатора.

Такие конструкции позволяют экономить на материалах: стали для магнитопровода, меди для обмоток. Они обладают меньшим весом и стоимостью. Поэтому их эффективно используют в системе энергетики от 110 кВ и выше.

Особых отличий в режимах работы трансформатора и автотрансформатора практически нет.

Рабочие режимы трансформатора

При эксплуатации любой трансформатор может находиться в одном из состояний:

выведен из работы;

номинальный режим;

холостой ход;

короткое замыкание;

перенапряжение.

Режим вывода из работы

Для его создания достаточно снять питающее напряжение источника электроэнергии с первичной обмотки и этим исключить прохождение электрического тока по ней, что и делают всегда в обязательном порядке с подобными устройствами.

Однако на практике при работе со сложными трансформаторными конструкциями такая мера не обеспечивает полностью меры безопасности: на обмотках может оставаться напряжение и приносить вред оборудованию, подвергать опасности обслуживающий персонал за счет случайного воздействия разрядов тока.

Как это может произойти?

У малогабаритных трансформаторов, которые работают в качестве блока питания, как показано на верхней фотографии, постороннее напряжение никакого вреда не причинит. Ему там просто неоткуда взяться. А на энергетическом оборудовании его обязательно следует учитывать. Разберём две часто встречающиеся причины:

1. подключение постороннего источника электроэнергии;

2. действие наведенного напряжения.

Первый вариант

На сложных трансформаторах работает не одна, а несколько обмоток, которые используются в разных цепях. Со всех их необходимо отключать напряжение.

Кроме того, на подстанциях, эксплуатируемой в автоматическом режиме без постоянного оперативного персонала к шинам силовых трансформаторов подключают дополнительные трансформаторы, обеспечивающие собственные нужды подстанции электроэнергией 0,4 кВ. Они предназначены для питания защит, устройств автоматики, освещения, отопления и других целей.

Их так и называют — ТСН или трансформаторы собственных нужд. Если со входа силового трансформатора снято напряжение и его вторичные цепи разомкнуты, а на ТСН проводятся работы, то существует вероятность обратной трансформации, когда напряжение 220 вольт с низкой стороны проникнет на высокую по подключенным шинам питания. Поэтому их необходимо обязательно отключать.

Действие наведенного напряжения

Если около шин отключенного трансформатора проходит высоковольтная линия, находящаяся под напряжением, то токи, протекающие по ней, способны наводить напряжение на шинах. Необходимо применять меры для его снятия.

Номинальный режим работы

Это обычное состояние трансформатора во время его эксплуатации для которого он и создан. Токи в обмотках и приложенные к ним напряжения соответствуют расчетным значениям.

Трансформатор в режиме номинальной нагрузки потребляет и преобразует мощности, соответствующие проектным значениям в течение всего предусмотренного ему ресурса.

Режим холостого хода

Он создается в том случае, когда на трансформатор подано напряжение от источника питания, а на выводах выходной обмотки отключена нагрузка, то есть разомкнута цепь. Этим исключается протекание тока по вторичной обмотке.

Трансформатор в режиме холостого хода потребляет минимально возможную мощность, определяемую его конструкторскими особенностями.

Режим короткого замыкания

Так называют ситуацию, когда нагрузка, подключенная к трансформатору оказывается закороченной, наглухо зашунтированной цепочками с очень малыми электрическими сопротивлениями и на нее действует вся мощность питания источника напряжения.

В этом режиме протекание огромных токов КЗ ничем практически не ограничивается. Они обладают огромной тепловой энергией и способны сжечь провода или оборудование. Причем действуют до тех пор, пока схема питания через вторичную или первичную обмотку не выгорит, разорвавшись в наиболее слабом месте.

Это самый опасный режим, который способен возникнуть при работе трансформатора, причем, в любой, самый неожиданный момент времени. Его появление можно предвидеть, а развитие следует ограничивать. С этой целью используют защиты, которые отслеживают превышение допустимых токов на нагрузке и максимально быстро их отключают.

Режим перенапряжения

Обмотки трансформатора покрыты слоем изоляции, который создается для работы под определенным напряжением. При эксплуатации возможно его превышение по различным причинам, возникающим как внутри электрической системы, так и в результате воздействия атмосферных явлений.

В заводских условиях определяется величина допустимого превышения напряжения, которое может действовать на изоляцию до нескольких часов и кратковременных перенапряжений, создаваемых переходными процессами при коммутациях оборудования.

Для предотвращения их воздействия создают защиты от повышения напряжения, которые при возникновении аварийной ситуации отключают питание со схемы в автоматическом режиме или ограничивают импульсы разрядов.

Трансформатор - незаменимое устройство в электротехнике.

Без него энергосистема в ее нынешнем виде не могла бы существовать.

Присутствуют эти элементы и во многих электроприборах.

Желающим познакомиться с ними поближе предлагается данная статья, тема которой - трансформатор: принцип работы и виды приборов, а также их назначение.

Так называют устройство, изменяющее величину переменного электрического напряжения. Существуют разновидности, способные менять и его частоту.

Таким аппаратами оснащают многие приборы, также они применяются в самостоятельном виде.

Например, установки, повышающие напряжение для передачи тока по электромагистралям.

Генерируемое электростанцией напряжение они поднимают до 35 – 750 кВ, что дает двойную выгоду:

• уменьшаются потери в проводах;
• требуются провода меньшего сечения.

В городских электросетях напряжение снова уменьшается до величины в 6,1 кВ, опять же с использованием . В распределительных сетях, раздающих электричество потребителям, напряжение понижают до 0,4 кВ (это привычные нам 380/).

Принцип работы

Работа трансформаторного устройства основана на явлении электромагнитной индукции, состоящей в следующем: при изменении параметров магнитного поля, пересекающего проводник, в последнем возникает ЭДС (электродвижущая сила). Проводник в трансформаторе присутствует в форме катушки или обмотки, и общая ЭДС равна сумме ЭДС каждого витка.

Для нормальной работы требуется исключить электрический контакт между витками, потому используют провод в изолирующей оболочке. Эту катушку называют вторичной.

Магнитное поле, необходимое для генерации во вторичной катушке ЭДС, создается другой катушкой. Она подключается к источнику тока и называется первичной. Работа первичной катушки основана на том факте, что при протекании через проводник тока, вокруг него формируется электромагнитное поле, а если он смотан в катушку, оно усиливается.

Как работает трансформатор

При протекании через катушку параметры электромагнитного поля не меняются и оно неспособно вызвать ЭДС во вторичной катушке. Поэтому трансформаторы работают только с переменным напряжением.

На характер преобразования напряжения влияет соотношение количества витков в обмотках – первичной и вторичной. Его обозначают «Кт» – коэффициент трансформации. Действует закон:

Кт = W1 / W2 = U1 / U2,

• W1 и W2 - количество витков в первичной и вторичной обмотках;
• U1 и U2 - напряжение на их выводах.

Следовательно, если в первичной катушке витков больше, то напряжение на выводах вторичной ниже. Такой аппарат называют понижающим, Кт у него больше единицы. Если витков больше во вторичной катушке - трансформатор напряжение повышает и называется повышающим. Его Кт меньше единицы.

Большой силовой трансформатор

Если пренебречь потерями (идеальный трансформатор), то из закона сохранения энергии следует:

P1 = P2,

где Р1 и Р2 - мощность тока в обмотках.

Поскольку P = U * I , получим:

• U1 * I1 = U2 * I2;
• I1 = I2 * (U2 / U1) = I2 / Кт.

Это означает:

• в первичной катушке понижающего устройства (Кт > 1) протекает ток меньшей силы, чем в цепи вторичной;
• с повышающими трансформаторами (Кт < 1) все наоборот: сила тока в первичной катушке выше, чем в цепи вторичной.

Данное обстоятельство учитывают при подборе сечения проводов для обмоток аппаратов.

Конструкция

Трансформаторные обмотки надевают на магнитопровод - деталь из ферромагнитной, трансформаторной или иной магнитомягкой стали. Он служит проводником электромагнитного поля от первичной катушки ко вторичной.

Под действием переменного магнитного поля в магнитопроводе также генерируются токи - они называются вихревыми. Эти токи приводят к потерям энергии и нагреву магнитопровода. Последний, с целью свести данное явление к минимуму, набирают из множества изолированных друг от друга пластин.

На магнитопроводе катушки располагают двояко:

• рядом;
• наматывают одну поверх другой.

Обмотки для микротрансформаторов изготавливают из фольги толщиной 20 – 30 мкм. Ее поверхность в результате окисления становится диэлектриком и играет роль изоляции.

Конструкция трансформатора

На практике добиться соотношения Р1 = Р2 невозможно из-за потерь трех видов:

1. рассеивание магнитного поля;
2. нагрев проводов и магнитопровода;
3. гистерезис.

Потери на гистерезис - это затраты энергии на перемагничивание магнитопровода. Направление силовых линий электромагнитного поля постоянно меняется. Каждый раз приходится преодолевать сопротивление диполей в структуре магнитопровода, выстроившихся определенным образом в предыдущей фазе.

Потери на гистерезис стремятся уменьшить, применяя разные конструкции магнитопроводов.

Итак, в реальности величины Р1 и Р2 отличаются и соотношение Р2 / Р1 называют КПД устройства. Для его измерения используются следующие режимы работы трансформатора:

• холостого хода;
• короткозамкнутый;
• с нагрузкой.

В некоторых разновидностях трансформаторов, работающих с напряжением высокой частоты, магнитопровод отсутствует.

Режим холостого хода

Первичная обмотка подключена к источнику тока, а цепь вторичной разомкнута. При таком подключении в катушке течет ток холостого хода, в основном представляющий реактивный ток намагничивания.

Такой режим позволяет определить:

• КПД устройства;
• коэффициент трансформации;
• потери в магнитопроводе (на языке профессионалов - потери в стали).

Схема трансформатора в режиме холостого хода

Короткозамкнутый режим

Выводы вторичной обмотки замыкают без нагрузки (накоротко), так что ток в цепи ограничивается лишь ее сопротивлением. На контакты первичной подают такое напряжение, чтобы ток в цепи вторичной обмотки не превышал номинального.

Такое подключение позволяет определить потери на нагрев обмоток (потери в меди). Это необходимо при реализации схем с применением вместо реального трансформатора активного сопротивления.

Режим с нагрузкой

В этом состоянии к выводам вторичной обмотки подключен потребитель.

Охлаждение

В процессе работы трансформатор греется.

Применяют три способа охлаждения:

1. естественное: для маломощных моделей;
2. принудительное воздушное (обдув вентилятором): модели средней мощности;
3. мощные трансформаторы охлаждаются при помощи жидкости (в основном используют масло).

Прибор с масляным охлаждением

Виды трансформаторов

Аппараты классифицируются по назначению, типу магнитопровода и мощности.

Силовые трансформаторы

Наиболее многочисленная группа. К ней относятся все трансформаторы, работающие в энергосети.

Автотрансформатор

У этой разновидности между первичной и вторичной обмотками имеется электрический контакт. При намотке провода делают несколько выводов - при переключении между ними задействуется разное число витков, отчего меняется коэффициент трансформации.

• Повышенный КПД . Объясняется тем, что преобразованию подвергается только часть мощности. Это особенно важно при незначительной разнице между напряжением на входе и выходе.
• Низкая стоимость. Это обусловлено меньшим расходом стали и меди (автотрансформатор имеет компактные размеры).

Эти устройства выгодно применять в сетях напряжением 110 кВ и более с эффективным заземлением при Кт не выше 3-4.

Трансформатор тока

Используется для снижения силы тока в подключенной к источнику питания первичной обмотке. Устройство находит применение в защитных, измерительных, сигнальных и управляющих системах. Преимущество в сравнении с шунтовыми схемами измерения, состоит в наличии гальванической развязки (отсутствие электроконтакта между обмотками).

Первичная катушка включается в цепь переменного тока – исследуемую или контролируемую – с нагрузкой последовательно. К выводам вторичной обмотки подключают исполнительное индикаторное устройство, к примеру, реле, или прибор измерения.

Трансформатор тока

Допустимое сопротивление в цепи вторичной катушки ограничено мизерными значениями - почти короткое замыкание. У большинства токовых величина номинального тока в этой катушке составляет 1 или 5 А. При размыкании цепи в ней формируется высокое напряжение, способное пробить изоляцию и повредить подключенные приборы.

Импульсный трансформатор

Работает с короткими импульсами, продолжительность которых измеряется десятками микросекунд. Форма импульса практически не искажается. В основном используются в видеосистемах.

Сварочный трансформатор

Данное устройство:

• понижает напряжение;
• рассчитано на номинальный ток в цепи вторичной обмотки до тысяч ампер.

Регулировать сварочный ток можно изменением числа витков обмоток, задействованных в процессе (они имеют по нескольку выводов). При этом изменяется величина индуктивного сопротивления или вторичное напряжение холостого хода. Посредством дополнительных выводов обмотки разбиты на секции, потому регулировка сварочного тока осуществляется ступенчато.

Габариты трансформатора во многом зависят от частоты переменного тока. Чем она выше, тем более компактным получится устройство.

Сварочный трансформатор ТДМ 70-460

На этом принципе основано устройство современных инверторных сварочных аппаратов. В них переменный ток перед подачей на трансформатор подвергается обработке:

• выпрямляется посредством диодного моста;
• в инверторе - управляемом микропроцессором электронном узле с быстро переключающимися ключевыми транзисторами - снова становится переменным, но уже с частотой 60 – 80 кГц.

Потому эти сварочные аппараты такие легкие и небольшие.

Также устроены блоки питания импульсного типа, например, в ПК.

Разделительный трансформатор

В этом устройстве обязательно присутствует гальваническая развязка (нет электрического контакта между первичной и вторичной обмотками), а Кт равен единице. То есть разделительный трансформатор напряжение оставляет неизменным. Он необходим для повышения безопасности подключения.

Прикосновение к токоведущим элементам оборудования, подключенного к сети через такой трансформатор, к сильному удару током не приведет.

В быту такой способ подключения электроприборов уместен во влажных помещениях- в ванных и пр.

Кроме силовых трансформаторов, существуют сигнальные разделительные. Они устанавливаются в электроцепи для гальванической развязки.

Магнитопроводы

Бывают трех видов:

1. Стержневые. Выполнены в виде стержня ступенчатого сечения. Характеристики оставляют желать лучшего, но зато просты в исполнении.
2. Броневые. Лучше стержневых проводят магнитное поле и вдобавок защищают обмотки от механических воздействий. Недостаток: высокая стоимость (требуется много стали).
3. Тороидальные. Наиболее эффективная разновидность: создают однородное сконцентрированное магнитное поле, чем способствуют уменьшению потерь. Трансформаторы с тороидальным магнитопроводом имеют наибольший КПД, но они дороги из-за сложности изготовления.

Мощность

Мощность принято обозначать в вольт-амперах (ВА). По данному признаку устройства классифицируются так:

• маломощные: менее 100 ВА;
• средней мощности: несколько сотен ВА;

Существуют установки большой мощности, измеряемой в тысячах ВА.

Трансформаторы отличаются назначением и характеристиками, но принцип действия у них одинаков: переменное магнитное поле, генерируемое одной обмоткой, возбуждает во второй ЭДС, величина которого зависит от числа витков.

Необходимость в преобразовании напряжения возникает очень часто, потому трансформаторы получили самое широкое распространение. Данное устройство можно изготовить самостоятельно.