2. Принцип действия и классификация трансформаторов

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

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

Рис. 1. Промышленный трансформатор

Что такое трансформатор?

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

Немного исторических
фактов

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

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

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

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

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

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

Общее устройство и принцип работы

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

Рисунок 2. Устройство трансформатора

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

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

• сталь;
• пермаллой;
• феррит.

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

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

Форма сердечника может быть Ш-образной или торроидальной.

Рисунок 3. Внешний вид трансформатора

Базовые принципы действия

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

Режимы работы

Силовой трансформатор может работать в трех режимах:

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

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

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

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

Технические характеристики

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

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

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

Виды трансформаторов

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

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

Более широкий спектр охватывает классификация по назначению.

Силовые

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

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

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

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

Автотрансформаторы

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

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

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.

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.

Рис. 6. Трансформатор для сварочного полуавтомата на броневом магнитопроводе

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

Разделительные

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

Согласующие

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

Пик-трансформаторы

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

Воздушные и масляные

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

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

Рисунок 7. Сухой трехфазный трансформатор

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

Рис. 8. Строение промышленного трансформатора с масляным охлаждением

Сдвоенный
дроссель

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

Вращающиеся

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

Обозначение на схемах

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

На схемах трехфазных трансформаторов обмотки начинаются со стороны сердечника.

Области применения

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

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

Список использованной литературы

Для нормального функционирования устройств обеспечивающих релейную защиту высоковольтных ЛЭП, требуется контролировать параметры электрической линии. Снимать показания с высоковольтных проводов напрямую – опасно и не эффективно. Режим работы обычного трансформатора не позволяет контролировать изменение тока. Решает эту проблему трансформатор тока, у которого показатели вторичной цепи изменяются пропорционально величине тока первичной обмотки.

Конструкция и принцип действия

Внешний вид типичного трансформатора тока представлен на рисунке 1. Характерным признаком этих моделей является наличие у них диэлектрического корпуса. Формы корпусов могут быть разными – от прямоугольных до цилиндрических. В некоторых конструкциях отсутствуют проходные шины в центре корпуса. Вместо них проделано отверстие для обхвата провода, который выполняет функции первичной обмотки.

Рис. 1. Трансформатор тока

Материалы диэлектриков выбирают в зависимости от величины напряжений, для которых предназначено устройство и от условий его эксплуатации. Для обслуживания промышленных энергетических систем изготавливают мощные ТТ с керамическими корпусами цилиндрической формы (см. рис. 2).

Рис. 2. Промышленный керамический трансформатор тока

Особенностью трансформатора является обязательное наличие нагрузочного элемента (сопротивления) во вторичной обмотке (см. рис. 3). Резистор необходим для того, чтобы не допускать работы в режиме без вторичных нагрузок. Функционирование трансформатор тока с ненагруженными вторичными обмотками недопустимо из-за сильного нагревания (вплоть до разрушения) магнитопровода.

Рис. 3. Принципиальная схема трансформатора тока

В отличие от трансформаторов напряжения, ТТ оснащены только одним витком первичной обмотки (см. рис. 4). Этим витком часто является шина, проходящая сквозь кольцо сердечника с намотанными на него вторичными обмотками (см. рис. 5).

Рис. 4. Схематическое изображение ТТ

Рис. 5. Устройство ТТ

Иногда в роли первичной обмотки выступает проводник электрической цепи. Для этого конструкция сердечника позволяет применить шарнирное соединение частей трансформатора для обхвата провода (см. рис. 6).

Рис. 6. ТТ с разъемным корпусом

Сердечники трансформаторов выполняются способом шихтования кремнистой стали. В моделях высокого класса точности сердечники изготовляют из материалов на основе нанокристаллических сплавов.

Основная задача токовых трансформаторов понизить (повысить) значение тока до приемлемой величины. Принцип действия основан на свойствах трансформации переменного электрического тока. Возникающий переменный магнитный поток улавливается магнитопроводом, перпендикулярным направлению первичного тока. Этот поток создается переменным током первичной катушки и наводит ЭДС во вторичной обмотке. После подключения нагрузки начинает протекать электрический ток по вторичной цепи.

Зависимости между обмотками и токами выражены формулой: k = W2 / W1 = I1 / I2 .

Поскольку ток во вторичной катушке обратно пропорционален количеству витков в ней, то путем увеличения (уменьшения) коэффициента трансформации, зависящего от соотношения числа витков в обмотках, можно добиться нужного значения выходного тока.

На практике, чаще всего, эту величину устанавливают подбором количества витков во вторичной обмотке, делая первичную обмотку одновитковой.

Линейная зависимость выходного тока (при номинальной мощности) позволяет определять параметры величин в первичной цепи. Численно эта величина во вторичной катушке равна произведению реального значения тока на номинальный коэффициент трансформации.

В идеале I1 = kI2 = I2W2/W1. С учетом того, что W1 = 1 (один виток) I1 = I2W2 = kI2. Эти несложные вычисления можно заложить в программу электронного измерителя.

Рис. 7. Принцип действия трансформатора тока

На рисунке 7 не показан нагрузочный резистор. При измерениях необходимо учитывать и его влияние. Все допустимые погрешности в измерениях отображает класс точности ТТ.

Классификация

Семейство трансформаторов тока
классифицируют по нескольким признакам.

• По назначению:защитные;линейки измерительных трансформаторов тока;промежуточные (используются для выравнивания токов в системах дифференциальных защит);лабораторные.
• защитные;
• линейки измерительных трансформаторов тока;
• промежуточные (используются для выравнивания токов в системах дифференциальных защит);
• лабораторные.
• По способу монтажа:наружные (см. рис. 8), применяются в ОРУ; внутренние (размещаются в ЗРУ);встраиваемые;накладные (часто совмещаются с проходными изоляторами);переносные.
• наружные (см. рис. 8), применяются в ОРУ;
• внутренние (размещаются в ЗРУ);
• встраиваемые;
• накладные (часто совмещаются с проходными изоляторами);
• переносные.

Рис. 8. Пример наружного использования ТТ

• Классификация по типу первичной обмотки:многовитковые, к которым принадлежат катушечные конструкции, и трансформаторы, с обмотками в виде петель;одновитковые;шинные.
• многовитковые, к которым принадлежат катушечные конструкции, и трансформаторы, с обмотками в виде петель;
• одновитковые;
• шинные.
• По величине номинальных напряжений:До 1 кВ;Свыше 1 кВ.
• До 1 кВ;
• Свыше 1 кВ.

Трансформаторы тока можно классифицировать и по другим признакам, например, по типу изоляции или по количеству ступеней трансформации.

Расшифровка маркировки

Каждому типу трансформаторов присваиваются буквенно-цифровые символы, по которым можно определить его основные параметры:

• Номинальное напряжение (в кВ) указывается после буквенных символов (первая цифра).
• Числами через дробь обозначаются классы точности сердечников. Некоторые производители вместо цифр проставляют буквы Р или Д.
• следующие две цифры «через дробь» указывают на параметры первичного и вторичного токов;
• после позиции  дробных символов — код варианта конструкционного исполнения;
• буквы, расположенные после кода конструкционного варианта, обозначают тип климатического исполнения;
• цифра на последней позиции — категория размещения.

Схемы подключения

Первичные катушки трансформаторов тока включаются в цепь последовательно. Вторичные катушки предназначены для подключения измерительных приборов или используются системами релейной защиты.

Во вторичную цепь включаются выводы измерительных приборов и устройства релейной защиты. С целью обеспечения безопасности, сердечник магнитопровода и один из зажимов вторичной катушки должны заземляться.

При подключении трехфазных счетчиков, в сетях с изолированной нейтралью обмотки трансформатора соединяются по схеме «Неполная звезда». При наличии нулевого провода применяется схема полной звезды.

Выводы трансформаторов маркируются. Для первичной обмотки применяются обозначения Л1 и Л2, а для вторичной – И1 и И2. При подключении измерительных приборов следует соблюдать полярность обмоток.

Схема «неполная звезда» применяется для двухфазного соединения.

В дифференциальных защитах, используемых в силовых трансформаторах, обмотки включаются треугольником.

Основные схемы подключения:

• В сетях с глухозаземленной нейтралью ТТ подключается к каждой фазе. Соединение обмоток трансформатора – полная звезда.
• Подключение по схеме неполной звезды. Применяется в сетях с изолированными нулевыми точками.
• Схема восьмерки. Симметрично распределяет нагрузки при трехфазном КЗ.
• Соединение ТТ в фильтр токов нулевой последовательности. Применяется для защиты номинальной нагрузки от коротких замыканиях на землю.

Технические параметры

Очень важной характеристикой трансформатора тока является класс точности. Этот параметр характеризует погрешность измерения, то есть показывает, на сколько номинальный (идеальный) коэффициент трансформации отличается от реального.

Коэффициент
трансформации

Так как в реальном коэффициенте трансформации присутствует синфазная и квадратурная составляющая, то значения коэффициента всегда отличаются от номинального. Разницу (погрешность) необходимо учитывать при измерениях. На результаты измерений влияют также угловые погрешности.

У всех ТТ погрешность отрицательна, так как у них всегда присутствуют потери от намагничивания и нагревания токовых катушек. С целью устранения отрицательного знака погрешности, для смещения параметров трансформации в положительную сторону, применяют витковую коррекцию. Поэтому в откорректированных устройствах привычная формула для вычислений не работает. Поэтому коэффициенты трансформации в таких аппаратах производители определяют опытным путем и указывают их в техпаспорте.

Класс точности

Токовые погрешности искажают точность измерения электрического тока. Поэтому для измерительных трансформаторов высокие требования к классу точности:

Трансформатор может находиться в пределах заявленного класса точности, только если сопротивление максимальной нагрузки не превышает номинального, а ток в первичной цепи не выходит за пределы 0,05 – 1,2 величины номинального тока трансформатора.

О назначении

Основная сфера применения трансформаторов – защита измерительного и другого оборудования от разрушительного действия предельно высоких токов. ТТ применяются для подключения электрического счетчика, изоляции реле от воздействия мощных токовых нагрузок.

Видео по теме

• В.В. Афанасьев «Трансформаторы тока»  1989
• И С. Таев  «Основы теории электрических аппаратов»  1987
• Кацман М. М. «Электрические машины и трансформаторы»  1971

Устройство трансформатора

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

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

Простое объяснение принципа работы прибора

Как устроена работа трансформатора:

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

Любой трансформатор способен работать в 3-х режимах:

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

Коэффициент трансформации

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

В физике формулы для вычисления этой величины представлены таким образом:

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

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

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

Классификация по видам

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

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

Самая обширная классификация трансформаторов — это классификация по их назначению.

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

Применение в источниках электропитания

Помимо основных задач устройства предназначены для:

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

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

Назначение, области применения и классификация трансформаторов

Трансформатором
называется электромагнитное устройство,
служащее для преобразования электрической
энергии переменного тока одного
напряжения в электрическую энергию
переменного тока другого напряжения
без изменения частоты.

Потребность
трансформирования, т.е. повышения и
понижения переменного напряжения
вызвана необходимостью передачи
электрической энергии на большие
расстояния. Чем выше величина передаваемого
напряжения, тем, при равной мощности
генератора, меньше ток. Следовательно,
для передачи энергии потребуются провода
меньшего сечения, что приводит к экономии
цветных металлов, к уменьшению веса и
стоимости линий электропередач (ЛЭП).
Кроме того, с уменьшением тока уменьшаются
потери мощности в линиях передач ∆P=I2Rл.
Схема передачи электроэнергии на большие
расстояния приведена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема
передачи электроэнергии переменного
тока

По применению
трансформаторы можно разделить на
следующие типы:

1. Силовые
трансформаторы, используемые в сетях
передачи и распределения электроэнергии.

2. Автотрансформаторы,
имеющие плавную регулировку выходного
напряжения и используемые для его
изменения (регулирования).

3. Измерительные
трансформаторы, применяемые в качестве
элементов измерительных устройств.

4. Трансформаторы
специального назначения (печные,
сварочные, пиковые, изолирующие и т.д.)

Применяемые
в настоящее время изоляционные материалы
позволяют увеличить напряжения в ЛЭП
до 1250кВ.

Устройство и принцип работы однофазного двухобмоточного трансформатора.

Трансформатор
состоит из ферромагнитного (стального)
сердечника (ФМС) и двух обмоток: первичной
с числом витков W1,
к которой подводится напряжение источника
U1,
и вторичной – с числом витков W2,
на зажимах
которой возникает напряжение U2.
Сердечник трансформатора собирается
из отдельных листов электротехнической
стали (толщиной 0,3-0,5 мм), изолированных
друг от друга для уменьшения потерь на
вихревые токи.

Рис. 4.2. Электрическая
схема трансформатора.

В основу работы
трансформатора положен принцип
взаимоиндукции. При включении первичной
обмотки W1
на переменное
напряжение U1
в ней появится ток I0.
Этот ток, протекая по виткам W1,
вызовет появление магнитного потока
первичной обмотки, который состоит из
основного или, по-другому, рабочего
потока Ф, замыкающегося по сердечнику
и потока рассеяния Фδ1,
замыкающегося по воздуху (рис. 4.3.).
Электрическая энергия передается из
первичной обмотки во вторичную с помощью
рабочего потока.

Рис. 4.3. Электромагнитная
схема трансформатора в режиме холостого
хода.

Переменный
синусоидальный рабочий магнитный поток
Ф на основании закона электромагнитной
индукции наводит в первичной обмотке
ЭДС самоиндукции E1,
а во вторичной обмотке – ЭДС взаимоиндукции
Е2,
которая создает на зажимах вторичной
обмотки напряжение U2.

Если ко вторичной
обмотке трансформатора присоединить
нагрузку Zн
(рис. 4.4.),
то в ней появится ток I2,
который, протекая по виткам W2,
вызовет появление магнитного потока
во вторичной обмотке. Этот поток состоит
из потока Ф2,
замыкающегося по сердечнику и потока
рассеяния Фδ2,
замыкающегося по воздуху.

Рис. 4.4.
Электромагнитная схема нагруженного
трансформатора

Вторичный поток
Ф2
по правилу Ленца всегда направлен
навстречу потоку первичной обмотки и
стремится его уменьшить. Уменьшение
потока Ф повлечет за собой уменьшение
ЭДС Е1.
В результате увеличится разность между
напряжением U1
и ЭДС Е1,
что приведет увеличению тока пеовичной
обмотки I0
до тока I1,
что компенсирует поток Ф2
(рис.4.4). Таким образом, суммарный рабочий
магнитный поток Ф1
– Ф2
останется неизменным и приблизительно
равным первоначальному потоку Ф,
сцепленному с обеими обмотками
трансформатора.

Переменные
магнитные потоки рассеяния первичной
и вторичной обмоток Фδ1
и Фδ2
сцеплены с одной из обмоток и наводят
в них соответствующие ЭДС рассеяния
Еδ1 и
Еδ2.

Трансформатором
называется статический электромагнитный
аппарат, преобразующий электрическую
энергию переменного тока с одними
параметрами в электрическую энергию
переменного тока с иными параметрами
(напряжением, током, числом фаз, формой
кривой напряжения).

Принцип действия
трансформатора основан на электромагнитном
взаимодействии двух или большего числа
электрически несвязанных между собой
контуров (обмоток). Одна из обмоток
трансформатора, называемая первичной,
подключается к источнику переменного
тока. Обмотки, к которым подключается
нагрузка, называются вторичными. Для
улучшения магнитной связи между первичной
и вторичной обмотками обмотки размещают
на сердечнике (магнитопроводе),
изготовленном из ферромагнитного
материала.

В зависимости от
числа фаз источника энергии трансформаторы
разделяются на однофазные и многофазные
(обычно трехфазные). В зависимости от
схемы трансформаторы могут быть
однообмоточными (автотрансформатор),
двухобмоточными и многообмоточными.
Также трансформаторы классифицируются:
по наивысшему напряжению одной из
обмоток – низковольтные, высоковольтные;
по типу конструкции сердечника –
броневые, стержневые, тороидальные; по
способу охлаждения – с естественным
воздушным, с принудительным воздушным,
с жидкостным и парожидкостным; по
величине мощности – малой мощности,
средней и большой и т.п.

Основными элементами
конструкции трансформаторов является
сердечник (магнитопровод) и обмотки с
изоляцией, составляющие вместе катушку.
К элементам конструкции относятся также
детали, служащие для крепления сердечника
и установки трансформаторов в блоках
аппаратуры. Сердечники трансформаторов
изготавливаются из высоколегированных,
горячекатаных и повышеннолегированных
холоднокатаных сталей.

Параметры трансформаторов и области их применения.

Напряжение короткого
замыкания представляет собой напряжение
на первичной обмотке при замкнутых
выводах вторичной обмотки и протекании
номинального тока во вторичной обмотке.
Напряжение короткого замыкания показывает
величину относительного превышения
напряжения на вторичной обмотке на
холостом ходу по сравнению с напряжением
полностью нагруженной обмотки.

Коэффициент
полезного действия зависит от мощности
потерь в стали и меди.

Напряжения холостого
хода вторичных обмоток – это значения
напряжений при номинальном напряжении
первичной обмотки ненагруженного
трансформатора. Эти напряжения превышают
номинальные напряжения на величину
напряжения короткого замыкания.

Ток холл. хода –
это ток первичной обмотки ненагруженного
трансформатора при номинальном
напряжении. Ток холостого хода состоит
из двух составляющих: активной и
реактивной. Активная составляющая
определяется потерями в стали на вихревые
токи, реактивная – магнитным потоком
рассеяния.

Трансформаторы
широко используются для следующих
целей:

1. Для передачи и
распределения электрической энергии.

2. Для обеспечения
нужной схемы включения вентилей в
преобразовательных устройствах и
согласования напряжения на входе и
выходе преобразователя.

Трансформаторы,
применяются для этой цели, называются
преобразовательными.
Их мощность достигает тысячи
киловольт-ампер, напряжение 110 кВ; они
работают при частоте 50 Гц и более.
Рассматриваемые трансформаторы выполняют
одно-, трех- и многофазными с регулированием
выходного напряжения в широких пределах
и без регулирования.

3. Для различных
технологических целей: сварки (сварочные
трансформаторы), питание электротермических
установок (электропечные трансформаторы)
и др. Мощность их достигает десятков
тысяч киловольт-ампер при напряжение
до 10 кВ; они работают обычно при частоте
50 Гц.

4. Для включение
электроизмерительных приборов и
некоторых аппаратов, например реле, в
электрические цепи, по которым проходят
большие токи, с целью расширения пределов
измерения и обеспечения 
электробезопасности.

Трансформаторы,
применяемые  для этой цели, называются
измерительными.
Они имеют сравнительно большую мощность,

определяемую
мощность, потребляемой электроизмерительными
приборами, реле и др.

5. Для питания
различных цепей радио- и телевизионной
аппаратуры; устройств связи, автоматики
и телемеханики, электробытовых приборов;
для разделения электрических цепей
различных элементов этих устройств;
для согласования напряжений и т.п.

Их
выполняют двух-, трех- и многообмоточными;
условия работы, предъявляемые к ним
требования и принципы проектирования
весьма специфичны.

Как правило,
трансформаторы питания изготавливаются
комбинированными, т.е. позволяющими
снимать несколько напряжений; при этом
первичная обмотка (сетевая) может быть
выполнена в виде одной обмотки с двумя
отводами или двух одинаковых обмоток
с одним отводом в каждом из них. Во втором
варианте первичная обмотка на различные
напряжения (110, 127 или 220 В) переключается
специальным сетевым переключателем.

Принцип
действия.
Работа трансформатора основана на двух
базовых принципах:

1)
Изменяющийся во времени электрический
ток создаёт изменяющееся во времени
магнитное поле (электромагнетизм)

2)
Изменение магнитного потока, проходящего
через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке
(электромагнитная индукция).

а
одну из обмоток, называемую первичной
обмоткой, подаётся напряжение от внешнего
источника. Протекающий по первичной
обмотке переменный ток создаёт переменный
магнитный поток в магнитопроводе. В
результате электромагнитной индукции,
переменный магнитный поток в магнитопроводе
создаёт во всех обмотках, в том числе и
в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную
первой производной магнитного потока,
при синусоидальном токе сдвинутой на
90° в обратную сторону по отношению к
магнитному потоку. В некоторых
трансформаторах, работающих на высоких
или сверхвысоких частотах, магнитопровод
может отсутствовать. ЭДС создаваемую
в любой обмотке можно найти по закону
Фарадея: U=N*(dФ/dt), где U-напряжение в данной
обмотке, N-число витков в этой обмотке,
Ф-суммарный магнитный поток, через один
виток обмотки.

Классификация.
1)
Трехфазный – трансформатор, в магнитной
системе которого создается трехфазное
магнитное поле.

2)
Двухобмоточный – трансформатор, имеющий
две основные гальванически не связанные
обмотки.

3)
Масляный – трансформатор с жидким
диэлектриком, в котором основной
изолирующей средой и теплоносителем
служит трансформаторное масло.

4)
Сухой – трансформатор, в котором основной
изолирующей средой служит атмосферный
воздух или другой газ или твердый
диэлектрик, а охлаждающей средой
атмосферный воздух.

5)
Регулируемый под нагрузкой – регулируемый
трансформатор, допускающий регулирование
напряжения хотя бы одной из его обмоток
без перерыва нагрузки и без отключения
его обмоток от сети.

6)
Переключаемый без возбуждения –
регулируемый трансформатор, допускающий
регулирование напряжения путем
переключения ответвлений обмоток без
возбуждения после отключения всех его
обмоток от сети.

7)
Автотрансформатор – трансформатор, две
или более обмоток которого гальванически
связаны так, что имеют общую часть.

8)
Силовой – трансформатор, служащий для
преобразования энергии переменного
тока в электрических сетях энергетических
систем.

Уравнения напряжений трансформатора.

В
идеальном трансформаторе уравнение
напряжений выглядит так: U1~ -e1 U2~e2

В
уравнении равновесия ЭДС и напряжений
в реальном трансформаторе учитывается
наличие потоков рассеяния и активное
сопротивление обмоток. Запишем с учётом
этих величин уравнение по второму закону
Кирхгофа для первичной и вторичной
обмоток трансформатора:

U1=-e1+L1*(di1/dt)+R1i1,
параметр L1*(di1/dt) представляет собой
падение напряжения на индуктивности и
в комплексной форме записывается как
jX1I1. Перейдём к комплексным значениям:
U1=-E1+jX1*I1+R1*I1=-E1+I1(R1+jX1)=-E1+I1*Z1 – уравнение
электрического состояния первичной
обмотки в комплексной форме. Аналогично
для второй обмотки: U2=E2+I2*Z2. X1,X2 – индуктивные
сопротивления рассеяния обмоток. Z1,Z2 –
комплексные сопротивления. Величины
I1z1 и I2z2 – падения напряжения в обмотках.
Трансформаторы проектируют так, чтобы
энергия передавалась при минимальных
потерях в самом трансформаторе. Поэтому
в пределах до номинальной нагрузки
напряжение питания U1 уравновешивается
в основном ЭДС взаимоиндукции, которая
соответствует передаваемой энергии;
падение напряжения в обмотке порядка
3-10% от U1, причем большие значения относятся
к трансформаторам меньшей мощности.

Принцип работы, устройство и виды трансформаторов

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

Общая информация об устройстве

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

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

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

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 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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Существует два типа таких устройств:

• силовые;
• сигнальные.

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

Сигнальные применяются в целях обеспечения гальванической развязки электроцепей.

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

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

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

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

Холостой ход (ХХ)

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

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

Функциональное назначение работы трансформаторов вхолостую — определение их важнейших параметров:

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

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

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

Короткое замыкание (КЗ)

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

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

Такой режим характерен для приборов измерительного типа.

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