Принцип работы трансформатора: что это такое и действие устройства

Что такое трансформатор?

Короче говоря, это стационарное устройство, используемое для преобразования переменного напряжения при сохранении частоты тока. Действие трансформатора основано на свойствах электромагнитной индукции.

Немного истории

Благодаря английскому физику Майклу Фарадею в 1831 году человечество познакомилось с электромагнитной индукцией. Великому ученому не суждено было стать изобретателем трансформатора, так как в его экспериментах фигурировал постоянный ток. Прототипом устройства можно считать необычную индукционную катушку француза Г. Румкорфа, которая была представлена ​​научному миру в 1848 году.

В 1876 году русский электротехник П. Н. Яблочков запатентовал трансформатор переменного тока с открытым сердечником. Своим современным появлением прибор обязан англичанам братьям Хопкинсон, а также румынам К. Циперановскому и О. Блати. С их помощью конструкция приобрела замкнутый магнитопровод и сохранила контур до наших дней.

Типы магнитопроводов

Конструкция и принцип работы

Обязательными элементами практически любого устройства преобразования напряжения являются изолированные обмотки, выполненные из проволоки или ленты. Они расположены в магнитопроводе, представленном сердечником из ферромагнитного материала. Связь между катушками осуществляется магнитным потоком. В случае работы с токами высокой частоты (100 кГц и более) сердечник отсутствует.

Принцип работы трансформатора

Принцип действия трансформатора сочетает в себе основные постулаты электромагнетизма и электромагнитной индукции. Его можно рассмотреть на примере простого устройства с двумя катушками и стальным сердечником. Подача переменного напряжения на первичную обмотку приводит к возникновению магнитного потока в магнитопроводе, после чего во вторичной и первичной обмотках возникает ЭДС индукции, если подключить нагрузку ко вторичной обмотке, то будет протекать ток. Частота напряжения на выходе остается неизменной, а ее величина зависит от соотношения витков катушек.

Трансформаторы бывают повышающие и понижающие, для определения этого нужно узнать коэффициент трансформации, с его помощью можно узнать какой именно трансформатор. Если коэффициент меньше 1, то трансформатор идет вверх (это можно определить и по значениям, если во вторичной обмотке больше, чем в первичной, то такое повышение) и наоборот, если К > 1 , то уменьшить (если в первичной обмотке меньше витков, чем во вторичной).

Формула для расчета коэффициента трансформации

куда:

• U1 и U2 — напряжения на первичной и вторичной обмотках,
• N1 и N2 — количество витков в первичной и вторичной обмотках,
• I1 и I2 — ток в первичной и вторичной обмотках.

Конструкция силового трансформатора:

Базовые принципы действия

При подаче синусоидального тока на выводы первичных обмоток он создает во второй катушке переменное магнитное поле, пронизывающее магнитопровод. В свою очередь, изменение магнитного потока вызывает индукцию ЭДС в катушках. При этом величина напряжения ЭДС на обмотках пропорциональна числу витков и частоте тока. Отношение числа витков в цепи первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации: k = W1/W2, где символы W1 и W2 обозначают число витков в витках.

Если k > 1, то трансформатор повышает, а когда 0 < k < 1, понижает. Например, когда число витков, составляющих первичную обмотку, в три раза меньше числа витков вторичной, то k = 1/3, тогда U2 = 1/3 U1.

Режимы работы

Характеристики трансформаторов определяются условиями эксплуатации, где основная роль отводится сопротивлению нагрузки. За основу взяты следующие режимы:

1. Холостой ход. Выходы вторичной цепи находятся в разомкнутом состоянии, сопротивление нагрузки равно бесконечности. Измерение тока намагничивания, протекающего в первичной обмотке, позволяет рассчитать КПД трансформатора. С помощью этого режима рассчитывается коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике;
2. Под нагрузкой (работает). Вторичная цепь нагружена некоторым сопротивлением. Параметры тока, протекающего через него, напрямую связаны с соотношением витков катушек.
3. Короткое замыкание. Концы вторичной обмотки закорочены, сопротивление нагрузки равно нулю. Режим сообщает о потерях, возникающих из-за нагрева обмоток, что на профессиональном языке означает «потери меди».
   Режим короткого замыкания

Информация о поведении трансформатора в различных режимах получена опытным путем с использованием схем замещения.

Холостой ход (ХХ)

Такой порядок работы реализуется с момента открытия вторичной сети, после чего протекание электрического тока в ней прекращается. В первичной обмотке протекает ток холостого хода, его составным элементом является ток намагничивания.

Когда вторичный ток равен нулю, ЭДС индукции в первичной обмотке полностью компенсирует напряжение питания, и, таким образом, при потере токов нагрузки ток, протекающий через первичную обмотку, соответствует по величине току намагничивания.

Функциональное назначение холостого хода трансформаторов заключается в определении их важнейших параметров:

• Эффективность;
• индикатор трансформации;
• потери в магнитопроводе.

Режим нагрузки

Режим характеризуется работой устройства, когда на входы первичной цепи подается напряжение, а нагрузка подключается ко вторичной. Через «вторичку» идет зарядный ток, а в первичке — полный зарядный ток и ток холостого хода. Этот режим работы считается преимущественным для устройства.

Основной закон ЭДС индукции отвечает на вопрос, как работает трансформатор в основном режиме. Принцип следующий: приложение нагрузки к вторичной обмотке вызывает образование во вторичной цепи магнитного потока, который формирует зарядный электрический ток в сердечнике. Он направлен в сторону, противоположную его потоку, создаваемому первичной обмоткой. В первичной цепи не соблюдается паритет ЭДС подачи электроэнергии и индукции, в первичной обмотке электрический ток увеличивается до тех пор, пока магнитный поток не вернется к исходному значению.

Короткое замыкание (КЗ)

Переход аппарата в этот режим осуществляется при коротком замыкании вторичной цепи. Короткое замыкание — особый вид нагрузки, приложенная нагрузка, сопротивление вторичной обмотки, единственное.

Принцип работы трансформатора в режиме короткого замыкания следующий: на первичную обмотку поступает незначительное переменное напряжение, вторичные выводы замыкаются накоротко. Входное напряжение регулируется таким образом, чтобы значение тока замыкания соответствовало значению номинального электрического тока устройства. Значение напряжения определяет потери энергии, приходящиеся на нагрев обмоток, а также на активное сопротивление.

Этот режим характерен для измерительных приборов.

Исходя из разнообразия устройств и типов назначения трансформаторов, можно с уверенностью сказать, что на сегодняшний день это незаменимые устройства, применяемые практически повсеместно, обеспечивающие стабильность и достижение требуемых потребителем значений напряжения, как гражданских сетей, так и промышленных сетей предприятий

Классификации

Трансформаторы классифицируются по ряду параметров, таких как:

• Встреча. Их применяют: для изменения напряжения, измерения тока, защиты электрических цепей, например промежуточных и лабораторных приборов.
• Способ установки. В зависимости от места расположения и мобильности трансформатор может быть: стационарным, переносным, внутренним, наружным, опорным, шинным.
• Количество шагов. Устройства делятся на одноступенчатые и каскадные.
• Номинальное напряжение. Бывают низкого и высокого напряжения.
• Изоляция обмотки. Наиболее широко используется составная, сухая, масляно-бумажная.

Также преобразовательные устройства различаются по видам, каждый из которых имеет свою систему классификации.

Типы трансформаторов по конструкции

Однофазные трансформаторы

Это трансформаторы, которые преобразуют однофазное переменное напряжение одного значения в однофазное переменное напряжение другого значения.

В основном однофазные трансформаторы имеют две обмотки, первичную и вторичную. На первичную обмотку подается значение напряжения, а со вторичной снимается нужное нам напряжение. Чаще всего в быту можно увидеть так называемые сетевые трансформаторы, у которых первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение, то есть 220 В.

На схемах однофазный трансформатор обозначается так:

Первичка слева, вторичка справа.

Иногда для питания различных приборов требуется много различных напряжений. Зачем ставить трансформатор на каждое устройство, если можно получить сразу несколько напряжений от одного трансформатора? Поэтому иногда бывает несколько пар вторичных обмоток, а иногда даже некоторые обмотки берутся непосредственно из имеющихся вторичных обмоток. Такой трансформатор называется трансформатором с несколькими вторичными обмотками. На схемах можно увидеть примерно следующее:

Трехфазные трансформаторы

Эти трансформаторы в основном используются в промышленности и в большинстве случаев больше, чем простые однофазные трансформаторы. Почти все трехфазные трансформаторы считаются силовыми трансформаторами. То есть их используют в схемах, где необходимо запитать мощные нагрузки. Это могут быть станки с ЧПУ и другое промышленное оборудование.

На схемах трехфазные трансформаторы обозначаются так:

Первичные обмотки обозначаются заглавными буквами, а вторичные — строчными.

Здесь мы видим три типа соединения обмоток (слева направо)

• звезда-звезда
• дельта-звезда
• звездный треугольник

В 90% случаев используется именно звезда-звезда.

Типы трансформаторов по напряжению

Понижающий трансформатор

Это трансформатор, понижающий напряжение. Допустим, на первичную обмотку подаем 220 вольт, а снимаем 12 вольт. В этом случае коэффициент трансформации (k) будет больше 1.

Повышающий трансформатор

Это трансформатор, повышающий напряжение. Допустим, на первичную обмотку мы подаем 10 Вольт, а со вторичной уже сняли 110 В, то есть увеличили наше напряжение в 11 раз. Повышающие трансформаторы имеют коэффициент трансформации менее 1.

Разделительный или развязывающий трансформатор

Такой трансформатор используется в целях электробезопасности. В основном это трансформатор с одинаковым количеством обмоток на входе и на выходе, то есть его напряжение на первичной обмотке будет равно напряжению на вторичной обмотке. Нулевой вывод вторичной обмотки такого трансформатора не заземляется. Поэтому, коснувшись одной фазы в таком трансформаторе, не удивишься. О его использовании можно прочитать в статье ЛАТР. Разделительные трансформаторы имеют коэффициент трансформации 1.

Согласующий трансформатор

Такой трансформатор используется для выравнивания входного и выходного сопротивлений между каскадами схемы.

Силовой

Самый распространенный силовой трансформатор. Устройства с прямым преобразованием переменного напряжения, рассчитанные на большую мощность, востребованы в различных областях электроэнергетики. Применяются на ЛЭП напряжением 35–1150 кВ, в городских электросетях, работающих напряжением 6 и 10 кВ, в питании конечных потребителей напряжением 220/380 В. С помощью приборов, различных установок и Электрические устройства питаются в диапазоне от долей до сотен тысяч вольт.

Трансформер

Измерительные

Трансформаторы тока (ТТ) снижают ток до требуемых уровней. Схема их работы отличается последовательным включением первичной обмотки и нагрузки. При этом вторичная обмотка, находящаяся в состоянии, близком к короткому замыканию, используется для подключения измерительных приборов, устройств запуска и индикации. С помощью ТА осуществляется гальваническая развязка, позволяющая отклонить шунты при измерениях.

ТТ высокого напряжения (слева) и ТТ низкого напряжения (справа)

С помощью трансформаторов напряжения (ТН), то же, что и ТА только по напряжению. Помимо преобразования входных параметров электрооборудование и его отдельные элементы защищены от высокого напряжения.

ТН высокого напряжения (слева) и ТН низкого напряжения (справа)

Импульсный

При необходимости преобразования сигналов импульсного характера применяют импульсные трансформаторы (ИТ). Изменяя амплитуду и полярность импульсов, приборы сохраняют их длительность и практически не влияют на форму.

Автотрансформатор

В автотрансформаторах обмотки образуют цепь и взаимодействуют посредством электромагнитной и электрической связи. В отличие от других типов преобразователей, устройства могут содержать только 3 выхода, что позволяет работать с разными напряжениями. Устройства выделяются высоким КПД, что особенно заметно при незначительной разнице входного и выходного напряжения.

Однофазный (слева) и трехфазный (справа)

Без гальванической развязки представители этого типа повышают риск возникновения высоковольтного разряда на нагрузке. Надежное заземление и низкий коэффициент трансформации являются предпосылками для работы устройства. Недостаток компенсируется меньшей материалоемкостью изготовления, компактностью и массой, стоимостью.

Разделительный

Для разделительных трансформаторов исключается взаимодействие между обмотками. Устройства повышают безопасность электрооборудования при повреждении изоляции.

Разделительный трансформатор

Согласующий

Согласующие трансформаторы используются для согласования сопротивлений между каскадами электронных цепей. При сохранении формы сигнала они выполняют роль гальванической развязки.

Пик-трансформатор

С помощью пикового трансформатора синусоидальное напряжение преобразуется в импульсное. В этом случае импульсы меняют полярность через каждые полпериода.

Сдвоенный дроссель

Особенностью сдвоенного дросселя является идентичность обмоток. Взаимная индуктивность катушек делает его более эффективным, чем стандартные дроссели. Устройства используются в качестве входных фильтров в источниках питания, в звуковой и цифровой технике.

Двойной дроссель

Сварочный

Помимо вышеперечисленного, существует понятие сварочных трансформаторов. Специализированные сварочные аппараты снижают напряжение домашней сети при одновременном увеличении тока, измеряемого тысячами ампер. Регулировка последних осуществляется делением обмоток на сектора, что отражается на индуктивном сопротивлении.

Сварочный трансформатор

Тока

Можно соединить первичную обмотку последовательно в электрическую цепь с другими приборами и получить гальваническую развязку. Такие устройства называются трансформаторами тока. Первичная цепь таких устройств управляется коммутацией однофазной нагрузки, а вторичная обмотка используется в измерительных приборах или цепях сигнализации. Второе название приборов – измерительные трансформаторы.

Особенностью работы приборных трансформаторов является особый режим работы выходной обмотки. Работает в режиме критического короткого замыкания. При обрыве вторичной цепи в ней происходит сильное повышение напряжения, что может привести к пробою или повреждению изоляции.

Трансформатор тока

Напряжения

Типичным применением является изоляция логических цепей защиты от высокого напряжения для измерительных приборов. Трансформатор напряжения — это понижающее устройство, которое преобразует высокое напряжение в более низкое.

Воздушные и масляные

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

Модели с сухим силовым трансформатором чаще всего используются для преобразования сетевых напряжений даже в трехфазных сетях.

Рисунок 7. Трехфазный сухой трансформатор

При подключении нагрузки обмотки нагреваются, что грозит разрушением электроизоляции. Поэтому в сетях с напряжением выше 6 кВ работают аппараты с масляным охлаждением. Специальное трансформаторное масло повышает надежность изоляции, что очень важно при больших мощностях.

Рис. 8. Конструкция промышленного масляного трансформатора

Вращающиеся

Они используются для обмена сигналами с вращающимися барабанами. Конструктивно они состоят из двух половинок магнитопровода с катушками. Эти части вращаются друг с другом. Обмен сигналами происходит при высоких скоростях вращения.

Технические характеристики

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

Еще одной важной характеристикой трансформатора является его КПД. В некоторых устройствах этот показатель составляет 0,9 — 0,98, что характеризует незначительные потери от блуждающих магнитных полей. Мощность P зависит от площади поперечного сечения S магнитопровода. По величине S при расчете параметров трансформатора определяют число витков в катушках: W = 50/S.

На практике мощность выбирают исходя из ожидаемой нагрузки с учетом потерь в сердечнике. Мощность вторичной обмотки Pн= Un×In, а мощность первичной обмотки Pс= Uс×Iс. В идеале Pн = Pс (если пренебречь потерями в сердечнике). Итак, k = Uc/Un = Ic/In, то есть токи в каждой из обмоток обратно пропорциональны их напряжениям, а значит, и числу витков.

Расшифровка основных параметров

Разнообразие в конструкции и широкий диапазон параметров трансформаторов привели к необходимости их маркировки по специальному стандарту. Не имея под рукой технического описания, характеристики устройства можно узнать по информации, напечатанной на его поверхности, выраженной буквенно-цифровым кодом.

Маркировка силовых трансформаторов содержит 4 блока.

Вы можете скачать и просмотреть ГОСТ 15150 здесь (открывается в новом PDF-файле): Просмотр файла

Расшифруем первые три блока:

Расшифровка маркировки: 1,2,3 блока

1. Первая буква «А» прикреплена за автотрансформаторами. В противном случае буквы «Т» и «О» соответствуют трехфазным и однофазным трансформаторам.
2. Наличие буквы «П» дополнительно информирует об устройствах с расщепленной обмоткой.
3. Третья буква означает охлаждение, естественной системе охлаждения масла присвоена буква «М». При естественном воздушном охлаждении присваивается буква «С», при масляном охлаждении с принудительной циркуляцией воздуха буква «С» обозначается «Д», при принудительной циркуляции масла — «С». Комбинация «DC» указывает на наличие принудительной циркуляции масла с одновременной продувкой воздухом.
4. Буквой «Т» обозначаются трехобмоточные преобразователи.
5. Последний знак характеризует характеристики трансформатора:

• «N» — устройство РПН (регулировка напряжения под нагрузкой);
• пробел — невозбужденное переключение;
• «Г» — молниезащитный.

Обозначение на схемах

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

Пример обозначения

На схемах трехфазного трансформатора обмотки начинаются со стороны сердечника.

Уравнения идеального трансформатора

В таком трансформаторе силовые линии проходят через все ветви первичной и вторичной обмотки. Это означает отсутствие вихревых течений и потерь энергии. Магнитное поле меняется, но порождает одинаковую ЭДС во всех спинах, поэтому становится прямо пропорционально их общему количеству.

Когда мощность поступает из первичной цепи, она преобразуется в магнитное поле, а затем поступает во вторичную цепь.

Формула идеального трансформатора: P1 = I1 • U1 = P2 = I2 • U2:

• R1 – коэффициент поступающей мощности от первой цепи к трансформатору;
• R2 – коэффициент мощности, преобразуемой при вводе во вторичную цепь.

Если напряжение на концах вторичной обмотки увеличится, уровень тока первичной цепи уменьшится. Согласно уравнению: U2/U1=N2/N1=I1/I2, преобразование сопротивления одной цепи в сопротивление другой возможно только путем умножения значения на квадрат отношения.

Типы сердечников для трансформаторов

На практике используются не только сердечники, как указано. В зависимости от назначения устройства магнитопроводы могут быть выполнены по-разному.

Стержневые сердечники

Магнитопроводы низкочастотных трансформаторов выполнены из стали с ярко выраженными магнитными свойствами. Для уменьшения вихревых токов массив стержней собран из отдельных пластин, электрически изолированных друг от друга. Для работы на высоких частотах используются другие материалы, например, ферриты.

Рассмотренный выше сердечник называется сердечником и состоит из двух стержней. Для однофазных трансформаторов применяют также трехстержневые магнитопроводы. Они имеют меньший магнитный поток рассеяния и более высокий КПД. В этом случае и первичная, и вторичная обмотки располагаются на центральном стержне сердечника.

Трехфазные трансформаторы также изготавливаются на трехстержневых сердечниках. Они имеют первичную и вторичную обмотки каждой фазы, расположенные каждая в своем сердечнике. В ряде случаев применяют пятистержневые магнитопроводы. Его обмотки расположены точно так же: каждая первичная и вторичная на своем стержне, а два крайних стержня с каждой стороны предназначены только для замыкания магнитных потоков в определенных режимах.

Броневые

Однофазные трансформаторы выполнены на экранированном сердечнике: обе обмотки размещены на центральном сердечнике магнитопровода. Магнитный поток в указанном сердечнике замыкается аналогично трехстержневой конструкции через боковые стенки. Поток утечки в этом случае очень мал.

К преимуществам такой конструкции можно отнести некоторый выигрыш в габаритах и ​​массе за счет возможности более плотного заполнения окна сердечника обмотками, поэтому для изготовления трансформаторов малой мощности выгодно использовать экранированные сердечники. Это также приводит к более короткой магнитной цепи, что приводит к уменьшению потерь холостого хода.

Недостатком является более затрудненный доступ к обмоткам для осмотра и ремонта, а также большая сложность изготовления изоляции на высокие напряжения.

Тороидальные

В тороидальных сердечниках магнитный поток полностью замыкается внутри сердечника и рассеяние магнитного потока практически отсутствует. Но такие трансформаторы трудно намотать, поэтому их редко применяют, например, в маломощных перестраиваемых автотрансформаторах или в высокочастотных устройствах, где важна помехоустойчивость.

Магнитный поток в тороидальном сердечнике

Автотрансформатор

В ряде случаев целесообразно применять такие трансформаторы, в которых между обмотками имеется не только магнитная связь, но и электрическая. То есть в повышающих устройствах первичная обмотка является частью вторичной, а в понижающих устройствах — вторичной частью первичной. Такое устройство называется автотрансформатором (АТ).

Понижающий автотрансформатор не является простым делителем напряжения: в передаче мощности во вторичную цепь участвует и магнитная связь.

Преимущества автотрансформаторов:

• незначительные потери;
• возможность без проблем регулировать напряжение;
• меньшие массогабаритные показатели (автотрансформатор дешевле, его легче транспортировать);
• более низкая стоимость из-за меньшего количества требуемого материала.

К недостаткам можно отнести необходимость применения изоляции обеих обмоток, рассчитанной на более высокое напряжение, а также отсутствие гальванической развязки между входом и выходом, что может переносить воздействие атмосферных явлений с первичной на вторичную цепь. При этом элементы вторичной цепи заземлять нельзя. Кроме того, недостатком АТ считается увеличение токов короткого замыкания. У трехфазных автотрансформаторов обмотки обычно соединяют в звезду с глухозаземленной нейтралью, возможны и другие схемы соединения, но слишком сложные и громоздкие. Это тоже недостаток, уменьшающий номенклатуру автотрансформаторов.

Трансформатор Тесла

Трансформатор Николы Теслы – это устройство, с помощью которого получают токи высокой частоты. Он реализован с использованием первичной и вторичной обмоток, но первичная обмотка питается на резонансной частоте вторичной обмотки, при этом выходное напряжение умножается на десять.

По мнению экспертов, Тесла изобрел трансформатор, чтобы решить мировую проблему передачи электрической энергии из одной точки в другую без использования проводов. Чтобы добиться передачи энергии через эфир, задуманной изобретателем, необходимо иметь в двух удаленных точках мощный трансформатор, который работал бы на одной частоте в резонансе. В случае реализации проекта отпадет необходимость в гидроэлектростанциях, мощных ЛЭП и наличии кабельных линий, что, конечно же, противоречит монопольному владению электроэнергией разных компаний.

С проектом Николы Теслы каждый член общества мог бесплатно пользоваться электричеством в нужное время, в любом месте, где бы он ни находился.

С коммерческой точки зрения эта система невыгодна, так как она не окупится, так как электроэнергия станет бесплатной, поэтому патент № 645576 все еще ждет своих инвесторов.

Почему сердечник не делают сплошным

Сердечники (магнитопроводы) изготавливают из железных пластин, так как при работе возникают вихревые токи. Их еще называют вихревыми токами. Эти токи возникают от токосъемных обмоток в сердечнике. В результате сердечник может перегреться и даже расплавить катушки.

Поэтому у трансформаторов низкой частоты сердечники выполняются из изолированных друг от друга пластин.

Пластины можно покрыть лаком или изолировать бумагой. Это уменьшает короткие замыкания на платах.

Можно ли сделать ядро ​​твердым? Это может быть сделано. А в импульсных трансформаторах сердечники сделаны из ферромагнитного порошка, в котором частицы изолированы друг от друга. Его называют ферродиэлектрическим сердечником. Но это возможно только на высоких частотах, на которых работает импульсный трансформатор.

Области применения

Помимо преобразования напряжения в электрических сетях, трансформаторы часто используются в источниках питания электронных устройств. В основном это автотрансформаторы, выдающие одновременно различные напряжения для различных узлов.

Сегодня бестрансформаторные блоки питания используются все больше и больше. Однако там, где требуется мощный переменный ток, без электромагнитных устройств не обойтись.

Трансформация напряжения

К уровню промышленного напряжения на разных этапах предъявляются разные требования. При выработке электроэнергии по разным причинам экономически нецелесообразно использовать генераторы высокого напряжения. Поэтому, например, на гидроэлектростанциях используются генераторы 6…35 кВ. С другой стороны, для транспортировки электроэнергии требуется более высокое напряжение, от 110 кВ до 1150 кВ, в зависимости от расстояния. Далее это напряжение снова снижается до уровня 6…10 кВ, распределяется по местным подстанциям, откуда снижается до 380 (220) вольт и доходит до конечного потребителя. В бытовых и промышленных приборах оно также должно быть понижено, как правило, до 3…36 вольт.

Все эти операции выполняются силовыми трансформаторами. Они могут быть сухими или на масляной основе. Во втором случае сердечник с обмотками помещают в бак с маслом, являющимся изолирующей и охлаждающей средой.

Гальваническая развязка

Гальваническая развязка повышает безопасность электроприборов. Если устройство питается не напрямую от сети 220 вольт, где один из проводников заземлен, а через трансформатор 220/220 вольт, напряжение питания останется прежним. Но при одновременном контакте земли и вторичных токоведущих частей цепи для протекания тока протекания тока не будет, и опасность поражения электрическим током будет намного меньше.

Измерение напряжения

Во всех электроустановках необходимо контролировать уровень напряжения. Если используется класс напряжения до 1000 вольт, вольтметры подключаются непосредственно к токоведущим частям. В электроустановках свыше 1000 вольт так не получится — устройства, выдерживающие такое напряжение, оказываются слишком громоздкими и небезопасными в случае пробоя изоляции. Поэтому в таких системах вольтметры подключаются к высоковольтным проводникам через трансформаторы с подходящим коэффициентом трансформации. Например, для сетей 10 кВ применяются измерительные трансформаторы 1:100, на выходе стандартное напряжение 100 вольт. Если напряжение на первичной обмотке меняет амплитуду, то одновременно оно изменяется и на вторичной.

Трансформатор достаточно сложный и дорогой в производстве и обслуживании элемент. Однако во многих сферах эти устройства незаменимы и альтернативы им нет.

От чего зависит мощность трансформатора

При расчете учитываются следующие параметры:

• Размеры магнитопровода (сердечника);
• Количество ходов;
• Сечение провода;
• Количество обмоток;
• Рабочая частота.

И все эти значения варьируются в зависимости от расчетной мощности и требуемых параметров.

Вопросы об устройстве трансформатора

Почему расстояние между катушками минимально?
Это сделано для лучшего контакта магнитных полей. Если зазор большой, то КПД трансформатора будет низким.

-Можно ли сделать трансформатор без сердечника, аналогичный силовому трансформатору без сердечника?
Да, но тогда вам придется увеличить количество витков, чтобы увеличить магнитный поток. Например, при одном сердечнике обмотки могут иметь несколько тысяч витков. А без сердечника придется увеличивать магнитный поток за счет витков. А количество витков будет несколько десятков тысяч. Это не только увеличивает размер катушек, но и снижает их эффективность и увеличивает вероятность перегрева.

Можно ли использовать понижающий трансформатор как повышающий?
Если у вас есть трансформатор, снижающий напряжение сети с 220 В до 12 В, вы можете подключить его как усилитель. То есть можно подать на него во вторичной обмотке переменное напряжение 12 В, а в первичной 220 В увеличить.

Что произойдет, если на вторичную обмотку понижающего трансформатора поступит сетевое напряжение?
Тогда обмотка сгорит. Его сопротивление, количество витков и сечение провода не рассчитаны на такие напряжения.

-Можно ли сделать трансформатор своими руками в домашних условиях?
Да, это вполне реально. И так делают многие радиолюбители и электронщики. А некоторые до сих пор зарабатывают на продаже готовой продукции. Но стоит помнить, что это долгая, сложная и непростая работа. Вам нужны качественные материалы. Это железные трансформаторы, эмалированные медные провода различного сечения, изоляционные материалы.

Все материалы должны быть высокого качества. Если медный провод имеет плохую изоляцию, в нем может произойти короткое замыкание между витками, что неизбежно приведет к перегреву. А для начала нужно рассчитать все параметры будущего трансформатора. Это можно сделать с помощью различных программ, доступных в сети.

Далее идут долгие часы сборки. Особенно, если вы решили намотать тороидальный трансформатор.

Наматывать витки нужно крепко и ровно, записывать каждый десяток, чтобы не запутаться и не изменить характеристики будущего преобразователя или блока питания.

Что будет, если включить трансформатор без сердечника?
Так как трансформатор изначально рассчитывался с одним сердечником, полностью преобразовать напряжение он не сможет. То есть во вторичке что-то будет, но явно не те параметры. А если подключить нагрузку к обмоткам без сердечника, то они быстро нагреются и сгорят.

Неисправности трансформаторов

К основным неисправностям трансформатора относятся:

• Коррозия и ржавчина в сердцевине;
• Перегрев и нарушение изоляции;
• Короткое замыкание между витками;
• Деформация корпуса, обмоток и сердечника
• Попадание воды в обмотку.

Как проверить на целостность

Трансформатор можно проверить обычным мультиметром. Установите мультиметр в режим измерения сопротивления и проверьте обмотки.

Они никогда не должны нервничать. Если нигде нет обрыва, найти первичную и вторичную обмотки можно путем измерения сопротивления. Первичная обмотка понижающего трансформатора будет иметь большее сопротивление, чем вторичная. Все упирается в количество кругов. Чем больше витков и меньше диаметр провода, тем выше сопротивление обмотки.

Также можно найти паспорт на свой трансформатор. Там указано сопротивление обмоток и их параметры, которые нужно будет проверить мультиметром.

Как проверить на короткое замыкание обмоток

Хотя обмотки расположены очень близко друг к другу, они разделены лаковым диэлектриком, который покрывает как первичную, так и вторичную обмотки. Если где-то между проводами произойдет короткое замыкание, трансформатор сильно нагреется или будет издавать громкий жужжащий звук во время работы. Также будет пахнуть горелым лаком. В этом случае стоит измерить напряжение на вторичной обмотке и сравнить его с паспортным значением.

Проверка на обрыв обмоток

С перерывом все гораздо проще. Для этого с помощью мультиметра проверяем целостность первичной и вторичной обмоток. Значит сопротивление первичной обмотки нашего трансформатора чуть больше 1кОм. Итак, обертка завершена.

Таким же образом проверяем вторичную обмотку.

Из этого делаем вывод, что наш трансформатор жив и здоров.

Безопасная проверка работы трансформатора

Если вы решили намотать свой трансформатор или проверить старый, обязательно подключите лампочку в разомкнутую цепь (последовательно!). Если что-то пойдет не так, лампочка включится и возьмет на себя ток, и вы сможете спасти неисправный трансформатор.

Цена трансформаторов

Цена трансформатора сильно варьируется и зависит от многих факторов. Учитывается тип и назначение, мощность и другие электрические параметры. Стоимость устройств отражает сложность производства и используемые материалы. Не менее важны защита и другие функции.

Трансформатор от известного производителя не может стоить дешево. Однако покупатель может быть уверен, что приобретенное им устройство полностью соответствует указанным характеристикам, не выйдет из строя с первого включения и гарантированно проработает обещанный ресурс.

Высоковольтные трансформаторы можно оценить по их мощности, то есть если мощность одного трансформатора 63 МВт (63 000 кВА), то он стоит около 63 млн рублей, но это приблизительная оценка.

Техника безопасности

При эксплуатации необходимо соблюдать определенные правила:

• при появлении трещин в корпусе, шума или вибрации автотрансформатор сразу отключается;
• запрещается оставлять без присмотра оборудование, за которым предусмотрен постоянный контроль;
• двигатель, мощность которого более чем на 70% превышает мощность автотрансформатора, подключать нельзя;
• эти устройства нельзя использовать открытыми, накрытыми, закрытыми вентиляционными отверстиями, размещать на них другое оборудование или предметы.

При ремонте автотрансформатора или устройства, в состав которого он входит, необходимо отключить его от сети.

Как правильно подключить

Обычному человеку сложно разобраться во всех тонкостях электричества, но при использовании в быту понижающего трансформатора важно понимать, как осуществляется процесс подключения.

Бывает, что необходимо подключить агрегат сразу к нескольким потребителям.

Стоит знать:

1. При подключении трансформатора сразу к нескольким потребителям важно учитывать количество выходных клемм.
2. Суммарное потребление энергии жильцами должно быть таким же, как у трансформатора, или чуть меньше. По мнению экспертов, второй идеальный показатель на 20% выше первого%.
3. Агрегат подключается через электропроводку, размер которой не должен быть слишком большим. 2 м достаточно при установке светодиодного освещения, чтобы избежать потерь энергии.
4. Суммарная мощность электроприборов не должна превышать мощность трансформатора.

Если посмотреть на схему подключения понижающего трансформатора, то видно, что он монтируется между распределительной коробкой 220Вт и лампами накаливания. Провода от распределительной коробки подключаются непосредственно к выключателю.

Подключение трансформатора напряжения

Дополнительная информация! Стоит изначально определить правильное место установки электрического понижающего трансформатора. Нельзя старательно прятать его от посторонних глаз, ведь доступ для разборки или замены должен быть свободным. При этом потребляемая мощность не меньше мощности трансформатора; в противном случае процесс установки запрещен.

При подключении важно, чтобы все уравнения, относящиеся к модели устройства, совпадали. Фаза также важна, если несколько устройств подключены параллельно к цепи одновременно. Чтобы избежать больших потерь мощности, фазы должны быть правильно соединены между собой, чтобы образовать замкнутую цепь. При несовпадении фаз нагрузка увеличится, а мощность уменьшится. Может произойти короткое замыкание.

Важно! Посмотрите на фото упрощенный вид трансформатора.

Трансформатор представляет собой электромагнитное устройство. Увеличьте или уменьшите напряжение переменного тока. В нем нет движущихся частей. Так что это статично. Он может быть размером с трехэтажное здание или миниатюрным, который умещается в вашей руке. Он состоит из сердечника и нескольких обмоток, расположенных в магнитопроводе. Хотя он может содержать только одну обмотку без сердечника.

При работе трансформатора включается принцип электромагнитного взаимодействия. Переменный ток подается на первичную обмотку, меняя направление дважды за цикл. Это означает, что вокруг обмотки образуется магнитное поле, но оно исчезает каждую секунду. Вторичная обмотка является проводником электромагнитного взаимодействия. Там индуцируется напряжение.

Конечно, обычному человеку сложно понять конструкцию и назначение устройства. Для ознакомления можно просто разобрать, прозвонить, подключить или разобрать в домашних условиях.

Интересные факты про трансформаторы

Трансформатор является наиболее эффективным преобразователем. Его КПД (коэффициент полезного действия) может достигать 99% (силовые трансформаторы). А вот для двигателя внутреннего сгорания (ДВС) КПД обычно не превышает 30%.

Наиболее эффективным, но в то же время и самым сложным в изготовлении является тороидальный трансформатор. Он эффективен за счет расположения катушек и магнитопровода. Это усложняет производственный процесс, особенно в промышленных масштабах.

Что такое силовой трансформатор и его назначение

Это устройство, которое преобразует амплитуду переменного напряжения, оставляя его частоту неизменной. Работа такого устройства основана на принципе электромагнитной индукции. Не будем отвлекаться на его описание, всю подробную информацию можно найти на страницах нашего сайта.

Основная сфера применения ST связана с передачей и распределением электроэнергии, это упрощенно показано на рисунке ниже.

Схема передачи мощности

Как видно на рисунке, в цепи между генератором и потребителем может быть установлено несколько МВ. Первый повышает напряжение до 110 кВ (чем выше, тем меньше потери при передаче на большие расстояния) и подает в ЛЭП. На выходе линии на районной подстанции устанавливается второй СМ, откуда он передается по подземному кабелю на пункт трансформации, откуда питаются конечные потребители.

Трансформаторный пункт

Конструктивные особенности

Несмотря на многообразие типов СТ, в их конструкцию неизменно входят следующие обязательные элементы:

• выходы катушек высокого и низкого напряжения (ВН и НН), часто называемые силовыми входами;
• система отвода тепла;
• устройства, позволяющие регулировать рабочее напряжение;
• дополнительное оборудование для контроля работы и обслуживания устройства.

На рисунке ниже показана типичная схема ТТ с масляной системой отвода тепла.

Конструкция силового трансформатора с масляным охлаждением

Обозначения:

• А — расширительный бачок, служит для выравнивания уровня масла при изменении его объема из-за колебаний температуры.
• В — потребляемая мощность для ВН.
• C — вход для ДЧ.
• D — выключатель рабочего напряжения.
• Е – радиатор, это трубка, по которой циркулирует масло.
• F – корпус, так же играет роль маслобака.
• G и H — катушки ВН и НН.
• I — магнитопровод.

Теперь подробно рассмотрим назначение основных элементов конструкции.

Основные детали и системы

Напряжение питания и нагрузка подаются на входы, расположенные на внутренней или внешней клеммной колодке. Контакт фиксируется болтами или специальными соединителями. На масляных агрегатах входные отверстия расположены снаружи на бортах бака или на крышке съемного корпуса.

Передача внутренних обмоток идет на гибкие демпферы или резьбовые шпильки из цветных металлов. Силовые трансформаторы и их коробки изолированы от шпилек слоем фарфора или пластмассы. Зазоры устраняются прокладками из материала, стойкого к маслам и синтетическим жидкостям.

Охладители снижают температуру масла в верхней части бака и передают ее в нижний боковой слой. Устройство охлаждения силового масляного трансформатора представлено:

• внешний контур, отводящий тепло от носителя;
• жидкое топливо внутреннего контура.

Холодильники бывают разных видов:

• радиаторы — набор плоских каналов со сваркой на конце, расположенных на пластинах для сообщения между нижним и верхним коллекторами;
• гофрированные баки – размещаются в агрегатах малой и средней мощности, представляют собой как емкость для понижения температуры, так и рабочий бак с гнутой поверхностью стенок и донным коробом;
• вентиляторы – оснащены большими трансформаторными модулями для принудительного охлаждения потока;
• теплообменники – используются в крупных агрегатах для перемещения синтетических жидкостей с помощью насоса, так как для организации естественной циркуляции требуется много места;
• водомасляные установки — трубчатые теплообменники по классической технологии;
• циркуляционные насосы представляют собой герметичные конструкции с полным погружением двигателя при отсутствии сальниковых прокладок.

Оборудование преобразования напряжения снабжено устройствами управления для изменения количества рабочих витков. Напряжение на вторичной обмотке изменяют с помощью переключателя количества витков или задают штырями выбором расположения перемычек. Так подключаются выводы заземленного или обесточенного трансформатора. Модули регулирования преобразуют напряжение в небольшие диапазоны.

В зависимости от условий переключатели по количеству спиралей делятся на типы:

• устройства, работающие при отключенной нагрузке;
• элементы, срабатывающие при замыкании вторичной обмотки на резистор.

Навесное оборудование

Газовое реле расположено в патрубке между расширительным и рабочим баками. Устройство предотвращает разложение изолирующих органических соединений, масел при перегреве и незначительном повреждении системы. Прибор реагирует на газообразование в случае неисправности, подает сигнал тревоги или полностью отключает систему в случае короткого замыкания или опасного падения уровня жидкости.

Термопары размещаются в верхней части резервуара в карманах для измерения температуры. Они работают по принципу математического расчета, чтобы определить самую горячую часть агрегата. Современные датчики основаны на оптоволоконной технологии.

Блок непрерывной регенерации используется для восстановления и очистки масла. В результате работы в массе образуется шлак, в нее попадает воздух. Устройства регенерации бывают двух типов:

• термосифонные модули, использующие естественное движение нагретых слоев вверх и прохождение через фильтр, последующий спуск охлажденных потоков на дно резервуара;
• установки адсорбционного класса прокачивают массу через фильтры насосом, располагаются отдельно в базе и используются в схемах крупных конвертеров.

Модули защиты масла представляют собой расширительный бачок открытого типа. Воздух на поверхности теста проходит через осушители силикагеля. Адсорбент при максимальной влажности становится розовым, что служит сигналом к ​​его замене.

В верхней части расширителя установлен сальник. Это устройство для снижения влажности воздуха, работающее на сухом трансформаторном масле. Модуль соединен с расширительным баком трубкой. В верхней части приварен контейнер с внутренним разделением в виде нескольких лабиринтных стенок. Воздух проходит через масло, выделяет влагу, затем очищается силикагелем и поступает в расширитель.

Контролирующие устройства

Устройство сброса давления предотвращает аварийное повышение давления вследствие короткого замыкания или резкого пробоя масла и предусмотрено в конструкции мощных агрегатов по ГОСТ 11677-1975. Устройство выполнено в виде отводящего патрубка, расположенного под углом к ​​крышке трансформатора. На конце находится герметичная мембрана, которая может мгновенно разворачиваться и пропускать выхлоп.

Кроме того, на трансформер устанавливаются и другие модули:

1. Датчики уровня масла в баке, снабженные циферблатом или выполненные в виде стеклянной трубки из сообщающихся емкостей, размещены в конце расширителя.
2. Встроенные трансформаторы располагаются внутри блока или рядом с заземляющей втулкой со стороны вводов или на низковольтных шинах. В этом случае нет необходимости в большом количестве отдельных преобразователей на подстанции с внутренней и внешней изоляцией.
3. Детектор примесей и горючих газов обнаруживает водород в массе масла и вытесняет его через мембрану. Прибор указывает начальную степень газообразования перед срабатыванием реле концентрированной смеси.
4. Расходомер контролирует потери масла на подстанциях, работающих по принципу принудительного снижения температуры. Устройство измеряет перепад высот и определяет давление по обеим сторонам препятствия в потоке. В агрегатах с водяным охлаждением расходомеры считывают потребление влаги. Элементы оснащены сигнализацией на случай аварии и циферблатом для определения показателей.

Назначение силовых вводов

Этот конструктивный элемент необходим для подключения питания и нагрузки к СТ. Его расположение может быть внутренним (закрытые клеммники) или внешним. Обратите внимание, что первый вариант компоновки используется только на СТ с воздушной системой отвода тепла.

Между вводом и корпусом обязательно должна быть изоляция, это может быть масляный барьер, элегаз, емкостной проходной или токопроводящие материалы (фарфор, полимеры и т.п).

Рис. 4. Фарфоровые изоляторы на вводах силового трансформатора

Система отвода тепла

В процессе преобразования электроэнергии часть потерь выделяется в виде тепла, поэтому система его устранения всегда присутствует в любом ПТ. Мощные устройства оснащаются для этого специальной двухконтурной системой, в которой масло охлаждается следующими способами:

• С помощью радиаторов (см. Е на рис. 4), обеспечивающих отвод тепла во вторичную или внешнюю среду.
• Корпус бака с рифленой поверхностью (используется в маломощных устройствах).
• Монтаж вентиляционного оборудования. Это решение позволяет увеличить производительность на четверть.
  Вентиляторы принудительного охлаждения CT
• Дополнительные системы водяного охлаждения. Это один из самых простых и эффективных способов рассеивания тепла.
• Применение специальных насосов, обеспечивающих циркуляцию масла в системе отвода тепла.

Устройства управления рабочим напряжением

В некоторых случаях необходимо увеличить или уменьшить зарядное напряжение СТ, для этого в большинстве конструкций предусмотрен специальный переключатель. По сути, он изменяет коэффициент трансформации, изменяя большее или меньшее количество витков в катушках.

Как правило, такие манипуляции проводят при снятой нагрузке, но есть устройства, позволяющие менять ТТ без отключения потребителей.

Виды дополнительного оборудования

Для обеспечения стабильной работы и технического обслуживания СТ в его конструкцию могут быть включены следующие устройства, называемые аксессуарами или дополнительным оборудованием:

• Реле давления газа является системой защиты. При переходе ПТ в нештатный режим, в результате большого выделения тепла происходит выход масла из строя. Этот процесс сопровождается выделением газа. При его быстром образовании срабатывает защита, отключающая устройство от питания и зарядки. Если процесс газообразования протекает медленно, включается оповещение.
• Тепловые индикаторы показывают нагрев масла в различных узлах системы отвода тепла.
  Указатель температуры масла
• Осушители. Применяются в системах отвода тепла негерметичного масла, препятствуют образованию конденсата.
• Системы восстановления нефти.
• Датчики давления, если оно превышает определенный порог, автоматически включается устройство сброса для нормализации.
• Датчик уровня масла в системе отвода тепла.

Рабочий режим

Когда к вторичной цепи подключается нагрузка, частицы движутся, вызывая магнитный поток в проводнике. Он направлен в сторону от потока, создаваемого первичной катушкой. В первичной обмотке имеется несоответствие между ЭДС индукции и напряжением питания. Ток в исходной катушке увеличивается до тех пор, пока магнитное поле не приобретет исходное значение.

Магнитный поток вектора индукции характеризует прохождение поля через выбранную поверхность и определяется интегралом по времени мгновенного показателя силы в первичной обмотке. Показатель степени на 90° не совпадает по фазе с движущей силой. ЭДС, наводимая во вторичной цепи, по форме и фазе совпадает с ЭДС первичной обмотки.

Принятая маркировка

Буквенно-цифровые обозначения СТ изготавливаются согласно рисунку ниже.

Маркировка силового трансформатора

Обозначения:

1. Указывает тип машины. Возможны варианты «А», «Л», «Е» или отсутствие символа, что соответствует автотрансформаторному, линейному или печному устройству. Отсутствие символа указывает на нормальный ST.
2. «О» или «Т» соответствует однофазному или трехфазному устройству.
3. Используемый вариант радиатора (для масляных систем), возможные варианты:

• М — принудительные системы не используются.
• D — осуществляется принудительная подача воздуха.
• CC: Выполняется принудительный поток воздуха с ненаправленной циркуляцией.
• НК — Водомасляное охлаждение с направленной циркуляцией.
• C — Водомасляное охлаждение с ненаправленной циркуляцией.

1. Индикация мощности в кВА.
2. Допустимый уровень высокого напряжения (кВ).
3. Вариант исполнения (наружное или внутреннее размещение, особые климатические условия и т.д.)

Особенности обслуживания

ПТ являются важными звеньями в схемах передачи энергии, от них зависит работа всей системы. Для обеспечения надежности и бесперебойной работы этих устройств необходимо регулярное техническое обслуживание, проводимое обученными и авторизованными специалистами.

Если оборудование используется там, где предусмотрено присутствие штатного обслуживающего персонала, то в его функции входит проведение периодических осмотров, в ходе которых снимаются показания приборов, характеризующие текущее состояние СТ. Правила требуют контролировать:

• Показания уровня масла в радиаторных системах.
• Состояние осушителя.
• Работа системы восстановления масла.
• Состояние внешнего корпуса устройства и его основных узлов.

При обнаружении отклонений от нормы, пятен, повреждений или других признаков, свидетельствующих о ненормальной работе контролируемых устройств, персонал должен принять меры, прописанные в инструкции.

Для автономного оборудования , эксплуатация которого не требует присутствия дежурного персонала, предполагается проведение ежемесячного технического осмотра. Что касается пунктов оформления, то для них это правило сокращено до шести месяцев.

При недостатке масла в системе отвода тепла долейте, а в случае несоблюдения норм замените его полностью. Определить необходимость замены масла можно по его цвету.

Свидетельством ненормальной работы оборудования может быть повышение температуры в помещении подстанции. При обнаружении прямых или косвенных признаков ненормальной работы СБ назначают внеплановую проверку с проверкой общего состояния элементов средств защиты.

По правилам эксплуатации раз в год необходимо брать пробу масла на лабораторный анализ. То же действие предписано и при капитальном ремонте.

Кроме того, при обслуживании периодически необходимо регулировать рабочее напряжение. Необходимость в этом обусловлена ​​тем, что со временем латунные и медные контакты покрываются оксидной пленкой, что приводит к увеличению переходного сопротивления. Для предотвращения этого каждые полгода с ПТ снимают нагрузку и питание, после чего меняют регулятор напряжения во всех положениях. Рекомендуется повторить процедуру несколько раз, прежде чем вернуться в исходное положение.